CZ18901U1 - Expanzní dvoustupňová turbina - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká expanzní dvoustupňové turbiny, zejména pro solární systémy, vybavené vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi tlakového pracovního média, zvláště s nízkým bodem varu a pro připadne využívání energií odpadních plynů a tepla, resp. energii nízkopotenciálníeh. například z kogeneračních jednotek, energovodů apod.

Stávající stav techniky

Pro přeměnu tlaku proudící látky na mechanickou energii se používají stroje pístové nebo proudové. Liší se od sebe především tím, jak se uskutečňuje přeměna energie, V pístovém stroji tlak n> proudící látky působí přímo na píst, kdežto v proudových strojích se nejprve v trysce převede na rychlost, s kterou proudící látka vstupuje na oběžné lopatky, ve kterých se změní směr nebo rychlost nebo obojí, a to pak vyvolává na lopatce sílu. Proudové stroje mívají vyšší mechanickou účinnost, a proto se využívají převážně pro velké výkony a velké objemy proudící látky, jakož í lam. kde je zapotřebí docílit vysokých otáček.

Nevýhodou obou typů strojů přeměňujících energii proudící látky na energii mechanickou je náročnost konstrukční, a tedy i ekonomická. Pro případné využívání energií odpadních plynů a energií nízkopotencialních lze uvedená technická řešení jen stěží ekonomicky využít.

Jedním z řešení, které uvedené nevýhody mělo podstatnou měrou odstranit je turbina na tlakové plynné médium, vybavená rotorem tvořeným dutým nábojem s otvory, v nichž jsou upevněny radiálně orientované podélné prvky, jejíchž délka je nejméně patnáctinásobkem jejich příčného rozměru a jejích vzájemná vzdálenost od sebe má hodnotu ne menší než je jejich příčný rozměr. Do skříně s rotorem je tangenciálně k obvodu rotoru zaústěna nejméně jedna tryska.

Turbina, řešená v podstatě na způsob Peltonovy turbiny, resp. mlýnského kola s horním náhonem. neobsahuje žádné vnitřní regulační prvky, ani neřeší problematiku kondenzace plynného média, není tudíž vhodná pro její zapojení v obvodech solárních systémů apod.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody známých expanzních turbin a jejich nezpůsobilost být zapojeny do rozvinutých solárních systémů, zaměřených zejména na přímou výrobu elektrické energie namísto pouhého získávání tepla, odstraňuje podle technického řešení z velké části expanzní dvoustupňová ?i) turbina, vybavená vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi progresivního tlakového pracovního média, zvláště s nízkým bodem varu, u níž první vysokotlaký stupeň je tvořen souose na dutém hřídeli pro přívod tlakového média uspořádaného prvního oběžného kola, tvořeného plochým rotačním tělesem s nalitky po svém obvodu se zabudovanými tangenciálně uspořádanými výtokovými tryskami a k němuž je osově připojeno druhé lopatkové oběžné kolo druhého nízkotlakého stupně, přičemž oba stupně jsou obklopeny statorem, sestávajícím ze vzájemně rozebíratelné dvojice horního přírubového tělesa a spodního přírubového tělesa, vytvářející pro první oběžné kolo okrouhlou expanzní komoru na vnitřním povrchu opatřenou soustavou šikmo uspořádaných vodicích drážek k usměrnění toku expandovaného pracovního média na lopatky rozváděcího prstence umístěného neotočnč pod prvním oběžným kolem v sedle spodního pří ruin ho vého tělesa koleni lopatek druhého lopatkového oběžného kola nad vyprofilovaným výtoko\vm otvorem ve spodním přírubovém tělese, tvořícího současné druhý stator lopatkového druhého oběžného kola druhého nízkotlakého stupně, přičemž výtokové trysky jsou prostřednictvím \ vtokových zakřivených kanalii upořádaných v tělese prvního oběžného kola vzájemně prostřídané napojeny na dva vzájemné výškově odsazeno obtokové kanalv. propojené řízené v závislosti na vstupním tlaku pracovního media s osovým otvorem dutého hřídele prostřednictvím samočinného vtokového ventilu s plunžrovou trubkovou kuželkou axiálně posuvně uspořádanou v dutém mezikruží na výběhu konce dutého hřídele, nesoucího v ložiskovém složení dvou ložisek a

I u / v 1 prostřednictvím příruby první oběžné kolo a k němu připojené druhé lopatkové oběžné kolo, jakož i řemenici pro elektrický či jiný agregát.

Zvláště výhodné se jeví, že piášt' horního přírubového tělesa statoru je vybaven alespoň jedním vnitřním kanálem s alespoň jedním vnějším přívodem; výstupem ohřátého nebo chladicího média.

Uspořádání statoru s vnitřním tepelným výměníkem zabezpečuje vhodnou regulaci pracovních podmínek turbiny a to zvláště tím, že se tlakové pracovní médium i po expanzi udržuje nadále v plynném stavu a muže pak účinně odevzdávat energii ve formě zvýšeného tlaku a také v kinetické formě do druhého stupně turbiny.

Specifickým požadavkům na parametry turbiny muže být vyhověno například tím. že výtokové ío trysky jsou vybaveny výměnnými koncovými nástavci.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a účinky v uspořádání dvoustupňové expanzní turbiny jsou patmy z připojených výkresů, kde značí obr. I šikmý pohled na upořádání turbiny s řezem statoru vedeného její hlavní osou, s vyznačením řemenice a ložiskového složení dutého hřídele pro oběžné kolo prvního stupně s výtokovými tryskami, s naznačením umístění rozváděcího prstence s rozváděcími lopatkami pro lopatkové oběžné kolo druhého stupně turbiny, obr. 2 řez statoru turbiny vedeného její hlavní osou v čelním pohledu, ukazující anuloidní profil dutiny statoru pro oběžné kolo prvního stupně, a pohled na rozváděči prstenec s rozváděcími lopatkami pro lopatkové druhé oběžné kolo, osově spojené s oběžným kolem prvního stupně turbiny, obr. 3 šikmý pohled na kompletní složení a provedení obou oběžných kol turbiny; na částečném řezu vyznačení uspořádání samočinného vtokového ventilu vstupního média do ve dvou úrovních uspořádaných obtokových kanálů v tělese oběžného kola prvního stupně, do nichž jsou vzájemně prostřídané zaústěny výtokové kanály v tělese oběžného kola prvního stupně pro jeho výtokové trysky, obr. 4 částečný vodorovný řez oběžným kolem prvního stupně turbiny s vyznačením průběhu výtokových kanálů z obtokových kanálů k tangenciálně uspořádaným výtokovým tryskám v nálitcich na obvodu tohoto oběžného kola prvního stupně turbiny, obr. 5 šikmý pohled najedno z možných provedení vyměnitelných výtokových trysek, obr. 6 podélný řez plunžrovou trubkovou kuželkou samočinného vtokového ventilu pro rozvod tlakového média do nad sebou uspořádaných obtokových kanálu pro výtokové kanály v tělese oběžného kola prvního stupně turbiny.

?o Příklad provedení technického řešení

Expanzní dvoustupňová turbina (dále jen turbina), sestává podle jednoho z možných uspořádání a jak naznačeno na připojených obrázcích ze statoru E tvořeného vzájemně rozebíratelnou dvojicí horního přírubového tělesa 2 a spodního přírubového tělesa 3. Po vzájemném spojení obou přírubových těles 2, 3 je v příslušné dutině ve statoru i vytvořena okrouhlá expanzní komora 4, v ?5 podstatě tvořící anuloid (rotační elipsoid), radiálně protínaný vnějším obvodem prvního oběžného kola 5 turbiny, resp. jeho nálitky 6 s výtokovými tryskami 2, rozmístěnými tangenciálně po řečeném obvodu prvního oběžného kola 5.

Vnitřní povrchy expanzní komory 4 jsou opatřeny soustavou šikmo uspořádaných vodicích drážek 8 k usměrnění toku expandovaného média na lopatky 9 rozváděcího prstence 10, umístěného jo neotočné pod prvním oběžným kolem 5 turbiny v sedle El spodního přírubového tělesa 3. Sedlo

Π. zároveň tvoří začátek příslušně vyprofilovaného výtokového otvoru E2. současně tvořícího stator l_3 lopatkového druhého oběžného kola 14 druhého stupně turbiny, osově spojeného se spodkem prvního oběžného kola 5 turbiny prostřednictvím šroubu 15, V vtokový otvor 1_2 turbiny je napojen například na neznázorněný rekuperátor a kondenzátor soustavy, v níž je turbina pro45 vozována.

Kromě všech výše naznačených úprav statoru I turbiny, patří k jeho vybavení ehladicí/ohřevný systém, tvořený například alespoň jedním vnitřním kanálem j_ó v plášti horního přírubového tělesa 2 s vnějším přívodem/výstupem 17 ohřátého nebo chladicího média.

ο/. ιονυι ui

První oběžné kolo 5 prvního stupně turbiny je vytvořeno jako převážně ploché rotační těleso, mj. s funkcí setrvačníku, které je po svém obvodu opatřeno nálitky 6 se zabudovanými výtokovými tryskami 7 ve formě Lavalových trysek, s výměnnými koncovými nástavci 28 (obr. 5). Nálitky 6 pro výtokové trysky 7 jsou patřičně po směru otáčení prvního oběžného kola 5 aerodynamicky upraveny.

Tlakové médium je do výtokových trysek 7 dopravováno prostřednictvím výtokových zakřivených kanálu 1_8 (obr. 4), upořádaných v tělese prvního oběžného kola 5, kde sekvenčně (vzájemné prostřídané) navazují na dva vzájemně výškově odsazené obtokové kanály 19, 20 řízené otevírané nebo škrcené prostřednictvím plunžrové trubkové kuželky 21 samočinného vtokového venio tilu 22 v závislosti na tlaku vstupního pracovního média. Trubková kuželka 21 je axiálně posuvné uspořádána na výběhu 23 konce dutého hřídele 24, nesoucího prostřednictvím příruby 25 první oběžné kolo 5 turbiny. Trubková kuželka 21 je axiálně odpružena tlačnou pružinou 26. vsazenou do dutého mezikruží 27 u výběhu 23 konce dutého hřídele 24 (obr. 6) a je na svém spodku opatřena úpravou pro vznik plunžrového efektu, například tak, že ne úplně těsní v sedle apod.

Dutý hřídel 24, sloužící k přívodu tlakového pracovního média do turbiny, je prostřednictvím dvou ložisek 29 a 30 uložen v ložiskové nástavci 31 na horní části horního přírubového tělesa 2. Nad ložiskem 30, radiálně axiálním, je dutý hřídel 24 opatřen řemenicí 32, zajištěnou maticí 33 Prostřednictvím řemenice 32 a neznázoměného řemene je dutý hřídel 24 spojen s neznázomě20 ným generátorem střídavého proudu neboje v agregaci sjiným zařízením.

Volný homí konec dutého hřídele 24 je obepnut ucpávkou 34 nesenou trnoží 35, uchycenou k homí části horního přírubového tělesa 2 statoru 1.

Funkce turbiny je následující:

Vysoce ohřáté a stlačené tlakové médium, jímž jsou páry například toluenu, izobutanu apod., vstupující pres ucpávku 34 do dutého hřídele 24, posune plunžrovým efektem z klidové polohy plunžrovou irubkovou kuželku 24 samočinného vtokového ventilu 22 až tak, že se přinejmenším otevře nátok tlakového pracovního média do spodního obtokového kanálu 19 a k následnému proudění tlakového média do základní skupiny výtokových zakřivených kanálu j_8 a dále do k nim přiřazených výtokových trysek 7 tangenciálně umístěných na obvodu prvního oběžného kola vi 5 prvního stupně turbiny. To postačuje k rozběhu turbiny prostřednictvím jejího prvního oběžného kola 5. Při zvyšování otáček prvního oběžného kola 5 se začnou uplatňovat i odstředivě sily, vyvolávající zrychlené proudění tlakového pracovního média, resp. jeho zvýšený přetlak před vstupem do zmíněných výtokových trysek 7. Kromě zvýšené výtokové rychlosti tlakového média z výtokových trysek 7 a zvětšení jeho vytékajícího objemu, nastává další efekt, kdy z výtokových •5 trysek 7 prudce vystupující tlakové médium intenzivně expanduje do expanzní komory 4, kde o c h lazu j e j ej í po v rc h.

Turbina je vysokootáčková reakční ho typu, u níž jsou otáčky dané průměrem rotoru prvního oběžného kola 5, expanzním poměrem a fyzikálními vlastnostmi pracovního média. Na výstupech z výtokových trysek 7 se muže dosahovat nadzvukové rychlosti proudění, tedy až 1200 m/s.

•in Pokud po expanzi a odevzdání energie má pracovní médium ještě dostatek kinetické energie, pak se expandované pracovní médium se zbytkovou částí kinetické energie směruje šikmo uspořádanými vodícími drážkami 8 expanzní komory 4 na druhé lopatkové druhé kolo 14 druhého stupně turbiny prostřednictvím lopatek 9 rozváděcího prstence 10. Ještě předtím se v tomto mezistupni múze expandované pracovní médium doohřívat stykem se stěnami expanzní komory 4 v homí as části horního přírubového tělesa 2, neboť stator 1, v důsledků zabudovaného alespoň jednoho vnitřního kanálu 16, zároveň slouží jako výměník tepla, zejména pro přestup tepla ze solárního okruhu, čímž se jednak využije zbytkové teplo ze solárních výměníku nebo z jiných tepelných zdrojů solárního systému, a jednak se zároveň zvýši termodynamická účinnost turbiny.

Expandované tlakové pracovní médium, usměrněné na vnitřním povrchu expanzní komory 4

5o soustavou šikmo uspořádaných vodicích drážek 8 na lopatky 9 rozváděcího prstence Jý) pod prvCZ 18901 Ul ním oběžným kolem 5 turbiny, působí na lopatkové druhé oběžné kolo U, osově spojeného se spodkem prvního oběžného kola 5 turbiny a postupuje následně do výtokového otvoru ]_2 a dále do neznázorněné expanzní části systému s neznázorněným rekuperátorem a kondenzátorem apod. Konstrukce turbiny musí odolávat částečnému provozu v mokré páre. Lopatky 9 rozváděctho prstence JO optimalizují směrový tok expandovaného pracovního média na lopatky druhého oběžného kola J4 a pomocí nich, výměnou rozváděctho prstence JO, je možné měnit a doladit pracovní parametry turbiny podle specifických požadavků na její aplikaci v systému. Různé požadavky na parametry turbiny lze také řešit výměnou výtokových trysek 7, resp. jejich koncových nástavců 28.

Claims (4)

ío NÁROKY NA OCHRANU

1. Expanzní dvoustupňová turbina, zejména pro solární systémy, opatřená vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi tlakového pracovního média, zvláště s nízkým bodem varu, vyznačující se tím, že první vysokotlaký stupen je tvořen souose na dutém hřídeli (24) pro přívod tlakového média uspořádaného prvního oběžného kola (5), tvořeného plochým i? rotačním tělesem s nálitky (6) po svém obvodu se zabudovanými tangenciálně uspořádanými výtokovými tryskami (7), k němuž je osově připojeno druhé lopatkové oběžné kolo (14) druhého nízkotlakého stupně, přičemž oba stupně jsou obklopeny statorem (1) sestávajícím ze vzájemně rozebíratelné dvojice horního přírubového tělesa (2) a spodního přírubového tělesa (3), vytvářející pro první oběžné kolo (5) okrouhlou expanzní komoru (4) na vnitřním povrchu opatřenou zo soustavou šikmo uspořádaných vodicích drážek (8) k usměrnění toku expandovaného pracovního média na lopatky (9) rozváděcího prstence (10) umístěného neotočně pod prvním oběžným kolem (5) v sedle (11) spodního přírubového tělesa (3) kolem lopatek druhého lopatkového oběžného kola (14) nad vyprofilovaným výtokovým otvorem (12) ve spodním přírubovém tělese (3), tvořícího současně druhý stator (13) lopatkového druhého oběžného kola (14) druhého nízkotla25 kého stupně, přičemž výtokové trysky (7) jsou prostřednictvím výtokových zakřivených kanalů (18), upořádaných v tělese prvního oběžného kola (5), vzájemně prostřídané napojeny na dva vzájemné výškově odsazené obtokové kanály (19, 20) propojené řízené v závislosti na vstupním tlaku pracovního média s osovým otvorem dutého hřídele (24) prostřednictvím samočinného vtokového ventilu (22) s plunžrovou trubkovou kuželkou (21) axiálně posuvně uspořádanou v so dutém mezikruží (27) na výběhu (23) konce dutého hřídele (24), nesoucího v ložiskovém složení dvou ložisek (29, 30) a prostřednictvím příruby (25) první oběžné kolo (5) a k němu připojené druhé lopatkové oběžné kolo (14), jakož i řemenici (32) pro agregát.

2. Expanzní dvoustupňová turbina podle nároku 1, vyznačující se tím, že plášť horního přírubového tělesa (2) statoru (1) je vybaven alespoň jedním vnitřním kanálem (lb) s

55 alespoň jedním vnějším přívodem; výstupem (17) ohřátého nebo chladícího média.

3. Expanzní dvoustupňová turbina podle nároku 1, vyznačující se tím, že výtokové trysky (7) jsou vybaveny výměnnými koncovými nástavci (28).

4. Expanzní dvoustupňová turbina podle nároku 1. vyznačující se tím. že nálitky (b) pro výtokové trysky (7) jsou po směru otáčení prvního oběžného kola (5) aerodynamicky ío upraveny.