MXPA02009651A - Turbina euler de presion dual. - Google Patents

Abstract

Se describe una turbina que incluye un rotor en un eje y que comprende en combinacion toberas estacionarias descargando el fluido, por lo tanto produciendo fuerzas de impulso en un rotor; pasajes internos en el rotor produciendo compresion del fluido; toberas en el rotor descargando el fluido a una presion inferior que la presion de descarga de las toberas estacionarias, por lo tanto produciendo fuerzas de reaccion en el rotor por lo tanto se produce la energia del eje.

Description

TURBINA EULER DE PRESIÓN DUAL ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Esta invención se refiere generalmente a turbinas y más particularmente a turbinas híbridas empleando ambos estados de reacción y de impulso.

La turbina Euler de presión simple se inventó en 1754 por Euler. La solicitud original para la turbina fue una rueda de agua. La turbina convierte la energía cinética entrante en un flujo de fluido para energizar el eje a través de una compresión interna y un proceso de re-aceleración.

Desde 1754, otras turbinas se han inventado y mejorado en muchas formas, todo en un esfuerzo para mejorar la eficiencia. Existe la necesidad de proporcionar turbinas que tienen mayores eficiencias con bajo costo y para este propósito, se han desarrollado turbinas híbridas, empleando ambos estados de reacción e impulso. Sin embargo, aún existe la necesidad de desarrollar turbinas híbridas que tienen mayores eficiencias y costos más bajos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Es un objeto principal de la invención proporcionar una turbina híbrida que tiene muy alta eficiencia y/o bajo costo resultante de una estructura simple.

Es otro objeto de la invención proporcionar una turbina híbrida que alcanza muy alta eficiencia mediante el uso y desarrollo de un estado de compresión del fluido entre los estados de turbina de reacción y de impulso.

Otro objeto es proporcionar una turbina que incluye un rotor en un eje y que tiene: a) toberas estacionarias descargando el fluido, por lo tanto produciendo fuerzas de impulso en el rotor, b) pasajes internos en el rotor produciendo compresión del fluido, c) toberas en el rotor descargando fluido a una presión inferior que la presión de descarga de las toberas estacionarias, por lo tanto produciendo fuerzas de reacción en el rotor. d) por lo tanto se produce la energía del eje.

Como se observará, la turbina puede usar líquido o gas como un fluido de trabajo.

Un objeto adicional es proporcionar un sello o sellos, o medios de sellado, ubicados para habilitar la presión de descarga de las toberas de rotación para ser inferior que la presión de descarga de las toberas estacionarias.

Otro objeto es proporcionar palas radiales para causar que el fluido gire a la misma velocidad como el rotor y además, todo flujo de preferencia está en direcciones radiales generalmente, por lo tanto no existe una fuerza axial resultante en el rotor.

Otro objeto es proporcionar una placa cilindrica lisa para recibir el flujo de las toberas estacionarias, protegiendo las palas del rotor de las fuerzas periódicas.

Un objeto adicional es proporcionar una turbina manejada por el fluido que comprende, en combinación: a) primeras palas manejadas por el fluido giratorio definiendo un estado de impulso en la turbina, b) segundas palas manejadas por el fluido giratorio definiendo un estado de reacción de la turbina, c) y una zona de compresión del fluido en la ruta del fluido entre ia primera y segunda aleta y definiendo un estado de compresión del fluido.

Como se observará, las primeras palas extendiéndose en un primer anillo, las segundas palas extendiéndose en un segundo anillo, los anillos siendo coaxiales y la zona de compresión de fluido es anular y se ubica en la ruta del fluido entre los anillos.

Otro objeto es proporcionar una superficie giratoria hacia la cual el fluido viaja y produce compresión del fluido. Esa superficie puede extenderse anularmente y en relación coaxial con las palas. A este respecto, el primer anillo de palas típicamente es estacionario y el segundo anillo de palas es giratorio, siendo la estructura la que lleva el segundo anillo de las palas para la rotación.

Estos y otros objetos y ventajas de la invención, así como los detalles de una modalidad ilustrativa será más ampliamente entendida a partir de la descripción siguiente y los dibujos en los cuales: BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una elevación tomada a través de una turbina; La Figura 1a es una sección tomada en las líneas A-A de la Figura 1; La Figura 2 es un diagrama de vector; en donde: A = velocidad del rotor U2 B = velocidad relativa del fluido W2 C = velocidad absoluta del fluido C2. La Figura 3 es una elevación tomada a través de una turbina Euler de presión dual, incorporando la presente invención; La Figura 3a es una sección tomada en las líneas B-B de la Figura 3; La Figura 4 es un diagrama de vector; en donde: D = velocidad del rotor U'2 E = velocidad relativa del fluido W'2 F = velocidad absoluta del fluido C'2. La Figura 5 es una gráfica; en donde: EF = eficiencia Pl = presión intermedia, P, PSIA. La Figura 6 es una gráfica; en donde: EN = eficiencia neta PE = presión de expansión intermedia, PSIA. La Figura 7 es una sección tomada a través de un rotor de turbina Euler de presión dual y en un plano normal para el eje del rotor y extendiéndose lateralmente; La Figura 8 es una sección tomada a través de la turbina de la Figura 3 y normal al eje del rotor para mostrar las configuraciones de la pala; La Figura 8a es una sección tomada en las líneas C-C en la Figura 8 y La Figura 9 es una sección del eje mostrando esquemáticamente una turbina de tipo Euler de presión dual de estados múltiples.

DESCRIPCIÓN DETALLADA La Figura 1 es un ejemplo de la turbina de presión simple. El fluido en 1 se acelera en una tobera 2, formando un flujo de salida 1a que tiene energía cinética y velocidad de salida Cj. El flujo tiene su componente tangencial ya sea acelerado a o desacelerado a la velocidad del anillo de turbina giratorio o la estructura de rotor 3. El líquido giratorio en 4 fluye radialmente hacia fuera entre las palas giratorias 4a en una velocidad que es menos relativa para la velocidad tangencial entrante C^ El campo de aceleración centrifugal creado por la estructura de la turbina giratoria produce una fuerza corporal en el fluido incrementando su presión. En la pared giratoria o la periferia 5 de la estructura del rotor 3, la presión del fluido incrementada se usa para acelerar el fluido a través de la tobera 6 (dirigida angularmente como se muestra) por medio del cual el fluido adquiere una velocidad relativa a la estructura giratoria en el contador de dirección para la rotación de la estructura de turbina. El fluido dejando la estructura en 6a tiene una velocidad absoluta C2 debajo de la velocidad U2 de la punta del rotor giratorio. Esto se ilustra en el diagrama del vector de velocidad de la Figura 2. La transferencia de energía dentro del rotor se determina a partir de la ecuación de Euler: H = CrU.-C2U2 En donde: H = la cabeza transferida al rotor Ci = el componente tangencial de la velocidad del fluido dejando la primera tobera Ui = el componente tangencial de la velocidad del rotor C2 = la velocidad absoluta del fluido dejando el rotor en la salida de la segunda tobera U2 = la velocidad de la estructura giratoria en la ubicación de la segunda tobera.

Para un fluido, la elevación de la presión se da por: Pa-pi = peo2 (r22-r2)/2g en donde: p2 =la presión en la entrada de la tobera giratoria (segunda) P1 = la presión en la salida de la tobera estacionaria (primera) p = densidad del flujo ? = velocidad giratoria r = radio para las estaciones 2 (en 6) y 1 (en 1) respectivamente g = constante gravitacional Si ei fluido se expande a través de la segunda tobera o toberas, la velocidad relativa (ver la Figura 2) producida es: W2 = ?v2[2g(p2-Pl)/p]1 2 En donde: ?v2 = coeficiente de velocidad de las segundas toberas. La eficiencia de la transferencia de energía se da por: ?t = [C -ÍUz-W^Uzj/C^ Las salidas de los fluidos 50 y 51 se proporcionan desde la cubierta 52 para descargar el fluido desde la zona anular 53, entre la pared giratoria y la pared de cubierta fija 52a.

El rotor 3 se conecta en 55 para un eje, 56, llevado por los cojinetes 57 y 58, para manejar el eje. Una entrada de fluido 59 se proporciona para la zona 60 enviando el fluido a las toberas 2.

La eficiencia de la turbina Euler se limita por la extensión de la elevación de la presión centrífuga y la velocidad resultante relativa W2 que es siempre menor que la velocidad de la de la extremidad del rotor U2. Ver la Figura 2.

Un método no esperado para ¡ncrementar la velocidad relativa W2, por ello incrementando la eficiencia de la turbina Euler, es proporcionar dos estados de presión en la expansión. Al hacer esto, la máquina de rotor simple se convierte a una turbina de dos estados y llega a ser un impulso combinado y turbina de reacción con la compresión interna.

La Figura 3 ilustra una turbina Euler de presión dual. El fluido en la primera tobera 2 se expande desde la presión inicial p0 a una presión de p... Una vez que de nuevo el fluido llega a bloquearse dentro de la estructura del rotor de movimiento en el radio interno p. El fluido fluye hacia fuera radialmente en 4 mientras que se bloquea dentro de la estructura del rotor. Un sello 7 se proporciona entre la cubierta y las paredes del rotor 62 y 63 de manera que el fluido circundante en 66 pueda mantenerse en un valor p3 que es menor que la presión en 67 dentro de las primeras descargas de la tobera 2. El fluido se re-aceleró en la segunda tobera 6 en la extremidad del rotor 3, sin embargo, la diferencia en la presión p2-p3 no se limita más por la elevación de la presión centrífuga. En su lugar, la diferencia de presión es la suma de la elevación de la presión centrífugamente inducida, más la diferencia de presión entre la presión en la salida de la primera tobera y la presión ambiental p3 en la zona 8. La velocidad relativa es posteriormente: w2' = ?v2[2g(p2-p?+p3)/p]1 2 Esta ecuación muestra que la velocidad relativa puede incrementarse tanto como un valor se quiera mediante disminuir p3. En lo anterior, W2' es igual a la velocidad de fluido relativa dejando el rotor. Ver la Figura 3.

La Figura 4 muestra dos diagramas de velocidad 4(a) y 4(b) para la turbina Euler de presión dual. Para el primer diagrama de velocidad, lá presión ambiental del fluido se disminuye justo apenas lo suficiente para que la velocidad relativa W2' sea igual a la velocidad del rotor U2'.

Por lo tanto, la velocidad absoluta C2' es igual a cero. En este caso, la cabeza producida es igual a: H = U^C,' A este respecto, U^, Ci.', U2' y C2' son valores correspondientes a U^ C^ U2 y C2 como se definen anteriormente. La cabeza para la turbina Euler de presión dual es: H' = U^d'-Uz'Cz' En el segundo diagrama, la presión se ha disminuido de manera que la velocidad de abandono absoluta C2' del fluido está en la dirección opuesta de la velocidad del rotor. En este caso, la energía transferida dentro del rotor es: H = U^C.'+Uz'Cz' El trabajo agregado producido por la expansión del fluido ocurre en una velocidad alta de la extremidad y por tanto, el trabajo agregado es muy eficiente.

La Figura 5 muestra la eficiencia como una función de la presión intermedia de expansión Pi para una turbina Euler de presión dual líquida. En el caso limitante de la turbina Euler de presión simple, la eficiencia es de 0J2 en el punto A. A medida que la presión de expansión intermedia se incrementa, la eficiencia alcanza un pico de 0.92 en B en una presión de 60 psi. En el otro extremo, en donde la presión de expansión intermedia es igual a la presión de entrada, la turbina de reacción de presión dual asume el limite de una turbina Hero y la eficiencia es solo 0.5.

Cuando el fluido es compresible, la rotación del fluido en el campo de alta aceleración centrífuga también produce una elevación una elevación en la presión. En este caso, ei fluido tiene una densidad más baja y la elevación de la presión es menor que para la de un líquido. Sin embargo, debido a la densidad más baja, la elevación de la presión más baja produce velocidades relativas similares.

La Figura 6 es un trazo de la eficiencia en contra de la presión de expansión intermedia para una turbina Euler de presión dial operando con el aire. En este caso, la eficiencia es 0.63 en el punto A' en el límite en donde la presión intermedia es igual a la presión ambiental de 14J psia A medida que la presión intermedia se incrementa, la eficiencia alcanza un máximo de 0.87 en el punto B' una presión intermedia de 26 psia. En el límite, en donde la presión intermedia es igual a la presión de la entrada de 35 psia, la turbina Euler de presión dual llega a ser una turbina Hero y la eficiencia es de solo 0.50, en C.

Una turbina Euler de presión dual designada para operación con líquido o gas como se muestra en la Figura 7. El flujo fluye a la turbina a través de un conducto de entrada 9. El fluido entra en la primera estructura de tobera 10 y fluye hacia fuera radialmente relativa al eje 70. El fluido se expande en las primeras toberas 11 que son estacionarias. El fluido acelerado ingresa en la estructura del rotor giratorio 12 y fluye hacia fuera radialmente a través de las palas 71 en la estructura giratoria. La presión incrementa en el pasaje del rotor giratorio 13. El fluido se acelera mediante la segunda estructura de tobera 13', que se gira como una parte de ia estructura de rotor. El fluido en 14 se descarga del rotor para una presión ambiente en la zona 23 y que es menor que la presión en la salida de la primera estructura de tobera. Si ei fluido es un líquido, cae a la parte inferior del recipiente de contención 24, formando un nivel líquido en 15. El líquido fluye subsecuentemente del vaso a través de un conducto 18. Si el flujo es un gas, deja el recipiente directamente a través del conducto 18, sin que se forme ningún nivel.

La energía generada en el rotor 12 se transmite a través de un eje 16 para manejar un generador 17.

La Figura 8 es una sección transversal a través de la primera estructura de la tobera y el rotor. La primera y la estructura de tobera estacionaria se forma mediante un número de palas 19 que se curvean para acelerar el fluido 20 y descargarlo en un ángulo de aproximadamente 10° para la tangente en las palas en este ejemplo. Las palas 19 forman un primer anillo. Las palas 19 forman un primer anillo. El fluido de la primera estructura de tobera 26 ingresa en la estructura del rotor giratorio que tiene una placa cilindrica 28 con una superficie interna o barreno que recibe el flujo de las toberas para eliminar las fuerzas periódicas en las palas y las palas 21 , en un segundo anillo y que guía el flujo radialmente hacia fuera de las toberas 27 inclinadas en un ángulo en la dirección inversa de la dirección de la inclinación de las primeras toberas. En este caso, el ángulo de inclinación está a aproximadamente 10° de la tangente. El flujo acelerado 23 se descargó del rotor a una presión que es menor que la presión en la salida de la primera estructura de tobera. Un eje 80 lleva las palas 21. Una pared de cubierta se observa en 81. Las descargas del fluido gastadas de la zona o espacio 82. Las flechas en la Figura 8a muestra el flujo de la superficie interna de la placa 28, alrededor de la placa y hacia las toberas 27.

Notar que las toberas 27 se dirigen opuestamente en un sentido giratorio de las toberas 26. Las entradas 26a convergen o se estrechan generalmente radialmente hacia 26 y las entradas 27a convergen o se estrechan generalmente radialmente hacia 27.

Varias combinaciones de rotor de tobera del tipo descrito anteriormente pueden colocarse en series con los rotores en un eje común para hacer una turbina multi-escalonada 100. La Figura 9 muestra cuatro turbinas dpE 101 '-104' en un eje común 29'. El fluido entra en el alojamiento 99' de la turbina 100 en 22'. Si fluye a la primera tobera estacionaria 23', que se soporta por un miembro estacionario 24'.

El fluido se acelera en la esta estructura de tobera estacionaria y fluye a través de la estructura de tobera giratoria 25' generando energía. La presión de entrada se sella de la primera presión de expansión por un sello 31' entre 23' y un rotor 106' y la primera presión de expansión se sella de la segunda presión de expansión por un segundo sello 32' entre 25' y el miembro 24'.

El fluido deja la primera estructura de tobera giratoria 25' e ingresa la segunda, es decir, la siguiente en secuencia, la estructura de tobera giratoria 26' y fluye a través de la segunda estructura de tobera giratoria 27' generando energía adicional. La estructura Edp 102' y las subsecuentes en 103' y 104' todas tienen sellos como se describe en la primera etapa Edp.

El fluido continua fluyendo a través de dichas estructuras dpE adicionales generando energía adicional, hasta que deja la turbina en 28'. La energía de todas las etapas conduce al eje 29' que tiene sellos y cojinetes 30' para retener el fluido dentro del mismo 99'.

Además se notará, que se proporciona una serie de secuencia de turbinas, los rotores de las cuales se conectan operativamente a dicho eje, dichas turbinas se colocan sucesivamente para pasar dicho fluido, vía la turbina estacionaria y las toberas giratorias. También, cada turbina incluye un sello o sellos ubicados para habilitar la presión de descarga de las toberas giratorias para ser menores que la presión de descarga de las toberas estacionarias. Además, las turbinas sucesivas definen, con la estructura de cubierta asociada, compartimientos sellados como en 110', 111' y 112' que son compartimientos de paso del fluido.

Una turbina Euler de presión dual proporciona varios avances relativos a la maquinaria giratoria de fase simple convencional que se listan como sigue: 1. Uso de las toberas y la velocidad radial baja para las expansiones en lugar del uso de altas velocidades y una multiplicidad de medios de aspa que pueden realizar altas eficiencias en el régimen de flujo de alta y baja presión. 2. La turbina Euler de presión dual proporciona dos etapas de expansión dentro de un solo rotor en lugar de un estado usual con un rotor. Esto habilita una diferencia de cabeza más grande para usarse eficientemente por la turbina, comparada con la maquinaria turbo convencional. 3. La turbina Euler de presión dual es una máquina de flujo puro generalmente radial. No existe empuje inducido por el flujo en la dirección axial. Esto reduce que la perdida y desconfianza asociadas con el empuje de los cojinetes, que se requiere para soportar las fuerzas axiales resulte en la maquinaria turbo convencional de las fuerzas de impulso axial o de las fuerzas axiales resultantes de la reacción. 4. El flujo en la dirección exterior radial media cualquier líquido producido durante la expansión o cualquier sólido en el flujo, se impulsarán sin causar erosión de la primera tobera.

La turbina Euler de presión dual es un tipo distintivamente nuevo de turbina. Proporcionando una presión de expansión intermedia resulta en una turbina que tiene fuerzas de impulso y fuerzas de reacción con compresión interna para la eficiencia incrementada.

Claims (28)

REIVINDICACIONES

1. Una turbina que incluye un rotor en un eje y que tiene en combinación: a) toberas estacionarias descargando el fluido, por lo tanto produciendo fuerzas de impulso en dicho rotor, b) pasajes internos en el rotor produciendo comprensión del fluido, c) toberas de rotación en el rotor descargando el fluido para una presión inferior que la presión de descarga de las toberas estacionarias, por lo tanto produciendo fuerzas de reacción en el rotor, d) por lo tanto se produce la energía del eje.

2. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la turbina usa líquido como un fluido de trabajo.

3. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , en donde la turbina usa una sustancia gaseosa como un fluido de trabajo.

4. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , que incluye un sello o sellos ubicados para habilitar la presión de descarga de las toberas giratorias para ser menor que la presión de descarga de las toberas estacionarias.

5. La combinación de conformidad con la reivindicación 1, en donde dichas toberas tienen secciones transversales circulares.

6. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dichas toberas se definen por dos palas dimensionales.

7. La combinación de conformidad con la reivindicación 6, en donde las palas generalmente radiales se proporcionan para causar que el fluido gire a la misma velocidad como el rotor.

8. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , en donde todo el flujo del fluido está en direcciones radiales con fuerzas sustancialmente no axiales en el rotor.

9. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , en donde dichas toberas estacionarias definen un primer anillo y dichas toberas giratorias definen un segundo anillo, dichos anillos teniendo un eje común, las toberas estacionarias descargando en relación generalmente en la dirección en que giran las manecillas del reloj a dicho eje y las toberas giratorias descargando en una relación generalmente opuesta a la dirección en que giran las manecillas del reloj a dicho eje.

10. La combinación de conformidad con la reivindicación 9, en donde el primer anillo se ubica entre dicho eje y el segundo anillo.

11. La combinación de conformidad con la reivindicación 9, que incluye una estructura primaria definiendo entradas para dichas primeras toberas, dichas entradas disminuyendo generalmente y radialmente hacia fuera relativas a dicho eje.

12. La combinación de conformidad con la reivindicación 11 , que incluye la estructura definiendo entradas para dichas segundas toberas, dichas ingresando a las segundas toberas disminuyendo generalmente y radialmente hacia fuera, relativas a dicho eje.

13. La combinación de conformidad con la reivindicación 1, que incluye una superficie anular extendiéndose cerca de dicho eje, entre dichos anillos y posicionado para recibir el impacto del fluido descargándose de dichas toberas estacionarias.

14. La combinación de conformidad con la reivindicación 13, que incluye un pasaje o pasajes por vía de los cuales el fluido se descarga de dichas toberas estacionarias e impactando dicha superficie anular que puede pasar dicha superficie para fluir a las toberas estacionarias.

15. La combinación que incluye una serie de turbinas sucesivas como se definen de conformidad con la reivindicación 1 , los rotores de las cuales se conectan operativamente a dicho eje, dichas turbinas colocadas para pasar sucesivamente dicho fluido, vía la turbina estacionaria y las toberas giratorias.

16. La combinación de conformidad con la reivindicación 15, en donde cada turbina incluye un sello o sellos ubicados para habilitar la presión de descarga de las toberas giratorias para ser menor que la presión de descarga de las toberas estacionarias.

17. La combinación de conformidad con la reivindicación 15, en donde dichas turbinas sucesivas definen con la estructura de cubierta asociada, compartimentos para el paso del fluido sellados.

18. Una turbina para manejar el fluido que comprende en combinación: a) primeras palas giratorias que manejan el fluido definiendo una etapa de impulso de la turbina, b) segundas palas giratorias que manejan el fluido definiendo una etapa de reacción de la turbina, c) y una zona de compresión del fluido en la ruta del fluido entre dichas primeras y segundas palas y definiendo una etapa de compresión del fluido.

19. La combinación de conformidad con la reivindicación 18, en donde dichas primeras palas en un primer anillo, dichas segundas palas extendiéndose en un segundo anillo, dichos anillos siendo coaxiales y dicha zona de compresión del fluido siendo anular y ubicada en la ruta del fluido entre dichos anillos.

20. La combinación de conformidad con la reivindicación 18, que incluye una superficie giratoria hacia la cual dicha ruta viaja y produce compresión del fluido.

21. La combinación de conformidad con la reivindicación 19, que incluye una superficie giratoria hacia la cual dicho fluido en dicha ruta viaja y produce compresión del fluido y en donde dicha superficie giratoria se extiende anularmente y es coaxial con dichos anillos de la pala.

22. La combinación de conformidad con la reivindicación 19, en donde dicho primer anillo de palas es estacionario y dicho segundo anillo de palas es giratorio, siendo la estructura que lleva dicho segundo anillo de palas para la rotación.

23. La combinación de conformidad con la reivindicación 18, en donde dichas segundas palas tienen un costado de entrada del fluido y un costado de salida del fluido y que incluyen un sellado para sellado entre dichos costados de entrada y salida.

24. La combinación de conformidad con la reivindicación 1 , en donde una superficie cilindrica se proporciona para recibir el flujo de las toberas estacionarias.

25. Una turbina que incluye un rotor en un eje y que comprende en combinación con las toberas estacionarias la descarga del fluido, por lo tanto produciendo las fuerzas de impulso en un rotor, pasajes internos en el rotor produciendo compresión del fluido, toberas separadas aparte en el rotor y descargando el fluido a una presión inferior que la presión de descarga de las toberas estacionarias, por lo tanto produciendo fuerzas de reacción en el rotor, por lo tanto se produce la energía del eje.

26. La combinación de conformidad con la reivindicación 25, en donde dichas palas radiales se proporcionan para causar que el fluido gire a ia misma velocidad como el rotor giratorio.

27. La combinación de conformidad con la reivindicación 25, en donde todo el flujo está en la dirección radial con fuerzas no axiales en el rotor.

28. La combinación de conformidad con la reivindicación 25, en donde varios rotores como se definen en la reivindicación 25 se unen al mismo eje para lograr una turbina de expansión multi-escalonada.