Осевая турбина
Изобретение относится к области производства турбин. Предложен турбинный узел, содержащий осевую турбину, содержащую аксиально расположенную последовательность роторных секций 10, каждая из которых содержит внешнее кольцо 14 и роторные лопатки 2, при этом внешние кольца роторных секций соединяются для образования вращающегося внешнего корпуса, причем роторные секции выполнены из реакционно-связанного нитрида кремния. Турбинный узел содержит внешнюю оболочку 16, обеспечивающую конструкционную опору для осевой турбины, при этом внешняя оболочка выполнена из плотного нитрида кремния (DSN). В предложенной осевой турбине роторные секции 10 установлены на внутренней стороне внешней оболочки 16. Внешняя оболочка 16 и вращающийся внешний корпус (2, 4) выполнены с возможностью совместного вращения. Осевая турбина содержит аксиально расположенную последовательность статорных секций 12, содержащих внутреннюю ступицу 20 и статорные лопатки 6, при этом внутренние ступицы 20 статорных секций соединяются для образования стационарного вала 8. Изобретение позволяет повысить механическую прочность турбинного узла, а также повысить его рабочую температуру. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Описываемые устройства являются типичными образцами осевой турбины, содержащей керамические материалы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Осевая турбина является вращающейся машиной, которая получает полезную работу вала от движущейся текучей среды, которая подается в турбину обычно под высоким давлением и с высокой температурой и движется обычно аксиально вдоль устройства. Типичные осевые турбины используют общепринятую аэродинамику, в том числе стационарные (статорные) и вращающиеся (роторные) лопатки (причем лопатки обычно имеют аэродинамическую конструкцию), причем статоры преобразуют подаваемое давление в скорость вихревого движения, и роторы приобретают эту скорость благодаря аэродинамическим силам лопаток, действующим вследствие вращательного движения. Общепринято, что такие турбины состоят из многих ступеней чередующихся роторных и статорных секций, и что роторы прикреплены к вращающемуся центральному валу, а статоры прикреплены к стационарному корпусу. Эта общепринятая компоновка может быть названа компоновкой «с внутренним ротором», для обозначения того, что внутренние роторные секции вращаются, в то время как внешний корпус является стационарным.
В публикации WO 2013/113324 описана бесстаторная газовая турбина с вращающимся корпусом, причем роторы установлены на этом корпусе, а не на центральном валу (в некоторых вариантах осуществления, приведенных в этом документе, центральный вал может быть обеспечен в виде неподвижно закрепленного элемента). Это делает более осуществимым использование керамических материалов в роторных лопатках, поскольку это означает, что в то время как установленные на ступице роторные лопатки могут вследствие центробежной силы находиться под действием большого растягивающего напряжения, установленные на корпусе роторные лопатки могут вместо этого находиться под действием сжимающего напряжения. Такая компоновка может быть названа компоновкой «с внешним ротором», в отличие от описанной выше конструкции турбины «с внутренним ротором».
Многие годы было известно, что техническая керамика может обеспечить входной поток турбины с очень высокими температурами, посредством чего увеличивается эффективность и плотность энерговыделения энергетического цикла. Известно, что керамика имеет хорошие механические свойства при таких высоких температурах, в отличие от металлических сплавов, традиционно используемых в турбинах, но широкомасштабное использование керамики в осевых турбинах все еще является сравнительно очень редким, поскольку ее трудно интегрировать в передние трубопроводы конструкции двигателя вследствие ее сильно отличающихся технических условий.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение определяется согласно прилагаемой формуле изобретения.
Настоящее изобретение представляет турбинный узел, содержащий осевую турбину, содержащую аксиально расположенную последовательность роторных секций, причем каждая роторная секция содержит внешнее кольцо и роторные лопатки, и внешние кольца роторных секций соединяются для образования вращающегося внешнего корпуса, причем роторные секции изготовлены из реакционно-связанного нитрида кремния, и турбинный узел, содержащий внешнюю оболочку, обеспечивающую конструкционное опирание для осевой турбины, причем оболочка изготовлена из плотного нитрида кремния (DSN), причем роторные секции установлены на внутренней стороне внешней оболочки, и оболочка и вращающийся внешний корпус выполнены с возможностью вращаться вместе.
Предпочтительно, осевая турбина также содержит аксиально расположенную последовательность статорных секций, причем каждая статорная секция содержит внутреннюю ступицу и статорные лопатки, и внутренние ступицы статорных секций соединяются для образования стационарного вала, причем статорные секции изготовлены из реакционно-связанного нитрида кремния.
Поскольку роторные секции установлены на внутренней стороне внешней оболочки, причем оболочка и вращающийся внешний корпус образованы из соединенных роторных секций, вращающихся вместе, когда турбинный узел работает, направленная наружу центробежная сила направлена за пределы оболочки, в результате чего рабочая деформация, таким образом, выдерживается, главным образом, оболочкой, причем она способна справиться с этим исключительно хорошо в отличие от реакционно-связанного нитрида кремния вследствие механических свойств плотного нитрида кремния. Между тем, изготовление роторных секций (и, при наличии, статорных секций) из реакционно-связанного нитрида кремния позволяет легко формовать их с необходимыми сложными формами, требуемыми для оптимальной производительности.
Конечным результатом является турбинный узел, который может выдерживать большую механическую деформацию, чем турбинный узел, образованный только из реакционно-связанного нитрида кремния, но который одновременно легче и дешевле изготовить, чем турбинный узел эквивалентной формы, но изготовленный полностью из плотного нитрида кремния. Дополнительно, поскольку реакционно-связанный нитрид кремния и плотный нитрид кремния имеют, в общем, похожие тепловые свойства, конкретно, свойства теплового расширения, турбинный узел настоящего изобретения может работать при более высоких температурах, чем (например) узлы, в которых турбина помещена в металлическую оболочку.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 – вид в разрезе осевой турбины;
Фиг. 2 - внешний вид осевой турбины с фиг. 1; и
Фиг. 3 – вид в разрезе другой осевой турбины, показывающий элемент оболочки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Турбины согласно настоящему изобретению используют конструкцию осевой турбины с внешним ротором в сочетании с материалами на основе нитрида кремния. Хотя турбины, изготавливаемые из керамических материалов, известны в предшествующем уровне техники, они в подавляющем большинстве случаев относятся либо к конструкциям осевых турбин с внутренним ротором (которые имеют другие аспекты изготовления вследствие отличающихся нагрузок на различные компоненты), либо к конструкциям радиальных турбин (которые в своей основе совершенно отличаются от осевых турбин), и использование нитридов кремния в конструкциях турбин с внешним ротором является новым признаком настоящего изобретения. Было раскрыто, что конкретная компоновка конструкции в сочетании с материалами на основе нитрида кремния приводит к лучшей производительности и уменьшению стоимости.
Что касается керамических материалов турбины, одним из приемлемых материалов является плотный нитрид кремния (DSN), который обычно относится к широкому классу керамики, состоящему, преимущественно, из нитрида кремния (Si3N4), обычно с бета (β) гексагональной кристаллографической структурой. Уплотнение обычно обеспечивают посредством добавления небольшого количества оксидов металлов, чтобы помочь образованию жидкой фазы при высоких температурах, что позволяет реорганизовать гранулы нитрида кремния под действием прикладываемого давления и температуры для уплотнения посредством жидкофазного уплотнения (ссылка: Kingery W.D., Bowen H.K., Uhlmann D.R., ʺIntroduction to Ceramicsʺ, опубликовано John Wiley & Sons. ISBN 0-471-47860-1). Можно ожидать, что доступная для приобретения керамика на основе DSN будет иметь плотность выше 96% теоретической плотности. Высокотемпературные механические характеристики, в общем, управляются спекающими добавками, используемыми, чтобы помочь уплотнить керамику. Использование более тугоплавких стекол, минимальных количеств спекающих добавок (обычно, когда уплотнению керамики содействует приложение давления при высокой температуре) или расстекловывание межгранулярного стекла после изготовления - все это улучшает сопротивление ползучести при повышенной температуре. Этот класс керамики включает в себя спекаемый без давления нитрид кремния (PSSN), спекаемый нитрид кремния (SSN), горячепрессованный нитрид кремния (HPSN), спекаемый под давлением газа нитрид кремния (GPSN), изостатически горячепрессованный нитрид кремния (HIPSN), и спекаемый в плазме искрового разряда нитрид кремния (SPSSN). Примеры пригодной керамики включают в себя, но не ограничены этим, SN282 и SN240, обеспечиваемые компанией Kyocera Ltd, NT154, обеспечиваемую компанией Coorstek Ltd, и спекаемый под давлением газа нитрид кремния (GPS-SN), обеспечиваемый компанией FCT Ingenieurkeramik GmbH.
Другим пригодным классом материалов является класс сиалоновой керамики. Сиалоновую керамику можно считать подклассом керамики на основе плотного нитрида кремния. Обычно используют керамику, которая является увеличиваемой бета (β) гексагональной решеткой Si3N4 с формулой Si6-zAlzOzN8-z, где z обычно больше чем 1,5 (но может быть увеличен свыше 4). Уплотнение обычно обеспечивают посредством добавления комбинаций оксидов металлов или других подходящих жидких спекающих добавок. Сиалоновая керамика отличается от керамики на основе плотного нитрида кремния, описанной выше, степенью искажения решетки, которая обеспечивается введением некоторых катионов из уплотняющих добавок в решетку нитрида кремния.
Другим пригодным материалом, который может считаться типичным образцом плотного нитрида кремния, является спекаемый реакционно-связанный нитрид кремния (SRBSN). Он является типичным образцом реакционно-связанного нитрида кремния (RBSN), описанного ниже, который был подвергнут процессу спекания; при его изготовлении оксиды металлов добавляются в исходный порошок металлического кремния (Si) в качестве спекающих добавок. Таким образом, после преобразования Si в Si3N4 при температуре выше 1450°C можно обеспечить некоторое уплотнение посредством увеличения температуры. Это сопровождается усадкой (обычно <10%) и уменьшением пористости. В результате этого спекания, хотя плотность SRBSN обычно составляет менее 96% теоретической плотности нитрида кремния, SRBSN, тем не менее, имеет промежуточную плотность, большую плотности RBSN. В результате, он пригоден для использования в качестве материала оболочки в турбинных узлах согласно настоящему изобретению вследствие наличия плотности, превышающей плотность роторных секций, изготавливаемых из RBSN.
Как описано в прилагаемой формуле изобретения, турбинный узел настоящего изобретения включает в себя внешнюю оболочку, которая конструктивно поддерживает роторные секции и выполнена с возможностью вращаться вместе с ними, и изготовлена из плотного нитрида кремния. Материалы на основе плотного нитрида кремния, пригодные для этой цели, включают в себя, но не ограничены этим, любые из описанных выше материалов на основе плотного нитрида кремния, в том числе материалы на основе спекаемого под давлением газа нитрида кремния, сиалоновую керамику и SRBSN. Предпочтительно, материал на основе плотного нитрида кремния, используемый для оболочки, имеет плотность выше 96% теоретической плотности. Более предпочтительно, материал на основе плотного нитрида кремния, используемый для оболочки, имеет плотность выше 98% теоретической плотности.
Множественные технологии изготовления могут быть использованы для изготовления компонентов турбин, содержащих керамику на основе DSN и сиалоновую керамику. Этапами изготовления компонента можно считать этап формования сырца, этап уплотнения, и этап финишной обработки, описанные ниже.
Этап формования сырца является этапом, на котором керамический порошок, после смешивания со спекающими добавками и, в общем, с летучим связующим веществом, формуют для обеспечения основной формы изделия. Это включает в себя, но не ограничено этим, шликерное литье, литье под давлением, литье намораживанием, литьевое формование, штамповку на прессе и изостатическое прессование. Этап механической обработки может следовать за этапом образования исходной формы.
Этап уплотнения является процессом, на котором применяют тепло и, необязательно, прикладывают давление. Этому может предшествовать этап низкотемпературной тепловой обработки, в зависимости от используемого способа формования сырца и его состава. На этом этапе обычным является процесс линейной усадки на 18-22%.
Этап финишной обработки необходим для любых требуемых чистовых поверхностей, отличных от поверхностей «после обжига», или для обеспечения жестких допусков по размерам. Обычно компонент механически обрабатывают посредством алмазного шлифования или полирования.
Для конкретных компонентов заявленного изобретения используют реакционно-связанный нитрид кремния (RBSN). Реакционно-связанный нитрид кремния (RBSN) является уникальным среди керамик и отличается от плотных нитридов кремния (DSN) как способом формования, так и тем фактом, что RBSN является пористым (и обычно имеет пористость 10-30%).
Один из способов изготовления RBSN состоит в механической обработке форм из пригодной сплошной кремниевой заготовки (упомянутые заготовки образуют холодным прессованием пригодного кремниевого порошка) перед преобразованием в форму нитрида посредством обжига в атмосфере чистого азота. Механическая обработка в мягкой и пластичной фазе металлического кремния сильно уменьшает стоимость технологической оснастки по сравнению с алмазным шлифованием в более твердой и более хрупкой керамической фазе. Это очень похоже на этап «формования сырца», описанный выше. Процесс нагревания в атмосфере азота выполняют при температуре выше 1450°С для преобразования металлического кремния (Si) в керамику на основе нитрида кремния. Процесс преобразования приводит к изменениям размеров вплоть до 1%, в результате чего минимизируются внутренние напряжения, и требуется небольшая дополнительная дорогостоящая финишная обработка или даже не требуется никакой дополнительной дорогостоящей финишной обработки, а также будет нетрудно скомпенсировать усадку. В результате, процесс нагревания нитрида вызывает минимальную усадку по сравнению с другими процессами спекания, в результате чего минимизируются внутренние напряжения, не требуется никакой дополнительной механической обработки и требуется небольшая дополнительная дорогостоящая финишная обработка (или даже не требуется никакой дополнительной дорогостоящей финишной обработки) после обжига, а также в значительной степени устраняются трудности, связанные с компенсацией усадки. Альтернативно, кремниевый материал (например, кремниевый порошок) может формоваться литьем под давлением, и вследствие малой усадки опять потребуется очень небольшая дополнительная механическая обработка или не потребуется никакой дополнительной механической обработки после обжига.
Металлическая прессовка из порошка металлического кремния может быть спечена для обеспечения конечных форм, подлежащих обработке посредством общепринятых процессов механической обработки металлов (вместо алмазного шлифования). «Неспеченные формы» могут быть легко подготовлены газоплазменным распылением. Незначительное количество стекла присутствует в конечной керамике (в противоположность металлооксидным добавкам, используемым во время составления смеси и изготовления), в результате чего ожидается улучшенное сопротивление ползучести при высокой температуре. Основное ограничение применения является следствием остаточной открытой пористости, которая чувствительна к коррозии или окислению в зависимости от локальной атмосферы. В результате, RBSN, как правило, имеет худшие механические свойства по сравнению с нитридами кремния с большей плотностью, такими как нитриды кремния, образованные спеканием, которые, в общем, имеют значительно большую стоимость изготовления вследствие дорогостоящего шлифования и большего числа этапов процесса (необходимых в связи с большей степенью усадки), или, иначе, значительную стоимость и время для настройки литьевых форм для правильной компенсации усадки. По существу, RBSN, таким образом, более пригоден для частей с большей сложностью по сравнению с DSN, с учетом его потенциально худших механических свойств. В контексте настоящего изобретения, роторные секции и (предпочтительно) статорные секции изготавливаются из RBSN.
Широкая категория материалов, определяемых как нитрид кремния, охватывает, но не ограничена этим, плотные нитриды кремния, сиалоновые материалы, RBSN, и SRBSN (причем сиалоновые материалы и SRBSN являются типами плотного нитрида кремния). Все эти материалы имеют похожие свойства теплового расширения, высокую прочность (и способность выдерживать усилие или давление) и сопротивление ползучести при высокой температуре относительно металлов, и хорошие свойства сопротивления тепловым ударам относительно других керамик. Как общеизвестно для большинства керамик, материалы на основе нитрида кремния значительно лучше сопротивляются сжимающей нагрузке, чем растягивающей нагрузке. Как описано выше, в настоящем изобретении роторные секции и предпочтительно статорные секции изготавливаются из RBSN, в то время как оболочка изготавливается из плотного нитрида кремния (потенциально включающего в себя SRBSN или сиалоновые материалы).
В отличие от общепринятых осевых турбин с внутренним ротором, которые используют роторные лопатки, прикрепленные к вращающемуся валу, причем статорные лопатки прикреплены к окружающему корпусу, турбина, показанная на фиг. 1 и 2, имеет обратную конструкцию, в которой роторные лопатки 2 прикреплены внешним кольцам 14, которые соединяются для образования внешнего корпуса 4, и которые все вращаются вместе, и статорные лопатки 6 прикреплены к валу 8, который не вращается, и, таким образом, является типичным образцом турбины с внешним ротором.
Турбины на фиг. 1-3 содержат роторные секции 10 и статорные секции 12. Роторные секции содержат аэродинамические роторные лопатки 2, расположенные радиально внутри внешнего круглого кольца 14. В одном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 1 и 2, при пригонке смежных роторных секций 10, внешние кольца 14 соединяются для образования непрерывного внешнего цилиндра или корпуса 4. В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 3, также обеспечена отдельная оболочка 16, и смежные роторные секции 10 установлены на внутренней стороне упомянутой оболочки 16, причем внешние кольца 14 соединяются для образования непрерывного цилиндра 4 внутри оболочки 16; при использовании этого варианта осуществления, узел предпочтительно является цилиндрическим, чтобы упростить шлифование внутреннего диаметра оболочки 16. Роторные секции 10 и корпус 4 и, при наличии, оболочка 16 - все вращаются вместе. (Другие турбины согласно настоящему изобретению могут иметь другую трубчатую форму корпуса, например коническую форму, возможно, с некоторым аксиальным изменением толщины).
Между роторными лопатками 2 остается промежуток для статорных лопаток 6. Статорные секции 12 содержат статорные лопатки 6, содержащиеся на внутренней ступице 20. Внутренние ступицы 20 статорных секций 12 пригнаны для образования вала 8, который зажат для предотвращения вращения. (Вал 8 может быть зажат для предотвращения вращения корпусом 4). Обычно, процесс сборки включает в себя поочередное размещение роторных секций 10 и статорных секций 12 для образования концентрических узлов с лопатками.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения роторные секции 10 и статорные секции 12 образованы в виде монолитных элементов, каждый из которых включает в себя много лопаток - обычно 20-60. Альтернативно, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут допускать прикрепление отдельных лопаток, или прикрепление узла с малым числом лопаток, к общей ступице для легкости изготовления.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, роторные кольца 14 и/или статорные секции 12 включают в себя некоторую форму кнопочного паза или другую неплоскую поверхность раздела для взаимной передачи крутящего момента, а не основываются на трении, возникающем при пригонке корпуса 4 или оболочки 16.
Расположение со стационарным валом 8 и вращающимся внешним узлом означает, что при эксплуатации на роторные лопатки 2 будет воздействовать сжимающая центробежная сила, а не растягивающая сила, которая действовала бы на них при их установке на вращающемся центральном валу, как в общепринятой турбине. Это является предпочтительным при изготовлении роторных лопаток 2 из керамических материалов, поскольку керамика, как правило, является более склонной к разрушению и ползучести при растяжении. Размещение роторных лопаток 2 на внешнем корпусе 4, таким образом, уменьшает механические требования к роторным лопаткам по сравнению с общепринятым расположением.
При вращательной нагрузке, корпус 4 работает на растяжение, что позволяет использовать значительно более простую геометрию лопаток и, следовательно, позволяет обеспечить превосходную конструктивную эффективность - а именно, при эксплуатации большая часть турбины приближается к максимальному пределу по допустимому механическому напряжению, так что никакие материалы без необходимости не работают при неполной нагрузке. Более простая геометрия лопаток также означает, что отсутствуют концентрации напряжений, которые были бы обычными в более сложных геометриях. Такие геометрии также являются простыми и недорогими при изготовлении и шлифовании до гладкой чистовой поверхности, в результате чего минимизируется влияние поверхностных дефектов на потенциальное образование трещин.
Эти признаки (размещение роторных лопаток 2 на корпусе 4 и наличие корпуса в состоянии растяжения) позволяют вращать лопатки с более высокими скоростями, в результате чего увеличивается работа ступени и, таким образом, уменьшается число ступеней, и, следовательно, вес, требуемый для получения той же мощности (т.е. улучшается удельная энергия по массе), со следующими из этого преимуществами в отношении стоимости материалов. Это также позволяет получить такую же аэродинамическую нагрузку на основе более тонких лопаток - возможно, толщиной вплоть до 1 мм - что позволяет использовать больше лопаток в каждой ступени. Большее число лопаток обеспечивает оптимальное отношение аксиальной длины лопатки к шагу в связи с уменьшенной аксиальной длиной, таким образом, использование более тонких лопаток уменьшает общую длину и вес турбины без влияния на эффективность, что особенно полезно для применений в транспортных средствах.
Крутящий момент может быть получен из вращающихся участков турбины различными способами, в том числе, но не только, посредством ремней или шестерней, прикрепленных к вращающемуся участку, или посредством обеспечения консольного выступания статорного вала 8 на одном конце, и соединения задней части ротора с вращающимся валом на другом конце и/или задней части через статорный узел, или посредством обеспечения статорных узлов в виде двух отдельных консольных выступов, встречающихся в середине, что позволяет соединить среднюю ступень ротора с вращающимся центральным валом, который проходит через оба статора.
Необязательно, внешние кольца 14 роторных секций 10 и/или внутренние ступицы 20 статорных секций 12 могут содержать бандажи для ограничения концевых утечек. Необязательно, вместо этого бандажи могут быть обеспечены посредством обеспечения дополнительного кольцевых и/или ступичных секций, выполненных таким образом, чтобы они сопрягались с роторными секциями 10 и/или статорными секциями 12, или могут быть обеспечены на роторных секциях 10 и/или статорных секциях 12 посредством обеспечения дополнительного кольца, прикрепляемого к внутренней части роторных лопаток или внешней части статорных лопаток и соединяющего их вместе. Это ограничивает концевую утечку и кольцевые потери и обеспечивает лопаткам дополнительную жесткость конструкции.
Либо роторные секции 10, либо статорные секции 12 могут обеспечивать или могут не обеспечивать кольцевое расширение пути потока, в результате которого создаются конические узлы, что общепринято для сохранения постоянной аксиальной скорости, когда давление потока уменьшается на протяжении турбины.
Роторные секции 10 и статорные секции 12 изготовлены из RBSN, который может быть дешево изготовлен несмотря на сложную геометрию.
Необязательно, внешний корпус 4 или оболочка 16 могут охлаждаться снаружи для уменьшения рабочих температур керамики, при условии, что результирующее тепловое напряжение не сведет на нет это преимущество. Общепринятые осевые турбины используют охлаждение через микроканалы, встроенные в лопатки; обеспечение вместо этого внешнего охлаждения внешнего корпуса 4 или оболочки 16 означает, что роторным лопаткам 2 и статорным лопаткам 6 не потребуются такие каналы, в результате чего упрощаются конструктивные решения и процесс изготовления.
Необязательно, оболочка 16, изготавливаемая из более прочного материала, может, но не обязательно, скользить на внешней стороне упомянутых роторных секций 10 (или, как в варианте осуществления фиг. 3, роторные секции 10 могут быть установлены на нее в части процесса сборки), посредством чего добавляется значительная прочность вследствие сопротивления центробежной нагрузке при растяжении. Предпочтительно, эта оболочка 16 является цилиндрической, чтобы облегчить шлифование внутреннего диаметра. Другие конические формы также могут быть достаточными в этой роли, причем они увеличивают стоимость, но обеспечивают кольцеобразное расширение вовне в последних ступенях и являются аэродинамически предпочтительными.
Материал оболочки может предпочтительно, но не обязательно, иметь тепломеханические свойства, подобные свойствам материала, из которого изготовлены роторные секции 10; если роторные секции изготовлены из RBSN, то материал оболочки изготавливают из плотного нитрида кремния, как описано выше; примеры пригодных материалов на основе плотного нитрида кремния включают в себя (но не ограничены этим) керамики, такие как Silicon Nitride 282 (SN282), производимый компанией Kyocera, NT154 (обеспечиваемый компанией Coorstek), спеченный нитрид кремния (SSN), спекаемый под давлением газа нитрид кремния (GPS-SN), или спекаемый под высоким давлением газа нитрид кремния (HGPS-SN). В сравнительном примере, оболочка 16 может быть образована из металлов, либо из высокотемпературных металлов, таких как никелевые сплавы, либо из высокопрочных металлов, таких как катаная сталь, или из различных материалов на основе графита, возможно, с изолирующим внутренним слоем или подходящей стратегией охлаждения (при использовании металлического корпуса, оболочку 16 обычно изготавливают из никелевых сплавов). Металлические цилиндры или конусы легко изготовить, поэтому они также могут быть пригодны для корпуса при использовании пригодной посадки с натягом для компенсации разных тепловых расширений. В сравнительном примере, различные материалы на основе графита могут также работать в роли либо роторной секции, либо оболочки, не выходя за рамки объема изобретения, описанного здесь. При использовании оболочки 16, в общем, может быть выбран более прочный материал, содержащийся в оболочке, чтобы получить лучшие, более надежные и/или более подтвержденные документами механические свойства, в результате чего она будет способна выдерживать большее растяжение, чем компоненты роторной ступицы. Преимущество изготовления как роторных секций, так и оболочки из материалов на основе нитрида кремния, как в настоящем изобретении, по сравнению с этими сравнительными примерами, состоит в том, что тепловые свойства как RBSN, так и плотного нитрида кремния, как правило, будут достаточно подобными для того, чтобы сильно уменьшить или устранить любые проблемы, возникающие вследствие разных тепловых расширений.
Размещение роторных лопаток 2 внутри корпуса 4 (и, при использовании, оболочки 16) и обеспечение вращения их объединенного узла позволяет конструктору разделить требования к материалам для двух функций: функции обеспечения аэродинамики и функции обеспечения конструкции, что позволяет сопоставлять свойства разных материалов для каждой функции.
В турбинах согласно настоящему изобретению, должна присутствовать упомянутая форма компоновки с внешним ротором, использующая роторные кольца (т.е. корпус), и, дополнительно, должно присутствовать то, что по меньшей мере одно из роторных секций 10, статорных секций 12, или корпуса 4 или, при наличии, оболочки 16 изготовлено из нитрида кремния. В некоторых вариантах осуществления, для корпуса 4, роторных секций 10, или статорных секций 12 или, при наличии, оболочки 16, могут быть использованы комбинации материалов, причем эти комбинации содержат любую форму нитрида кремния вместе с любыми другими материалами.
Поскольку оболочка 16 нуждается только в простой форме, такой как цилиндр или конус, возможно, с некоторым постепенным уменьшением толщины, затраты на шлифование материалов, таких как SN282 или GPS-SN или других материалов на основе плотного нитрида кремния будут значительно меньшими, чем в случае очень сложных аэродинамических форм лопаток, поскольку шлифовальные устройства могут быть легко вставлены аксиально вдоль внутренних поверхностей с использованием меньшего количества специализированных шлифовальных инструментов и с использованием меньшего числа осей механической обработки. Точные измерения внутреннего диаметра оболочки могут быть использованы для шлифования пригодных внешних диаметров роторных ступиц, посредством чего можно использовать преимущество, состоящее в легкости шлифования внешнего диаметра и, в общем, в легкости шлифования менее прочного из двух материалов, в результате чего уменьшается стоимость шлифования.
Использование роторных элементов из RBSN, которые могут быть дешево изготовлены несмотря на их сложную геометрию и выполнены с предпочтением работы на сжатие, вместе с геометрически простой (и, следовательно, относительно низкостоимостной) оболочкой, содержащей более прочный материал и выполненной с предпочтением работы на растяжение, таким образом, учитывает преимущества полезных свойств обоих материалов и при этом смягчает их недостатки.
Необязательно, упомянутая оболочка 16 может быть установлена горячей посадкой на роторную секцию 10 (особенно, когда роторная секция содержит RBSN) посредством применения умеренной разности температур во время сборки, что приведет последнюю в состояние остаточного сжатия и, таким образом, уменьшит растягивающую нагрузку в менее прочных роторных секциях 10 при вращении. Альтернативно, может быть оставлен допуск на скольжение. В этом случае может быть приемлемым позволить роторным ступицам, в общем, из менее прочного материала, ползти до тех пор, пока посадка с натягом не образуется сама, вместо механической обработки необходимых жестких допусков перед сборкой.
Как общепринятые металлические турбины с внутренним ротором, так и упомянутые турбины с внешним ротором предшествующего уровня техники, для функционирования при высоких температурах должны конструироваться из дорогостоящих экзотических металлических сплавов, и либо страдают от ограниченных рабочих температур (ниже около 1100°С, что ограничивает эффективность генерирования энергии), либо требуют сложных капиллярных каналов для продувания охлаждающего воздуха через лопатки для сохранения их механической прочности. Каналы охлаждения значительно увеличивают сложность конструкции и изготовления турбинных лопаток, добавляют паразитную нагрузку на компрессор для приведения в движение воздушного потока, и не могут быть легко встроены в очень тонкие и малые лопатки, обычные в микротурбинах (т.е. в газовых турбинах с мощностью, меньшей около 1МВт). Керамические материалы, используемые в описываемой новой турбине, позволяют работать при повышенных температурах выше 1100°С без экзотических металлических сплавов или каналов охлаждения, в результате чего сильно уменьшается стоимость и сложность при обеспечении высокой производительности, даже для микротурбин с тонкими и малыми лопатками.
Варианты осуществления предшествующего уровня техники керамических осевых турбин с внутренним ротором могут, в принципе, работать при высоких температурах выше 1100°С без экзотических металлических сплавов или каналов охлаждения. Однако, поскольку такие примеры предшествующего уровня техники не имеют никакого эквивалента оболочки 16 на основе нитрида кремния для обеспечения конструкционной опоры, может потребоваться, чтобы сами лопатки были как конструкционными (выдерживали растягивающую нагрузку), так и сложными, таким образом, они не могут воспользоваться преимуществом возможности объединения разных материалов на основе нитрида кремния или возможностей изготовления, таким образом, они могут быть значительно более дорогостоящими и сложными в изготовлении.
Несмотря на наилучшее использовании материалов на основе нитрида кремния, для обеспечения надежности керамики, турбина согласно настоящему изобретению требует меньшей скорости вращения, меньшей 20000 об/мин для уровней мощности ниже 1МВт, по сравнению типичными конструкциями предшествующего уровня техники с такой же мощностью, которые обычно имеют скорость вращения больше 20000 об/мин. Для сохранения той же самой мощности и эффективности, требуется увеличение числа ступеней турбины, что делает турбину аксиально более длинной. Поскольку конструктивная целостность турбины может быть в значительной степени обеспечена высокопрочной оболочкой 16, увеличение ее на большее число ступеней мало повлияет на стоимость. Необязательно, оболочка 16 может частично оканчиваться вниз по ходу турбины, поскольку низкотемпературные ступени турбины могут не требовать такой же конструкционной опоры. Таким образом, меньшие скорости и низкая плотность материала (и, следовательно, меньшие нагрузки на подшипники) более совместимы с более привычными вариантами подшипников, такими как керамические гибридные роликовые подшипники с глубокими канавками, обеспечиваемые компанией SKF Ltd, а не с более экзотическими вариантами, такими как ленточные подшипники или магнитные подшипники. Меньшая скорость также уменьшает потери, шум и вибрацию в подшипниках.
Необязательно, в турбинах согласно настоящему изобретению ротор может быть размещен в вакууме для предотвращения вентиляционных потерь и для эффективной изоляции оболочки 16 турбины или внешнего корпуса 4, в результате чего уменьшаются потери из-за теплопроводности и тепловые переходные напряжения в корпусе 4 или оболочке 16. Вакуум может быть уплотнен по направлению к подшипникам вращающимися уплотнениями, и может потребоваться поддерживать вакуум посредством отдельной откачивающей системы.
Необязательно, турбины согласно настоящему изобретению могут быть использованы вместе с камерой сгорания. Необязательно, внешняя сторона турбины может быть окружена кольцевой камерой сгорания любой подходящей формы и размера, известной специалистам в данной области техники, которая может доставлять газы в надлежащих состояниях и в надлежащем составе к впускному отверстию турбины. Необязательно, эта камера сгорания может иметь местоположения впрыска топлива, смещенные таким образом, чтобы аксиальный градиент температуры вдоль камеры сгорания соответствовал аксиальному градиенту температуры турбины для уменьшения радиального теплового напряжения на внешнем корпусе или оболочке турбины. Камера сгорания этого типа уменьшает требования к охлаждению и/или изоляции для цикла турбины и включает в себя одновременно два резервуара под давлением, в результате чего уменьшается требуемая величина сохраняющей давление конструкции. Необязательно, посредством воздействия на ротор турбины высоких скоростей вращения может быть образована система беспламенного сгорания (часто называемая MILD, HiTAC, и FLOX), которая помогает скоростям газа быть выше типичных скоростей распространения пламени.
Необязательно, турбины согласно настоящему изобретению могут быть частью регенеративного цикла турбины, который может включать в себя компрессор для входного воздуха, вращающийся регенератор или теплообменный рекуператор для передачи тепла от отходящего пара турбины к сжатому воздуху, камеру сгорания для увеличения температуры сжатого воздуха до необходимых входных состояний турбины, и турбину, описанную здесь. Такой цикл, включающий в себя турбину, имеет высокую эффективность по сравнению с другими циклами микротурбин.
Выше были описаны различные варианты осуществления и признаки. Следует понимать, что эти варианты осуществления являются просто иллюстрацией заявленного изобретения и могут сами по себе, отдельно или в комбинации, образовывать объект изобретения.
1. Турбинный узел, содержащий:
i) осевую турбину, содержащую аксиально расположенную последовательность роторных секций, причем каждая роторная секция содержит внешнее кольцо и роторные лопатки, при этом внешние кольца роторных секций соединяются для образования вращающегося внешнего корпуса, причем роторные секции выполнены из реакционно-связанного нитрида кремния, и
ii) турбинный узел, содержащий внешнюю оболочку, обеспечивающую конструкционную опору для осевой турбины, при этом внешняя оболочка выполнена из плотного нитрида кремния (DSN);
причем роторные секции установлены на внутренней стороне внешней оболочки, и внешняя оболочка и вращающийся внешний корпус выполнены с возможностью совместного вращения.
2. Турбинный узел по п. 1, в котором осевая турбина дополнительно содержит аксиально расположенную последовательность статорных секций, причем каждая статорная секция содержит внутреннюю ступицу и статорные лопатки, при этом внутренние ступицы статорных секций соединяются для образования стационарного вала, причем статорные секции выполнены из реакционно-связанного нитрида кремния.
3. Турбинный узел по п. 2, в котором осевая турбина дополнительно содержит по меньшей мере один бандаж, содержащийся во внутренней ступице.
4. Турбинный узел по любому из пп. 1-3, в котором осевая турбина дополнительно содержит по меньшей мере один бандаж, содержащийся во внешнем кольце.
5. Турбинный узел по любому из пп. 1-4, в котором внешняя оболочка выполнена из плотного нитрида кремния (DSN) с плотностью более 96% теоретической плотности.
6. Турбинный узел по любому из пп. 1-5, в котором внешняя оболочка выполнена из материала нитрид кремния 282 или спекаемого под давлением газа нитрида кремния.
7. Турбинная система, содержащая турбинный узел по любому из пп. 1-6, компрессор, камеру сгорания и регенератор или рекуператор.
