Chladicí systém pro generátor umístěný v nádrži s tekoucí vodou

Oblast techniky

Vynález se týká chladicího systému pro generátor, zejména pro generátor čelní turbíny nebo pro turbogenerátor, umístěný v nádrži s tekoucí vodou, s tepelným výměníkem vzduch/tekutina uvnitř nádrže, který je na straně tekutiny připojen vedeními. Generátor je přitom poháněn turbínou. ·

Dosavadní stav techniky

Stav techniky uvádí dvě hlavní skupiny chladicích systémů pro takovéto generátory:

1. vzduchový chladicí systém a

2. tekutinový chladicí systém.

Vzduchový chladicí systém je známý ve třech variantách:

a) Chladicí systémy pro chlazení čerstvým vzduchem, u nichž je chlazený generátor umístěn pod relativně velkou šachtou, takže se teplo může odvádět šachtou nahoru, přičemž se rovněž může šachtou vést ke generátoru chladný čerstvý vzduch. Takovéto systémy mají nevýhodu, že nejsou zvláště účinné a jsou silně závislé na okolních podmínkách, jako je teplota vzduchu. Kromě toho vyžadují relativně velký stavební objem pro oblast šachty, což redukuje průřez použitelný pro průtok vody k turbíně.

b) Cirkulační vzduchové chladicí systémy (žebrové chlazení nebo Fin-cooling). U něho jsou plášť generátoru, respektive nádrž, ve kterých je umístěn generátor pod vodou, ve zdvojeném obalu, přičemž mezi tyto obaly je vyfukován odvod z generátoru, čímž se tento odvod z generátoru chladí vnějším obalem nádrže, který je chlazen tekoucí vodou. Takovýto systém je popsán například ve FR-B-1 129 191 (obr. 1). Tento systém sice odstraňuje nevýhody chladicích systémů podle písmena a), vyžaduje však náklady na výrobu zdvojeného obalu, který musí sestávat ze svařovaného chráněného plechu. Tento zdvojený obal má vedle chladicí funkce také funkci mechanického nosiče nádrže. Velké mechanické zatížení existuje zpravidla především na vrchní oblasti, takže vnější obal přivrácený k tekoucí vodě musí být vyroben z relativně masivního ocelového plechu, což se zase ukazuje jako nepříznivé pro přechod tepla z generátoru z teplého odvodu na tekoucí vodu.

c) Cirkulační chladicí systémy, u nichž je vzduchový chladicí okruh veden před generátorem z nádrže ven, před touto nádrží je veden tekoucí vodou a na protilehlé straně je bezprostředně před generátorem veden zpět nádrže, přičemž v kanálu mimo nádrž je umístěn tepelný vzduch/voda. Chladicí systém tohoto typu je popsán v již uvedeném FR-B1 129 191 (obr. 5). Nevýhoda tohoto systému spočívá mezi jiným vtom, že chladicím okruhem dochází k ovlivnění poměrů proudění tekuté vody a tím k nežádoucímu snížení J stupně účinnosti turbíny. Toto řešení proto není pro praxi relevantní.

» Rovněž v tekutinových chladicích systémů existují dva základní typy:

a) Chlazení čerstvou vodou, u kterého se potrubím do nádrže k chladiči vzduch/voda čerpá vodovodní nebo studniční voda a zde přijímá odpadní teplo z odvodu z generátoru. Takto ohřátá čerstvá voda se odvádí do odtoku z turbíny.

-1 CZ 288741 B6

b) Chlazení povrchu, u něhož se chladicí tekutina uzavřená v chladicím okruhu čerpá zdvojeným pláštěm generátoru, který současně tvoří nádrž umístěnou pod vodou k uložení generátoru čelní turbíny, a chladičem vzduch/voda. Odvod z generátoru se přitom ochlazuje v chladiči vzduch/voda a používá se k chlazení generátoru, zatímco voda ohřátá v chladiči předává teplo přes vnější obal pláště, případně nádrže tekoucí vodě. Takováto konstrukce je popsána ve FR-B-1 267 170 a v EP-B1-444059. Ačkoliv takováto konstrukce je velmi účinná, přináší přesto již dříve uvedené nevýhody. Vedle toho je kapacita takovéhoto chladicího systému omezená na použitelný vnitřní povrch nádrže generátoru. Vytvoření zdvojeného obalu zvyšuje opět činný průřez nádrže v tekoucí vodě, čímž se redukuje 10 potřebný průtočný průřez v existujícím průměru potrubí.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je odstranit problémy uvedené ve stavu techniky a vytvořit příslušné nové chlazení a zejména nový chlazený generátor čelní turbiny. Nové chlazení musí být jednoduché a pokud možno nesmi ovlivňovat mechanickou nosnou konstrukci nádrže. Musí vystačit pokud možno bez velkých nákladů na zařízení a především musí být universálně použitelné pro turbíny s různými průměry. Dále musí být vyrobitelné s příznivou cenou.

Tento úkol se vyřeší chladicím systém pro generátor čelní turbíny vpředu uvedeného typu, u kterého jsou vedení jsou v uzavřeném obvodu připojena k alespoň jednomu tepelnému výměníku tekutina/tekutína, který je umístěn vně nádrže v oblasti z boku vedle, nad, nebo pod generátorem a je v tepelně vodivém spojení s tekoucí vodou.

Chlazení nového typu překvapivě jednoduše spojuje výhody kombinovaného chlazení tekutina/vzduch s ohledem na bezpečný přenos tepla a malé rozměry pro vedení chladicí tekutiny ve srovnání s eventuálním vedením chladicího vzduchu s výhodami jednoduše vyrobitelného výměníku tekutina/tekutina, jaké mohou být obvyklé v jiných oblastech použití. Podle vynálezu 30 není tento výměník součástí nádrže, takže se nádrž i tepelný výměník mohou optimálně dimenzovat ve vztahu na funkční požadavky. Stěny nádrže mohou být dimenzovány bez ohledu na problémy s vedením tepla a tepelný výměník tekutina/tekutina může být dimenzován z pohledu optimální výměny tepla, aniž musí mít mechanickou pevnost pláště generátoru, případně nádrže generátoru, umístěné pod vodou, s ohledem na hydraulické a mechanické 35 zatížení a vibrace. Konstruktér má v rámci vynálezu volnost při volbě optimálního místa k přenosu tepla do tekoucí vody. Toto místo volí podle stavebních a místních hledisek. Z volby místa umístění tepelného výměníku tekutina/tekutina vyplývají specifické výhody.

Jestliže je tento tepelný výměník tekutina/tekutina umístěn v oblasti pláště generátorové vstupní 40 šachty, pak jsou vedení pro chladicí tekutinu krátká.

Jestliže je tento tepelný výměník tekutina/tekutina umístěn mezi generátorovou vstupní šachtu a turbínovou vstupní šachtu, případně tvoří alespoň část spojovací stěny mezi oběma šachtami, pak je nutné opatřit existující prostor, který je nutné obložit také z důvodu proudění, takovým 45 typem obkladu, který s sebou přináší jako přídavný účinek odvod tepla. Z důvodu, že tato oblast je bez tlaku, neboť tekoucí voda je s tímto prostorem mezi oběma šachtami v přímém kontaktu, zde jsou mechanická namáhání relativně malá. Mimo to se nezužuje volný průřez tekoucí vody.

Krátkou připojovací dráhu vedení a možnost stabilní montáže naprotitomu přináší, jestliže je 50 tepelný výměník tekutina/tekutina generátoru upevněn bočně na základě nádrže, přičemž jsou vedení přednostně vedena stěnou základu. Kromě toho je zajištěno, že při nízkém stavu vody, při kterém není kanál přívodu vody zcela naplněn, je generátor ochlazován tekoucí vodou.

Jestliže je naprotitomu tepelný výměník tekutina/tekutina namontován na stěny kanálu vedení 55 vody, vznikne sice delší dráha vedení, ale na rozdíl od upevnění na nádrži generátoru má výhodu

-2CZ 288741 B6 v menších vibracích. Kromě toho se zabraňuje eventuálnímu ovlivnění sdílení tepla tepelným výměníkem odpadním teplem, které je odevzdáno nádrží přímo ven.

Výhodný je chladicí systém, u kterého je tepelný výměník tekutina/tekutina vytvořen z kovu s vysokou tepelnou vodivostí, například z hliníku, ze slitiny hliníku, zvláště z korozivzdomého hliníku legovaného mědí a/nebo niklem. Některé agresivní tekutiny v tekoucí vodě tak nemohou tepelný výměník tekutina/tekutina poškodit. Možné je také nanesení povrchové vrstvy, například eloxováním. Rovněž jsou možné tepelné výměníky vyrobené z nirosty, poněvadž u nich se může udržovat tepelný odpor z důvodu malé tloušťky stěny, která musí přenášet jen malé mechanické, respektive hydraulické síly, malý.

Výhodné je, když jsou ke zrychlené dopravě chladicí tekutiny v obvodu mezi tepelným výměníkem vzduch/tekutina a tepelným výměníkem tekutina/tekutina umístěna čerpadlem, která jsou přednostně umístěna mimo nádrž. Umístění dovnitř nádrže není výhodné, neboť uvnitř nádrže je třeba počítat s vibracemi, které mohou eventuálně vyvolat u pohonu čerpadla opotřebení ložisek.

Generátor pro čelní turbíny s chladicím systémem podle vynálezu se vyznačuje kompaktností uvnitř pláště nádoby generátoru.

Vynález také zahrnuje kombinované chlazení, například s chladičem olej/tekutina, které mohou mít doplňkově k chladičům tekutina/vzduch vlastní chladicí okruh například pro mazivo a odpadní teplo odvádí rovněž k vně ležícímu tepelnému výměníku.

Použití tepelných výměníků tekutina/tekutina je sice známé v různých jiných oblastech, avšak odborník na stavbu čelních turbín se patrně nechá vést jinými úvahami, které ho spíše od použití takovýchto tepelných výměníků v tekoucí vodě zdrží. Zřetelně je to ze studie vývoje stavby chladičů pomocí následujících dokumentů: FR-B-1022783 z roku 1950, FR-B-1267170 z roku 1960, prospektu přihlašovatele „Bulb Type Generators“ z roku 1981 a EP-B1-444059 z roku 1989, které ukazují, že byla neustálá snaha tepelný výměník integrovat a smířit se přitom se značnými obtížemi.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále blíže objasněn pomocí příkladu provedení zobrazeného na výkrese, který schématicky znázorňuje dílčí řez chladicím systémem podle vynálezu u generátoru čelní turbíny.

Příklady provedení vynálezu

Uvnitř vedení kanálu, z něhož je zobrazena jenom stěna 11, proudí nádrží 1 čelní turbíny, respektive generátorem čelní turbíny, z něhož je zobrazen stator 8, tekoucí voda 12. Kopule 4 nádrže 1 přivrácená do směru proudění tekoucí vody 12 je dimenzována na mechanické zatížení vyvolané hydraulickým tlakem a vlastnostmi tekoucí vody. Zde vznikající dynamické a statické síly se rozdělí na nádrž lázní se převedou na základ. Generátorová a turbínová vstupní šachty 5 a 14 umožňují přístup ke generátoru 2, případně k turbíně nebo k pohonu, které nejsou znázorněny.

Rotor generátoru 2 je uchycen na hřídeli 10, který ho spojuje s turbínou. Tento hřídel 10 je uložen v neznázoměném základu v ložisku 9. Stator 8 generátoru 2 je umístěn na vnitřním ostění nádrže 1, která je dimenzována optimálně vzhledem k tlakovým poměrům a zatížení existujícím v kanálu.

-3CZ 288741 B6

Tepelný výměník 3 tekutina/vzduch je čerpadlem 7 a pomocí vedení 6 zásobován chladicí tekutinou, která prochází tepelným výměníkem 13 tekutina/tekutina. Jsou znázorněny dvě varianty umístění tepelného výměníku 13 tekutina/tekutina. Tepelný výměník 13 tekutina/tekutina je umístěn jednak na stěně 11 nebo mezi oběma šachtami 5 a 14. Ostatní 5 popsané varianty umístění jsou pro odborníka tak srozumitelné, že bylo upuštěno od dalšího obrazového znázornění.

Průmyslová využitelnost

Vynález není omezen příkladným znázorněním na výkrese. V jeho rámci leží různé varianty a provedení, také takové se součástmi, které v nynější době ještě nejsou na trhu, jako například různé materiály s vlastnostmi, které byly popsány.