Способ работы турбомашины балабановича малой мощности и устройство для его реализации (турбомашина балабановича малой мощности)

007359 Изобретение относится к области энергетики, и в частности к турбомашинам малой мощности,применяемым для использования невостребованного потенциала рабочего тела, теряемого с дросселированием на промышленно-отопительных котельных, ТЭЦ, газораспределительных пунктах и станциях. Известен способ работы турбомашины малой мощности путем расширения рабочего тела в одной ступени турбомашины малой мощности, реализованной на основе применения радиально-осевой ступени (РОС) (Паровая турбина высоких оборотов: Рекламный проспект/PBS Велка Битеш а.s. - Прага, 1998.- 8 с.). Недостатками способа с РОС и устройства, его реализующего, являются низкие надежность, экономичность и большая металлоемкость. Причинами этих недостатков являются следующие: повышенная частота вращения рабочего колеса турбомашины, что обуславливает применение редуктора, пожароопасной маслосистемы, неизбежность масляного охлаждения ее подшипников, а также применение системы охлаждения масла; имеется большая вероятность разрушения рабочего колеса РОС при отказе защиты от разгона, так как при этом заброс оборотов ротора достигает немногим менее удвоенных от расчетных. Например, у турбины Брненского турбинного завода (Чехия) типа "STG" расчетный уровень оборотов ее ротора составляет 28000 об./мин и заброс оборотов для нее будет более 50000 об./мин, что приведет к разрушению такой турбомашины; наличие в корпусе только одной ступени расширения и смещение фикспункта относительно точки пересечения плоскости, проходящей через середину колеса, с осью вращения приводит к возможности зацепа колеса о корпус, а также к дополнительным напряжениям в материале корпуса при изменении его теплового состояния; выполнение фикспункта корпуса на значительном расстоянии от точки пересечения плоскости,проходящей через середину колеса, с осью вращения приводит к повышенным потерям от утечек рабочего тела через осевые зазоры между корпусом и колесом из-за значительных их величин; организация расширения рабочего тела и конструкционное выполнение и расположение одной ступени расширения в РОС приводят к необходимости охлаждения вала перед подшипниками путем дополнительной подачи на концевые уплотнения корпуса специально приготовленного охлаждающего рабочего тела, а также к значительным осевым усилиям на ротор; повышенные потери энергии с выходной скоростью за рабочим колесом турбомашины с РОС, которые обусловлены повышенной частотой вращения ее ротора; значительные потери энергии потока рабочего тела с дросселированием, что вызвано возможностью использования в одной турбомашине не более одного потока дросселируемого рабочего тела; расходование части произведенной энергии на собственные нужды турбомашины с РОС, связанное с работой маслосистемы и системы охлаждения масла. Кроме того, к недостаткам способа работы турбомашины с РОС следует отнести ее большую металлоемкость, которая обусловлена применением в ее схеме редуктора, маслосистемы, а также системы охлаждения масла. Известен также способ работы турбомашины малой мощности путем расширения рабочего тела в одной ступени, реализованной на основе применения двухвенечной ступени скорости (СТС) (Блочные турбогенераторные установки с противодавлением: Технические условия/В.В. Пряхин, B.C. Варварский,В.И. Кирюхин, А.В. Шеколдин. - М.: Калуга, 1997. - 49 с.). Недостатками способа с СТС и устройства, его реализующего, являются низкие надежность и экономичность, а также большая металлоемкость. Низкая надежность способа обусловлена повышенной частотой вращения ротора с СТС и связанным с этим применением редуктора, пожароопасной маслосистемы, неизбежностью масляного охлаждения ее подшипников, а также применением системы охлаждения масла. Низкая надежность способа связана также с большой вероятностью разрушения рабочего колеса СТС при отказе защиты от разгона, так как при этом заброс оборотов ротора достигает немногим менее удвоенных от расчетных. У калужской турбины типа "Кубань-0,65", выполненной на 8800 об./мин, такой заброс будет составлять около 15000 об./мин. Это приведет к разрушению ротора такой турбины. Большая металлоемкость способа с применением СТС обусловлена наличием редуктора, маслосистемы, а также системы охлаждения масла, так только турбоустановка "Кубань-0,65" имеет массу 12,5 т, а ее запас масла составляет 800 л. Способу работы турбомашины с СТС и реализующему его устройству присущи также все вышеперечисленные недостатки способа и устройства с РОС. Задачей изобретения является создание способа и устройства, лишенных указанных недостатков, а также обеспечение возможности достижения технического результата, выражающегося в повышении надежности, экономичности и снижении металлоемкости турбомашины при заявленном способе ее работы. Поставленная задача решена тем, что в турбомашине, включающей ступени расширения рабочего тела, рабочее колесо осевого типа, образующее ротор с валом, лежащим в опорах подшипников, каналы впуска и выпуска рабочего тела, выполненные в корпусе с концевыми уплотнениями и со шпонками,образующими фикспункт, новым является то, что ступени равного расширения рабочего тела по тепло-1 007359 перепаду образованны поворотно-сопловыми каналами со входным и выходным горловым участками и размещены по обе стороны рабочего колеса, при этом в корпусе размещены дополнительные ступени расширения части потока рабочего тела с каналом его отвода, а шпонки, образующие фикспункт корпуса, расположены на пересечении оси вращения ротора с перпендикулярной ей плоскостью, проходящей через середину колеса, опоры корпуса и опоры подшипников объединены общей рамой. При этом поворотно-сопловые каналы могут выполняться с разделительно-направляющими стенками, размещенными между их входной и выходной горловой частями. Рабочее колесо турбины выполнено с цельно фрезерованными рабочими лопатками (межлопаточные каналы выфрезерованы в теле диска рабочего колеса). Способ работы турбомашины малой мощности, включающий ступенчатое расширение рабочего тела на рабочем колесе, образующим ротор с валом, охлаждение колеса и вала перед опорами подшипников в корпусе с опорами, тепловое состояние которого изменяют с возможностью его тепловых расширений, заключается в том, что осуществляют поочередно встречное течение рабочего тела через ступени колеса и его равное по тепловому перепаду в них расширение, при этом частоту вращения колеса понижают путем многократного повторения на нем циклов расширения, вал охлаждают частью рабочего тела,которую предварительно подвергают дополнительному расширению, а тепловые расширения корпуса обеспечивают с возможностью их свободного осуществления в осевом и радиальном направлениях. Такой способ работы турбомашины малой мощности и ее конструкционное решение позволили достигнуть заявленный технический результат за счет того, что: понижение частоты вращения ротора увеличением числа ступеней турбомашины уменьшает растягивающие напряжения во всех ее вращающихся элементах, а также снижает потери трения в подшипниках, упрощая их охлаждение; пониженная частота вращения ротора турбомашины позволяет отказаться от применения редуктора для передачи вращающего момента приводимой машине и попутно исключить его маслосистему, а в ряде случаев и маслосистему подшипников за счет применения в них консистентной смазки; охлаждение вала отработавшим рабочим телом с низкой температурой после расширения его в дополнительных ступенях позволяет избежать необходимости дополнительной подачи на концевые уплотнения корпуса специально приготовленного охлаждающего рабочего тела; выполнение фикспункта корпуса в точке пересечения плоскости, перпендикулярной оси вращения и проходящей через середину колеса, уменьшает относительные удлинения (укорочения) ротора по отношению к статору, а применение раздельных опор корпуса и опор подшипников, объединенных общей рамой, исключает возможность возникновения значительных термических напряжений в корпусе при изменении его теплового состояния; снижаются потери в подшипниках из-за понижения частоты вращения ротора и снижается связанный с этим расход энергии на собственные нужды установки вследствие исключения маслосистемы и системы охлаждения масла; возможна организация промежуточных отборов рабочего тела после его расширения за любой ступенью расширения, что равноценно использованию в одной турбомашине нескольких потоков рабочего тела, потенциал которого теряется с дросселированием; выполнение рабочего колеса турбины с цельно фрезерованными рабочими лопатками снижает напряжения в их теле; радиальная установка лопаток по выходной кромке снижает напряжения в их корневых сечениях. Кроме этого, технический результат достигается за счет снижения потерь энергии с выходной скоростью потока рабочего тела за рабочим колесом, обусловленного ее использованием в промежуточных ступенях, а также вследствие понижения частоты вращения ротора, обусловленного размещением на одном колесе ступеней равного расширения, а снижение скоростей потока в ступенях равного расширения ведет к увеличению высоты лопаток рабочего колеса, снижению, за счет этого, концевых потерь энергии, потерь от утечек и потерь на трение диска и ленточного бандажа. Металлоемкость турбомашины понижается за счет исключения редуктора, маслосистемы и системы охлаждения воды для маслоохладителей, а также за счет реализации многоступенчатой турбины на одном колесе. Технический результат достигается и за счет того, что конструкционное выполнение турбомашины и организация ее работы позволяют использовать в ней основные преимущества многоступенчатых турбомашин, такие как явление возврата теплоты, малый относительный расход рабочего тела на холостой ход и др. Дополнительное расширение части потока рабочего тела в дополнительных ступенях снижает его температуру за машиной и в уплотнениях, что, в свою очередь, обеспечивает охлаждение колеса и вала перед подшипниками и исключает необходимость подачи в уплотнения специально приготовленного холодного рабочего тела, и повышая за счет этого надежность и экономичность работы турбомашины,попутно упрощаются требования к охлаждению подшипников вплоть до отказа в большинстве случаев от такового, что дополнительно повышает надежность за счет возможности применения подшипников качения с консистентной смазкой и отказа тем самым от применения подшипников скольжения, смазываемых маслом, чем повышается пожаробезопасность установки.-2 007359 Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема-развертка проточной части турбомашины; на фиг. 2 и 3 - схема выполнения ее фикспункта. Турбомашина малой мощности, реализующая способ, включает (фиг. 1) канал 1 впуска рабочего тела, рабочее колесо 2, ступени расширения рабочего тела с повторными подводами его к частям колеса 2, состоящие из поворотно-сопловых каналов 3 с входной частью 4 и выходной горловой частью 5 и размещенных между ними разделительно-направляющих стенок 6, канал 7 выпуска отработавшего рабочего тела, дополнительные ступени 8 расширения части потока рабочего тела с каналом 9 его отвода, корпус 10 с концевыми уплотнениями 11 (фиг. 2), горизонтальные шпонки-опоры 12 и вертикальную шпонку 13,корпус 10, опирающийся на общую жесткую раму 14, вал 15, лежащий в опорно-упорном подшипнике 16 и опорном подшипнике 17, размещенных в опорах 18, жестко связанных с рамой 14. Работа турбоустановки в пределах заявленного способа осуществляется следующим образом. Рабочее тело подводят в турбомашину по каналу 1 впуска к первой ступени расширения (на фигуре не отмечена), расширившись в которой, оно поступает на свою часть колеса 2, после которой направляют рабочее тело во входную часть последующего поворотно-соплового канала 3 для дальнейшего его равного (по теплоперепаду) расширения в выходной горловой части 5 с последующим подводом рабочего тела ко второй части колеса 2 и повтора процесса расширения в последующих ступенях с отводом основной части потока рабочего тела по каналу 7 выпуска. Оставшуюся часть потока рабочего тела подвергают дополнительному расширению путем направления ее в дополнительные ступени 8 расширения с отводом ее после расширения каналом 9 отвода. Таким образом понижают температуру этой части рабочего тела,обеспечивая тем самым охлаждение колеса 2 и вала 15 перед подшипниками 16 и 17, уменьшая попутно требования к их охлаждению. Объединение опор 18 подшипников 16 и 17 с опорами 19 корпуса 10 общей жесткой рамой 14 с одновременным размещением двух шпонко-опор 12 и вертикальной шпонки 13 на корпусе 10 в сечении колеса 2, проходящем через его середину, и получение тем самым фикспункта корпуса 10, лежащего в точке пересечения оси вращения ротора с плоскостью, перпендикулярной ей и проходящей через середину колеса 2, позволяет корпусу 10 осуществлять свободные расширения в осевом и радиальном направлениях при изменении его теплового состояния с одновременным сохранением неизменными величин осевых и радиальных зазоров (на чертежах не указаны) при изменении теплового состояния турбомашины. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Турбомашина малой мощности, включающая ступени расширения рабочего тела, рабочее колесо осевого типа, образующее ротор с валом, лежащим в опорах подшипников, каналы впуска и выпуска рабочего тела, выполненные в корпусе с опорами, концевыми уплотнениями и со шпонками, образующими фикспункт, отличающаяся тем, что ступени расширения рабочего тела выполнены с возможностью равного его расширения по теплоперепаду, и образованы поворотно-сопловыми каналами со входным и выходным горловым участками, и размещены по обе стороны рабочего колеса, при этом в корпусе размещены дополнительные ступени расширения части потока рабочего тела с каналом его отвода, а шпонки, образующие фикспункт корпуса, расположены на пересечении оси вращения ротора с перпендикулярной ей плоскостью, проходящей через середину колеса, опоры корпуса и опоры подшипников объединены общей рамой. 2. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что поворотно-сопловые каналы выполнены с разделительно-направляющими стенками, размещенными между их входной и выходной горловой частями. 3. Турбомашина по п.1, отличающаяся тем, что рабочее колесо турбины выполнено с цельно фрезерованными рабочими лопатками. 4. Способ работы турбомашины малой мощности, включающий ступенчатое расширение рабочего тела на рабочем колесе, образующем ротор с валом, охлаждение колеса и вала перед опорами подшипников в корпусе с опорами, тепловое состояние которого изменяют с возможностью его тепловых расширений, отличающийся тем, что осуществляют поочередно встречное течение рабочего тела через ступени колеса и его равное по тепловому перепаду в них расширение, при этом частоту вращения колеса понижают путем многократного повторения на нем циклов расширения, вал охлаждают частью рабочего тела, которую предварительно подвергают дополнительному расширению, а тепловые расширения корпуса обеспечивают с возможностью их свободного осуществления в осевом и радиальном направлениях.