PL220216B1 - Sposób odbioru energii przy rozprężaniu pary lub gazów i wielostopniowa turbina dośrodkowo-osiowo-odśrodkowa wykorzystująca ten sposób - Google Patents

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.

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.

W konwencjonalnych turbinach parowych występuje wiele szkodliwych zjawisk, takich jak;

a) duże momenty obciążeń poprzecznych oraz skrętnych elementów turbin,

b) znaczne turbulencje przepływu i rezonansowe wibracje,

c) znaczne siły odśrodkowe,

d) erozja kawitacyjna,

e) duże straty brzegowe zewnętrznych części łopatek,

f) w turbinach gazowych korozja cieplna,

g) duża masa całych turbin, wirującej konstrukcji wirników itp.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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). Wirnik

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).

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.

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.

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.

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 bardzo

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.

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.

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.

Fig. 1 przedstawia:

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.

Fig. 2 przedstawia przekrój wzdłużny turbiny według wynalazku z symetrycznym, dwustronnym osiowym rozprężaniem pary lub gazu wzdłuż osi turbiny.

Fig. 3 przedstawia przekrój wzdłużny turbiny w wersji z promieniowym rozprężaniem pary lub gazu.

Fig. 4 przedstawia przykładowy wirnik z łopatkami bez skrętu wokół osi turbiny, dający efekt turbiny o przewadze sił akcyjnych, ale głośniejszej.

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.

Wielostopniowa turbina według wynalazku jest przedstawiona w przykładach wykonania:

P r z y k ł 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).

PL 220 216 B1

P r z y k ł 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).

Claims (5)

1. Sposób odbioru energii przy rozprężaniu się pary korzystnie o parametrach nadkrytycznych lub gazów w turbinie według patentu, znamienny tym, że turbina ukształtowana w nowy sposób posiada kilka odpowiednich akcyjno-reakcyjnych wieńców łopatek stojana (2) i wirnika (1), w których rozprężająca się para przemieszcza się pokonując możliwie najkrótszą drogę po trajektorii zbliżonej do spirali i przemieszczając się przez wieniec wirnika zmienia kierunek z dośrodkowego - poprze osiowy - na odśrodkowy, natomiast przemieszczając się przez wieniec łopatek stojana (c), zmienia kierunek z odśrodkowego - poprzez osiowy - na dośrodkowy z tym, że łopatki umieszczone są tak by kąt wejścia i wyjścia powierzchni łopatek wirnika i stojana względem promienia wirnika wynosił korzystnie 45° i -45° co powoduje, że łopatki wirnika i stojana w miejscu mijania względem siebie są równoległe, a ze względu na krzywiznę powierzchni łopatek będącą korzystnie wycinkiem obwodu koła, łopatki osiągają na dnie wgłębień kąt pochylenia 90° względem osi turbiny i przy wyjściu powracają do nachylenia początkowego z tym, że rozprężona do ok. 1/2-1/3 ciśnienia początkowego para jest przyspieszona do szybkości ok. 1-2 Macha, przy szybkości obwodowej wirnika rzędu 500-600 m/s, taka konstrukcja turbiny wymusza wielokrotną zmianę kierunku przepływu pary płynnie o 180° wyzwalając duże siły oddziaływania, głównie siły akcyjno-reakcyjne i krętu co korzystnie wpływa na efektywność oraz na zmniejszenie masy turbiny.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że para rozpręża się symetrycznie w przeciwnych kierunkach, co równoważy wszystkie występujące siły, a zastosowanie z obydwu stron wirnika (1) niewielkich szczelin bocznych (poniżej 0,5 mm), dzięki zjawisku adhezji, likwiduje przecieki pary i zabezpiecza łożyska przed szkodliwym oddziaływaniem rozprężonej pary lub gazów.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zmianę reakcyjności stopni turbiny osiąga się przez zmianę położenia łopatek względem osi turbiny frezując je pod odpowiednim skrętem względem osi turbiny, a kąt skrętu powierzchni łopatek zwiększający reakcyjność w wirniku wynosi korzystnie 30° w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania, a skręt łopatek stojana wynosi korzystnie 30° zgodnie z kierunkiem wirowania wirnika turbiny, co jednocześnie likwiduje drgania rezonansowe oraz wycisza turbinę.

4. Wielostopniowa turbina dośrodkowo-osiowo-odśrodkowa w wersji osiowej, znamienna tym, że posiada kilka symetrycznych zespołów wieńców łopatek o rosnącej wielkości, które na przemian w wirniku i stojanie są przesunięte względem siebie poosiowo o odległość korzystnie ok. 2/5 szerokości poprzedzającego wieńca, wyfrezowanych na zewnętrznej powierzchni jednolitego wirnika (1) oraz wewnętrznej powierzchni dwuczęściowego stojana (2) i (2a) zespawanych laserem po obróbce w całość, tworzące kanał przepływowy o kącie rozbieżności tak dobranym by zapewnić stałą szybkość liniową przemieszczającej się pary, a korzystny kąt rozbieżności mieści się w granicach 20-25°, stosunek przekroju powierzchni wlotu do powierzchni przekroju wylotu turbiny wynosi korzystnie 1/20 i więcej z tym, że para doprowadzona jest w środkową część stojana turbiny króćcem (8), w którym wyfrezowane są łopatki kierownic (a), rosnąco łopatki stojana (c) oraz łopatki dyfuzorów (4), a na zewnętrznej części stojana przyspawane są ślimakowe kanały wylotowe (3).

PL 220 216 B1

5. Wielostopniowa turbina według zastrz. 4 w wersji promieniowej (mogą być również wersje pośrednie), znamienna tym, że posiada symetryczne zespoły wieńców łopatek przesuniętych względem siebie promieniowo o odległość korzystnie ok. 2/5 szerokości poprzedzającego wieńca, narastająco i wprost-proporcjonalnie do zwiększającego się przekroju poprzecznego przepływu, wyfrezowanych na bocznej części dwuelementowego wirnika (1) i sąsiadującego stojana (1), a druga część wirnika zamyka w środku stojan i jest kontrowana gwintem przeciwbieżnym do obrotów wirnika turbiny, z tym, że para doprowadzana jest w środkową część turbiny kilkoma króćcami (8), a na wylocie turbiny znajdują się łopatki dyfuzora (4) i przyspawany ślimakowy kanał wylotowy (3).