CZ38864U1 - Náporová turbína - Google Patents

Description

Náporová turbína

Oblast techniky

Technické řešení se týká náporové turbíny obsahující jednak rotor opatřený náporovými prvky a jednak trysku, jejíž výstupní otvor je nasměrován v tečném směru k rotoru a jejíž vstup je napojen na zdroj páry.

Dosavadní stav techniky

K přeměně energie proudící páry, zejména vodní, příp. jiného plynného média, jsou používány turbíny, do jejichž jedné konstrukční skupiny patří turbíny náporové. Ty jsou tvořeny otočným rotorem, mezi jehož koncentrickými disky jsou ve směru normály upevněny náporové prvky, které jsou uspořádány v řadách ve směru rovnoběžném s osou rotoru, resp. s osou hřídele, k němuž jsou disky připevněny. Náporové prvky bývají nejčastěji tvořeny válcovitými tělesy, jejichž délka mnohonásobně převyšuje jejich průměr. Z technologického hlediska se jedná o drát.

Vně rotoru je umístěna tryska, jejíž vstup je napojen na zdroj páry, a jejíž výstupní otvor je nasměrován v tečném směru k rotoru. Tvar trysky a vlastnosti páry - zejména tlak a teplota - způsobí, že pára proudící ze zdroje má podzvukovou rychlost. Při styku s náporovými prvky se energie páry převede na rotační pohyb rotoru.

Pro odvod energeticky využité páry je ve spodní části rotoru vytvořena výtoková soustava. Vytékající pára má v sobě zbytkové teplo, které se využije např. v kogeneračním systému pro vytápění staveb, nebo se odvede do ovzduší.

Náporové turbíny tohoto typu jsou z výrobního hlediska méně náročné než turbíny lopatkové, což je jejich výhoda. Mají však nevýhodu společnou všem typům turbín, a to, že se v nich nevyužije všechna parou do nich přivedená energie.

Podstata technického řešení

Uvedená nevýhoda je zmenšena náporovou turbínou podle technického řešení obsahující rotor, který je otočně uložen prostřednictvím hřídele v základovém ložisku a který je ohraničen k hřídeli upevněným předním diskem a zadním diskem. Mezi disky jsou ve směru normály upevněny náporové prvky uspořádané v řadách ve směru rovnoběžném s osou hřídele. Vně rotoru je umístěna tryska, jejíž vstup je napojen na zdroj páry a jejíž ústí je nasměrováno v tečném směru k rotoru. Ve spodní části rotoru je u hřídele vytvořena výtoková soustava, která obsahuje sběrač pevně spojený s jedním ze stěnových plášťů krytu. Do sběrače jsou zaústěny propojovací otvory vytvořené v disku přivrácenému ke sběrači.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že tryska má podobu Lavalovy dýzy nastavené na nadzvukovou rychlost vytékající páry. Mezi disky jsou upevněny lopatky, kde spodní konec každé lopatky je zaústěn k propojovacím otvorům. S horním koncem každé lopatky je spojena jedna řada náporových prvků tak, že alespoň jednou řadou náporových prvků je vytvořena dopadová mříž o součiniteli odporu při rovinném obtékání menším než 1,7. Tento součinitel odporu je dán aritmetickým podílem rozteče dvou sousedních řad a průměru náporového prvku. Prostor na návětrné i závětrné straně každého náporového prvku je propojen s prostorem na návětrné i závětrné straně lopatky, s níž je náporový prvek spojen. Do výtokové soustavy je zapojeno čerpací ústrojí s tlakovým spádem ve směru od náporových prvků přes výtokovou soustavu do prostoru mimo rotor.

- 1 CZ 38864 U1

Náporová turbína podle technického řešení má zachovány všechny přednosti známých turbín tohoto typu, k nimž se navíc přiřazuje vyšší účinnost přeměny kinetické energie páry na rotační pohyb v důsledku působení Coriolisova zrychlení. Při vhodně zvolených parametrech vstupní páry před Lavalovou dýzou lze docílit tak nízké teploty výstupní páry proudící z výtokové soustavy, že tato výstupní pára bude z turbíny vystupovat jako mlha. Náporová turbína podle technického řešení proto nevyžaduje chlazení a s ním spojenou stavbu chladicích zařízení, např. chladicích věží používaných v elektrárnách.

Výhodné provedení náporové turbíny spočívá v tom, že mezi disky rotoru je upevněn mezikruhový nosič. Ten může být zhotoven z jednoho kusu, nebo z dílčích segmentů. K vnějšímu povrchu mezikruhového nosiče jsou připevněny náporové prvky a k vnitřnímu povrchu je pod každou řadou náporových prvků připevněn horní konec lopatky. V mezikruhovém nosiči jsou vytvořeny průchozí otvory, jimiž je spojen prostor na návětrné i závětrné straně každého náporového prvku s prostorem na návětrné i závětrné straně lopatky.

Pro snadný odvod výstupní páry je sběrač spojen s odlučovačem vody a páry, který je opatřen prvním výstupem pro vodu a druhým výstupem pro zbytkovou páru. Druhý výstup odlučovače je spojen s nasávacím hrdlem vývěvy, která je vhodným představitelem čerpacího ústrojí s tlakovým spádem ve směru od náporových prvků přes výtokovou soustavu do prostoru mimo rotor.

Objasnění výkresu

Na připojeném výkrese je schematicky znázorněna náporová turbína podle technického řešení, kde značí obr. 1 bokorysný pohled po částečném odstranění předního stěnového pláště, obr. 2 axonometrický pohled s částečným řezem předního disku a s výtokovou soustavou napojenou na odlučovač, obr. 3 axonometrický pohled na rotor s připojeným celistvým nosičem náporových prvků a lopatek, obr. 4 ve zvětšeném měřítku řez A-A z obr. 3 s tím rozdílem, že nosič je složen ze segmentů, obr. 5 dopadovou mříž z náporových prvků s naznačeným průchodem páry od trysky k výtokové soustavě, obr. 6 řez náporovými prvky vytvářejícími dopadovou mříž s vyznačenými parametry pro stanovení součinitele odporu Cx.

Příklad uskutečnění technického řešení

Náporová turbína se skládá z několika základních částí. Jednou z nich je rotor 1, který je otočně uložen prostřednictvím hřídele 11 v základovém ložisku a který je ohraničen k hřídeli 11 upevněným předním diskem 13 a zadním diskem 14. Okolo rotoru 1 je uspořádán kryt 2 sestávající z obvodového pláště 21 a dvou stěnových plášťů 22 (obr. 1).

Mezi předním a zadním diskem 13, 14 jsou ve směru normály n upevněny náporové prvky 3, které jsou uspořádány v řadách 31 ve směru rovnoběžném s osou 12 hřídele 11 (obr. 2). Mezi předním a zadním diskem 13, 14 jsou dále upevněny lopatky 4 tak, že s horním koncem 42 každé lopatky 4 je pevně spojena jedna řada 31 náporových prvků 3. Alespoň jednou řadou 31 náporových prvků 3 je vytvořena dopadová mříž 45 (obr. 4). Bylo zjištěno, že ideální dopadovou mříž 45 představují dvě za sebou uspořádané řady 31 náporových prvků 3 zhotovených z drátů (obr. 6). Optimálního účinku se dosáhne tehdy, jestliže tato konfigurace se dvěma řadami 31 náporových prvků vyhovuje podmínce, že součinitel odporu Cx při rovinném obtékání je menší než bezrozměrné číslo 1,7. Tento součinitel odporu Cx je v případě náporového prvku 3 z drátu dán aritmetickým podílem rozteče R mezi dvěma řadami 31 a průměru B náporového prvku 3. Spodní konec 41 každé lopatky 4 je umístěn u propojovacích otvorů 72 vytvořených v zadním disku 14 (obr. 2), zatímco přední disk 13 je celistvý. Při tomto uspořádání, kdy náporové prvky 3 jsou bezprostředně spojeny s lopatkami 4, je celý prostor na návětrné i závětrné straně 32, 33 každého náporového prvku 3 propojen s prostorem na návětrné i závětrné straně 43, 44 lopatky 4,

- 2 CZ 38864 U1 s níž je náporový prvek 3 spojen.

Robustnější provedení sestavy náporového prvku 3 a lopatky 4 spočívá v tom, že mezi předním a zadním diskem 13, 14 je upevněn mezikruhový nosič 5, který je buď celistvý (obr. 3), nebo je složen ze segmentů 53 (obr. 4, 5). K vnějšímu povrchu 51 nosiče 5 jsou připojeny náporové prvky 3, zatímco k vnitřnímu povrchu 52 je pod každou řadou 31 náporových prvků 3 připevněn horní konec 42 lopatky 4. V mezikruhovém nosiči 5 jsou vytvořeny průchozí otvory 15 (obr. 3, 4), jimiž je stejně jako v předchozím případě spojen prostor na návětrné i závětrné straně 32, 33 každého náporového prvku 3 s prostorem na návětrné i závětrné straně 43, 44 lopatky 4.

Další základní částí náporové turbíny je tryska 6, která je uložena vně rotoru 1 (obr. 1, 5). Vstup 61 trysky 6 je napojen na zdroj 63 páry. Ústí 62 trysky 6 je nasměrováno v tečném směru t k rotoru 1 (obr. 1). Tryska 6 má podobu Lavalovy dýzy a je nastavena na nadzvukovou rychlost vytékající páry.

Ve spodní části rotoru 1 je u hřídele 11 vytvořena výtoková soustava 7, uzpůsobená pro odvod páry, která již prošla rotorem 1, jemuž předala svou energii. Výtoková soustava 7 obsahuje sběrač 71 pevně spojený s jedním ze stěnových plášťů 22 krytu 2. Při orientaci podle obr. 2 je sběrač 71 připojen k neznázorněnému zadnímu segmentu stěnového pláště 22. Do sběrače 71 jsou zaústěny propojovací otvory 72 vytvořené v disku 13, 14 přivrácenému ke sběrači 71. V příkladu provedení se jedná o zadní disk 14. Ke sběrači 71 je připojen vstup 81 odlučovače 8 vody a páry, který je opatřen parním výstupem 83 a vodním výstupem 82. Do výtokové soustavy 7 je zapojeno čerpací ústrojí s tlakovým spádem ve směru od náporových prvků 3 přes výtokovou soustavu 7 do prostoru mimo rotor 1. V příkladu provedení má čerpací ústrojí podobu vývěvy 73, jejíž nasávací hrdlo 74 je spojeno s parním výstupem 83 odlučovače 8.

Při činnosti vychází z trysky 6 pára, která dopadá na jednotlivé řady 31 náporových prvků 3 po obvodu rotoru 1. V důsledku využití Lavalovy dýzy má proud páry nadzvukovou rychlost. Dopadající pára svou kinetickou energií roztočí rotor 1. Hradba drátů tvořících jednotlivé dopadové mříže 45 má vysoký odpor proti proudící páře. Proto pára touto hradbou nepronikne, nýbrž při dopadu na tyto dráty, tj. na náporové prvky 3, se otočí o 90° směrem k ose 12 rotoru 1. Tento jev nastává již na dopadové mříži 45 o jedné řadě 31 náporových prvků 3, avšak optimálního účinku je dosaženo při spolupůsobení dvou řad 31. Pára dopadající na náporové prvky 3 předá rotoru 1 část své energie. Zbylou využitelnou energii předá rotoru 1 pára, jejíž proud po ohnutí proudí po lopatkách 4. Tato pára při své posuvném pohybu po lopatkách 4 za současného otáčení rotoru 1 vyvolá Coriolisovo zrychlení, jehož silové účinky způsobí, že rotoru 1 je předána další energie. Energeticky využitá pára stéká ke středu rotoru 1, odkud se propojovacími otvory 72 dostává do sběrače 71. Před rozběhem rotoru 1 a po celou dobu činnosti je třeba vytvořit podtlak, aby pára plynule proudila od náporových prvků 3 přes lopatky 4 a sběrač 71 do odlučovače 8. Tomuto účelu slouží vývěva 73, která požadovaný podtlak při napojení na parní výstup 83 odlučovače 8 vytvoří. Náporová turbína pracuje na principu využití kinetické energie proudící páry. Protože u ní nedochází k tepelné expanzi, má pára na vstupu do rotoru 1 stejnou teplotu jako na parním výstupu 83 odlučovače 8. Zkondenzovaná voda, která se v odlučovači 8 oddělí od páry, vytéká vodním výstupem 82.

Průmyslová využitelnost

Náporová turbína nalezne uplatnění zejména v energetice, ale i tam, kde je k dispozici pára o širokém spektru teplot a tlaků, a to včetně páry mokré.

Claims (4)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Náporová turbína obsahující rotor (1), který je otočně uložen prostřednictvím hřídele (11) v základovém ložisku a který je ohraničen k hřídeli (11) upevněným předním diskem (13) a zadním diskem (14), mezi nimiž jsou ve směru normály (n) upevněny náporové prvky (3) uspořádané v řadách (31) ve směru rovnoběžném s osou (12) hřídele (11), přičemž rotor (1) je uzavřen v krytu (2) a vně rotoru (1) je umístěna tryska (6), jejíž vstup (61) je napojen na zdroj (63) páry a jejíž ústí (62) je nasměrováno v tečném směru (t) k rotoru (1), v jehož spodní části je u hřídele (11) vytvořena výtoková soustava (7) obsahující sběrač (71) pevně spojený s jedním ze stěnových plášťů (22) krytu (2), a do sběrače (71) jsou zaústěny propojovací otvory (72) vytvořené v disku (13, 14) přivrácenému ke sběrači (71), vyznačující se tím, že tryska (6) má podobu Lavalovy dýzy nastavené na nadzvukovou rychlost vytékající páry a mezi předním a zadním diskem (13, 14) jsou upevněny lopatky (4), kde spodní konec (41) každé lopatky (4) je zaústěn k propojovacím otvorům (72) a nad horním koncem (42) každé lopatky (4) je upevněna jedna řada (31) náporových prvků (3) tak, že alespoň jednou řadou (31) náporových prvků (3) je vytvořena dopadová mříž (45) o součiniteli Cx odporu při rovinném obtékání menším než 1,7, přičemž prostor na návětrné i závětrné straně (32, 33) každého náporového prvku (3) je propojen s prostorem na návětrné i závětrné straně (43, 44) lopatky (4), s níž je náporový prvek (3) spojen, a do výtokové soustavy (7) je zapojeno čerpací ústrojí s tlakovým spádem ve směru od náporových prvků (3) přes výtokovou soustavu (7) do prostoru mimo rotor (1).
2. 2. Náporová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi předním a zadním diskem (13, 14) je upevněn mezikruhový nosič (5), k jehož vnějšímu povrchu (51) jsou připevněny náporové prvky (3) a k jehož vnitřnímu povrchu (52) je pod každou řadou (31) náporových prvků (3) připevněn horní konec (42) lopatky (4), přičemž v mezikruhovém nosiči (5) jsou vytvořeny průchozí otvory (15), jimiž je spojen prostor na návětrné i závětrné straně (32, 33) každého náporového prvku (3) s prostorem na návětrné i závětrné straně (43, 44) lopatky (4).
3. 3. Náporová turbína podle nároku 2, vyznačující se tím, že mezikruhový nosič (5) je tvořen dílčími segmenty (53).
4. 4. Náporová turbína podle nároku 1, vyznačující se tím, že na sběrač (71) je napojen odlučovač (8) vody a páry, jehož parní výstup (82) je spojen s nasávacím hrdlem (74) vývěvy (73).