RU2657061C1 - Turbine and method for expansion of working fluid - Google Patents

Turbine and method for expansion of working fluid Download PDF

Info

Publication number
RU2657061C1
RU2657061C1 RU2016145255A RU2016145255A RU2657061C1 RU 2657061 C1 RU2657061 C1 RU 2657061C1 RU 2016145255 A RU2016145255 A RU 2016145255A RU 2016145255 A RU2016145255 A RU 2016145255A RU 2657061 C1 RU2657061 C1 RU 2657061C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
turbine
steps
working fluid
expansion
centrifugal
Prior art date
Application number
RU2016145255A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роберто БИНИ
Марио ГАЯ
Original Assignee
Турбоден С.Р.Л.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Турбоден С.Р.Л. filed Critical Турбоден С.Р.Л.
Application granted granted Critical
Publication of RU2657061C1 publication Critical patent/RU2657061C1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/06—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially
    • F01D1/08—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines traversed by the working-fluid substantially radially having inward flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/02—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines
    • F01D1/12—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines with repeated action on same blade ring
    • F01D1/14—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with stationary working-fluid guiding means and bladed or like rotor, e.g. multi-bladed impulse steam turbines with repeated action on same blade ring traversed by the working-fluid substantially radially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/048—Form or construction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/045—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector for radial flow machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2210/00—Working fluids
    • F05D2210/40—Flow geometry or direction
    • F05D2210/44—Flow geometry or direction bidirectional, i.e. in opposite, alternating directions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

FIELD: turbine construction.
SUBSTANCE: invention relates to turbine (1), partially centrifugal, for expanding a compressible working fluid, such as gas or steam. Above turbine preferably comprises a group of steps called centripetal steps (4), extending radially relative to the axis X-X, which enables the first expansion of the working fluid radially and centripetally. In addition, all gratings of the rotor blades are attached to the end of shaft (2), but not in the area between the bearings, that is, in accordance with the so-called “cantilever” design, and particularly preferably with the provision of maintenance. Also, an appropriate method for expanding the working fluid is described.
EFFECT: technical result: provides the possibility of achieving high efficiency through a compact turbine.
15 cl, 11 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к турбине, в которой текучая среда расширяется в центробежном и центростремительном направлениях, а также опционально и в осевом направлении, а также к способу расширения рабочей текучей среды в такой турбине, в частности органической текучей среды в цикле Ренкина.The present invention relates to a turbine in which a fluid expands in a centrifugal and centripetal direction, as well as optionally in an axial direction, as well as to a method for expanding a working fluid in such a turbine, in particular organic fluid in a Rankine cycle.

Уровень техникиState of the art

В каждом цикле Ренкина для определенной текучей среды в субкритической области изоэнтропический перепад энтальпии (то есть максимальная работа на единицу массы, которую может произвести расширяющаяся рабочая текучая среда и выраженная, например, в кДж/кг), происходящий вследствие упомянутого расширения в турбине, в наибольшей степени зависит от свойств текучей среды и в целом представляет собой функцию разницы температур испарения и конденсации текучей среды. С другой стороны, свойства самой рабочей текучей среды имеют большое влияние на перепад энтальпии, который больше для текучих сред с простым молекулярным составом и низкой молекулярной массой.In each Rankine cycle for a specific fluid in the subcritical region, the isentropic enthalpy drop (that is, the maximum work per unit mass that an expanding working fluid can produce and expressed, for example, in kJ / kg) occurs due to the said expansion in the turbine, in the largest the degree depends on the properties of the fluid and as a whole is a function of the difference in temperature of evaporation and condensation of the fluid. On the other hand, the properties of the working fluid itself have a great influence on the enthalpy drop, which is greater for fluids with a simple molecular composition and low molecular weight.

Вычисление значения изоэнтропического перепада энтальпии является широко известной частью анализа циклов Ренкина. Конструктором турбины выполняется расчет, в котором в качестве исходных значений используются состав рабочей текучей среды, входные значения температуры, расхода, давления и титра текучей среды, а также значение давления на выпуске. На основе этих данных может быть вычислено значение изоэнтропического перепада энтальпии посредством известных методов. Таким образом, такое значение следует рассматривать в качестве характеризующего параметра в расчете турбины.The calculation of the isentropic enthalpy difference is a well-known part of the analysis of Rankine cycles. The turbine designer performs a calculation in which the composition of the working fluid, the input temperature, flow rate, pressure and titer of the fluid, as well as the pressure at the outlet are used as initial values. Based on these data, the value of the isentropic enthalpy difference can be calculated by known methods. Thus, this value should be considered as a characterizing parameter in the calculation of the turbine.

Эти же данные используются в расчете турбине и в случае, когда турбина включена в силовой цикл, отличный от цикла Ренкина (например, цикл Калины или цикл Брайтона), и даже если турбина не является частью цикла, а участвует в термодинамическом процессе иной природы (например, когда на конце распределительного канала расположен детандер природного газа).The same data are used in the calculation of the turbine in the case when the turbine is included in the power cycle different from the Rankine cycle (for example, the Kalina cycle or the Brighton cycle), and even if the turbine is not part of the cycle, but participates in a thermodynamic process of a different nature (for example when a natural gas expander is located at the end of the distribution channel).

Другим параметром, который возможно вычислить на основе вышеупомянутых данных, является коэффициент расширения, определяемый и как отношение впускного и выпускного давлений, и как коэффициент объемного расширения, то есть соотношение между объемным расходом на впускном участке и объемным расходом на выпускном участке турбины.Another parameter that can be calculated on the basis of the above data is the expansion coefficient, defined both as the ratio of inlet and outlet pressures, and as the coefficient of volume expansion, i.e. the ratio between the volumetric flow rate at the inlet section and the volumetric flow rate at the turbine outlet section.

Аббревиатура ORC (с английского - «Organic Rankine cycle», то есть «органический цикл Ренкина»), как известно, обозначает термодинамические циклы Ренкина, в которых применяется органическая рабочая текучая среда, предпочтительно с высокой молекулярной массой, намного большей, чем у водяного пара, применяемого в большинстве силовых циклов Ренкина.The abbreviation ORC (from the English - "Organic Rankine cycle", that is, "Organic Rankine cycle"), as you know, refers to the thermodynamic Rankine cycles in which an organic working fluid is used, preferably with a high molecular weight much larger than that of water vapor used in most Rankine power cycles.

Установки ORC применяются, например, для комбинированного производства электрической и тепловой энергии из твердой биомассы; в качестве альтернативного варианта также применяется тепло отработавших газов, рекуперация теплоты от первичных двигателей или источники геотермального тепла.ORC plants are used, for example, for the combined production of electric and thermal energy from solid biomass; as an alternative, exhaust heat, heat recovery from primary engines or geothermal heat sources are also used.

Например, установка ORC, питаемая биомассой, обычно содержит:For example, an ORC plant powered by biomass typically contains:

камеру сгорания, питаемую горючей биомассой;a combustion chamber fed by combustible biomass;

теплообменник, обеспечивающий передачу части тепла от паров и газов сгорания к теплопередающей текучей среде (например, диатермическому маслу), передаваемой по промежуточному контуру;a heat exchanger that transfers part of the heat from the vapors and combustion gases to a heat transfer fluid (for example, diathermic oil) transmitted through an intermediate circuit;

теплообменник, обеспечивающий передачу части тепла от промежуточной теплопередающей текучей среды к рабочей текучей среде, предназначенной для испарения;a heat exchanger that transfers part of the heat from the intermediate heat transfer fluid to the working fluid intended for evaporation;

турбину, питаемую рабочей текучей средой в парообразном состоянии; иa turbine fed with a working fluid in a vapor state; and

электрогенератор, приводимый в действие турбиной для производства электроэнергии.an electric generator driven by a turbine for generating electricity.

В камере сгорания теплопередающая текучая среда, например, диатермическое масло, нагревается обычно до температуры, равной примерно 300°C. Теплопередающая текучая среда циркулирует по замкнутому контуру, проходя через упомянутый теплообменник, в котором обеспечена возможность испарения органической рабочей текучей среды. Рабочая текучая среда в парообразном состоянии расширяется в турбине, производя механическую энергию, которую после преобразуют в электрическую посредством генератора, соединенного с валом этой турбины. При завершении соответствующего расширения, рабочая текучая среда в парообразном состоянии конденсируется в соответствующем конденсаторе, отдавая тепло охлаждающей текучей среде, обычно воде, применяемой в выпускном потоке упомянутой установки в качестве теплоносителя при температуре 80°C-90°C, например, для центрального теплоснабжения. Рабочую текучую среду подают в теплообменник, через который проходит теплопередающая текучая среда, что обеспечивает замыкание цикла.In a combustion chamber, a heat transfer fluid, such as diathermic oil, is usually heated to a temperature of about 300 ° C. The heat transfer fluid circulates in a closed loop, passing through said heat exchanger, in which the evaporation of the organic working fluid is provided. The working fluid in the vapor state expands in the turbine, producing mechanical energy, which is then converted into electrical energy by means of a generator connected to the shaft of this turbine. Upon completion of the corresponding expansion, the working fluid in the vapor state condenses in the corresponding condenser, giving off heat to the cooling fluid, usually water, used in the outlet stream of the said installation as a coolant at a temperature of 80 ° C-90 ° C, for example, for district heating. The working fluid is fed to a heat exchanger through which the heat transfer fluid passes, which provides a loop closure.

В целом, настоящее изобретение может быть применено в циклах Ренкина (ORC типа или же парового типа), в циклах Калины или в производственных процессах в целом, включающих расширение рабочей текучей среды, в случаях, когда значение изоэнтропического перепада энтальпии турбины велико по отношению к квадрату скорости вращения турбины - то есть, согласно настоящему изобретению, в случаях, когда значение перепада энтальпии в турбине, вращающейся со скоростью 1500 оборотов в минуту (и, таким образом, обеспеченной возможностью соединения напрямую с четырехполюсным электрогенератором с частотой 50 Гц) составляет более 40 кДж/кг или 160 кДж/кг для турбины, вращающейся со скоростью 3000 оборотов в минуту и так далее; и, в частности, может быть применено в циклах, характеризующихся большим значением коэффициента объемного расширения рабочей текучей среды, то есть более 50 согласно настоящему изобретению.In General, the present invention can be applied in Rankine cycles (ORC type or steam type), in Kalina cycles or in production processes in general, including the expansion of the working fluid, in cases where the value of the isentropic differential of the enthalpy of the turbine is large relative to the square turbine rotation speed - that is, according to the present invention, in cases where the enthalpy drop in a turbine rotating at a speed of 1500 rpm (and thus provided with the ability to connect directly to etyrehpolyusnym electric generator with a frequency of 50 Hz) is more than 40 kJ / kg and 160 kJ / kg for a turbine rotating at 3000 rpm and so on; and, in particular, can be applied in cycles characterized by a large value of the coefficient of volume expansion of the working fluid, that is, more than 50 according to the present invention.

В турбинах с мощностью на валу около 20 МВт предпочтительно применение так называемой «консольной» конструкции, при которой подшипники, обеспечивающие опору вала, расположены в той же части относительно вала, где расположен отвод выработанной энергии. В сущности, это является более простым решением с точки зрения реализации, требующим лишь одно вращающееся уплотнение, и также является экономически выгодным и более просто в обслуживании в сравнении с решением, в котором ротор расположен между подшипниками.In turbines with a shaft power of about 20 MW, it is preferable to use the so-called "cantilever" design, in which the bearings supporting the shaft are located in the same part relative to the shaft where the generated energy is located. In essence, this is a simpler solution from the point of view of implementation, requiring only one rotating seal, and is also cost-effective and easier to maintain in comparison with the solution in which the rotor is located between the bearings.

В патентных документах WO 2010/106569 и WO 2010/106570, принадлежащих заявителю, раскрыты консольные конструкции.In patent documents WO 2010/106569 and WO 2010/106570, owned by the applicant, console structures are disclosed.

В патентном документе EP 2699767, принадлежащем Exergy S.p.A., описана радиальная центробежная турбина для применения в органических циклах Ренкина.Patent Document EP 2699767, owned by Exergy S.p.A., describes a radial centrifugal turbine for use in Rankine organic cycles.

В патентном документе WO 2013/108099, также принадлежащем заявителю, описан третий вид конструкции турбины, которая может быть рассмотрена как ближайший аналог настоящего изобретения. В частности, в WO 2013/108099 описана турбина только с одним валом, в которой текучая среда расширяется на радиальных центробежных ступенях и осевых ступенях последовательно. Между радиальными ступенями и осевой ступенью расположена по меньшей мере одна решетка лопаток, называемых угловыми лопатками, обеспечивающих изменение направления движения рабочей текучей среды. Перепад энтальпии рабочей текучей среды, расширяющейся через угловые лопатки, составляет по меньшей мере 50% от среднего перепада энтальпии, соответствующего завершению расширения текучей среды во всей турбине. С конструктивной точки зрения, радиальные ступени могут быть установлены на валу на одном конце, и осевые ступени могут проходить по существу консольным способом так, что турбина имеет чрезвычайно малый размер в сравнении с прочими известными решениями, а подшипники, редуктор и электрогенератор установлены на той же стороне и легко доступны для проведения технического обслуживания. С термодинамической точки зрения, эта конструкция обеспечивает больший перепад энтальпии в узле угловых лопаток и на осевых лопатках, следующих за ней.The patent document WO 2013/108099, also owned by the applicant, describes a third type of turbine design, which can be considered as the closest analogue of the present invention. In particular, WO 2013/108099 describes a turbine with only one shaft in which a fluid expands in radial centrifugal stages and axial stages in series. Between the radial steps and the axial stage, at least one lattice of blades, called corner blades, providing a change in the direction of movement of the working fluid is located. The differential enthalpy of the working fluid expanding through the corner vanes is at least 50% of the average differential enthalpy corresponding to the completion of the expansion of the fluid throughout the turbine. From a structural point of view, radial steps can be mounted on the shaft at one end, and the axial steps can be carried out in a substantially cantilever manner so that the turbine is extremely small in comparison with other known solutions, and the bearings, gearbox and generator are mounted on the same side and easily accessible for maintenance. From a thermodynamic point of view, this design provides a greater enthalpy difference in the node of the corner blades and on the axial blades following it.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в раскрытии турбины с малым размером и консольной конструкцией, конструктивно простой и отличающейся распределением перепада энтальпии по оптимальному количеству ступеней и высокой эффективностью ступеней первого расширения рабочей текучей среды, на которых объемный расход текучей среды обычно мал, и высокая эффективность труднодостижима.The technical problem to which the present invention is directed is the disclosure of a turbine with a small size and cantilever design, structurally simple and characterized by the distribution of the enthalpy difference in the optimal number of stages and high efficiency of the stages of the first expansion of the working fluid, at which the volumetric flow rate of the fluid is usually small , and high efficiency is elusive.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы раскрыть турбину, которая механически устойчива и обладает низкой стоимостью, а также обеспечивает возможность эффективной компенсации осевого усилия, прикладываемого ротором к валу.Another objective of the present invention is to disclose a turbine that is mechanically stable and has a low cost, and also provides the ability to effectively compensate for the axial force exerted by the rotor on the shaft.

Таким образом, настоящее изобретение в своем первом аспекте относится к турбине согласно пункту 1 формулы изобретения.Thus, the present invention in its first aspect relates to a turbine according to paragraph 1 of the claims.

В частности, настоящее изобретение относится к турбине для расширения сжимаемой рабочей текучей среды, например газа или пара, которая содержит множество ступеней, образованных решетками статорных и роторных лопаток. Турбина предпочтительно содержит только один вал, на который опираются решетки роторных лопаток. Очевидно, что статорные лопатки опираются на неподвижную часть турбины, например на ее кожух.In particular, the present invention relates to a turbine for expanding a compressible working fluid, for example a gas or steam, which comprises a plurality of stages formed by stator and rotor blade grids. The turbine preferably contains only one shaft, on which the lattices of the rotor blades rest. Obviously, the stator blades rest on the stationary part of the turbine, for example on its casing.

Упомянутый вал имеет продольную ось X-X, являющуюся осью вращения, и радиально опирается на по меньшей мере два подшипника. В случае необходимости, может быть также обеспечено наличие одного или более упорного подшипника.The said shaft has a longitudinal axis X-X, which is the axis of rotation, and is radially supported by at least two bearings. If necessary, one or more thrust bearings may also be provided.

По меньшей мере одна группа ступеней, называемых центробежными ступенями, проходит в направлении по существу радиальном относительно оси X-X, что обеспечивает возможность центробежного расширения рабочей текучей среды.At least one group of steps, called centrifugal steps, extends in a direction substantially radial with respect to the X-X axis, which allows centrifugal expansion of the working fluid.

Турбина предпочтительно содержит группу ступеней, называемых центростремительными ступенями и проходящих в радиальном направлении относительно оси X-X. На центростремительных ступенях рабочая текучая среда испытывает первое расширение в центростремительном направлении. Кроме того, все решетки роторных лопаток своими концами прикреплены к ротору, но не на участке между подшипниками, то есть, согласно так называемой консольной конструкции, особенно преимущественно обеспечивая тем самым возможность проведения технического обслуживания.The turbine preferably contains a group of steps, called centripetal steps and extending in the radial direction relative to the axis X-X. On centripetal steps, the working fluid experiences a first expansion in the centripetal direction. In addition, all the lattices of the rotor blades are attached at their ends to the rotor, but not in the area between the bearings, that is, according to the so-called cantilever design, especially mainly providing thereby the possibility of maintenance.

Предлагаемое решение обеспечивает возможность достижения высокой эффективности без усложнения конструкции турбины, которая остается простой в обслуживании и стоимость производства которой остается низкой. В сущности, добавление центростремительных ступеней выше по потоку от центробежных ступеней, где объемный расход рабочей текучей среды обычно средний, обеспечивает возможность осуществления первого расширения в радиально наружном положении, но только не сильно выходящем за пределы соответствующего положения на первых центробежных ступенях, что обеспечивает сохранение высокой эффективности, поскольку среднее значение диаметра проходного сечения влечет за собой сравнительно большую высоту лопаток. Таким образом, так называемые вторичные потери и потери от утечек на концах лопаток или в соответствующем лабиринтном уплотнении являются допустимыми; при этом турбина сохраняет компактность и устойчивость, поскольку центростремительные ступени проходят по существу радиально с минимальными габаритами в осевом направлении. В упомянутой турбине использование располагаемого перепада энтальпии является более эффективным, чем в решениях, известных из уровня техники и в которых избыточен коэффициент расширения одной из ступени ступеней и/или избыточна аэродинамическая нагрузка на лопатки; при этом предлагаемое решение обеспечивает возможность распределения перепада энтальпии по большему числу ступеней, практически с такими же габаритами, как в известных решениях.The proposed solution provides the ability to achieve high efficiency without complicating the design of the turbine, which remains easy to maintain and whose production cost remains low. In fact, the addition of centripetal steps upstream of the centrifugal steps, where the volumetric flow rate of the working fluid is usually average, allows the first expansion to be carried out in a radially outward position, but only not much beyond the corresponding position on the first centrifugal steps, which ensures high efficiency, since the average value of the diameter of the bore entails a relatively large height of the blades. Thus, the so-called secondary losses and leakage losses at the ends of the blades or in the corresponding labyrinth seal are permissible; however, the turbine maintains compactness and stability, since centripetal steps extend essentially radially with minimum dimensions in the axial direction. In the said turbine, the use of the available enthalpy difference is more efficient than in solutions known from the prior art and in which the expansion coefficient of one of the stage stages is excessive and / or the aerodynamic load on the blades is excessive; at the same time, the proposed solution provides the possibility of distributing the enthalpy difference over a larger number of steps, with practically the same dimensions as in the known solutions.

Эти преимущества особенно очевидны в случае, когда турбина задействована в цикле, отличающемся высоким (относительно скорости вращения) перепадом энтальпии, в частности более 40 кДж на килограмм рабочей текучей среды, применяемой в агрегате со скоростью вращения 1500 оборотов в минуту.These advantages are especially evident when the turbine is involved in a cycle characterized by a high (relative to rotational speed) enthalpy drop, in particular more than 40 kJ per kilogram of working fluid used in the unit at a speed of 1500 revolutions per minute.

Кроме того, центробежные ступени расположены снаружи, то есть на диаметре большем, чем диаметр узла, составленного из вала и подшипников; это обеспечивает возможность частичного разбора турбины, например посредством частичного снятия вала и/или подшипников для доступа к другим роторным дискам, а также возможность проведения осмотров или технического обслуживания без необходимости полного разбора турбины.In addition, centrifugal steps are located outside, that is, at a diameter larger than the diameter of the assembly composed of the shaft and bearings; this makes it possible to partially disassemble the turbine, for example by partially removing the shaft and / or bearings to access other rotor disks, as well as the possibility of inspections or maintenance without having to completely disassemble the turbine.

Другим преимуществом предлагаемого решения является то, что центростремительные ступени оказывают малое влияние на осевое усилие, прикладываемое к валу, то есть они не увеличивают его существенно в сравнении с прочими ступенями, что обеспечивает возможность сохранения простоты конструкции упорных подшипников.Another advantage of the proposed solution is that centripetal steps have a small effect on the axial force applied to the shaft, that is, they do not significantly increase it in comparison with other steps, which makes it possible to maintain the simplicity of the design of thrust bearings.

В турбине, в зависимости от ее размеров, содержится, например, от 1 до 10 центростремительных ступеней.In a turbine, depending on its size, for example, from 1 to 10 centripetal steps are contained.

Решетки роторных лопаток центростремительных ступеней предпочтительно установлены на первом опорном диске, который в свою очередь прикреплен к валу, при этом решетки роторных лопаток центробежных ступеней установлены на втором опорном диске. Второй опорный диск прикреплен к концу вала, а первый опорный диск прикреплен ко второму опорному диску, на который он опирается. Эта компоновка не только особенно компактна, но и обеспечивает возможность осуществления вышеупомянутой консольной конструкции.The lattices of the rotor blades of the centripetal steps are preferably mounted on the first support disk, which in turn is attached to the shaft, while the lattices of the rotor blades of the centrifugal steps are mounted on the second support disk. The second support disk is attached to the end of the shaft, and the first support disk is attached to the second support disk on which it rests. This arrangement is not only particularly compact, but also enables the implementation of the aforementioned cantilever design.

В предпочтительном варианте осуществления второй опорный диск и вал, а также первый опорный диск и второй опорный диск соединены посредством самоцентрирующихся V-образных зубьев, выполненных на этих компонентах.In a preferred embodiment, the second support disk and shaft, as well as the first support disk and the second support disk are connected by self-centering V-shaped teeth made on these components.

Второй опорный диск предпочтительно присоединен к одному концу вала с увеличенным поперечным сечением и расположен в промежуточном положении между этим концом и подшипниками.The second support disk is preferably attached to one end of the shaft with an enlarged cross section and is located in an intermediate position between this end and the bearings.

В одном из вариантов осуществления между центростремительными ступенями и центробежными ступенями выполнен по существу U-образный в меридиональном сечении канал. Этот U-образный канал частично определен первым опорным диском, и частично - кожухом турбины или другим неподвижным компонентом. В этом U-образном канале рабочая текучая среда меняет направление своего расширения на обратное.In one of the embodiments between the centripetal steps and the centrifugal steps is made essentially U-shaped in the meridional section of the channel. This U-shaped channel is partially defined by the first support disk, and partially by the casing of the turbine or other fixed component. In this U-shaped channel, the working fluid reverses its direction of expansion.

Также возможны и другие варианты осуществления турбины. Например, в одном из вариантов осуществления ниже по потоку (относительно направления расширения) от центробежных ступеней могут быть выполнены одна или более осевые ступени, проходящие в осевом направлении относительно оси X-X и обеспечивающие возможность осевого расширения рабочей текучей среды.Other turbine embodiments are also possible. For example, in one embodiment, downstream (relative to the direction of expansion) from the centrifugal stages, one or more axial stages can be made extending in the axial direction relative to the X-X axis and allowing axial expansion of the working fluid.

В дополнение или в качестве альтернативы, выше по потоку (относительно направления расширения рабочей среды) от центростремительных ступеней могут быть выполнены одна или более дополнительные центробежные ступени. В этом случае, решетки роторных лопаток центробежных ступеней могут быть установлены ниже по потоку от центростремительных ступеней, например на втором опорном диске.In addition or alternatively, one or more additional centrifugal steps can be made upstream (relative to the direction of expansion of the fluid) from the centripetal steps. In this case, the lattices of the rotor blades of the centrifugal stages can be installed downstream of the centripetal stages, for example, on the second supporting disk.

В одном из вариантов осуществления, содержащих осевые ступени, решетки роторных лопаток этих ступеней опираются на первый опорный диск, то есть на тот же диск, на котором установлены роторные лопатки центробежных ступеней. Одна и более решетки роторных лопаток осевых ступеней могут опираться на третий опорный диск, прикрепленный к концу вала с увеличенным поперечным сечением на стороне, противоположной первому опорному диску.In one embodiment containing axial stages, the lattices of the rotor blades of these stages are supported on the first support disk, that is, on the same disk on which the rotor blades of the centrifugal stages are mounted. One or more lattices of the rotor blades of the axial stages can rest on a third support disk attached to the end of the shaft with an enlarged cross section on the side opposite to the first support disk.

Например, на центростремительных и центробежных ступенях может быть обеспечен подвод или отбор рабочей текучей среды. Аналогичным образом, подвод или отбор рабочей текучей среды может быть обеспечен на центробежных и осевых ступенях.For example, at centripetal and centrifugal steps, the supply or selection of the working fluid can be provided. Similarly, the supply or selection of the working fluid can be provided on centrifugal and axial steps.

Другая задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы раскрыть способ расширения рабочей текучей среды в турбине, обеспечивающий возможность оптимизации распределения перепада энтальпии текучей среды по различным ступеням турбины с сохранением компактности конструкции турбины и простоты технического обслуживания.Another objective of the present invention is to disclose a method of expanding a working fluid in a turbine, which allows optimizing the distribution of the differential enthalpy of the fluid in different stages of the turbine while maintaining the compactness of the turbine design and ease of maintenance.

Таким образом, настоящее изобретение в своем втором аспекте относится к способу расширения сжимаемой рабочей текучей среды, например газа или пара, в турбине, согласно пункту 14 формулы изобретения.Thus, the present invention in its second aspect relates to a method for expanding a compressible working fluid, such as gas or steam, in a turbine according to claim 14.

В частности упомянутый способ содержит этапы, на которых:In particular, said method comprises the steps of:

- подготавливают турбину согласно настоящему изобретению, то есть имеющую вышеописанные характеристики;- prepare the turbine according to the present invention, that is, having the above characteristics;

- подают рабочую текучую среду в турбину и осуществляют по меньшей мере одно первое расширение в центростремительном направлении, изменяют направление текучей среды на обратное и осуществляют второе расширение в центробежном направлении.- feed the working fluid into the turbine and carry out at least one first expansion in the centripetal direction, reverse the direction of the fluid and carry out the second expansion in the centrifugal direction.

Преимущества, обеспечиваемые упомянутым способом совпадают с преимуществами вышеописанной турбины.The advantages provided by the above method coincide with the advantages of the turbine described above.

Рабочая текучая среда предпочтительно имеет органическую природу и ее расширение осуществляется в цикле Ренкина или же в цикле Калины или в термодинамическом цикле в целом, обеспечивающем расширение рабочей текучей среды. В качестве альтернативного варианта, упомянутый способ может относиться к расширению любой текучей среды в любом процессе, например в процессе сжижения и/или регазификации натурального газа.The working fluid is preferably of an organic nature and its expansion takes place in the Rankine cycle or in the Kalina cycle or in the thermodynamic cycle as a whole, which allows the expansion of the working fluid. Alternatively, the aforementioned method may relate to the expansion of any fluid in any process, for example, in the process of liquefaction and / or regasification of natural gas.

Упомянутое решение описано выше посредством раскрытия характеризующих его вариантов осуществления без учета превышения общего располагаемого перепада энтальпии и превышения порогового значения, характеризующего турбину без учета осевой части, то есть порогового значения «коэффициента изоэнтропы k», как описано далее.Said solution is described above by disclosing the embodiments characterizing it without taking into account the excess of the total disposable enthalpy drop and the threshold value characterizing the turbine without taking into account the axial part, that is, the threshold value of the “isentropic coefficient k”, as described below.

В целом, под «коэффициентом изоэнтропы k» ступени подразумевается соотношениеIn general, by the “isentropic coefficient k” of a step is meant the ratio

k(is)=Δh(is)/(u2/2), k (is) = Δh (is ) / (u 2/2),

где Δh(is) - изоэнтропийный перепад энтальпии, доступный на этой ступени, а u - окружная скорость решетки роторных лопаток на этой ступени, рассчитанная для среднего значения диаметра этой решетки.where Δh (is) is the isoentropic enthalpy drop available at this stage, and u is the peripheral speed of the rotor blade lattice at this stage, calculated for the average diameter of this lattice.

Вышеупомянутое характеризующее пороговое значение рассчитывается следующим образом:The above characterizing threshold value is calculated as follows:

(2) k'(is)=Δh(is, rad)/(u1 2/2), (2) k '(is) = Δh (is, rad) / (u 1/2 2),

где Δh(is, rad) - полный перепад энтальпии, происходящий на радиальных ступенях турбины, вычисленный, как разница между полным перепадом энтальпии в турбине и перепадом энтальпии, происходящим на осевом участке ниже по потоку от радиального участка, а u1 - окружная скорость, вычисленная для среднего значения диаметра первой осевой ступени.where Δh (is, rad) is the total enthalpy drop occurring at the turbine radial steps, calculated as the difference between the total enthalpy drop in the turbine and the enthalpy drop occurring in the axial section downstream of the radial section, and u 1 is the peripheral speed, calculated for the average diameter of the first axial stage.

Пороговое значение, соответствующее предлагаемому решению и рассчитанное по формуле (2), преимущественно равно 7 (семи).The threshold value corresponding to the proposed solution and calculated by the formula (2) is mainly equal to 7 (seven).

Фактически, в описанном способе оценки радиальные ступени рассмотрены не по отдельности, а рассмотрены их характеристики в целом с учетом физического лимита на количество ступеней, размещенных последовательно. Соответствующие энтальпии следует рассматривать, как общие энтальпии и не как статичные энтальпии.In fact, in the described evaluation method, the radial steps are not considered separately, but their characteristics are considered in general, taking into account the physical limit on the number of steps placed in series. Corresponding enthalpies should be considered as general enthalpies and not as static enthalpies.

Если рассматривать предлагаемое решение в качестве модификации известной из уровня техники радиально-осевой турбины, вычисление порогового значения может быть выполнено посредством известных методов с учетом особенностей рабочей текучей среды турбины, соответствующих рабочих параметров и условий на впуске и выпуске турбины (поддающихся измерению); причем полный перепад энтальпии в осевой части может быть вычислен посредством точного измерения геометрических характеристик осевых решеток или из соответствующих файлов системы автоматизированного проектирования (включающих данные о решетке угловых лопаток, обеспечивающих изменение направления потока с радиального на осевое, при ее наличии).If we consider the proposed solution as a modification of the prior art radial-axis turbine, the calculation of the threshold value can be performed using known methods, taking into account the characteristics of the working fluid of the turbine, the corresponding operating parameters and conditions at the inlet and outlet of the turbine (measurable); moreover, the total enthalpy difference in the axial part can be calculated by accurately measuring the geometric characteristics of the axial lattices or from the corresponding files of the computer-aided design system (including data on the lattice of angular blades, providing a change in the direction of flow from radial to axial, if any).

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Дополнительные особенности настоящего изобретения очевидны из дальнейшего описания, сопровождающегося ссылками на приложенные чертежи, на которых:Additional features of the present invention are apparent from the following description, followed by links to the attached drawings, in which:

на фиг. 1 показано частичное поперечное сечение первого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 1 shows a partial cross section of a first embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 2 показано частичное поперечное сечение второго варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 2 shows a partial cross section of a second embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 3 показано частичное поперечное сечение третьего варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 3 shows a partial cross section of a third embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 4 показано частичное поперечное сечение четвертого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 4 shows a partial cross section of a fourth embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 4А на виде в аксонометрии показана деталь с фиг. 4;in FIG. 4A is a perspective view of a detail of FIG. four;

на фиг. 5 показано частичное поперечное сечение пятого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 5 shows a partial cross section of a fifth embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 6 показано частичное поперечное сечение шестого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 6 shows a partial cross section of a sixth embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 7 показано частичное поперечное сечение седьмого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 7 shows a partial cross section of a seventh embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 8 показано частичное поперечное сечение восьмого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 8 shows a partial cross section of an eighth embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 9 показано частичное поперечное сечение девятого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению;in FIG. 9 shows a partial cross section of a ninth embodiment of a turbine according to the present invention;

на фиг. 10 показано частичное поперечное сечение десятого варианта осуществления турбины согласно настоящему изобретению.in FIG. 10 shows a partial cross section of a tenth embodiment of a turbine according to the present invention.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг. 1 на виде в частичном осесимметричном сечении показана турбина 1 (согласно настоящему изобретению) для расширения сжимаемой рабочей текучей среды, например, органической текучей среды в цикле Ренкина.In FIG. 1 is a partially axially symmetric cross-sectional view showing a turbine 1 (according to the present invention) for expanding a compressible working fluid, for example an organic fluid in a Rankine cycle.

Упомянутая турбина содержит вал 2, продольная ось вращения которого обозначена, как X-X, наружный кожух 3 (или спиральный кожух) и множество ступеней расширения.Said turbine comprises a shaft 2, the longitudinal axis of rotation of which is designated as X-X, outer casing 3 (or spiral casing) and a plurality of expansion steps.

В частности, турбина 1 содержит группу центростремительных ступеней 4, обеспечивающих возможность осуществления первого расширения рабочей текучей среды в радиальном направлении к оси X-X, и группу центробежных ступеней 5, обеспечивающих возможность осуществления второго расширения рабочей текучей среды в радиальном направлении от оси X-X.In particular, the turbine 1 contains a group of centripetal steps 4, providing the possibility of the first expansion of the working fluid in the radial direction to the X-X axis, and a group of centrifugal steps 5, which allows the second expansion of the working fluid in the radial direction from the X-X axis.

Центростремительные ступени 4 и центробежные ступени 5 образованы решетками статорных лопаток и решетками роторных лопаток. Например, статорные и роторные лопатки двух решеток ступени 4 и 5 показаны с числовым обозначением 41, 42 и 51, 52 соответственно.Centripetal steps 4 and centrifugal steps 5 are formed by stator blade grids and rotor blade grids. For example, the stator and rotor blades of two gratings of steps 4 and 5 are shown with a numerical designation 41, 42 and 51, 52, respectively.

Центростремительные ступени 4 отличаются увеличивающимся наклоном лопаток с приближением к оси Х-Х. Таким образом, обеспечено ограничение значения движущей составляющая скорости единицы массы в процессе изменения направления расширении потока на обратное перед его вхождением в центробежные ступени 5. В частности, сначала движущая составляющая является радиально центростремительной, после - осевой (в середине упомянутого процесса изменения направления на обратное), и в конце - центробежной.The centripetal steps 4 are characterized by an increasing inclination of the blades as they approach the axis XX. Thus, the value of the driving component of the velocity of the mass unit is limited in the process of changing the direction of flow expansion to the opposite direction before it enters the centrifugal stages 5. In particular, at first the moving component is radially centripetal, then axial (in the middle of the process of reversing direction) , and at the end - centrifugal.

Изменение направления на обратное осуществляется в канале 6. Непосредственно выше по потоку от канала 6 могут быть выполнены статорные лопатки с функцией выпрямления потока перед упомянутым изменением направления.The change of direction to the opposite is carried out in the channel 6. Directly upstream from the channel 6, stator blades can be made with the function of straightening the flow before the change in direction.

Роторные или статорные реверсивные лопатки могут также быть выполнены и в канале 6, в котором осуществляется изменение направления потока с центростремительного на центробежное на соответствующей решетке, выполненной вращающейся или неподвижной. В данном случае, решетки как роторного, так и статорного типов отличаются тем, что коэффициент расширения (в отношении давления) превышает 10% от значения среднего коэффициента расширения всех радиальных ступеней, включая вышеупомянутые реверсивные решетки, таким образом, что упомянутое расширение обеспечивает вращение потока, что обеспечивает снижение потерь.Rotor or stator reversible vanes can also be made in the channel 6, in which the flow direction is changed from centripetal to centrifugal on the corresponding lattice, made rotating or stationary. In this case, the gratings of both rotor and stator types are characterized in that the expansion coefficient (with respect to pressure) exceeds 10% of the average expansion coefficient of all radial stages, including the aforementioned reversible gratings, so that the said expansion allows rotation of the flow, which provides loss reduction.

Роторные решетки центростремительных ступеней 4 и центробежных ступеней 5 установлены на соответствующих опорных дисках 7 и 8 в соответствие с упомянутой консольной конструкцией.Rotor lattices of centripetal steps 4 and centrifugal steps 5 are mounted on the respective supporting disks 7 and 8 in accordance with the cantilever structure.

Вал 2 опирается по меньшей мере на два подшипника 9 таким образом, что конец 21 упомянутого вала, имеющий утолщенное относительно центральной части упомянутого вала сечение, проходит относительно подшипников 9 консолеобразно. Кроме того, все роторные решетки 42, 52 и прочие решетки различных ступеней 4, 5 опираются на конец 21 упомянутого вала и расположены между опорными дисками 7 и 8.The shaft 2 is supported by at least two bearings 9 in such a way that the end 21 of said shaft, having a section thickened with respect to the central part of said shaft, extends cantilever with respect to the bearings 9. In addition, all rotor lattices 42, 52 and other lattices of various stages 4, 5 are based on the end 21 of the shaft and are located between the supporting disks 7 and 8.

В частности опорный диск 7 присоединен к концу 21 вала 2 посредством самоцентрирующихся V-образных зубьев, как и диск 8, который прикреплен к диску 7 также посредством самоцентрирующихся V-образных зубьев.In particular, the support disk 7 is attached to the end 21 of the shaft 2 by means of self-centering V-shaped teeth, as is the disk 8, which is also attached to the disk 7 by means of self-centering V-shaped teeth.

На практике такая конструкция обеспечивает возможность частичного разбора турбины 1 посредством снятия вала 2 с подшипников 9 и «вскрытия» ступеней 4 и 5.In practice, this design makes it possible to partially disassemble the turbine 1 by removing the shaft 2 from the bearings 9 and “opening” the stages 4 and 5.

Диск 8 содержит лабиринтное уплотнение 10 относительно спирального кожуха, что обеспечивает ограничение текучей среды под избыточным давлением и образование камеры A; причем, эта камера выполнена с возможностью быть соединенной с остальными частями турбины 1 или установкой, в которой функционирует турбина 1 (то есть, выпускным отверстием турбины или же конденсатора, в цикле Ренкина) при соответствующем пониженном давлении для обеспечения компенсации осевой нагрузки на диски 7 и, следовательно, на соответствующие роторные решетки.The disk 8 contains a labyrinth seal 10 relative to the spiral casing, which ensures the restriction of the fluid under excessive pressure and the formation of chamber A; moreover, this chamber is configured to be connected to the remaining parts of the turbine 1 or to an installation in which the turbine 1 operates (i.e., the outlet of the turbine or condenser, in the Rankine cycle) at a corresponding reduced pressure to provide axial load compensation on the disks 7 and therefore to the corresponding rotor grilles.

Упомянутое соединение камеры A может быть осуществлено напрямую через соответствующие отверстия, например отверстия H или K (обозначения соответствуют различным возможным решениям), или же может быть осуществлено через один или более каналов, которые также могут быть выполнены с клапанным управлением для регулирования компенсационного эффекта (управление входными клапанами предпочтительно обеспечивает возможность управления впускным и выпускным давлениями турбины, величиной нагрузки на вал, величиной осевой нагрузки на подшипники и текущим значением вырабатываемой мощности).The mentioned connection of chamber A can be made directly through the corresponding holes, for example, holes H or K (designations correspond to various possible solutions), or it can be made through one or more channels, which can also be made with valve control to regulate the compensation effect (control the inlet valves preferably provide the ability to control the inlet and outlet pressures of the turbine, the magnitude of the load on the shaft, the magnitude of the axial load on the bearings and current value of generated power).

В качестве дополнительного варианта, лабиринт Z может отсутствовать, и в этом случае камера A соединена напрямую с выпуском через отверстие S.As an additional option, the labyrinth Z may be absent, in which case chamber A is connected directly to the outlet through opening S.

Как показано на фиг. 1, между лабиринтами Q и R расположена камера B, подвод к которой обеспечен посредством отверстия Y, расположенного в соответствующем положении на траектории расширения.As shown in FIG. 1, a chamber B is located between the labyrinths Q and R, the supply to which is provided through an opening Y located in the corresponding position on the expansion trajectory.

На фиг. 2 показан второй вариант осуществления, дополнительно содержащий (в сравнении с турбиной 1 с фиг. 1) осевые ступени 11, расположенные ниже по потоку от центробежных ступеней 5. Между центробежными ступенями 5 и осевыми ступенями 11 выполнены лопатки 12, называемые угловыми, статорными или роторными лопатками, которые предпочтительно аналогичны лопаткам, описанным в патентном документе WO 2013/108099.In FIG. 2 shows a second embodiment, additionally containing (in comparison with the turbine 1 of FIG. 1) axial stages 11 located downstream of the centrifugal steps 5. Between the centrifugal steps 5 and the axial steps 11 there are blades 12, called angular, stator or rotor blades, which are preferably similar to the blades described in patent document WO 2013/108099.

Кроме того, роторные решетки осевых ступеней 11 установлены на опорном диске 7.In addition, the rotor grilles of the axial stages 11 are installed on the supporting disk 7.

Также, ниже по потоку от осевой ступени выполнен лабиринт 10bis, при этом упомянутый канал ниже по потоку от осевых ступеней снабжен внутренним кольцом W, обеспечивающим возможность эффективного распределения восстановленной части кинетической энергии на выходе осевой решетки. Также, посредством отверстий J обеспечено сохранение значения давления в камере C на уровне значения выпускного давления.Also, a labyrinth 10bis is made downstream of the axial stage, while the said channel downstream of the axial steps is provided with an inner ring W, which makes it possible to efficiently distribute the recovered part of the kinetic energy at the exit of the axial lattice. Also, through the openings J, the pressure in the chamber C is maintained at the level of the outlet pressure.

На фиг. 3 показан вариант осуществления, содержащий еще одну осевую ступень 13 (в сравнении с турбиной 1 с фиг. 2). Осевая ступень 13 опирается на другой диск 14, прикрепленный непосредственно к концу 21 вала 2 посредством V-образных зубьев с другой стороны относительно диска 7.In FIG. 3 shows an embodiment comprising another axial stage 13 (in comparison with turbine 1 of FIG. 2). The axial stage 13 rests on another disk 14, attached directly to the end 21 of the shaft 2 by means of V-shaped teeth on the other side relative to the disk 7.

На фиг. 4 показан еще один вариант осуществления, дополнительно содержащий (в сравнении с вариантом осуществлением, показанным на фиг. 3), статорную решетку 15 выше по потоку от центростремительных роторных ступеней 4. Статорная решетка 15 оснащена направляющими лопатками с различными углами наклона, как и в известных из уровня техники решениях, что обеспечивает изменение площадей каналов между лопаток для воздействие на расход текучей среды, проходящей через турбину.In FIG. 4 shows another embodiment, further comprising (in comparison with the embodiment shown in FIG. 3), the stator grill 15 upstream of the centripetal rotor stages 4. The stator grill 15 is equipped with guide vanes with different angles of inclination, as in the known prior art solutions that provide a change in the area of the channels between the blades to affect the flow rate of the fluid passing through the turbine.

Дополнительной причиной наличия статорной решетки с переменным углом наклона является возможность быстрой остановки потока текучей среды через турбину в случае непредвиденного выключения нагрузки (например, в подключенном к турбине генераторе переменного тока). По этой же причине, решетка лопаток с переменным углом наклона может быть добавлена выше по потоку от центростремительных статорных, а не роторных лопаток.An additional reason for the presence of a stator array with a variable angle of inclination is the ability to quickly stop the flow of fluid through the turbine in the event of an unexpected shutdown of the load (for example, in an alternating current generator connected to the turbine). For the same reason, a lattice of blades with a variable angle of inclination can be added upstream from centripetal stator, rather than rotor blades.

Это решение позволяет избежать увеличения скорости вращения вала турбины вследствие упомянутого выключения нагрузки прежде чем соответствующие клапана турбины, расположенные выше по потоку, смогут обеспечить отсечение потока и до направления потока по каналам в турбине при завершении расширения.This solution avoids the increase in the speed of rotation of the turbine shaft due to the aforementioned shutdown of the load before the corresponding turbine valves located upstream can cut off the flow even to the direction of flow through the channels in the turbine when expansion is completed.

На фиг. 5 показан вариант осуществления, дополнительно содержащий (в сравнении с вариантом осуществления, показанным на фиг. 3) камеру P для подвода или отбора рабочей текучей среды, добавляемой или отбираемой через подводящий или отводящий канал 16 ниже по потоку от центробежных ступеней 5 и выше по потоку от угловых лопаток 12.In FIG. 5 shows an embodiment further comprising (in comparison with the embodiment shown in FIG. 3) a chamber P for supplying or withdrawing a working fluid added or withdrawn through an inlet or outlet channel 16 downstream of centrifugal stages 5 and upstream from the corner blades 12.

На фиг. 6 показан шестой вариант осуществления турбины 1, содержащий (в изображенном примере) пять центробежных ступеней 5, угловые лопатки 12, осевые ступени 13 и радиальных выпуск для рабочей текучей среды. В этом варианте осуществления вал 2 проходит со стороны, противоположной стороне подвода рабочей текучей среды, который в упомянутой турбине осуществлен спереди, то есть в осевом направлении.In FIG. 6 shows a sixth embodiment of a turbine 1 comprising (in the illustrated example) five centrifugal stages 5, corner vanes 12, axial stages 13 and a radial outlet for the working fluid. In this embodiment, the shaft 2 extends from the side opposite to the supply side of the working fluid, which is carried out in the said turbine in front, i.e. in the axial direction.

Перегородка F отделяет камеру L (не отмечена на чертежах), приведенную в сообщение с областью низкого давления, так, что по аналогии с вышеупомянутыми вариантами осуществления обеспечивается возможность компенсации осевой нагрузки.The partition F separates the chamber L (not marked in the drawings) shown in communication with the low-pressure region, so that, by analogy with the aforementioned embodiments, the axial load can be compensated.

На фиг. 7 показан седьмой вариант осуществления, в котором текучая среда входит в турбину спереди в осевом направлении, и в котором выше по потоку от центростремительных ступеней 4 выполнены дополнительные центробежные ступени 18.In FIG. 7 shows a seventh embodiment in which the fluid enters the turbine in front in the axial direction, and in which additional centrifugal steps 18 are made upstream of the centripetal steps 4.

На фиг. 8 показан восьмой вариант осуществления, оснащенный центростремительными ступенями 4, центробежными ступенями 18, 5 и осевыми ступенями. Как показано на соответствующем чертеже, в дополнении к уже упомянутому соединению P, возможность подвода или отбора текучей среды обеспечивают дополнительные соединения, обозначенные на чертежах буквами M и N.In FIG. 8 shows an eighth embodiment equipped with centripetal steps 4, centrifugal steps 18, 5, and axial steps. As shown in the corresponding drawing, in addition to the already mentioned connection P, additional connections indicated in the drawings by the letters M and N provide the possibility of supplying or withdrawing a fluid.

На фиг. 9 показан девятый вариант осуществления, отличающийся от первого варианта осуществления тем, что в канале 6 расположены прикрепленные к спиральному кожуху 3 статорные лопатки Si, обеспечивающие возможность изменения направления расширения рабочей текучей среды с радиально центростремительного на радиально центробежное.In FIG. 9 shows a ninth embodiment, which differs from the first embodiment in that the stator vanes S i attached to the spiral casing 3 are arranged in the channel 6, which makes it possible to change the direction of expansion of the working fluid from radially centripetal to radially centrifugal.

На фиг. 10 показан десятый вариант осуществления изобретения, отличающийся от первого варианта осуществления тем, что в канале 6 расположены прикрепленные к диску 8 роторные лопатки Ri, обеспечивающие возможность изменения направления расширения рабочей текучей среды с радиально центробежного на радиально центростремительное.In FIG. 10 shows a tenth embodiment of the invention, which differs from the first embodiment in that the rotor blades R i attached to the disk 8 are located in the channel 6, which makes it possible to change the direction of expansion of the working fluid from radially centrifugal to radially centripetal.

Claims (29)

1. Турбина (1) для расширения сжимаемой рабочей текучей среды, например газа или пара, содержащая множество ступеней (4, 5), образованных решетками статорных лопаток (41, 51) и решетками роторных лопаток (42, 52), и опорный вал (2), обеспечивающий опору для решеток роторных лопаток (42, 52), причем вал (2) имеет продольную ось Х-Х вращения и в свою очередь опирается на по меньшей мере два подшипника, при этом в радиальном направлении относительно оси Х-Х проходит по меньшей мере одна группа ступеней (5), называемых центробежными ступенями, что обеспечивает возможность центробежного расширения рабочей текучей среды,1. A turbine (1) for expanding a compressible working fluid, for example gas or steam, containing a plurality of stages (4, 5) formed by stator vane lattices (41, 51) and rotor vane lattices (42, 52), and a support shaft ( 2) providing support for the rotor blade grids (42, 52), and the shaft (2) has a longitudinal axis of rotation XX and in turn is supported by at least two bearings, while in the radial direction relative to axis XX passes at least one group of steps (5), called centrifugal steps, which provides ozhnost centrifugal expansion of the working fluid, отличающаяся тем, что содержит группу ступеней (4), называемых центростремительными ступенями, проходящих в радиальном направлении относительно оси Х-Х для обеспечения возможности начального расширения рабочей текучей среды в центростремительном направлении,characterized in that it contains a group of steps (4), called centripetal steps, extending in the radial direction relative to the axis XX to allow initial expansion of the working fluid in the centripetal direction, при этом все решетки роторных лопаток (42, 52) прикреплены к упомянутому валу на его конце, но не на участке между упомянутыми подшипниками.however, all the lattices of the rotor blades (42, 52) are attached to the said shaft at its end, but not in the area between the said bearings. 2. Турбина (1) по п. 1, в которой вал (2) представляет собой единственный вал, причем число центростремительных ступеней (4) составляет от 1 до 10.2. The turbine (1) according to claim 1, in which the shaft (2) is a single shaft, and the number of centripetal steps (4) is from 1 to 10. 3. Турбина (1) по п. 1 или 2, в которой роторные решетки (42) центростремительных ступеней (4) установлены на первом опорном диске (8), и роторные решетки (52) центробежных ступеней (5) установлены на втором опорном диске (7), причем второй опорный диск (7) прикреплен к концу вала (2), и первый опорный диск (8) прикреплен ко второму опорному диску (7) и опирается на него.3. The turbine (1) according to claim 1 or 2, in which the rotor lattices (42) of the centripetal steps (4) are installed on the first support disk (8), and the rotor lattices (52) of the centrifugal steps (5) are installed on the second support disk (7), the second supporting disk (7) being attached to the end of the shaft (2), and the first supporting disk (8) attached to the second supporting disk (7) and resting on it. 4. Турбина (1) по п. 3, в которой упомянутый второй опорный диск и упомянутый вал, а также упомянутый второй опорный диск и упомянутый первый опорный диск соединены посредством самоцентрирующихся V-образных зубьев.4. The turbine (1) according to claim 3, wherein said second support disk and said shaft, as well as said second support disk and said first support disk are connected by self-centering V-shaped teeth. 5. Турбина (1) по п. 3, в которой второй опорный диск (7) присоединен к одному концу вала (2) с увеличенным поперечным сечением в промежуточном положении между этим концом и упомянутыми подшипниками.5. The turbine (1) according to claim 3, in which the second supporting disk (7) is attached to one end of the shaft (2) with an enlarged cross section in the intermediate position between this end and the said bearings. 6. Турбина (1) по п. 3, в которой между центростремительными ступенями (4) и центробежными ступенями (5) выполнен по существу U-образный в меридиональном сечении канал (6), образованный первым опорным диском (8) и частично кожухом (3) турбины, причем в этом канале рабочая текучая среда меняет свое направление расширения на обратное.6. The turbine (1) according to claim 3, in which between the centripetal steps (4) and the centrifugal steps (5) a channel (6) is essentially U-shaped in the meridional section, formed by the first support disk (8) and partially a casing ( 3) turbines, and in this channel the working fluid changes its direction of expansion to the opposite. 7. Турбина по п. 6, в которой в канале (6) выполнен узел (Si) статорных лопаток или узел (Ri) роторных лопаток.7. The turbine according to claim 6, in which the node (S i ) of the stator blades or the node (R i ) of the rotor blades is made in the channel (6). 8. Турбина (1) по п. 1, в которой ниже по потоку от центробежных ступеней (5) относительно направления расширения выполнены одна или более ступеней, называемых осевыми ступенями, которые проходят в осевом направлении относительно оси Х-Х и обеспечивают возможность осуществления осевого расширения рабочей текучей среды, и/или8. The turbine (1) according to claim 1, in which one or more stages are made downstream of the centrifugal steps (5) with respect to the direction of expansion, called axial steps, which extend in the axial direction relative to the x-axis and allow axial expansion of the working fluid, and / or в которой выше по потоку от центростремительных ступеней относительно направления расширения рабочей текучей среды выполнены одна или более дополнительных центробежных ступеней.in which one or more additional centrifugal steps are made upstream of the centripetal stages relative to the direction of expansion of the working fluid. 9. Турбина (1) по п. 8, в которой роторные решетки осевых ступеней опираются по меньшей мере на один второй опорный диск (7) и опционально на третий опорный диск, прикрепленный к одному из концов вала с увеличенным поперечным сечением со стороны, противоположной второму опорному диску (7).9. The turbine (1) according to claim 8, in which the rotary gratings of the axial stages are supported by at least one second support disk (7) and optionally by a third support disk attached to one of the shaft ends with an enlarged cross section from the side opposite second support disk (7). 10. Турбина (1) по п. 8 или 9, в которой роторные решетки центробежных ступеней установлены на упомянутом втором опорном диске ниже по потоку от центростремительных ступеней.10. The turbine (1) according to claim 8 or 9, in which the rotor lattices of the centrifugal steps are mounted on said second support disk downstream of the centripetal steps. 11. Турбина (1) по любому из пп. 1, 2, 4-9, в которой на центростремительных ступенях (4) и центробежных ступенях (5) обеспечен подвод или отбор рабочей текучей среды.11. Turbine (1) according to any one of paragraphs. 1, 2, 4-9, in which at the centripetal steps (4) and centrifugal steps (5) the supply or selection of the working fluid is provided. 12. Турбина (1) по любому из пп. 8, 9, в которой k'(is) больше или равен 7 (семи), причем12. Turbine (1) according to any one of paragraphs. 8, 9, in which k ' (is) is greater than or equal to 7 (seven), and k'(is)=Δh(is,rad)/(u1 2/2), k '(is) = Δh ( is, rad) / (u 1/2 2), где Δh(is, rad) - общий перепад энтальпии, происходящий на радиальных ступенях (4, 5), вычисленный, как разница между общим перепадом энтальпии турбины (1) и перепадом энтальпии, происходящим на осевых ступенях (11) ниже по потоку от радиальных ступеней (5), и u1 - окружная скорость, вычисленная для среднего диаметра первой осевой ступени.where Δh ( is , rad ) is the total enthalpy drop occurring at the radial stages (4, 5), calculated as the difference between the total turbine enthalpy drop (1) and the enthalpy drop occurring at the axial steps (11) downstream of the radial steps (5), and u 1 is the peripheral speed calculated for the average diameter of the first axial stage. 13. Турбина (1) по любому из пп. 1, 2, 4-9, дополнительно содержащая выше по потоку от первой ступени регулирующую статорную решетку, обеспечивающую возможность регулировки расхода рабочей текучей среды, причем регулирующая статорная решетка оснащена лопатками (15) с переменным углом наклона, обеспечивающими возможность изменения проходного сечения для рабочей текучей среды в турбине и, следовательно, регулирования расхода от минимального значения, близкого к нулю, до максимального значения.13. The turbine (1) according to any one of paragraphs. 1, 2, 4-9, additionally containing upstream from the first stage of the regulating stator lattice, providing the ability to adjust the flow rate of the working fluid, and the regulating stator lattice is equipped with vanes (15) with a variable angle of inclination, providing the possibility of changing the flow area for the working fluid medium in the turbine and, therefore, regulating the flow from a minimum value close to zero to a maximum value. 14. Способ расширения сжимаемой рабочей текучей среды, например газа или пара, в турбине (1), содержащий этапы, на которых:14. A method of expanding a compressible working fluid, such as gas or steam, in a turbine (1), comprising the steps of: - обеспечивают наличие турбины по любому из пп. 1-13;- provide a turbine according to any one of paragraphs. 1-13; - подают рабочую текучую среду в турбину и осуществляют по меньшей мере одно первое расширение в центростремительном направлении, изменяют направление текучей среды на обратное и осуществляют второе расширение в центробежном направлении.- feed the working fluid into the turbine and carry out at least one first expansion in the centripetal direction, reverse the direction of the fluid and carry out the second expansion in the centrifugal direction. 15. Способ по п. 14, дополнительно включающий в себя один или более следующих этапов, на которых:15. The method according to p. 14, further comprising one or more of the following steps, in which: - подводят или отбирают рабочую текучую среду в области (6) изменения направления на обратное;- let down or select the working fluid in the area (6) change direction to the opposite; - осуществляют центробежное расширение рабочей текучей среды выше по потоку от центростремительного расширения на соответствующих начальных центробежных ступенях;- carry out centrifugal expansion of the working fluid upstream of the centripetal expansion at the corresponding initial centrifugal stages; - отклоняют рабочую текучую среду ниже по потоку от последнего центробежного расширения и осуществляют расширение в осевом направлении;- divert the working fluid downstream from the last centrifugal expansion and carry out the expansion in the axial direction; - отклоняют рабочую текучую среду ниже по потоку от последнего центробежного расширения и осуществляют расширение в осевом направлении с удовлетворением следующих условий:- reject the working fluid downstream from the last centrifugal expansion and carry out the expansion in the axial direction with the following conditions: k'(is)≥7,k ' (is) ≥7, k'(is)=Δh(is, rad)/(u1 2/2), k '(is) = Δh ( is, rad) / (u 1/2 2), где Δh(is, rad) - общий перепад энтальпии, происходящий на радиальных ступенях (4, 5), вычисленный, как разница между общим перепадом энтальпии турбины (1) и перепадом энтальпии, происходящим на осевых ступенях (11) ниже по потоку от радиальных ступеней (5), и u1 - средняя окружная скорость первой осевой ступени.where Δh (is, rad) is the total enthalpy drop occurring at the radial stages (4, 5), calculated as the difference between the total turbine enthalpy drop (1) and the enthalpy drop occurring at the axial steps (11) downstream of the radial steps (5), and u 1 is the average peripheral speed of the first axial stage.
RU2016145255A 2014-06-12 2015-04-22 Turbine and method for expansion of working fluid RU2657061C1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ITBS20140110 2014-06-12
ITBS2014A000110 2014-06-12
PCT/IB2015/052937 WO2015189718A1 (en) 2014-06-12 2015-04-22 Turbine and method for expanding an operating fluid

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2657061C1 true RU2657061C1 (en) 2018-06-08

Family

ID=51265737

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016145255A RU2657061C1 (en) 2014-06-12 2015-04-22 Turbine and method for expansion of working fluid

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3155225B1 (en)
JP (1) JP2017526844A (en)
CA (1) CA2943477C (en)
RU (1) RU2657061C1 (en)
WO (1) WO2015189718A1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITUA20163292A1 (en) 2016-05-10 2017-11-10 Turboden Srl MIXED OPTIMIZED FLOW TURBINE
CN109139121A (en) * 2018-08-30 2019-01-04 上海理工大学 A kind of combined turbine
IT201800021292A1 (en) * 2018-12-28 2020-06-28 Turboden Spa AXIAL TURBINE WITH TWO POWER LEVELS

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US796721A (en) * 1904-06-18 1905-08-08 Louisa Heilmann Reversing turbine.
DE720938C (en) * 1940-06-20 1942-05-20 Siemens Ag Radial centrifugal machine, preferably steam or gas turbine
RU2271460C2 (en) * 2003-11-03 2006-03-10 Юрий Михайлович Агафонов Gas-turbine turbofan engine
WO2013108099A2 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 Turboden S.R.L. Method and turbine for expanding an organic operating fluid in a rankine cycle

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR522996A (en) * 1919-06-13 1921-08-09 Leon Metais Improvements to radial steam or pressurized fluid turbines
GB1127660A (en) * 1966-09-17 1968-09-18 Rolls Royce Gas turbine jet propulsion engine
IT1393309B1 (en) 2009-03-18 2012-04-20 Turboden Srl PERFORMANCE WITH A TURBINE FOR GAS / STEAM EXPANSION
IT1393310B1 (en) 2009-03-18 2012-04-20 Turboden Srl TURBINE FOR EXPANDED GAS / STEAM EXPANSION
ITMI20110684A1 (en) 2011-04-21 2012-10-22 Exergy Orc S R L PLANT AND PROCESS FOR ENERGY PRODUCTION THROUGH ORGANIC CYCLE RANKINE

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US796721A (en) * 1904-06-18 1905-08-08 Louisa Heilmann Reversing turbine.
DE720938C (en) * 1940-06-20 1942-05-20 Siemens Ag Radial centrifugal machine, preferably steam or gas turbine
RU2271460C2 (en) * 2003-11-03 2006-03-10 Юрий Михайлович Агафонов Gas-turbine turbofan engine
WO2013108099A2 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 Turboden S.R.L. Method and turbine for expanding an organic operating fluid in a rankine cycle

Also Published As

Publication number Publication date
CA2943477C (en) 2022-02-22
JP2017526844A (en) 2017-09-14
EP3155225B1 (en) 2018-05-23
WO2015189718A1 (en) 2015-12-17
CA2943477A1 (en) 2015-12-17
EP3155225A1 (en) 2017-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7160984B2 (en) Overhang turbine and generator system with turbine cartridge
JP2818268B2 (en) Single shaft combined cycle turbine
RU2578075C2 (en) Device and method of power generation by means of organic rankin cycle
JP6657250B2 (en) Multi-stage turbine, preferably for an organic Rankine cycle ORC plant
JP5981692B2 (en) Method and system for a variable geometry inlet nozzle adapted for use in a turboexpander
JP2011237033A (en) Curved labyrinth seal
CN100404794C (en) Steam turbine
JP2008248822A (en) Thermal power plant
KR20140116121A (en) Method and turbine for expanding an organic operating fluid in a rankine cycle
JP6483510B2 (en) Gas turbine manufacturing method
RU2657061C1 (en) Turbine and method for expansion of working fluid
US9228588B2 (en) Turbomachine component temperature control
EP3167158A1 (en) Turbine and method for expanding an operating fluid with high isentropic enthalpy jump
CN205101042U (en) Multistage ORC turbine that can construct again
RU2312992C2 (en) Steam turbine
RU2391516C2 (en) Steam-gas installation
WO2024083762A1 (en) Pressure compounded radial flow re-entry turbine
JP2018127919A (en) Steam turbine system
JP2014181571A (en) Steam turbine