CZ302324B6

CZ302324B6 - Expanzní dvoustupnová turbína

Info

Publication number: CZ302324B6
Application number: CZ20080444A
Authority: CZ
Inventors: Majchráková@Viktória
Original assignee: Majchráková@Viktória
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2011-03-09
Also published as: CZ2008444A3

Abstract

Expanzní dvoustupnová turbína je urcená zejména pro solární systémy a je opatrená vysokotlakovým a nízkotlakým stupnem pro expanzi tlakového pracovního média, zvlášte s nízkým bodem varu. Má první vysokotlaký stupen tvorený souose na dutém hrídeli (24) pro prívod tlakového média 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 vodicích drážek (8) k usmernení toku expandovaného pracovního média 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 média s osovým otvorem dutého hrídele (24) prostrednictvím samocinného vtokového ventilu (22) s plunžrovou trubkovou kuželkou (21) axiáln

Description

Expanzní dvoustupňová turbina

Oblast techniky

Vynález se týká expanzní dvoustupňové turbíny, zejména pro solární systémy, vybavenou vysokotlakým a nízkotlakým stupněm pro expanzi tlakového pracovního média, 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 působící 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 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 turbína na tlakové plynné médium, 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.

Turbína, řešená v podstatě na způsob Peltonovy turbíny, 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 vynálezu

Uvedené nevýhody známých expanzních turbín 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 turbína, 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 plochých 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 vodicích drážek k usměrnění toku expandovaného pracovního média 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 uspořádaných v tělese prvního oběžného kola vzájemně prostřídané napojeny na dva

- 1 CZ 302324 B6 vzájemně výškově odsazené obtokové kanály, propojené řízené v závislosti na vstupním tlaku pracovního média 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 ěi jiný agregát.

Zvláště výhodné se podle vynálezu jeví, že plášť horního přírubového tělesa statoru je vybaven alespoň jedním vnitřním kanálem s alespoň jedním vnějším přívodem/výstupem ohřátého nebo io chladicího média. Uspořádání statoru s vnitrním tepelným výměníkem zabezpečuje vhodnou regulaci pracovních podmínek turbíny a to zvláště tím, že se tlakové pracovní médium 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 turbíny.

i? Specifickým požadavkům na parametry turbíny může být vyhověno například tím, že výtokové trysky jsou vybaveny výměnnými koncovými nástavci.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a účinky v uspořádání dvoustupňové expanzní turbíny jsou patrny z připojených výkresů, kde značí obr. 1 šikmý pohled na uspořádání turbíny 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 lopat25 kami pro lopatkové oběžné kolo druhého stupně turbíny, obr. 2 řez statoru turbíny 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 turbíny, obr. 3 šikmý pohled na kompletní složení a provedení obou oběžných kol turbíny; na částečném řezu vyznačení uspořádání samo5o činného 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 turbíny s vyznačením průběhu výtokových kanálů z obtokových kanálů k tangenciálně uspořádaným výtokovým tryskám v nálitcích na obvodu tohoto oběžného kola prvního stupně turbíny, 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 kanálů pro výtokové kanály v tělese oběžného kola prvního stupně turbíny.

Příklady provedení vynálezu

Expanzní dvoustupňová turbína (dále jen turbína), sestává podle jednoho zmožných uspořádání a jak naznačeno na připojených obrázcích ze statoru 1, tvořeného vzájemně rozebíratelnou dvoj i45 cí 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 turbíny, resp. jeho nálitky 6 s výtokovými tryskami 7, 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 J_0, umístěného neotočně pod prvním oběžným kolem 5 turbíny v sedle 11 spodního přírubového tělesa 3. Sedlo H zároveň tvoří začátek příslušně vyprofilovaného výtokového otvoru 12, současně tvoří55 čího stator JL3 lopatkového druhého oběžného kola 1_4 druhého stupně turbíny, osově spojeného

γ·<* lz « 1* í 4·ι r r*«<rx z4«* « >í<** Xa>n<<U·. 1 C \ 7 n L^i n^ř. . a « 1 *» . ~

2>V op OUIX Vlil pi VI1IJ1V UUVZ.I1VÍIV lUJia ~í_ WIUIIl) piuau VUIIIVLV 1111 51UUUU I Λ V ytVAWy ULVU1 12, LUÍ“ bíny je napojen například na neznázoměný rekuperátor a kondenzátor soustavy, v níž je turbína provozována.

Kromě všech výše naznačených úprav statoru I turbíny, patří kjeho vybavení chladicí/ohrevný systém, tvořený například alespoň jedním vnitřním kanálem 16 v plášti horního přírubového tělesa 2 s vnějším přívodem/výstupem 17 ohřátého nebo chladicího média.

První oběžné kolo 5 prvního stupně turbíny je vytvořeno jako převážně ploché rotační těleso, mj. io 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 kanálů J_8 (obr. 4), uspořádaných 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 média. Trubková kuželka 21 je axiálně posuvně

2o uspořádána na výběhu 23 konce dutého hřídele 24, nesoucího prostřednictvím příruby 25 první oběžné kolo 5 turbíny. 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 turbíny, je prostřednictvím dvou ložisek 29 a 30 uložen v ložiskovém 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 neznázorněným generátorem střídavého proudu neboje v agregaci sjiným 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 turbíny je následující:

Vysoce ohřáté a stlačené tlakové médium, jímž jsou páiy 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, že se přinejmenším otevře nátok tlakového pracovního média do spodního obtokového kanálu J9 a k následnému proudění tlakového média do základní skupiny výtokových zakřivených kanálů J_8 a dále do knim přiřazených výtokových trysek 7 tangenciálně umístěných na obvodu prvního oběžného kola 5 prvního stupně turbíny. To postačuje k rozběhu turbíny prostřednictvím jejího prvního oběžného kola 5. Při zvyšování otáček prvního oběžného kola 5 se začnou uplatňovat i odstředivé síly, 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 trysek 7 prudce vystupující tlakové médium intenzivně expanduje do expanzní komory 4, kde ochlazuje její povrch.

Turbína je vysokootáčková reakčního 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 může dosahovat nadzvukové rychlosti proudění, tedy až 1200m/s, Pokud po expanzi a odevzdání energie má pracovní médium ještě dostatek kinetické energie, pak se expandované pracovní médium se zbytkovou částí kinetické energie směřuje šikmo uspořá55 danými vodícími drážkami 8 expanzní komory 4 na druhé lopatkové druhé kolo 14 druhého

-3 CZ 302324 B6 stupně turbíny prostřednictvím lopatek 9 rozváděcího prstence 10. Ještě předtím se v tomto mezistupni může expandované pracovní médium 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 turbíny.

Expandované tlakové pracovní médium, usměrněné na vnitřním povrchu expanzní komory 4 soustavou šikmo uspořádaných vodicích drážek 8 na lopatky 9 rozváděcího prstence 1Q pod io prvním oběžným kolem 5 turbíny, působí na lopatkové druhé oběžné kolo 14, osově spojeného se spodkem prvního oběžného kola 5 turbíny a postupuje následně do výtokového otvoru J2 a dále do neznázoměné expanzní části systému s neznázoměným rekuperátorem a kondenzátorem apod.

Konstrukce turbíny musí odolávat částečnému provozu v mokré páře. Lopatky 9 rozváděcího prstence J_0 optimalizují směrový tok expandovaného pracovního média na lopatky druhého i5 oběžného kola 14 a pomocí nich, výměnou rozváděcího prstence JO, je možné měnit a doladit pracovní parametry turbíny podle specifických požadavků na její aplikaci v systému. Různé požadavky na parametry turbíny lze také řešit výměnou výtokových trysek 7, resp. jejich koncových nástavců 28.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Expanzní dvoustupňová turbína, 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 stupeň je tvořen souose na dutém hřídeli (24) pro přívod tlakového média uspořádaného prvního oběžného kola (5), tvořeného plochým rotač3o ním tělesem s nálitky (6) po svém obvodu se zabudovanými tangenciálně uspořádanými výtokovými tiyskami (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

35 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 nízkotlakého stup40 ně, přičemž výtokové trysky (7) jsou prostřednictvím výtokových zakřivených kanálů (18), uspořádaných 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 média s osovým otvorem dutého hřídele (24) prostřednictvím samočinného vtokového ventilu (22) s plunžrovou trubkovou kuželkou (21) axiálně posuvně uspořádanou v dutém mezi45 kruží (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.

-4CZ 302324 B6

2. Expanzní dvoustupňová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že plášť horního přírubového tělesa (2) statoru (1) je vybaven alespoň jedním vnitřním kanálem (16) s alespoň jedním vnějším přívodem/výstupem (17) ohřátého nebo chladicího média.

s

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

4. Expanzní dvoustupňová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že nálitky io (6) pro výtokové trysky (7) jsou po směru otáčení prvního oběžného kola (5) aerodynamicky upraveny.