Паросиловая установка Советский патент 1992 года по МПК F01K13/00 F01K17/04 

Изобретение относится к энерго- и судостроению, а именно к паросиловым турбинным преобразователям энергии, и может быть использовано в различных системах привода для преобразования тепловой энергии в электрическую при жестких ограничениях по габаритам и весу и больших внешних давлениях, например, для глубоководных аппаратов.

Известна паросиловая установка, содержащая коаксиально установленные на основании в подшипниковых опорах парогенератор, турбину, конденсатор и конденсаторный 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, а рабочее колесо насоса прикреплено к торцу парогенератора.

Недостатками этой установки являются сложность конструкции и ее малая надежность, обусловленная пониженной герметичностью контура, а также соединением парогенератора и рабочего колеса турбины при помощи зубчатой передачи. Пониженная герметичность обусловлена наличием подвижных уплотнений между парогенератором и рабочим колесом и между рабочим колесом и конденсатором.

Известна паросиловая установка, содержащая парогенератор, турбину, конденсатор и конденсаторный насос, последовательно соединенные, в замкнутый герметичный контур, причем конденсатор и парогенератор выполнены в виде тел вращения, конденсатор прикреплен к парогею о а со

нератору и смещен относительно него к оси вращения, рабочее колесо насоса прикреплено к торцу парогенератора, а рабочее колесо турбины прикреплено к противоположному торцу парогенератора. В варианте исполнения установка снабжена направляющим аппаратом, установленным между выходом из рабочего колеса турбины и входом в конденсатор на уплотненном валу, жестко соединенном с основанием.

К недостаткам этой установки относятся сложность конструкции, обусловленная вращающимся корпусом, шнековым конусообразным холодильником и вынесением опор ротора за пределы корпуса, а также низкая надежность из-за недостаточной герметичности корпуса, обусловленной наличием уплотнения между неподвижным валом и вращающимся корпусом. Кроме того, установка неработоспособна при больших внешних давлениях из-за необходимости .уплотнения внешних опор, а также из-за малоэффективного теплообмена между теп- лоподводами и вращающимся корпусом.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь энергии, содержащий котел, турбину, конденсатор, питательный насос, генератор, рекуператор, конденсаторный насос, причем турбина, питательный насос и генератор установлены на общем роторе, размещенном в едином корпусе посредством радиальных подшипников, и отличается тем, что ротор установлен вертикально, генератор расположен между турбиной и питательным насосом, в верхней части корпуса выполнена камера подвода свежего пара под нижнюю поверхность ротора, а радиальные подшипники выполнены газодинамическими. .

Недостатками прототипа являются высокие массогабаритные характеристики вследствие большого количества структурных элементов: котел, турбина, конденсатор, генератор, два насоса, рекуператор, корпус генератора и система клапанов, к тому же радиальная турбина содержит сложную систему подвода пара, что, в конечном итоге, снижает надежность установки.

Преобразователь энергии ненадежен в работе при больших внешних давлениях из- за отсутствия общего для основных структурных элементов корпуса и разомкнутое™ контура, а также из-за «еобеслечения компенсации перемещений при больших перепадах температур и давлений.

Цель изобретения - повышение надежности работы в условиях высоких внешних

давлений и снижение массогабаритных характеристик устройства.

Указанная цель достигается тем, что конденсатор размещен в герметичном корпусе, при этом последний выполнен с температурным компенсатором, а котел выполнен в форме спирали, охватывающей герметичный корпус, при этом теплообмен- ные поверхности котла выполнены в виде

0 коаксиально расположенных труб с образованием центральной-перегревательной, промежуточной-топочной и периферийной- испарительной полостей.

В предложенной паросиловой установ5 ке паровой котел выполнен в виде полых спиральных пружин, ввернутых одна в другую по типу труба в трубе, причем внутренняя спираль является пароперегревателем, выполненным с возможностью перемеще0 ния перегретого пара по принципу противотока, внешняя спираль ограничивает испарительную камеру, а полость между пароперегревателем и испарителем является топкой котла, во-вторых, турбина, генератор

5 и конденсатор заключены в единый герметичный корпус с гофрированным компенсатором температурных перемещений, в третьих этот корпус размещен внутри витков парового котла, коаксиально им и на

0 одной оси,

Оригинальная конструкция парового котла обеспечивает достаточную поверхность теплообмена и надежность его работы при больших внешних давлениях из-за

5 возможности свободных деформаций котла, а также из-за малых перепадов давлений между поверхностями теплообмена.

Выполнение генератора, турбины и конденсатора в замкнутом герметичном корпу0 се исключает утечки и тем самым повышает надежность работы, а размещение этого корпуса внутри спиральной пружины котла коаксиально ей и на одной оси обеспечивает оптимальную компоновку устройства по

5 массогабаритным характеристикам. Кроме того, теплообменник конденсатора выполнен по принципу свободного конвективного теплообмена, что исключает необходимость установки специального насоса.

0 Предложенное решение существенно отличается от известного тем, что,во-первых, парогенератор (паровой котел) выполнен конструктивно совершенно иным, во-вторых, рабочее колесо не прикреплено

5 к торцу парогенератора, а расположено внутри него и не смещенном относительно оси, а вдоль оси, в-третьих, конденсатор размещен не внутри герметичного контура, а вне его, а сам корпус в предложенной конструкции выполнен более надежным по герметичности из-за отсутствия уплотнительных элементов, кроме того, в предложенной конструкции исключена необходимость в установке конденсаторного насоса.

Кроме того, опоры ротора заключены внутри герметичного корпуса, а не вне его, во-вторых, теплообмен в известном реализован между неподвижной полой спиралью горячего теплового источника и вращающимся корпусом и вследствие этого малоэф- фективен, в-третьих, направляющий аппарат известного установлен на неподвижном валу, а корпус с рабочими лопатками вращается, а в предложенной конструкции наоборот,

В предлагаемой конструкции исключена необходимость в вентиляторе, шнековом конусообразном хрлодильнике.насосе, многосопловой горелке и т.п.

Паросиловая установка содержит герметичный корпус 1 с компенсатором 2, которые установлены по вертикальной оси сферического глубоководного аппарата 3. В корпусе 1 установлен ротор 4 на паровых газостатических опорах 5 и 6, причем опора 6 опорно-упорная. На роторе 4 установлены осевая двухвенечная паровая турбина 7 и генератор электроэнергии 8. В нижней части корпуса 1 расположен теплообменник конденсатора 9 и конденсатосборник 10 с уровнемером 11. Конденсатосборник 10 связан при помощи инжектора 12 с паровым котлом 13, поверхности теплообмена которого выполнены в виде полых спиральных пружин, ввернутых одна в другую по типу труба в трубе. Паровой котел 13 включает три полости: внешнюю полость 14 с кипящей водой, среднюю полость 15 с продуктами сгорания и внутреннюю полость 16 с перегретым паром. Выход полости 14 связан при помощи трубки 17с входом полости 16, что обеспечивает движение перегретого пара по принципу противотока с кипящей водой и продуктами сгорания. Средний виток внешней спирали парового котла 13 жестко закреплен в аппарате 3. Из полости 16 перегретый пар по трубопроводу 18 через запорный клапан 19 поступает в направляющий аппарат 20 и далее на рабочие лопатки турбины 7, а по трубопроводу 21 поступает в паровые опоры 5 и 6 и через клапан 22 в инжектор 12, и далее из инжектора - во внешнюю полость 14 с кипящей водой. Горючее и окислитель в полость 15 парового котла 13 подают из забортных баков через входную колодку 23, продукты сгорания удаляют во внешнюю среду через выходную колодку 24. Вход и выход теплообменника конденсатора 9 связаны с внешней средой. Заборная вода циркулирует в

теплообменнике за счет естественной конвекции.

Гофрированный компенсатор 2 температурных перемещений, являющийся есте- 5 ственным продолжением корпуса 1. жестко связан с корпусом глубоководного аппарата 3, что обеспечивает возможность свободного перемещения корпуса 1 вдоль вертикальной оси при изменении перепадов давлений 0 и температур.

Установка работает следующим образом.

При запуске включается тепловой источник при закрытом клапане 19. После об5 разования в полости 16 давления, достаточного для обеспечения заданной несущей способности подшипников 5 и 6, клапан 19 открывается. Перегретый пар поступает на направляющий аппарат 20 и

0 рабочие лопатки турбины 7. Затем отработавший пар поступает в конденсатор 9 и конденсатосборник 10 и конденсируется. Подпитка парового котла 13 осуществляется через инжектор 12 с помощью насыщен5 ного пара по сигналу уровнемера 11. На роторе 4 установлен электрогенератор 8 с обмоткой в корпусе, который за счет вращения ротора вырабатывает электроэнергию, подаваемую натоковыводы. В качестве хла0 дагента конденсатора 9 используется забортная вода. Циркуляция забортной воды реализована в трубках теплообменника за счет естественной конвекции, что исключает необходимость установки специальных

5 насосов. В преобразователе энергии использован герметичный пароконденсатный цикл, при котором в пароводяном тракте 14 и 17 исключаются проблемы деаэрации, коррозии и отложений. Применение газо0 статических безызносных подшипников 5 и 6 с паровой смазкой исключает применение смазочного масла и проблемы утечек, связанной с образованием вредных примесей в воде и паре и снижающей эффективность

5 теплообмена в аппаратах.

Оригинальная конструкция поверхности теплообмена парового котла в сочетании с жестким закреплением его среднего витка на корпусе 3 позволяет значительно

0 снизить температурные напряжения, возникающие из-за разности температур внутри котла и вне корпуса глубоководного подводного аппарата.

В качестве исходных данных прйнима5 лись следующие условия.Глубина погружения аппарата до 5 км, топливо - этиловый спирт, окислитель 40 % перекись водорода, номинальная мощность генератора 100 кВт, параметры пара на выходе из котла: давление 2 МПа, температура перегретого пара

320°С, давление в конденсаторе 5 мПа, частота вращения ротора 400 Гц. Основанием для выбора исходных данных являлся анализ характеристик и особенностей эксплуатации энергетических установок современных глубоководных аппаратов.

Тепловые расчеты показали, что максимальная температура продуктов сгорания меняется в зависимости от глубины погружения и концентрации перекиси водорода. Для исходных данных она не превышает 500 - 550°С, что обеспечивает возможность эксплуатации поверхности теплообмена парогенератора без пароводяного барабана и традиционного уровня раздела сред. Оригинальная конструкция парогенератора дает общую поверхность теплообмена 1,6 м и при тепловой мощности котла 500 кВт. Масса котла не превышает 280 кг. При этом расход топлива и окислителя 0,176 кг/с при массовом соотношении 1/10,7. Масса турбины, выполненной в виде двухвенечного колеса скорости, не превышает 20 кг при диаметре 0,2 м и длине 0,15 м. Поверхность теплообмена конденсатора 2м2 при общей массе 50 кг. Система питания котла предельно упрощена и осуществляется паровым инжектором, приводимым в действие насыщенным паром и управляемым уровнемером конденсата. Общая масса средств управления и регулирования мощности не превышает 20 кг.

В качестве генератора выбрана асинхронная машина с обмоткой в статоре, что позволяет обеспечить эксплуатацию при повышенных температурах с сохранением достаточной механической прочности.

Весь преобразователь энергии вписывается в объем цилиндра с внешним диаметром 0,6 м и высотой 0,8 м при общей массе не более 470 кг, тепловой эффективности 20% и удельными показателями по объему 0,0025 м3/ кВт, по массе 4,7 кг/кВт, что на порядок ниже соответствующих значений

традиционных пароэнергетических устано вок.

Уменьшение или увеличение предельной глубины погружения аппарата соответственно приводит к уменьшению или увеличению массы в основном парогенератора.

Паросиловая установка является экологически чистой энергетической установкой.

Технико-экономический эффект предлагаемого технического решения заключается в обеспечении повышенной надежности в условиях работы в зоне больших внешних давлений за счет оригинального компоновочного решения при использовании замкнутого, цикла, а также низкими массо габаритными характеристиками, за счет предельного упрощения конструкции, обоснованного расчетами и анализом эксплуатационных возможностей.

Ресурс данной установки без ремонта и вскрытия 25 лет.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Паросиловая установка, содержащая

последовательно соединенные в контур котел, осевую паровую турбину с генератором, ротор которой расположен вертикально и снабжен паровыми опорным и опорно-упорным подшипниками, причем турбина с генератором выполнены в едином герметичном корпусе, конденсатор и устройство для подачи конденсата в котел, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в условиях высоких внешних давлений и снижения массогабаритных характеристик, конденсатор размещен в герметичном корпусе, при этом последний выполнен в форме спирали, охватывающей герметичный корпус, при этом теплообменные поверхности

котла выполнены в виде коаксиально расположенных труб с образованием центральной-испарительной, промежуточной-топочной и периферийной-перегревательной полостей.

0V

Изобретение относится к энергосудост- роению для преобразования тепловой энергии в электрическую в судовой энергетической установке глубоководных аппаратов. Сущность изобретения: устройство содержит герметичный корпус 1 с турбиной 7, генератором 8 и конденсатором 9. Паровой котел 13с испарительной камерой 14, топкой 15 и пароперегревателем 16, выполненными в виде спиралеобразных теп- лообменных поверхностей, установлен вертикально в корпусе 3 глубоководного аппарата. Горючее и окислитель поступают в полость 15 из забортных баков и отдают тепло кипящей воде и Нерегретому пару, циркулирующим в полостях испарительной камеры 14 и пароперегревателя 16. Перегретый пар вращает турбину 7, на роторе 4 которой установлен генератор 8, вырабатывающий электроэнергию. После турбины 7 отработанный пар поступает в конденсатор 9, из которого с помощью инжектора 12 конденсат подается в испарительную камеру 14 парового котла 13. 1 ил. со