Паротурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего пара Российский патент 2021 года по МПК F01K11/02 F01K7/32 

Изобретение относится к области судового энергетического машиностроения и касается конструирования энергетической установки судна с электродвижением и паротурбинной силовой установкой (ПТУ).

Известна ПТУ транспортного судна [1] Рис. 5.5, содержащая паровой котел, турбозубчатый агрегат (ТЗА), конденсатор, конденсатный насос, охладитель эжектора, подогреватель низкого давления, деаэратор, питательный насос, подогреватель высокого давления.

Давление пара в последних ступенях ТНД и в конденсаторе, как правило, ниже атмосферного (давление в конденсаторе Р_к=0,005 МПа).

Известна «Активная паровая турбина сверхкритических параметров» [2], содержащая три ступени давления, разделенные неподвижными диафрагмами с вмонтированными в них соплами Лаваля равномерно расположенными по окружности напротив лопаток активных рабочих решеток (рабочих колес турбины).

Недостатки аналогов [1], [2].

1. Сложность конструкции:

[1] необходимость применять ТЗА с многоступенчатыми турбинами, конденсатный насос, охладитель эжектора, эжектор для отсоса воздуха из конденсатора, подогреватель низкого и высокого давления, деаэратор;

[2] необходимость в трехступенчатой турбине, многочисленных составных (состоящих из нескольких частей) соплах Лаваля, сверхкритических параметрах рабочего пара (Р₀=23,5 МПа, t₀=540°С - по прототипу).

2. Низкая экономичность:

[1] современные ПТУ транспортных судов при соответствующих параметрах рабочего пара имеют КПД η_e=0,24-0,34, [1] стр. 157, [3] стр. 493; [2] многочисленные составные сопла Лаваля обусловят и многочисленные потери пара через неплотности, в самом сопле, состоящем из нескольких частей, и на сопряженных торцевых поверхностях диафрагм и рабочих колес, -и на внешних диаметрах рабочих колес.

3. Сложность управления и регулирования ПТУ:

[1] необходимость иметь несколько сопловых клапанов для подвода пара к соответствующей группе направляющих сопл турбины;

[2] конструкция не предусматривает управление и регулирование турбины. В этом случае остается для [2] только дроссельное регулирование через ввод пара в турбину, при этом падает давление и расход пара, что приведет к снижению экономичности турбины из-за падения давления и скоростей истечения из сопел Лаваля. Прототипом заявляемому устройству является [1].

Недостатки прототипа [1].

1. Сложность конструкции.

2. Низкая экономичность.

3. Сложность управления и регулирования ПТУ.

Цель изобретения.

Упрощение конструкции, управления и регулирования, повышение экономичности ПТУ.

Цель достигается следующим:

паротурбинная установка, содержащая паровой котел с экономайзером, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, паровой регенеративный подогреватель воздуха, электрогенератор, при этом паровая турбина выполнена в виде одновенечной ступени скорости без направляющего аппарата с осевой подачей пара в каналы рабочих лопаток из регулировочного клапана в виде сопла Лаваля с изменяемым сечением горла, а расширяющаяся часть сопла образована кольцевым сечением двух одинаковых круговых конусов с осевым смещением друг относительно друга, так, что внешний конус сопрягается с внешним диаметром лопаток турбины и с гнездом клапана, а внутренний конус опирается на диаметр в основании лопаток турбины, при этом проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального воздухоподогревателя, пар из которого подается в конденсатор, а конденсат из конденсатора подается питательным насосом в экономайзер котла, причем воздух в воздухоподогреватель подается тангенциально в межтрубное пространство и тангенциально удаляется из него в топочный объем котла.

Упрощение конструкции по сравнению с [1] и [2] достигается за счет исключения ТЗА с многоступенчатыми турбинами, конденсатного насоса, охладителя эжектора, эжектора для отсоса воздуха из конденсатора, подогревателя низкого и высокого давления, деаэратора благодаря тому, что давление расширения в турбине выше атмосферного (0,14 МПа при температуре конденсации t_s=109°C).

Вместе с этим упрощается система управления и регулирования благодаря применению регулировочного клапана в виде сопла Лаваля с изменяемым сечением горла во всем диапазоне рабочих нагрузок (расходов пара) турбины.

Повышение экономичности ПТУ достигается при умеренных параметрах рабочего пара (Р₀=3 МПа и t₀=430°С) за счет того, что проточная часть турбины пристыкована (является продолжением) проточной части канального воздухоподогревателя и когда нагрузка турбины падает при неизменной расширяющейся части сопла Лаваля на выходе за турбиной будет автоматически возрастать давление и повышается температура конденсации (без всякой регенерации) это особенность работы сопел Лаваля при различных противодавлениях за соплом [1], [4], [5]. Каждому режиму нагрузки будет соответствовать определенное давление и температура конденсации.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом. Графическое изображение состоит из одной фигуры - Фигура 1 «Паротурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего пара». Фигура 1 изображает фрагмент паротурбинной установки, включающий регулировочный клапан с турбиной и канальным воздухоподогревателем, а также треугольники скоростей одновенечной ступени скорости. Паротурбинная установка содержит паровой котел с экономайзером (на чертеже не показаны), паровую турбину 1, конденсатор, питательный насос (на чертеже не показаны), паровой регенеративный подогреватель воздуха 2, электрогенератор 3, регулировочный клапан 4 состоящий из гнезда клапана 5 и тарелки клапана 6, имеющей возможность осевого перемещения при помощи штифтов 7 с уменьшением зазора между тарелкой клапана 6 и гнездом клапана 5 образующих изменяемое сечение горла сопла Лаваля. Гнездо клапана 5 помещено в паровой короб 8, в который подается рабочий пар от быстрозапорного клапана (БЗК). Турбина 1 связана с электрогенератором 3 валом 9. Расширяющаяся часть сопла Лаваля 10.

Устройство работает следующим образом.

Перегретый пар из котла с параметрами Р₀=3 МПа и t₀=430°С через БЗК попадает в паровой короб 8, а из него в регулировочный клапан 4 где приобретает критическую скорость W_кр=558 м/с при Р_кр=1,64 МПа υ_кр=0,166 м³/кг. Двигаясь по расширяющейся части сопла 10 образованной кольцевым сечением двух одинаковых круговых конусов пар разгоняется до осевой скорости С₁=950 м/с и с такой скоростью входит в рабочие лопатки турбины 1 срабатывая осевую скорость в турбине 1 до С₂=200 м/с имея при этом параметры P₁=0,14 МПа и t₁=180°С.

Расширение в сопле Лаваля от Р₀ до P₁ адиабатное. После турбины 1 пар попадает в канальный воздухоподогреватель 2, где охлаждается до температуры конденсации при Р₁=0,14 МПа, t_s=109°С и конденсируется в конденсаторе. Конденсат из конденсатора питательным насосом перекачивается в экономайзер котла, а воздух из канального воздухоподогревателя 2 подается при температуре 160°С в топочный объем котла. Парциальность турбины 1 е=1, направляющий аппарат у турбины 1 отсутствует, чтобы устранить образование скачков давления на входе в турбину 1 при этом средний диаметр турбины 1 d_cp=1,0 м, а число оборотов n=100 об/сек. Тангенциальная подача воздуха и выпуск его из воздухоподогревателя 2 обусловлен стремлением получить поперечное омывание пучка труб, чтобы увеличить коэффициент теплоотдачи. Предварительные расчеты показывают следующее: мощность ПТУ 60 МВт; термический КПД ПТУ η_т=0,74; расход пара G=30 kr/c.

Литература.

1. Л.И. Слободянюк, В.И. Поляков «Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация», Л.: «Судостроение», 1983 г. Стр. 95, 96.

2. RU 2676904 от 14.12.2017 г.

3. Г.Н. Алексеев, «Общая теплотехника» М. «Высшая школа», 1980 г. Стр. 493.

4. А.Н. Смоленский, «Паровые и газовые турбины», М.: «Машиностроение», 1977 г. Стр. 42-44.

5. Г.Е. Ожигов, «Гидро-газодинамика» в науке и технике», «Судостроение», 1970 г. Стр. 113, 158.

Изобретение относится к области судового энергетического машиностроения и касается конструирования энергетической установки судна с электродвижением и паротурбинной силовой установкой (ПТУ). Паротурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего пара, содержащая паровой котел с экономайзером, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, паровой регенеративный подогреватель воздуха, электрогенератор, при этом паровая турбина выполнена в виде одновенечной ступени скорости без направляющего аппарата с осевой подачей пара в каналы рабочих лопаток из регулировочного клапана в виде сопла Лаваля с изменяемым сечением горла, а расширяющаяся часть сопла образована кольцевым сечением двух одинаковых круговых конусов с осевым смещением относительно друг друга так, что внешний конус сопрягается с внешним диаметром лопаток турбины и с гнездом клапана, а внутренний конус опирается на диаметр в основании лопаток турбины, при этом проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального воздухоподогревателя, пар из которого подается в конденсатор, а конденсат из конденсатора подается питательным насосом в экономайзер котла, причем воздух в воздухоподогреватель подается тангенциально в межтрубное пространство и тангенциально удаляется из него в топочный объем котла. Изобретение позволяет упростить конструкцию, управление и регулирование, повысить экономичность ПТУ. 1 ил.

Паротурбинная установка со сверхкритическим расширением рабочего пара, содержащая паровой котел с экономайзером, паровую турбину, конденсатор, питательный насос, паровой регенеративный подогреватель воздуха, электрогенератор, отличающаяся тем, что паровая турбина выполнена в виде одновенечной ступени скорости без направляющего аппарата с осевой подачей пара в каналы рабочих лопаток из регулировочного клапана в виде сопла Лаваля с изменяемым сечением горла, а расширяющаяся часть сопла образована кольцевым сечением двух одинаковых круговых конусов с осевым смещением друг относительно друга, так, что внешний конус сопрягается с внешним диаметром лопаток турбины и с гнездом клапана, а внутренний конус опирается на диаметр в основании лопаток турбины, при этом проточная часть турбины пристыкована к проточной части канального воздухоподогревателя, пар из которого подается в конденсатор, а конденсат из конденсатора подается питательным насосом в экономайзер котла, причем воздух в воздухоподогреватель подается тангенциально в межтрубное пространство и тангенциально удаляется из него в топочный объем котла.