МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ РАДИАЛЬНАЯ ТУРБИНА
MULTISTAGE RADIAL TURBINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к многоступенчатым радиальным турбинам.
Уровень техники
Конструкция радиальной турбины характеризуется наличием группы центрифугальных лопаток, закрепленных на ступице, установленной на поворотном валу, причем на указанные лопатки воздействует воздух или газ, являющиеся рабочей средой, которая проходит внутрь в радиальном направлении с внешней стороны, двигаясь по пространству между по существу параллельными круговыми пластинами, используемому в качестве проточного канала, и которая воздействует на центрифугальные лопатки, вовлекая ступицу во вращение, после чего выходит по существу в продольном направлении вала.
Поскольку высокую степень расширения можно обеспечить даже посредством одноступенчатой конструкции, в уровне техники обычно используются именно одноступенчатые радиальные турбины.
Чтобы эффективно использовать энергию рабочей среды, у которой большой перепад давления сопровождается значительным тепловым перепадом, было предложено применять в радиальной турбине многоступенчатую конфигурацию, т.е. использовать рабочую среду в несколько этапов.
Например, в патентном документе 1 предложено расположить несколько радиальных турбин в ряд, чтобы поток рабочей среды, выходящий из одной радиальной турбины, поступал на вход следующей радиальной турбины, сохраняя энергию рабочей среды. В этом случае все радиальные турбины имеют свои собственные валы с разными скоростями вращения, причем выполнение работы осуществляется за счет вращения отдельных валов.
Ссылки на цитируемые документы
Патентный документ 1: Японская заявка на изобретение, в отношении которой не проводилась экспертиза, публикация № Sho 59-79096.
Сущность изобретения
Задача изобретения
В конструкции, описанной в патентном документе 1, каждая радиальная турбина имеет свой поворотный вал, поэтому количество подшипников и уплотнений для валов увеличивается. Из-за этого возрастают потери в подшипниках и потери в результате утечек, что не дает возможности эффективно преобразовывать энергию рабочей среды, находящейся под высоким давлением, в кинетическую энергию вращения.
В частности, если вырабатывается кинетическая энергия для осуществления некоторой операции, усилие вращения передается с отдельных выводных валов на вал, выполняющий эту операцию, например, с помощью зубчатого зацепления; отсюда возникает проблема, связанная с тем, что конструкция турбины становится громоздкой.
С учетом описанных выше обстоятельств задача настоящего изобретения заключается в разработке многоступенчатой турбины, позволяющей уменьшить количество используемых подшипников и повысить КПД преобразования.
Решение задачи
Для решения описанной выше задачи настоящее изобретение предлагает следующее решение.
Согласно ключевому аспекту настоящего изобретения, в нем предложена многоступенчатая радиальная турбина, содержащая: одиночный поворотный вал; группу роторных лопаток радиальной турбины, которые прикреплены к поворотному валу через промежутки и направляют поток рабочей среды, поступающий в радиальном направлении с внешней стороны, по существу в продольном направлении вала; группу сопел, установленных по отдельности на верхней по течению стороне каждой роторной лопатки и ускоряющих поток рабочей среды в направлении вращения; соединительный канал, обеспечивающий сообщение между выпускным участком роторной лопатки передней ступени и верхней по течению стороной сопла задней ступени, причем соединительный канал имеет изогнутый U-образный участок, который отклоняет поток рабочей среды, поступающий в продольном направлении вала от роторной лопатки, наружу в радиальном направлении; лопастный участок, содержащий группу отклоняющих лопастей, отклоняющих поток рабочей среды в направлении вращения роторных лопаток с проведением потока рабочей среды из изогнутого U-образного участка наружу в радиальном направлении; и участок обратного изгиба, который отклоняет внутрь в радиальном направлении поток, выходящий из лопастного участка, вызывая при этом направленное наружу завихрение в радиальном направлении.
В соответствии с предложенным изобретением поток рабочей среды, поступающий в радиальном направлении с внешней стороны, ускоряется соплом в направлении вращения и входит во внешнюю периферическую часть роторной лопатки радиальной турбины. Рабочая среда, поступившая в роторную лопатку, выходит из указанной роторной лопатки в продольном направлении вала, проходит через изогнутый U-образный участок, где отклоняется наружу в радиальном направлении, после чего отклоняется под действием отклоняющих лопастей в направлении вращения роторной лопатки радиальной турбины, направляясь при этом наружу в радиальном направлении во время прохождения через лопастный участок. Рабочая среда, которая выходит из лопастного участка в радиальном направлении с направленным наружу завихрением, проходит через участок обратного изгиба, где отклоняется внутрь в радиальном направлении и далее входит в сопло следующей ступени с внешней стороны в радиальном направлении. Поток рабочей среды циклически претерпевает описанные процессы, после чего выходит из роторной лопатки последней ступени, например, по существу в продольном направлении вала. При этом вращение каждой роторной лопатки передается на одиночный поворотный вал, обеспечивая его вращение.
Поскольку группа роторных лопаток радиальной турбины указанным образом присоединена к одиночному поворотному валу через промежутки, подшипники и уплотнения требуются только для одного поворотного вала, а следовательно, их количество может быть уменьшено по сравнению со случаем использования группы поворотных валов.
Благодаря тому, что потери в подшипниках и потери в результате утечек являются уменьшенными, энергия рабочей среды, находящейся под высоким давлением, будет эффективно преобразовываться в кинетическую энергию вращения.
Кроме того, роторные лопатки радиальной турбины и поворотный вал могут иметь конструкцию, аналогичную обычной конструкции, но при этом становится возможным не допустить увеличения размеров указанных элементов многоступенчатой радиальной турбины.
Согласно одному из вариантов изобретения, изогнутый U-образный участок выполнен таким образом, что площадь сечения канала у конца, ближнего к лопастному участку, на его нижней по потоку стороне, меньше, чем площадь сечения канала у конца, ближнего к роторной лопатке радиальной турбины, на его верхней по потоку стороне.
Поскольку изогнутый U-образный участок выполнен таким образом, что площадь сечения канала у конца, ближнего к лопастному участку, на его нижней по потоку стороне, меньше, чем площадь сечения канала у конца, ближнего к роторной лопатке радиальной турбины, на его верхней по потоку стороне, становится возможным ускорить поток рабочей среды на указанном изогнутом U-образном участке.
За счет этого может быть уменьшен срыв потока, возникающий из-за влияния зон низкой скорости потока, которые могут присутствовать на выходных участках роторной лопатки радиальной турбины.
Согласно предпочтительному варианту изобретения, указанная площадь сечения канала на его нижней по потоку стороне не превышает 0,8-0,9 от площади сечения канала на его верхней по потоку стороне.
Зоны низкой скорости потока, которые могут возникать на выходных участках роторной лопатки радиальной турбины, обычно занимают 10-20% площади канала на этих участках.
Благодаря обеспеченному посредством изобретения ускорению потока рабочей среды на изогнутом U-образном участке по меньшей мере на 10-20%, появляется возможность уменьшить влияние зон низкой скорости потока.
В предпочтительном случае отклоняющие лопасти имеют форму эвольвенты.
Такая конфигурация позволяет уменьшить разницу между площадью канала на входном участке между отклоняющими лопастями лопастного участка и площадью канала на выходном участке.
Соответственно, обеспечивается возможность уменьшения потерь, связанных с замедлением и с отклонением среды в лопастном участке.
Обеспечиваемый технический результат
Поскольку, согласно настоящему изобретению, роторные лопатки радиальной турбины присоединены через промежуток к одному поворотному валу, подшипники и уплотнения требуются только для этого одного поворотного вала, следовательно, их количество будет уменьшено по сравнению со случаем использования нескольких поворотных валов.
Исходя из сказанного, потери в подшипниках и потери в результате утечек являются уменьшенными, а значит энергия рабочей среды, находящейся под высоким давлением, эффективно преобразуется в кинетическую энергию вращения.
Кроме того, роторные лопатки радиальной турбины и поворотный вал могут иметь конструкцию, аналогичную обычной конструкции, но при этом становится возможным не допустить увеличения размеров указанных элементов многоступенчатой радиальной турбины.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 схематически изображает в разрезе фрагмент многоступенчатой одновальной радиальной турбины, соответствующей одному из вариантов изобретения.
Фиг.2 изображает разрез, взятый по показанной на фиг.1 линии Х-X.
Описание вариантов изобретения
Далее со ссылкой на фиг.1 и 2 описана предложенная многоступенчатая одновальная радиальная турбина 1.
Фиг.1 схематически изображает в разрезе фрагмент предложенной многоступенчатой одновальной радиальной турбины. Фиг.2 изображает разрез, взятый по показанной на фиг.1 линии Х-X.
Многоступенчатая одновальная радиальная турбина 1 имеет поворотный вал 3, группу, например две, роторных лопаток 5, корпус 7 и соединительный проточный канал 9.
Поворотный вал 3 удерживается на корпусе 7 помещенным одним концом в радиальный подшипник (не показан), при этом другой его конец удерживается радиальным подшипником (не показан) и упорным подшипником (не показан).
В турбине предусмотрена группа роторных лопаток 5, которые расположены через промежутки в продольном направлении L поворотного вала 3 и которые направляют поток рабочей среды, поступающий в радиальном направлении К с внешней периферической стороны, по существу в указанном продольном направлении L поворотного вала.
Роторные лопатки 5 радиальной турбины имеют ступицы 11, прикрепленные к поворотному валу 3, группу центрифугальных лопаток 13, закрепленных на ступицах 11 через равные интервалы в окружном направлении, и экраны 15, прикрепленные к концам указанных лопаток 13.
В роторных лопатках 5 радиальной турбины предусмотрены газовые каналы, т.е. каналы, через которые проходит газ (рабочая среда), ограниченные указанными ступицами 11, лопатками 13 и экранами 15. Участки этих газовых каналов, удаленные от поворотного вала 3, используются в качестве участков 21 впуска газа, при этом участки газовых каналов, расположенные вблизи поворотного вала 3, используются в качестве участков 23 выпуска газа.
В части корпуса 7, расположенной с внешней стороны участков 21 впуска газа, предусмотрен тороидальный входной канал 17, проходящий в радиальном направлении К. Входной канал 17 имеет такую форму, что газ протекает в нем в радиальном направлении К от внешней стороны.
На нижней по течению стороне входного канала 17, или, что то же самое, на верхней по течению стороне роторных лопаток 5 радиальной турбины, установлено аэродинамическое сопло 19, которое ускоряет газовый поток в направлении R вращения.
Соединительный канал 9 представляет собой канал в корпусе 7, обеспечивающий сообщение между участками 23 выпуска газа роторных лопаток 5 передней ступени и верхней по течению стороной сопла 19 задней ступени.
Соединительный канал 9 имеет изогнутый U-образный участок 25, который отклоняет газовый поток, поступающий в продольном направлении L вала от роторной лопатки 5, наружу в радиальном направлении К, лопастный участок 29, содержащий несколько отклоняющих лопастей 27, отклоняющих газовый поток в направлении R вращения роторных лопаток 5 с проведением газового потока из изогнутого U-образного участка 25 наружу в радиальном направлении К, и участок 31 обратного изгиба, который отклоняет внутрь в радиальном направлении К газ, выходящий из лопастного участка 29, вызывая при этом направленное наружу завихрение в радиальном направлении К.
Площадь А2 сечения канала у конца изогнутого U-образного участка 25, ближнего к лопастному участку 29, на его нижней по потоку стороне, составляет по большей мере 0,8-0,9 от площади А1 сечения канала у конца, ближнего к роторной лопатке 5 радиальной турбины, на его верхней по потоку стороне. Иначе говоря, канал создают таким образом, что площадь А2 сечения на его нижней по потоку стороне меньше, чем площадь А1 сечения на его верхней по потоку стороне.
Указанное соотношение определено с учетом зон Т низкой скорости потока, которые присутствуют по меньшей мере на выходных участках роторной лопатки 5 радиальной турбины. Зоны Т низкой скорости потока обычно занимают 10-20% площади выходного участка канала, т.е. площади А1 канала роторной лопатки 5 на верхней по течению стороне.
Хотя в предпочтительном случае площадь А2 канала на нижней по течению стороне меньше, чем площадь А1 канала на верхней по течению стороне, она может быть по существу равна ей или даже превосходить ее, в зависимости от особенностей использования.
Как показано на фиг.2, отклоняющие лопасти 27 лопастного участка 29 имеют форму эвольвенты.
В этом случае достигается значительное уменьшение разницы между площадью A3 канала на входном участке и площадью А4 канала на выходном участке между отклоняющими лопастями 27 лопастного участка 29 по сравнению с разницей между площадью А5 канала на входном участке и площадью А6 канала на выходном участке между линейно расширяющимися отклоняющими лопастями 33, показанными на фиг.2 штрихпунктирной линией с двумя точками.
Хотя в предпочтительном случае отклоняющие лопасти 27 имеют форму эвольвенты, данное условие не является обязательным, и они могут иметь любую подходящую форму.
Далее описан принцип действия многоступенчатой одновальной радиальной турбины 1, выполненной согласно раскрытому выше варианту изобретения.
Газовый поток G1, поступающий от источника газа (не показан) во входной канал 17 первой ступени, проходит через указанный канал и течет внутрь в радиальном направлении К в сопло 19 с внешней стороны.
Сопло 19 ускоряет этот газовый поток G1 в окружном направлении R и подводит его к участкам 21 впуска газа, расположенным на внешней периферической части роторных лопаток 5 радиальной турбины.
Газ, поступивший в роторную лопатку 5 радиальной турбины, расширяется при прохождении через газовый канал, ограниченный ступицей 11, центрифугальными лопатками 13 и экраном 15. За счет этого расширения происходит воздействие на лопатки 13, которые приводятся в движение в направлении R вращения. Благодаря этому движению лопаток 13 ступица 11 вовлекается во вращение в направлении R и вращает поворотный вал 3.
Газовый поток, выходящий в продольном направлении L вала из участков 23 выпуска газа роторной лопатки, проходит через изогнутый U-образный участок 25 и отклоняется наружу в радиальном направлении К.
При этом, благодаря тому, что площадь А2 сечения изогнутого U-образного участка 25 на его нижней по течению стороне составляет по большей мере 0,8-0,9 от площади А1 сечения на его верхней по течению стороне, газовый поток, проходящий через изогнутый U-образный участок 25, ускоряется, например, по меньшей мере на 10-20%, в соответствии с уменьшением площади канала.
Хотя обычно перед участками 23 выпуска газа роторной лопатки 5 и за этими участками имеются зоны Т низкой скорости потока, которые занимают 10-20% площади канала, эти зоны Т удается по существу устранить, поскольку на изогнутом U-образном участке 25 достигается по меньшей мере достаточный уровень ускорения. Другими словами, воздействие зон Т низкой скорости потока удается уменьшить.
Благодаря тому, что указанным образом обеспечивается уменьшение воздействия зон Т низкой скорости потока, путем сосредоточения этих зон, возникающих на участках 23 выпуска газа роторной лопатки 5, удается уменьшить срыв потока за счет придания кривизны поверхности экрана 15 на нижней по течению стороне.
Если площадь А2 канала на нижней по течению стороне составляет меньше 0,8-0,9 от площади А1 канала на верхней по течению стороне, можно в еще большей степени уменьшить срыв потока; поэтому кривизну отдельных участков можно снизить еще больше.
Благодаря указанной мере вал в многоступенчатой конфигурации может иметь меньшую общую длину, а следовательно и общая длина всей одновальной радиальной турбины 1 станет меньше, т.е. эта радиальная турбина 1 будет более компактной.
Когда далее газовый поток проходит через лопастный участок 29, он отклоняется в направлении R вращения роторной лопатки 5 радиальной турбины и направляется наружу в радиальном направлении К под действием отклоняющих лопастей 27.
При этом, поскольку отклоняющие лопасти 27 имеют форму эвольвенты, разница между площадью A3 на входном участке канала между отклоняющими лопастями 27 и площадью А4 на выходном участке будет невелика. Благодаря этому потери в лопастном участке 29, связанные с торможением газового потока и с его отклонением, будут уменьшенными.
Кроме того, за счет регулировки углового положения отклоняющих лопастей 27 можно регулировать угол потока на входе в сопло 19 на нижней по течению стороне. Так, если придать углу потока на входе в сопло 19 значение от 40 до 50 градусов в окружном направлении, потери от столкновений при входе в сопло 19 могут быть уменьшены.
Поток, выходящий из лопастного участка 29 в радиальном направлении К наружу с завихрением, проходит через участок 31 обратного изгиба, отклоняется внутрь в радиальном направлении К и принуждается течь в радиальном направлении К во входной канал 17 следующей ступени с внешней стороны.
Газовый поток G2, поступающий из участка 31 с обратным изгибом, проходит через входной канал 17 и течет в сопло 19 внутрь в радиальном направлении К с внешней стороны.
Сопло 19 ускоряет этот газовый поток G2 в окружном направлении R и подает его в участки 21 впуска газа, расположенные на внешней стороне роторной лопатки 5 радиальной турбины.
Газ, поступивший в роторную лопатку 5 радиальной турбины, расширяется при прохождении через газовый канал, ограниченный ступицей 11, центрифугальными лопатками 13 и экраном 15. За счет этого расширения происходит воздействие на лопатки 13, которые приводятся в движение в направлении R вращения. Благодаря этому движению лопаток 13 ступица 11 вовлекается во вращение в направлении R и вращает поворотный вал 3.
Газовый поток, выходящий в продольном направлении L вала из участков 23 выпуска газа роторной лопатки, проходит через отводной канал (не показан) и выпускается в пространство вне радиальной турбины 1.
Поскольку роторные лопатки 5 радиальной турбины присоединены указанным образом через промежуток к одному поворотному валу 3, подшипники и уплотнения требуются только для этого одного поворотного вала 3, поэтому их количество будет уменьшено по сравнению со случаем использования нескольких поворотных валов.
Благодаря тому, что потери в подшипниках и потери в результате утечек являются уменьшенными, энергия рабочей среды, находящейся под высоким давлением, эффективно преобразуется в кинетическую энергию вращения. Кроме того, тепловой перепад рабочей среды можно преобразовывать в кинетическую энергию вращения посредством одной одновальной радиальной турбины.
Роторные лопатки 5 радиальной турбины и поворотный вал 3 могут иметь конструкцию, аналогичную обычной конструкции, но при этом становится возможным не допустить увеличения размеров указанных элементов одновальной радиальной турбины 1.
Настоящее изобретение не ограничено описанным выше вариантом выполнения - объем его правовой охраны включает в себя различные модификации, не противоречащие сущности настоящего изобретения.
Например, несмотря на то, что в представленном варианте используются две ступени роторных лопаток 5 радиальной турбины, их число может быть увеличено до трех и более. В этом случае сообщение между смежными роторными лопатками 5 будет обеспечено соединительными каналами 9.
Номера позиций
1 - одновальная радиальная турбина
3 - поворотный вал
5 - роторная лопатка радиальной турбины
9 - соединительный канал
19 - сопло
25 - изогнутый U-образный участок
27 - отклоняющая лопасть
29 - лопастный участок
31 - участок обратного изгиба
А1 - площадь сечения канала на верхней по течению стороне
А2 - площадь сечения канала на нижней по течению стороне
К - радиальное направление
L - продольное направление вала
R - направление вращения.