PL220216B1

PL220216B1 - Method for receiving energy from steam or gas expansion and multistage centrifugal-axial-centripetal turbine using this method

Info

Publication number: PL220216B1
Application number: PL392264A
Authority: PL
Inventors: Zdzisław Pawlak
Original assignee: Zdzisław Pawlak
Priority date: 2010-08-29
Filing date: 2010-08-29
Publication date: 2015-09-30
Also published as: PL392264A1; WO2012030241A1

Abstract

Method for receiving energy during expansion of the steam supercritical or gas in a turbine, wherein the turbine is formed in such a way that appropriate action - reaction systems wreaths shoulders in stator ( 2 ) and rotor ( 1 ) force the movement of expanded steam on complex trajectories, and vapor flow direction changes smoothly, where when the steam accelerated in the stator vanes moves through the rotor blades (b),it changes the direction from centripetal to axial and then to centrifugal, while when the steam passes through the stator vanes (c),it changes the direction from centrifugal to axial and then to centripetal and so many times by all levels of the turbine liberating high impact strength, especially strengths of action - reaction and angular momentum.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób odbioru energii rozprężanej pary wodnej (korzystnie z parametrów nadkrytycznych), oraz rozprężanych z dużego ciśnienia gazów i wielostopniowa turbina dośrodkowo-osiowo-odśrodkowa wykorzystująca ten sposób.The subject of the invention is a method of receiving the energy of expanded steam (preferably from supercritical parameters) and expanded gases from high pressure, and a multi-stage centripetal-centrifugal turbine using this method.

Ze stanu techniki znane są konwencjonalne konstrukcje turbin parowych i gazowych oraz obecnie lawinowo rozwijających się mikroturbin. W energetyce, w blokach parowych i gazowych, dominują turbiny osiowe. Konwencjonalne turbiny są konstrukcjami bardzo złożonymi, zbudowanymi z setek bardzo wysilonych części. Gdy potrzebne są turbiny na bardzo wysokie ciśnienia to zachodzi konieczność stosowania, tak w turbinach osiowych jak i promieniowych, nawet kilkudziesięciu stopni szeregowych. Stopnie osiowe składają się na przemian, z wieńców łopatek kierownic i wieńców łopatek turbin z tym, że ze względu na możliwość montażu turbiny w całość, wieńce kierownic muszą być dzielone wzdłuż osi turbiny na dwie części. Poszczególne wieńce turbin i kierownic składają się z wielu łopatek łączonych w zestawy za pomocą odpowiednich zamków, co znacznie komplikuje i osłabia konstrukcje turbin oraz rodzi spore koszty.The conventional designs of steam and gas turbines and the currently rapidly developing microturbines are known in the art. Axial turbines dominate in the power industry, in steam and gas units. Conventional turbines are very complex structures, made up of hundreds of very heavy-duty parts. When very high pressure turbines are needed, it is necessary to use, both in axial and radial turbines, even several dozen series stages. The axial stages alternately consist of the rims of the blades of the blades and the rims of the blades of the turbines, however, due to the possibility of assembling the turbine together, the rims must be divided along the axis of the turbine into two parts. The individual rims of the turbines and steering wheels consist of many blades joined into sets with appropriate locks, which significantly complicates and weakens the turbine structure and generates considerable costs.

W konwencjonalnych turbinach parowych występuje wiele szkodliwych zjawisk, takich jak;There are many harmful phenomena in conventional steam turbines, such as;

a) duże momenty obciążeń poprzecznych oraz skrętnych elementów turbin,a) high moments of transverse loads and torsional loads on turbine components,

b) znaczne turbulencje przepływu i rezonansowe wibracje,b) significant flow turbulence and resonant vibrations,

c) znaczne siły odśrodkowe,c) significant centrifugal forces,

d) erozja kawitacyjna,d) cavitation erosion,

e) duże straty brzegowe zewnętrznych części łopatek,e) high marginal losses of the outer parts of the blades,

f) w turbinach gazowych korozja cieplna,f) thermal corrosion in gas turbines,

g) duża masa całych turbin, wirującej konstrukcji wirników itp.g) a large mass of whole turbines, rotating structure of rotors, etc.

Rozwój konstrukcji konwencjonalnych turbin utknął w miejscu, a turbiny parowe spowolniły swój rozwój. Sprawność elektrowni zwiększa się wprowadzając ponad krytyczne parametry pary, oraz przez dodanie do bloków parowych szeregowych bloków gazowych. Podobne problemy występują w turbinach gazowych oraz w mikroturbinach, zwłaszcza przy bardzo wysokich ciśnieniach (powyżej 100 bar).Development of conventional turbine designs has stalled, and steam turbines have slowed down. The efficiency of the power plant is increased by introducing more than the critical parameters of steam, and by adding serial gas units to the steam units. Similar problems occur in gas turbines and in micro-turbines, especially at very high pressures (above 100 bar).

Z opisu patentowego PL29503B1 (GB700448A), znane jest rozwiązanie, turbiny w którym zastosowano trzy zespoły wieńców łopatek przesuniętych względem siebie w kierunku osiowym, przy czym kierunek przepływu pary z pierwszego zespołu na drugi i kolejno na trzeci, zmienia się z odśrodkowego na dośrodkowy i powtórnie na odśrodkowy, z tym, że są to przepływy w pełni promieniowe.From the patent description PL29503B1 (GB700448A), a solution is known of a turbine in which three sets of blade rims shifted relative to each other in the axial direction are used, the direction of steam flow from the first set to the second and successively to the third, changing from centrifugal to centripetal and then again to centrifugal, but flows are fully radial.

Z opisu patentowego RU 2.008.435, znane jest rozwiązanie turbiny odśrodkowo-dośrodkowej, w której przepływ medium roboczego przez obwodowe kierownice umieszczone w wirniku, zmienia się z odśrodkowego na dośrodkowy.From RU 2,008,435, a centrifugal-centripetal turbine is known, in which the flow of the working medium through the circumferential guides placed in the rotor changes from centrifugal to centripetal.

W opisie patentowym EP 0.984.136, zaprezentowano dwustopniową turbinę odśrodkowo-dośrodkową która jest konstrukcyjne podobna do poprzedniej. Rozwiązanie usprawnia oraz umożliwia miniaturyzację narzędzi pneumatycznych. Z tym, że zastosowane są dwa stopnie - w pełni odśrodkowy oraz w pełni dośrodkowy i dzięki takiemu rozwiązaniu autor uzyskał między innymi, możliwość obniżenia obrotów narzędzia pneumatycznego.In EP 0.984.136, a two-stage centrifugal turbine is presented which is structurally similar to the previous one. The solution improves and enables miniaturization of pneumatic tools. However, two stages are used - fully centrifugal and fully centrifugal, and thanks to this solution the author obtained, among other things, the possibility of lowering the rotation of the pneumatic tool.

Analizując dotychczasowy rozwój konwencjonalnych turbin parowych i gazowych należy stwierdzić, że jest coraz trudniej podnosić sprawność poszczególnych stopni turbin, trudno jest też minimalizować koszty wytwarzania i koszty eksploatacyjne tak rozbudowanych urządzeń.Analyzing the development of conventional steam and gas turbines to date, it should be stated that it is more and more difficult to increase the efficiency of individual turbine stages, and it is also difficult to minimize the production costs and operating costs of such complex devices.

Proponowany według wynalazku nowy sposób odbioru energii i wielostopniowa turbina dośrodkowo-osiowo-odśrodkowa wykorzystująca ten sposób, wyeliminuje większość wad turbin konwencjonalnych oraz rewolucyjnie uprości ich konstrukcję. Zmniejszy również ich awaryjność i kilkukrotnie zredukuje koszty wytworzenia.The new energy collection method proposed according to the invention and a multi-stage centrifugal-centrifugal turbine using this method will eliminate most of the disadvantages of conventional turbines and will revolutionarily simplify their design. It will also reduce their failure rate and reduce production costs several times.

Turbina według wynalazku składa się z ok. sześciu podstawowych elementów, nie licząc łożysk czy tarcz łożyskowych. Wirnik turbiny (1) podstawionej na fig. 1-rys,A, wykonany z twardego i odpornego na korozję metalu, korzystnie stanowi jeden element z wałem wirnika. Wirnik i stojan turbiny (2) z wieńcami łopatek, ze względu na małą rozszerzalność temperaturową i inne korzystne cechy, mogą być wykonane z dobrych stali stopowych lub odpornych na wysokie temperatury ceramik, np. z azotku krzemu. Wirnik turbiny na zewnętrznym obwodzie posiada kilka szeregów łopatek (b), uformowanych w wieńce, mające uwidoczniony na fig. 1-rys.B oraz na fig. 4, 5 optymalny kształt, odpowiedni kąt natarcia i rosnący W kolejnych wieńcach profil (te optymalne parametry powinny być dobrane na podstawie wyników przeprowadzonych podstawowych badań naukowych tego rodzaju turbin). WirnikThe turbine according to the invention consists of about six basic elements, not counting bearings or bearing shields. The rotor of the turbine (1) as shown in Fig. 1-Fig. A, made of a hard and corrosion-resistant metal, preferably forms one piece with the rotor shaft. The rotor and the stator of the turbine (2) with blade rims, due to the low temperature expansion and other advantageous features, can be made of good alloyed steels or high-temperature-resistant ceramics, e.g. silicon nitride. The turbine rotor on the outer circumference has several rows of blades (b), formed in rims, having the optimal shape shown in Fig. 1-Fig. B and in Fig. 4, 5, and an appropriate angle of attack and the profile growing in successive rims (these optimal parameters are should be selected on the basis of the results of basic scientific research of this type of turbines). Rotor

PL 220 216 B1 turbiny wysokoobrotowej wyposażony jest w łożyska całoceramiczne, korzystnie z azotku krzemu oraz umieszczone w odpowiednich miejscach ceramiczne uszczelnienia (7). W dużych turbinach korzystne jest zastosowanie łożysk foliowych itp. oraz uszczelnień labiryntowych lub dławnicowych. Cylindryczny stojan turbiny (2), analogicznie jak wirnik, posiada w wewnętrznej części odpowiednio wyfrezowane łopatki kierownic (c) z tym, że pierwszy wieniec (a) stanowi kierownicę, dośrodkowy konfuzor przyspieszający i kierujący rozprężaną parę wodną lub gaz, pod odpowiednim kątem na pierwszy wieniec łopatek wirnika (b). Wyfrezowane w wirniku i stojanie wgłębienia kolejnych wieńców łopatek, tworzą równomiernie rozszerzający się kanał przepływowy turbiny. W środkowej części korpusu turbina posiada króciec wlotowy pary lub gazu (8), Para wodna po przemieszczeniu się przez wszystkie stopnie turbiny wypływa z ostatniego wieńca wirnika (b) promieniowo, następnie poprzez dyfuzor (4) jest kierowana do przyspawanego ślimakowego kanału wylotowego (3) zakończonego kryzą i opuszcza turbinę. Turbina jest dwustronnie zamknięta bocznymi pokrywami (5) i tarczami łożyskowymi (6).The high-speed turbine is equipped with all-ceramic bearings, preferably made of silicon nitride, and ceramic seals (7) placed in appropriate places. In large turbines, it is advantageous to use foil bearings etc. and labyrinth or stuffing box seals. The cylindrical turbine stator (2), similarly to the rotor, has in the inner part properly milled blades of the stator blades (c), but the first rim (a) is a steering wheel, a centripetal confusor for accelerating and directing the expanded steam or gas at the right angle to the first rotor blade ring (b). The cavities of successive blade rims milled in the rotor and stator form an evenly widening flow channel of the turbine. In the central part of the body, the turbine has a steam or gas inlet stub pipe (8). After moving through all turbine stages, the steam flows radially from the last rotor ring (b), then through the diffuser (4) it is directed to the welded worm outlet channel (3) ending with an orifice and lowers the turbine. The turbine is closed on both sides with side covers (5) and bearing plates (6).

Nowy sposób odbioru energii podczas rozprężania pary wodnej oraz gazów z bardzo wysokiego ciśnienia, według wynalazku polega na tym, że zastosowano zupełnie odmienną od rozwiązań konwencjonalnych konstrukcję turbiny co powoduje, że para przepływając możliwie najkrótszą drogą przez labirynt łopatek po bardzo skomplikowanej trajektorii, zmienia nieustannie i płynnie o 180° kierunek przepływu w wirniku z dośrodkowego - poprze osiowy - na odśrodkowy, następnie w stojanie z odśrodkowego - poprzez osiowy - na dośrodkowy i tak wielokrotnie przepływa na przemian przez łopatki wirnika i stojana, co wywołuje bardzo duże oddziaływanie stojana na wirnik, poprzez między innymi wyjątkowo duże siły krętu. Rozpędzona para wodna napływa na całym obwodzie wirnika i kształtem wyfrezowanych owalnych wgłębień, oraz wyfrezowanym odpowiednim profilem łopatek, cały czas się rozprężając, jest zmuszana do zmiany kierunku przepływu po skomplikowanej trajektorii przypominającej skręconą elipsę. Para oddziałując na łopatki akcyjno-reakcyjnie, a także dużymi siłami krętu, przekazuje wirnikowi moment obrotowy, wprawiając go w ruch. Para zasilająca pod wysokim ciśnieniem po rozprężeniu dośrodkowo w kierownicy do ok. 1/2-1/3 ciśnienia początkowego, osiąga prędkość w granicach 1-2 Macha (400-800 m/s), przy szybkości obwodowej wirnika w granicach korzystnie 500-800 m/s. Kąt rozbieżności kanału przepływowego kolejnych stopni powinien być tak dobrany by zapewnić dalszy, równomierny spadek ciśnienia i mniej więcej równomierną szybkość pary na pozostałych stopniach turbiny i korzystnie powinien mieścić się w granicach 20-25°, a stosunek przekroju powierzchni wlotu do przekroju powierzchni wylotu turbiny wynosi korzystnie 1/20 i więcej.The new way of collecting energy during the expansion of steam and gases from very high pressure, according to the invention, is based on the fact that the turbine design is completely different from conventional solutions, which causes the steam to flow through the shortest possible path through the labyrinth of blades along a very complicated trajectory, constantly changing and smoothly by 180 ° the direction of flow in the rotor from centripetal - through axial - to centrifugal, then in the stator from centrifugal - through axial - to centripetal, and so it flows alternately through the rotor and stator blades many times, which causes a very high impact of the stator on the rotor, through including extremely high turning forces. The rushing water vapor flows along the entire circumference of the rotor and the shape of the milled oval recesses and the appropriate profile of the blades, expanding all the time, is forced to change the flow direction along a complex trajectory resembling a twisted ellipse. The steam, acting on the action-reaction blades, as well as with high winding forces, transmits a torque to the rotor, making it move. The supply steam under high pressure, after decompression in the steering wheel to about 1 / 2-1 / 3 of the initial pressure, reaches a speed of 1-2 Mach (400-800 m / s), with the peripheral speed of the rotor in the range of preferably 500-800 m / s. The angle of divergence of the flow channel of the successive stages should be selected so as to ensure a further, even pressure drop and a more or less uniform steam rate on the remaining stages of the turbine, and should preferably be within 20-25 °, and the ratio of the inlet area to the turbine outlet area is preferably 1/20 and more.

Wielostopniową turbinę dośrodkowo-osiowo-odśrodkową cechuje to, jak to jest przedstawione na załączonym rysunku B z przekrojem poprzecznym turbiny, że łopatki wszystkich wieńców wirnika i stojana mają korzystnie dobrany kąt wejścia i wyjścia tak by przepływ czynnika odbywał się płynnie bez uderzenia (spiętrzenia ciśnienia). W miejscu mijania się łopatek wirnika i stojana, powierzchnie łopatek wirnika i stojana mają kąt ok. 45° i -45° względem promienia turbiny i przez to w tym miejscu są względem siebie prawie równoległe. Dalej ze względu na odpowiednie krzywizny powierzchni łopatek, korzystnie będące wycinkiem obwodu koła o różnych średnicach, w optymalnym miejscu na dnie wgłębienia osiągają kąt nachylenia do osi turbiny ok. 90 stopni i przy wyjściu z wgłębienia, powracają do nachylenia kąta takiego jak na wejściu. Natomiast w zależności od zaprojektowanego stopnia reakcyjności stopni turbiny, kąty początku skrętu łopatek względem osi turbiny mogą być różne, co jest uwidocznione na rysunkach C, D i E i przy optymalnej konfiguracji turbiny o dużym stopniu reakcyjności skręt łopatek wirnika powinien wynosić ok. 30° w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania wirnika, a kierunek skrętu łopatek stojana powinien być zgodny z kierunkiem wirowania. Daje to taki korzystny efekt, że łopatki wirnika i stojana tworzą względem siebie kąt ok. 60° i mają ze sobą kontakt zbliżeniowy tylko punktowy. A ponieważ łopatki wirnika z wałem i łopatki z korpusem tworzą monolit, otrzymujemy tanią do wykonania na pięcioosiowych frezarkach CNC, maksymalnie wyciszoną turbinę pozbawioną rezonansów i wibracji.The multi-stage centripetal-centrifugal turbine is characterized, as shown in the attached drawing B with a cross-section of the turbine, that the blades of all rotor and stator rings have an advantageously selected inlet and outlet angle so that the flow of the medium is smooth without impact (pressure build-up) . At the point where the rotor and stator blades pass, the surfaces of the rotor and stator blades have an angle of approximately 45 [deg.] And -45 [deg.] To the radius of the turbine and are therefore almost parallel to each other at this point. Furthermore, due to the respective curvatures of the blade surfaces, preferably being a segment of the circumference of a circle of different diameters, in an optimal place at the bottom of the recess they reach an angle of inclination to the turbine axis of about 90 degrees and return to the inclination of the angle as at the entrance when leaving the recess. On the other hand, depending on the designed degree of reactivity of the turbine stages, the angles of the beginning of the blade rotation in relation to the turbine axis may be different, which is shown in Figures C, D and E, and with the optimal configuration of the turbine with a high degree of reactivity, the rotation of the blades should be approx. 30 ° in direction opposite to the direction of rotation of the rotor, and the direction of the stator blades should be in the same direction as the direction of rotation. This has the advantage that the rotor and stator blades form an angle of approx. 60 [deg.] To each other and have only point proximity contact with each other. And because the rotor blades with the shaft and the blades with the body form a monolith, we get a cheap to be made on five-axis CNC milling machines, a maximum silent turbine devoid of resonances and vibrations.

Rozprężona w kierownicy i przyspieszona para napiera na pierwszy wieniec wirnika, następnie w wirniku jest płynnie przekierowana pod kątem 180° na łopatki wieńca stojana, gdzie dalej się rozprężając, przepływa po równie skomplikowanej trajektorii jak w wirniku i jest powtórnie przekierowana przez łopatki kierownicy na łopatki drugiego wieńca wirnika i tak dalej, w zależności od ilości wyfrezowanych stopni w wirniku.Expanded in the steering wheel and accelerated steam presses against the first ring of the rotor, then in the rotor it is smoothly redirected at an angle of 180 ° to the blades of the stator ring, where it further expands, flows along an equally complicated trajectory as in the rotor and is redirected by the blades of the steering wheel to the blades of the second rotor flange and so on, depending on the number of milled steps in the rotor.

Podczas przemieszczania się pary, w łopatkach stojana i wirnika, wyzwalane są duże siły wzajemnego oddziaływania, głównie siły akcyjno-reakcyjne i krętu. Następuje mocne reakcyjne oddziaływanie każdego stopnia kierownicy na wirnik turbiny i przekazywanie na wał łącznego momentu obrotowego. W turbinie występuje wstrzymujące utrudnienie przepływu rozprężanej pary, a przy bardzoDuring the movement of the steam, large forces of interaction, mainly action-reaction and torsion forces, are released in the stator and rotor blades. Each steering stage has a strong reactive effect on the turbine wheel and transmits the total torque to the shaft. In the turbine, there is an inhibiting obstruction to the flow of expanded steam, which is very

PL 220 216 B1 dużych ciśnieniach pracy, rzędu 200-500 bar (w zależności od ilości stopni), skutkuje to korzystnym zmniejszeniem ilości stopni turbiny. Na rys. C, D i E jest uwidoczniony wzajemny układ kolejnych, rozwiniętych wieńców - stopni turbiny o różnym stopniu reakcyjności i dla znawców tych zagadnień widać wyraźnie, że przepływająca para wykonuje porównywalną pracę, jak w konwencjonalnych turbinach osiowych. Konstruując wieńce łopatek kierownic i wirnika turbiny, należy zastosować korzystnie równomiernie narastający przekrój poprzeczny na całej drodze rozprężającej się pary, dobrany doświadczalnie w celu maksymalnego wykorzystania entalpii pary.Due to high operating pressures, in the order of 200-500 bar (depending on the number of stages), this results in a favorable reduction in the number of turbine stages. Figures C, D and E show the mutual arrangement of successive, developed rims - turbine stages with different degrees of reactivity, and for experts in these issues it is clear that the flowing steam performs comparable work as in conventional axial turbines. When designing the rims of the stator blades and the turbine rotor, preferably a uniformly increasing cross-section along the entire path of the expanding steam should be used, experimentally selected in order to maximize the use of the steam enthalpy.

Turbina tworzy układ w pełni zrównoważony, gdyż para, poprzez konfuzory, pod wysokim ciśnieniem i optymalnym kątem, równomiernie napływa na obwodzie całego wirnika i rozpręża się symetrycznie w przeciwne strony. Wszystkie występujące siły się równoważą i nie obciążają łożysk. Wąskie szczeliny z obydwu stron wirnika, wykorzystując zjawisko adhezji, stanowią wystarczającą zaporę dla rozprężonej pary. Rozprężona para opuszczająca turbinę ma niskie ciśnienie i nie stanowi zagrożenia dla wysokoobrotowych łożysk ceramicznych, jak i łożysk foliowych lub innych, stosowanych w dużych turbinach.The turbine creates a fully balanced system, because the steam, through confusers, under high pressure and optimal angle, evenly flows around the circumference of the entire rotor and expands symmetrically in opposite directions. All forces are counterbalancing each other and do not stress the bearings. Narrow slots on both sides of the rotor, due to the adhesion effect, are a sufficient barrier for the expanded steam. The expanded steam leaving the turbine has a low pressure and does not pose a threat to high-speed ceramic bearings as well as foil or other bearings used in large turbines.

Istnieje możliwość wykonania turbin według patentu pozbawionych większości wad turbin konwencjonalnych, znacznie mniejszych, lżejszych, prostszych i kilkukrotnie tańszych. Przedstawione według patentu rozwiązanie może być powszechnie stosowane we wszelkich turbinach parowych oraz gazowych, w turbinach lotniczych jak i mikroturbinach.It is possible to make turbines according to the patent, free from most of the disadvantages of conventional turbines, much smaller, lighter, simpler and several times cheaper. The solution presented according to the patent can be commonly used in all steam and gas turbines, in aviation turbines and micro-turbines.

Fig. 1 przedstawia:Figure 1 shows:

na rys. A przekrój wzdłużny wersji turbiny z jednostronnym osiowym rozprężaniem pary lub gazu, na rys. B przekrój poprzeczny A-A turbiny na wysokości czwartego stopnia, rysunki C, D i E przedstawiają różne możliwe konfiguracje skrętu łopatek wokół osi turbiny, mające wpływ na stopień reakcyjności takich turbin.in Fig. A longitudinal section of the turbine version with one-way axial expansion of steam or gas, in Fig. B, cross section AA of the turbine at the fourth stage, Figures C, D and E show various possible configurations of the blade turning around the turbine axis, which influence the degree of reactivity such turbines.

Fig. 2 przedstawia przekrój wzdłużny turbiny według wynalazku z symetrycznym, dwustronnym osiowym rozprężaniem pary lub gazu wzdłuż osi turbiny.Fig. 2 shows a longitudinal section of the turbine according to the invention with symmetric bilateral axial expansion of the steam or gas along the axis of the turbine.

Fig. 3 przedstawia przekrój wzdłużny turbiny w wersji z promieniowym rozprężaniem pary lub gazu.Fig. 3 shows a longitudinal section of the turbine in the version with radial expansion of steam or gas.

Fig. 4 przedstawia przykładowy wirnik z łopatkami bez skrętu wokół osi turbiny, dający efekt turbiny o przewadze sił akcyjnych, ale głośniejszej.Fig. 4 shows an exemplary impeller with no twist about the axis of the turbine, producing the effect of an action-predominant but louder turbine.

Fig. 5 przedstawia wirnik turbiny z łopatkami ze skrętem wokół osi turbiny skierowanym przeciwko obrotom wirnika, co daje przewagę sił reakcyjnych i turbinę maksymalnie wyciszoną.Fig. 5 shows a turbine rotor with blades with a twist about the turbine axis directed against the rotation of the rotor, which gives the advantage of reactive forces and the turbine with maximum silence.

Wielostopniowa turbina według wynalazku jest przedstawiona w przykładach wykonania:The multistage turbine according to the invention is shown in the following examples:

P r z y k ł a d I.P r z x l a d I.

Wielostopniowa turbina według wynalazku, z symetrycznym kierunkiem rozprężania pary wodnej wzdłuż osi jest uwidoczniona na rysunku złożeniowym fig. 2. Wirnik turbiny (1), może być wykonany z wałem wirnika jako całość. Wirnik (1), na całym zewnętrznym obwodzie, ma dwa układy symetrycznie wyfrezowanych owalnych wgłębień o rosnącej wielkości, zaczynających się w środku wirnika, a we wgłębieniach posiada wyfrezowane łopatki o odpowiednim profilu tworzące szeregi kolejnych wieńców łopatek wirnika. Korpus turbiny składa się z dwóch elementów (2) i (2a), wykonanych niezależnie i korzystnie zespawanych laserem w całość. Wszystkie elementy składowe turbiny ze względu na rozszerzalność cieplną, korzystnie mogą być wykonane z tego samego materiału. Stojan, w wewnętrznej części, ma również dwa układy symetryczn ie wyfrezowanych owalnych wgłębień o rosnącej wielkości. Wyfrezowane wgłębienia posiadają, analogicznie jak w wirniku, wyfrezowane łopatki o odpowiednim profilu, które tworzą kolejno wieńce łopatek kierownic, wieńce konfuzorów i na obydwu końcach wieńce łopatek dyfuzorów (4). Z tym, że doprowadzona króćcem (8), korzystnie z parametrami nadkrytycznymi para, jest rozprężana i przyspieszana w wyfrezowanym, umieszczonym w centralnej części korpusu podwójnym konfuzorze - kierownicy i pod optymalnym kątem trafia na wieniec łopatek wirnika, skąd jest przekierowana o 180° z powrotem na wieniec łopatek kierownicy i tak wielokrotnie, przekazując łączny moment obrotowy na wirnik turbiny. Rozprężona para opuszcza turbinę poprzez wyfrezowane w korpusie dyfuzory (4) mające odpowiedni przekrój łopatek, by pewnie łączyć wszystkie elementy stojana w całość, oraz przyspawane w odpowiednich miejscach dwa kanały ślimakowe (3). Na wale wirnika są osadzone, korzystnie wysokoobrotowe łożyska całoceramiczne lub foliowe, a wąskie szczeliny z obydwu stron wirnika, wykorzystując zjawisko adhezji, stanowią wystarczającą zaporę dla rozprężonej pary. Turbinę dwustronnie zamykają boczne pokrywy (5) i tarcze łożyskowe (6).The multistage turbine according to the invention, with a symmetrical water vapor expansion direction along its axis, is shown in the exploded view of Fig. 2. The turbine rotor (1) can be made with the rotor shaft as a whole. The rotor (1), along its entire outer circumference, has two sets of symmetrically milled oval recesses of increasing size, starting in the center of the rotor, and in the recesses it has milled blades with an appropriate profile forming a series of successive rims of the rotor blades. The turbine housing consists of two components (2) and (2a) that are designed independently and preferably laser-welded together. Due to thermal expansion, all components of the turbine can preferably be made of the same material. The stator also has two sets of symmetrically milled oval cavities of increasing size in the inner part. Similarly to the rotor, the milled recesses have milled blades with an appropriate profile, which form the rims of the stator blades, the rims of the confusers and, at both ends, the rims of the diffuser blades (4). However, the steam supplied through the stub pipe (8), preferably with supercritical parameters, is expanded and accelerated in a milled double confusor - steering wheel located in the central part of the body, and at an optimal angle it reaches the rim of the rotor blades, from where it is redirected 180 ° back on the rim of the steering vanes and so on repeatedly, transmitting the total torque to the turbine wheel. The expanded steam leaves the turbine through the diffusers (4) milled in the body with the appropriate blade cross-section to securely connect all the stator elements together, and two worm channels (3) welded in appropriate places. On the rotor shaft there are mounted, preferably high-speed all-ceramic or foil bearings, and the narrow slots on both sides of the rotor, taking advantage of the adhesion phenomenon, constitute a sufficient barrier for the expanded steam. The turbine is closed on both sides by side covers (5) and bearing plates (6).

PL 220 216 B1PL 220 216 B1

P r z y k ł a d II.P r z x l a d II.

Wielostopniowa turbina według wynalazku w wersji z promieniowym kierunkiem rozprężania pary wodnej, jest uwidoczniona na rysunku złożeniowym fig. 3. Wirnik turbiny (1), wykonany korzystnie z bardzo twardego materiału, może być wykonany z wałem wirnika jako całość i tworzy dwie promieniowe tarcze z wieńcami łopatek, zamykające w środku tarczę korpusu turbiny (2), na której są umieszczone dwustronnie kolejno od środka, wieńce konfuzora, wieńce kierownic i wieńce dyfuzora. Wirnik (1), na całym wewnętrznym boku tarczy ma wyfrezowanych kilka rzędów owalnych wgłębień o rosnącej z promieniem wielkości, a we wgłębieniach posiada wyfrezowane łopatki o odpowiednim profilu, które tworzą kolejne wieńce łopatek wirnika. Wirnik posiada również zamykająca, drugą bliźniaczą tarczę nakręcaną na wirnik z gwintem przeciwbieżnym do kierunku obrotów turbiny. Para pod dużym ciśnieniem jest doprowadzana kilkoma króćcami (8), rozpręża się promieniowo od środka - na zewnątrz i opuszcza turbinę poprzez wyfrezowany w korpusie dyfuzor (4) mający odpowiedni przekrój łopatek by pewnie łączyć wszystkie elementy stojana w całość, oraz przyspawany w odpowiednim miejscu kanał ślimakowy (3). Turbinę dwustronnie zamykają boczne pokrywy (5) i tarcze łożyskowe (6).The multistage turbine according to the invention in a version with a radial expansion direction of steam is shown in the general assembly drawing in Fig. 3. The turbine rotor (1), preferably made of a very hard material, can be made with the rotor shaft as a whole and forms two radial discs with ring rings. vanes, closing in the center the turbine body disc (2), on which are placed two-sided successively from the center, confusor rims, blade rims and diffuser rims. The rotor (1), on the entire inner side of the disk, has several rows of oval recesses of increasing radius size, and in the recesses it has milled blades with an appropriate profile, which form successive rims of the rotor blades. The rotor also has a closing, second, twin disk screwed onto the rotor with a thread opposite to the direction of rotation of the turbine. Steam under high pressure is supplied through several nozzles (8), it expands radially from the center - to the outside and leaves the turbine through a diffuser (4) milled in the body with a suitable blade cross-section to securely connect all stator elements together, and a channel welded in the right place worm (3). The turbine is closed on both sides by side covers (5) and bearing plates (6).

Claims

The method of receiving energy during the expansion of steam preferably of supercritical parameters or of gases in a turbine according to the patent, characterized in that the new-shaped turbine has several corresponding action-reaction rims of stator (2) and rotor (1) blades, in which the expansion the steam moves along the shortest possible path along a trajectory close to a spiral and moving through the rotor ring, it changes its direction from centripetal - through axial - to centrifugal, while moving through the ring of stator blades (c), it changes its direction from centrifugal - through axial - to centripetal, but the blades are positioned so that the angle of entry and exit of the surface of the rotor and stator blades in relation to the rotor radius is preferably 45 ° and -45 °, which causes that the rotor and stator blades in the passing point are parallel to each other, and due to the curvature of the surface of the blades, which is preferably a segment of the circumference of a circle, the blades reach a recess at the bottom ń angle of inclination of 90 ° in relation to the axis of the turbine and at the exit they return to the initial inclination, but the steam expanded to approx. 1 / 2-1 / 3 of the initial pressure is accelerated to the speed of approx. 1-2 Mach, at the peripheral speed of the rotor of the order of 500 -600 m / s, such a construction of the turbine forces a multiple change of the steam flow direction smoothly by 180 °, releasing large interaction forces, mainly action-reaction and winding forces, which has a positive effect on efficiency and reduces the weight of the turbine.

2. The method according to p. 1, characterized in that the steam expands symmetrically in opposite directions, which balances all the forces that occur, and the use of small side gaps (less than 0.5 mm) on both sides of the rotor (1), thanks to the phenomenon of adhesion, eliminates steam leaks and protects the bearings against the harmful effects of expanded steam or gases.

3. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the change in the reactivity of the turbine stages is achieved by changing the position of the blades in relation to the axis of the turbine by milling them under a suitable twist in relation to the axis of the turbine, and the angle of the blade surface torsion increasing the reactivity in the rotor is preferably 30 ° in the direction opposite to the direction of rotation, and the twist of the stator blades is preferably 30 ° in the direction of rotation of the turbine rotor, which at the same time eliminates resonant vibrations and silences the turbine.

4. Multistage centri-axial-centrifugal turbine in the axial version, characterized in that it has several symmetrical sets of blade rims of increasing size, which alternately in the rotor and stator are axially shifted relative to each other by a distance of preferably approx. 2/5 of the width of the preceding rim , milled on the outer surface of the unitary rotor (1) and the inner surface of the two-part stator (2) and (2a) welded together by laser, forming a flow channel with a divergence angle selected to ensure a constant linear speed of the moving pair, and a favorable divergence angle is within 20-25 °, the ratio of the cross-sectional area of the inlet to the cross-sectional area of the turbine outlet is preferably 1/20 or more, but the steam is supplied to the central part of the turbine stator through the stub pipe (8), in which the guide vanes (a ), ascending stator blades (c) and diffuser blades (4), and on the outer part of the stator there are ą worm discharge channels (3).

PL 220 216 B1

5. The multistage turbine according to claim 5; 4 in the radial version (there may also be intermediate versions), characterized in that it has symmetrical sets of blade rims shifted radially relative to each other by a distance of preferably about 2/5 of the width of the preceding rim, increasing and directly-proportional to the increasing cross-section of the flow, milled on the side part of the two-element rotor (1) and the adjacent stator (1), and the second part of the rotor closes the stator in the center and is counter-threaded with a thread opposite to the rotation of the turbine rotor, with the steam being supplied to the central part of the turbine through several nozzles (8), and at the outlet of the turbine there are diffuser blades (4) and a welded worm discharge channel (3).