ВЫСОКООБОРОТНЫЙ ТУРБОГЕНЕРАТОР С ПАРОВЫМ ПРИВОДОМ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в автономных энергетических установках малой электрической мощности (до 100 кВт).

Известна, например, паровая турбина компании «Турбопар» (http://www.turbopar.ru) малой мощности (100-250 кВт), предназначенная для утилизации избыточной энергии пара от парового котла и состоящая из корпуса, стопорного клапана, электрогенератора, ротор которого расположен на одном валу с рабочим колесом турбины.

Недостатком этого турбогенератора являются большая масса и габариты, которые обусловлены сравнительно малым числом оборотов ротора электрогенератора - 3000 об/мин.

Известен турбогенератор малой мощности (100 кВт) Elliott ТА-100 (http://stc-mtt.ru/publication). Это высокооборотный одновальный агрегат с частотой вращения ротора 68000 об/мин. Конструктивно он выполнен в едином корпусе, в котором установлен электрогенератор, ротор которого с четырьмя постоянными магнитами напрессован на вал. Наряду с прямым назначением - производством электроэнергии электрогенератор используется также в качестве стартера на начальном этапе запуска. Вал с колесами центробежного компрессора и центростремительной турбины, закрепленными при помощи сварки трением, установлен в статоре электрогенератора на двух опорах. Первой опорой является радиально-упорный подшипник качения с керамическими шариками, второй - гидродинамический подшипник скольжения. Для принудительного охлаждения статора, а также для охлаждения и смазки обоих подшипников турбогенератор оснащен специальной системой смазки. Турбогенератор имеет камеру сгорания, продукты сгорания которой являются рабочим телом турбины.

Недостатком известного турбогенератора является:

- сложность конструкции;

- большой момент сопротивления вращению вала в момент его страгивания с неподвижного состояния, создаваемый гидродинамическими подшипниками скольжения, стальные лепестки которых, прижатые к поверхности вала, скользят по его опорной в режиме сухого трения (без смазки), что требует перевода электрогенератора в начальный момент запуска в стартерный режим и усложнения программы запуска турбогенератора;

- камера сгорания, работающая на газовом топливе, является потенциально взрывоопасной;

- однорядный керамический шариковый подшипник воспринимает радиальную и двухсторонние осевые нагрузки, что снижает его надежность;

- масляная система охлаждения элементов турбогенератора сама оснащена воздушной системой охлаждения ее масляного радиатора, а при наличии высокотемпературной камеры сгорания является к тому же и пожароопасной.

Прототипом изобретения является турбогенератор центростремительной влажно-паровой турбины (патент РФ №134239), имеющий вертикальное исполнение и состоящий из корпуса (основной корпус турбины и корпус электрогенератора), установленного в нем статора и ротора на газодинамических подшипниках скольжения, проточной части, состоящей из соплового аппарата и из рабочих лопаток (лопаток), расположенных на рабочем колесе турбины, закрепленном на консольном участке вала, а также конденсатора, герметично соединенных в единую конструкцию.

Недостатками турбогенератора центростремительной влажно-паровой турбины являются:

- большой момент сопротивления вращению вала, создаваемый силами трения, возникающими при прижатии упругих лепестков двух радиальных газодинамических подшипников скольжения к шейкам вала и к двум торцевым поверхностям пяты упорного подшипника в момент страгивания вала с неподвижного состояния при запуске, вызывает необходимость применения стартерного запуска турбогенератора;

- лепестки газодинамических подшипников скольжения на начальном этапе запуска (до 10000 об/мин) подвержены интенсивному трению, что приводит к снижению надежности их работы при многократных запусках турбогенератора;

- недостаточная эффективность жидкостного охлаждения электрогенератора с прямолинейными каналами в его корпусе и отсутствие воздушной системы охлаждения.

Задачей изобретения является создание надежного высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности для выработки электрической энергии мощностью до 100 кВт, не нуждающимся в стартерном запуске.

Техническим результатом предлагаемого высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности является:

- снижение сил трения в подшипниках вала турбогенератора на начальном этапе запуска в результате замены трех газодинамических подшипников скольжения на два керамических подшипника качения: спаренный подшипник турбины, состоящий из двух радиально-упорных закрытых с пластичной смазкой керамических шариковых радиально-упорных подшипников и радиальный закрытый с пластичной смазкой керамический шариковый подшипник электрогенератора, что уменьшает момент сопротивления сил трения вращению вала турбогенератора и создает условия для его безстартерного запуска;

- фиксация в обе стороны осевого смещения вала турбогенератора за счет обеспечения неподвижного положения подшипника турбины в корпусе, а вала турбогенератора относительно подшипника, благодаря чему сохраняются постоянными минимальные лабиринтные зазоры между тыльной стороной рабочего колеса турбины и корпусами турбины и подшипника турбины, что в свою очередь минимизирует утечки пара мимо лопаток рабочего колеса турбины;

- повышение эффективности охлаждения электрогенератора за счет применения комбинированной - жидкостной и воздушной системы охлаждения;

- повышение надежности работы подшипников турбогенератора за счет разгрузки от перепада давлений подшипника турбины и подвижности подшипника электрогенератора в корпусе;

- повышение КПД турбогенератора и надежности электрогенератора вследствие, соответственно, исключения утечек пара мимо лопаток рабочего колеса турбины и в область токонесущих элементов электрогенератора.

Технический результат изобретения достигается с помощью:

- высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности, состоящим из проточной части, включающей рабочее колесо турбины с установленными на нем лопатками, соплового аппарата турбины, электрогенератора, спаренного подшипника турбины, установленного в корпусе неподвижно, и подшипника электрогенератора, установленного в корпусе подвижно, кроме этого содержит комбинированную систему охлаждения;

- высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности, включающего комбинированную систему охлаждения электрогенератора, состоящую из рубашки жидкостного охлаждения статора, выполненной в виде спиральных каналов, и воздушной системы охлаждения статора и ротора электрогенератора, включающей центробежную вентиляционную крыльчатку;

- высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности, содержащего вакуумную камеру, соединенную через кольцевую щель, образованную поверхностями корпусов подшипника турбины и промежуточным корпусом турбины и соединенную с одной стороны через кольцевые лабиринтные уплотнения между поверхностями втулки вала и корпусом подшипника турбины и тыльной стороны рабочего колеса турбины с кольцевой камерой под подшипником турбины, а с другой стороны соединенную через лабиринтные уплотнения между тыльной стороной рабочего колеса турбины и промежуточным корпусом турбины с кольцевым зазором между наружным диаметром рабочего колеса турбины и сопловым аппаратом турбины.

В свою очередь, вакуумная камера посредством вывода сообщена с вакуумным насосом;

- высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности, у которого в корпусе подшипника турбины выполнены вертикальные и горизонтальные каналы.

На фиг. 1 представлен продольный разрез высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности, на фиг. 2 - вид А высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности, на фиг. 3 - поперечный разрез Б-Б, на фиг. 4 - поперечный разрез В-В, на фиг. 5 - поперечный разрез Г-Г, на фиг. 6 - поперечный разрез Д-Д, на фиг. 7 - выносной элемент АЕ, на фиг. 8 - опытный образец изобретения в составе мини когенерационной энергетической установки.

Высокооборотный турбогенератор (до 40 тыс. оборотов в минуту) с паровым приводом малой мощности состоит (фиг. 1) из вала турбогенератора 1, на котором установлены: рабочее колесо турбины 2 с лопатками 3, ротор электрогенератора 4, жестко установленный на валу турбогенератора центробежной вентиляционной крыльчатки 5 системы воздушного охлаждения, втулки вала 6, диска датчика числа оборотов 7 и датчика числа оборотов вала турбогенератора 8. Кроме этого, высокооборотный турбогенератор с паровым приводом малой мощности содержит также патрубок ввода пара 9, коллектор пара 10, сопловой аппарат турбины 11, основной корпус турбины 12, промежуточный корпус турбины 13, корпус подшипника турбины 14, в котором установлен (фиг. 1 и фиг. 7) спаренный подшипник турбины 15, состоящий из двух радиально-упорных закрытых с пластичной смазкой керамических шариковых радиально-упорных подшипников (далее «подшипник турбины»). Подшипник турбины 15 зафиксирован от осевого перемещения вдоль вала с одной стороны центробежной вентиляционной крыльчаткой 5, а с другой стороны - втулкой вала 6 (фиг. 7). В свою очередь перемещение подшипников турбины 15 совместно с валом турбогенератора 1 в осевом направлении ограничено с одной стороны упорной крышкой 16, которая болтами 17 соединена с промежуточным корпусом турбины 13, а с другой стороны выступом в корпусе подшипника турбины 14, что обеспечивает (гарантирует) неизменность зазора в процессе работы турбогенератора между тыльной стороной рабочего колеса турбины 2, с одной стороны, и промежуточным корпусом турбины 13 и корпусом подшипника турбины 14, с другой стороны.

Электрогенератор (на фиг. не обозначен) высокооборотного турбогенератора с паровым приводом малой мощности включает в себя (фиг. 1) корпус электрогенератора 18 с крышкой корпуса электрогенератора 19. На внешней боковой поверхности корпуса электрогенератора 18 расположена рубашка жидкостного охлаждения 20, выполненная в виде спиральных каналов трапецеидальной или прямоугольной резьбы, двух кольцевых камер 21 и 22 со штуцером подвода 23 и штуцером отвода 24 охлаждающей жидкости. В корпусе электрогенератора 18 неподвижно установлен статор (на фиг. не обозначен) электрогенератора, состоящий из сердечника статора 25, катушки 26 и выводов фаз 27.

В крышке корпуса электрогенератора 19 расположен корпус подшипника электрогенератора 28, в котором по наружной поверхности наружного кольца по скользящей посадке установлен радиальный закрытый с пластичной смазкой керамический шариковый подшипник электрогенератора (далее «подшипник электрогенератора») 29. По внутренней поверхности внутреннего кольца подшипник электрогенератора 29 установлен по переходной посадке на валу турбогенератора 1.

Сверху на корпусе электрогенератора 18 установлена крышка датчика числа оборотов вала турбогенератора 30. В крышке датчика числа оборотов вала турбогенератора 30 имеются радиальные отверстия 31 (фиг. 1, фиг. 3), предназначенные для прохода воздуха снаружи в камеру 32. Через отверстия 33 в корпусе подшипника электрогенератора 28 камера 32 соединяется с проточной камерой 34. Кроме этого, через отверстия 35 (фиг. 2 и фиг. 3) во фланце (на фиг. не обозначен) крышки датчика числа оборотов вала турбогенератора 30, а также в крышке корпуса электрогенератора 19 (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) проточная камера 34 соединена с окружающей средой. В свою очередь, проточная камера 34 через осевые пазы 36 в статоре и роторе электрогенератора сообщена с проточной камерой 37 (фиг. 1, фиг. 4).

Проточная камера 37 через отверстия 38 (фиг. 1) сообщается с окружающей средой, а через вертикальные каналы 39 (фиг. 1, фиг. 5, фиг. 6 и фиг. 7) и горизонтальные каналы 40 (фиг. 1, фиг. 6 и фиг. 7) сообщается с кольцевой камерой 41 под подшипником турбины 15. В свою очередь, кольцевая камера 41 (фиг. 1. фиг. 7) под корпусом подшипника турбины 14 через кольцевое лабиринтное уплотнение 42 между втулкой вала 6 и корпусом подшипника турбины 14 и далее через лабиринтное уплотнение 43 между тыльной стороной рабочего колеса турбины 2 и корпусом подшипника турбины 14, через кольцевую щель 44 между корпусом подшипника турбины 14 и промежуточным корпусом турбины 13 сообщена с вакуумной камерой 45. В свою очередь, вакуумная камера 45 посредством вывода 46 (фиг. 6) сообщена с вакуумным насосом (на фиг. не показан). Вакуумная камера 45 через кольцевую щель 44 (фиг. 7) соединена также через лабиринтное уплотнение 47 между тыльной стороной рабочего колеса турбины 2 и промежуточным корпусом турбины 13 с кольцевым зазором 48 (фиг. 7) между наружным диаметром рабочего колеса турбины 2 и сопловым аппаратом турбины 11.

Внешний вид турбогенератора представлен на фиг. 8 (поз. 49) в составе мини-когенерационной энергетической установки.

Высокооборотный турбогенератор с паровым приводом малой мощности работает следующим образом.

Пар от котла поступает (фиг. 1) через патрубок ввода пара 9 в коллектор пара 10, откуда, протекая через сопловой аппарат турбины 11 и расширяясь между лопатками 3 рабочего колеса турбины 2, в результате изменения количества движения поток пара создает крутящий момент, превосходящий момент сопротивления, создаваемый подшипниками турбины 15 и подшипником электрогенератора 29.

После страгивания с неподвижного состояния вала турбогенератора 1 (совместно с рабочим колесом турбины 2 и ротором электрогенератора 4) происходит рост его числа оборотов и в работу включается электрогенератор (на фиг. не обозначен), который через выводы фаз 27 передает электрический ток в выходной инвертор-преобразователь напряжения (на фиг. не обозначен). Контроль частоты вращения вала турбогенератора 1 осуществляется датчиком числа оборотов вала 8, в катушках которого диском датчика числа оборотов 7 наводится пропорциональная его скорости вращения электродвижущая сила.

Отработанный на лопатках 3 рабочего колеса турбины 2 пар направляется в приемный конденсатор (на фиг. не обозначен), после которого конденсат может быть использован для технологических нужд или в системе отопления.

Работа турбогенератора сопровождается возникновением на валу турбогенератора 1 знакопеременных осевых нагрузок, которые воспринимаются подшипником турбины 15, в котором каждый из радиально-упорных подшипников воспринимает осевые нагрузки во взаимно противоположных направлениях.

При возникновении на вале турбогенератора 1 осевой нагрузки, например направленной вверх, усилие через втулку вала 6, подшипник турбины 15, упорную крышку 16 и болты 17 передается на промежуточный корпус турбины 13. Осевое усилие противоположного направления - сверху вниз на промежуточный корпус турбины 13 передается с вала турбогенератора 1 через жестко на нем установленную центробежную вентиляционную крыльчатку 5 системы воздушного охлаждения, подшипник турбины 15 и через корпус подшипника турбины 14 также передается на промежуточный корпус турбины 13. Таким образом, силовые потоки от осевых нагрузок, возникающих на вале турбогенератора 1, замыкаются посредством подшипника турбины 15 на промежуточном корпусе турбины 13, а через него на основном корпусе турбины 12 и корпусе электрогенератора 18, в результате чего обеспечивается фиксация вала турбогенератора 1 от осевых перемещений.

Радиальные нагрузки, действующие на вал турбогенератора 1, воспринимает как подшипник турбины 15, так и подшипник электрогенератора 29, который, являясь подвижным в корпусе подшипника электрогенератора 28, при температурных изменениях длины вала турбогенератора 1 свободно (без заклинивания) перемещается в осевом направлении и воспринимает только радиальные нагрузки.

При работе электрогенератора в сердечнике ротора электрогенератора 4, сердечнике статора 25 и катушке 26 выделяется значительное количество тепловой энергии, которую отбирает комбинированная система охлаждения - жидкостная и воздушная.

В жидкостную систему охлаждения электрогенератора охлаждающая жидкость, например вода, под давлением от постороннего источника поступает через штуцер подвода 23 в кольцевую камеру 21, откуда движется по спиральным каналам рубашки жидкостного охлаждения 20 статора и из кольцевой камеры 22 поступает в штуцер отвода 24. Благодаря применению в системе охлаждения спиральных каналов повышается интенсивность конвективного теплообмена за счет увеличения коэффициента теплоотдачи в спиральных каналах. Кроме этого, в результате увеличения площади теплообмена в спиральных каналах по сравнению с прямолинейными каналами увеличивается количество теплоты, отбираемой от сердечника статора 25 и катушки 26 электрогенератора.

Дополнительную интенсификацию теплообмена обеспечивает воздушная система охлаждения, работа которой заключается в следующем. Центробежная вентиляционная крыльчатка 5 системы воздушного охлаждения при вращении вала турбогенератора 1 выбрасывает воздух из проточной камеры 37 через отверстия 38 в нижней части корпуса электрогенератора 18 (фиг. 1 и фиг. 5) наружу. При этом в проточной камере 37 создает разрежение с давлением р_в, благодаря которому под действием перепада давлений (Δр=р_атм-р_в) воздух изначально поступает снаружи через радиальные отверстия 31 в крышке датчика числа оборотов вала турбогенератора 30 (фиг. 1 и фиг. 3) в камеру 32, откуда через отверстия 33 в корпусе подшипника электрогенератора 28 - в проточную камеру 34. Наряду с этим в проточную камеру 34 воздух поступает также снаружи через отверстия 35 (фиг. 2, фиг. 3) во фланце крышки датчика числа оборотов вала турбогенератора 30 и крышке корпуса электрогенератора 19 (фиг. 1 и фиг. 3). Из проточной камеры 34 воздух протекает по осевым пазам 36 в статоре и роторе электрогенератора, по зазорам между обмотками катушки 26 статора (фиг. 4), откуда поступает в проточную камеру 37. Протекая по осевым пазам 36 в статоре и роторе электрогенератора, поток воздуха охлаждает сердечник статора 25 и ротор электрогенератора 4.

После охлаждения электрогенератора (на фиг. не обозначен) воздух истекает из проточной камеры 37 через отверстия 38 в окружающую среду. Одновременно, из проточной камеры 37 по вертикальным каналам 39 и горизонтальным каналам 40 (фиг. 1 и фиг. 7) воздух поступает в кольцевую камеру 41 под подшипником турбины 15, в результате чего давления в полостях проточной камеры 37 и кольцевой камере 41 выравниваются, поэтому манжеты подшипника турбины 15 оказываются разгруженными от перепада давлений воздуха, что гарантирует сохранность пластичной смазки в подшипнике турбины 15, благодаря чему повышается надежность и ресурс работы подшипника турбины 15.

Воздух под действием разрежения (фиг. 6, фиг. 7), создаваемого вакуумным насосом в вакуумной камере 45, из кольцевой камеры 41 движется через кольцевое лабиринтное уплотнение 42, лабиринтное уплотнение 43 и через кольцевую щель 44 поступает в вакуумную камеру 45. Такой путь движения воздуха исключает его поступление на лопатки 3 рабочего колеса турбины 2, что исключает утечки пара мимо лопаток 3 рабочего колеса турбины 2, и, тем самым, повышает КПД турбины. В свою очередь, пар из кольцевого зазора 48, образованного между наружным диаметром рабочего колеса турбины 2 и сопловым аппаратом турбины 11 через лабиринтное уплотнение 47, ограничивающее утечку пара, движется в кольцевую щель 44, откуда совместно с воздухом поступает в вакуумную камеру 45, что исключает попадание пара в проточную камеру 37 к токонесущим элементам электрогенератора. Из вакуумной камеры 45 с помощью вакуумного насоса паровоздушная смесь отсасывается в направлении по стрелке А через вывод 46 (фиг. 6) в атмосферу.

Заявленные задачи и технический результат могут быть осуществлены путем изготовления изобретения по чертежам, приведенным на фиг. 1-7, с последующими испытаниями и внедрением изобретения в эксплуатацию. К настоящему времени опытный образец турбогенератора изготовлен и прошел предварительные испытания в составе мини-когенерационной энергетической установки (см. фиг. 8, поз. 49).