RU2065978C1

RU2065978C1 - Steam-power unit

Info

Publication number: RU2065978C1
Application number: RU94016515A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Семенович Муравин
Original assignee: Вячеслав Семенович Муравин
Priority date: 1994-05-20
Filing date: 1994-05-20
Publication date: 1996-08-27
Also published as: WO1995032358A1; AU2150995A

Abstract

FIELD: power plant engineering. SUBSTANCE: unit has steam generator and steam turbine connected to it. Working shaft 27 of rotor 21 of turbine carries electric generator 32 which is electrically connected to apparatus 5 for separating water into hydrogen and oxygen. Apparatus 5 is connected to burner 3 of steam generator 1. Rotor 21 of turbine 2 has direct and reverse operation stages located on opposite ends of tapered rotor 21. Each rotor stage represents a system of bucket-shaped hollows made in rotor body in compliance with definite geometrical dimensions and orientation in cross-section zone of rotor with respect to steam inlets 25 and 28 formed in stator 20 of steam turbine 2. EFFECT: high efficiency. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к двигателям, выполненным в виде паросиловых установок. The invention relates to engine building, mainly to engines made in the form of steam power plants.

Широко известны паросиловые установки, работающие в режиме двигателя, предназначенные, например, для привода судов, содержащие парогенератор с топкой и пароперегревателем, а также соединенные с ним паровые турбины прямого и обратного хода с конденсатором, которые могут включаться поочередно посредством вентилей, установленных в системе регулирования и действующих в противоположных направлениях (заявка ФРГ N 2205809, кл. F 01 K 15/04, опубл. 1973). Widely known are steam engines operating in the engine mode, designed, for example, to drive ships, containing a steam generator with a furnace and a superheater, as well as steam turbines forward and reverse with a condenser connected to it, which can be switched on alternately by valves installed in the control system and acting in opposite directions (application Germany N 2205809, CL F 01 K 15/04, publ. 1973).

Известная установка имеет большие габариты, значительный вес и сложную систему регулирования вследствие выполнения паротурбинного агрегата в виде отдельных турбин прямого и обратного хода. Кроме того, указанная установка обладает низкой удельной мощностью вследствие отсутствия оптимизации выполнения ее составных частей. The known installation has large dimensions, significant weight and a complex control system due to the implementation of the steam turbine unit in the form of separate turbines forward and reverse. In addition, this installation has a low specific power due to the lack of optimization of its components.

Известны установки, однако преимущественно гидравлического типа, включающие турбины, рабочее колесо которых выполнено с ковшеобразными лопатками, что отчасти способствует устранению ряда вышеуказанных недостатков (патент Франции N 2247920, кл. F 03 B 1/00, опубл. 1975). Known installations, however, mainly of a hydraulic type, including turbines, the impeller of which is made with bucket-shaped blades, which partly helps to eliminate a number of the above disadvantages (French patent N 2247920, class F 03 B 1/00, publ. 1975).

Однако указанное выполнение турбины сопряжено со сложностью ее изготовления и имеет ограниченную возможность применения в установках заявленного типа в силу конструктивных особенностей. However, the specified turbine design is associated with the complexity of its manufacture and has a limited ability to be used in installations of the claimed type due to design features.

Известна также установка (авт. св. СССР N 449165, кл. F 01 K 15/04, опубл. 1974), в состав которой входит паросиловая двигательная установка, выполненная и работающая по аналогии с первой вышеуказанной. Also known installation (ed. St. USSR N 449165, class F 01 K 15/04, publ. 1974), which includes a steam-powered propulsion system, made and working by analogy with the first above.

Эта установка также обладает вышеотмеченными недостатками в силу выполнения паротурбинного агрегата с турбинами прямого и обратного хода, что приводит к большим габаритам, сложности регулирования во время работы, а также к снижению удельной мощности установки. This installation also has the aforementioned drawbacks due to the implementation of the steam turbine unit with forward and reverse turbines, which leads to large dimensions, difficulty of regulation during operation, as well as to a decrease in the specific power of the installation.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является энергетическая установка (авт.св. СССР N 1813883, кл. F 01 K 13/00, опубл. 1993), которая имеет в своем составе паросиловую двигательную установку, содержащую парогенератор с топкой и пароперегревателем, подсоединенную к последнему паровую турбину с конденсатором, а также блок разложения воды на водород и кислород, подсоединенный посредством трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой к топке парогенератора. При этом турбина выполнена с имеющим полость статором, где размещен ротор турбины, кинематически соединенный с электрогенератором, электрически подключенным к блоку разложения воды. Известная установка имеет систему подачи предварительно нагретых воздуха и топлива в топку парогенератора, а также содержит размещенную в зоне парогенератора емкость для содержания нагретой уходящими газами воды для подачи ее в парогенерирующие поверхности нагрева. Closest to the proposed installation is a power plant (ed. St. USSR N 1813883, class F 01 K 13/00, publ. 1993), which includes a steam-powered propulsion system containing a steam generator with a furnace and a superheater connected to the latter a steam turbine with a condenser, as well as a unit for the decomposition of water into hydrogen and oxygen, connected via pipelines with shut-off and control valves to the furnace of the steam generator. In this case, the turbine is made with a cavity having a stator, where a turbine rotor is placed kinematically connected to an electric generator electrically connected to a water decomposition unit. The known installation has a system for supplying preheated air and fuel to the furnace of the steam generator, and also contains a container located in the zone of the steam generator for containing water heated by the flue gases to supply it to the steam generating heating surfaces.

Однако и эта установка обладает рядом недостатков: отсутствие маневренности, в силу отсутствия указаний на выполнение турбины в виде турбины прямого и обратного хода, а также отсутствие оптимизации выполнения указанной турбины, что приводит к усложнению создания и эксплуатации известной установки, а также снижению ее удельной мощности. However, this installation also has several drawbacks: the lack of maneuverability, due to the lack of instructions on the design of a turbine in the form of a forward and reverse turbine, as well as the lack of optimization of the design of this turbine, which complicates the creation and operation of a known installation, as well as a decrease in its specific power .

Заявленная установка направлена на устранение вышеотмеченных недостатков. The claimed installation is aimed at eliminating the above disadvantages.

Устранение вышеуказанных недостатков обеспечивается выполнением паровой турбины в виде турбины прямого и обратного хода и соответствующим подсоединением ступеней прямого и обратного хода к пароперегревателю парогенератора посредством трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, а также выполнением ротора турбины с нижеописанными конструктивными особенностями и размещением этого ротора в статоре турбины с соответствующим зазором относительно поверхности внутренней полости статора. The aforementioned disadvantages are eliminated by making a steam turbine in the form of a forward and reverse turbine and connecting the forward and reverse stages to the steam superheater by means of pipelines with shut-off and control valves, as well as making the turbine rotor with the design features described below and placing this rotor in the turbine stator with appropriate clearance relative to the surface of the inner cavity of the stator.

На фиг. 1 представлена схема примера конкретной реализации разработанной установки с приведением позиционных обозначений ее составных частей. In FIG. 1 is a diagram of an example of a specific implementation of the developed installation with reference to positional designations of its components

На фиг. 2 схематичное выполнение паровой турбины, входящей в состав установки. In FIG. 2 is a schematic illustration of a steam turbine included in the installation.

На фиг. 3 иллюстрированное выполнение ковшеобразных полостей в ступенях прямого и обратного хода ротора паровой турбины в зоне указанных сечений по фиг. 2. In FIG. 3 illustrates the implementation of bucket-shaped cavities in the steps of the forward and reverse stroke of the rotor of a steam turbine in the zone of these sections in FIG. 2.

Представленная на фиг. 1 паросиловая двигательная установка содержит парогенератор 1 и турбину 2. К парогенератору 1 подсоединена горелка 3, входящая в состав топки парогенератора (на чертеже не обозначена) и работающая от нефтепродуктов или водорода. К горелке 3 подсоединен топливный бак 4 и блок разложения воды на кислород и водород, а также воздушный фильтр 6. Указанные соединения обозначены соответственно трубопроводами 7, 8 и 9. Парогенератор 1 выполнен с парогенерирующими поверхностями 10 нагрева и пароперегревателем 11, причем образуемая между указанными поверхностями 10 нагрева парогенерирующая полость (на чертеже не обозначена) соединена с полостью пароперегревателя 11 трубопроводами 12. Парогенератор 1 имеет также емкость 13 с запасом воды, соединенную с парогенерирующей полостью, образованной поверхностями 10 нагрева. Указанное соединение обеспечивается водопроводом 15 с краном-регулятором 16, а емкость выполнена с горловиной 14. На пароперегревателе 11 установлен датчик 17 давления. Парогенератор 1 выполнен с кожухом 18 для отвода уходящих газов, внутри которого размещены емкость 13 и фильтр 6, соответственно, для предварительного подогрева воды и воздуха. Турбина 2 включает установленный на опорах 19 статор 20 и размещенный в его полости ротор 21. Турбина 2 подсоединена к пароперегревателю 11 парогенератора 1 посредством паропровода 22 с установленными на нем кранами-регуляторами 23 и 24. Паропровод 22 выполнен с паровводом 25 переднего хода, подводящим пар к ковшеобразным полостям 26 ступени прямого хода ротора 21, чем обеспечивается правое вращение соединенного с ротором 21 рабочего вала 27. Паропровод 22 имеет также пароввод 28 обратного хода, посредством которого пар подается к ковшеобразным полостям 29 ступени обратного хода ротора 21, чем обеспечивается обратное левое вращение рабочего вала 27. Рабочий вал 27 установлен в подшипниках 30, закрепленных в опорах 31. На валу 27 установлен электрогенератор 32, электрически связанный с блоком 5 разложения воды на кислород и водород посредством электрического провода 33. Электрогенератор 32 также связан и с другими потребителями, например с электросетью. Ступени прямого и обратного хода паровой турбины 2 соединены между собой трубопроводом 34 с установленным на нем краном-регулятором 35, что обеспечивает экстренное торможение ротора 21 турбины 2. Presented in FIG. 1, a steam-powered engine installation comprises a steam generator 1 and a turbine 2. A burner 3 is connected to the steam generator 1, which is part of the furnace of the steam generator (not indicated in the drawing) and is powered by oil products or hydrogen. A fuel tank 4 and a unit for decomposing water into oxygen and hydrogen, as well as an air filter 6 are connected to the burner 3. These connections are indicated by pipelines 7, 8 and 9, respectively. The steam generator 1 is made with steam-generating heating surfaces 10 and a superheater 11, which is formed between these surfaces 10 heating the steam-generating cavity (not indicated in the drawing) is connected to the cavity of the superheater 11 by pipelines 12. The steam generator 1 also has a tank 13 with a supply of water connected to the steam-generating cavity, about razovannoy heating surfaces 10. The specified connection is provided by a water supply system 15 with a regulating valve 16, and the tank is made with a neck 14. A pressure sensor 17 is installed on the superheater 11. The steam generator 1 is made with a casing 18 for exhaust gas, inside which a container 13 and a filter 6 are placed, respectively, for preheating water and air. The turbine 2 includes a stator 20 mounted on the supports 19 and a rotor 21 located in its cavity. The turbine 2 is connected to the superheater 11 of the steam generator 1 by means of a steam line 22 with control valves 23 and 24 installed on it. The steam line 22 is made with a forward steam line 25 supplying steam to the bucket cavities 26 of the forward stroke stage of the rotor 21, which ensures the right rotation of the working shaft 27 connected to the rotor 21. The steam line 22 also has a return steam 28, through which steam is supplied to the bucket cavities 29 steps of the reverse stroke of the rotor 21, which ensures the reverse left rotation of the working shaft 27. The working shaft 27 is installed in bearings 30 mounted in bearings 31. An electric generator 32 is installed on the shaft 27, electrically connected to the unit 5 for decomposition of water into oxygen and hydrogen by means of an electric wire 33. The generator 32 is also connected with other consumers, for example with the mains. The steps of the forward and reverse stroke of the steam turbine 2 are interconnected by a pipe 34 with a crane-regulator 35 mounted on it, which provides emergency braking of the rotor 21 of the turbine 2.

Ротор 21 турбины 2 и внутренняя полость ее статора 20 выполнены конусными с углом конусности, выбираемым из соотношения 0 < α ≅ 80^°. При этом ротор установлен в полости статора с зазором, исходя из соотношений диаметров внутренней полости статора и наружной поверхности ротора в любом из поперечных сечений турбины, причем указанное соотношение имеет следующий вид: 0,0001 <d₂/d₁ ≅ 0,01, где d₁, d₂ соответственно наружный диаметр ротора и диаметр внутренней полости статора в определенном поперечном сечении турбины.The rotor 21 of the turbine 2 and the internal cavity of its stator 20 are conical with a taper angle selected from the relation 0 <α ≅ 80 ^° . The rotor is installed in the stator cavity with a gap, based on the ratio of the diameters of the inner cavity of the stator and the outer surface of the rotor in any of the cross sections of the turbine, and this ratio has the following form: 0.0001 <d ₂ / d ₁ ≅ 0.01, where d ₁ , d _2, respectively, the outer diameter of the rotor and the diameter of the inner cavity of the stator in a certain cross section of the turbine.

Ротор турбины имеет ступени прямого и обратного хода, расположенные, соответственно, на концах ротора с большим и меньшим диаметром. При этом каждая из указанных ступеней выполнена в виде системы ковшеобразных полостей, радиально-равномерно размещенных в теле ротора по его поперечному сечению. Причем полости выполнены разобщенными между собой и каждая из ковшеобразных полостей имеет ориентацию оси в поперечном сечении ротора по отношению к диаметру ротора, проходящему через точку пересечения боковой поверхности ротора с осью ковшеобразной полости под углом β= 5-55^°. Ступени прямого и обратного хода выполнены с противоположной ориентацией указанного угла β. Каждая ковшеобразная полость в продольном и поперечном размерах ротора имеет характерные максимальный и минимальный размеры, соответственно, l₂ и l₁, обуславливающие ее входное сечение. При выполнении полостей указанные размеры выбираются, исходя из соотношения 0,02 ≅ l₁/l₂ ≅ 1,0.The turbine rotor has forward and reverse stages, located, respectively, at the ends of the rotor with a larger and smaller diameter. Moreover, each of these steps is made in the form of a bucket-shaped cavity system radially uniformly placed in the rotor body along its cross section. Moreover, the cavities are made disconnected from each other and each of the bucket-shaped cavities has an axis orientation in the rotor cross section with respect to the diameter of the rotor passing through the point of intersection of the side surface of the rotor with the axis of the bucket cavity at an angle β = 5-55 ^° . The steps of the forward and reverse stroke are made with the opposite orientation of the specified angle β. Each bucket-shaped cavity in the longitudinal and transverse dimensions of the rotor has a characteristic maximum and minimum dimensions, respectively, l ₂ and l ₁ , causing its inlet section. When performing cavities, the indicated dimensions are selected based on the ratio 0.02 ≅ l ₁ / l ₂ ≅ 1.0.

Каждая из ступеней прямого и обратного хода имеет количество полостей, определенное из следующих соотношений:
3 ≅ n₁, n₂ ≅ 100,
0,1 ≅ n₁/n₂ ≅ 10,
где n₁, n₂ количество полостей в ступени соответственно прямого и обратного хода.Each of the steps of the forward and reverse stroke has a number of cavities, determined from the following relationships:
3 ≅ n ₁ , n ₂ ≅ 100,
0,1 ≅ n ₁ / n ₂ ≅ 10,
where n ₁ , n _{2 the} number of cavities in the step, respectively, forward and reverse.

Установка работает следующим образом. Installation works as follows.

К горелке 3 подается топливо из бака 4 по трубопроводу 7 или водород по трубопроводу 8 от блока 5 разложения воды, а также воздух, предварительно нагретый уходящими газами парогенератора 1, от воздушного фильтра 6 по трубопроводу 9. Образованная топливо-воздушная смесь сгорает с выделением теплоты, используемой для парообразования воды в парогенерирующих полостях парогенератора 1, образованных поверхностями 10 нагрева, при этом вода поступает в указанные полости из емкости 13 по водопроводу 15. Образующийся пар по трубопроводам 12 поступает в пароперегреватель 11, где он перегревается за счет теплоты продуктов сгорания, и затем под давлением 250 атм по паропроводу 22 подается к паровой турбине 2. При этом за счет крана-регулятора 24 пар поступает либо по паровводу 25 к полостям 26 ступени прямого хода ротора 21 турбины 2, либо по паровводу 28 к полостям 29 ступени обратного хода паровой турбины 2. В случае подачи пара к полостям 26 ступени прямого хода ротор 21 вращается вправо, а при подаче пара к полостям 29 ступени обратного хода в обратном направлении, т.е. влево. При необходимости экстренного торможения ротора 21 открывается кран-регулятор 35 на трубопроводе 34, что обеспечивает подачу пара к ступени обратного хода и торможение ротора. Таким образом потенциальная энергия пара преобразуется в турбине во вращательное движение ротора, которое посредством рабочего вала 27 передается электрогенератору 32, который вырабатывает электрический ток, поступающий потребителям, в том числе к блоку 5 разложения воды на кислород и водород, входящему в состав установки, что позволяет выделенный водород подавать в качестве топлива к горелке 3 парогенератора 1, экономя тем самым запас имеющегося топлива в баке 4, что позволит увеличить время работы установки, либо сократить ее габариты за счет уменьшения емкости бака 4. The fuel 3 is supplied to the burner 3 from the tank 4 via the pipeline 7 or hydrogen via the pipeline 8 from the water decomposition unit 5, as well as the air preheated by the flue gases of the steam generator 1 from the air filter 6 via the pipeline 9. The formed fuel-air mixture burns with heat used for water vaporization in the steam-generating cavities of the steam generator 1, formed by the heating surfaces 10, while water enters into the indicated cavities from the tank 13 through the water supply 15. The resulting steam through the pipelines 12 enters the steam a superheater 11, where it overheats due to the heat of the combustion products, and then under a pressure of 250 atm through a steam line 22 is supplied to a steam turbine 2. At the same time, steam is supplied through a steam control valve 24 either through a steam supply 25 to the cavities 26 of the forward-running stage of the turbine rotor 21 2, or through the steam supply 28 to the cavities 29 of the return stage of the steam turbine 2. In the case of steam supply to the cavities 26 of the forward stage, the rotor 21 rotates to the right, and when steam is supplied to the cavities 29 of the reverse stage in the opposite direction, i.e. to the left. If necessary, emergency braking of the rotor 21 opens the valve-regulator 35 on the pipe 34, which provides steam to the reverse stage and the braking of the rotor. Thus, the potential energy of the steam is converted in the turbine into the rotational movement of the rotor, which is transmitted through the working shaft 27 to an electric generator 32, which generates an electric current supplied to consumers, including the unit 5 for the decomposition of water into oxygen and hydrogen, which is part of the installation, which allows the separated hydrogen is supplied as fuel to the burner 3 of the steam generator 1, thereby saving the supply of available fuel in the tank 4, which will increase the operating time of the installation, or reduce its dimensions for by reducing the capacity of the tank 4.

Установка может работать как по замкнутому, так и по разомкнутому циклам. В последнем случае отработавший в турбине пар сбрасывается в окружающую среду, а пополнение емкости 13 водой ведется извне через горловину 14. При работе по замкнутому контуру отработавший в турбине 2 пар поступает в ее конденсатор (на чертеже не показан), конденсируется под воздействием охладителя и полученный конденсат нагнетается в емкость 13 через горловину 14, посредством соединения конденсатора с горловиной 14 емкости 13. The installation can operate both in closed and open cycles. In the latter case, the steam spent in the turbine is discharged into the environment, and the tank 13 is replenished with water from the outside through the neck 14. When working on a closed circuit, the steam spent in the turbine 2 enters its condenser (not shown in the drawing), condenses under the influence of a cooler and the resulting the condensate is pumped into the tank 13 through the neck 14, by connecting the capacitor to the neck 14 of the tank 13.

В состав установки может быть введен блок 36 автоматического регулирования, осуществляющий автоматическую подачу топлива или водорода к горелке 3, а также регулирование расхода пара к ступеням прямого и обратного хода паровой турбины и направления вращательного движения ее ротора. An automatic control unit 36 can be introduced into the installation, which automatically delivers fuel or hydrogen to the burner 3, as well as regulates the flow of steam to the steps of the forward and reverse stages of the steam turbine and the direction of rotational motion of its rotor.

Выполнение ротора паровой турбины согласно вышеописанному позволило одновременно с обеспечением вращения ротора турбины по часовой и против часовой стрелки значительно сократить ее габариты по сравнению с вышеуказанными известными аналогами, а следовательно, и сократить габариты установки в целом, а также упростить систему регулирования работой установки, снизить ее вес и упростить технологию изготовления. The execution of the rotor of a steam turbine as described above allowed simultaneously with the rotation of the turbine rotor clockwise and counterclockwise to significantly reduce its dimensions compared to the above known analogues, and therefore to reduce the dimensions of the installation as a whole, as well as to simplify the control system of the installation, reduce it weight and simplify manufacturing technology.

Проведенные исследования показали, что достигаемый вышеуказанный технический результат возможен только при использовании всей совокупности отраженных в формуле изобретения признаков. Результаты проведенных исследований представлены в нижеприведенной таблице, где в качестве сопоставительного параметра принято отношение достигаемой мощности к единице израсходованного горючего, ∑. ТТТ1 ЫЫЫ2 The studies showed that the above technical result is possible only when using the totality of the features reflected in the claims. The results of the studies are presented in the table below, where the ratio of the achieved power to the unit of consumed fuel, ∑, is taken as a comparative parameter. TTT1 YYY2

Claims

A steam-powered propulsion system, including a steam generator with a superheater and a fuel supply having a fuel supply, a steam turbine connected to the superheater via a steam pipe, made with a rotor located in the cavity of its stator, as well as an electric generator kinematically connected to the latter connected to the oxygen and hydrogen decomposition unit, while the specified unit through pipelines with shut-off and control valves connected to the furnace of the steam generator, characterized in that it is equipped with an additional m conduit with shut-off and regulating body, the cavity of the stator and rotor turbine configured tapered surfaces having a taper angle not exceeding 80 ^o, wherein the rotor is mounted in the stator cavity with a gap defined by the relation 0,0001 <d ₂ / d ≅ ₁ 0.01, where d _1, d _2, respectively, the outer diameter of the rotor and the diameter of the inner cavity of the stator in any cross section of the turbine rotor is formed with steps forward and reverse, arranged at its opposite ends respectively the larger and smaller diameter, and each of y The above steps are made in the form of bucket-shaped cavities uniformly distributed in the rotor body with a uniform radial arrangement of them in the planes of the rotor cross section and the orientation of the axis of each cavity in the plane of the rotor cross section with respect to its diameter passing through the intersection point of the rotor side surface with the axis bucket cavity angled 5.55 ^o, wherein the step of forward and reverse stroke made in the opposite orientation of said angle, and each cavity is provided with x acteristic minimum and maximum size, respectively in transverse and longitudinal sections of the rotor stage, determined from the relation 0.02 ≅ l ₁ / l ₂ ≅ 1,0, where l _1, l _2, respectively, above the minimum and maximum characteristic dimensions, and with the number of steps made cavities determined from the relations: 3 ≅ n ₁ , n ₂ ≅ 100; 0.1 ≅ n ₁ / n ₂ ≅ 10.0, where n ₁ , n _{2 are the} number of cavities in the steps of forward and reverse, respectively, while the turbine stator is made with steam inputs and exhaust steam exits located in the zones of the steps of the forward and reverse stroke and is connected by means of steam inputs to the steam line, and the exhaust of the exhaust steam of the forward stage is additionally connected to at least one steam input of the reverse stage by means of an additional pipeline with a locking-regulating body.