CZ2008444A3 - Expanzní dvoustupnová turbína - Google Patents

Abstract

Expanzní dvoustupnová turbina je urcená zejména pro solární systémy a je opatrená vysokotlakovým a nízkotlakým stupnem pro expanzi tlakového pracovního media, zvlášte s nízkým bodem varu. Má první vysokotlaký stupen tvorený souose na dutém hrídeli (24) pro prívod tlakového media usporádaným prvním obežným kolem (5), tvoreným plochým rotacním telesem s nálitky (6) po svém obvodu a se zabudovanými tangenciálne usporádanými výtokovými tryskami (7). K nemu je osove pripojeno druhé lopatkové obežné kolo (14) druhého nízkotlakého stupne. Oba stupne jsou obklopeny statorem (1) sestávajícím ze vzájemne rozebíratelné dvojice horního prírubového telesa (2) a spodního prírubového telesa (3), vytvárející pro první obežné kolo (5) okrouhlou expanzní komoru (4) na vnitrním povrchu opatrenou soustavou šikmo usporádaných vodících drážek (8) k usmernení toku expandovaného pracovního media na lopatky (9) rozvádecího prstence (10) umísteného neotocne pod prvním obežným kolem (5) v sedle (11) spodního prírubového telesa (3) kolem lopatek druhého lopatkového obežného kola (14) nad vyprofilovaným výtokovým otvorem (12) ve spodním prírubovém telese (3), tvorícího soucasne druhý stator (13) lopatkového druhého obežného kola (14) druhého nízkotlakého stupne. Výtokové trysky (7) jsou prostrednictvím výtokových zakrivených kanálu (18), usporádaných v telese prvního obežného kola (5), vzájemne prostrídane napojeny na dva vzájemne výškove odsazené obtokové kanály (19, 20) propojené rízene v závislosti na vstupním tlaku pracovního media s osovým otvorem dutého hrídel (24) prostrednictvím samocinného vtokového ventilu (22) s plunžrovou trubkovou kuželkou (21) axiálne

Description

Expanzní dvoustupňová turbina

Oblast techniky

Vynález se týká expanzní dvoustupňové turbiny, zejména pro solární systémy, vybavenou vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi tlakového pracovního media, zvláště s nízkým bodem varu a pro případné využívání energií odpadních plynů a tepla, resp. energií nízkopotenciálních, 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 proudící látky působí přímo na píst, kdežto v proudových strojí 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 i tam, 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 nízkopotenciálních lze uvedená technická řešení jen ztěží ekonomicky využít.

Jedním z řešení, které uvedené nevýhody mělo podstatnou měrou odstranit je turbina na tlakové plynné medium, vybavená rotorem tvořeným dutým nábojem s otvory, v nichž jsou upevněny radiálně orientované podélné prvky, jejichž délka je nejméně patnáctinásobkem jejich příčného rozměru a jejich 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 media, není tudíž vhodná pro její zapojení v obvodech solárních systémů apod.

Podstata vynálezu

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 vynálezu z velké části expanzní dvoustupňová turbina, vybavená vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi progresivního tlakového pracovního media, zvláště s nízkým bodem varu, u níž první vysokotlaký stupeň je tvořen souose na dutém hřídeli pro přívod tlakového media uspořádaného prvního oběžného kola, tvořeného plochým rotačním tělesem s nálitky 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 vodících drážek k usměrnění toku expandovaného pracovního media na lopatky rozváděcího prstence umístěného neotočně pod prvním oběžným kolem v sedle spodního přírubového tělesa kolem lopatek druhého lopatkového oběžného kola nad vyprofilovaným výtokovým otvorem ve spodním přírubovém tělese, tvořícího současně druhý stator lopatkového druhého oběžného kola druhého nízkotlakého stupně, přičemž výtokové trysky jsou prostřednictvím výtokových zakřivených kanálů upořádaných v tělese prvního oběžného kola vzájemně prostřídané napojeny na dva vzájemně výškově odsazené obtokové kanály, 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 prostřednictvím příruby první oběžné kolo a k němu připojené druhé lopatkové oběžné kolo, jakož i řemenici pro elektrický či jiný agregát.

• · • ·

Zvláště výhodné se podle vynálezu jeví, že plášť horního přírubového tělesa statoru je vybaven alespoň jedním vnitřním kanálem s alespoň jedním vnějším při voděni/výstupem ohřátého nebo chladícího media. Uspořádání statoru s vnitřním tepelným výměníkem zabezpečuje vhodnou regulaci pracovních podmínek turbiny a to

I zvláště tím, že se tlakové pracovní medium i po expanzi udržuje nadále v plynném stavu a může pak účinně odevzdávat energii ve formě zvýšeného tlaku a také v kinetické formě do druhého stupně turbiny.

Specifickým požadavkům na parametry turbiny může být vyhověno například tím, žc výtokové trysky jsou vybaveny výměnnými koncovými nástavci.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a účinky v uspořádání dvoustupňové expanzní turbiny jsou patrny z připojených výkresů, kde značí obr. 1 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 media 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 nálitcích na obvodu tohoto oběžného kola prvního stupně turbiny, obr.5 šikmý pohled na jedno zmožných provedení vyměnitelných výtokových trysek, obr.6 podélný řez plunžrovou trubkovou kuželkou samočinného vtokového ventilu pro rozvod tlakového media do nad sebou uspořádaných obtokových kanálů pro výtokové kanály v tělese oběžného kola prvního stupně turbiny.

···

Příklad provedení vynálezu

Expanzní dvoustupňová turbina (dále jen turbina), sestává podle jednoho z možných uspořádání a jak naznačeno na připojených obrázcích ze statoru 1, 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 1 vytvořena okrouhlá expanzní komora 4, v podstatě tvořící anuloid (rotační elipsoid), radiálně protínaný vnějším obvodem prvního oběžného kola 5 turbiny, resp. jeho nálitky 6 svýtokovými tryskami 7, rozmístěnými tangenciálně po řečeném obvodu prvního oběžného kola 5.

Vnitřní povrchy expanzní komory 4 jsou opatřeny soustavou šikmo uspořádaných vodících drážek 8 k usměrnění toku expandovaného media na lopatky 9 rozváděcího prstence 10, umístěného neotočně pod prvním oběžným kolem 5 turbiny v sedle 11 spodního přírubového tělesa 3. Sedlo 11 zároveň tvoří začátek příslušně vyprofilovaného výtokového otvoru 12, současně tvořícího stator 13 lopatkového druhého oběžného kola 14 druhého stupně turbiny, osově spojeného se spodkem prvního oběžného kola 5 turbiny prostřednictvím šroubu 15. Výtokový otvor 12 turbiny je napojen například na neznázorněný rekuperátor a kondenzátor soustavy, v níž je turbina provozována.

Kromě všech výše naznačených úprav statoru 1 turbiny, patří kjeho vybavení chladící/ohřevný systém, tvořený například alespoň jedním vnitřním kanálem 16 v plášti horního přírubového tělesa 2 s vnějším přívodem/výstupem 17 ohřátého nebo chladícího media.

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 medium je do výtokových trysek 7 dopravováno prostřednictvím výtokových zakřivených kanálů 18 (obr.4), upořádaných v tělese prvního oběžného kola 5, kde sekvenčně (vzájemně prostřídané) navazují na dva vzájemně výškově odsazené obtokové kanály 19,20 řízené otevírané nebo škrcené prostřednictvím plunžrové trubkové kuželky 21 samočinného vtokového ventilu 22 v závislosti na tlaku vstupního pracovního media. Trubková kuželka 21 je axiálně posuvně 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 píunžrového efektu, například tak, že ne úplně těsní v sedle apod.

Dutý hřídel 24, sloužící k přívodu tlakového pracovního media 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 neznázorněného řemene jc dutý hřídel 24 spojen s neznázoměným generátorem střídavého proudu nebo je v agregaci s jiným zařízením.

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

Funkce turbiny je následující:

Vysoce ohřáté a stlačené tlakové medium, jimž jsou páry například toluenu, izobutanu apod., vstupující přes ucpávku 34 do dutého hřídele 24, posune plunžrovým efektem z klidové polohy plunžrovou trubkovou kuželku 21 samočinného vtokového ventilu 22 až tak, žc se přinejmenším otevře nátok tlakového pracovního media do spodního obtokového kanálu 19 a k následnému proudění tlakového media do základní skupiny výtokových zakřivených kanálů 18 a dále do k nim přiřazených výtokových trysek 7 tangenciálně umístěných na obvodu prvního oběžného kola 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 odstředivé sily, vyvolávající zrychlené proudění tlakového pracovního media, resp. jeho zvýšený přetlak před vstupem do zmíněných výtokových trysek 7. Kromě zvýšené výtokové rychlosti tlakového media z výtokových trysek 7 a zvětšení jeho vytékajícího objemu, nastává další efekt, kdy • · φ · z výtokových trysek 7 prudce vystupující tíakové medium intenzivně expanduje do expanzní komory 4, kde ochlazuje její povrch.

Turbina je vysokootáčková reakčního typu, u níž jsou otáčky dané průměrem rotoru prvního oběžného kola 5, expanzním poměrem a fyzikálními vlastnostmi pracovního media. Na výstupech z výtokových trysek 7 se může dosahovat nadzvukové rychlosti proudění, tedy až 1200m/s. Pokud po expanzi a odevzdání energie má pracovní medium ještě dostatek kinetické energie, pak se expandované pracovní medium 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 může expandované pracovní medium doohřívat stykem se stěnami expanzní komory 4 v horní části horního přírubového tělesa 2, neboť stator 1, v důsledku 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 výměníků nebo z jiných tepelných zdrojů solárního systému, a jednak se zároveň zvýší termodynamická účinnost turbiny.

Expandované tlakové pracovní medium, usměrněné na vnitřním povrchu expanzní komory 4 soustavou šikmo uspořádaných vodících drážek 8 na lopatky 9 rozváděcího prstence 10 pod prvním oběžným kolem 5 turbiny, působí na lopatkové druhé oběžné kolo 14, osově spojeného se spodkem prvního oběžného kola 5 turbiny a postupuje následně do výtokového otvoru 12 a dále do neznázorněné expanzní části systému s neznázorněným rekuperátorem a kondenzátorem apod. Konstrukce turbiny musí odolávat částečnému provozu v mokré páře. Lopatky 9 rozváděcího prstence 10 optimalizují směrový tok expandovaného pracovního media na lopatky druhého oběžného kola 14 a pomocí nich, výměnou rozváděcího prstence 10, 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 (5)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Expanzní dvoustupňová turbina, zejména pro solární systémy, opatřená vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi tlakového pracovního media, zvláště s nízkým bodem varu, vyznačující se tím, že první vysokotlaký stupeň je tvořen souose na dutém hřídeli (24) pro přívod tlakového media uspořádaného prvního oběžného kola (5), tvořeného plochým 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 soustavou šikmo uspořádaných vodících drážek (8) k usměrnění toku expandovaného pracovního media na lopatky (9) rozváděcího prstence (10) umístěného neotočně pod prvním oběžným kolem (5) vsedle (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 nízkotlakého stupně, přičemž výtokové trysky (7) jsou prostřednictvím výtokových zakřivených kanálů (18), upořádaných v tělese prvního oběžného kola (5), vzájemně prostřídané napojeny na dva vzájemně výškově odsazené obtokové kanály (19,20) propojené řízené v závislosti na vstupním tlaku pracovního media s osovým otvorem dutého hřídele (24) prostřednictvím samočinného vtokového ventilu (22) s plunžrovou trubkovou kuželkou (21) axiálně posuvně uspořádanou v 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 sc tím, žc plášť horního přírubového tělesa (2) statoru (1) je vybaven alespoň jedním vnitřním kanálem (16) s alespoň jedním vnějším přívodem/výstupem (17) ohřátého nebo chladícího media.

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

5 (6) pro výtokové trysky (7) jsou po směru otáčení prvního oběžného kola (5) aerodynamicky upraveny.