Реактивная турбина для влажного пара

Реактивная турбина для влажного пара

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области турбостроения, преимущественно к турбинам, работающим на влажном паре и "сыром" природном газе, и может применяться в паровых и газовых турбомашинах для привода электрогенераторов, компрессоров, насосов.

Известны двухпоточные радиально-осевые турбины, содержащие радиальный сопловой аппарат с разделителем потоков и осевые лопаточные венцы, между которыми расположена камера с разделительным гребнем на роторе, при этом полость разделителя потоков сообщается с полостью камеры посредством кольцевой щели, снабженной боковыми козырьками, отогнутыми внутрь полости разделителя (Авторское свидетельство СССР №901584, кл. F01D 25/32, 1982). Указанное устройство обеспечивает удаление конденсата перед рабочими венцами за счет наличия полого разделителя потоков, сообщающегося с полостью камеры.

Недостатками известного устройства является сложность его конструкции и недостаточно высокая сепарационная эффективность. Кроме того, данное устройство обеспечивает эффективную работу лишь при использовании в качестве рабочего тела влажного пара. При работе на влажном паре или "сыром" газе устройство не обеспечит эффективного отделения конденсата и твердых частиц, поскольку не созданы условия для их направленной сепарации.

Также известны реактивные турбины, содержащие корпус, в котором размещен рабочий орган типа Сегнерова колеса с тангенциально установленными соплами (Патент США №3032988, кл. 60-39.35, 1962). Рабочее колесо устройства выполнено в виде полого барабана, закрытого с торцов двумя дисками.

Указанная конструкция турбины при работе на двухфазном потоке обеспечивает эффективную сепарацию конденсата благодаря оригинальной конструкции рабочего колеса. Однако в ней не предусмотрено удаление конденсата из зоны сепарации, в результате чего отсепарированный конденсат в виде капель многократно отражается от одних лопаток турбины к другим, вызывая их эрозию. В процессе рециркуляции капель происходит их укрупнение и накопление конденсата в полости рабочего колеса.

Известна также реактивная турбина для двухфазного потока, содержащая корпус и ротор, на полом валу которого установлено рабочее колесо в виде системы криволинейных радиальных каналов, сообщающихся с полостью вала, в выходных участках которых, отогнутых в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса, установлены сопла Лаваля (Экономический патент ГДР №213973, кл. F01D 1/32, 1984).

Однако в указанном устройстве на конструктивном уровне не организован отвод отсепарированного конденсата, вследствие чего происходит эрозионное разрушение сопел и стенок участков каналов, примыкающих к соплам.

Из известных турбин наиболее близкой к предлагаемой является реактивная турбина для многофазного рабочего тела (Патент РФ №2086774, кл. F01D 1/32, F01D 25/32, 1997), в которой на полом валу установлено рабочее колесо в виде диска с системой криволинейных каналов, сообщающихся с полостью вала. Выходные участки каналов отогнуты в тангенциальном направлении относительно окружности рабочего колеса и соединены с соплами Лаваля. Выходные участки каналов имеют дополнительные отводные сепарационные каналы со сливными отверстиями, перекрытыми обратными клапанами. Отсепарированный конденсат собирается в отводных сепарационных каналах и затем сбрасывается из рабочего колеса через клапаны и сливные отверстия.

Недостатки приведенного устройства: фактически не используется в целях сепарации действие Кориолисова ускорения, возникающего при движении жидких частиц в радиальном направлении; на клапаны в работе действуют значительные по величине центробежные силы, направленные нормально к поверхностям их подвижного контакта, что вызывает несимметрично направленные силы трения и повышает необходимые перестанавлиающие усилия, снижая степень чувствительности клапанов в функции столба отсепарированного конденсата; степень повышения уровня конденсата над различными клапанами не одинакова, что вызывает дебаланс масс рабочего колеса и, как следствие, дополнительную причину вибрации турбины.

Цель настоящего изобретения: создание конструкции реактивной турбины, обеспечивающей при работе на влажном паре или "сыром" газе ликвидацию эрозии стенок сопел и, таким образом, повышение надежности работы и ресурса турбины.

Поставленная цель достигается тем, что в реактивной турбине для влажного пара (газа), содержащей корпус, вал и полый ротор в виде, по крайней мере, одного диска, ротор имеет систему раздающих каналов, соединяющих полость ротора с соплами Лаваля, которые размещены тангенциально на периферии ротора. Задние по отношению к направлению вращения стенки раздающих каналов выполнены в виде проницаемых перегородок, отделяющих раздающие каналы от камер сбора конденсата. Зоны камер, наиболее удаленные в направлении радиусов, сообщаются с кольцевой камерой диска с установленными в ней трубками отвода конденсата, входные отверстия которых расположены нормально к направлению вращения диска. Трубки соединены с линией отвода конденсата из турбины.

Сепарация конденсата из влажного пара происходит в раздающих каналах под действием Кориолисова ускорения, возникающего при движении жидких частиц в радиальном направлении. Отсепарированный конденсат собирается камерах сбора конденсата и отводится в кольцевую камеру диска, из которой по трубкам отвода конденсата отводится из турбины в линию отвода конденсата.

В предпочтительном варианте: раздающие каналы расположены под острым углом относительно осей сопел; поперечное сечение раздающих каналов имеет прямоугольную форму и расположено так, что большая сторона прямоугольника параллельна оси ротора; поперечное сечение сопел имеет прямоугольную форму; проницаемые перегородки выполнены в виде жалюзи, пластины которых установлены в раздающих каналах под острым углом навстречу потоку пара.

На фиг.1 устройство изображено в виде осевого разреза А-А на фиг.2; на фиг.2 представлены поперечные разрезы Б-Б и В-В на фиг.1.

Турбина содержит корпус 1 с патрубком 2 отвода отработавшего пара. В корпусе 1 на валу 3 установлен ротор, состоящий из одного или нескольких дисков 4, имеющих центральный канал 5, соединенный раздающими каналами 6 с тангенциально расположенными соплами Лаваля 7. Задняя стенка (с учетом направления вращения ротора 4) канала 6 выполнена в виде проницаемой перегородки 8, отделяющей канал 6 от камеры сбора конденсата 9. Наиболее удаленная вдоль радиуса (периферийная) часть камеры 9 посредством отверстия 10 сообщается с полостью кольцевой камеры 11 диска 4. Внутри камеры 11 неподвижно относительно корпуса 1 установлены трубки отвода конденсата 12, концы которых отогнуты так, что их входные отверстия расположены нормально к направлению вращения диска. Трубки 12 соединены с линией 13 отвода конденсата из турбины.

Ротор установлен в корпусе 1 посредством подшипников 14 и снабжен уплотнениями 15.

Корпус 1 снабжен паровым патрубком 16, постоянно сообщающимся с центральным каналом 5 ротора 4.

Работа турбины основана на реактивном действии истекающих из сопел 7 струй парового (газового) потока.

Рабочее тело в виде влажного пара или "сырого" природного газа подводится под давлением через патрубок 16, центральный канал 5 и раздающие каналы 6 к соплам 7 и истекает их них. Создаваемый при этом на роторе и валу 3 крутящий момент приводит во вращение потребитель механической работы: электрогенератор, компрессор, насос или иной агрегат.

В раздающих каналах 6 содержащийся во влажном паре или природном газе конденсат под действием сил, обусловленных Кориолисовым ускорением, отбрасывается на проницаемые перегородки 8 и проходит из каналов 6 в камеры сбора конденсата 9 и скапливается в периферийной его части. По мере накопления конденсата в камерах 9 он отводится в полость кольцевой камеры 11, далее через трубки отвода конденсата 12 - в линию 13 отвода конденсата. При этом движение конденсата обусловлено, во-первых, действием перепада давлений между камерами 9 и выпуском из линии 13, во-вторых, под действием скоростного напора конденсата, имеющего угловую скорость ротора относительно неподвижных трубок 12.

Расположение раздающих каналов 6 под острым углом относительно осей сопел 7 приводит к тому, что вектор Кориолисова ускорения направлен нормально (с небольшими отклонениями от нормали) в сторону проницаемых перегородок 8. Кроме того, в случае выбора формы поперечного сечения каналов 6 в виде прямоугольника с расположением его так, что большая сторона прямоугольника параллельна оси ротора, достигается минимизация длины траектории движения жидких частиц до проницаемой перегородки 8. Эти два фактора способствуют эффективной и практически полной сепарации всех жидкостных частиц и переходу их в камеры сбора конденсата 9.

Конденсат под действием центробежных сил располагается внутри кольцевой камеры 11 в виде жидкостного кольца, толщина которого во всех точках по окружности одинакова. Это приводит к отсутствию дебаланса ротора и причин вибрации турбины.

Сопла Лаваля 7 могут быть выполнены с классическим круглым поперечным сечением, обеспечивающим их максимальное собственное КПД. Однако вариант, при котором сопла 7 выполняют с прямоугольной формой поперечного сечения, позволяет уменьшить длину переходной части канала 6 с одновременным снижением аэродинамических потерь в нем, оптимизируя КПД системы "канал 6 - сопло 7", а также упростить технологию изготовления диска 4 в целом.

Проницаемые перегородки 8 выполнены в виде сеток.

При варианте выполнения проницаемых перегородок 8 в виде жалюзи, пластины которых установлены под острым углом навстречу потоку пара, достигается захват жидких частиц пластинами жалюзи и дополнительное воздействие скоростного напора потока пара в канале 6 на перетекание капель из каналов 6 в камеры 9.

Корпус и диски турбины могут быть выполнены по известным технологиям с применением в качестве основных процессов как литейных, так и путем соединений на сварке штампованных форм из листового сортопроката, что более предпочтительно и экономично для принятых конфигураций.

Предлагаемая конструкция турбины за счет повышенного ресурса и сравнительно низкой стоимости изготовления может найти применение в теплоэнергетике и на промыслах газоконденсатных месторождений в качестве турбодросселя для снижения давления с одновременным получением за счет используемого перепада давлений электроэнергии с последующим ее использованием.

1. Реактивная турбина для влажного пара, содержащая корпус, в котором на валу установлен полый ротор в виде, по крайней мере, одного диска с системой раздающих каналов, сообщающихся с полостью ротора и соединенных на периферии с соплами Лаваля, оси которых расположены тангенциально, отличающаяся тем, что задние стенки раздающих каналов выполнены в виде проницаемых перегородок, отделяющих раздающие каналы от камер сбора конденсата, которые сообщаются с кольцевой камерой диска с установленными в ней трубками отвода конденсата, входные отверстия которых расположены нормально к направлению вращения диска, а трубки соединены с линией отвода конденсата.

2. Реактивная турбина по п.1, отличающаяся тем, что раздающие каналы расположены под острым углом относительно осей сопел.

3. Реактивная турбина по п.1, отличающаяся тем, что проницаемые перегородки выполнены в виде жалюзи, пластины которых установлены под острым углом навстречу потоку пара.

4. Реактивная турбина по п.1, отличающаяся тем, что поперечное сечение раздающих каналов имеет прямоугольную форму и расположено так, что большая сторона канала параллельна оси ротора.