Лопаточный венец осевой турбины

 

Использование: в турбиностроении и может быть использовано в осевых паровых и газовых турбинах. Сущность изобретения: диск с закрепленными на нем лопатками сообщен с ротором турбины посредством механической передачи, передающей крутящий момент от диска с лопатками на ротор турбины. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в осевых паровых и газовых турбинах, а также компрессорах.

Известны лопаточные венцы осевых турбин, образующие неподвижный направляющий аппарат и вращающееся вместе с ротором рабочее колесо (Щегляев А.В. Паровые турбины. М. Энергия, 1976, стр.75-82). Рабочее колесо с рабочими лопатками или жестко крепится к ротору турбины или является его составной частью (для сварных и цельнокованных роторов). Возможно также крепление рабочих лопаток прямо к ротору барабанного типа. Жесткое в тангенциальном направлении крепление рабочих лопаток к диску или к ротору приводит к тому, что угловая скорость вращения рабочих лопаток равна угловой скорости вращения ротора, которая для мощных паровых турбин однозначно определяется параметрами электрической сети и электрогенератора и принимает значения 25 или 50 с^-1. С другой стороны угловая скорость вращения ротора оказывает большое влияние на аэродинамические и прочностные характеристики ступени, чаще всего отрицательно сказывающиеся на экономичности ступени.

Известно также техническое решение (АС СССР N 1495442, БИ N 27, 1989 г. ), в соответствии с которым активная турбина дополнительно снабжена обгонными муфтами, посредством которых рабочие колеса второй и последующих ступеней сообщены с валом. Обгонные муфты применяются для отключения рабочих колес при появлении в них крутящих усилий, направленных в сторону торможения вала. Это может происходит при режимах работы ступени в диапазоне нагрузки U/C_ф от 0,1 до 0,8 и степени порциальности до 0,4. С помощью известного технического решения возможно увеличить экономичность активных турбин только на частичных нагрузках. Кроме того изобретение невозможно применить на первом рабочем колесе турбины.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности турбинной ступени и турбины в целом.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемое устройство, так же как и известное, содержит диск с закрепленными на нем лопатками, но в отличие от известного устройства предлагаемое изобретение дополнительно снабжено механической передачей, соединяющей ротор турбины с диском. Таким образом предлагаемые отличия обладают новизной.

Диск с закрепленными на нем лопатками сообщен с ротором турбины посредством механической передачи, передающей крутящий момент от диска с лопатками на ротор турбины, причем диск охватывает ротор турбины и вращается относительно него. Применение повышающей или понижающей механической передачи позволяет либо повысить, либо понизить угловую скорость вращения диска с лопатками по сравнению с угловой скоростью вращения ротора, что приведет к изменению геометрических, кинематических и теплофизических характеристик турбинной ступени, в которой реализовано предлагаемое изобретение. За счет этого появляется возможность уменьшить профильные потери, сократить потери с выходной скоростью и уменьшить количество ступеней в турбине. Применение редукторной связи между электрогенератором и мощной турбиной для повышения ее экономичности неприемлемо (см. Щегляев А.В. Паровые турбины. М. Энергия, 1976, стр. 194). Кроме того, обычно экономически оправдано изменение частоты вращения только для одной ступени или группы ступеней.

Суть предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлен разрез лопаточного венца осевой турбины в сборе с ротором турбины. На фиг. 2 приведены примеры конкретного исполнения механической передачи. На фиг. 3 показан пример подвода смазки к элементам зацепления механической передачи.

Лопаточный венец осевой турбины (см. фиг.1) состоит из лопаток 1, закрепленных на диске 2, который в свою очередь посредством механической передачи 3, например, планетарной, сообщен с ротором турбины 4. При этом диск 2 охватывает ротор турбины 4 и вращается относительно него.

На фиг. 2а показано исполнение механической передачи в виде повышающей планетарной передачи, а на фиг.2б в виде понижающей с односторонним зацеплением. Все позиции на фиг.2 совпадают с позициями на фиг.1.

Лопаточный венец осевой турбины работает следующим образом (см. фиг.1).

Рабочее тело (пар или газ) поступает на лопатки 1 и, контактируя с ними, изменяет вектор своей скорости а, следовательно, количество движения. Как известно, изменение количества движения рабочего тела приводит к соответствующему изменению количества движения лопаток 1, закрепленных на диске 2. Это изменение импульса приводит к появлению крутящего момента на диске 2, который передается на ротор турбины 4 посредством механической передачи 3. Мощность, развиваемая на диске 2, следовательно, воспринимается ротором турбины 4.

Выполнение механической передачи в виде одноступенчатой планетарной позволяет без увеличения размеров лопаточного венца осевой турбины по сравнению с лопаточными венцами обычных осевых турбин достичь положительного эффекта. Коэффициент полезного действия механических планетарных передач (см. фиг. 1 и фиг.2а) высок и составляет 0,97-0,985% (Планетарные передачи. Справочник. Л. Машиностроение, 1977, стр.13).

Еще больший КПД у механических передач с односторонним зацеплением (см. фиг. 2б), который составляет 0,98-0,99% Однако такие передачи можно использовать только при небольших передаточных числах, т.к. появляется несоосность ротора турбины и диска.

При необходимости согласования направлений угловых скоростей вращения при применении лопаточного венца осевой турбины вместо направляющего аппарата и рабочего колеса турбинной ступени передачи выполняется многоступенчатой.

Обеспечение работоспособности механической передачи требует осуществления смазки и охлаждения элементов зацепления механической передачи, для чего применяется жидкость, используемая в технологическом цикле турбоагрегата, например, конденсат водяного пара.

При реализации предлагаемого лопаточного венца осевой турбины вместо направляющего аппарата, резко сокращено число ступеней (в 2 раза по сравнению с обычными осевыми турбинами при угловой скорости вращения лопаток направляющего аппарата, равной угловой скорости вращения ротора и направленной в противоположную сторону) при некотором повышении лопаточного КПД. Это становится возможным вследствие увеличения окружной скорости вращения лопаток направляющего аппарата и рабочих лопаток ступени относительно друг друга (Кириллов И.И. Теория турбомашин, М. Л. Машиностроение, 1964, стр. 161-163).

При реализации предлагаемого лопаточного венца осевой турбины вместо рабочего колеса турбинной ступени уменьшены профильные потери, потери с выходной скоростью, сокращено количество выхлопов, повышена мощность турбины, что обосновывается следующим образом. Действительно, при реализации лопаточного венца осевой турбины вместо рабочего колеса первой ступени турбины передача выполнена как повышающая для увеличения частоты вращения лопаток венца. При увеличении частоты вращения не увеличивается по сравнению с последующими ступенями диаметр рабочего колеса, что позволяет полностью использовать выходную скорость и уменьшает профильные потери (т.к. с уменьшением диаметра рабочего колеса увеличивается высота лопаток). При реализации же лопаточного венца осевой турбины вместо рабочего колеса последней ступени турбины передача выполнена как понижающая для уменьшения частоты вращения лопаток венца. При уменьшении частоты вращения, например, в 2 раза либо увеличивается в 4 раза площадь выхлопа турбины и, следовательно, увеличивается мощность турбины в 4 раза, либо уменьшается количество выхлопов в 4 раза, либо уменьшаются потери с выходной скоростью в 16 раз, либо эти эффекты комбинируются друг с другом (см. Щегляев А.В. Паровые турбины. М. Энергия, 1976, стр. 179-180, 195).

При реализации предлагаемого лопаточного венца осевой турбины вместо направляющего аппарата и рабочего колеса турбинной ступени резко сокращено число ступеней (в 2 раза по сравнению с обычными осевыми турбинами при угловой скорости вращения лопаток направляющего аппарата, равной угловой скорости вращения ротора и направленной в противоположную сторону) при некотором повышении лопаточного КПД. Это становится возможным вследствие увеличения окружной скорости вращения лопаток направляющего аппарата и рабочих лопаток ступени относительно друг друга.

Формула изобретения

1. Лопаточный венец осевой турбины, состоящий из диска с закрепленными на нем лопатками, отличающийся тем, что лопаточный венец осевой турбины дополнительно снабжен механической передачей, соединяющей ротор турбины с диском для передачи крутящего момента от диска с лопатками на ротор турбины.

2. Венец по п.1, отличающийся тем, что смазка и охлаждение элементов зацепления механической передачи выполнена жидкостью, используемой в технологическом цикле турбоагрегата, например, конденсатом водяного пара.

3. Венец по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен в виде направляющего аппарата турбинной ступени.

4. Венец по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен в виде рабочего колеса турбинной ступени.

5. Венец по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он выполнен в виде направляющего аппарата, а также в виде рабочего колеса турбинной ступени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3