CZ24239U1

CZ24239U1 - Rotor náporové turbíny

Info

Publication number: CZ24239U1
Application number: CZ201226458U
Authority: CZ
Inventors: Madry@Ferdinand; Žák@Pavel
Original assignee: Gwrd S.R.O.
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2012-08-27

Description

Rotor náporové turbíny

Oblast technik

Technické řešení se týká rotoru náporové turbíny, který obsahuje hřídel uzpůsobenou pro otočné uložení ve statoru, přičemž s hřídelí jsou pevně spřažený náporové prvky o tvaru štíhlých prutů. Dosavadní stav techniky

Jsou známy náporové turbíny, jejichž rotor je opatřen nikoliv klasickými zakřivenými lopatkami, ale náporovými prvky ve tvaru štíhlých prutů, zhotovených např. z drátů (CZ 301533 B6). Na ně se tryskou tečně fouká vzdušina, jejíž tlaková energie se za tryskou změní na kinetickou energií. Vzdušina pak jednotlivým náporovým prvkům předá při styku s nimi svou hybnost. Podle toho, jaký je poměr vstupního tlaku, tj. tlaku před tryskou, a výstupního tlaku, tj. tlaku za tryskou, nazývaného též protitlak, náporová turbína pracuje ve dvou režimech.

V prvním režimu, kdy poměr výstupního tlaku ku vstupnímu tlaku je větší než tzv. kritický, je výtoková rychlost vzdušiny z trysky podzvuková a turbína pracuje jako turbína náporová. Charakteristickým znakem prvního režimu je, že kinetická energie vzdušiny vytváří náporový tlak na náporové prvky, cožje zdrojem otáčení rotoru.

Je-li poměr výstupního tlaku ku vstupnímu tlaku menší než kritický, dochází při výtoku z trysky k nadzvukovému proudění, při němž proud vzdušiny narazí na náporový prvek a vytvoří před ním rázovou vlnu. Turbína pak pracuje v druhém režimu, kdy otáčení rotoru způsobuje svými tlakovými a teplotními účinky rázová vlna.

Turbíny s tímto typem rotoru, ať pracují v jakémkoliv z obou režimů, mají vysokou účinnost i pri proměnných parametrech vzdušiny, jíž je zejména vodní pára. Turbíny spolehlivě pracují pri použití přehřáté i mokré páry. K jejich přednostem dále patří malé rozměry vzhledem k výkonu a zejména minimální opotřebení funkčních ploch. Malé opotřebení je způsobeno tím, že pri činnosti náporové turbíny v druhém režimu se rázová vlna nedotýká předmětů, tj. zejména náporových prvků, které ráz svou přítomností způsobují, protože mezi rázovou vlnou a náporovými prvky se vytváří několik milimetrů silný vzduchový polštář, ve kterém je minimální proudění vzdušiny. Tím je na minimum snížena abraze. Teplo doprovázející rázovou vlnu je příčinou odpaření kapiček vzdušiny, takže nedochází ani k poškození náporových prvků kavitací.

Známé rotory jsou opatřeny jedním prstencem náporových prvků. Bylo zjištěno, že vzdušina, která vykonala mechanickou práci rotoru, však má ještě zbytkovou energii, která odchází z náporové turbíny bez užitku. Z tohoto pohledu se provedení stávajících rotorů jeví jako nevýhodné.

Podstata technického řešení

Uvedená nevýhoda je podstatně zmenšena rotorem náporové turbíny, který obsahuje hřídel uzpůsobenou pro otočné uložení ve statoru. S hřídelí jsou pevně spřažený náporové prvky o tvaru štíhlých prutů. Podstata spočívá v tom, že náporové prvky jsou uspořádány do dvou koncentrických prstenců - vnějšího a vnitrního. Náporové prvky vnějšího prstence jsou vzhledem ke hřídeli ustaveny do radiálního směru. Náporové prvky vnitřního prstence mohou být uspořádány do jedné ze dvou poloh. První poloha spočívá v tom, že náporové prvky mají vzhledem ke hřídeli radiální směr. Druhá poloha naopak spočívá v tom, že náporové prvky mají vzhledem ke hřídeli axiální směr. Vnější prstenec náporových prvků obsahuje první průchozí otvory. Vnitřní prstenec náporových prvků obsahuje druhé průchozí otvory. Náporové prvky vnějšího prstence jsou obklopeny prvním tlakovým prostorem. Náporové prvky vnitřního prstence jsou obklopeny druhým tlakovým prostorem. Průchozí otvory jsou uspořádány tak, že prvními průchozími otvory je propojen první tlakový prostor s druhým tlakovým prostorem. Druhými průchozími otvory je propojen druhý tlakový prostor s odpadovým prostorem, který je uzpůsoben pro napojení na odpadovou soustavu náporové turbíny.

- 1 CZ 24239 Ul

Výhodou takto vytvořeného rotoru náporové turbíny je podstatně vyšší využití energie vzdušiny, a tím zvýšení účinnosti turbíny.

Výhodné provedení rotoru spočívá v tom, že ke hřídeli jsou připevněny alespoň dva disky o průměru v podstatě shodném s průměrem myšlené obálkové plochy obklopující náporové prvky vnějšího prstence. Mezi sousedními disky je sevřen vnější věnec mezikruhového tvaru, do něhož jsou vsazeny náporové prvky vnějšího prstence. Vnější věnec je opatřen radiálně nasměrovanými prvními průchozími otvory. Mezi sousedními disky jsou rovněž upevněny náporové prvky vnitřního prstence. V případě radiální polohy jsou náporové prvky vnitřního prstence vsazeny do vnitřního věnce mezikruhového tvaru, kterýje sevřen mezi sousedními disky, přičemž je opatřen radiálně nasměrovanými druhými průchozími otvory. V případě axiální polohy jsou náporové prvky vsazeny přímo do sousedních disků, přičemž druhé průchozí otvory jsou vytvořeny mezerami mezi náporovými prvky. Zda náporové prvky vnitřního prstence jsou umístěny do radiální ěi axiální polohy, je odvislé od silových poměrů v druhém tlakovém prostoru. Na požadovaných výkonových parametrech turbíny, a tudíž silových poměrech v turbíně, resp. v jejím rotoru, závisí též počet použitých disků.

Z výrobních důvodů, ale i pro možnost snadných oprav, je vnější věnec a/nebo vnitrní věnec sestaven z dílčích segmentů, samostatně připevněných k diskům.

U rotoru, kterýje opatřen dvěma a více disky, je odpadový prostor energeticky vyčerpané vzdušiny výhodně vytvořen tak, že obsahuje alespoň jednu komoru, která je vymezena vnitřním prstencem náporových prvků, hřídelí a sousedními disky. U rotoru se dvěma disky existuje tudíž jediná odpadová komora, zatímco u rotoru s více disky je počet komor závislý na počtu disků. Všechny komory jsou uzpůsobeny pro napojení na odpadovou soustavu.

Napojení na odpadovou soustavu je v jedné alternativě provedeno tak, že alespoň jeden krajní disk je opatřen alespoň jedním výtokovým otvorem, který je umístěn v akčním dosahu ve statoru vytvořeného odtokového otvoru odpadové soustavy. Každá komora je napojena na výtokový otvor.

V případě aplikace více než dvou disků jsou komory sériově propojeny a do výtokového otvoru je zaústěna sériově propojená sestava komor.

Výhodnější provedení však spočívá v tom, že v případě aplikace více než dvou disků jedna ěást komor je sériově propojena do jednoho uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor v jednom krajním disku, zatímco zbylá ěást komor je sériově propojena do druhého uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor v opačném krajním disku.

Jiná možnost napojení komor na odpadovou soustavu spočívá v tom, že komory jsou propojeny s dutinou, která je vyhotovena v hřídeli a zaústěna do odpadové soustavy.

Rotor je výrobně jednoduchý, provozně nenáročný a je základem vysoké účinnosti náporových turbín, pro něž je určen.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených výkresech je schematicky znázorněn příklad provedení rotoru náporové turbíny, kde znázorňuje obr. 1 axonometrický pohled na částečně rozložený rotor opatřený radiálně orientovanými náporovými prvky vnitřního prstence, obr. 2 totéž jako na obr. 1, ale s axiálně orientovanými náporovými prvky vnitřního prstence, obr. 3 osový řez sestaveného rotoru obsahujícího tri disky a axiálně orientované náporové prvky vnitřního prstence, obr. 4 axonometrický osový řez sestaveného rotoru s jedním typem zaústění odpadového prostoru do odpadové soustavy, obr. 5 osový řez sestaveného rotoru s jiným typem zaústění odpadového prostoru do odpadové soustavy než na obr. 4, obr. 6 pohled zvenčí na ěást náporových prvků vnějšího prstence s naznačením vzniku rázové vlny, obr. 7 řez A-A z obr. 3.

-2 CZ 24239 Ul

Příklad provedení technického řešení

Základní součástí rotoru 1 náporové turbíny je hřídel 3, která je osazena neznázoměnými valivými ložisky, jejichž pomocí je uzpůsobena pro otočné uložení ve statoru 2 (obr. 4). S hřídelí 3 jsou pevně spřaženy náporové prvky 4 o tvaru štíhlých prutů, které jsou uspořádány do dvou koncentrických prstenců - vnějšího prstence 5 a vnitřního prstence 6.

Náporové prvky 4 vnějšího prstence 5 jsou vzhledem ke hřídeli 3 ustaveny do radiálního směru, nebo-li kolmo k ose hřídele 3. Výhodné provedení spočívá v tom, že ke hřídeli 3 jsou připevněny alespoň dva disky 11 o průměru v podstatě shodném s průměrem myšlené obálkové plochy obklopující náporové prvky 4 vnějšího prstence 5. Na většině obrázků jsou znázorněny dva disky

11, pouze na obr. 3 je rotor 1 opatřen třemi disky Π. Disků JT v případě potřeby může být i více. Ať je disků JT jakýkoliv počet, mezi sousedními z nich je sevřen vnější věnec 51 mezikruhového tvaru, do něhož jsou vsazeny náporové prvky 4 vnějšího prstence 5. Vnější věnec 51 může být zhotoven z jednoho kusu (obr, 2), nebo v souladu s obr. 1 může být sestaven z dílčích segmentů

12, samostatně připevněných k diskům JT např. pomocí svorníků 13, provlečených montážními otvory 16, a přitažených maticemi 14. Náporové prvky 4 vnějšího prstence 5 jsou obklopeny prvním tlakovým prostorem 53, do něhož je zaústěna tryska 22, uzpůsobená pro přívod vzdušiny (obr. 4).

Směrem ke hřídeli 3 je pod vnějším prstencem 5 uspořádán vnitřní prstenec 6 náporových prvků

4. Náporové prvky 4 vnitřního prstence 6 mohou být v závislosti na silových poměrech v rotoru 1 uspořádány do jedné ze dvou rozdílných poloh. První poloha spočívá v tom, že náporové prvky 4 vnitřního prstence 6 mají vzhledem ke hřídeli 3 radiální směr (obr. 1, 4, 5, 7), stejně jako náporové prvky 4 vnějšího prstence 5. Shodné je v tomto případě i upevnění náporových prvků 4 prostřednictvím vnitřního věnce 61 mezikruhového tvaru, sevřeného mezi sousední disky JT. Vnitřní věnec 61 může být analogicky s vnějším věncem 51 zhotoven z jednoho kusu, nebo ze segmentů 12. Druhá poloha náporových prvků 4 vnitřního prstence 6, která je alternativou k první poloze, spočívá v tom, že náporové prvky 4 mají vzhledem ke hřídeli 3 axiální směr, neboli jsou s hřídelí 3 rovnoběžné (obr. 2, 3). V případě axiální polohy jsou náporové prvky 4 vsazeny v podstatě přímo do sousedních disků JT. Bez ohledu na polohu jsou náporové prvky 4 vnitrního prstence 6 obklopeny druhým tlakovým prostorem 63.

Vnější prstenec 5 náporových prvků 4 obsahuje radiálně nasměrované první průchozí otvory 52 tak, že je jimi propojen první tlakový prostor 53 s druhým tlakovým prostorem 63.

Vnitřní prstenec 6 náporových prvků 4 obsahuje druhé průchozí otvory 62, jimiž je propojen druhý tlakový prostor 63 s odpadovým prostorem 7, který je uzpůsoben pro napojení na odpadovou soustavu 8 náporové turbíny. Odpadovou soustavou 8 je nejčastěji odtokové potrubí energeticky vyčerpané vzdušiny. Druhé průchozí otvory 62 jsou v případě radiální polohy náporových prvků 4 vnitřního prstence 6 nasměrovány radiálně do odpadového prostoru 7 (obr. 4, 5). V případě axiální polohy náporových prvků 4 vnitřního prstence 6 jsou druhé průchozí otvory 62 vytvořeny mezerami mezi náporovými prvky 4 (obr. 3).

Odpadový prostor 7 obsahuje alespoň jednu komoru 71. která je vymezena vnitřním prstencem 6 náporových prvků 4, hřídelí 3 a sousedními disky JJ.. Na obr. 1, 2, 4 a 5 je znázorněn rotor 1 s jednou komorou 71, zatímco rotor 1 podle obr. 5 je opatřen dvěma komorami 71. Komora 71, resp. komory 71 jsou uzpůsobeny pro napojení na odpadovou soustavu 8. Za tím účelem je alespoň jeden krajní disk JT opatřen alespoň jedním výtokovým otvorem 15, kterýje umístěn v akčním dosahu odtokového otvoru 21 odpadové soustavy 8, vytvořeného ve statoru 2. V provedení podle obr. 1 a 2 jsou vyhotoveny čtyři výtokové otvory J_5 v jediném disku JT. Je však možné i neznázoměné symetrické provedení, v jehož rámci je výtokovými otvory 1_5 opatřen i opačný disk JJ_. V případě rotoru 1 s více komorami 71 (obr. 3) je na výtokový otvor 15, resp. na výtokové otvory 15 napojena každá komora 7L To může být provedeno v souladu s obr. 5. V neznázoměné alternativě při aplikaci více než dvou disků lije do výtokového otvoru 15 zaústěna sériově propojená sestava komor 71. Při tvorbě rotoru 1 s více než dvěma disky 11 je však výhod-3CZ 24239 Ul nější neznázoměné provedení, v němž část komor 71 ie sériově propojena do jednoho uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor 15 v jednom krajním disku li, zatímco zbylá část komor 71 je sériově propojena do druhého uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor 15 v opačném krajním disku TL Dělicí přehradou mezi oběma uskupeními je s výhodou střední disk H, obdobně jako na obr. 3.

V rámci alternativy k výtokovému otvoru 15 a odtokovému otvoru 21 je napojení na odpadovou soustavu 8 provedeno tak, že komory 71 jsou prostřednictvím propojovacích otvorů 32 propojeny s dutinou 31, která je vyhotovena ve hřídeli 3 a zaústěna do odpadové soustavy 8 (obr. 5).

Pri činnosti vzdušina, nejčastěji tlaková pára, proudí přes trysku 22 ve směru šipky a tečně k náporovým prvkům 4 vnějšího prstence 5, jimž předává svou hybnost. Tu získala přechodem přes trysku 22, kde se její tlaková energie mění na kinetickou energii. Vzdušina proudí uvnitř turbíny tak, že se dostává z prvního tlakového prostoru 53 pomocí prvních průchozích otvorů 52 do druhého tlakového prostoru 63 a z něho prostřednictvím druhých průchozích otvorů 62 do odpadového prostoru 7 a následně do odpadové soustavy 8. Konstrukční úpravou, založenou zejména na prostorovém uspořádání trysky 22. je zajištěno, že trajektorie b vzdušiny uvnitř turbíny má tvar Archimedovy spirály.

Vstupní tlak vzdušiny před tryskou 22 je větší, než výstupní tlak za tryskou 22, nazývaný též protitlak. Poměr vstupního tlaku ku výstupnímu tlaku bývá označován jako koeficient beta.

Je-li tento poměr větší než tzv. beta kritické, výtoková rychlost vzdušiny z trysky 22 je menší než cca 300 m/sec., a náporová turbína pracuje v náporovém režimu, pri němž vzdušina vytváří náporový tlak na náporové prvky 4 nejprve v prvním tlakovém prostoru 53 a po průchodu prvními průchozími otvory 52 v druhém tlakovém prostoru 63- Působením náporového tlaku dochází k otáčení rotoru 1.

Je-li poměr vstupního tlaku ku výstupnímu tlaku menší než beta kritické, je výtoková rychlost vzdušiny na výstupu z trysky 22 vyšší než 330 m/sec., což je proudění nadzvukové, a náporová turbína pracuje v rázovém režimu. Při něm se nárazem na náporové prvky 4 vytvoří rázová vlna 9, jejíž tvar je znázorněn na obr. 6. Rázová vlna 9 je charakterizována tlakovým polem 91, v němž narůstá tlak a teplota, ale v němž současně dochází k poklesu rychlosti vzdušiny. Před náporovými prvky 4 se vytváří polštář s minimálním prouděním, což má za následek mj. minimální opotřebení náporových prvků 4. Tlakem v tlakovém poli 91 se vytváří síla, kterou je rotor i poháněn. Nárůst teploty v tlakovém poli 91 má za následek, že dochází k odpaření kapiček vody, pokud vzdušinou je mokrá pára, čímž je zamezeno kavitaci. Po vykonání práce v prvním tlakovém prostoru 53 tlak za rázovou vlnou 9 uniká do druhého tlakového prostoru 63, kde se znovu využije kinetická energie i zvýšená teplota z tlakového pole 91 za rázovou vlnou 9. Dochází zde totiž k expanzi tlaku z tlakového pole 91 na tlak okolí, čímž je znovu urychlena vzdušina za rázovou vlnou 9, přičemž pri této expansi je využito teplo, které vytvořila rázová vlna 9. Tak se využije další část energie obsažené ve vzdušině.

Průmyslová využitelnost

Turbínu opatřenou rotorem podle technického řešení je možno napájet vzdušinou v širokém rozsahu parametrů, např. o tlaku 3 až 25 barů a teplotě o spodní hranici pod 200 °C a homí hranici i přes 1300 °C. Turbínu je možno postavit s výkonem v řádu kW, ale i stovek megawatů.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Rotor (1) náporové turbíny, který obsahuje hřídel (3) uzpůsobenou pro otočné uložení ve statoru (2), přičemž s hřídelí (3) jsou pevně spřaženy náporové prvky (4) o tvaru štíhlých prutů, vyznačující se tím, že náporové prvky (4) jsou uspořádány do dvou koncentrických prstenců, a sice vnějšího prstence (5) a vnitřního prstence (6), přičemž vzhledem ke hřídeli (3) jsou ustaveny náporové prvky (4) vnějšího prstence (5) do radiálního směru, zatímco náporové prvky (4) vnitřního prstence (6) do jedné ze dvou poloh, z nichž spočívá první poloha v tom, že náporové prvky (4) mají vzhledem ke hřídeli (3) radiální směr, zatímco druhá poloha v tom, že náporové prvky (4) mají vzhledem ke hřídeli (3) axiální směr, přičemž současně obsahuje vnější prstenec (5) náporových prvků (4) první průchozí otvory (52) a vnitřní prstenec (6) náporových prvků (4) druhé průchozí otvory (62) tak, že prvními průchozími otvory (51) je propojen první tlakový prostor (53), jímž jsou obklopeny náporové prvky (4) vnějšího prstence (5), s druhým tlakovým prostorem (63), jímž jsou obklopeny náporové prvky (4) vnitřního prstence (6), a dále druhými průchozími otvory (62) je propojen druhý tlakový prostor (63) s odpadovým prostorem (7), který je uzpůsoben pro napojení na odpadovou soustavu (8) náporové turbíny.
2. Rotor (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke hřídeli (3) jsou připevněny alespoň dva disky (11) o průměru v podstatě shodném s průměrem myšlené obálkové plochy obklopující náporové prvky (4) vnějšího prstence (5), přičemž mezi sousedními disky (11) je sevřen vnější věnec (51) mezikruhového tvaru, do něhož jsou vsazeny náporové prvky (4) vnějšího prstence (5) a jenž je opatřen radiálně nasměrovanými prvními průchozími otvory (52), přičemž současně mezi sousedními disky (11) jsou upevněny náporové prvky (4) vnitřního prstence (6) tak, že v případě radiální polohy jsou náporové prvky (4) vsazeny do vnitřního věnce (61) mezikruhového tvaru, jenž je jednak opatřen radiálně nasměrovanými druhými průchozími otvory (62) a jednak sevřen mezi sousedními disky (11), a v případě axiální polohy jsou náporové prvky (4) vsazeny do sousedních disků (11), přičemž druhé průchozí otvory (62) jsou vytvořeny mezerami mezi náporovými prvky (4).
3. Rotor (1) podle nároku 2, vyznačující se tím, že vnější věnec (51) a/nebo vnitrní věnec (61) je sestaven z dílčích segmentů (12), samostatně připevněných k diskům (11).
4. Rotor (1) podle nároku 2, vyznačující se tím, že odpadový prostor (7) obsahuje alespoň jednu komoru (71), která je vymezena vnitřním prstencem (6) náporových prvků (4), hřídelí (3) a sousedními disky (11), kteréžto komory (71) jsou uzpůsobeny pro napojení na odpadovou soustavu (8).
5. Rotor (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že pro napojení na odpadovou soustavu (8) je alespoň jeden krajní disk (11) opatřen alespoň jedním výtokovým otvorem (15), který je umístěn v akčním dosahu ve statoru (2) vytvořeného odtokového otvoru (21) odpadové soustavy (8), přičemž na výtokový otvor (15) je napojena každá komora (71).
6. Rotor (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že v případě aplikace více než dvou disků (11) je do výtokového otvoru (15) zaústěna sériově propojená sestava komor (71).
7. Rotor (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že v případě aplikace více než dvou disků (11) část komor (71) je sériově propojena do jednoho uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor (15) v jednom krajním disku (11), zatímco zbylá část komor (71) je sériově propojena do druhého uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor (15) v opačném krajním disku (11).

CZ 24239 Ul
8. Rotor (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že pro napojení na odpadovou soustavu (8) jsou komory (71) propojeny s dutinou (31), která je vyhotovena ve hřídeli (3) a zaústěna do odpadové soustavy (8).