ПАРОСИЛОВАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК F01K15/04 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям, выполненным в виде паросиловых установок.

Широко известны паросиловые установки, работающие в режиме двигателя, предназначенные, например, для привода судов, содержащие парогенератор с топкой и пароперегревателем, а также соединенные с ним паровые турбины прямого и обратного хода с конденсатором, которые могут включаться поочередно посредством вентилей, установленных в системе регулирования и действующих в противоположных направлениях (заявка ФРГ N 2205809, кл. F 01 K 15/04, опубл. 1973).

Известная установка имеет большие габариты, значительный вес и сложную систему регулирования вследствие выполнения паротурбинного агрегата в виде отдельных турбин прямого и обратного хода. Кроме того, указанная установка обладает низкой удельной мощностью вследствие отсутствия оптимизации выполнения ее составных частей.

Известны установки, однако преимущественно гидравлического типа, включающие турбины, рабочее колесо которых выполнено с ковшеобразными лопатками, что отчасти способствует устранению ряда вышеуказанных недостатков (патент Франции N 2247920, кл. F 03 B 1/00, опубл. 1975).

Однако указанное выполнение турбины сопряжено со сложностью ее изготовления и имеет ограниченную возможность применения в установках заявленного типа в силу конструктивных особенностей.

Известна также установка (авт. св. СССР N 449165, кл. F 01 K 15/04, опубл. 1974), в состав которой входит паросиловая двигательная установка, выполненная и работающая по аналогии с первой вышеуказанной.

Эта установка также обладает вышеотмеченными недостатками в силу выполнения паротурбинного агрегата с турбинами прямого и обратного хода, что приводит к большим габаритам, сложности регулирования во время работы, а также к снижению удельной мощности установки.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является энергетическая установка (авт.св. СССР N 1813883, кл. F 01 K 13/00, опубл. 1993), которая имеет в своем составе паросиловую двигательную установку, содержащую парогенератор с топкой и пароперегревателем, подсоединенную к последнему паровую турбину с конденсатором, а также блок разложения воды на водород и кислород, подсоединенный посредством трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой к топке парогенератора. При этом турбина выполнена с имеющим полость статором, где размещен ротор турбины, кинематически соединенный с электрогенератором, электрически подключенным к блоку разложения воды. Известная установка имеет систему подачи предварительно нагретых воздуха и топлива в топку парогенератора, а также содержит размещенную в зоне парогенератора емкость для содержания нагретой уходящими газами воды для подачи ее в парогенерирующие поверхности нагрева.

Однако и эта установка обладает рядом недостатков: отсутствие маневренности, в силу отсутствия указаний на выполнение турбины в виде турбины прямого и обратного хода, а также отсутствие оптимизации выполнения указанной турбины, что приводит к усложнению создания и эксплуатации известной установки, а также снижению ее удельной мощности.

Заявленная установка направлена на устранение вышеотмеченных недостатков.

Устранение вышеуказанных недостатков обеспечивается выполнением паровой турбины в виде турбины прямого и обратного хода и соответствующим подсоединением ступеней прямого и обратного хода к пароперегревателю парогенератора посредством трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, а также выполнением ротора турбины с нижеописанными конструктивными особенностями и размещением этого ротора в статоре турбины с соответствующим зазором относительно поверхности внутренней полости статора.

На фиг. 1 представлена схема примера конкретной реализации разработанной установки с приведением позиционных обозначений ее составных частей.

На фиг. 2 схематичное выполнение паровой турбины, входящей в состав установки.

На фиг. 3 иллюстрированное выполнение ковшеобразных полостей в ступенях прямого и обратного хода ротора паровой турбины в зоне указанных сечений по фиг. 2.

Представленная на фиг. 1 паросиловая двигательная установка содержит парогенератор 1 и турбину 2. К парогенератору 1 подсоединена горелка 3, входящая в состав топки парогенератора (на чертеже не обозначена) и работающая от нефтепродуктов или водорода. К горелке 3 подсоединен топливный бак 4 и блок разложения воды на кислород и водород, а также воздушный фильтр 6. Указанные соединения обозначены соответственно трубопроводами 7, 8 и 9. Парогенератор 1 выполнен с парогенерирующими поверхностями 10 нагрева и пароперегревателем 11, причем образуемая между указанными поверхностями 10 нагрева парогенерирующая полость (на чертеже не обозначена) соединена с полостью пароперегревателя 11 трубопроводами 12. Парогенератор 1 имеет также емкость 13 с запасом воды, соединенную с парогенерирующей полостью, образованной поверхностями 10 нагрева. Указанное соединение обеспечивается водопроводом 15 с краном-регулятором 16, а емкость выполнена с горловиной 14. На пароперегревателе 11 установлен датчик 17 давления. Парогенератор 1 выполнен с кожухом 18 для отвода уходящих газов, внутри которого размещены емкость 13 и фильтр 6, соответственно, для предварительного подогрева воды и воздуха. Турбина 2 включает установленный на опорах 19 статор 20 и размещенный в его полости ротор 21. Турбина 2 подсоединена к пароперегревателю 11 парогенератора 1 посредством паропровода 22 с установленными на нем кранами-регуляторами 23 и 24. Паропровод 22 выполнен с паровводом 25 переднего хода, подводящим пар к ковшеобразным полостям 26 ступени прямого хода ротора 21, чем обеспечивается правое вращение соединенного с ротором 21 рабочего вала 27. Паропровод 22 имеет также пароввод 28 обратного хода, посредством которого пар подается к ковшеобразным полостям 29 ступени обратного хода ротора 21, чем обеспечивается обратное левое вращение рабочего вала 27. Рабочий вал 27 установлен в подшипниках 30, закрепленных в опорах 31. На валу 27 установлен электрогенератор 32, электрически связанный с блоком 5 разложения воды на кислород и водород посредством электрического провода 33. Электрогенератор 32 также связан и с другими потребителями, например с электросетью. Ступени прямого и обратного хода паровой турбины 2 соединены между собой трубопроводом 34 с установленным на нем краном-регулятором 35, что обеспечивает экстренное торможение ротора 21 турбины 2.

Ротор 21 турбины 2 и внутренняя полость ее статора 20 выполнены конусными с углом конусности, выбираемым из соотношения 0 < α ≅ 80^°. При этом ротор установлен в полости статора с зазором, исходя из соотношений диаметров внутренней полости статора и наружной поверхности ротора в любом из поперечных сечений турбины, причем указанное соотношение имеет следующий вид: 0,0001 <d₂/d₁ ≅ 0,01, где d₁, d₂ соответственно наружный диаметр ротора и диаметр внутренней полости статора в определенном поперечном сечении турбины.

Ротор турбины имеет ступени прямого и обратного хода, расположенные, соответственно, на концах ротора с большим и меньшим диаметром. При этом каждая из указанных ступеней выполнена в виде системы ковшеобразных полостей, радиально-равномерно размещенных в теле ротора по его поперечному сечению. Причем полости выполнены разобщенными между собой и каждая из ковшеобразных полостей имеет ориентацию оси в поперечном сечении ротора по отношению к диаметру ротора, проходящему через точку пересечения боковой поверхности ротора с осью ковшеобразной полости под углом β= 5-55^°. Ступени прямого и обратного хода выполнены с противоположной ориентацией указанного угла β. Каждая ковшеобразная полость в продольном и поперечном размерах ротора имеет характерные максимальный и минимальный размеры, соответственно, l₂ и l₁, обуславливающие ее входное сечение. При выполнении полостей указанные размеры выбираются, исходя из соотношения 0,02 ≅ l₁/l₂ ≅ 1,0.

Каждая из ступеней прямого и обратного хода имеет количество полостей, определенное из следующих соотношений:
3 ≅ n₁, n₂ ≅ 100,
0,1 ≅ n₁/n₂ ≅ 10,
где n₁, n₂ количество полостей в ступени соответственно прямого и обратного хода.

Установка работает следующим образом.

К горелке 3 подается топливо из бака 4 по трубопроводу 7 или водород по трубопроводу 8 от блока 5 разложения воды, а также воздух, предварительно нагретый уходящими газами парогенератора 1, от воздушного фильтра 6 по трубопроводу 9. Образованная топливо-воздушная смесь сгорает с выделением теплоты, используемой для парообразования воды в парогенерирующих полостях парогенератора 1, образованных поверхностями 10 нагрева, при этом вода поступает в указанные полости из емкости 13 по водопроводу 15. Образующийся пар по трубопроводам 12 поступает в пароперегреватель 11, где он перегревается за счет теплоты продуктов сгорания, и затем под давлением 250 атм по паропроводу 22 подается к паровой турбине 2. При этом за счет крана-регулятора 24 пар поступает либо по паровводу 25 к полостям 26 ступени прямого хода ротора 21 турбины 2, либо по паровводу 28 к полостям 29 ступени обратного хода паровой турбины 2. В случае подачи пара к полостям 26 ступени прямого хода ротор 21 вращается вправо, а при подаче пара к полостям 29 ступени обратного хода в обратном направлении, т.е. влево. При необходимости экстренного торможения ротора 21 открывается кран-регулятор 35 на трубопроводе 34, что обеспечивает подачу пара к ступени обратного хода и торможение ротора. Таким образом потенциальная энергия пара преобразуется в турбине во вращательное движение ротора, которое посредством рабочего вала 27 передается электрогенератору 32, который вырабатывает электрический ток, поступающий потребителям, в том числе к блоку 5 разложения воды на кислород и водород, входящему в состав установки, что позволяет выделенный водород подавать в качестве топлива к горелке 3 парогенератора 1, экономя тем самым запас имеющегося топлива в баке 4, что позволит увеличить время работы установки, либо сократить ее габариты за счет уменьшения емкости бака 4.

Установка может работать как по замкнутому, так и по разомкнутому циклам. В последнем случае отработавший в турбине пар сбрасывается в окружающую среду, а пополнение емкости 13 водой ведется извне через горловину 14. При работе по замкнутому контуру отработавший в турбине 2 пар поступает в ее конденсатор (на чертеже не показан), конденсируется под воздействием охладителя и полученный конденсат нагнетается в емкость 13 через горловину 14, посредством соединения конденсатора с горловиной 14 емкости 13.

В состав установки может быть введен блок 36 автоматического регулирования, осуществляющий автоматическую подачу топлива или водорода к горелке 3, а также регулирование расхода пара к ступеням прямого и обратного хода паровой турбины и направления вращательного движения ее ротора.

Выполнение ротора паровой турбины согласно вышеописанному позволило одновременно с обеспечением вращения ротора турбины по часовой и против часовой стрелки значительно сократить ее габариты по сравнению с вышеуказанными известными аналогами, а следовательно, и сократить габариты установки в целом, а также упростить систему регулирования работой установки, снизить ее вес и упростить технологию изготовления.

Проведенные исследования показали, что достигаемый вышеуказанный технический результат возможен только при использовании всей совокупности отраженных в формуле изобретения признаков. Результаты проведенных исследований представлены в нижеприведенной таблице, где в качестве сопоставительного параметра принято отношение достигаемой мощности к единице израсходованного горючего, ∑. ТТТ1 ЫЫЫ2

Использование: в двигателестроении, преимущественно в паросиловых двигательных установках. Сущность изобретения: установка содержит парогенератор и подключенную к нему паровую турбину, на рабочем валу 27 ротора 21 которой установлен электрогенератор 32, электрически подключенный к блоку 5 разложения воды на водород и кислород. Блок 5 подсоединен с горелке 3 парогенератора 1. Ротор 21 паровой турбины 2 выполнен со ступенями прямого и обратного хода, расположенными на противоположных концах конусного ротора 21. Каждая ступень ротора представляет собой систему ковшеобразных полостей, выполненных в теле ротора с соблюдением определенных геометрических размеров и ориентации в зоне поперечных сечений ротора по отношению к паровводам 25 и 28, выполненных в статоре 20 паровой турбины 2. 3 ил., 1 табл.

Паросиловая двигательная установка, включающая парогенератор с пароперегревателем и имеющей топливоподвод топкой, подсоединенную к пароперегревателю посредством паропровода паровую турбину, выполненную с размещенным в полости ее статора ротором, а также кинематически связанный с последним электрогенератор, подключенный к блоку разложения воды на кислород и водород, при этом указанный блок посредством трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой подсоединен к топке парогенератора, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным трубопроводом с запорно-регулирующим органом, полость статора и ротор турбины выполнены с конусными поверхностями, имеющими угол конусности, не превышающий 80^o, при этом ротор установлен в полости статора с зазором, определяемым из соотношения 0,0001 < d₂/d₁ ≅ 0,01, где d₁, d₂ соответственно наружный диаметр ротора и диаметр внутренней полости статора в любом поперечном сечении турбины, ротор выполнен со ступенями прямого и обратного хода, расположенными на его противоположных концах соответственно большего и меньшего диаметра, а каждая из указанных ступеней выполнена в виде равномерно размещенных в теле ротора разобщенных между собой ковшеобразных полостей с равномерным радиальным расположением их в плоскостях поперечного сечения ротора и ориентацией оси каждой полости в плоскости поперечного сечения ротора по отношению к его диаметру, проходящему через точку пересечения боковой поверхности ротора с осью ковшеобразной полости, под углом 5.55^o, причем ступени прямого и обратного хода выполнены с противоположной ориентацией указанного угла, и каждая полость выполнена с характерными минимальным и максимальным размерами соответственно в поперечном и продольном сечениях ступени ротора, определяемыми из соотношения 0,02 ≅ l₁/l₂ ≅ 1,0, где l₁, l₂ вышеуказанные соответственно минимальный и максимальный характерные размеры, а ступени выполнены с количеством полостей, определяемым из соотношений: 3 ≅ n₁, n₂ ≅ 100; 0,1 ≅ n₁/n₂ ≅ 10,0, где n₁, n₂ количество полостей в ступенях соответственно прямого и обратного хода, при этом статор турбины выполнен с паровводами и выходами отработавшего пара, размещенными в зонах расположения ступеней прямого и обратного хода и подсоединен посредством паровводов к паропроводу, а выход отработавшего пара ступени прямого хода дополнительно подсоединен к по крайней мере одному паровводу ступени обратного хода посредством дополнительного трубопровода с запорно-регулирующим органом.