CZ307781B6 - Rotor náporové turbíny - Google Patents

Abstract

Rotor (1) obsahuje alespoň dva disky (11), mezi nimiž jsou pevně uloženy náporové prvky (4) o tvaru štíhlých prutů, které jsou uspořádány do dvou koncentrických prstenců - vnějšího prstence (5) a vnitřního prstence (6). Okolo náporových prvků (4) vnějšího prstence (5) se nachází první tlakový prostor (53), jenž je prvními průchozími otvory (51) propojen s druhým tlakovým prostorem (63), jímž jsou obklopeny náporové prvky (4) vnitřního prstence (6). Druhý tlakový prostor (63) je druhými průchozími otvory (62) propojen s odtokovým prostorem (7), který je uzpůsoben pro napojení na odtokovou soustavu (8) náporové turbíny. Do prvního tlakového prostoru (53) je zaústěna tryska (22), jíž k náporovým prvkům (4) proudí vzdušina. Ta předává náporovým prvkům (4) svou hybnost, čímž uvádí rotor (1) do otáčivého pohybu. Záleží na poměru vstupního tlaku vzdušiny před tryskou (22) ku výstupnímu tlaku za tryskou (22), zda turbína pracuje v náporovém režimu, nebo v nadzvukovém rázovém režimu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká rotoru náporové turbíny, který obsahuje hřídel uzpůsobenou pro otočné uložení ve statoru, přičemž s hřídelí jsou pevně spřaženy 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 energii. 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 vstupního tlaku ku výstupnímu tlaku je menší 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, což je zdrojem otáčení rotoru.

Je-li poměr vstupního tlaku ku výstupnímu tlaku větší 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 při proměnných parametrech vzdušiny, jíž je zejména vodní pára. Turbíny spolehlivě pracují při 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 při 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, má ještě zbytkovou energii, která odchází z náporové turbíny bez užitku. Z tohoto pohledu se provedení stávajících rotorů jeví jako nevýhodné.

Podstata vynálezu

Uvedená nevýhoda je podstatně zmenšena rotorem náporové turbíny podle vynálezu, který obsahuje hřídel uzpůsobenou pro otočné uložení ve statoru. S hřídelí jsou pevně spřaženy náporové prvky o tvaru štíhlých prutů. Podstata vynálezu spočívá v tom, že náporové prvky jsou uspořádány do dvou koncentrických prstenců, a sice vnějšího prstence a vnitřního prstence. 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

- 1 CZ 307781 B6 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 odtokovým prostorem, který je uzpůsoben pro napojení na odtokovou soustavu náporové turbíny.

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 obalové 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, který je 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 či 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 vnitřní věnec sestaven z dílčích segmentů, samostatně připevněných k diskům.

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

Napojení na odtokovou soustavu je v jedné alternativě provedeno tak, že alespoň jeden krajní disk je opatřen alespoň jedním výtokovým otvorem, na nějž je napojena každá odtoková komora. Ve statoru je vytvořen odtokový otvor odtokové soustavy. Mezilehlý prostor mezi krajním diskem s výtokovým otvorem a odtokovým otvorem je uzpůsoben pro průchod vzdušiny.

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

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

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

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

Objasnění výkresů

-2CZ 307781 B6

Na přiloženém výkrese je schematicky znázorněn příklad provedení rotoru náporové turbíny podle vynálezu, 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 tři disky a axiálně orientované náporové prvky vnitřního prstence, obr. 4 axonometrický osový řez sestaveného rotoru s jedním typem zaústění odtokového prostoru do odtokové soustavy, obr. 5 osový řez sestaveného rotoru s jiným typem zaústění odtokového prostoru do odtokové soustavy než na obr.4, obr. 6 pohled zvenčí na část náporových prvků vnějšího prstence s naznačením vzniku rázové vlny, obr. 7 řez A-A z obr. 3.

Příklady uskutečnění vynálezu

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 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, neboli 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 obalové 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 11. Disků 11 v případě potřeby může být i více. Ať je disků 11 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 11 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 jev tomto případě i upevnění náporových prvků 4 prostřednictvím vnitřního věnce 61 mezikruhového tvaru, sevřeného mezi sousední disky 11. 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 11. Bez ohledu na polohu jsou náporové prvky 4 vnitřního 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 odtokovým prostorem 7, který je uzpůsoben pro napojení na odtokovou soustavu 8 náporové turbíny. Odtokovou soustavou 8 je nejčastěji odtokové potrubí energeticky vyčerpané vzdušiny. Druhé průchozí otvory 62 jsou v případě radiální polohy náporových prvků vnitřního prstence 6 nasměrovány radiálně do odtokového 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).

-3CZ 307781 B6

Odtokový prostor 7 obsahuje alespoň jednu odtokovou komoru 71, která je vymezena vnitřním prstencem 6 náporových prvků 4, hřídelí 3 a sousedními disky 11. Na obr. 1, 2,4 a 5 je znázorněn rotor 1 s jednou odtokovou komorou 71. zatímco rotor i podle obr. 5 je opatřen dvěma odtokovými komorami 71. Odtoková komora 71, resp. odtokové komory 71 jsou uzpůsobeny pro napojení na odtokovou soustavu 8. Za tím účelem je alespoň jeden krajní disk 11 opatřen alespoň jedním výtokovým otvorem 15, který je umístěn v akčním dosahu odtokového otvoru 21 odtokové soustavy 8, vytvořeného ve statoru 2. Znamená to, že mezilehlý prostor mezi krajním diskem 11 s výtokovým otvorem 15 a odtokovým otvorem 21 je uzpůsoben pro průchod vzdušiny.

V provedení podle obr. 1 a 2 jsou vyhotoveny čtyři výtokové otvory 15 v jediném disku 11. Je však možné i neznázoměné symetrické provedení, v jehož rámci je výtokovými otvory 15 opatřen i opačný disk 11. V případě rotoru 1 s více odtokovými komorami 71 (obr. 3) je na výtokový otvor 15, resp. na výtokové otvory 15 napojena každá odtoková komora 71. To může být provedeno v souladu s obr. 5. V neznázoměné alternativě při aplikaci více než dvou disků 11 je do výtokového otvoru 15 zaústěna sériově propojená sestava odtokových komor 71. Při tvorbě rotoru 1 s více než dvěma disky lije však výhodnější neznázoměné provedení, v němž část odtokových komor 71 je sériově propojena do jednoho uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor 15 v jednom krajním disku 11, zatímco zbylá část odtokových komor 71 je sériově propojena do druhého uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor 15 v opačném krajním disku 11. Dělicí přehradou mezi oběma uskupeními je s výhodou střední disk 11, obdobně jako na obr. 3.

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

Při 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 odtokového prostoru 7 a následně do odtokové 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 menší než tzv. beta kritické, výtoková rychlost vzdušiny z trysky 22 je menší než cca 300 m/sec, a náporová turbína pracuje v náporovém režimu, při 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 T

Je-li poměr vstupního tlaku ku výstupnímu tlaku větší 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 1 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

-4CZ 307781 B6 vzdušina za rázovou vlnou 9, přičemž při 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 vynálezu je možno napájet vzdušinou v širokém rozsahu parametrů, např. o tlaku 3 až 25 barů a teplotě o spodní hranici pod 200 °C a horní hranici i přes 1300 °C. Turbínu je možno postavit s výkonem v řádu kW, ale i stovek megawatů.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (8)

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, přičemž 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 (52) 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 odtokovým prostorem (7), který je uzpůsoben pro napojení na odtokovou 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 obalové 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 vnitřní věnec (61) je sestaven z dílčích segmentů (12), samostatně připevněných k diskům (11).

4. Rotor (1) podle nároku 2, vyznačující se tím, že odtokový prostor (7) obsahuje alespoň jednu odtokovou komoru (71), která je vymezena vnitřním prstencem (6) náporových prvků (4), hřídelí (3) a sousedními disky (11), přičemž tyto odtokové komory (71) jsou uzpůsobeny pro napojení na odtokovou soustavu (8).

5. Rotor (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že pro napojení na odtokovou soustavu (8) je alespoň jeden krajní disk (11) opatřen alespoň jedním výtokovým otvorem (15), přičemž na výtokový otvor (15) je napojena každá odtoková komora (71) a ve statoru (2) je vytvořen odtokový otvor (21) odtokové soustavy (8), přičemž mezilehlý prostor mezi krajním diskem (11) s výtokovým otvorem (15) a odtokovým otvorem (21) je uzpůsoben pro průchod vzdušiny.

-5CZ 307781 B6

6. Rotor (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že při uspořádání více než dvou disků (11) je do výtokového otvoru (15) zaústěna sériově propojená sestava odtokových komor (71).

5

7. Rotor (1) podle nároku 5, vyznačující se tím, že při uspořádání více než dvou disků (11) je část odtokových komor (71) sériově propojena do jednoho uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor (15) v jednom krajním disku (11), zatímco zbylá část odtokových komor (71) je sériově propojena do druhého uskupení a napojena na alespoň jeden výtokový otvor (15) v opačném krajním disku (11).

o

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