паровая тороидальная турбина а.м.репина

Формула изобретения

1. Паровая тороидальная турбина малой мощности, содержащая корпус, ротор, диафрагмы, отличающаяся тем, что корпус турбины образует один или несколько тороидальных объемов, в которых установлены элементы проточной части, ротором каждого тороидального статора является диск, соединенный с валом и облапаченный усиленными лопатками, на вершинах которых закреплено цельное кольцо, несущее дополнительные ряды рабочих лопаток, при этом в статоре перед рядами рабочих лопаток установлены секторные диафрагмы, а между ними винтообразные разделители потоков пара, а также примыкающие к диафрагмам и разделителям фасонные кольца, являющиеся элементами проточной части статора и образующие винтовой тороидальный расширяющийся канал, который обеспечивает направление потока пара в проточной части вокруг цельного кольца через секторные диафрагмы и ряды рабочих лопаток многократно.

2. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что лопатки, установленные на диске, имеют на периферии выполненные за одно целое с ними бандажные полки, при этом цельное кольцо расположено на последних и соединено с ними, например, сваркой.

3. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что на фасонных кольцах выполнены сотовые уплотнения, а цельное кольцо между лопатками имеет скосы под углом 30-45°, образующие с уплотнениями соответствующие уплотняющие пары.

4. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что наружный ряд лопаток имеет на периферии бандажное кольцо со скошенными полками, причем под полками на корпусе установлены кольцевые сотовые уплотнения, образующие со скосами уплотняющую пару.

5. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что на корпусе в области обода диска установлены сотовые уплотнения для отделения тороидальной проточной части от дискового пространства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к турбостроению и может быть при соответствующем парогенераторе широко использовано в народном хозяйстве, как первичный двигатель малой и средней мощности.

Лучшая перспектива применения такого двигателя просматривается в водном и железнодорожном транспорте.

Проблема создания экономических многоступенчатых турбин, работающих по конденсационному циклу с малым расходом пара средних и высоких параметров, на умеренные обороты ротора, при небольших габаритах и массе турбины в настоящее время решения не имеет.

Задачей настоящего изобретения является создание экономичной, неметаллоемкой, малогабаритной, многоступенчатой паровой турбины малой (средней) мощности, на средние и высокие параметры пара, при умеренных оборотах ротора, с возможностью отбора пара на регенерацию и другие нужды, работающей по конденсационному циклу, или, при необходимости, и с противодавлением.

Сущность изобретения заключается в том, что корпус турбины образует один или несколько тороидальных объемов, в которых установлены элементы статора проточной части, ротором же каждого тороидального статора является диск, соединенный с валом, и облопаченный усиленными лопатками, на вершинах которых закреплено цельное кольцо, несущее дополнительные ряды рабочих лопаток, при этом в статоре перед рядами рабочих лопаток установлены секретные диафрагмы, а между ними винтообразные разделители потоков пара, а также примыкающие к диафрагмам и разделителям фасонные кольца, являющиеся элементами проточной части статора и образующие винтовой тороидальный расширяющийся канал, который обеспечивает направление потока пара в проточной части вокруг цельного кольца через секторные диафрагмы и ряды рабочих лопаток многократно.

Соединение цельного кольца с усиленными лопатками получено с помощью фланцев (бандажей), выполненных заодно с телом лопаток, посредством, например, сварки.

Лабиринтные уплотнения в проточной части выполнены кольцевыми сотового типа или соосно или под углом K оси турбины.

Предложенное устройство паровой турбины, имея незначительные габариты и массу, обеспечивает получение значительного количества (например при 4-х оборотах 14 16) рабочих ступеней на одном рабочем диске, а следовательно срабатывание на нем большого перепада теплосодержания пара при небольших его расходах и умеренных оборотах ротора.

Небольшие габариты предлагаемой турбины позволяют уменьшить зазоры в уплотнениях между подвижными и неподвижными частями минимума, что обеспечивает низкие потери от утечек пара.

Низкие потери от утечек пара и небольшие срабатываемые перепады давлений в рабочих ступенях, из-за их большого количества, обуславливают повышение значения КПД турбины.

Предлагаемое устройство турбины простое в изготовлении и не требует дорогих материалов. Малые габариты и масса турбины гарантируют оперативность работы при ее эксплуатации (не требуется длительных прогревов и охлаждений).

Предложенное устройство турбины позволяет получить очень низкие обороты ротора и прямое соединение ротора с потребителем, например, гребным винтом, насосом и др.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами и, с целью краткости описание, составлено применительно к простым и технологичным устройствам турбины.

На фигуре 1 показан продольный разрез турбины.

На фигуре 2 вариант корпуса турбины.

На фигуре 3 внутренний вид полукорпуса (фиг. 1) в сборе с крышкой.

На фигуре 4 фрагмент проточной части (фиг. 1) в разрезе по средней линии усиленных лопаток (развернуто).

На фигуре 5 продольный разрез турбины с дополнительной осевой частью.

На фигуре 6 продольный разрез турбины с двумя рабочими дисками.

Паровая многоступенчатая турбина состоит из корпуса 1 (фиг. 1, 2). На фигуре 1 изображен корпус, состоящий из полукорпусов 2 и 3 и крышек 4 и 5 турбины.

Корпус имеет три вертикальных разъема для обеспечения изготовления и сборки турбины.

На фигуре 2 показан вариант корпуса 1, состоящего из двух полукорпусов 6 и 7 с одним вертикальным разъемом.

Выбор того или другого корпуса зависит от принятой технологии изготовления и отливки.

Корпус 1 в сборе во всех вариантах образует внутри тороидальный объем 8 (фиг. 1, 2, 5, 6), где расположена проточная часть турбины.

Ротор турбины 9 (фиг. 1) состоит из вала 10 и откованного заодно или насадного диска 11.

Диск 11 (фиг. 1) облопачен усиленными рабочими лопатками 12, на вершинах которых имеются фланцы (бандажи) 13, изготовленные заодно с телом лопатки.

К фланцам 13 прочно закреплено, например, сваркой, установленное на них цельное кольцо 14 (фиг. 1), на которое смонтированы (в рассматриваемом случае три) дополнительные ряды рабочих лопаток 15, 16, 17 (фиг. 1), расположенные друг другу под углом 90^o. Указанное количество дополнительных рядов рабочих лопаток и их расположение обуславливает простоту устройства турбины, технологичность ее изготовления и сборки.

Принципиально на кольце 14 может быть смонтировано большое количество дополнительных рядов рабочих лопаток (4, 5, 7.), но это ведет к росту нагрузки на кольцо и к усложнению устройства корпуса. Такое устройство турбины может найти применение лишь в отдельных и особых случаях, а поэтому в настоящей заявке подробно не рассматривается, тем более, что сказанное сущности изобретения не имеет.

Кольцо 14 (фиг. 1) между рядами рабочих лопаток имеет скосы 18, 19 под углом 30 ^oC45^o к продольной оси кольца, являющиеся ответными поверхностями лабиринтных уплотнений.

Ряды рабочих лопаток 15 и 17 подобны рабочим лопаткам радиальных турбин и на вершинах имеют бандажные кольца 20, 21 (фиг. 1).

На вершинах лопаток ряда 16 установлено цельное бандажное кольцо 22 (фиг. 1) и закреплено от осевого смещения к отдельным лопаткам электрозаклепками (не показаны). Бандажное кольцо 22 имеет широкие полки с внутренними скосами (15^oC30^o). Под полками бандажа установлены кольцевые лабиринтные сотовые уплотнения 23 (фиг. 1), которые предотвращают утечку пара у вершин ряда рабочих лопаток 16 (фиг. 1).

Между рядами лопаток 12 и 15, 15 и 16, 16 и 17, 17 и 12 (фиг. 1) установлены разделители 24 (фиг. 3, 4) соседних потоков пара представляющие собой секторные винтообразные стенки (внутри могут быть полыми), закрепленные к соответствующим частям корпуса или получены при отливке этих частей.

Количество разделителей потока пара и их ширина по дуге определяется числом оборотов парового потока вокруг кольца 14 и конкретными условиями при проектировании турбины. Однако, ширина торца разделителя по дуге может быть только более двух шагов соответствующего ряда рабочих лопаток, в противном случае перетекание пара между ступенями соседних витков потока пара резко возрастет.

Зазор 25 (фиг. 4) между торцами разделителей 24 и рядами рабочих лопаток 12, 15, 16, 17 возможен минимальный, т.к. осевая "игра" ротора при использовании подшипников качения практически нулевая, а также минимально при коротком роторе его тепловое расширение.

Сказанное обеспечивает минимальное перетекание пара между ступенями соседних витков потока.

Между разделителями 24 потоков пара перед каждым рядом рабочих лопаток 12, 15, 16, 17 установлены секторные диафрагмы 26, 27, 28, 29 (фиг. 1, 3, 4) с соответствующими направляющими аппаратами. Количество секторных диафрагм в данном ряду соответствует количеству рабочих ступеней в нем. Длина по дуге секторных диафрагм определяется количеством протекающего пара, его скоростью и его параметрами.

К разделителям 24 потоков пара и секторным диафрагмам 26, 27, 28, 29 с внутренней стороны каждого ряда укреплены фасонные кольца 30, 31, 32, 33 (фиг. 1). Омываемая потоком пара сторона колец выполнена хорошо обтекаемой, а сторона примыкающая к цельному кольцу 14 несет на себе кольцевое лабиринтное уплотнение сотового типа соответственно 34, 35, 36, 37 (фиг. 1, 2, 3), обеспечивающие уменьшение утечки пара у корней лопаток дополнительных рядов 15, 16, 17 и у вершин усиленных лопаток 12.

Для уменьшения утечек пара из проточной части турбины между ободом 38 диска 11 и частями корпуса 1 (фиг. 1, 2) в последних установлены соответственно ободу кольцевые габаритные уплотнения 39 сотового типа.

Снижение протечек пара у вершин рабочих лопаток 15 и 17 осуществляется кольцевыми, лабиринтными уплотнениями 40 и 41 (фиг. 1) сотового типа, образующих уплотняющую лабиринтную пару с бандажными кольцами 20 и 21.

Зазор между корпусом и выходом вала уплотнен лабиринтовым уплотнением 42.

В предложенном устройстве турбины большинство уплотнений расположено соосно или под углом к оси турбины, что исключает задевания в уплотнениях при осевой "игре" и тепловом расширении даже при минимальных зазорах в уплотнениях.

Для осуществления необходимого направления потоку пара при входе в проточную часть турбины и сокращения потерь установлена направляющая пластина 43 (фиг. 1), а противоположное направление закрыто экраном 44 (фиг. 1, 6). Зазор между экраном 44 и рабочими лопатками 15 равен зазору 25 (фиг. 4).

При отводе пара из проточной части турбины последующая секторная диафрагма заменяется экраном 45 (фиг. 5 и 6) с зазором от ряда рабочих лопаток равным зазору 25 (фиг. 4).

Отбор пара регенерацию и другие нужды в предложенном устройстве турбины возможен от потока пара в секторах между разделителями 24 и рядами рабочих лопаток 12, 15, 16, 17 (на фигурах не показано).

Вал 10 турбины поддерживается роликовыми подшипниками качения 46, а осевое усилие воспринимается упорным подшипником качения 47 (фиг. 1). При необходимости можно уменьшить осевое усилие за счет введения реактивности ряда рабочих лопаток 16 (фиг. 1).

Внутренние стенки корпуса 1, разделители 24 потоков пара и омываемая часть колец 30, 31, 32, 33 ограничивают винтовой, тороидальный, расширяющийся по ходу пара канал 48 (фиг. 3, 4), обеспечивающий подвод пара через диафрагмы к рабочим лопаткам многократно, что делает возможным потребление пара повышенных параметров при малых расходах пара, при небольших габаритах и массе турбины, достичь минимальных зазоров в уплотнениях, малых потерь с утечками пара, повышенных КПД турбины.

В предложенном устройстве турбины профили рабочих лопаток выбираются по принципу наименьших потерь, а профили сопловых решеток из условия наилучшей работы пара на данном профиле рабочих лопаток.

Изготовление и сборка предложенной турбины подобно радиальным турбинам и не вызывают особых технических трудностей. Контроль зазоров в уплотнениях возможно производить через технологические отверстия в корпусе (на чертежах не указаны) или определять расчетным путем.

В условиях эксплуатации общую оценку состояния зазоров в уплотнениях удобно определять по зазору у обода рабочего диска (38, 39 фиг. 1), через отверстия, закрываемые пробками (не указаны).

Предлагаемая паровая турбина работает применительно к фиг.1 следующим образом:

Свежий пар через запорные и регулирующие органы (не показаны) поступает через отверстие 49 в корпусе 1 в начальную часть 50 тороидального вентового канала 48, ограниченную двумя соседними разделителями пара 24, экраном 44 (пластина 43 упорядочивает поток и сокращает потери) и одной из секторных диафрагм 28. После расширения в диафрагме пар совершает работу на ряду рабочих лопаток 16. Так происходит работа в первой ступени турбины. Далее отработавший на лопатках 16 пар продолжает движение по винтовому каналу 48, отклоняясь на часть шага по дуге тороидального объема 8 и поворачиваясь с аксиального направления на радиальное, подается к одной из секторных диафрагм 29, после расширения в которой, работает на ряду лопаток 17. Так происходит работа во второй ступени. После рабочих лопаток 17 пар следующим участком канала 48 разворачивается из радиального в осевое направление и подводится к одной из секторных диафрагм 26, после расширения в которой пар работает на ряду рабочих усиленных лопаток 12. Так происходит работа в третьей ступени турбины. Следующий участок канала 48, развернув поток на радиальный, подводит пар к одной из секторных диафрагм 27, после которой пар работает на рабочих лопатках 15. Так происходит работа в четвертой ступени турбины. Последующий участок канала 48 разворачивает поток пара с радиального на осевое и подводит его к соседней и вводом пара в турбину секторной диафрагме 28, после которой пар вторично работает на лотках 16, так происходит работа в пятой ступени турбины. И т.д.

Паровой поток по каналу 48 совершает несколько оборотов (например 4 и более) вокруг кольца 14. Каждый раз поочередно работает на всех рядах рабочих лопаток, срабатывая расчетный теплоперепад. После отработки расчетного теплоперепада пар отводится из турбины (на фиг. 4, 6 показано условно) из любой части канала 48, и подается или в конденсатор, или в другой корпус для срабатывания оставшегося теплоперепада, или какому-либо потребителю тепла.

Первый вариант.

В тороидальной турбине сработать полностью теплоперепад не представляется возможным. Установка последующего корпуса увеличивает занимаемую площадь, материальные затраты, массу установки. В этом случае целесообразно применить турбину, изображенную на фиг. 5, состоящую из тороидальной части 51 и аксиальной части 52. Аксиальная часть состоит из корпуса 53, представляющего собой колоколообразную отливку с частью тороида, где расположены несколько рабочих аксиальных ступеней, состоящих из облопаченных насадных дисков 54 и диафрагм 55. Диафрагмы разделены между собою проставками 56. Аксиальная часть турбины закрывается крышкой 57, через которую отработавший пар отводится в конденсатор. Собирается аксиальная часть последовательной установки диафрагм, дисков и проставок.

Работа турбины. Свежий пар, поступивший в турбину, работает сначала в тороидальной части, как это описано выше, затем через отверстие 58 поступает в аксиальную часть, совершая работу на ступенях этой части, и отводится в конденсатор.

Второй вариант.

В случае турбины, предназначенной для срабатывания большого теплоперепада, или тихоходной предлагается компактная, однокорпусная паровая турбина (фиг. 6), которая состоит из двух частей: часть высокого давления (ЧВД) 59, и часть низкого давления (ЧНД) 60. Обе части имеют тороидальное исполнение.

Турбина состоит из корпуса 61, представляющего собой цилиндрическую отливку, оканчивающуюся с обоих концов полными полуторами (полутороидами). Передняя часть 62 и задняя часть 63 турбины могут быть выполнены в вариантах фиг. 1 или 2. После сборки корпуса образуется два тороидальных объема 8, где располагаются проточные части турбины, ЧВД-64, ЧНД-65.

Ротор турбины имеет вал 66 и два рабочих диска 67 и 68 (в приведенном варианте диск 67 откован заодно с валом 66, диск 68 насажен).

Устройство элементов проточной части и уплотнений ЧВД и ЧНД аналогично рассмотренному в начале настоящей заявки.

С целью уменьшения осевого усилия в турбине потоки пара ЧВД и ЧНД имеют противоположные направления.

По рассмотренному принципу возможно осуществить устройство турбины с двумя и более корпусами, с тремя и более рабочими дисками и тороидальными проточными частями.

Сборка рассматриваемой турбины возможна и не вызывает технических затруднений.

Работа турбины.

Свежий пар поступает в ЧВД 59, где протекая через тороидальную проточную часть 64, за несколько оборотов вокруг кольца 14 срабатывает теплоперепад на рабочих лопатках диска 67. После чего пар, отсеченный пластиной 45 через отверстия 69 и 70 перетекает в ЧНД 60.

Будучи перегороженным пластиной 44 пар направляется в тороидальную проточную часть ЧНД, где срабатывает оставшийся теплоперепад на рабочих лопатках диска 68 и отводится за пределы турбины, например, в конденсатор (не показано).