RU2023169C1

RU2023169C1 - High-speed steam turbine

Info

Publication number: RU2023169C1
Authority: RU
Inventors: Николай Тимофеевич Бобоед
Original assignee: Николай Тимофеевич Бобоед
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1991-06-25
Publication date: 1994-11-15

Abstract

FIELD: heat power engineering. SUBSTANCE: turbine has fixed casing 1 with radial supply of life steam. Casing is provided with steam distribution passage terminating in steam dispersing nozzle 7. Rotor is provided with shroud 6 of blades 11, steam supply ports 23 arranged over periphery of the rotor end walls and axial passages for bleeding the steam. Arranged in these passages in the area of rotor lateral walls are additional blades. Rotor is mounted in the casing in such a position that it forms helical centripetal passage between partition 10 and outer surface of the rotor shroud. This passage is brought in communication with passage of the casing by means of nozzle 7. In the area of outlet of rotor axial passages there is waste steam discharge passage. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и транспорту, в частности к производству паровых турбин. The invention relates to energy and transport, in particular to the production of steam turbines.

Быстроходная паровая турбина выполнена по схеме радиальноосевой ступени. Для повышения окружной скорости ротора наружная часть выполнена из сверхпрочных материалов в виде тонкого листа и проволоки. Это позволяет повысить окружную скорость вращения ротора в два, два с половиной раза. Пар попадает в ротор через окна в боковых стенках и происходит его сепарация. Жидкость центробежной силой отбрасывается к периферии. За счет обогрева периферийной части ротора горячим паром происходит испарение осевшей на периферии жидкости и за счет ее расширения движение к оси вращения. При выходе пара из турбины срабатывает оставшийся теплоперепад на обычной осевой ступени. За счет сепарации пара и испарения ее в турбине достигается более высокий КПД. The high-speed steam turbine is made according to the radial-axis stage scheme. To increase the peripheral speed of the rotor, the outer part is made of heavy-duty materials in the form of a thin sheet and wire. This allows you to increase the peripheral speed of rotation of the rotor in two, two and a half times. Steam enters the rotor through windows in the side walls and is separated. Fluid is discarded to the periphery by centrifugal force. Due to the heating of the peripheral part of the rotor with hot steam, evaporation of the liquid settled on the periphery occurs and due to its expansion, movement to the axis of rotation. When steam leaves the turbine, the remaining heat drop at the usual axial stage is triggered. Due to the separation of steam and its evaporation in the turbine, a higher efficiency is achieved.

Известны радиальные и радиально-осевые ступени. Known radial and radial-axial steps.

Основным недостатком турбины является невысокая окружная скорость, а значит небольшая удельная мощность. Поэтому приходится применять многоступенчатые турбины, что значительно снижает КПД. The main disadvantage of the turbine is its low peripheral speed, which means low specific power. Therefore, it is necessary to use multi-stage turbines, which significantly reduces the efficiency.

Цель изобретения - повышение удельной мощности, экономичности и надежности паровой турбины. The purpose of the invention is to increase the specific power, efficiency and reliability of a steam turbine.

Это достигается тем, что для повышения окружной скорости применен бандаж из сверхпрочных материалов, который в свою очередь является и теплообменником. В одной ступени турбины срабатывается практически весь теплоперепад, происходит сепарация влаги с последующим ее испарением в периферийной части ротора за счет теплообмена через ротор и дальнейшим срабатыванием теплоперепада в ступени. This is achieved by the fact that in order to increase the peripheral speed a bandage made of heavy-duty materials is used, which in turn is a heat exchanger. In one stage of the turbine, almost the entire heat transfer is triggered, moisture is separated, followed by its evaporation in the peripheral part of the rotor due to heat transfer through the rotor and the further heat transfer in the stage is triggered.

На фиг.1 показана быстроходная паровая турбина, разрез; на фиг.2 - разрез А-А (стрелками показано направление вращения ротора и движение пара); на фиг.3 - узел I на фиг.1, масштаб увеличен; на фиг.4 - узел II на фиг.3; на фиг.5 - сечение Б-Б; на фиг.6 - сечение В-В. Figure 1 shows a high-speed steam turbine, a section; figure 2 - section aa (arrows indicate the direction of rotation of the rotor and the movement of steam); figure 3 - node I in figure 1, the scale is enlarged; figure 4 - node II in figure 3; figure 5 is a section bB; figure 6 - section bb.

Быстроходная паровая турбина содержит неподвижный корпус 1 с фланцами, к которому неподвижно крепятся крышки 2 и 3 соответственно правая и левая через фланцы 9 крепления. Этот неподвижный корпус установлен на опоре 8 двигателя и крепится к основанию лапами 25 крепления двигателя. Труба 24 подвода пара высокого давления разделяет пар высокого давления на два потока и подает его к торцам двигателя. Пар по каналу 26 разводки пара сходится к центру и попадает в сопла 7, при этом обогревает разделительную перегородку 10. В полость 28 обогрева попадает пар с максимальной температурой и давлением. Через сопло 7 пар попадает в канал 27 разводки пара после сопла. Канал имеет форму расходящейся спирали и пар попадает в канал 30 подвода пара периферийный, а затем в канал 21 подвода пара к сопловой решетке. В неподвижном корпусе установлена сверхзвуковая сопловая решетка 22, в которой установлены сверхзвуковые лопатки 35. В неподвижном корпусе выполнены лабиринтные уплотнения 29. Отвод пара осуществляется через лопатки 34 спрямляющего аппарата и канал 18 отвода пара через крышку. В неподвижном корпусе установлена опора 15 подшипников. Ротор состоит из стенок 4 и 5 и лопаток 11, которые выполнены центробежным литьем из высокопрочных материалов. В этом роторе выполнены окна 23 подвода пара в ротор. Пар выводится из ротора через канал 16 отвода пара из ротора. В канале отвода пара через корпус ротора 17 установлены рабочие лопатки 33 низкого давления. Барабан ротора выполняет роль бандажа 6 и включает ленту 30 барабана, которая изготовлена из металлического стекла. Лента выполнена в виде непрерывной спирали и прокатана из нескольких тонких лент, обладающих антикоррозионными свойствами. Промежутки залиты наполнителем 31, которым является теплопроводящий материал, например медь. Для предотвращения утечки наполнителя барабан ротора бандажирован навивкой тонкой нити 32, выполненной из высокопрочного нержавеющего материала. Заделка нити осуществляется навивкой последнего слоя внутрь барабана и фиксируется упорной пластиной 36, которая изготовлена из пакета тонких пластин сверхпрочного материала и крепится к стенкам 4 и 5 ротора в зоне низких окружных скоростей. Ротор в сборе устанавливается на вал 12, который имеет вал 13 отбора мощности и установлен на подшипники 14 качения. Балансировка ротора производится съемом наполнителя 31 барабана через окна 23. The high-speed steam turbine contains a fixed housing 1 with flanges, to which the covers 2 and 3 are fixedly mounted, respectively, right and left through the flanges 9 of the mount. This fixed housing is mounted on a support 8 of the engine and is attached to the base by the legs 25 of the engine mount. The high pressure steam supply pipe 24 divides the high pressure steam into two streams and delivers it to the ends of the engine. Steam through the channel 26 of the steam distribution converges to the center and enters the nozzle 7, while heating the dividing wall 10. Steam enters the heating cavity 28 with the maximum temperature and pressure. Through the nozzle, 7 steam enters the channel 27 of the steam wiring after the nozzle. The channel has the form of a diverging spiral and the steam enters the peripheral channel 30 for supplying steam, and then in the channel 21 for supplying steam to the nozzle array. A supersonic nozzle grill 22 is installed in the fixed casing, in which supersonic vanes 35 are installed. Labyrinth seals 29 are made in the fixed casing. The steam is removed through the blades 34 of the straightening apparatus and the steam channel 18 through the cover. In a fixed housing mounted support 15 bearings. The rotor consists of walls 4 and 5 and blades 11, which are made by centrifugal casting of high strength materials. In this rotor, windows 23 for supplying steam to the rotor are made. Steam is discharged from the rotor through the channel 16 for the removal of steam from the rotor. In the channel for removing steam through the housing of the rotor 17 installed working blades 33 of low pressure. The rotor drum acts as a bandage 6 and includes a tape 30 of the drum, which is made of metal glass. The tape is made in the form of a continuous spiral and is rolled from several thin tapes with anti-corrosion properties. The gaps are filled with filler 31, which is a heat-conducting material, such as copper. To prevent leakage of the filler, the rotor drum is bandaged by winding a thin thread 32 made of high-strength stainless material. Thread sealing is carried out by winding the last layer inside the drum and is fixed by a thrust plate 36, which is made of a package of thin plates of ultra-strong material and is attached to the walls 4 and 5 of the rotor in the zone of low peripheral speeds. The rotor assembly is mounted on a shaft 12, which has a power take-off shaft 13 and is mounted on rolling bearings 14. The balancing of the rotor is carried out by removing the filler 31 of the drum through the window 23.

Быстроходная паровая турбина работает следующим образом. Пар высокого давления поступает по трубе 24 в полости 28, которые расположены в крышках 2 и 3. Пар проходит по каналу 26 разводки пара и попадает в сопла 7, при этом происходит обогрев разделительной перегородки 10. В соплах 7 происходит предварительный разгон пара, за счет чего снижаются его давление и температура. В полости канала 27 пар омывает оребрение, выполненное из ленты 30, и нагревает бандаж 6 ротора. Влажный пар отбрасывается с центробежной силой к перегородке 10, которая снаружи обогревается поступающим свежим паром. Происходит испарение влаги, за счет чего осуществляется промежуточный подогрев пара. Затем пар разгоняется в сверхзвуковой сопловой решетке 22 и после лопаток 35 пар движется со скоростью вращения ротора на периферии. Пар становится неподвижным относительно окон 23 и через них попадает внутрь ротора, расширяется до низких давлений и срабатывает свой теплоперепад, преобразуя его в кинетическую энергию струи. Температура его снизилась до минимальной. За счет этого в ротор вводится момент количества движения, определяемый по формуле
μ = G (r₁ C₁ _ω <196>r₂ C₂ _ω) , (1) где r₁ и r₂ - радиусы входного и выходного сечений потока;
C₁ _ω и C₂ _ω - проекции абсолютных скоростей С₁ и С₂ на направление окружной скорости ω ;
G - расход пара в единицу времени.High-speed steam turbine operates as follows. High pressure steam enters through the pipe 24 into the cavities 28, which are located in the caps 2 and 3. The steam passes through the steam distribution channel 26 and enters the nozzles 7, while the dividing wall 10 is heated. The nozzles 7 pre-accelerate the steam, due to which decreases its pressure and temperature. In the cavity of the channel 27, steam is washed with a rib made of tape 30, and heats the bandage 6 of the rotor. Wet steam is discarded with centrifugal force to the partition 10, which is heated from the outside by incoming fresh steam. Moisture evaporation occurs, due to which the steam is intermediate heated. Then the steam is accelerated in the supersonic nozzle array 22 and after the blades 35, the steam moves with the rotor speed at the periphery. The steam becomes stationary relative to the windows 23 and through them it enters the rotor, expands to low pressures and triggers its heat drop, converting it into the kinetic energy of the jet. Its temperature dropped to a minimum. Due to this, the moment of momentum, determined by the formula, is introduced into the rotor
μ = G (r ₁ C ₁ _ω <196> r ₂ C ₂ _ω ), (1) where r ₁ and r ₂ are the radii of the input and output sections of the stream;
C ₁ _ω and C ₂ _ω are the projections of the absolute velocities C ₁ and C ₂ on the direction of the peripheral speed ω;
G is the steam flow rate per unit time.

После этого расширения степень сухости пара понижается по формуле
X_г=

; (2)
Вся образовавшаяся влага центробежной силой отбрасывается к периферии ротора и осаживается на теплопроводном наполнителе 31. Температура сконденсировавшейся воды значительно ниже, чем у омываемой паром ленты 30. За счет большой поверхности ленты 30 и высокой теплопроводности наполнителя сконденсировавшаяся вода начинает испаряться и отнимать тепло у пара с наружной стороны ротора. За счет этого обеспечивается эффективное охлаждение ленты и проволоки, не давая им разогреваться паром до высоких температур, что сохраняет их высокие механические свойства. Интенсивное испарение воды вызывает направленный поток молекул к оси вращения ротора. Все молекулы испарившейся воды (также и те, что поступают через сопла), движущиеся к оси вращения ротора, сжимаются силой Кориолиса на лопатках 11 по ходу вращения ротора
F_к= m2(

) (3) где m - масса молекул пара, движущихся к оси вращения ротора;

- вектор вращения ротора, который при работе паровой турбины имеет постоянное направление и не меняет его;

- вектор скорости движущихся молекул, в данном случае к оси вращения ротора.After this expansion, the degree of dryness of the steam is reduced by the formula
X _g =

; (2)
All moisture that forms is centrifuged by force to the periphery of the rotor and deposited on a heat-conducting filler 31. The temperature of the condensed water is much lower than that of the tape 30 washed by steam. Due to the large surface of the tape 30 and the high thermal conductivity of the filler, the condensed water begins to evaporate and take away heat from the steam from the outside side of the rotor. This ensures effective cooling of the tape and wire, preventing them from being heated by steam to high temperatures, which preserves their high mechanical properties. Intensive evaporation of water causes a directed flow of molecules to the axis of rotation of the rotor. All molecules of evaporated water (also those that come through nozzles) moving to the axis of rotation of the rotor are compressed by the Coriolis force on the blades 11 along the rotation of the rotor
F _to = m2 (

) (3) where m is the mass of vapor molecules moving towards the axis of rotation of the rotor;

- the vector of rotation of the rotor, which during operation of the steam turbine has a constant direction and does not change it;

is the velocity vector of moving molecules, in this case, to the axis of rotation of the rotor.

За счет силы Кориолиса пар сжимается на лопатках 11, при этом повышаются давление и температура. Двигаясь к оси вращения ротора, пар выделяет свою кинетическую энергию на лопатках 11, а значит и в ротор на вал 13 отбора мощности, где снимается для привода генератора. По мере приближения пара к оси вращения и его торможении о лопатки давление и температура падают, часть пара конденсируется в воду. Вода обладает значительно большей плотностью, чем пар, и центробежной силой отбрасывается к периферии. Как только вода изменяет направление движения, т.е. вектор скорости меняется на противоположный, по формуле (3) сила Кориолиса также изменяет свое направление на противоположное. Таким образом, вода начинает прижиматься к противоположной стенке лопаток 11. Происходит разделение потока. Более энергичные молекулы пара вылетают к оси вращения в полость канала 16, прижимаясь к стенке лопатки 11 по ходу вращения ротора, а на противоположной стенке лопатки к периферии движется сконденсированная вода. В центральной полости между лопатками образуется область разряжения, куда подводится пар через окна 23. Скатывающаяся вода к периферии ротора попадает на наполнитель 31 и испаряется. В канале 16 пар омывает обтекатель 19 и попадает на лопатки 33. Окружная скорость движения пара в этом радиусе еще значительная и сравнимая с окружными скоростями современных паровых турбин. Скорость движущегося пара срабатывается на этих лопатках и пар попадает на лопатки 34 спрямляющего аппарата, а затем в каналы 18 и сбрасывается в конденсатор. По всему тракту движения пара он трижды сепарируется, а влага испаряется за счет промежуточного подогрева. Это обеспечивает более высокий КПД. Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5% Cr обладают высокой коррозионной стойкостью, что необходимо для работы бандажа в среде пара. Due to the Coriolis force, the vapor is compressed on the blades 11, while the pressure and temperature increase. Moving to the axis of rotation of the rotor, the steam releases its kinetic energy on the blades 11, and therefore in the rotor on the power take-off shaft 13, where it is removed to drive the generator. As the steam approaches the axis of rotation and its braking on the blades, the pressure and temperature drop, part of the steam condenses into water. Water has a much higher density than steam, and centrifugal force is discarded to the periphery. As soon as the water changes direction, i.e. the velocity vector is reversed; according to formula (3), the Coriolis force also changes its direction to the opposite. Thus, the water begins to press against the opposite wall of the blades 11. There is a separation of the flow. More energetic vapor molecules fly out to the axis of rotation in the cavity of the channel 16, clinging to the wall of the blade 11 along the rotation of the rotor, and condensed water moves to the periphery of the blade wall to the periphery. In the central cavity between the blades, a rarefaction region is formed where steam is supplied through the windows 23. Sliding water to the periphery of the rotor enters the filler 31 and evaporates. In channel 16, steam is washed around cowl 19 and falls onto blades 33. The peripheral speed of steam in this radius is still significant and comparable to the peripheral speeds of modern steam turbines. The speed of the moving steam is triggered on these blades and the steam enters the blades 34 of the rectifier, and then into the channels 18 and is discharged into the capacitor. Throughout the steam path, it is separated three times, and the moisture evaporates due to the intermediate heating. This provides higher efficiency. Amorphous alloys based on iron and containing at least 3-5% Cr have high corrosion resistance, which is necessary for the operation of the bandage in a steam environment.

Аморфный сплав Fe₆₀Cr₆Mo₆B₂₈ имеет G_т= 4500 МПа. Это в три раза выше, чем у существующих высокопрочных сталей, применяемых в современном турбостроении. Применение аморфных сплавов в супермаховиках позволяет достичь окружных скоростей в 2,5 раза выше, чем окружная скорость у существующих паровых турбин.The amorphous alloy Fe ₆₀ Cr ₆ Mo ₆ B ₂₈ has G _t = 4500 MPa. This is three times higher than the existing high-strength steels used in modern turbine construction. The use of amorphous alloys in super-flywheels allows reaching peripheral speeds 2.5 times higher than the peripheral speeds of existing steam turbines.

Claims

1. A FAST-STEAMED STEAM TURBINE, comprising a fixed housing having a radial fresh steam supply and a channel for exhausting the exhaust steam, with a supersonic nozzle grill and a rotor with blades placed therein, characterized in that it is provided with additional blades and a steam pre-acceleration nozzle, the housing is made with a partition and at least one spiral-shaped centripetal steam supply channel formed by the inner wall of the housing and the partition, while the preliminary acceleration nozzle is mounted on the outlet of the channel, the rotor is made with a bandage of blades, windows for supplying steam located on the periphery of the end walls of the rotor, and axial channels for removing steam located near the axis of rotation, and additional blades are installed in the latter in the area of the side walls of the rotor, the rotor is installed in a housing with the formation between the partition of the latter and the outer surface of the rotor brace at least one additional spiral-shaped centripetal channel in communication with the channel of the housing through the nozzle pre th acceleration, and the exhaust steam outlet channel in the housing formed in the axial zone of the rotor outlet channel for discharging steam.

2. The turbine according to claim 1, characterized in that the rotor bandage is made with a heat-conducting filler and ribbing of an amorphous anticorrosive metal.