Паровая турбина
STEAM TURBINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к турбинам малой мощности.
Уровень техники
Известна паровая турбина, раскрытая в патенте РФ на изобретение № 2 312 992 (опубл. 20.12.2007, МПК F01D 1/12). Известная турбина содержит корпус, вал, установленный на подшипниках, закрепленный на валу диск с активными рабочими лопатками, установленными перпендикулярно плоскости диска с обеих его сторон, аппараты для изменения направления движения рабочего тела (пара), установленные с обеих сторон по всей окружности диска сверху над активными рабочими лопатками диска и снизу под ними, две диафрагмы, сопла для подвода пара расположены сверху рабочих лопаток, а выходные патрубки снизу.
Однако недостатком известного технического решения является сравнительно невысокие обороты (1500 об/мин) и мощность турбины, что обусловлено ненадежностью используемых в этой турбине лопаток. Используемые лопатки не выдерживают больших нагрузок вследствие значительных центробежных усилий, прикладываемых к ним при их вращении и давлении со стороны парового потока. Это, в свою очередь, понижает надежность используемых лопаток – лопатки ломаются под действием приложенных к ним сил, препятствуют увеличению оборотов и мощности турбины. Также известная турбина характеризуется относительно невысоким КПД по причине больших корневых и периферийных газовых протечек и протечек в зазорах между ступенями давления. При возвратно-поступательном движении потоки пара в каналах между лопатками сталкиваются, обладая при этом разными давлениями, и выколачивают (вытесняют) друг друга, на что тратится существенный объем энергии.
Известна паровая турбина, раскрытая в патенте РФ на изобретение № 2 614 298 (опубл. 24.03.2017, МПК F01D 1/12) – прототип. Известная паровая турбина содержит корпус с горизонтальным разъемом, закрепленный на валу диск с реактивными рабочими лопатками, две диафрагмы, поворотные аппараты (короба) для изменения направления движения рабочего тела, блок уплотнений, размещенный между корпусом и валом и состоящий из полнозапорных уплотнений и устройства для подвода и отвода рабочего тела. Реактивные рабочие лопатки установлены в один ряд перпендикулярно цилиндрической плоскости диска. Первая диафрагма установлена перед реактивными рабочими лопатками и содержит направляющие лопатки и уплотнения, образующие входные окна. Вторая диафрагма установлена после реактивных рабочих лопаток и содержит уплотнения, которые образуют выходные окна. Поворотные аппараты установлены по всей окружности диска над реактивными рабочими лопатками на уплотнениях, образующих входное и выходное окна.
Однако паровая турбина, принятая за прототип, также ограничена по мощности и оборотам – большие обороты вызывают значительные центробежные напряжения. Знакопеременные нагрузки на лопатки вызывают усталость металла, а также тратится энергия на выколачивание рабочего тела из каналов между рабочими лопатками, тем самым снижая КПД турбины.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, поставленная перед авторами настоящего изобретения, заключается в создании малогабаритной однодисковой теплофикационной турбины с высокими показателями мощности и КПД.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении мощности, надежности и КПД турбины.
Технический результат достигается заявленной паровой турбиной, которая содержит корпус, закрепленный на валу диск с реактивными рабочими лопатками, два поворотных аппарата для изменения направления движения рабочего тела, которые установлены над рабочими лопатками по всей окружности с обеих сторон диска, входной и два выходных патрубка для подвода и отвода рабочего тела. При этом в отличие от прототипа, корпус выполнен с вертикальным разъемом, реактивные рабочие лопатки выполнены съемными и установлены параллельно оси вращения диска таким образом, что взаимодействующие с рабочим телом части рабочих лопаток находятся по обе стороны диска, при этом по обе стороны диска установлены две образующие входные окна входные диафрагмы, которые размещены перед рабочими лопатками и содержат направляющие лопатки и уплотнения, к которым присоединены разделительные стенки, и по обе стороны диска установлены две образующие выходные окна выходные диафрагмы, которые размещены после рабочих лопаток и содержат уплотнения, к которым присоединены разделительные стенки, а поворотные аппараты обеспечивают односторонний подвод рабочего тела к направляющим и рабочим лопаткам, расположенным параллельно оси вращения вала.
В частности, вал установлен на подшипниках из силицированного графита.
В частности, корпус выполнен из листовой стали методом сварки.
В предложенном изобретении подвод пара осуществляется на горизонтально ориентированную рабочую лопатку сверху, за счет этого скоростное усилие и давление парового потока компенсируют центробежную силу на лопатке, возникающую при вращении диска, при этом рабочая лопатка установлена перпендикулярно плоскости диска. Изменение газодинамики внутри турбины делает лопатку более надежной, а это, в свою очередь, позволяет поднять обороты и подавать больший паровой поток на большей скорости, т.е. увеличить мощность. Поскольку турбина начинает работать на больших расходах пара, возникающие корневые, периферийные протечки и протечки в зазорах между ступенями давления дополнительно оказывают меньшее влияние на КПД турбины. Выполнение лопаток съемными позволяет повысить ремонтопригодность турбины, избежать ее необратимого повреждения при работе на больших мощностях.
Краткое описание чертежей
Заявленная турбина иллюстрируется чертежами, в соответствии с которыми:
–   на фиг.1 представлен общий вид паровой турбины;
–  на фиг.2 представлена схема движения рабочего тела внутри диска
Осуществление изобретения
В соответствии с фиг.1, паровая турбина содержит корпус, в котором расположен вал 1, установленный на подшипнике 2. На валу закреплен диск 3 с реактивными рабочими лопатками 4, установленными в два ряда параллельно цилиндрической поверхности диска 3.
Перед реактивными рабочими лопатками 4 c обеих сторон диска установлены две входные диафрагмы 5 с направляющими лопатками 6 и уплотнениями 7, к которым присоединены разделительные стенки 13 (фиг.2). Входные диафрагмы 5 образуют входные окна 14 для прохождения рабочего тела. Размеры окон 14 пропорциональны удельным объемам рабочего тела. Две выходные диафрагмы 8 установлены после реактивных рабочих лопаток 4 и содержат уплотнения 15, к которым присоединены разделительные стенки. Выходные диафрагмы 8 образуют выходные окна 16 для прохождения рабочего тела. Поворотные аппараты 9 для изменения направления движения рабочего тела установлены по всей окружности диска 3 над рабочими лопатками 4 на уплотнениях, образующих входное и выходное окна. Группа направляющих лопаток 6, группа реактивных рабочих лопаток 4 и поворотный аппарат 9 образуют ступень давления. Ступени давления I, II, III, IV, V и т.д. расположены по всей окружности диска 3. Подвод рабочего тела в турбину осуществляют через входной патрубок 10, а отвод - через выходные патрубки 11. Вал 1 может быть соединен с технологическим оборудованием посредством полумуфты.
Корпус турбины может иметь вертикальный разъем 12 и быть выполненным из листовой стали методом сварки.
3
Турбина работает следующим образом. Рабочее тело (пар) с давлением от 10 до 40 атм и температурой от 150 до 400C поступает через подводящий патрубок 10, соединенный с входным окном первой ступени (фиг.2), поступает на направляющие лопатки 6 первой ступени I, после прохождения которых пар поступает на рабочие лопатки 4 ступени I под расчетным углом, где отдает часть кинетической энергии, преобразующуюся в механическую энергию вращения диска 3 турбины, установленного на валу 1. На ступени I происходит расширение пара, поскольку падает температура и давление пара, увеличивается скорость прохождения парового потока. Затем пар разворачивается в поворотном аппарате 9 и подается на направляющие лопатки 6 II ступени, где снова понижаются его давление и температура, пар продолжает расширяться. Таким образом, рабочее тело проходит последовательно по всем ступеням давления, расположенным по всей окружности диска 3, вследствие чего обеспечивается срабатывание практически всего теплоперепада пара (до 0,03 кг/см) и вся энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию турбины. Это значительно повышает коэффициент полезного действия паровой турбины.
Количество ступеней давления определяется конструктивными и технологическими параметрами турбины. Отработанный пар выходит через выходные патрубки 11. Далее пар из турбины поступает в теплообменник, который может, к примеру, обеспечивать теплом производственные площади.