ЦЕНТРОБЕЖНАЯ ТУРБИНА

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к турбинам и турбомашинам. Турбина может быть использована для получения электрической энергии на электростанциях.
Известна турбина, содержащая сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами, причем оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости, проходящей через оси патрубков и ось трубы, а в стене трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия [п. РФ №2200848, МПК F01D 1/32, опубл. 20.03.2003 г].
Недостатки этой турбины заключаются в том, что она имеет невысокий коэффициент полезного действия как из-за общего для всех устройств типа сегнерова колеса дефицита реактивной силы, так и из-за недостаточного выделения внутренней энергии вследствие относительно небольшого перепада давления в ступенях.
Известна турбина [п. РФ №2280168, МПК F01D 1/32, опубл. 20.07.2006 г], содержащая вход и выход рабочего тела, оболочку и по меньшей мере 2 сегнерова колеса, установленных внутри цилиндра соосно с валом с возможностью вращения, причем в сегнеровом колесе выполнены отверстия и торцевые неподвижные элементы, сегнеровы колеса выполнены в виде колец, а отверстия в них выполнены в виде сопел Лаваля под прямым углом к радиусу кольца и под острым углом к оси его вращения, причем сегнеровы колеса установлены между цилиндром и оболочкой таким образом, что между ними формируется замкнутое кольцевое пространство.
Недостаток турбины заключается в низком коэффициенте полезного действия из-за небольшого перепада давления в ступенях.
Известна реактивная турбина для многофазного рабочего тела [п. RU 2086774, МПК F01D 1/32, опубл. 10.08.1997 г.], содержащая корпус и ротор на полом валу которого установлено по крайней мере одно рабочее колесо в виде диска с системой криволинейных радиальных каналов, сообщающихся с полостью вала, в выходных участках которых, отогнутых в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса, установлены сопла Лаваля, при этом выходные участки каналов имеют сообщающиеся с ними дополнительные отводные каналы со сливными отверстиями, перекрытыми каналами, причем вход в дополнительный отводной канал расположен перед соплом Лаваля.
Недостатки данной турбины заключаются в том, что
- криволинейные проточные каналы в диске рабочего колеса предназначены для отвода многофазного рабочего тела от центра к периферии диска и разделения фаз на газ и жидкость;
- криволинейные проточные каналы не выполняют роль каналов компрессора, т.к. площадь сечения каналов одинаковая по всей длине канала;
С учетом изложенного эффективность реактивной турбины [п. RU 2086774, МПК F01D 1/32, опубл. 10.08.1997 г.] будет не высокой.
Наиболее близкой к заявляемой является турбина [WO 2015019294, МПК F01D 1/32, 12.02.2015 (прототип)], содержащая рабочее колесо, сопла Лаваля и вал, причем проточная часть рабочего колеса турбины выполнена в виде закрытого центробежного лопаточного компрессора с осевым входом, каналы которого соединены с соплами Лаваля, расположенными равномерно по периферии рабочего колеса, в плоскости вращения, перпендикулярно радиусу соединяющему ось сопла и центр диска, причем количество сопел меньше количества центробежных каналов.
Недостатки прототипа заключаются в следующем:
- предложенная конструктивная цепочка элементов турбины: компрессор - коллектор - сопла, не обеспечивает эффективное преобразование кинетической энергии потока рабочего тела, выходящего из каналов компрессора и попадающего в коллектор, т.к. количество сопел меньше количества каналов компрессора, что приводит, руководствуясь правилом неразрывности струи, к тому, что часть потока из некоторых каналов компрессора должна двигаться по направлению вращения турбины, а часть потока должна двигаться против направления вращения и резко разворачиваться для попадания во вход сопла. Учитывая, что плотность рабочего тела в коллекторе после выходного канала компрессора, достаточно высокая, а скорость потока не равна нулю, то и потери будут существенными, согласно уравнению Бернулли;
- и низкий коэффициент полезного действия из-за небольшого перепада давления в ступенях.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента полезного действия преобразования тепловой энергии в механическую работу, за счет упрощения конструкции турбины.
Технический результат достигается тем, что в центробежной турбине, содержащей рабочее колесо, сопла Лаваля и вал, причем проточная часть рабочего колеса турбины выполнена в виде закрытого центробежного лопаточного компрессора с осевым входом, каналы которого соединены с соплами Лаваля, расположенными равномерно по периферии рабочего колеса, в плоскости вращения, перпендикулярно радиусу соединяющему ось сопла и центр диска, новым является то, что каналы закрытого центробежного лопаточного компрессора плавно переходят в сопла Лаваля и количество сопел Лаваля равно числу каналов закрытого центробежного лопаточного компрессора, а на наружной поверхности покрывного диска имеется поверхность для установки уплотнения.
Отличия заявляемой полезной модели от прототипа заключаются в том, что в заявляемом техническом решении каналы закрытого центробежного лопаточного компрессора плавно переходят в сопла Лаваля и количество сопел Лаваля равно числу каналов закрытого центробежного лопаточного компрессора и на наружной поверхности покрывного диска имеется поверхность для установки уплотнения.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1а представлен продольный разрез турбины, на фиг. 1б поперечный разрез турбины.
Центробежная турбина (турбопривод) содержит рабочее колесо (фиг. 1а, б) которое состоит из основного диска 1 и покрывного диска 2, жестко соединенных между собой, например сваркой или пайкой. На внутренней поверхности основного диска имеются криволинейные, гидравлически плавно сужающиеся от центра к периферии каналы 3 закрытого центробежного лопаточного компрессора с осевым ходом, расположенные равномерно по окружности основного диска. Каналы 3 плавно переходят в сопла Лаваля 4, которые расположены равномерно по периферии рабочего колеса, в плоскости вращения, и перпендикулярно радиусу, соединяющему ось сопла и центр диска. В центре основного диска имеется ступица с отверстием 5 для вала. Наружная поверхность ступицы основного диска и внутренняя поверхность покрывного диска образуют вход в турбину для рабочего тела 6. На наружной поверхности покрывного диска имеется поверхность для установки уплотнения 7.
Работает турбина следующим образом.
0
0
1
Рабочее тело (пар или газ) под давлением Р поступает во вход турбины 6 и равномерно распределяется между каналами 3. При вращении турбины за счет центробежных сил и благодаря профилю канала 3 рабочее тело двигается от центра к периферии, при этом давление Р увеличивается до давления P (рабочее тело сжимается), а т.к. данная часть турбины работает как закрытый центробежный лопаточный компрессор, величина прироста давления определяется следующим образом:
1
0
ΔP=P-P,
1
2
2
Во входной части сопла Лаваля 4 скорость рабочего тела возрастает до скорости звука в критическом сечении сопла, а в выходной части сопла скорость увеличивается более, чем скорость звука, при этом давление P уменьшается до величины P, при этом давление Р должно быть равно давлению конденсации при температуре на срезе сопла, что обеспечит конденсацию рабочего тела в полном объеме.
Реактивная сила (тяга) или окружное усилие, действующая(ее) на срезе определяется следующим образом:
F=mV, н
где m - массовый расход пара через сопло, кг/с;
V - скорость пара на срезе сопла, м/с;
Таким образом, на турбине создается крутящий момент:
кр
М=n(FR), нм;
где n - количество каналов;
R - радиус расположения сопла;
или полезная мощность на валу:
пол
кр
N=Мω, кВт;
где - ω угловая скорость вращения вала.
Анализ известных на сегодняшний день конструкций турбин показывает, что крутящий момент на валу турбины формируется за счет механического взаимодействия потока рабочего тела с лопатками турбины. Рабочее тело разгоняется в соплах Лаваля, расположенных перед турбиной, за счет преобразования внутренней энергии рабочего тела в кинетическую энергию потока, при этом сопла расположены под углом к турбине и относительно плоскости вращения, а лопатки имеют криволинейную форму рабочей поверхности. Окружное усилие в данном случае определяется:
1u
2u
F=m(V-V), н
где m - массовый расход пара через сопла, кг/с;
1u
V - проекция вектора скорости пара на срезе сопла на плоскость вращения, м/с;
2u
V - проекция вектора скорости пара на выходе из лопаток на плоскость вращения, м/с.
Анализ приведенных формул показывает, что при одинаковых входных условиях (давление, температура, массовый расход), предложенная конструкция турбопривода покажет большую эффективность преобразования тепловой энергии в механическую на валу привода, за счет прямого преобразования внутренней энергии пара в окружное усилие на валу турбины, за счет увеличения давления и температуры перед входом в сопло Лаваля.
0
3
Т.к. турбопривод, как правило, располагается в герметичном корпусе, то на покрывном диске 2 имеется поверхность 7 для установки уплотнения, обеспечивающего герметичность между входом 6 (полость высокого давления Р) и внутренней полостью корпуса (полость низкого давления Р).
Таким образом, рабочее тело с внутренней энергией, определяемой температурой и давлением, попадает на вход в турбину, вращающейся с определенной угловой скоростью, проходит каналы центробежного лопаточного компрессора, где внутренняя энергия увеличивается, и попадает в сопла Лаваля. В соплах Лаваля внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию струи рабочего тела и создает реактивную силу на срезе сопла Лаваля, т.е. создается крутящий момент турбины относительно оси вращения или полезная работа турбины.
Конструктивное и функциональное отличие предложенного закрытого центробежного лопаточного компрессора состоит в том, что коллектор отсутствует, а каналы закрытого центробежного компрессора заканчиваются соплами Лаваля, и все эти элементы расположены в теле турбины. Т.е., и это главное, сопло Лаваля является завершением криволинейного, гидравлически плавно сужающегося от центра к периферии канала центробежного компрессора, что обеспечивает высокую эффективность преобразования кинетической энергии среды в потенциальную энергию давления и повышение температуры среды, за счет торможения потока среды непосредственно в конфузоре сопла, а значит, обеспечивает заявленное повышение КПД турбины. При этом наличие поверхности для установки уплотнения, обеспечивает герметичность между входом (полость высокого давления) и внутренней полостью корпуса (полость низкого давления), что также позволяет повысить КПД, за счет снижения потерь энергии.
Испытания, проведенные автором, на опытном образце подтвердили работоспособность предложенного турбопривода. КПД турбопривода с полезной мощностью около 5 кВт в диапазоне температур рабочего тела 50-60°С оказалось около 15%, что выше, чем у имеющихся на данный момент типов турбин (до 7%, например, Паужетская электростанция).