PL246514B1 - Turbogenerator stosowany w układach ORC - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest turbogenerator stosowany w układach opartych na organicznym cyklu Rankine'a składający się z dwukomorowego korpusu, zawierającego część turbinową i generatorową (1), przy czym w części turbinowej (przepływowej) zasilanej czynnikiem roboczym, znajdują się stopnie turbiny wraz z komorą dolotową (3), komorą zasilającą oraz dyfuzorem wylotowym (4) turbiny, natomiast w części generatorowej (1) znajduje się generator elektryczny z obwodowym płaszczem chłodzącym chłodzonym cieczą chłodzącą oraz łożyska turbogeneratora, łożysko poprzeczne (5) zawierające tarczę oprawy (2), łożysko poprzeczno-wzdłużne (6) oraz łożysko osiowe (7), które to łożyska zasilane są czynnikiem roboczym charakteryzujący się tym, że zawiera ponadto czołowy płaszcz izolujący (21) usytuowany pomiędzy głównymi komorami korpusu, w tarczy oprawy (2) przedniego łożyska poprzecznego (5) turbogeneratora i zawierający co najmniej dwie komory cieczowe i połączony z komorami cieczowymi pierścieniowy kanał przepływowy wyposażony w króciec zasilający usytuowany w dolnej części korpusu turbogeneratora i króciec odprowadzający usytuowany w górnej części korpusu turbogeneratora, przy czym krócieć zasilający jak i króciec odprowadzający usytuowane są pod kątem w zakresie od 0 do 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora, a całość zasilana jest czynnikiem chłodzącym przepływającym przez kanał pierścieniowy oraz przez co najmniej dwie komory cieczowe.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest turbogenerator stosowany w układach opartych na organicznym cyklu Rankine’a (ORC).

Turbogeneratory są urządzeniami, w których zachodzi konwersja energii mechanicznej i termicznej płynu w energię elektryczną. Sprawność zastosowanych turbogeneratorów ma dominujące znacznie w ogólnej sprawności całego układu opartego na organicznym cyklu Rankine’a (ORC). Turbogenerator budowany jest najczęściej w formie turbiny parowej oraz generatora elektrycznego osadzonych na jednym wale i zamkniętych w hermetycznym korpusie. Wał łożyskowany jest z wykorzystaniem różnorakich typów łożysk (w zależności od technologii używanej przez producenta), takich jak: gazowe, cieczowe, magnetyczne, czy - w przypadku najmniejszych maszyn - toczne.

Turbogeneratory ORC charakteryzują się kompaktowością, co z kolei utrudnia wewnętrzną dystrybucję ciepła zarówno tego użytecznego, którego nośnikiem jest para czynnika roboczego na dolocie do turbiny, jak i ciepła odpadowego z generatora elektrycznego, które wydziela się na skutek strat w procesie konwersji energii. Utrata ciepła użytecznego do otoczenia jest ograniczana przez projektantów w znanych ze stanu techniki rozwiązaniach poprzez izolację termiczną korpusu turbiny. Natomiast wewnętrzny przepływ ciepła od gorącej komory turbiny do pozostałych chłodniejszych części turbogeneratora redukowany jest poprzez odpowiednie kształtowanie geometrii korpusu - możliwie dużą redukcję mostków termicznych, przekładki z materiałów izolujących itp. Z ciepłem odpadowym producenci w znanych rozwiązaniach radzą sobie poprzez chłodzenie wodą płaszcza wodnego generatora elektrycznego z zewnętrznego źródła, bądź poprzez wykorzystanie chłodziwa dostępnego w ramach samego układu ORC, jak np. ciecz chłodząca skraplacz w przypadku skraplacza chłodzonego pośrednio z wykorzystaniem chłodni.

Ze stanu techniki znany jest turbogenerator ujawniony w opisie patentowym EP3363101 (B1) zawierający turbinę, koło wprawiane w ruch obrotowy przez gorący płyn krążący między wlotem płynu a wylotem płynu oraz generatorem elektrycznym z wirnikiem połączonym z tym kołem za pomocą wału łączącego, znamienny tym, że turbogenerator zawiera osłonę cieplną wykonaną z polimeru i umieszczoną na połączeniu pomiędzy turbiną a generatora oraz tym, że osłona termiczna jest wykonana z politetrafluoroetylenu (PTFE), polieteroeteroketonu (PEEK), polioksymetylenu (POM) lub mieszaniny co najmniej dwóch z tych materiałów

Zastosowanie przekładek z materiałów izolujących termicznie może utrudnić zachowanie wymaganych tolerancji kształtu i położenia, co jest kluczowe szczególnie w przypadku maszyn wysokoobrotowych. Natomiast redukcja mostków termicznych poprzez odpowiednie kształtowanie geometrii korpusu niejednokrotnie prowadzi do zwiększenia gabarytów turbogeneratora bądź osłabienia wytrzymałości konstrukcji korpusu poprzez redukcję powierzchni przekroju w celu ograniczenia przepływu ciepła.

Celem wynalazku było dostarczenie konstrukcji turbogeneratora, w którym izolacja wewnętrzna turbogeneratora, szczególnie izolacja pomiędzy komorą turbiny a pozostałymi, chłodniejszymi częściami turbogeneratora byłaby efektywniejsza niż znane do tej pory rozwiązania a jednocześnie nie osłabiałaby konstrukcji turbogeneratora.

Istotą wynalazku jest turbogenerator stosowany w układach opartych na organicznym cyklu Rankine’a, składający się z dwukomorowego korpusu, zawierającego część turbinową i generatorową, przy czym w części turbinowej (przepływowej) zasilanej czynnikiem roboczym, znajdują się stopnie turbiny wraz z komorą dolotową, komorą zasilającą oraz dyfuzorem wylotowym turbiny, natomiast w części generatorowej znajduje się generator elektryczny z obwodowym płaszczem chłodzącym chłodzonym cieczą chłodzącą oraz łożyska turbogeneratora, łożysko poprzeczne zawierające tarczę oprawy, łożysko poprzeczno-wzdłużne oraz łożysko osiowe, które to łożyska zasilane są czynnikiem roboczym charakteryzujący się tym, że zawiera ponadto czołowy płaszcz izolujący usytuowany pomiędzy głównymi komorami korpusu, w tarczy oprawy przedniego łożyska poprzecznego turbogeneratora i zawierający co najmniej dwie komory cieczowe i połączony z komorami cieczowymi pierścieniowy kanał przepływowy wyposażony w króciec zasilający usytuowany w dolnej części korpusu turbogeneratora i króciec odprowadzający usytuowany w górnej części korpusu turbogeneratora, przy czym króciec zasilający jak i króciec odprowadzający usytuowane są pod kątem w zakresie od 0 do 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora a całość zasilana jest czynnikiem chłodzącym przepływającym przez kanał pierścieniowy oraz przez co najmniej dwie komory cieczowe.

Czynnikiem chłodzącym jest woda lub mieszanina wody i glikolu etylenowego lub węglowodory lub fluorowe czynniki chłodnicze lub ich mieszaniny.

Jako ciecz chłodząca w obwodowym płaszczu chłodzącym generator stosowana jest woda lub mieszanina wody i glikolu etylenowego lub węglowodory lub fluorowe czynniki chłodnicze lub ich mieszaniny.

Czołowy płaszcz izolujący korzystnie zawiera cztery komory cieczowe.

Czołowy płaszcz izolujący korzystnie zawiera sześć komór cieczowych.

Króciec zasilający usytuowany jest w dolnej części korpusu turbogeneratora pod kątem 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora.

Króciec odprowadzający usytuowany jest w górnej części korpusu turbogeneratora pod kątem 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora.

Łożysko turbogeneratora i/lub łożysko poprzeczne i/lub łożysko poprzeczno-wzdłużne i/lub łożysko osiowe zasilane jest czynnikiem roboczym w fazie ciekłej.

Czynnikiem roboczym są węglowodory i/lub fluorowe czynniki chłodnicze i/lub ich mieszaniny.

Czołowy płaszcz izolujący został zastosowany w korpusie turbogeneratora, w celu separacji termicznej gorącej części przepływowej gdzie jest dostarczana para świeża do turbiny oraz zimniejszej części - komory łożyskowej i generatora, do której jest dostarczana ciekła frakcja czynnika roboczego do zasilania łożysk oraz w której znajduje się czołowy płaszcz izolujący turbogeneratora.

Rodzaje czynników roboczych znane są ze stanu techniki są to związki organiczne takie jak węglowodory, są także czynniki robocze oparte na związkach fluoru i ich mieszaniny powszechnie stosowane w przemyśle jako czynniki chłodnicze. Do zasilania łożysk stosowany jest ten sam czynnik roboczy, który zasila turbinę jednakże do łożysk dostarczany jest on w postaci ciekłej.

Budowa turbogeneratora według wynalazku umożliwia ograniczenie transportu ciepła od gorącej pary świeżej czynnika roboczego do przestrzeni łożyskowej turbogeneratora. Ma to szczególne znaczenie w przypadku zastosowania łożysk cieczowych, w których bezawaryjną pracę wirnika można zapewnić tylko przez zasilanie łożysk cieczą czynnika bez występujących w niej frakcji gazowych. Poprzez odseparowanie dopływu ciepła od pary świeżej znacznie ograniczona zostaje szansa na lokalne odparowanie cieczowego filmu smarnego łożyska.

Wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój porzeczny przez turbogenerator według wynalazku; fig. 2 przedstawia widok osiowy, od strony wylotu z turbiny uwidaczniający króciec zasilający i króciec odprowadzający, zaś fig. 3 przedstawia widok części tarczy oprawy łożyska poprzecznego z cieczowymi komorami chłodzącymi, płaszczem czołowym a fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny tarczy oprawy łożyska

Na rysunku fig 1 widoczny jest turbogenerator stosowany do układów ORC. Turbogenerator składa się z dwukomorowego korpusu, zawierającego część turbinową i część generatorową.

W części turbinowej (przepływowej) zasilanej czynnikiem roboczym, znajdują się stopnie turbiny wraz z komorą dolotową 3, komorą zasilającą oraz dyfuzorem wylotowym 4 turbiny. W części generatorowej 1 znajduje się generator elektryczny z obwodowym płaszczem chłodzącym chłodzonym cieczą chłodzącą oraz łożyska turbogeneratora, łożysko poprzeczne 5 zawierające tarczę oprawy 2, łożysko poprzeczno-wzdłużne 6 oraz łożysko osiowe 7, które to łożyska zasilane są czynnikiem roboczym.

Przed tarczą oprawy 2 łożyska poprzecznego 5 znajduje się komora dolotowa 3 pary czynnika roboczego turbiny i dyfuzor wylotowy 4 turbiny. Turbina 8 i generator elektryczny 9 posadowione są na jednym wale, podpartym na łożyskach poprzecznym 5 i po przeczno-wzdłużnym 6, umiejscowionych w komorze generatora. W tylnej części korpusu części generatorowej 1 znajduje się łożysko osiowe 7.

Wewnątrz korpusu turbogeneratora w części generatorowej 1, w tarczy oprawy 2 przedniego łożyska poprzecznego 5, usytuowany jest czołowy płaszcz izolujący 21, w celu separacji termicznej gorącej części przepływowej gdzie jest dostarczana para świeża do turbiny oraz zimniejszej części, komory łożyskowej i generatora, do której jest dostarczana ciekła frakcja czynnika roboczego do zasilania łożysk 5, 6 i 7. Czołowy płaszcz izolujący 21 jest w postaci kanału pierścieniowego 211 łączącego co najmniej dwie komory cieczowe 212.

Zasilanie czołowego płaszcza izolującego 21 odbywa się poprzez króciec zasilający 213 natomiast odprowadzenie czynnika chłodzącego, którym jest woda, odbywa się przy pomocy króćca odprowadzającego 214. Przepływ w czołowym płaszczu izolującym 21 odbywa się od dolnej części gdzie znajduje się króciec zasilający 213, następnie symetrycznie, wzdłuż przebiegu kanału pierścieniowego 211, w obu kierunkach, do wylotu poprzez króciec odprowadzający 214 znajdujący się w górnej części korpusu turbogeneratora. Króćce (213, 214), widoczne na rysunku fig. 2, mogą być umiejscowione całkowicie pionowo lub pod kątem nie większym jednak niż 45°, co jest determinowane koniecznością uniknięcia kolizji z otworowaniem elementów korpusu lub punktami mocowania czujników na korpusie maszyny.

Szczegóły konstrukcji i zabudowy czołowego płaszcza izolującego wskazano na rysunku fig. 3 oraz fig. 4, które stanowią korzystny przykład wykonania turbogeneratora według wynalazku i na których widoczny jest pierścieniowy kanał izolujący 211 a także cztery komory cieczowe 212 połączone pierścieniowym kanałem izolującym 211. Ciecz chłodząca jednostajnie przepływa przez pierścieniowy kanał 211 wpływając do komór cieczowych 212, w których następuje mieszanie i turbulizacja przepływu. Zasilanie i opróżnianie czołowego płaszcza izolującego odbywa się za pomocą króćców 213, 214 umiejscowionych na korpusie 1 turbogeneratora. Ilość komór cieczowych 212 może się różnic i jest zależna od 30 indywidualnej konstrukcji i rozmiarów turbogeneratora, wymagań zapewnienia odpowiedniego poziomu wymiany ciepła.

Claims (9)

1. Turbogenerator stosowany w układach opartych na organicznym cyklu Rankine’a, składający się z dwukomorowego korpusu, zawierającego część turbinową i generatorową (1), przy czym w części turbinowej (przepływowej) zasilanej czynnikiem roboczym, znajdują się stopnie turbiny wraz z komorą dolotową (3), komorą zasilającą oraz dyfuzorem wylotowym (4) turbiny, natomiast w części generatorowej (1) znajd uje się generator elektryczny z obwodowym płaszczem chłodzącym chłodzonym cieczą chłodzącą oraz łożyska turbogeneratora, łożysko poprzeczne (5) zawierające tarczę oprawy (2), łożysko poprzecznowzdłużne (6) oraz łożysko osiowe (7), które to łożyska zasilane są czynnikiem roboczym, znamienny tym, że zawiera ponadto czołowy płaszcz izolujący (21) usytuowany pomiędzy głównymi komorami korpusu, w tarczy oprawy (2) przedniego łożyska poprzecznego (5) turbogeneratora i zawierający co najmniej dwie komory cieczowe (212) i połączony z komorami cieczowymi (212) pierścieniowy kanał przepływowy (211) wyposażony w króciec zasilający (213) usytuowany w dolnej części korpusu turbogeneratora i króciec odprowadzający (214) usytuowany w górnej części korpusu turbogeneratora, przy czym króciec zasilający (213) jak i króciec odprowadzający (214) usytuowane są pod kątem w zakresie od 0 do 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora a całość zasilana jest czynnikiem chłodzącym przepływającym przez kanał pierścieniowy (211) oraz przez co najmniej dwie komory cieczowe (212).

2. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że czynnikiem chłodzącym jest woda lub mieszanina wody i glikolu etylenowego lub węglowodory lub fluorowe czynniki chłodnicze lub ich mieszaniny.

3. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że cieczą chłodzącą w obwodowym płaszczu chłodzącym generator jest woda lub mieszanina wody i glikolu etylenowego lub węglowodory lub fluorowe czynniki chłodnicze lub ich mieszaniny.

4. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że czołowy płaszcz izolujący (21) zawiera cztery komory cieczowe (212).

5. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że czołowy płaszcz izolujący (21) zawiera sześć komór cieczowych (212).

6. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że króciec zasilający (213) usytuowany jest w dolnej części korpusu (1) turbogeneratora pod kątem 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora.

7. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że króciec odprowadzający (214) usytuowany jest w górnej części korpusu (1) turbogeneratora pod kątem 45° w stosunku do pionowej osi turbogeneratora.

8. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że łożysko turbogeneratora i/lub łożysko poprzeczne i/lub łożysko poprzeczno-wzdłużne i/lub łożysko osiowe zasilane jest czynnikiem roboczym w fazie ciekłej.

9. Turbogenerator według zastrz. 1, znamienny tym, że czynnikiem roboczym są węglowodory i/lub fluorowe czynniki chłodnicze i/lub ich mieszaniny.