RU2305772C2

RU2305772C2 - Axial-flow turbine

Info

Publication number: RU2305772C2
Application number: RU2005127434/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Викторович Михайлов (RU); Владимир Викторович Михайлов
Original assignee: Владимир Викторович Михайлов
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-09-10
Also published as: RU2005127434A

Abstract

FIELD: mechanical engineering; turbines.

SUBSTANCE: proposed axial-flow turbine has inlet channel and coaxial opposite rotation wheels, one of which, namely, rotor has outward blades and other wheel, counter rotor, inward blades. Blades of rotor and counterrotor alternate in axial direction. Inlet channel to deliver working medium consists of ring diffuser formed by ring conical hole in cover - support, and ring diffuser formed by two conical rings rigidly attached separately to rotor and counter rotor, or only to counter rotor.

EFFECT: increased efficiency owing to reduction of ventilation losses.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в прямоточных турбинах, преобразующих кинетическую энергию потока рабочей среды в механическую энергию на валу.The invention relates to the field of energy and can be used in once-through turbines that convert the kinetic energy of the fluid flow into mechanical energy on the shaft.

Известна осевая проточная турбина с двумя встречно вращающимися рабочими колесами, в которой вал одной турбины располагается внутри вала другой турбины. К валам рабочих колес, вращающихся в разные стороны, могут присоединяться валы роторов генераторов или валы ротора и контрротора контрроторного агрегата (см. Политехнический словарь, под редакцией А.Ю.Ишлинского, М., БРЭ, 2000 г., с.500).Known axial flow turbine with two counter-rotating impellers, in which the shaft of one turbine is located inside the shaft of another turbine. To the shafts of the impellers rotating in different directions, the shafts of the rotors of the generators or the shafts of the rotor and the counter-rotor of the counter-rotor assembly can be connected (see Polytechnical Dictionary, edited by A.Yu. Ishlinsky, M., BRE, 2000, p. 500).

Недостатком известной турбины является ограниченная выходная мощность из-за невозможности увеличения числа рабочих колес, вращаемых в разные стороны, в силу самой конструкции, имеющей соосные валы (один внутри другого), на которых жестко закреплены каждый на своем валу рабочие колеса.A disadvantage of the known turbine is the limited output power due to the impossibility of increasing the number of impellers rotated in different directions, due to the design itself, having coaxial shafts (one inside the other), on which the impellers are rigidly fixed to each shaft.

Известна также многоступенчатая осевая турбина с противоположным направлением вращения рабочих дисков на двух валах (см. а.с. 72439 от 1948 г.).Also known is a multi-stage axial turbine with the opposite direction of rotation of the working disks on two shafts (see AS 72439 from 1948).

Конструкция также сложна со сложной зубчатой передачей работы на один общий вал.The design is also complex with a complex gear transmission of work on one common shaft.

Наиболее близкой к заявляемой является многоступенчатая осевая турбина с входным каналом и рабочими дисками встречного вращения, установленными на двух соосных валах, один из которых - ротор - выполнен лопатками наружу, а другой - контрротор, выполненный с лопатками вовнутрь, установлен по отношению к ротору так, что лопатки ротора и контрротора чередуются в осевом направлении (см. Жирицкий Г.С. Газовые турбины авиационных двигателей. М., «Оборонгиз», 1963 г., с.29-30, фиг.1.13). В этой турбине специальные сопловые аппараты отсутствуют, все расширение газа происходит в рабочих лопатках. Входной угол лопаток каждой ступени определяется вектором относительной скорости рабочего тела, направление которого задано лопатками предыдущей ступениClosest to the claimed one is a multi-stage axial turbine with an input channel and counter-rotating working disks mounted on two coaxial shafts, one of which is the rotor, made outward by the blades, and the other, a counter-rotor made outward of the blades, is installed in relation to the rotor so that the blades of the rotor and the counter-rotor alternate in the axial direction (see Zhiritsky G.S. Gas turbines of aircraft engines. M., Oborongiz, 1963, p.29-30, Fig.1.13). There are no special nozzle devices in this turbine, all gas expansion occurs in the working blades. The input angle of the blades of each stage is determined by the relative velocity vector of the working fluid, the direction of which is given by the blades of the previous stage

Преимущество такой турбины - ее многоступенчатость, позволяющая снимать с выходного вала большую мощность по сравнению с аналогом, не опасаясь за прочность турбины, и простота. Все расширение газа происходит в рабочих лопатках и весь располагаемый перепад срабатывает на рабочих лопатках, степень реактивности ступеней равна единице. Однако это является и недостатком. Современным тенденциям в турбостроении соответствует степень реактивности около 0,5, когда расширение рабочего тела происходит как в сопловых, так и в рабочих лопатках. Снижение степени реактивности в осевой турбине решается также конструкцией входного канала. Однако использование известных из уровня техники стационарных конструкций входных устройств (сопло, инжектор) сопряжено с большими вентиляционными потерями между неподвижным корпусом и вращающимися ротором и контрротором.The advantage of such a turbine is its multi-stage, which allows to remove more power from the output shaft in comparison with the analogue, without fear for the strength of the turbine, and simplicity. All gas expansion occurs in the working blades and the entire available differential is triggered on the working blades, the degree of reactivity of the stages is equal to one. However, this is also a disadvantage. The current trends in turbine engineering correspond to a degree of reactivity of about 0.5, when the expansion of the working fluid occurs in both nozzle and working blades. The decrease in the degree of reactivity in the axial turbine is also solved by the design of the inlet channel. However, the use of stationary designs of input devices (nozzle, injector) known from the prior art involves large ventilation losses between the fixed housing and the rotating rotor and counter-rotor.

Поставлена задача расширения арсенала осевых турбин с улучшенными условиями работы для вращающихся колес и повышенным кпд турбины за счет уменьшения вентиляционных потерь.The task is to expand the arsenal of axial turbines with improved working conditions for rotating wheels and increased turbine efficiency by reducing ventilation losses.

Технический результат связан с использованием входного канала для подачи и расширения рабочего тела, в результате чего улучшены условия работы турбины на каждой отдельной рабочей лопатке, разность давлений получается небольшой, а скорости потока умеренными. Кроме того, за счет конструкции входного канала для подачи рабочего тела снижены вентиляционные потери.The technical result is associated with the use of an input channel for supplying and expanding the working fluid, as a result of which the working conditions of the turbine on each individual working blade are improved, the pressure difference is small, and the flow rates are moderate. In addition, due to the design of the inlet channel for supplying the working fluid, ventilation losses are reduced.

Поставленная задача достигается тем, что в осевой турбине с входным каналом и рабочими соосными колесами встречного вращения, одно из которых - ротор - выполнено лопатками наружу, а другое - контрротор - выполнено с лопатками вовнутрь, при этом лопатки ротора и контрротора чередуются в осевом направлении, согласно изобретению входной канал для подачи рабочего тела состоит из кольцевого конфузора, образованного кольцевым конусным отверстием в крышке-опоре, и кольцевого диффузора, образованного двумя конусными кольцами, жестко прикрепленными порознь к ротору и контрротору либо только к контрротору.The task is achieved in that in an axial turbine with an inlet channel and counter-rotating coaxial impellers, one of which is the rotor, made outward by the blades, and the other, the counter-rotor, is made inwardly with the blades, while the rotor and counter-rotor blades alternate in the axial direction, according to the invention, the input channel for supplying the working fluid consists of an annular confuser formed by an annular conical opening in the support cap and an annular diffuser formed by two conical rings, which is rigidly attached E separately to the rotor and kontrrotoru or only to kontrrotoru.

На фиг.1 изображена заявляемая турбина.Figure 1 shows the inventive turbine.

На фиг.2 показан вид А.Figure 2 shows a view A.

На фиг.3 показан вариант выполнения заявляемой турбины с неодинаковым числом секций с правыми/левыми лопатками ротора и секций с левыми/правыми лопатками контрротора.Figure 3 shows an embodiment of the inventive turbine with an unequal number of sections with right / left rotor blades and sections with left / right counter-rotor blades.

На фиг.4 показан вид Б.Figure 4 shows a view of B.

На фиг.1 изображена заявляемая турбина, содержащая корпус 1 с двумя боковыми крышками-опорами 2, 3, ротор 4 и контрротор 5. Ротор 4 состоит из жестко связанных n-секций правых/левых (далее правых) лопаток 6, направленных наружу, и вала 7. Вал 7 - ступенчатый, для технологичности выполнен составным. Контрротор 5 состоит из жестко связанных n-секций левых/правых (далее левых) лопаток 8, направленных вовнутрь, и выходного вала 9. Вал 7 ротора 4 установлен на подшипниках 10 в крышке-опоре 2, а выходной вал 9 контрротора 5 установлен на подшипниках 11 в крышке-опоре 3. Контрротор 5 установлен соосно с ротором 4 на подшипниках 12 так, что секции с левыми и правыми лопатками в осевом направлении чередуются. Количество секций в роторе 4 и в контрроторе 5 в общем случае должно быть одинаковым, хотя в некоторых случаях, например турбомашина, может работать и с неодинаковым числом секций с правыми и левыми лопатками. Первая секция ротора 4 конструктивно установлена отдельно от других секций, но жестко закреплена на валу 7, поэтому также является секцией ротора 4. В двух боковых крышках-опорах 2,3 выполнены кольцевые конусные отверстия, впускное в форме конфузора 13 и выпускное в форме диффузора 14 для впуска и выпуска соответственно рабочей среды - пара, газа, воды. Кольцевой диффузор 15 образован двумя конусными кольцами - внутренним 16, жестко прикрепленным к ротору 4, и наружным 17, жестко прикрепленным к контрротору 5. Входной канал для поступления рабочего тела образует неподвижный кольцевой конфузор 13 и кольцевой диффузор 15, вращающийся вместе с ротором 4 и контрротором 5. На фиг.3 показан вариант конструкции с неодинаковым числом секций ротора 4 и контрротора 5, когда турбина начинается с первой секции контрротора 5. В этом случае выходной вал 9 контрротора 5 установлен на подшипниках 11 в крышке-опоре 3 и на подшипниках 18 в крышке-опоре 2, а оба конусных кольца 16, 17 диффузора 15 прикреплены к контрротору 5.Figure 1 shows the inventive turbine, comprising a housing 1 with two side covers-supports 2, 3, a rotor 4 and a counter-rotor 5. The rotor 4 consists of rigidly connected n-sections of the right / left (hereinafter right) blades 6 directed outward, and shaft 7. Shaft 7 - stepped, for manufacturability is made composite. The counter-rotor 5 consists of rigidly connected n-sections of the left / right (hereinafter left) blades 8 directed inward and the output shaft 9. The shaft 7 of the rotor 4 is mounted on bearings 10 in the bearing cap 2, and the output shaft 9 of the counter-rotor 5 is mounted on bearings 11 in the bearing cap 3. The counter-rotor 5 is mounted coaxially with the rotor 4 on the bearings 12 so that the sections with left and right blades in the axial direction alternate. The number of sections in the rotor 4 and in the counter-rotor 5 should generally be the same, although in some cases, for example, a turbomachine can work with an unequal number of sections with right and left blades. The first section of the rotor 4 is structurally installed separately from the other sections, but is rigidly mounted on the shaft 7, therefore it is also a section of the rotor 4. In the two side covers-supports 2,3 there are annular conical openings, inlet in the form of a confuser 13 and outlet in the form of a diffuser 14 for inlet and outlet, respectively, of the working medium - steam, gas, water. The annular diffuser 15 is formed by two conical rings - the inner 16, rigidly attached to the rotor 4, and the outer 17, rigidly attached to the counter-rotor 5. The input channel for the receipt of the working fluid forms a stationary ring confuser 13 and the ring diffuser 15, rotating together with the rotor 4 and the counter-rotor 5. Figure 3 shows a design with an unequal number of sections of the rotor 4 and the counter-rotor 5, when the turbine starts from the first section of the counter-rotor 5. In this case, the output shaft 9 of the counter-rotor 5 is mounted on bearings 11 in the bearing cap 3 on bearings 18 in the cover-support 2 and both conical rings 16, 17 attached to the diffuser 15 kontrrotoru 5.

Работает турбина следующим образом. Рабочая среда под давлением через конфузор 13 и диффузор 15 подается под прямым углом к плоскости вращения на правые лопатки 6 первой секции ротора 4 (или на левые лопатки 8 контрротора 5, если число секций с правыми и левыми лопатками неодинаково). Рабочая среда толкает правые лопатки. Раскручивая первую секцию ротора 4 вправо, рабочая среда одновременно закручивается в противоположную сторону и падает на левые лопатки 8 первой секции контрротора 5 по ходу их вращения. Раскручивая левые лопатки контрротора 5, отражаясь одновременно от них в противоположную сторону, рабочее тело падает на правые лопатки 6 второй секции ротора 4 по ходу их вращения и так далее. В осевом направлении секции с правыми и левыми лопатками чередуются, поэтому каждая предыдущая лопатка является направляющей потока для следующей за ней лопаткой. Таким образом, рабочая среда, последовательно огибая правые 6 и левые 8 лопатки и продвигаясь в осевом направлении, раскручивает секции турбины. Конфузор 13 и диффузор 15, помимо основной функции нагнетания рабочей среды, решают задачу герметизации подачи рабочей среды при неподвижном конфузоре 13 и вращающемся диффузоре 15. Общее количество секций ротора 4 и контрротора 5 расчитывается исходя из назначения, требуемой мощности и мощности и технологических возможностей. Ограничивается количество секций прочностными характеристиками материалов конструкции.The turbine operates as follows. The working medium under pressure through the confuser 13 and the diffuser 15 is supplied at right angles to the plane of rotation on the right blades 6 of the first section of the rotor 4 (or on the left blades 8 of the counter-rotor 5, if the number of sections with right and left blades is not the same). The working environment pushes the right shoulder blades. Spinning the first section of the rotor 4 to the right, the working medium simultaneously spins in the opposite direction and falls on the left blades 8 of the first section of the counter-rotor 5 in the direction of their rotation. Spinning the left blades of the counter-rotor 5, being reflected simultaneously from them in the opposite direction, the working fluid falls on the right blades 6 of the second section of the rotor 4 in the direction of their rotation and so on. In the axial direction, sections with right and left blades alternate, therefore, each previous blade is a flow guide for the next blade. Thus, the working medium, sequentially bending around the right 6 and left 8 blades and moving in the axial direction, untwists the turbine sections. The confuser 13 and the diffuser 15, in addition to the main function of pumping the working medium, solve the problem of sealing the supply of the working medium with the stationary confuser 13 and the rotating diffuser 15. The total number of sections of the rotor 4 and counter-rotor 5 is calculated based on the purpose, required power and power, and technological capabilities. The number of sections is limited by the strength characteristics of construction materials.

Вариант по фиг.3 имеет равновесную конструкцию с двусторонними симметричными выходами валов, на которые устанавливаются генераторы.The variant of figure 3 has an equilibrium design with bilateral symmetrical outputs of the shafts on which the generators are mounted.

Заявляемая осевая проточная турбина, по сравнению с прототипом, имеет конструкцию с улучшенными условиями работы лопаток вращающихся колес и повышенный кпд за счет герметизации подачи рабочего тела во входном канале.The inventive axial flow turbine, compared with the prototype, has a design with improved working conditions of the blades of the rotating wheels and increased efficiency due to sealing the supply of the working fluid in the inlet channel.

Claims

An axial turbine with an inlet channel and counter-rotating coaxial impellers, one of which is the rotor — made with the blades outward and the other — the counter-rotor — with the blades inward, while the rotor blades and the counter-rotor alternate in the axial direction, characterized in that the input channel for feeding the working fluid consists of an annular confuser formed by an annular conical hole in the support lid and an annular diffuser formed by two conical rings rigidly attached separately to the rotor and counter-rotor or only to the counter-rotor toru.