RU2312992C2

RU2312992C2 - Steam turbine

Info

Publication number: RU2312992C2
Application number: RU2004114546/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Федорович Горшков (RU); Анатолий Федорович Горшков; Михаил Иванович Матвиенко (RU); Михаил Иванович Матвиенко
Original assignee: Анатолий Федорович Горшков; Михаил Иванович Матвиенко
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2007-12-20
Also published as: RU2004114546A

Abstract

FIELD: heat power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to low-power steam turbines designed for use as drives of generators, pumps and fans. Proposed steam turbine has housing with two covers, disk with active blades secured on shaft, devices for changing direction of movement of working medium, nozzles to supply working medium and outlet branch pipes. Active blades form rims, being installed square to plane of disk at its both sides. Devices for changing direction of movement of working medium are installed at both sides of disk from top over active working blades of disk and from bottom under them. Devices for changing direction of movement of working medium are made in form of rotary-nozzle diaphragms with profile of turnable part in form of curvilinear asymmetrical contraction tube, and outlet part in form of straight-line asymmetrical diffuser with angle of tilting corresponding to blade incidence angle. Nozzles to deliver working medium in one half of circumference of rims of working blades are arranged from top over working blades, and outlet branch pipes are arranged from bottom. Nozzles to deliver working medium in second half of circumference of rims of working blades are arranged from bottom of working blades, and outlet branch pipes are arranged from top.

EFFECT: increased efficiency and power output of turbine.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к паровым турбинам малой мощности (от 100 кВт до 10 МВт).The invention relates to the field of power engineering, in particular to steam turbines of low power (from 100 kW to 10 MW).

В настоящее время Калужским турбинным заводом выпускаются турбины малой мощности, недостатками которых являются:Currently, the Kaluga Turbine Plant produces low-power turbines, the disadvantages of which are:

- большая металлоемкость и габариты, т.к. турбины многодисковые, что требует большого времени для прогрева турбины перед пусками;- large metal consumption and dimensions, because multi-disk turbines, which takes a long time to warm up the turbine before starting;

- наличие редуктора, т.к. турбины высокооборотны;- the presence of a gearbox, as turbines are high speed;

- пожароопасность, т.к. имеют систему масляного охлаждения и смазки подшипников, требуют отдельного помещения и квалифицированного обслуживающего персонала;- fire hazard, as have a system of oil cooling and lubrication of bearings, require a separate room and qualified maintenance personnel;

- работают только на сухом паре.- work only on dry steam.

Известна и двухступенчатая, со ступенями скорости, паровая турбина Невского завода (П.Н.Шляхтич. Паровые машины. Госэнергоиздат, 1960 г., стр.65).The two-stage steam turbine of the Nevsky Plant is also known (PN Shlyakhtich. Steam engines. Gosenergoizdat, 1960, p. 65).

Турбина этого типа работает также только на сухом паре, имеет сравнительно низкий коэффициент полезного действия (т.к. она только двухступенчатая), сложную систему подвода рабочего тела (пара), а также все вышеперечисленные недостатки турбин малой мощности, выпускаемых Калужским турбинным заводом.This type of turbine also works only on dry steam, has a relatively low efficiency (since it is only two-stage), a complex supply system for the working fluid (steam), and also all of the above disadvantages of low-power turbines produced by the Kaluga Turbine Plant.

Кроме того, известна также радиальная многовенцовая турбина внутреннего горения (SU 29681 A, МПК 7 F01D 1/12, 1933), принятая в качестве прототипа, содержащая корпус, закрепленный на валу диск с рабочими лопатками, образующими венцы и установленными перпендикулярно плоскости диска с обеих его сторон, аппараты для изменения направления движения рабочего тела, сопла для подвода рабочего тела, выходные патрубки, воздушный компрессор, камеры горения и т.д.In addition, there is also known a radial multi-pronged internal combustion turbine (SU 29681 A, IPC 7 F01D 1/12, 1933), adopted as a prototype, comprising a housing, a disk fixed to the shaft with rotor blades forming crowns and mounted perpendicular to the plane of the disk from both its sides, apparatus for changing the direction of movement of the working fluid, nozzles for supplying the working fluid, outlet pipes, air compressor, combustion chambers, etc.

Недостатками этой турбины являются:The disadvantages of this turbine are:

- низкий коэффициент полезного действия (т.к. имеют место большие потери в камерах горения через уплотнения, неполное сгорание топлива и т.д.);- low efficiency (since there are large losses in the combustion chambers through seals, incomplete combustion of fuel, etc.);

- небольшой срок эксплуатации (из-за несовершенных камер горения и т.д.);- short life (due to imperfect combustion chambers, etc.);

- пожароопасность (т.к. работает на горючем топливе);- fire hazard (since it runs on combustible fuel);

- сложность в изготовлении и в эксплуатации;- difficulty in manufacturing and operation;

- невозможность срабатывания большого теплоперепада.- the inability to operate a large heat loss.

В существующих котельных с паровыми котлами, вырабатывающими, как правило, низкопотенциальный пар более высоких параметров, чем требуется для технологических нужд, понижение давления пара до требуемых параметров осуществляется в редукционно-охладительных устройствах посредством дросселирования, где происходит потеря энергии дросселируемого пара при его расширении.In existing boiler houses with steam boilers that produce, as a rule, low-grade steam of higher parameters than is required for technological needs, the reduction of steam pressure to the required parameters is carried out in reduction and cooling devices by throttling, where the energy of throttled steam is lost during expansion.

Целью изобретения является использование энергии дросселируемого пара при его расширении («бросовой» энергии) для получения механической энергии, которая используется для прямого привода (т.е. без редуктора) технологического оборудования (вместо электрических двигателей) или генераторов для выработки дешевой электрической энергии посредством паровой турбины, которая устанавливается вместо редукционно-охладительного устройства (или параллельно ему) в котельных.The aim of the invention is the use of throttled steam energy during its expansion (“waste” energy) to produce mechanical energy that is used to directly drive (ie, without gear) technological equipment (instead of electric motors) or generators to generate cheap electric energy through steam turbines, which are installed instead of a reduction and cooling device (or parallel to it) in boiler rooms.

Задачей изобретения является создание малогабаритной, экономичной, большей мощности и КПД, чем в рассмотренных выше аналогах турбин, однодисковой, двухвенцовой, многоступенчатой турбины, работающей на любом (в т.ч. низкопотенциальном) паре.The objective of the invention is the creation of small-sized, economical, greater power and efficiency than in the above analogues of turbines, single-disk, two-fan, multi-stage turbines operating on any (including low-potential) pair.

Задачей изобретения является создание малогабаритной, экономичной, большей мощности и КПД турбины, однодисковой, двухвенцовой, многоступенчатой турбины, работающей на любом (в т.ч. низкопотенциальном) паре.The objective of the invention is the creation of small-sized, economical, greater power and efficiency of the turbine, single-disk, two-fan, multi-stage turbines operating on any (including low-potential) pair.

Поставленная задача достигается за счет того, что в паровой турбине, содержащей корпус, закрепленный на валу диск с рабочими лопатками, образующими венцы и установленными перпендикулярно плоскости диска с обеих его сторон, аппараты для изменения направления движения рабочего тела, сопла для подвода рабочего тела и выходные патрубки, корпус выполнен с двумя крышками, рабочие лопатки выполнены активными, при этом аппараты для изменения направления движения рабочего тела установлены с обеих сторон диска сверху над активными рабочими лопатками диска и снизу под ними и выполнены в виде поворотно-сопловых диафрагм с профилем поворотной части в виде криволинейного асимметричного конфузора и выходной частью в виде прямолинейного асимметричного диффузора с углом наклона, соответствующим выходному углу рабочих лопаток, причем в одной половине окружности венцов рабочих лопаток сопла для подвода рабочего тела расположены сверху рабочих лопаток, а выходные патрубки снизу, а во второй половине окружности венцов рабочих лопаток сопла для подвода рабочего тела расположены снизу рабочих лопаток, а выходные патрубки сверху.The problem is achieved due to the fact that in a steam turbine containing a housing, a disk fixed to the shaft with working blades forming crowns and mounted perpendicular to the plane of the disk on both sides of the disk, apparatus for changing the direction of movement of the working fluid, nozzles for supplying the working fluid and the weekend nozzles, the casing is made with two covers, the working blades are made active, while the devices for changing the direction of movement of the working fluid are installed on both sides of the disk above the active working blades the disk cages and below them and are made in the form of rotary-nozzle diaphragms with the profile of the rotary part in the form of a curvilinear asymmetric confuser and an output part in the form of a rectilinear asymmetric diffuser with an angle of inclination corresponding to the output angle of the working blades, and in one half of the circumference of the crowns of the working blades of the nozzle for the supply of the working fluid are located on top of the working blades, and the outlet pipes are on the bottom, and in the second half of the circumference of the crowns of the working blades, nozzles for supplying the working fluid are located on the bottom Static preparation blades and the outlet pipe at the top.

Заявляемая конструкция турбины иллюстрируется чертежами:The inventive design of the turbine is illustrated by the drawings:

на фиг.1 показан общий вид паровой турбины,figure 1 shows a General view of a steam turbine,

на фиг.2 - вид паровой турбины по разрезу А-А.figure 2 is a view of a steam turbine along section AA.

Предлагаемая малогабаритная, однодисковая, двухвенцовая паровая турбина содержит корпус, состоящий из цилиндра 1 и двух крышек 2, в котором расположен вал 3 с закрепленным на нем диске 4. По окружности диска 4 перпендикулярно его плоскости с обеих его сторон установлены активные рабочие лопатки 5, образующие венцы (венцы - это расположенные одна за другой по окружности диска рабочие лопатки 5). На каждой крышке 2 установлены аппараты (короба) для изменения направления движения рабочего тела (фиг.2), выполненные в виде наружных 6 и внутренних 7 поворотно-сопловых диафрагм, установленных сверху над и снизу под активными рабочими лопатками 5. Профиль поворотной части 8 диафрагм 6 и 7 выполнен в виде криволинейного асимметричного конфузора, а выходной части 9 - в виде прямолинейного асимметричного диффузора с углом наклона, соответствующим входному углу рабочих лопаток 5. Сопла 10 для подвода свежего рабочего тела в одной половине окружности венцов рабочих лопаток 5 расположены сверху рабочих лопаток 5, а выходные патрубки 11 - снизу, а во второй половине окружности венцов рабочих лопаток 5 сопла 10 для подвода свежего рабочего тела расположены снизу рабочих лопаток 5, а выходные патрубки 11 - сверху. Вал 3 с закрепленными на нем диском 4 с рабочими лопатками 5 установлен в подшипниковых корпусах 12.The proposed small-sized, single-disk, two-axle steam turbine contains a housing consisting of a cylinder 1 and two covers 2, in which a shaft 3 is located with a disk 4 mounted thereon. Active working vanes 5 are formed on the circumference of the disk 4 perpendicular to its plane on both sides thereof, forming crowns (crowns are working blades 5 located one after another around the circumference of the disk). On each lid 2 there are installed devices (boxes) for changing the direction of movement of the working fluid (Fig. 2), made in the form of external 6 and internal 7 rotary-nozzle diaphragms installed above and below the active working vanes 5. Profile of the rotary part of 8 diaphragms 6 and 7 are made in the form of a curved asymmetric confuser, and the output part 9 is in the form of a rectilinear asymmetric diffuser with an angle corresponding to the input angle of the blades 5. Nozzles 10 for supplying a fresh working fluid in one half of the circumference these crowns of the working blades 5 are located on top of the working blades 5, and the outlet pipes 11 are located below, and in the second half of the circumference of the crowns of the working blades 5, nozzles 10 for supplying a fresh working fluid are located below the working blades 5, and the output pipes 11 are on top. Shaft 3 with a disc 4 fixed thereon with rotor blades 5 is mounted in bearing housings 12.

Паровая турбина работает следующим образом. Подвод свежего рабочего тела (вход пара) к обоим венцам лопаток 5 диска 4 осуществляется сверху для одной половины окружности венцов лопаток 5 и снизу - для второй половины окружности венцов лопаток 5 через сопла 10 под углом, равным входному углу активных рабочих лопаток 5. Рабочее тело, проходя целую группу (сектор) активных рабочих лопаток 5, отдает часть кинетической энергии, которая преобразуется в механическую энергию вращения диска 4. На выходе из рабочих лопаток 5 рабочее тело поступает во внутренние 7 поворотно-сопловые диафрагмы, в поворотной части 8 которых происходят поворот и разгон, а в выходной части 9 - небольшое снижение скорости пара до расчетной величины. Затем рабочее тело вновь поступает на рабочие лопатки 5 диска 4, где оно снова отдает часть энергии группе рабочих лопаток 5 и поступает в наружные 6 поворотно-сопловые диафрагмы, где происходят также его поворот, разгон и затем небольшое снижение скорости до расчетной. После этого рабочее тело повторно подается на рабочие лопатки 5 диска 4, отдает им часть энергии и поступает на следующую пару внутренних 7 поворотно-сопловых диафрагм. Такой повторный подвод пара к рабочим лопаткам 5 диска 4 в пределах паровой турбины выполняется несколько раз. Количество повторных подводов (ступеней) рабочего тела определяется конструктивными и технологическими параметрами турбины. Отработанное рабочее тело (пар) выходит через выходные патрубки 11, расположенные напротив каждой половины венцов лопаток 5 в направлении, противоположном входящим соплам 10. Точно так же происходит работа и во втором контуре венцов лопаток 5 диска 4. Рабочее тело, многократно проходя через лопатки 5 обоих венцов диска 4, вращает диск 4 с валом 12 и через муфту 13 вращает соединенный с ней агрегат (генератор, сетевой насос, вентилятор и т.п.).Steam turbine operates as follows. The supply of fresh working fluid (steam input) to both crowns of the blades 5 of the disk 4 is carried out from above for one half of the circumference of the crowns of the blades 5 and from the bottom for the second half of the circumference of the crowns of the blades 5 through nozzles 10 at an angle equal to the input angle of the active blades 5. The working fluid passing a whole group (sector) of active working blades 5, gives away part of the kinetic energy, which is converted into mechanical energy of rotation of the disk 4. At the exit from the working blades 5, the working fluid enters the internal 7 rotary-nozzle diaphragms, in otnoy portion 8 which is rotated and acceleration, and the output portion 9 - slight decrease in vapor velocity to the calculated value. Then the working fluid again enters the working blades 5 of the disk 4, where it again gives part of the energy to the group of working blades 5 and enters the outer 6 rotary-nozzle diaphragms, where it also rotates, accelerates and then slightly decreases to the calculated speed. After that, the working fluid is re-fed to the working blades 5 of the disk 4, gives them part of the energy and enters the next pair of internal 7 rotary nozzle diaphragms. This repeated supply of steam to the working blades 5 of the disk 4 within the steam turbine is performed several times. The number of repeated supplies (steps) of the working fluid is determined by the design and technological parameters of the turbine. The spent working fluid (steam) exits through the outlet pipes 11, located opposite each half of the crowns of the blades 5 in the direction opposite to the incoming nozzles 10. In the same way, work also takes place in the second circuit of the crowns of the blades 5 of the disk 4. The working fluid, repeatedly passing through the blades 5 both crowns of the disk 4, rotates the disk 4 with the shaft 12 and through the clutch 13 rotates the unit connected to it (generator, mains pump, fan, etc.).

В результате многократного прохождения рабочего тела через рабочие лопатки 5 венцов диска 4 обеспечивается срабатывание большого теплоперепада рабочего тела (например, 13 бар на входе и до 1.2 бар на выходе). Это значительно повышает коэффициент полезного действия паровой турбины.As a result of the multiple passage of the working fluid through the working blades 5 of the crowns of the disk 4, a large heat transfer of the working fluid is triggered (for example, 13 bar at the inlet and up to 1.2 bar at the outlet). This significantly increases the efficiency of the steam turbine.

Кроме того, расположив активные рабочие лопатки 5 перпендикулярно диску 4, стало возможным увеличить их длину, повысив тем самым мощность паровой турбины.In addition, by arranging the active working blades 5 perpendicular to the disk 4, it became possible to increase their length, thereby increasing the power of the steam turbine.

Паровая турбина работает на любом (в том числе и низкопотенциальном) паре (от 40 до 1,2 атм), позволяет использовать энергию дросселируемого пара при его расширении («бросовой» энергии) для получения механической энергии, которая используется для прямого привода (т.е. без редуктора) технологического оборудования (вместо электрических двигателей). Таким образом, турбина может быть использована в качестве малогабаритного привода насосов, вентиляторов, дымососов и т.д., непосредственно в паровых котельных или в качестве привода электрических генераторов мощностью до 10 Мвт для получения дешевой электрической энергии посредством паровой турбины, которая устанавливается вместо редукционно-охладительного устройства (или параллельно ему) в котельных.A steam turbine works on any (including low-potential) steam (from 40 to 1.2 atm), allows you to use the energy of the throttled steam when it expands ("waste" energy) to produce mechanical energy, which is used for direct drive (i.e. e. without gear) of technological equipment (instead of electric motors). Thus, the turbine can be used as a small-sized drive of pumps, fans, smoke exhausters, etc. directly in steam boiler rooms or as a drive of electric generators with a capacity of up to 10 MW to produce cheap electric energy through a steam turbine, which is installed instead of reduction cooling device (or parallel to it) in boiler rooms.

Claims

A steam turbine comprising a housing, a disk fixed to the shaft with rotor blades forming crowns and mounted perpendicular to the plane of the disk on both sides of the disk, apparatus for changing the direction of movement of the working fluid, nozzles for supplying a working fluid and output nozzles, characterized in that the housing is made with two covers, the working blades are made active, while the apparatus for changing the direction of movement of the working fluid is installed on both sides of the disk above the active working blades of the disk and below them and made in the form of rotary nozzle diaphragms with the profile of the rotary part in the form of a curved asymmetric confuser and the output part in the form of a rectilinear asymmetric diffuser with an angle corresponding to the input angle of the working blades, and in one half of the circumference of the crowns of the working blades of the nozzle for supplying the working fluid the blades, and the outlet pipes from the bottom, and in the second half of the circumference of the crowns of the working blades of the nozzle for supplying the working fluid are located below the working blades, and the output pat ubki top.