Реактивная турбина
Иллюстрации
Показать всеРеактивная турбина содержит вал турбины и сборочные узлы сопел. Сборочные узлы сопел установлены друг за другом в осевом направлении и имеют отверстие для впрыска. Каждый узел сопел включает соединенные друг с другом пластины, причем отверстие для впрыска сформировано на наложенной поверхности пластин. Сборочный узел сопел размещен в кожухе, включающем впускное и выпускное отверстия и соединяющий их пропускной канал. В пропускном канале кожуха расположен сборочный узел сопел с возможностью вращения, причем пропускной канал в кожухе и отверстие для впрыска сборочных узлов сопел расположены поочередно. Кожух включает первый кожух с впускным отверстием, второй кожух с выпускным отверстием и множество третьих кожухов, установленных вдоль осевого направления между первым и вторым кожухами. Между соседними кожухами расположены разделительные пластины, отделяющие сборочные узлы сопел друг от друга. В одном варианте выполнения турбины на внутренней окружности третьего кожуха сформировано множество ударных стенок. В другом варианте сборочный узел сопел включает кольцевой элемент, расположенный между пластинами и образующий камеру впрыска, имеющую отверстие для впрыска, проходящее через внешнюю окружность камеры впрыска. В еще одном варианте выполнения площадь поперечного сечения отверстия для впрыска в сборочном узле сопел, расположенном на стороне выпускного отверстия в кожухе, является большей, чем у сборочного узла сопел на стороне впускного отверстия в кожухе. В следующем варианте выполнения количество отверстий для впрыска в сборочном узле сопел, расположенном на стороне выпускного отверстия в кожухе, является большим, чем в сборочном узле сопел на стороне впускного отверстия в кожухе. В другом варианте впускное отверстие в кожухе сформировано в центре вращения сборочного узла сопел, а выпускное отверстие в кожухе расположено в месте расположения внешней окружности сборочного узла сопел. Каждый сборочный узел сопел включает упомянутый выше кольцевой элемент, образующий камеру впрыска и содержащий стенки впрыска, каждая из которых имеет сформированное в ней отверстие для впрыска, и опорную стенку, соединяющую стенки впрыска. Группа изобретений позволяет упростить сборку реактивной турбины и уменьшить ее габариты. 6 н. и 25 з.п. ф-лы, 21 ил.
Реферат
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к реактивной турбине, в которой используют реактивное действие, вызванное нагнетанием пара, газа или сжатого воздуха.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Паровая турбина представляет собой механизированное устройство, используемое для преобразования тепловой энергии пара под давлением в механическое движение. Вследствие низких вибраций, высокого коэффициента полезного действия и высокой мощности паровая турбина нашла широкое применение в качестве основного механизма для тепловых электростанций и судов.
В паровую турбину подают пар с высокой температурой и под высоким давлением, созданный котлом, из сопел или неподвижных лопаток, и этот пар расширяется, генерируя высокоскоростной поток пара. Затем высокоскоростной поток пара направляют так, что он падает на лопатки турбины, результатом чего является воздействие или реакция, приводящие вал во вращение. Таким образом, паровая турбина может включать в себя множество сопел для преобразования тепловой энергии пара в кинетическую энергию и множество лопаток турбины, расположенных параллельно соплам для преобразования кинетической энергии в механическое движение.
В обычной паровой турбине пар высокого давления, втекающий в парораспределительную коробку из котла, расширяется, и расширяющийся пар вращает вал турбины, соединенный с лопатками турбины, проходя через сопла и лопатки турбины, а затем перемещается в паровыпускную коробку. В процессе прохождения через сопла и лопатки турбины пар высокого давления расширяется, вследствие чего его давление уменьшается, и пар более низкого давления подают из паровыпускной коробки в конденсатор для охлаждения, а затем пар может быть возвращен в котел насосом подачи воды или может быть выпущен в атмосферу.
Однако описанная выше обычная паровая турбина характеризуется тем, что генерацию крутящего момента осуществляют за счет высокоскоростного потока пара, падающего на лопатки турбины, которые вращаются с высокой скоростью, и, следовательно, когда водяной конденсат смешивается с паром, то лопатки турбины могут повреждаться. Следовательно, необходимо регулировать подачу пара, падающего на лопатки турбины, во избежание образования водяного конденсата. Кроме того, лопатки турбины должны быть изготовлены из дорогостоящих материалов с высокой прочностью, вследствие чего увеличивается себестоимость.
Сила, приводящая ось турбины во вращение, является прямо пропорциональной кинетической энергии пара, поступающего на лопатки турбины, и кинетическая энергия пара определяется различными факторами, например количеством лопаток турбины и площадью их поверхности, и углом входа пара. Однако, поскольку скорость и направление пара, падающего на лопатки турбины, изменяются, то проектирование форм и углов лопаток с учетом этих изменений повышает сложность конструкции, и, следовательно, существует ограничение при изготовлении турбины с высоким коэффициентом полезного действия.
Кроме того, поскольку множество лопаток турбины вращаются будучи огражденными кожухом, то необходимо предусмотреть наличие пространства между концом каждой лопатки турбины и внутренней окружностью кожуха с учетом теплового расширения лопаток турбины. Однако через это пространство просачивается пар, и, следовательно, имеют место потери давления, ухудшая, тем самым, тепловой коэффициент полезного действия турбины.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЗАДАЧА
Задачей настоящего изобретения является создание реактивной турбины, пригодной для изготовления турбин различной мощности, поскольку общие детали турбины могут использоваться как совместимые при изготовлении турбин различной мощности.
Задачей настоящего изобретения также является создание реактивной турбины для полупостоянной работы, детали которой являются простыми в сборке и в которой предотвращено вращение вала турбины с эксцентриситетом.
Задачей настоящего изобретения также является создание реактивной турбины с уменьшенным габаритным размером, детали которой являются простыми в сборке и коэффициент полезного действия которой увеличен.
Задачей настоящего изобретения также является создание реактивной турбины, способной обеспечивать уменьшение в ней трения из-за осевой нагрузки за счет устранения осевой нагрузки из-за осевого давления пара.
Задачей настоящего изобретения также является создание реактивной турбины, способной переключать направление подачи пара, обеспечивая, тем самым, возможность вращения вала турбины вперед или назад.
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ
В настоящем изобретении предложена реактивная турбина, содержащая вал турбины и множество сборочных узлов сопел, установленных друг за другом в осевом направлении вала турбины и соединенных с валом турбины и образующих с ним единое целое, причем каждый сборочный узел сопел имеет выполненное в нем, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска, предназначенное для впрыска рабочей текучей среды и вращающееся при впрыске рабочей текучей среды.
В настоящем изобретении также предложена реактивная турбина, содержащая кожух, включающий в себя впускное отверстие в кожухе, выпускное отверстие в кожухе и пропускной канал в кожухе, соединяющий впускное отверстие в кожухе с выпускным отверстием в кожухе, обеспечивая возможность протекания рабочей текучей среды высокого давления, введенной через впускное отверстие в кожухе, в выпускное отверстие в кожухе; вал турбины, соединенный с кожухом с возможностью его вращения; и, по меньшей мере, один сборочный узел сопел, установленный с возможностью его вращения в пропускном канале в кожухе, в силу чего он является целиком соединенным с валом турбины, при этом он имеет, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска, предназначенное для впрыска рабочей текучей среды, и в силу чего он способен вращаться, причем каждый из, по меньшей мере, одного сборочного узла сопел включает в себя множество пластин, наложенных внахлест друг на друга и соединенных друг с другом, а на наложенной внахлест поверхности пластин сформировано отверстие для впрыска.
В настоящем изобретении также предложена реактивная турбина, содержащая кожух, включающий в себя впускное отверстие в кожухе, выпускное отверстие в кожухе и пропускной канал в кожухе, соединяющий впускное отверстие в кожухе и выпускное отверстие в кожухе, обеспечивая возможность протекания рабочей текучей среды высокого давления, подаваемой через впускное отверстие в кожухе, в выпускное отверстие в кожухе; вал турбины, соединенный с кожухом с возможностью его вращения; и, по меньшей мере, один сборочный узел сопел, установленный с возможностью его вращения в пропускном канале в кожухе, в силу чего он является целиком соединенным с валом турбины, при этом он имеет, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска, предназначенное для впрыска рабочей текучей среды, и, таким образом, способен вращаться, причем этот кожух включает в себя множество отверстий, состоящее из любого из следующих отверстий: впускного отверстия в кожухе и выпускного отверстия в кожухе или из обоих этих отверстий, и это множество отверстий, состоящее из любого из следующих отверстий: впускного отверстия в кожухе и выпускного отверстия в кожухе или из обоих этих отверстий, расположены симметрично вокруг осевого направления вала турбины.
В настоящем изобретении также предложена реактивная турбина, содержащая кожух, включающий в себя впускное отверстие в кожухе, выпускное отверстие в кожухе и пропускной канал в кожухе, соединяющий впускное отверстие в кожухе с выпускным отверстием в кожухе, обеспечивая возможность протекания рабочей текучей среды высокого давления, подаваемой через впускное отверстие в кожухе, в выпускное отверстие в кожухе; вал турбины, соединенный с кожухом с возможностью его вращения; и, по меньшей мере, один сборочный узел сопел, установленный с возможностью его вращения в пропускном канале в кожухе, в силу чего он является целиком соединенным с валом турбины, при этом он имеет, по меньшей мере, одно отверстие для впрыска, предназначенное для впрыска рабочей текучей среды, и в силу чего он способен вращаться, причем впускное отверстие в кожухе сформировано в центре вращения сборочного узла сопел в осевом направлении, а выпускное отверстие в кожухе расположено в месте расположения внешней окружности сборочного узла сопел, вращающегося в направлении вдоль окружности.
Дополнительные отличительные признаки настоящего изобретения будут изложены в приведенном ниже описании и частично станут очевидными из этого описания или могут быть усвоены из практической реализации настоящего изобретения.
ПОЛЕЗНЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению, реактивная турбина имеет детали, которые могут легко использоваться в качестве совместимых при изготовлении турбин различной мощности, и повышена производительность сборки. Кроме того, предотвращено вращение вала турбины с эксцентриситетом для значительного увеличения срока службы реактивной турбины. К тому же, поскольку может быть обеспечена простота сборки деталей, и отверстия для впрыска сконструированы длинными, то эффективность инжекции увеличена, и за счет этого практически возможно изготовить турбину меньшего размера с высоким коэффициентом полезного действия. Кроме того, поскольку на концах отверстий для впрыска могут быть установлены легкосъемные сопла разного размера, то мощность турбины может быть легко изменена.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На сопроводительных чертежах, которые приведены для обеспечения более глубокого понимания настоящего изобретения, включены в состав описания и составляют его неотъемлемую часть, проиллюстрированы варианты осуществления настоящего изобретения, и вместе с описанием они служат для объяснения принципов настоящего изобретения.
На Фиг. 1 на виде в перспективе изображен внешний вид реактивной турбины согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 2 на виде в перспективе изображена средняя часть реактивной турбины с Фиг. 1.
На Фиг. 3 на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей показана реактивная турбина с Фиг. 1.
На Фиг. 4 на виде в поперечном разрезе изображена реактивная турбина с Фиг. 1.
На Фиг. 5 на виде в перспективе показан пример внутренней окружности третьего кожуха реактивной турбины с Фиг. 1.
На Фиг. 6 на виде в перспективе показан другой пример внутренней окружности третьего кожуха реактивной турбины с Фиг. 1.
На Фиг. 7 на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей изображен унифицированный сборочный узел сопел реактивной турбины, показанной на Фиг. 1.
На Фиг. 8 на виде в поперечном разрезе изображены унифицированные сборочные узлы сопел с Фиг. 7 в сборе.
На Фиг. 9 на виде сверху изображена сопловая крышка унифицированного сборочного узла с Фиг. 7.
На Фиг. 10 изображен вид в поперечном разрезе вдоль линии I-I с Фиг. 8.
На Фиг. 11 на виде сверху изображена сопловая пластина унифицированного сборочного узла сопел с Фиг. 7.
На Фиг. 12-15 на видах сверху изображен сборочный узел сопел с Фиг. 1, в котором количество (площадь поперечного сечения) отверстий для впрыска/всасывания на сопловой пластине увеличивается в соответствии с направлением потока пара.
На Фиг. 16 на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей показан другой пример сборочного узла сопел реактивной турбины с Фиг. 1.
На Фиг. 17 на виде сверху изображен сборочный узел сопел с Фиг. 16 в сборе.
На Фиг. 18 на виде в поперечном разрезе изображена реактивная турбина согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, который приведен в качестве примера.
На Фиг. 19 на виде в поперечном разрезе изображена реактивная турбина согласно настоящему изобретению, способная вращаться в двух направлениях.
На Фиг. 20 на виде в перспективе изображена одноступенчатая реактивная турбина согласно варианту осуществления настоящего изобретения, который приведен в качестве примера.
На Фиг. 21 изображен вид в поперечном разрезе вдоль линии II-II с Фиг. 20.
ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже приведено более полное описание изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых показаны варианты осуществления настоящего изобретения, приведенные в качестве примеров. Однако это изобретение может быть осуществлено во многих различных вариантах, и его не следует истолковывать как ограниченное изложенными здесь вариантами его осуществления. Наоборот, эти варианты осуществления изобретения приведены здесь для того, чтобы раскрытие сущности этого изобретения было исчерпывающим и полностью отображало объем настоящего изобретения для специалистов в данной области техники. На чертежах размер и относительные размеры слоев и областей могут быть преувеличены для доходчивости. Аналогичные элементы обозначены на чертежах одинаковыми номерами позиций.
Понятно, что когда элемент или слой именуют как "расположенный на" другом элементе или слое или "соединенный с" другим элементом или слоем, то он может быть непосредственно расположен на другом элементе или слое или непосредственно соединен с другим элементом или слоем или могут присутствовать промежуточные элементы или слои. В отличие от этого, когда элемент назван "непосредственно расположенным на" другом элементе или слое или "непосредственно соединенным с" другим элементом или слоем, то какие-либо промежуточные элементы или слои отсутствуют.
На Фиг. 1 на виде в перспективе изображен внешний вид реактивной турбины согласно настоящему изобретению, на Фиг. 2 на виде в перспективе изображена средняя часть реактивной турбины с Фиг. 1, на Фиг. 3 реактивная турбина с Фиг. 1 показана на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей, а на Фиг. 4 реактивная турбина с Фиг. 1 изображена на виде в поперечном разрезе.
Как показано на чертежах, реактивная турбина включает в себя кожух 10 с валом 20 турбины, соединенным с ним с возможностью его вращения, и, по меньшей мере, один сборочный узел 30 сопел с отверстиями 301 для впрыска, обеспечивающий возможность расширения пара высокого давления в качестве рабочей текучей среды и, тем самым, генерации крутящего момента, и, по меньшей мере, один сборочный узел сопел, установлены друг за другом вдоль вала в кожухе.
Кожух 10 включает в себя впускной кожух (ниже именуемый первым кожухом) 110 с, по меньшей мере, одним впускным отверстием 101 в кожухе для обеспечения возможности прохождения пара в кожух 10, выпускной кожух (ниже именуемый вторым кожухом) 120, который расположен на заданном расстоянии от одной стороны первого кожуха 110 и имеет, по меньшей мере, одно выпускное отверстие 102 в кожухе для обеспечения возможности выпуска расширяющегося пара низкого давления в воздух или для его выпуска для рециркуляции, и, по меньшей мере, один средний кожух (ниже именуемый третьим кожухом) 130, расположенный между первым кожухом 110 и вторым кожухом 120, образуя пропускной канал 103 в кожухе (или камеру расширения) для обеспечения возможности вращения сборочного узла 30 сопел.
Первый кожух 110 может быть изготовлен в виде единого тела, на одной стороне которого имеется паз для впускного канала и отверстие для вала, служащее в качестве опоры для вала турбины, расположенное в центре паза для всасывающего канала, или, как показано на Фиг. 1-4, первый кожух 110 может быть круглым с наличием камеры 1111 всасывания и может включать в себя кожух 111 камеры всасывания, на одной стороне которого имеется проходящее через него впускное отверстие 101 в кожухе, переднюю крышку 112, имеющую отверстие для вала, сформированное в ее центре, и закрывающую одну сторону кожуха 111 камеры всасывания, образуя камеру 1111 всасывания, и крышку 113 подшипника, присоединенную к одной поверхности передней крышки 112 и имеющую соединенный с ней первый подшипник 51, за счет чего она прикреплена к передней крышке 112.
Кожух 111 камеры всасывания может быть круглым, образуя круглую камеру 1111 всасывания, и может быть сформировано впускное отверстие 101 в кожухе, имеющее меньшее поперечное сечение, чем поперечное сечение выпускного отверстия 102 в кожухе.
Передняя крышка 112 выполнена в форме диска достаточной площади для того, чтобы закрывать камеру 1111 всасывания в кожухе 111 камеры всасывания, и имеет отверстие 1121 для вала, проходящее через ее центр. С внутренней окружностью отверстия 1121 для вала соединен первый уплотняющий элемент 41 для уплотнения пространства между камерой всасывания и внешней окружностью вала 20 турбины. Первый уплотняющий элемент 41 может быть выполнен из самосмазывающегося материала и включать в себя лабиринтное уплотнение 411 на его внутренней окружности для предотвращения просачивания пара высокого давления в процессе его протекания в камеру 1111 всасывания.
Крышка 113 подшипника имеет больший размер, чем отверстие 1121 для вала в передней крышке 112, для ее присоединения к одной стороне передней крышки 112 и имеет первый подшипник 51, прочно установленный на ее внутренней окружности для обеспечения опоры для одного конца вала 20 турбины в радиальном направлении.
Второй кожух 120 включает в себя крышку 121 выпускной камеры, имеющую, по меньшей мере, одно выпускное отверстие 102 в кожухе и отверстие для вала 1211, сформированное в его центре, и заднюю крышку 122, присоединенную к одной стороне крышки 121 выпускной камеры, для обеспечения опоры для вала 20 турбины в осевом направлении.
Крышка 121 выпускной камеры выполнена в форме диска, имеющего отверстие 121 для вала, сформированное в ее центре, и рядом с отверстием 121 для вала сформировано, по меньшей мере, одно выпускное отверстие 102 в кожухе.
Второй уплотняющий элемент 42 соединен с внутренней окружностью отверстия 121 для вала для уплотнения пространства между пропускным каналом 103 в кожухе (камерой расширения) и внешней окружностью вала 20 турбины. Второй уплотняющий элемент 42 может быть выполнен из самосмазывающегося материала и может включать в себя лабиринтное уплотнение 421 для предотвращения просачивания пара высокого давления, протекающего в камере 103 расширения, наружу кожуха 10. Второй подшипник 52 прочно присоединен к одной стороне крышки 121 выпускной камеры, то есть к внешней стороне уплотняющего элемента 42, для обеспечения опоры для другого конца вала 20 турбины в радиальном направлении.
Задняя крышка 122 имеет больший размер, чем отверстие 1211 для вала в крышке 121 выпускной камеры, для ее присоединения к одной поверхности крышки 121 выпускной камеры и имеет третий подшипник, прочно установленный на ее внутренней поверхности для обеспечения опоры для вала 20 турбины в осевом направлении.
Каждый третий кожух 130 является круглым, и он соединен с разделительной пластиной 140, описание которой приведено ниже, с передней крышкой 112 и с крышкой 121 выпускной камеры при помощи болтов. В центральной части третьего кожуха 130 пропускной канал 103 в кожухе имеет больший диаметр, чем наружный диаметр сборочного узла 30 сопел, за счет чего обеспечивают кожух для сборочного узла 30 сопел и обеспечивают возможность протекания рабочей текучей среды.
Толщина одного или большего количества третьих кожухов 130 может увеличиваться в направлении от первого кожуха 110 ко второму кожуху 120 так, что объем сборочных узлов сопел может увеличиваться со стороны впуска до стороны выпуска.
Кроме того, может быть последовательно сформировано множество ударных стенок 1311 в направлении вдоль внутренней окружности пропускного канала 103 в кожухе, то есть вдоль внутренней окружности третьего кожуха 130, как показано на чертеже Фиг. 5, вследствие чего текучая среда, впрыснутая через отверстия 301 для впрыска в сборочном узле 30 сопел, соударяется с ударными стенками 1311 и, тем самым, создает силу отталкивания. Ударные стенки 1311 могут быть выполнены имеющими различную форму и, например, могут быть выполнены имеющими только закругленную поверхность с меньшим радиусом кривизны, чем радиус кривизны пропускного канала 103 в кожухе, и могут быть выполнены имеющими ступенчатую форму или имеющими как закругленную поверхность 1312, так и плоскую поверхность 1313, продолжающуюся с одного конца закругленной поверхности 1312, как показано на чертеже Фиг. 6.
В том случае, когда ударная стенка 1311 включает в себя закругленную поверхность 1312 и плоскую поверхность 1313, плоская поверхность 1313 может быть сформирована вдоль направления вращения сборочного узла 30 сопел. Закругленная поверхность 1312 ударной стенки 1311 может быть сформирована так, что она является соосной с третьим кожухом 130, как показано на чертеже Фиг. 5, или может быть сформирована с эксцентриситетом относительно центра третьего кожуха 130 и с эксцентриситетом относительно направления вращения сборочного узла 30 сопел с учетом отверстий 301 для впрыска на сборочном узле 30 сопел.
Если радиус кривизны ударной стенки 1311 слишком мал, то наибольшая часть пара движется к центру сборочного узла 30 сопел, препятствуя вращению сборочного узла 30 сопел. В отличие от этого, если радиус кривизны ударной стенки 1311 является слишком большим, то пар выходит наружу из кожуха 10, почти не способствуя вращению сборочного узла 30 сопел. Таким образом, может оказаться желательным вариант, в котором ударные стенки 1311 сформированы имеющими радиус кривизны в пределах описанного выше интервала.
Кроме того, лопатка 1315 турбины может быть соединена винтом с одним концом ударной стенки 1311, то есть с концом закругленной поверхности 1312, противоположным плоской поверхности 1313, вследствие чего предотвращают просачивание пара между сборочным узлом 30 сопел и третьим кожухом 130 и, следовательно, увеличивают силу воздействия пара на ударную стенку 1311. Толщина лопатки 1315 турбины может возрастать в направлении сборочного узла 30 сопел.
На обеих сторонах третьего кожуха 130 предусмотрены разделительные пластины 140, образующие пропускной канал 103 в кожухе. Разделительные пластины 140 могут быть присоединены к передней крышке 112 и к крышке 121 выпускной камеры вместе с третьим кожухом 130. Каждая из разделительных пластин 140 имеет сквозное отверстие 141 в ее центре, что позволяет вставлять через нее сопловую крышку 130 с возможностью ее вращения.
На внутренней окружности сквозного отверстия 141 прочно установлен третий уплотняющий элемент 43, предотвращающий просачивание пара из камеры 1111 всасывания или из пропускного канала 103 в кожухе на стороне впуска в пропускной канал 103 в кожухе на стороне выпуска. Как описано выше, на внутренней окружности третьего уплотняющего элемента 43 может использоваться лабиринтное уплотнение 431.
Кроме того, каждая разделительная пластина 140 может иметь опорные выступы 1411 на обеих поверхностях для обеспечения опоры для третьего кожуха 130 в радиальном направлении, и на одной стороне разделительной пластины 140 сформирован паз 1412 пропускного канала в направлении к выпускному отверстию в кожухе, образующий пропускной канал 103 в кожухе вместе с третьим кожухом 130 и соединенный с отверстием 313 для впрыска/всасывания в сборочном узле 30 сопел на стороне выпуска.
Вал 20 турбины имеет несколько зацепляющих шпоночных пазов 201, расположенных в его центре и продолжающихся вдоль его осевого направления, и в соответствующие зацепляющие шпоночные пазы 201 вставлены длинные шпонки 210 пластинчатой формы, удлиненные в осевом направлении, и закреплены в этих пазах.
Мощность турбины может изменяться в зависимости от количества сборочных узлов 30 сопел, соединенных с валом 20 турбины. Другими словами, чем меньше мощность турбины, тем меньшее количество сборочных узлов 30 сопел предусмотрено, а чем больше мощность турбины, тем большее количество сборочных узлов 30 сопел размещено.
В том случае, когда предусмотрено наличие множества сборочных узлов 30 сопел, общая площадь или общее количество отверстий 301 для впрыска в каждом сборочном узле 30 сопел может увеличиваться от стороны впуска до стороны выпуска с учетом того факта, что рабочая текучая среда расширяется по мере ее протекания к выпускному отверстию. Например, как показано на Фиг. 11-15, если имеется пять сборочных узлов 30 сопел, то количество отверстий 301 для впрыска в каждом сборочном узле 30 сопел может увеличиваться на одно. В частности, когда на Фиг. 14 проиллюстрирован четвертый сборочный узел сопел, а на Фиг. 15 проиллюстрирован пятый сборочный узел сопел, и, со ссылкой вновь на Фиг. 4, пятый сборочный узел сопел имеет более глубокие отверстия 301 для впрыска, чем соответствующие отверстия в четвертом сборочном узле сопел, и, следовательно, даже если количество отверстий 301 для впрыска в пятом сборочном узле сопел является меньшим на единицу, чем количество отверстий для впрыска в четвертом сборочном узле сопел, фактическая общая площадь поперечного сечения отверстий 301 для впрыска в пятом сборочном узле сопел является большей по сравнению с четвертым сборочным узлом сопел.
Если имеется несколько отверстий 301 для впрыска, то эти отверстия 301 для впрыска являются идентичными по форме и расположенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и вследствие этого может быть уменьшена эксцентрическая нагрузка, что приводит к улучшению рабочих характеристик турбины.
Множество шпоночных канавок 201, имеющих заданную длину, расположено в продольном направлении вала 20 турбины через равные интервалы на внутренней окружности сборочного узла 30 сопел в направлении вдоль окружности, что обеспечивает возможность вставки шпонок на внешней окружности вала 20 турбины и их закрепления там.
На Фиг. 7 на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей изображен унифицированный сборочный узел сопел реактивной турбины, показанной на Фиг. 1, на Фиг. 8 на виде в поперечном разрезе изображены унифицированные сборочные узлы сопел с Фиг. 7 в сборе, на Фиг. 9 на виде сверху изображена сопловая крышка унифицированного сборочного узла с Фиг. 7, на Фиг. 10 изображен вид в поперечном разрезе вдоль линии I-I с Фиг. 8, а на Фиг. 11 на виде сверху изображена сопловая пластина унифицированного сборочного узла сопел с Фиг. 7.
Как показано на чертежах, каждый сборочный узел 30 сопел включает в себя сопловую крышку 310 с выполненными в ней отверстиями 313 для впрыска/всасывания в качестве соответствующих отверстий 301 для впрыска и сопловую пластину 320, соединенную с одной поверхностью сопловой крышки 310 и имеющую соединительное отверстие 323 для впрыска и выпускные отверстия 324 для впрыска, которые последовательно расположены на ней для соединения с отверстиями 313 для впрыска/всасывания.
Сопловая крышка 310 выполнена в форме диска и имеет в ее центре отверстие 311 для вала, обеспечивающее возможность вставки в нее вала 20 турбины и его соединения с ней в этом месте, а внутренняя окружность отверстия 311 для вала включает в себя шпоночные канавки 312, обеспечивающие возможность вставки соответствующих шпонок 210 вала 20 турбины и их присоединения там. Кроме того, вокруг отверстия 311 для вала через равные интервалы расположены, по меньшей мере, одно или большее количество отверстий 313 для впрыска/всасывания и, желательно, в направлении вдоль окружности.
Отверстия 313 для впрыска/всасывания могут быть сформированы вдоль осевого направления, но может оказаться желательным, чтобы, с учетом вращения сборочного узла 30 сопел, отверстия 313 для впрыска/всасывания могли иметь наклонные плоскости 3131, имеющие наклон под заданным углом к направлению вращения сборочного узла 30 сопел, как показано на Фиг. 9 и Фиг. 10, поскольку наклонные плоскости 3131 могут обеспечивать равномерный впрыск рабочей текучей среды. Кроме того, во впускном отверстии или на внутренней окружности каждого отверстия 313 для впрыска/всасывания может быть создан направляющий участок 3132, представляющий собой, например, лопасть или направляющий паз, который обеспечивает возможность равномерного всасывания рабочей текучей среды в сборочный узел 30 сопел.
Сопловая пластина 320 выполнена в форме диска обычно того же самого диаметра, что и сопловая крышка 310, причем она имеет отверстие 321 для вала, расположенное в ее центре, которое обеспечивает возможность вставки в нее вала 20 турбины и его соединения с ней в этом месте, и на внутренней окружности отверстия 321 для вала расположены шпоночные канавки 322 в местах, соответствующих шпоночным канавкам 312 сопловой крышки 310. Кроме того, вокруг отверстия 321 для вала сформировано соединительное отверстие 323 для впрыска, и оно продолжается наружу из него к внешней окружности сопловой пластины 320.
Соединительное отверстие 323 для впрыска включает в себя первое соединительное отверстие 3231 для впрыска в форме кольца и вторые отверстия 3232 для впрыска, продолжающиеся линейно от первого соединительного отверстия 3231 для впрыска до выпускных отверстий 324 для впрыска. Первое соединительное отверстие 3231 для впрыска расположено на заданном расстоянии от центра сопловой пластины 320, будучи расположенным в месте, обычно соответствующем положению отверстия 313 для впрыска/всасывания, вследствие чего оно может быть соединено с отверстием 313 для впрыска/всасывания в осевом направлении вала турбины, а вторые соединительные отверстия 3232 для впрыска соединены в направлении касательной с первым соединительным отверстием 3231 для впрыска и продолжаются наружу из него к внешней окружности сопловой пластины 320, и каждое из них имеет конец, изогнутый в направлении к выпускному отверстию 324 для впрыска.
Поперечное сечение выпускного отверстия 324 для впрыска может быть расположено под углом относительно касательной к сборочному узлу 30 сопел, то есть в направлении, перпендикулярном касательной в точке, соответствующей выпускному отверстию 324 для впрыска, вследствие чего выпускное отверстие 324 для впрыска может впрыскивать пар в направлении касательной.
Кроме того, сопло 330, имеющее отверстие 331 сопла, присоединено посредством болта или заклепки к концу выпускного отверстия 324 для впрыска с возможностью его отсоединения. Отверстие 331 сопла в сопле 330 может включать в себя участок 3311 с уменьшенным диаметром, расположенный между его впускным отверстием и выпускным отверстием, для увеличения скорости впрыска.
Ниже приведено описание функционирования описанной выше реактивной паровой турбины согласно настоящему изобретению.
Пар высокого давления, сгенерированный котлом, подают во впускное отверстие 101 в кожухе, которое имеет кожух 10, по одной или по большему количеству труб, и пар, проходящий через камеру 1111 всасывания, впрыскивают в отверстия 313 для впрыска/всасывания и направляют в первое соединительное отверстие 3231 для впрыска. В этом случае отверстия 313 для впрыска/всасывания расположены под углом относительно направления вращения сборочного узла 30 сопел, вследствие чего пар может быстро втекать в первое соединительное отверстие 3231 для впрыска вдоль наклонных плоскостей 3131 отверстий 313 для впрыска/всасывания.
Пар высокого давления, втекающий в первое соединительное отверстие 3231 для впрыска, распределяется по отдельным вторым соединительным отверстиям 3232 для впрыска, вследствие чего он быстро движется к выпускным отверстиям 324 для впрыска, а затем впрыскивается с высокой скоростью в пропускной канал 103 в кожухе (в камеру расширения), образованный (образованную) третьим кожухом 130 и разделительной пластиной 140, через отверстия 331 сопел, которые имеют сопла 330 соответствующих выпускных отверстий 324 для впрыска. В этом случае ударные стенки 1311 расположены на внутренней окружности третьего кожуха 130 так, что пар высокого давления, выпущенный из сборочного узла 30 сопел, может сталкиваться с ударными стенками 1311, создавая, тем самым, большую силу отталкивания, которая может приводить к увеличению движущей силы, создаваемой сборочным узлом 30 сопел.
Пар, впрыснутый из сборочного узла 30 сопел в пропускной канал 103 в кожухе, проходит по пазу 1412 пропускного канала к центру разделительной пластины 140, предусмотренной на стороне сборочного узла 30 сопел, и направляется в отверстие 313 для впрыска/всасывания в сборочном узле 30 сопел на стороне выпуска. Пар, направленный в отверстие 313 для впрыска/всасывания, может многократно подвергаться одним и тем же процессам, пока он не будет выпущен через выпускное отверстие 324 для впрыска последнего сборочного узла 30 сопел в последний пропускной канал 103 в кожухе, сформированный последним третьим кожухом 130 и разделительной пластиной 140. Кроме того, пар, выпущенный в последний пропускной канал 103 в кожухе, может снова расширяться и подвергаться тем же самым процессам, что и описанные выше, в соответствии с чем он выпускается через выпускное отверстие 102 в кожухе в крышке 121 выпускной камеры за пределы турбины 10.
Крутящий момент, сгенерированный сборочным узлом 30 сопел, который впрыскивает пар высокого давления в направлении вдоль окружности, передается на вал 20 турбины, соединенный со сборочным узлом 30 сопел, и вал 20 турбины передает крутящий момент за пределы турбины 10 при вращении вместе со сборочным узлом 30 сопел.
Здесь опорой для вала 20 турбины на обоих концах в радиальном направлении служат первый подшипник 51 соединенный с крышкой 113 подшипника, и второй подшипник 52, закрепленный на крышке 121 выпускной камеры, а опорой для него в осевом направлении служит третий подшипник 53, закрепленный на задней крышке 122, посредством чего обеспечивают возможность устойчивого вращения на высокой скорости.
Поскольку пар высокого давления, впрыснутый в кожух 10, последовательно проходит через множество сборочных узлов 30 сопел, то между камерами 103 расширения, в каждой из которых размещен сборочный узел 30 сопел, создается перепад давления. Вследствие перепада давления пар может просачиваться из камеры расширения на стороне впуска с более высоким давлением в камеру расширения на стороне выпуска с более низким давлением, но благодаря уплотняющим элементам 41, 42 и 43, установленным, соответственно, на внутренних окружностях передней крышки 112 и крышки 121 выпускной камеры кожуха 10, и разделительным пластинам 140 предотвращено просачивание пара между пропускными каналами в кожухе или наружу, посредством чего улучшен коэффициент полезного действия турбины по энергии.
Кроме того, мощность турбины определяется количеством турбинных блоков, каждый из которых включает в себя сборочный узел сопел, и в силу этого легко изготавливать турбины различной мощности, а также легко реализовать снижение себестоимости, поскольку для изготовления турбин различной мощности могут использоваться общие детали, являющиеся совместимыми.
Кроме того, вследствие того, что отверстия 301 для впрыска в сборочном узле 30 сопел сконструированы длинными и изогнутыми, увеличена скорость впрыскивания пара из отверстий 301 для впрыска, что приводит к значительному увеличению коэффициента полезного действия относительно размера турбины.
Теперь ниже будет приведено описание другого варианта осуществления сборочного узла сопел, содержащегося в реактивной турбине.
В предыдущем варианте осуществления изобретения сборочный узел сопел включает в себя сопловую крышку и сопловую пластину, где отверстия сопел, сформированные в виде пазов, расположены на соприкасающейся поверхности сопловой пластины или на каждой соприкасающейся поверхности сопловой крышки и сопловой пластины, тогда как в данном варианте осуществления изобретения сопла установлены между сопловой крышкой и сопловой пластиной, и каждое из сопел имеет отверстие сопла.
На Фиг. 16 на виде в перспективе с пространственным разнесением деталей показан сборочный узел сопел, содержащийся в реактивной турбине с Фиг. 1 согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, а на Фиг. 17 на виде сверху изображен сборочный узел сопел с Фиг. 16 в сборе.
Как показано на Фиг. 16 и Фиг. 17, сборочный узел 30 сопел включает в себя сопловую крышку 350 в качестве первого пластинчатого элемента, сопловую пластину 360 в качестве второго пластинчатого элемента, расположенную на одной из поверхностей сопловой крышки 350, и сопловой узел 370 в виде кольцевого элемента, присоединенного между сопловой крышкой 360 и сопловой пластиной 360, который образует вместе с ними герметичную камеру 302 впрыска.
Каждый из элементов, которыми являются сопловая крышка 350 и сопловая пластина 360, выполнен в фо