CZ2013878A3

CZ2013878A3 - Bezlopatková parní miniturbína

Info

Publication number: CZ2013878A3
Application number: CZ2013-878A
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk Trávníček; Tomáš Vít; Jan Hrubý
Original assignee: Ăšstav termomechaniky AV ÄŚR , v.v.i.
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-20
Also published as: CZ306049B6

Abstract

Bezlopatková parní miniturbína obsahuje mechanický rotor (5), v němž je uspořádána alespoň jedna pracovní trubice (6), která má tvar spirály a zahrnuje v úseku od svého vstupu (17) ke svému výstupu (11) čerpací úsek pro přivádění pracovní látky v kapalném stavu vstupem (17) do mechanického rotoru (5) a zvýšení tlaku pracovní látky, varný úsek pro var pracovní látky ohřáté pomocí ohřívacího prostředku, jímž je bezlopatková parní miniturbína opatřena, a expanzní úsek pro expanzi páry pracovní látky na nižší tlak a její odvedení uvedeným výstupem (11) z mechanického rotoru (5). Čerpací úsek má osy mechanického rotoru (5) největší vzdálenost na svém konci vzdáleném od uvedeného vstupu (17) a vzdálenost každého z bodů varného úseku a uvedeného výstupu (11) od osy mechanického rotoru (5) se nachází v intervalu od 0,8 násobku do 1,2 násobku vzdálenosti uvedeného konce čerpacího úseku od této osy.

Description

Vynález se týká tepelného motoru, který se, dle způsobu využití jeho práce, nazývá parní turbína, a který lze rovněž nazývat dle tělesného vytvoření bezlopatkovou parní miniturbínou.

Dosavadní stav techniky

Parní turbíny s velkými výkony, tj. v řádu stovek kilowatt až jednotek gigawatt, jsou již desítky let úspěšně používány především pro výrobu elektrické energie, popřípadě pro pohon velkých dopravních prostředků. Jsou jedním z typů tepelných strojů, ve kterých je teplo transformováno na mechanickou energii prostřednictvím pracovní látky, působící na rotující části stroje. Jejich hlavní nevýhody jsou jejich vysoká složitost, náročnost na přesnou výrobu a nutnost použití drahých materiálů. Z toho vyplývá i vysoká cena parních turbín.

Menší varianty parních turbín jsou komerčně dostupné jako malé jednotky pro výrobu elektrické energie. Jejich výkony jsou řádově jednotky až stovky kilowat, při celkových rozměrech řádově decimetry až metry. Jelikož jsou to parametry mnohem menší než je v energetice obvyklé, bývají běžně označovány komerčním názvem mikroturbíny, či dokonce nanoturbíny.

vynálezu - se zase předpony mikro či nano používají pro

V některých případech - rovněž relevantních tomuto označeni velmi malých součástek, které se používají v mikrofluidice a v technologii MEMS (zkratka anglického „Micro-Electro-Mechanical Systems), kde rozměry nejmenších součástí, jako např. šířka kanálků rozvádějících tekutinu, jsou řádově mikrometry, popř. ještě menší. V této souvislosti je pak označení „mikroturbína používáno pro miniaturní turbínu, mající celkové rozměry řádově centimetry a nejmenší detaily řádově mikrometry až stovky mikrometrů (Chou a kol., Development of micro power generators - A review. Applied Energy 88 (2011) 1-16; Lee a Fréchette, A silicon microturbopump for a Rankine-cycle power generation microsystem - Part I: Component and systém design. J. MEMS 20 (2011) (1) 312-325) .

V souvislosti s rozvojem elektronického průmyslu se v posledních dvou desetiletích trvale zvyšuje poptávka po přenosných zařízeních, poskytujících elektrickou energii pro výkony v řádu desítek wattů až desítek kilowattů.

Přestože výkonnost elektrických akumulátorů se díky technologickému pokroku zlepšuje každým rokem, jejich vlastnosti prozatím nemohou poskytnout žádoucí kombinaci výkonové hustoty a vytrvalosti, které jsou potřebné pro nejrůznější aplikace, jakými jsou např. autonomní roboty, bezpilotní letadla, elektromechanická zařízení pro posílení fyzických schopností člověka apod. (Krewer, Review on portable energy systems: From electrochemical systems to energy harvesting. Chemie Ingenieur Technik 83 (2011) (11) 19741983).

Chemická paliva mají až stonásobně vyšší výkonovou hustotu než akumulátory a jsou tedy velmi vhodná ke generování • · · ·

··* · ·· · · • · · · • · · » · · • · · ·	• · · • · • · · · ♦
	- 3 -
elektrické	energie	pro přenosná zařízení. Vyžadují	však
existenci	účinných	miniaturních motorů - generátorů,	které

umožni přeměnit chemickou energii paliva na elektrickou energii. Taková zařízení mohou být založena na různých principech, zejména jsou to palivové články, pístové spalovací motory, spalovací turbíny a parní turbíny.

Palivové články mají sice vysokou účinnost, ale v poměru k poskytovanému výkonu mají velké rozměry a hmotnost a proto nejsou vhodné pro přenosná zařízení.

Pístové spalovací motory pro malé výkony mají velmi nízkou účinnost a životnost. Jejich tepelné ztráty jsou vysoké a opotřebení pístů a pístních kroužků vlivem tření je u miniaturních motorů mnohem rychlejší než u velkých pístových motorů.

Spalovací motor určený pro malé výkony by proto měl mít co nejmenší třecí plochy. Tomu odpovídá pouze motor s kontinuálním spalováním, tj. spalovací turbína. Spalovací turbína pro malé výkony by musela pracovat při velmi vysokých otáčkách a teplotách. Jedná se o perspektivní stroj, který je ve fázi vývoje. Na špičkových výzkumných pracovištích světa je intenzivně vyvíjeno několik typů spalovací mikroturbiny (Chou a kol., 2011) .

Parní turbína pro malé výkony je perspektivní alternativou k těmto možnostem. Nutno připustit, že parní turbína v běžném uspořádání je velmi složité zařízení, které je velmi obtížné zmenšit do malých rozměrů. Zmenšování totiž přináší několik podstatných nevýhod. První nevýhoda spočívá v technologickém a výrobním problému zmenšení složité geometrie často

mnohastupňového stroje. S tím je spojena druhá nevýhoda, kterou je relativní zvětšení mezery mezi špičkou lopatky rotoru turbíny a stěnou statoru. Zatímco u velkých turbín, s výkony stovek kilowat a výše, je tato mezera v řádu maximálně procenta výšky lopatky rotoru, zmenšení stroje, a s ním spojené technologické problémy, si vynucuje relativní zvětšení této mezery až o jeden řád. To významně snižuje aerodynamickou účinnost celého stroje. Další nevýhodou je nárůst relativních tepelných ztrát, spojený se zmenšováním stroje. U malých strojů to představuje několikanásobně větší podíl než u velkých turbín. To také snižuje účinnost celého stroje.

V odborné literatuře lze nalézt popis vyvíjených miniaturních parní turbín (Lee a Fréchette, 2011) o výkonu řádově jednotky až desítky wattů. K výrobě dílů se využívá křemíková technologie, podobná výrobě počítačových čipů. Vlivem výše uvedených nevýhod je účinnost velmi nízká, naopak náročnost na přesnou a drahou výrobu je velká.

Běžné typy používaných parních turbín, včetně vyvíjených miniaturních parních turbín, patří mezi lopatkové stroje. U nich probíhá transformace tepla na mechanickou práci při expanzi páry ve velmi složité a často mnohastupňové soustavě lopatek.

Prozatím je známo několik variant bezlopatkových turbín. Tradičně se jako nejstarší uvádí reaktivní turbína antického vynálezce Héróna z Alexandrie z 1. století našeho letopočtu. Jeho parní turbína, označovaná též jako Heronova baňka, má tangenciálně uspořádané trysky, jimiž proudí vodní pára z rotoru, přičemž reakční moment hybnosti rotorem otáčí. Jednou • · · ·

- 5 ze starších konstrukcí je patent N. Tesly z roku 1913 (US patent 1,061,206). Jde o turbínu, která transformuje energii proudící tekutiny na energii rotoru prostřednictvím tření mezi tekutinou a kotouči rotoru, a která tedy, na rozdíl od tohoto vynálezu, nepoužívá rotující kanál pro průtok tekutiny. Tato turbína se však nerozšířila z důvodu mnohem nižší účinnosti oproti standardním lopatkovým turbínám. Přesto se i v nedávné době objevila studie možnosti aplikace Teslovy turbíny při využití solární energie - zřejmým důvodem je výrobní jednoduchost bezlopatkového stroje (Van P. Carey, Assessment of Tesla turbině performance for smáli scale Rankine combined heat and power systems. Trans. ASME, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 132 (2010) 122301-1-122301-8).

Také bezlopatková turbína českého vynálezce Šenka (AO 262 707, 1990), mění energii proudu tekutiny na mechanickou práci prostřednictvím třecí síly a proto má také podstatně nižší účinnost oproti lopatkovým turbínám.

Poněkud jiná situace je u spalovacích turbín, jejichž několik bezlopatkových variant již bylo patentováno (DE3306971A1, 1984; W02008088225A1, 2006). Ve všech těchto případech jde o spalovací turbíny, jejichž podstata práce i fyzikální princip popsaný termodynamickým cyklem jsou zcela odlišné od parní turbíny.

Výše popsané nevýhody známých typů miniaturních parních turbín jsou hlavními překážkami, bránícími praktickému využití miniaturních parních turbín.

• · · ·

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky odstraňuje bezlopatková parní miniturbína podle vynálezu, s mechanickým rotorem, v němž je uspořádána alespoň jedna pracovní trubice, jejíž podstata spočívá v tom, že pracovní trubice má tvar spirály a zahrnuje v úseku od svého vstupu ke svému výstupu čerpací úsek pro přivádění pracovní látky v kapalném stavu vstupem do mechanického rotoru a zvýšení tlaku pracovní látky, varný úsek pro var pracovní látky ohřáté pomocí ohřívacího prostředku, jímž je bezlopatková parní miniturbína opatřena, a expanzní úsek pro expanzi páry pracovní látky na nižší tlak a její odvedení uvedeným výstupem z mechanického rotoru, přičemž čerpací úsek má od osy mechanického rotoru největší vzdálenost na svém konci vzdáleném od uvedeného vstupu a vzdálenost každého z bodů varného úseku a uvedeného výstupu pracovní trubice od osy mechanického rotoru se nachází v intervalu od

0,8 násobku do 1,2	násobku vzdálenosti osy.	uvedeného	konce
čerpacího	úseku od této
Podle	jednoho z	výhodných provedení	uvedený	konec
čerpacího	úseku, všechny body varného úseku	a uvedený	výstup

pracovní trubice mají v podstatě stejnou vzdálenost od osy mechanického rotoru.

Podle jednoho z výhodných vyhotovení, pracovní trubice obsahuje též přehřívací úsek pro přehřívání páry pracovní látky, přičemž přehřívací úsek je uspořádán mezi varným úsekem a expanzním úsekem a vzdálenost každého z bodů přehřívacího úseku od osy mechanického rotoru se nachází v intervalu od 0,8 násobku do 1,0 násobku vzdálenosti uvedeného konce čerpacího úseku od této osy.

• · · ·

- 7 Body varného úseku, přehřívacího úseku, koncem čerpacího úseku a výstupem z pracovní trubice se pro účely posuzování jejich vzdálenosti od osy mechanického rotoru v této přihlášce vynálezu včetně patentových nároků míní body ležící na podélných osách příslušných úseků a pracovní trubice.

Podle dalšího z výhodných provedení pracovní trubice obsahuje též předehřívací úsek pro předehřátí pracovní látky, přičemž předehřívací úsek je uspořádán mezi čerpacím úsekem a varným úsekem.

S výhodou uvedený vstup pracovní trubice leží na ose mechanického rotoru a uvedený výstup pracovní trubice je uspořádán tak, že proud páry vycházejí výstupem ven z mechanického rotoru má v podstatě tangenciální směr k rotačnímu pohybu mechanického rotoru. Koncová část pracovní trubice tvořící uvedený výstup může být provedena jako Lavalova tryska.

Podle dalšího z výhodných provedení se ve směru od uvedeného vstupu příčný průřez varného úseku spojitě zvětšuje na několikanásobně větší příčný průřez a příčný průřez expanzního úseku se ke koncové části pracovní trubice tvořící uvedený výstup spojitě zmenšuje.

Podle dalšího výhodného provedení je s mechanickým rotorem spojen elektromagnetický rotor, který se při provozu otáčí spolu s mechanickým rotorem poháněným reakčním momentem hybnosti výtoku pracovní látky z uvedeného výstupu, přičemž otáčení elektromagnetického rotoru indukuje elektromagnetické napětí v elektromagnetickém statoru, který tak pracuje jako elektrický generátor.

*4»

- 8 S výhodou je mechanický rotor spojený s elektromagnetickým rotorem uveden do otáček potřebných pro zvýšení tlaku pracovní látky v kapalném stavu v čerpacím úseku pracovní trubice silovým momentem od elektromagnetického statoru působícího v této fázi jako elektromagnetický motor.

Podle dalšího výhodného provedení je mechanický rotor na svém obvodu opatřen teplosměnnými žebry a ohřívací prostředek pro ohřev pracovní látky ve varném úseku zahrnuje přívod pro přivedení horkého ohřívacího plynu do miniturbíny, jeho vedení mezi mechanickým statorem a mechanickým rotorem pro převod tepla mechanickému rotoru za pomoci teplosměnných žeber, a odvod pro odvedení ochlazeného ohřívacího plynu z miniturbíny.

S výhodou jsou teplosměnná žebra uspořádána tak, že leží na obvodu mechanického rotoru na spirále obíhající kolem osy mechanického rotoru, přičemž horký ohřívací plyn je veden spirálovou drahou vymezenou teplosměnnými žebry a mechanickým statorem a směr jeho proudění kolem mechanického rotoru je stejný jako směr rotace mechanického rotoru, takže část hybnosti horkého ohřívacího plynu je třením přenášena na mechanický rotor a podílí se tak na jeho pohonu, zatímco směr proudění pracovní látky v pracovní trubici kolem osy mechanického rotoru je opačný.

Horký ohřívací plyn může být přiváděn z externího zdroje, kterým je spalovací komora nebo solární nebo geotermální energie, nebo z externích zdrojů odpadního tepla, kterými jsou například spalovací motory, nebo může být horký ohřívací plyn vytvářen nejméně jedním spalovacím hořákem integrovaným přímo do přívodu horkého ohřívacího plynu.

Bezlopatková parní miniturbína s výhodou zahrnuje chladicí prostředek pro chlazení elektromagnetického rotoru chladicím vzduchem. S výhodou chladicí prostředek zahrnuje přívod chladicího vzduchu z externího zdroje tlakového vzduchu nebo z integrovaného chladicího dmychadla a vedení alespoň části tohoto chladicího vzduchu do mezery mezi elektromagnetickým rotorem a elektromagnetickým statorem, přičemž tato část chladicího vzduchu svým tlakem zamezuje průniku ohřívacího plynu labyrintovou ucpávkou. Chladicí prostředek může zahrnovat přivádění zbývající části chladicího vzduchu rozvodem do labyrintové ucpávky pro zamezení úniku horkého ohřívacího plynu do okolí.

Pracovní látkou může být voda nebo organické sloučeniny s vysokou molekulární hmotností, oproti vodě, jako toluen, R245fa, R134a nebo je pracovní látkou oxid uhličitý (R-744).

Podle jednoho z výhodných provedení je velikost příčných rozměrů pracovní trubice v řádu 10° mm až 10¹ mm a celkový průměr mechanického rotoru je v řádu 10¹ mm až 10² mm, přičemž otáčky mechanického rotoru jsou řádově 10³ ot/min až 10⁶ ot/min, přičemž mechanický rotor je staticky vyvážený.

Jak bylo naznačeno výše, čerpací úsek pracovní trubice slouží zvýšení tlaku pracovní látky v kapalném stavu účinkem odstředivé síly působící na pracovní látku při otáčení mechanického rotoru. Přiváděné teplo způsobuje var pracovní látky ve varném úseku. V přehřívacím úseku (který pracovní trubice může, ale též nemusí obsahovat) přiváděné teplo způsobuje přehřívání páry pracovní látky, V expanzním úseku přehřátá pára pracovní látky expanduje na nižší tlak a vyšší měrný objem a expanzí získaná hybnost vytékajícího proudu •i .· : . )

- ίο pohání mechanický rotor a s nim spojený elektromagnetický rotor. Tvarování pracovní trubice je prostorově uspořádáno tak, aby všechny její úseky (čerpací, varný, alternativně též přehřívací, a expanzní) na sebe plynule navazovaly a změny směru pracovní trubice ve všech těchto úsecích byly pozvolné, aby se minimalizovaly energetické ztráty, spojené s třecími a místními tlakovými ztrátami při proudění pracovní látky pracovní trubicí.

Uvedené prostorové uspořádání pracovní trubice způsobuje, že odstředivá a Coriolisova síla působící na pracovní látku při průchodu otáčejícím se mechanickým rotorem má příznivý důsledek na funkci parní turbíny podle vynálezu, neboť se tím zvyšuje přestup tepla mezi stěnou pracovní trubice a pracovní látkou.

Tímto prouděním s odstředivou silou působící na pracovní látku ve varném úseku pracovní trubice se také významně snižuje vliv blánového varu pracovní látky, který u běžných turbín využívajících Rankinův cyklus snižuje přestup tepla mezi stěnou a pracovní látkou.

Teplo je přiváděno do mechanického rotoru horkým plynem, obtékajícím vnější část mechanického rotoru, která je teplosměnnou plochou. Pro účel zvýšení tepelného toku je tato teplosměnné plocha s výhodou opatřena teplosměnnými žebry. Podle výhodného provedení jsou teplosměnné žebra provedena ve spirále na největším průměru vnější části mechanického rotoru. Horký plyn je do závitů teplosměných žeber přiváděn nejméně jedním přívodem, umístěným tangenciálně vzhledem k ose rotace rotoru, s orientací ve směru této rotace. Horký plyn proudí mezi závity teplosměnných žeber, přičemž v radiálním směru je • · · ·

- 11 prostor jeho proudění vymezen mezerou mezi vnější částí mechanického rotoru a pláštěm. Horký plyn ohřívá mechanický rotor a sám přitom snižuje svoji teplotu. Nakonec je ochlazení odváděn odvodem ochlazeného plynu mimo parní turbínu. Odváděný ochlazený plyn odnáší zbytkové teplo, které je eventuelně možno dále využít např. pro ohřev vody apod.

Uvedené prostorové uspořádání způsobuje, že mechanický rotor pracuje jako protiproudý tepelný výměník plyn-pracovní látka, jehož teplosměnnou plochu na straně plynu představuje vnější část mechanického rotoru opatřená teplosměnnými žebry a druhou teplosměnnou plochou na straně pracovní látky je omočená plocha pracovní trubice uvnitř mechanického rotoru, ve které dochází k ohřevu pracovní látky, varu, a případně též k přehřívání na přehřátou páru.

Uvedené prostorové uspořádání dále způsobuje, že spirálově tvarovaná teplosměnná žebra se podílejí, během rotace mechanického rotoru, na čerpání horkého plynu od přívodu horkého plynu do odvodu ochlazeného plynu.

Uvedené prostorové uspořádání způsobuje, že kolem mechanického rotoru proudí horký plyn ve stejném směru jako se rotor otáčí, což podstatně zmenšuje ztráty třením mezi povrchem rychle se otáčejícího rotoru a horkým plynem. Tyto třecí ztráty na povrchu rotoru jsou velmi nežádoucí a např. u bezlopatkových spalovacích turbín je proto nutno k jejich snížení minimalizovat rozměr mechanického rotoru v osovém směru nebo dokonce volit konstrukčně i provozně velmi náročné řešení s umístěním rotoru do vakuované schránky (DE3306971A1, 1984; W02008088225A1, 2006).

• · · ·

- 12 Uvedené prostorové uspořádání rovněž způsobuje, že část hybnosti horkého plynu je třením přenášena na mechanický rotor a podílí se tak na jeho pohonu.

Termodynamický cyklus parní turbíny podle vynálezu je možno přibližně popsat idealizovaným Rankinovým cyklem, stejně jako u běžné parní turbíny. Cyklus obsahuje kompresi, izobarický přívod tepla a izoentropickou expanzi. Tento cyklus možno uzavřít, jako je tomu u běžné parní turbíny, zařazením kondenzátoru s izobarickým odvodem tepla. Odváděná pára pak prochází kondenzátorem a v podobě kapaliny je vrácena do vstupní části pracovní trubice.

Pracovní látka v kapalném stavu proudí čerpacím úsekem pracovní trubice. Rotace mechanického rotoru, a z ní plynoucí odstředivá síla, zde způsobuje nárůst tlaku. Zvnějšku rotoru přiváděné teplo zvyšuje teplotu a ve varném úseku pracovní trubice probíhá var pracovní látky. Sytá pára pokračuje dále do navazujícího úseku, kterým je buď přehřívací úsek pracovní trubice, ve kterém probíhá změna syté páry na páru přehřátou, anebo je jím navazující expanzní úsek pracovní trubice. Pára v obou případech proudí navazujícím expanzním úsekem pracovní trubice směrem k ose rotace kde dochází k její expanzi na nižší tlak a nižší teplotu.

Expanzí získaná mechanická práce pohání mechanický rotor němu připevněný elektromagnetický generátor.

Pracovní látka v podobě páry po expanzi vystupuje z pracovní trubice ven, a tak dochází k odvodu zbytkového tepla.

Toto zbytkové teplo je eventuelně možno dále využít, např. pro ohřev vody apod. Rovněž je možno zařadit kondenzátor a odváděnou páru v něm zkondenzovat a následně vrátit do vstupní části pracovní trubice, a tak termodynamický cyklus uzavřít.

Hlavni rozdíl oproti běžným lopatkovým parním turbínám spočívá v tom, že pracovní látka proudí kontinuálně navazujícími úseky pracovní trubice (čerpací, varný, alternativně též přehřívací, a nakonec expanzní) a při tomto průtoku probíhá termodynamický cyklus parní turbíny.

Zařízení obsahuje pevnou a rotující část. Pevná část obsahuje rám, stator elektromotoru/generátoru, plášť, dvě ložiska, přívod horkého plynu a odvod ochlazeného plynu. Rotující část, která je otočně uchycena v ložiskách, obsahuje elektromagnetický rotor a mechanický rotor obsahující prostorově tvarovanou pracovní trubici a na vnější části teplosměnnou plochu, opatřenou teplosměnnými žebry. Elektromagnetický rotor je připevněn k mechanickému rotoru a oba tak tvoří dohromady jeden rotor.

Jak bylo výše naznačeno, varný úsek pracovní trubice a uvedený výstup pracovní trubice jsou z úseků pracovní trubice nejvíce vzdáleny od osy rotace, přičemž vzdálenost každého z bodů varného úseku a uvedeného výstupu pracovní trubice od osy mechanického rotoru se nachází v intervalu od 0,8 násobku do 1,2 násobku vzdálenosti uvedeného konce čerpacího úseku, odvráceného od vstupu pracovní trubice, od osy mechanického rotoru. Při těchto vzdálenostech byly zjištěny uspokojující účinnost a výkon miniturbiny. Zvláště je pak výhodné, když jsou vzdálenosti od osy mechanického rotoru všech bodů varného úseku, uvedeného výstupu a uvedeného konce čerpacího úseku stejné. Umístění varného úseku a výstupu (expanzního úseku) pracovní trubice ze všech částí pracovní trubice co nejdále od osy mechanického rotoru umožňuje dosáhnout zároveň vysoké účinnosti i vysoké výkonové hustoty.

l

- 14 Pracovní trubice může být s výhodou uspořádána tak, že je mechanický rotor staticky vyvážený.

Materiál rotoru musí mít vysokou tepelnou odolnost i mechanickou pevnost, aby nedošlo k jeho porušení vlivem teplotního a mechanického namáhaní. Nej častěji používanými materiály jsou pro tyto účely žárovzdorné slitiny, například nerezová ocel, Inconel, slitiny titanu a nekovové žárovzdorné materiály. Rotor je možné vyrobit například obráběním, tvářením, svařováním nebo odléváním, popř. technologií Rapid Prototyping.

Hlavní výhodou vynálezu oproti lopatkovým parním turbínám je integrování všech základních částí parní turbiny, které jsou potřebné pro fungování termodynamického cyklu parní turbíny, do jediné pracovní trubice.

Protože parní turbína podle vynálezu nemá žádné lopatky a všechny úseky pracovní trubice (čerpací, varný, alternativně též přehřívací, a nakonec expanzní) na sebe plynule navazují, jsou energetické ztráty, spojené s třecími tlakovými ztrátami při proudění pracovní látky pracovní trubicí, menší oproti běžným lopatkovým parním turbínám.

Protože změny směru pracovní trubice ve všech jejích úsecích jsou pozvolné, a protože příčný průřez pracovní trubice se zvětšuje rovněž jen pozvolna, jsou energetické ztráty, spojené s místními tlakovými ztrátami vyplývajícími z náhlých změn průřezu a směru proudění, podstatně menší oproti běžným lopatkovým parním turbínám.

- 15 Podstatné sníženi energetických ztrát při proudění pracovní látky, spolu s významným, zjednodušením konstrukce, odstraňuje nevýhody dosavadního stavu techniky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí příkladů provedení a výkresů, na nichž zobrazuje:

- obr. 1 celkové schéma příkladu provedení bezlopatkové parní miniturbíny podle vynálezu v osovém v řezu,

- obr. 2 schéma příkladu provedení parní turbíny podle vynálezu v pohledu zespoda ve směru osy rotoru a

- obr. 3 schéma příkladu provedení bezlopatkové parní miniturbíny podle vynálezu v provedení s integrovaným chladicím dmychadlem.

Příklady provedení vynálezu

Příklad provedení bezlopatkové parní mini turbíny podle vynálezu je zobrazen v osovém řezu na obr. 1.

K rámu je připevněn mechanický stator 2, opatřený ložisky a elektromagnetickým statorem 4 .

V ložiscích .3 je otočně uložen mechanický rotor _5, obsahující pracovní trubici 6 a teplosměnná žebra ]_, pevně spojený s elektromagnetickým rotorem 8.

Pracovní trubice 6 má tři nebo čtyři úseky kterými jsou úsek čerpací, varný, alternativně též přehřívači, a nakonec expanzní. Tyto úseky na sebe navazují v uvedeném pořadí, přičemž vstup do čerpacího úseku pracovní trubice 6 leží v ose rotace mechanického rotoru 5, definované dvojici ložisek £. Čerpací úsek pracovní trubice £ je část od vstupu do pracovní trubice 6 až k místu pracovní trubice _6, které je nejvíce vzdálené od osy rotace. Všechny další úseky, tj . varný úsek pracovní trubice £, alternativně též přehřívací úsek pracovní trubice 6, a expanzní úsek pracovní trubice 6, mají podle výhodného provedení vzdálenost od osy rotace přibližně stejnou a osa těchto úseků má podobu spirály.

Pracovní trubice 6 je tvarována tak, že všechny její úseky na sebe navazují plynule a změny směru pracovní trubice 6 ve všech těchto úsecích jsou pozvolné, aby se minimalizovaly energetické ztráty, spojené s třecími a místními tlakovými ztrátami při proudění pracovní látky pracovní trubicí 6.

Pracovní trubice 6 je tvarována tak, že příčný průřez varného úseku pracovní trubice 6 se pozvolna zvětšuje na několikanásobně větší příčný průřez. Naopak příčný průřez expanzního úseku pracovní trubice 6 se pozvolna zmenšuje, popřípadě je jeho koncová část provedena jako Lavalova tryska mající nadzvukovou rychlost výtoku páry.

Mechanický stator £ je opatřen alespoň jedním přívodem horkého plynu 9 a alespoň jedním odvodem ochlazeného plynu 10, jak je vyznačeno na obr. 2 v pohledu zespoda ve směru osy rotoru. Obr. 2 rovněž znázorňuje výstup z expanzního úseku pracovní trubice 6 do okolí označený jako výstup pracovní trubice 11, který má osu úseku uspořádánu přibližně tangenciálně k rotačnímu pohybu.

Při startu parní turbíny dle vynálezu je spojený mechanický a elektromagnetický rotor 5 a 8 roztočen do otáček, potřebných pro zvýšeni tlaku pracovní látky v čerpacím úseku pracovní trubice 6, prostřednictvím silového momentu od elektromagnetického statoru _4, který působí při startu spolu s elektromagnetickým rotorem 8^ jako elektromagnetický motor.

Poté začne do přívodu horkého plynu 9 proudit horký plyn z externího zdroje. Dochází k ohřevu mechanického rotoru 5 vlivem přestupu tepla z horkého plynu do vnější části mechanického rotoru 5 a do teplosměnných žeber 1_.

Zároveň začne být do pracovní trubice 6 přiváděna pracovní látka v kapalném stavu vhodným přívodním potrubím.

V čerpacím úseku pracovní trubice 6, což je část od vstupu do pracovní trubice 6 až k místu pracovní trubice 6, které je nejvíce vzdálené od osy rotace, dochází vlivem odstředivé síly ke zvýšení tlaku pracovní látky. Zároveň zde dochází k jejímu ohřevu v důsledku ohřevu mechanického rotoru horkým plynem.

V navazujícím varném úseku pracovní trubice 6 probíhá var v důsledku ohřevu mechanického rotoru horkým plynem.

V uvedeném příkladu provedení probíhá v navazujícím přehřívacím úseku pracovní trubice 6 přehřívání páry pracovní látky v důsledku ohřevu mechanického rotoru horkým plynem.

V navazujícím expanzním úseku pracovní trubice 6 pak pracovní látka v podobě páry proudí výstupem pracovní trubice 11 ven z mechanického rotoru 5. Jelikož výstup pracovní trubice 11 má osu expanzního úseku uspořádánu přibližně tangenciálně k rotačnímu pohybu, reakční moment hybnosti výtoku pracovní látky pohání mechanický rotor 5 a s ním spojený elektromagnetický rotor 8 ve směru hodinových ručiček. Tím je indukováno elektromagnetické napětí v elektromagnetickém statoru £, který tak pracuje jako elektrický generátor.

Teplosměnná žebra j_ jsou tvarovaná spirálově, v důsledku čehož se podílejí během rotace mechanického rotoru _5 na čerpání horkého plynu od přívodu horkého plynu 9 do odvodu ochlazeného plynu 10.

Jak je vidět z obr. 1 protiproudý tepelný výměník mechanický rotor 5 pracuje jako plyn-pracovní látka, j ehož teplosměnnou plochu na straně plynu představuje vnější část mechanického rotoru 5 opatřená teplosměnnými žebry teplosměnnou plochou na straně pracovní látky je omočená plocha pracovní trubice 6, ve které probíhá ohřev pracovní látky, její var a alternativně též její přehřívání, a expanze.

Chlazení elektromagnetického rotoru 8_ je provedeno chladicím vzduchem, přiváděným z externího zdroje tlakového vzduchu přívodem chladicího vzduchu 12 do mezery mezi elektromagnetickým rotorem 8^ a elektromagnetickým statorem 4_. Chladicí vzduch po průtoku touto mezerou zamezuje svým tlakem průniku plynu labyrintovou ucpávkou 13. Část chladicího vzduchu je přiváděna rozvodem chladicího vzduchu 14 do labyrintové ucpávky 15 pro zamezení úniku horkého plynu do okolí.

Schéma jiného výhodného uspořádání bezlopatkové parní miniturbíny podle tohoto vynálezu je na obr. 3. Chladicí vzduch je dodáván integrovaným chladicím dmychadlem 16, jehož rotor je připevněn k mechanickému rotoru _5.

Jelikož kolem mechanického rotoru j5 proudí horký plyn ve stejném směru jako se mechanický rotor _4 otáčí, tedy ve směru hodinových ručiček, zmenšují se tím ztráty třením mezi povrchem rychle se otáčejícího mechanického rotoru a horkým plynem. Navíc je část hybnosti horkého plynu třením přenášena na mechanický rotor a podílí se tak na jeho pohonu.

Předložený vynález byl popsán na výše uvedeném příkladu provedení, na který se však vynález neomezuje. Do rozsahu vynálezu též náleží modifikace, které spadají do rozsahu patentového nároku 1.

Claims

1. Bezlopatková parní němž je uspořádána miniturbína s mechanickým rotorem (5), v alespoň jedna pracovní trubice (6), jící se t i m, že pracovní trubice (6) má tvar spirály výstupu (11) a zahrnuje v úseku od svého vstupu (17) ke svému čerpací úsek pro přivádění pracovní látky v kapalném stavu vstupem (17) do mechanického rotoru (5) a zvýšení tlaku pracovní látky ohřáté pomocí látky, varný úsek pro var ohřívacího prostředku, pracovní j ímž j e bezlopatková parní miniturbína opatřena, a expanzní páry pracovní látky na nižší výstupem úsek pro expanzi tlak a její odvedení uvedeným (11) z mechanického rotoru čerpací úsek má od osy mechanického rotoru (5) přičemž největší vzdálenost na svém konci vzdáleném od uvedeného vstupu (17) a vzdálenost každého z bodů varného úseku a uvedeného výstupu (11) od osy mechanického rotoru (5) se nachází v intervalu od

0,8 násobku do

1,2 násobku vzdálenosti uvedeného konce čerpacího úseku od této osy.

2. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že všechny body varného úseku, uvedený výstup (11) a uvedený konec čerpacího úseku mají v podstatě stejnou vzdálenost od osy mechanického rotoru (5) .

3. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že pracovní trubice (6) obsahuje též přehřívací úsek pro přehřívání páry pracovní látky, přičemž přehřívací úsek je uspořádán mezi varným úsekem a expanzním úsekem a vzdálenost každého z bodů přehřívacího úseku od osy mechanického rotoru (5) se nachází v intervalu od

0,8 násobku do 1,0 násobku vzdálenosti uvedeného konce čerpacího úseku od této osy.

4. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pracovní trubice (6) obsahuje též předehřívací úsek pro předehřátí pracovní látky, přičemž předehřívací úsek je uspořádán mezi čerpacím úsekem a varným úsekem.

5. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že uvedený vstup (17) pracovní trubice leží na ose mechanického rotoru (5) a uvedený výstup (11) pracovní trubice (6) je uspořádán tak, že proud páry vycházejí výstupem (11) ven z mechanického rotoru (5) má v podstatě tangenciální směr k rotačnímu pohybu mechanického rotoru (5).

6. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 5, vyznačující se tím, že koncová část pracovní trubice (6) tvořící uvedený výstup (11) je provedena jako Lavalova tryska.

7. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že ve směru od uvedeného vstupu (17) se příčný průřez varného úseku spojitě zvětšuje na několikanásobně větší příčný průřez a příčný průřez expanzního úseku se ke koncové části pracovní trubice (6) tvořící uvedený výstup (11) spojitě zmenšuje.

8. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že s mechanickým rotorem (5) je spojen elektromagnetický rotor • · · · (8), který se při provozu otáčí spolu s mechanickým rotorem (5) poháněným reakčním momentem hybnosti výtoku pracovní látky z uvedeného výstupu (11) , přičemž otáčení elektromagnetického rotoru (8) indukuje elektromagnetické napětí v elektromagnetickém statoru (4), který tak pracuje jako elektrický generátor.

9. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mechanický rotor (5) spojený s elektromagnetickým rotorem (8) je uveden do otáček potřebných pro zvýšení tlaku pracovní látky v kapalném stavu v čerpacím úseku pracovní trubice (6) silovým momentem od elektromagnetického statoru (4) působícího v této fázi jako elektromagnetický motor.

10. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že mechanický rotor (5) je na svém obvodu opatřen teplosměnnými žebry (7) a ohřívací prostředek pro ohřev pracovní látky ve varném úseku zahrnuje přívod (9) pro přivedení horkého ohřívacího plynu do miniturbíny, jeho vedení mezi mechanickým statorem (2) a mechanickým rotorem (5) pro převod tepla mechanickému rotoru (5) za pomoci teplosměnných žeber (7), a odvod (10) pro odvedení ochlazeného ohřívacího plynu z miniturbíny.

11. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 9, vyznačující se tím, že teplosměnná žebra (7) jsou uspořádána tak, že leží na obvodu mechanického rotoru (5) na spirále obíhající kolem osy mechanického rotoru (5), přičemž horký ohřívací plyn je veden spirálovou drahou vymezenou teplosměnnými žebry (7) a mechanickým statorem (2) a směr jeho prouděni kolem mechanického rotoru (5) je stejný jako směr rotace mechanického rotoru (5) , takže část hybnosti horkého ohřívacího plynu je třením přenášena na mechanický rotor (5) a podílí se tak na jeho pohonu, zatímco směr proudění pracovní látky v pracovní trubici (6) kolem osy mechanického rotoru (5) je opačný.

12. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že horký ohřívací plyn je přiváděn z externího zdroje, kterým je spalovací komora nebo solární nebo geotermální energie, nebo z externích zdrojů odpadního tepla, kterými jsou například spalovací motory, nebo je horký ohřívací plyn vytvářen nejméně jedním spalovacím hořákem integrovaným přímo do přívodu (9) horkého ohřívacího plynu.

13. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zahrnuje chladicí prostředek pro chlazení elektromagnetického rotoru (8) chladicím vzduchem.

14. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 13, vyznačující se tím, že chladicí prostředek zahrnuje přívod chladicího vzduchu z externího zdroje tlakového vzduchu nebo z integrovaného chladicího dmychadla (16) a vedení alespoň části tohoto chladicího vzduchu do mezery mezi elektromagnetickým rotorem (8) a elektromagnetickým statorem (4), přičemž tato část chladicího vzduchu svým tlakem zamezuje průniku ohřívacího plynu labyrintovou ucpávkou (13).

• ♦ · ·

15. Bezlopatková parní miniturbína podle nároku 14, vyznačuj icí se tím, že chladicí prostředek zahrnuje vedení zbývající části chladicího vzduchu rozvodem (14) do labyrintové ucpávky (15) pro zamezení úniku horkého ohřívacího plynu do okolí.

16. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pracovní látkou je voda nebo jí jsou organické sloučeniny s vysokou molekulární hmotností, oproti vodě, jako toluen, R245fa, R134a nebo je pracovní látkou oxid uhličitý (R—744) .

17. Bezlopatková parní miniturbína podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že velikost příčných rozměrů pracovní trubice (6) je v řádu 10° mm až 10¹ mm, a celkový průměr mechanického rotoru (5) je v řádu 10 mm až 10 mm, přičemž otáčky mechanického rotoru (5) jsou řádově 10³ ot/min až 10⁶ ot/min, přičemž mechanický rotor (5) je staticky vyvážený.