ТУРБОАГРЕГАТ
TURBO-UNIT

Устройство относится к энергетике и может быть использовано в качестве гидропривода электрогенераторов, промышленных машин и механизмов.
Известен турбоагрегат, содержащий корпус и встроенный в него осесимметричный ротор со скомплектованными в равношаговые сооснокольцевые и параллельные ряды лопатками, межрядовые протоки, а также соосные с ротором передний и задний валы с подшипниковыми механизмами, входной и выходной патрубки, системы уплотнения (Сазанов Б.В. Тепловые электрические станции. - М.: Энергия, 1974, - 224 с.).
Используемый в качестве рабочего агента водяной пар получают при нагреве воды в котлах путем сжигания большого количества дорогостоящего топлива. Отсюда основные недостатки агрегата - значительные затраты как на топливо, так и установку котлов и вспомогательного оборудования. Кроме того при сжигании топлива происходит активное загрязнение атмосферы и недр Земли вредными для здоровья людей и окружающей среды продуктами сгорания. Агрегат не рассчитан на работу с использованием в качестве рабочего агента водного истока.
Известен также турбоагрегат, содержащий корпус и встроенный в него осесимметричный ротор со скомпонованными в равношаговые сооснокольцевые и параллельные ряды лопатками, межрядовые протоки, а также соосные с ротором передний и задний валы с подшипниковыми механизмами, входной и выходной патрубки, системы уплотнения (Шнеэ Я.И. Газовые турбины. - Машгиз, 1960, - 560 с.).
Используемые в качестве рабочего агента газообразные продукты сгорания получают путем предварительного сжатия воздушных потоков в компрессорах и последующего окисления им топливных потоков газа или распыленной жидкости в специальных камерах сгорания. Отсюда основные недостатки агрегата - значительные затраты на топливо и капитальные сооружения с установкой компрессоров, камер сгорания, вспомогательного оборудования, а также загрязнение, в основном атмосферы, вредными продуктами сгорания. Агрегат также не рассчитан на привод водными потоками.
Известен турбоагрегат, содержащий корпус и встроенный в него осесимметричный ротор со скомпонованными в равношаговые сооснокольцевые и параллельные ряды лопатками, межрядовые протоки, а также соосные с ротором передний и задний валы с подшипниковыми механизмами, входной и выходной патрубки, системы уплотнения (Парлит В.В. Гидравлические турбины. - М.: 1987, 328 с.).
В качестве рабочего агента используют потоки воды. Агрегат устанавливают на реках с естественным и искусственно организуемым перепадом высот. К ротору агрегата крепят ротор электрогенератора. Поток воды через узел ввода - входной патрубок - попадает на лопатки ротора турбины и приводит ее ротор и сопряженный с ним ротор электрогенератора во вращательное движение. При вращении ротора генератора в обмотке его статора возникает электрический ток. Установку агрегата производят как при вертикальном, так и горизонтальном положении роторов. Во всех случаях имеет место общий недостаток - незначительная мощность, снимаемая с клемм электрогенератора. Для повышения эффективности агрегата с увеличением вырабатываемой электрической мощности сооружают плотинные комплексы, увеличивая перепад высот между отметкой сброса воды и турбиной. В сравнение с показателями паровых и газовых турбин это приращение оказывается незначительным, а ущерб, наносимый окружающей среде плотинными комплексами, весьма существенен, поскольку сооружения последних сопровождаются затоплениями больших площадей приплотинных плодородных участков земли, жилых площадей. Затопления провоцируют оползневые смещения и эрозию верхних земных слоев. При этом высока степень эрозионного износа как элементов собственного агрегата, так подводящих водные потоки систем.
Известен турбоагрегат, содержащий корпус и многороторную систему приводов роторов электрогенераторов с лопатками, межроторными протоками, передними и задними валами, сопряженными с роторами и имеющими подшипниковые механизмы, а также патрубки входа и выхода рабочих потоков воды, системы уплотнения (патент РФ №2303707, МПК F03B 13/00).
Здесь повышается мощность турбины, а также снимаемая с клемм электрогенераторов общая электрическая мощность пропорциональных количеству устанавливаемых роторов, однако в абсолютном измерении это по - прежнему незначительная величина. При этом сохраняются все перечисленные недостатки речных и плотинных турбоагрегатов.
Известен турбоагрегат, имеющий корпус и встроенный в него ротор с лопатками, окнами для ввода и отвода потока воды, причем лопатки размещены на центральном участке ротора внутри корпуса, а на внешних участках вне корпуса ротор оснащен подшипниками, один из внешних участков ротора подключен через муфту к ротору электрогенератора с магнитной насадкой. При подаче воды на лопатки ротор агрегата раскручивается, вращение передается ротору генератора, который вовлекает во вращение собственное магнитное поле, последнее охватывает обмотку статора, с обмотки отводят электрический ток (патент РФ 1645589, МПК F03B 11/06, 3/00 от 13.10.88; Опубл. Б.И. №16 от 30.04.91).
Недостаток агрегата - незначительная мощность, снимается с клемм электрогенератора, наносимый ущерб водной экосистеме, безопасности проживания и производством вблизи гидроэлектростанции.
Известен наиболее близкий предлагаемому устройству турбоагрегат, содержащий осесимметричные рабочую камеру с ограждающим кожухом, и ротор со встроенным в камеру центральным участком и размещенными вне камеры передним и задним участками, центральный участок ротора имеет поперечные кольцевые равношагово смещенные друг относительно друга вдоль продольной оси и перпендикулярно ей ребра, а передний и задний участки закреплены в подшипниках, ребра центрального участка ротора имеют торцы с цилиндрической круговой поверхностью и закрепленные на них лопатки, скомпонованные в кольцевые группы с равношаговым угловым смещением друг относительно друга, а кожух имеет закрывающую центральный участок ротора осесимметричную продольную обечайку, переднюю и заднюю кольцевые стены с окнами для прохода переднего и заднего участков ротора, а также примыкающую к передней стене приемно-распределительную камеру с входным патрубком, примыкающий к задней стене выходной патрубок и продольные протоки между ребрами ротора с лопатками (патент РФ №2277182, МПК F03B 7/00; F03B 13/00; Б.И. от 27.05.2006 г.).
Работа агрегата не связана с потреблением топлива, однако он имеет недостатки, присущие гидрокомплексам, уже описанным выше.
Техническое решение, положенное в основу изобретения, связано с повышением мощности и надежности турбоагрегата, использующего в качестве рабочего агента воду, иную жидкость.
1
Для этого в турбоагрегате, содержащем осесимметричные рабочую камеру с ограждающим кожухом, и ротор со встроенным в камеру центральным участком и размещенными вне камеры передним и задним участками, центральный участок ротора имеет поперечные кольцевые равношагово смещенные друг относительно друга вдоль продольной оси и перпендикулярно ей ребра, а передний и задний участки закреплены в подшипниках, ребра центрального участка ротора имеют торцы с цилиндрической круговой поверхностью и закрепленные на них лопатки, скомпонованные в кольцевые группы с равношаговым угловым смещением друг относительно друга, а кожух имеет закрывающую центральный участок ротора осесимметричную продольную обечайку, переднюю и заднюю кольцевые стены с окнами для прохода переднего и заднего участков ротора, а также примыкающую к передней стене приемно-распределительную камеру с входным патрубком, примыкающий к задней стене выходной патрубок и продольные протоки между ребрами, ротора с лопатками, согласно изобретению, продольная осесимметричная обечайка кожуха оснащена стационарными осесимметриными кольцевыми направленными в сторону ротора ребрами, установленными с равномерным линейным шагом вдоль общей продольной оси симметрии агрегата и перпендикулярно ей с чередованием в собранном рабочем положении с кольцевыми осесимметричными ребрами ротора, продольные протоки между ребрами центрального участка ротора с лопатками выполнены в стационарных ребрах обечайки кожуха в виде конфузорных сопл с равношаговым угловым смещением и собраны в собственные кольцевые группы, имеющие общую условную цилиндрическую поверхность симметрии, совмещенную с условной цилиндрической поверхностью симметрии лопаток, и индивидуальные условные конфузорные плоскости симметрии, развернутые относительно продольных плоскостей сечения агрегата на угол α=(55-70) град., при этом условные цилиндрические поверхности симметрии лопаток и сопл смещены от продольной оси симметрии агрегата в радиальном направлении на расстояние R=(0,8÷0.95)R, где R - радиус ротора с ребрами, м, а первое ребро кожуха с соплами использовано в качестве задней стены приемно - распределительной камеры.
1
1
При оснащении продольной осесимметричной обечайки перекрытия кожуха стационарными осесимметричными направленными в сторону ротора ребрами, установленными с равномерным линейным шагом вдоль общей продольной оси симметрии агрегата и перпендикулярно им с чередованием в собранном рабочем положении с кольцевыми осесимметричными ребрами ротора, выполнении продольных проток между ребрами центрального участка ротора с лопатками в стационарных ребрах обечайки кожуха в виде конфузорных сопл с равношаговым угловым смещением и со сбором их в собственные кольцевые группы, имеющие общую условную цилиндрическую поверхность симметрии, совмещенную с условной цилиндрической поверхностью симметрии лопаток, и индивидуальные условные конфузорные плоскости симметрии, развернутые относительно продольных плоскостей сечения агрегата на угол α=(55-70) град., а также смещении условных цилиндрических поверхностей симметрии лопаток и сопл от продольной оси симметрии агрегата в радиальном направлении на расстояние R=(0,8÷0.95)R, где R - радиус ротора с ребрами, м, использовании первого ребра кожуха с соплами в качестве задней стены приемно - распределительной камеры достигается повышение надежности, мощности турбоагрегата как привода электрогенератора, промышленных машин и механизмов. Все предлагаемые признаки являются существенными; исключение одного из них, либо отклонение в большую или меньшую сторону величины углов «α» и расстояния «R» от указанных диапазонов хотя бы на 1% приводит к резкому скачкообразному снижению мощности турбины, нарушению ее работоспособности и снижению надежности из-за нарушения гидравлического режима с равномерным распределением потоков по соплам, усилий на лопатки, повышения гидравлического сопротивления агрегата, его силовой разбалансировки с выходом из строя подшипниковых систем.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлен общий вид турбоагрегата в разрезе, на фиг. 2 - разрез по А-А (по ребру кожуха) на фиг. 1 с видом на узел с соплами; на фиг. 3 - разрез по Б-Б (по ребру) ротора на фиг. 1 с видом на узел с лопатками; на фиг. 4 - развертка кругового сечения ребер кожуха с соплами и ребер ротора с лопатками по условной цилиндрической поверхности симметрии на фиг. 1; на фиг. 5 - схема использования турбоагрегата для выработки электроэнергии в плотинном комплексе; на фиг. 6 - схема использования турбоагрегата и электрогенератора в равнинном комплексе; на фиг. 7 - схема использования турбоагрегата в качестве силового привода промышленного механизма.
p
p;
p
∧
p
∧
кож
p
кам
p
кож
кож
кож
p
p
кож
p
кож
p
кож
1
2
c
c
л
конф
л
c
1
На фиг. 1, 2, 3, 4 представлен турбоагрегат 1, имеющий общую продольную ось симметрии k агрегата 1 и проходящие через нее продольные плоскости сечения S; турбоагрегат 1 содержит осесимметричный ротор 2, имеющий продольную ось симметрии k, совмещенную с продольной осью симметрии k агрегата 1; в рабочем положении ротор 2 вращается вокруг своей оси k ротор 2 имеет также передний и задний участки в виде переднего и заднего валов 3, 4 соответственно, оснащенных подшипниковыми механизмами 5, 6, и центральный участок 7 с ребрами 8; ребра 8 смещены друг относительно друга на одинаковый шаг b м, и имеют круговые цилиндрические торцы 9 и лопатки 10. Лопатки 10 скомпонованы в кольцевые группы 11 с равношаговым угловым смещением γ, град, друг относительно друга и имеют общую условную соосную с продольной осью симметрии k ротора 2 цилиндрическую поверхность симметрии S. Кроме того турбоагрегат 1 содержит также осесимметричный, имеющий продольную ось симметрии k, совпадающую с продольными осями симметрии агрегата 1 и ротора 2 соответственно k и k, кожух 12. Кожух 12 имеет закрывающее центральный участок ротора 2 осесимметричную продольную обечайку 13, переднюю и заднюю кольцевые стены 14, 15, оснащенные осесимметричными окнами 16, 17 с системами уплотнения 18, 19 соответственно. Между кольцевыми группами 11 лопаток 10 (ребрами 8 центрального участка 7 ротора 2) имеются продольные протоки 20. Помимо этого турбоагрегат 1 имеет, встроенную в кожух 12 с примыканием к передней стене 14 осесимметричную, имеющую продольную ось симметрии k совпадающую с продольными осями симметрии ротора, кожуха и агрегата k, k, k, приемно-распределительную камеру 21, примыкающий к камере 21 входной и примыкающий к задней стене 15 кожуха 12 выходной патрубки 22, 23 соответственно тангенциального ввода и вывода свежего и отработанного потока 24, 25. Особенностью устройства является оснащение продольной осесимметричной обечайки 13 кожуха 12 стационарными осесимметричными кольцевыми направленными в сторону ротора 2 ребрами 26, установленными с равномерным линейным шагом b, м, вдоль общей продольной оси симметрии агрегата k и осей k, k кожуха 12 и ротора 2 соответственно и перпендикулярно им с чередованием в собранном рабочем положении с кольцевыми осесимметричными ребрами 8 ротора 2, в частности, реализуемым при условии b=b и b'=b', где b' и b' - толщина ребер 8 и 26 ротора 2 и кожуха 12 соответственно, м, при наличии рабочих зазоров Δb и Δb, м, между ребрами 26 и 8 на входе потока в кольцевую группу 11 с лопатками 10 и выхода из нее. Кроме того продольные протоки 20 между кольцевыми группами 11 лопаток 10 (между ребрами 8 ротора 2) выполнены в стационарных ребрах 26 обечайки 13 кожуха 12 с равномерным угловым шагом γ, град в виде конфузорных сопл 27, собраны в кольцевые сопловые группы 28, имеющие общую условную цилиндрическую поверхность симметрии S, совмещенную условной цилиндрической поверхностью симметрии S лопаток 10, и индивидуальные условные конфузорные плоскости симметрии S, развернутые относительно продольно-диагональных плоскостей сечения агрегата S на угол α=(55-70) град, при этом условные цилиндрические поверхности симметрии S и S лопаток 10 и сопл 27 в радиальном направлении удалены от продольной оси симметрии к агрегата 1 на расстояние R=(0,8÷0.95)R, где R - радиус ротора 2 с ребрами 8, м; кроме того первое ребро кожуха со стороны входного патрубка 22 использовано в качестве задней стены 29 камеры 21. При вертикальном размещении турбоагрегата 1 на фиг. 1, 2, 3 его кожух 12 крепится на лапы 30, установленные под задней стеной 15. При горизонтальном размещении агрегата 1 лапы 30 размещают под перекрытием 13 кожуха 12 (на чертежах не показано). Конфузорные сопла 27 - круглого или прямоугольного сечения, лопатки 10 - открытого или полузакрытого типа, выполняются по условиям возможностей оборудования производителя.
3
2
2
3
2
2
2
1
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
1
c
c
c
c
2
1
1
2
пол
гид
пол
1
2
гид
пол
1
2
1
2
гид
1
2
гид
1
2
с
с
c
c
1
1
Работа турбоагрегата осуществляется путем подачи в камеру 21 через патрубок 22 потока воды 24, при постоянной плотности ρ, кг/м, фиксированном расходе G, кг/с, находящегося под давлением Р, Н/м, создаваемым насосами (фиг. 5, 6, 7), откуда поступает в конфузорные сопла 27, разбиваясь на индивидуальные струи 31. В соплах 27, имеющих выходное сечение ƒ, м, струи 31 ускоряются и истекают в рабочее пространство лопаточных кольцевых групп 11 со скоростью W=G/ρ⋅ƒ, м/с, с индивидуальным силовым импульсом, F~ρw⋅ƒ, Н, и мощностью N~ρw⋅ƒ, Вт. Суммарные значения ΣF=F⋅n⋅m, Н, ΣN=N⋅n⋅m, Вт, определяются количеством конфузорных сопл 27, в каждом ребре 26 и количеством ребер 26 - n и m соответственно. Лопатки 10 воспринимают суммарные усилия и мощность струй и передают ротору определенное количество движения, которое необходимо для его вращения с определенной скоростью вращения и передачи вращательного движения ротору электрогенератора, иного механизма 5, 6, 7. В каждой сопловой группе 28 происходит падение давления, начиная с P, Н/м, с нарастанием кинетических параметров W, F, N в соплах 27, а в каждой кольцевой группе 11 при передаче на лопатки 10 ротора 2 части силовых импульсов мощности - их снижение. Каждое последующие повышение W, F, N в соплах 27 происходит при постоянно снижающимся давлении, которое в выходном патрубке имеет значение P<<P. Интегральное срабатывание параметра (P-Р) определяется не только полезно используемым градиентом ΔР, Н/м но и гидравлическими потерями ΔР, Н/м, которые тем выше, чем менее совершенен агрегат. Эффективность последнего оценивается как ΔP=(P-Р) - ΔP, или по коэффициенту эффективности K=ΔP/Р-Р=(Р-Р)-ΔР/Р-Р=1-(ΔР/Р-Р). Если принять по всем группам 28 ƒ=const и n=const, образуется силовой перекос по длине ротора 12; чтобы его избежать, при проектировании, варируя параметрами W, ƒ и n, подбирают относительно стабильные мало меняющиеся по длине ротора параметры F⋅n, Н, и N⋅n, Вт. При использовании описанных особенностей предлагаемого изобретения, а именно оснащении продольной осесимметричной обечайки кожуха стационарными осесимметричными направленными в сторону ротора ребрами, установленными с равномерным линейным шагом вдоль общей продольной оси симметрии агрегата и перпендикулярно им с чередованием в собранном рабочем положении с кольцевыми осесимметричными ребрами ротора, выполнении продольных проток между ребрами центрального участка с лопатками в стационарных ребрах обечайки кожуха в виде конфузорных сопл с равношаговым угловым смещением и со сбором их в собственные кольцевые группы, имеющие общую условную цилиндрическую поверхность симметрии, совмещенную с условной цилиндрической поверхностью симметрии лопаток, и индивидуальные условные конфузорные плоскости симметрии, развернутые относительно продольных плоскостей сечения агрегата на угол α=(55-70) град, а также смещении условных цилиндрических поверхностей симметрии лопаток и сопл от продольной оси симметрии агрегата в радиальном направлении на расстояние R=(0,8÷0.95)R, где R - радиус ротора с ребрами, м, использовании первого ребра кожуха с соплами в качестве задней стены приемно - распределительной камеры достигается повышение надежности, мощности турбоагрегата как привода электрогенератора, промышленных машин и механизмов. Все предлагаемые признаки являются существенными; исключение одного из них, либо отклонение в большую или меньшую сторону величины углов α и расстояния R от указанных диапазонов хотя бы на 1% приводит к резкому скачкообразному снижению мощности турбины, нарушению ее работоспособности и снижению надежности из-за нарушения гидравлического режима с равномерным распределением потоков по соплам, усилий на лопатки, повышения гидравлического сопротивления агрегата, его силовой разбалансировки с выходом из строя подшипниковых систем.
1
1
1
2
2
Область применения устройства связана с энергетикой, использованием турбоагрегата 1 в качестве привода электрогенератора, промышленных машин и механизмов. В частности, на фиг.5 представлена схема выработки электроэнергии плотинным комплексом с использованием предлагаемого турбоагрегата 1; из схемы видно, что для работы агрегата 1 перед ним устанавливают насос 32, повышающий давление падающего с высоты Н, м, из запруды (горного обрыва) 33 потока воды 34 до исходного рабочего значения P, Н/м. В принятой на электростанциях РФ измерительной системе P= 10-200, кгс/см или P=100-2000 м в. ст.
Для безаварийной работы насоса 32 и агрегата 1 схема на фиг. 5 предусматривает установку ступенчатой системы очистки с фильтрами грубой и тонкой секционной очистки 35 и 36 соответственно, очищающие последовательно поступающий в агрегат 1 поток воды 34 от крупных предметов и мелких механических частиц. Секции 37, 38 фильтра 36 включают периодически и попеременно в работу, при отключениях секции 37, 38 прочищают. К агрегату 1 подключен электрогенератор 39; с клемм статорной обмотки электрогенератора 39 снимают электрический ток. Управление схемой на фиг. 5 дистанционное ручное или в автоматическом режиме с использованием соответствующей арматуры 40. Электрическая схема, схема управления, подробное описание работы и ее анализ в настоящей заявке не рассматриваются, являются предметом иного изобретения. Отработанный поток воды из агрегата 1 сбрасывают в нижний бассейн 41.
1
2
2
2
Кроме того, турбоагрегат 1 может быть использован в равнинном комплексе, изображенном схематично на фиг.6. Здесь очищенный рабочий агент (вода, вода с противозамерзающей присадкой, иная жидкость) накапливается в резервуаре - накопителя 42, подается и подпитывается по внешнему трубопроводу 43. Из резервуара 42 насосом 32, создающим необходимые давления Р, Н/м, и расход G, кг/с, рабочий агент потоком 34 поступает в турбогенератор 1, вращает его ротор, соединенный с ротором генератора 39. С клемм статорной обмотки последнего отводят электрический ток. Особенностью равнинной схемы является возможность циркуляции рабочего агента с возвратом по большому или малому контурам 44, 45 соответственно. Возврат может быть осуществлен как остаточным давлением Р, Н/м. за агрегатом 1, так и дополнительным насосом 46. Управление схемой на фиг. 6 также дистанционное ручное или автоматическое с использованием арматуры 40. Для экстренных случаев и продувки системы предусмотрен дренаж 47, воздушники 48. При работе по малому контуру ощутим нагрев рабочего агента в агрегате 1, вызванный сопротивлением, предусмотрена система охлаждения 49. Электрическая схема, схема управления, подробное описание работы и ее анализ в границах настоящей заявки не рассматриваются, являются предметом иного изобретения. В холодных условиях эксплуатация система 49 может быть использована в качестве нагревателя.
1
2
На схемах фиг. 5 и 6 элементы со значками P и Р, G, Т обозначают измерительные приборы давления, расхода и температуры соответственно. Во всех случаях выработка электроэнергии агрегатом 1, существенно больше ее потребления насосами 32 и 46. Если у наиболее близких известных аналоговых агрегатов, имеющих ограниченную выработку мощности, возможно лишь периодическое включение насосов, например, для возврата воды в накопители, с одновременным забором электрической мощности из сети, то схемы на фиг. 5 и 6 с использованием предлагаемого агрегата 1 при постоянно работающих насосах 32, позволяют осуществлять постоянную подачу электрической энергии в сеть, либо на нужды конкретного комплекса, хозяйства.
Количество вырабатываемой электрической энергии напрямую связано со степенью совершенства агрегата 1, его коэффициентом эффективности, уровнем внутренних гидравлических потерь. В частности, это касается конструктивного оформления отдельных элементов, в том числе лопаток и сопл. Подробно эти элементы, способы их изготовления и работы в данной заявке не рассматриваются, являются предметом иного изобретения.
Агрегат 1 может быть использован и в качестве привода промышленной машины, механизма. На фиг. 7 представлена схема подобного использования агрегата 1. От схем на фиг.5 и 6 она отличается установкой на валу агрегата 1 машины (механизма) 50 вместо генератора электроэнергии 39. Использование турбоагрегата 1 устраняет необходимость подключения к машине (механизму) 50 электродвигателя и сокращает потребление электроэнергии. Работа технологического оборудования по схеме на фиг. 7 аналогична работе оборудования с электрогенераторами 39 на фиг. 5 и 6.