RU2189450C1

RU2189450C1 - Radial turbomachine

Info

Publication number: RU2189450C1
Application number: RU2000133096A
Authority: RU
Inventors: А.Ф. Исачкин
Original assignee: Исачкин Анатолий Федорович
Priority date: 2000-12-25
Filing date: 2000-12-25
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: thermal-to-electrical energy conversion. SUBSTANCE: radial turbine has opposing-rotation wheels and generator whose magnets are secured on turbine wheels and stator coils, on casing. Steam is supplied to turbine wheels over stator whereon wheels are rotating and conveyed through guide vanes to first stage. High-pressure section is separated from bearing assembly by labyrinth seal. Height of turbine wheel blades may be different and vary from first to last stages either stepwise or in stepless manner along tilted straight or curved line. Bearings are provided with forced lubricating system that also functions to cool them. Bracing device is incorporated to take high-pressure breaking loads. EFFECT: enhanced efficiency of turbine. 6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, преобразующим тепловую энергию в электрическую, а именно к турбостроению. The invention relates to devices that convert thermal energy into electrical energy, namely, turbine construction.

"Наряду с осевыми турбинами, в которых пар движется в направлении оси вала турбины, были созданы конструкции радиальных турбин, в которых пар течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Из последних наиболее интересной является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем. Принципиальная схема этой турбины заключается в следующем. На боковой поверхности дисков колес, кольцами постепенно возрастающего диаметра, располагаются лопатки реактивных ступеней. Пар в турбину подводится по трубам и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Отсюда он течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на обоих дисках. В отличие от обычной конструкции в турбине Юнгстрем нет неподвижных силовых лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться двумя валами. Принцип встречного вращения роторов позволяет выполнить турбину очень компактной и экономичной. Однако необходимость в двух генераторах, сложная конструкция и большие напряжения в лопатках ограничили применение этих турбин." (См. А. В. Щегляев "Паровые турбины", Энергия, Москва, 1976 г., стр.9). “Along with axial turbines in which steam moves in the direction of the axis of the turbine shaft, radial turbine designs have been created in which steam flows in a plane perpendicular to the axis of the turbine. Of the latter, the most interesting is the radial turbine proposed in 1912 in Sweden by the Jungström brothers The schematic diagram of this turbine is as follows: on the lateral surface of the wheel disks, rings of gradually increasing diameter, the blades of the reactive stages are located.The steam is fed into the turbine through pipes and then through the holes I go to the central chamber in the disks. From here it flows to the periphery through the channels of the blades mounted on both disks. Unlike the usual design, the Jungstrom turbine does not have fixed power blades. Both disks rotate in opposite directions, so the power developed by the turbine should transmitted by two shafts. The principle of counter-rotation of the rotors allows the turbine to be very compact and economical. However, the need for two generators, a complex design and high voltage in the blades have limited applications e of these turbines. " (See A. V. Scheglyaev, “Steam Turbines,” Energy, Moscow, 1976, p. 9).

Известна "Турбина без выходного вала", состоящая из корпуса, колес(а) турбины, магнитов, закрепленных на колесе турбины, и катушек статора. Турбина выполнена радиальной без выходного вала. Магниты располагаются на боковой поверхности колеса турбины, где отсутствуют лопатки. На боковой поверхности корпуса турбины располагаются катушки статора. Магниты закрепляются материалом, обеспечивающим надежное противодействие инерционным силам. Осуществление изобретения приводит к уменьшению веса и габаритов турбомашины (см. патент RU 2156864, F 01 D 15/10, 27.09.2000 г.). The well-known "Turbine without output shaft", consisting of a housing, turbine wheels (a), magnets mounted on a turbine wheel, and stator coils. The turbine is made radial without an output shaft. Magnets are located on the side surface of the turbine wheel, where there are no blades. Stator coils are located on the side surface of the turbine housing. Magnets are fixed with a material that provides reliable counteraction to inertial forces. The implementation of the invention leads to a decrease in the weight and dimensions of the turbomachine (see patent RU 2156864, F 01 D 15/10, 09/27/2000).

Сочетание принципа работы "Турбины Юнгстрем" и принципа работы "Турбины без выходного вала" позволит избавиться от главных недостатков "Турбины Юнгстрем" и позволит полностью использовать преимущество колес, вращающихся во встречных направлениях. The combination of the principle of operation "Turbines Yungstrem" and the principle of operation "Turbines without an output shaft" will get rid of the main disadvantages of the "Turbines Yungstrem" and will allow you to fully use the advantage of wheels rotating in opposite directions.

Поставленная задача - увеличение эффективности радиальных турбомашин с колесами встречного вращения. The task is to increase the efficiency of radial turbomachines with counter-rotation wheels.

Для этого используется радиальная турбомашина, состоящая из радиальной турбины с колесами встречного вращения и генератора, в котором магниты закреплены на колесах, на стороне, где отсутствуют лопатки, а катушки статора на боковой поверхности корпуса турбины. При этом рабочее вещество к колесам подается через полость(ти) в статоре, на котором вращаются колеса турбины, в месте подвода рабочего пара к колесам, на статоре имеются направляющие лопатки, полость, по которой подводится пар, отделена от поверхности, на которой вращаются колеса, теплоизоляцией, пар к направляющим лопаткам приходит с одной стороны статора или с обеих. Статор и колеса турбины имеют между собой лабиринтное уплотнение, препятствующее проникновению рабочего вещества из зоны высокого давления к подшипниковому узлу. Величина лопаток колес может изменяться по высоте от первой ступени до последней или ступенчато, или плавно, по наклонной прямой, или по какой-то кривой. В турбомашине используется принудительная система смазки подшипников, которая одновременно является и системой охлаждения подшипников, система состоит из насоса и масляного радиатора, трубопроводов, подводящего и отводящего штуцеров, системы отверстий в крышке или корпусе турбины, отверстия(тий) в проставочной втулке и канавок в статоре, для подвода и отвода смазки, проставочного кольца с отверстием(ями) в верхней части, через которые смазка подается на подшипник(и), и отверстием(ями) в нижней части, где смазка забирается. Колеса турбины, в районе от подшипников до крепления магнитов, со стороны, где отсутствуют лопатки, имеют теплоизоляцию. Катушки статора закрыты кожухом, по которому прогоняется охлаждающее вещество. При необходимости, когда статор может не выдержать разрывного усилия от давления рабочего вещества, используется стяжное устройство, состоящее из щеки с отверстиями для прохода рабочего вещества, на каждом торце статора, через который подводится пар, и стягивающего болта или шпильки с гайками. Подводящие патрубки и корпус турбомашины, до кожуха охлаждения катушек статора, теплоизолированы. For this, a radial turbomachine is used, consisting of a radial turbine with counter-rotation wheels and a generator in which magnets are mounted on wheels, on the side where there are no vanes, and stator coils on the side surface of the turbine housing. In this case, the working substance to the wheels is fed through the cavity (s) in the stator, on which the turbine wheels rotate, in the place where the working steam is supplied to the wheels, there are guide vanes on the stator, the cavity along which the steam is supplied is separated from the surface on which the wheels rotate , thermal insulation, steam to the guide vanes comes from one side of the stator or from both. The stator and turbine wheels have a labyrinth seal between them, which prevents the penetration of the working substance from the high pressure zone to the bearing assembly. The size of the wheel blades can vary in height from the first step to the last or stepwise, or smoothly, along an inclined straight line, or along some kind of curve. The turbomachine uses a forced bearing lubrication system, which is also a bearing cooling system, the system consists of a pump and an oil cooler, pipelines, inlet and outlet fittings, a system of holes in the cover or turbine housing, holes (s) in the spacer sleeve and grooves in the stator , for supply and removal of grease, a spacer ring with a hole (s) in the upper part, through which the grease is supplied to the bearing (s), and a hole (s) in the lower part, where the grease is taken. The turbine wheels, in the area from the bearings to the mounting of the magnets, from the side where there are no blades, have thermal insulation. The stator coils are closed by a casing through which the cooling substance is driven. If necessary, when the stator can not withstand the breaking force from the pressure of the working substance, a clamping device is used, consisting of a cheek with holes for the passage of the working substance, at each end of the stator through which steam is supplied, and a tightening bolt or stud with nuts. The inlet pipes and the housing of the turbomachine, to the casing of the cooling of the stator coils, are insulated.

Предложенная радиальная турбомашина позволяет избавиться от главного недостатка "Турбины Юнгстрем" - от выходных валов, упрощает подачу рабочего пара к первой ступени, вместо сложного устройства подвода пара через отверстия во вращающихся колесах, пар подводится по внутренней полости статора и через направляющие лопатки подается на первую ступень. Генераторы являются частью самой турбомашины, магниты генератора находятся на колесах турбины в зоне отработавшего пара, температура которого 60-90^oС, т.е. невысокая, катушки находятся на боковой поверхности корпуса турбины, где их легко можно закрыть коржухом и охладить охлаждающим веществом.The proposed radial turbomachine eliminates the main drawback of the “Youngstrom Turbines” - the output shafts, simplifies the supply of working steam to the first stage, instead of a complex device for supplying steam through openings in the rotating wheels, the steam is supplied through the inner cavity of the stator and fed through the guide vanes to the first stage . The generators are part of the turbomachine itself, the generator magnets are located on the wheels of the turbine in the zone of exhaust steam, the temperature of which is 60-90 ^o С, i.e. low, the coils are located on the side surface of the turbine housing, where they can easily be covered with a casing and cooled with a coolant.

На фиг.1 показан общий вид "Радиальной турбомашины" и вид по стрелке А. Figure 1 shows a General view of the "Radial turbomachine" and a view along arrow A.

На фиг.2 показан разрез по Б-Б. Figure 2 shows a section along BB.

На фиг.3 показаны варианты изменения высоты лопаток и разрез по В-В. Figure 3 shows the variations in the height of the blades and a section along BB.

На фиг.4 показаны статор, подшипниковый узел и система смазки, в увеличенном виде. Figure 4 shows the stator, bearing assembly and lubrication system, in an enlarged view.

Радиальная турбомашина состоит из корпуса 1, статора 2, колеса 3, вращающегося в одну сторону, колеса 4, вращающегося в другую сторону, магнитов 5, катушек статора 6, ступицы колеса 7, подшипников 8, крышки подшипника(ов) 9, распорного кольца 10, кольца 11 с отверстиями для подвода и отвода смазки, крышки корпуса 12 с системой отверстий для прохода смазки, штуцера 13, подвода смазки, штуцера 14 для отвода смазки, проставочной втулки 15 с отверстием(ями) для прохода смазки, прижимной гайки 16, патрубка(ов) 17, подводящего(их) рабочий пар, кожухов 18 охлаждения катушек статора, теплоизоляции 19, при необходимости, щек(и) 20, с отверстиями для прохода пара, стяжного болта или шпильки 21 с гайками 22, теплоизоляции 23. The radial turbomachine consists of a housing 1, a stator 2, a wheel 3 rotating in one direction, a wheel 4 rotating in the other direction, magnets 5, stator coils 6, a wheel hub 7, bearings 8, a bearing cover (s) 9, an expansion ring 10 , rings 11 with holes for supplying and discharging grease, housing covers 12 with a system of holes for passing grease, fitting 13, supplying grease, fitting 14 for draining grease, spacer sleeve 15 with hole (s) for passing grease, clamping nut 16, pipe (s) 17, supplying (their) working steam, casings 18 cooling cat stator ears, thermal insulation 19, if necessary, cheeks (s) 20, with holes for the passage of steam, a coupling bolt or stud 21 with nuts 22, thermal insulation 23.

Работает радиальная турбомашина следующим образом. Рабочий пар поступает по патрубку 17 в статор 2, с одной или с обеих сторон, проходя через направляющие лопатки статора 2, рабочий пар, под определенным углом, попадает на лопатки первой ступени колеса 3, где отдает часть своей энергии, заставляя вращаться колесо 3, с лопаток первой ступени колеса 3, рабочий пар, уже изменивший направление, попадает на лопатки колеса 4, второй ступени турбины, колесо 4 при этом вращается в сторону, противоположную вращению колеса 3, пар, отдавая часть энергии колесу 4, снова меняет направление и попадает на лопатки следующей ступени колеса 3 и т. д. до последней ступени колеса 4, после которой уже отработавший пар поступает в конденсатор. При этом, лабиринтное уплотнение между ступицей 7 и статором 2 не позволяет рабочему веществу из зоны высокого давления попадать в подшипниковый узел. Теплоизоляция 19 уменьшает проникновение тепла к подшипникам 8. Смазка в турбину поступает через трубопроводы, штуцер 13, систему отверстий в крышке 12, отверстие(ия) в проставочной втулке 15, канавку(ки) в статоре 2 и через отверстия в кольце 11 подается к подшипнику(кам) 8, который(е) смазывается(ются) и охлаждается(ются) этой смазкой, после чего смазка собирается в нижней части подшипника 8, где через отверстие(ия) в кольце 11 смазка забирается и также по канавке(ам) в статоре 2, отверстие(ия) во втулке 15, систему отверстий в крышке 12, штуцер 14 и трубопроводы поступает к насосу (на чертеже условно не показан), после насоса поступает в систему охлаждения, а после охлаждения снова в турбину, и т.д. В кожух 18 подается охлаждающее вещество, например, окружающий воздух, который, проходя по кожуху 18, охлаждает катушки 6 генератора. Стяжное устройство, состоящее из щек(и) 20 и болта или шпильки 21, с гайками 22, сдерживают разрывное усилие, возникающее от давления рабочего вещества. Теплоизоляция 23 уменьшает потери тепла в окружающую среду. The radial turbomachine operates as follows. The working steam enters through the nozzle 17 into the stator 2, on one or both sides, passing through the guide vanes of the stator 2, the working steam, at a certain angle, enters the blades of the first stage of the wheel 3, where it gives part of its energy, causing the wheel 3 to rotate, from the blades of the first stage of wheel 3, the working steam that has already changed direction falls on the blades of wheel 4, of the second stage of the turbine, while wheel 4 rotates in the direction opposite to the rotation of wheel 3, the steam, giving part of the energy to wheel 4, changes direction again and gets on the shoulder blades with Wheel eduyuschey stage 3 and so on. g. up to the last stage wheel 4, after which the already exhaust steam enters the condenser. In this case, the labyrinth seal between the hub 7 and the stator 2 does not allow the working substance from the high pressure zone to enter the bearing assembly. Thermal insulation 19 reduces the penetration of heat to the bearings 8. The lubricant enters the turbine through pipelines, fitting 13, the system of holes in the cover 12, the hole (s) in the spacer sleeve 15, the groove (s) in the stator 2 and through the holes in the ring 11 is fed to the bearing (cam) 8, which (e) is lubricated (s) and cooled (s) by this grease, after which the grease is collected in the lower part of the bearing 8, where through the hole (s) in the ring 11 the grease is taken in and also along the groove (s) in stator 2, hole (s) in sleeve 15, hole system in cover 12, fitting 14 and pipe water enters the pump (not shown conditionally in the drawing), after the pump enters the cooling system, and after cooling again into the turbine, etc. A cooling medium, for example, ambient air, is supplied to the casing 18, which, passing through the casing 18, cools the generator coils 6. The clamping device, consisting of cheeks (s) 20 and a bolt or stud 21, with nuts 22, restrain the breaking force arising from the pressure of the working substance. Thermal insulation 23 reduces heat loss to the environment.

В результате радиальная турбомашина вырабатывает электроэнергию, не передавая энергию через выходные валы, что значительно упрощает устройство турбомашины и уменьшает ее вес и габариты. As a result, the radial turbomachine generates electricity without transmitting energy through the output shafts, which greatly simplifies the construction of the turbomachine and reduces its weight and dimensions.

Claims

1. A radial turbomachine, consisting of a radial turbine with counter-rotation wheels and a generator, the rotor magnets of which are located on the turbine wheels, and the stator coils on the housing, characterized in that the working substance is supplied to the wheels through the cavity (s) in the stator on which the turbine wheels rotate, on the stator, where the working substance is supplied to the wheels, there are guide vanes, the cavity along which the steam is supplied is separated from the surface on which the wheels rotate by thermal insulation.

2. The radial turbomachine according to claim 1, characterized in that the stator and wheels have a labyrinth seal, which prevents the penetration of the working substance from the high pressure zone to the bearing assembly.

3. The radial turbomachine according to claim 2, characterized in that the size of the wheel blades can be different in height from the first step to the last, this height difference can be made either stepwise, or smoothly along an inclined straight line or along a curve.

4. The radial turbomachine according to claim 3, characterized in that the turbine uses a forced bearing lubrication system, which is also a bearing cooling system, the system consists of a pump, an oil cooler, pipelines, inlet and outlet fittings, a system of openings in the cover or turbine housing, holes in the spacer sleeve and grooves in the stator for supplying and discharging grease, a spacer ring with hole (s) in the upper part through which grease is supplied to the bearing (s) and hole (s) in her part, where the grease is taken.

5. The radial turbomachine according to claim 4, characterized in that the stator coils of the generator are closed by a casing through which the cooling substance is driven.

6. The radial turbomachine according to claim 5, characterized in that, if necessary, when the stator may not withstand the breaking force from the pressure of the working substance, a clamping device is used, consisting of cheeks (s) with holes for the passage of the working substance at the end of the stator, through which steam is supplied, and a tightening bolt or stud with nuts.