ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1998 года по МПК F01K11/04 

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к паросиловым турбинам, и может быть использовано в различных системах привода для преобразования тепловой энергии в механическую.

Для оценки новизны и изобретательского уровня предлагаемого решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения.

Известна энергетическая установка, содержащая установленные в замкнутом контуре рабочего тела парогенератор, турбину с генератором, конденсатор с трубопроводом подвода воздуха и конденсатно-питательный насос [1].

Данная установка, как и все другие, имеющие подобную традиционную компоновку, имеет ряд недостатков.

Парогенератор установки имеет ограниченную паропроизводительность, обусловленную малой скоростью всплытия пузырьков пара рабочего тела, а также образованием паровой пленки между его стенками и рабочим телом. В конденсаторе установки необходим отвод большого количества тепла, что заставляет применять громоздкие теплообменники, при этом большая часть тепла безвозвратно теряется. Необходимый в данной схеме насос для прокачки конденсата также усложняет конструкцию установки, которая получается громоздкой и материалоемкой.

В существующем уровне техники известны паросиловые установки, в которых, с целью снижения их габаритов и веса, реализованы различные варианты конструктивного совмещения отдельных ее элементов (парогенератора с турбиной, парогенератора с конденсатором и т.п.).

Известна, например, паросиловая установка, содержащая коаксиально установленные на основании в подшипниковых опорах парогенератор, турбину, конденсатор и конденсатный насос, последовательно соединенные в замкнутый герметичный контур, причем конденсатор и парогенератор выполнены в виде тел вращения, конденсатор прикреплен к парогенератору и смещен относительно него к оси вращения, при этом рабочее колесо турбины и рабочее колесо конденсатного насоса прикреплены к противоположным торцам парогенератора [2].

Вращение такой установки возможно только при наличии направляющего аппарата, который почему-то упомянут только в дополнительном пункте формулы. Необходимость наличия направляющего аппарата, соединенного с основанием через неподвижный уплотненный вал, приводит к разгерметизации установки, необходимости иметь надежное уплотнение, что усложняет конструкцию и эксплуатацию установки.

Известна паросиловая установка, содержащая коаксиально установленные на основании в подшипниковых опорах парогенератор, турбину, конденсатор и конденсатный насос, последовательно соединенные в замкнутый герметичный контур, причем парогенератор и конденсатор выполнены в виде тел вращения, конденсатор прикреплен к парогенератору и смещен относительно него к оси вращения, а сопловый направляющий аппарат прикреплен к парогенератору [3].

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, являются невыгодные условия работы конденсатора, обусловленные тем, что при конденсации пара с охлаждающим хладагентом, например воздухом, уносится и безвозвратно теряется большое количество тепла. Это приводит к существенному снижению КПД установки в целом.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы установки путем обеспечения утилизации остаточного тепла отработанного пара.

Сущность изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата.

Согласно изобретению в паросиловой установке, содержащей коаксиально установленные на основании в подшипниковых опорах парогенератор, турбину и конденсатор, последовательно соединенные в замкнутый герметичный контур, причем парогенератор и конденсатор выполнены в виде полых тел вращения, а конденсатор смещен относительно парогенератора к оси вращения, парогенератор сообщен трубопроводом с сопловым направляющим аппаратом, закрепленным на герметичном корпусе конденсатора, при этом часть корпуса конденсатора выполнена в виде теплопроводной конденсационной стенки, полость конденсатора в зоне сбора конденсата основного рабочего тела посредством трубопровода сообщена с полостью парогенератора, а турбина с возможностью свободного вращения размещена внутри полости конденсатора, конденсационная стенка выполнена полой и заполнена дополнительным рабочим телом, имеющим температуру кипения меньшую, чем у основного рабочего тела, при этом установка снабжена дополнительным теплообменником для охлаждения дополнительного рабочего тела, прикрепленным к корпусу установки и выполненным в виде дополнительной паросиловой установки, аналогичной основной, причем полая конденсационная стенка основной паросиловой установки является парогенератором дополнительной паросиловой установки, конденсационная стенка которой смещена к оси вращения по сравнению с конденсационной стенкой основной установки.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме того, предлагаемое решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения либо особые условия его использования, а именно: установка может быть снабжена пароперегревателем для перегрева пара дополнительного рабочего тела; турбины основной и дополнительной установок с горизонтальной осью могут быть снабжены дебалансирующими грузами.

Техническое решение является новым, так как характеризуется наличием новой совокупности признаков, отсутствующей во всех известных нам объектах техники аналогичного назначения.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации совокупности признаков, заключается в том, что поскольку дополнительное рабочее тело имеет температуру кипения меньшую, чем у основного рабочего тела, при конденсации пара основной установки происходит вскипание дополнительного рабочего тела, при этом эффективность теплоотвода оказывается примерно в 10 раз выше по сравнению с теплоотводом на некипящую жидкость или газ, как это делается в аналогах и прототипе, при тех же площадях поверхности конденсационной стенки. Кроме того, пар дополнительного рабочего тела выполняет полезную работу в дополнительной паросиловой установке.

Данный технический результат не является следствием известных свойств, проявляемых рядом порознь известных из других объектов техники признаков, таких как сопловый аппарат, конденсационная стенка, полые тела вращения и т. п. а является свойством только всей предлагаемой в первом пункте формулы совокупности признаков, в т.ч. таких полностью новых признаков, как взаимное размещение и взаимосвязь всех элементов установки.

Получение упомянутого технического результата обеспечивает появление у объекта изобретения в целом ряда новых полезных свойств, а именно: повышение эффективности за счет обеспечения оптимальных условий конденсации отработанного пара и получение дополнительной механической энергии на дополнительной установке. Указанное позволяет признать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена установка, осевое сечение.

Установка содержит парогенератор 1, рабочее колесо турбины 2 и конденсатор 3. Парогенератор 1 охвачен нагревателем, соединенным с источником тепла (не показаны). Парогенератор 1 трубопроводом 4 соединен с сопловым направляющим аппаратом 5. Конденсатор 3 имеет полую теплопроводную конденсационную стенку 6 и трубопроводом 7 сообщен с парогенератором 1. Дополнительная паросиловая установка имеет сопловый направляющий аппарат 8, рабочее колесо турбины 9, конденсатор 10 с теплопроводной конденсационной стенкой 11. Дополнительная паросиловая установка имеет конструкцию, аналогичную конструкции основной установки, при этом ее парогенератором является полая конденсационная стенка 6 основной установки. Трубопровод 12 сообщает конденсатор 10 с полостью конденсационной стенки 6. Установка закреплена в подшипниковых опорах 13 на общей оси 14. Рабочие колеса турбин 2 и 9 закреплены в подшипниковых опорах 15 и 16 и вращаются в противоположных направлениях по отношению к корпусу установки.

Установка работает следующим образом.

Основное рабочее тело из парогенератора 1 по трубопроводу 4 поступает к направляющему аппарату 5 и к лопаткам рабочего колеса турбины 2. При этом установка получает момент сил, приводящий ее корпус во вращение. Турбина 2 при этом начинает вращаться в противоположном направлении. Лопатки ее рабочего колеса выполнены с профилем, обеспечивающим поворот отработанных струй пара в сторону теплопроводной конденсационной стенки 6. Пар, двигаясь к конденсационной стенке 6, имеет составляющую скорости, совпадающую с направлением вращения конденсационной стенки 6, обеспечивая добавочный момент, вращающий установку. Образовавшийся на стенке 6 конденсат основного рабочего тела за счет ее центробежных сил по трубопроводу 7 возвращается в периферийную зону полости парогенератора 1.

Дополнительное рабочее тело в полости конденсационной стенки 6 имеет температуру кипения меньшую, чем у основного рабочего тела, за счет чего в режиме его кипения обеспечивается повышенная эффективность теплоотвода. Пар дополнительного рабочего тела поступает на сопловый направляющий аппарат 8 и лопатки рабочего колеса турбины 9 дополнительной установки, которые также имеют профиль, обеспечивающий направление струй пара дополнительного рабочего тела к конденсационной стенке 11. Конденсат по трубопроводу 12 за счет центробежных сил возвращается в периферийную зону полости конденсационной стенки 6. Это происходит вследствие того, что конденсационная стенка 11 и другие основные элементы дополнительной установки смещены к общей оси по отношению к соответствующим элементам основной установки.

Пар дополнительного рабочего тела передает часть энергии лопаткам рабочего колеса 9. При этом возникает момент сил, который, складываясь с моментом сил в основной установке, приводит к увеличению мощности всей установки в целом.

Для еще большего увеличения эффективности работы предлагаемой паросиловой установки может быть применен дополнительный пароперегреватель (не показан) для перегрева пара дополнительного рабочего тела с последующей его подачей в направляющий аппарат 8. Для нагревания дополнительного рабочего тела может быть использовано остаточное тепло за парогенератором основной установки. В отдельных случаях с целью упрощения конструкции установки могут применяться дебалансы, укрепляемые на ободах рабочих колес основной и дополнительной установок, которые препятствуют их вращению и увеличивают моменты сил, вращающие корпус установки.

Предлагаемая установка может иметь более двух аналогично устроенных ступеней, в каждой из которых рабочее тело должно иметь температуру кипения меньшую, чем в предыдущей ступени, а конденсатор должен быть смещен к общей оси.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения не вызывает сомнений, так как оно может быть реализовано с использованием порознь известных средств.

В настоящее время осуществляются испытания опытного образца предлагаемой установки, предварительные итоги которых подтвердили работоспособность и высокую ее эффективность.

Изобретение предназначено для применения в энергомашиностроении и может быть использовано в различных системах привода для преобразования тепловой энергии в механическую. Установка содержит парогенератор 1, рабочее колесо турбины 2 и конденсатор 3. Парогенератор 1 охвачен нагревателем, соединенным с источником тепла. Парогенератор 1 трубопроводом 4 соединен с сопловым направляющим аппаратом 5. Конденсатор 3 имеет полую теплопроводную конденсационную стенку 6 и трубопроводом 7 сообщен с парогенератором 1. Дополнительная паросиловая установка имеет сопловой направляющий аппарат 8, рабочее колесо турбины 9, конденсатор 10 с теплопроводной конденсационной стенкой 11. Дополнительная паросиловая установка имеет конструкцию, аналогичную конструкции основной установки, при этом ее парогенератором является полая конденсационная стенка 6 основной установки. Трубопровод 12 сообщает конденсатор 10 с полостью конденсационной стенки 6. Установка закреплена в подшипниковых опорах 13 на общей оси 14. Рабочие колеса турбин 2 и 9 закреплены в подшипниковых опорах 15 и 16 и вращаются в противоположных направлениях по отношению к корпусу установки. Для увеличения эффективности работы предлагаемой паросиловой установки может быть применен дополнительный пароперегреватель для перегрева пара дополнительного рабочего тела и дебалансы, укрепляемые на ободах рабочих колес основной и дополнительной установок, которые препятствуют их вращению и увеличивают моменты сил, вращающие корпус установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Паросиловая установка, содержащая парогенератор, турбину, включающую рабочее колесо и сопловый направляющий аппарат, а также конденсатор, коаксиально установленные на основании в подшипниковых опорах и последовательно соединенные в замкнутый герметичный контур, причем парогенератор и конденсатор выполнены в виде полых тел вращения, при этом конденсатор смещен относительно парогенератора к оси вращения, при этом парогенератор сообщен трубопроводом с сопловым направляющим аппаратом турбины, закрепленным на корпусе конденсатора, часть корпуса конденсатора выполнена в виде теплопроводной конденсационной стенки, полость конденсатора в зоне сбора конденсата рабочего тела посредством трубопровода сообщена с полостью парогенератора, а рабочее колесо турбины с возможностью свободного вращения размещено внутри полости конденсатора, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным парогенератором, дополнительной турбиной, включающей рабочее колесо и сопловый направляющий аппарат, и дополнительным конденсатором, последовательно соединенными в дополнительный замкнутый герметичный контур, прикрепленный к корпусу основного контура и заполненный дополнительным рабочим телом, при этом дополнительный парогенератор и дополнительный конденсатор выполнены в виде полых тел вращения, дополнительный парогенератор сообщен трубопроводом с сопловым направляющим аппаратом дополнительной турбины, закрепленным на корпусе дополнительного конденсатора, а рабочее колесо дополнительной турбины с возможностью свободного вращения размещено внутри полости дополнительного конденсатора, кроме того, конденсационная стенка основного контура выполнена полой и является дополнительным парогенератором дополнительного контура. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена пароперегревателем для перегрева пара дополнительного рабочего тела. 3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что рабочие колеса турбин основного и дополнительного контуров снабжены дебалансирующими грузами.