СУДОВАЯ ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ЗАКРЫТОЙ ТУРБИНОЙ

Область техники.
Полезная модель относится к водному транспорту, более конкретно к области судовых турбинных установок.
И может быть использована в паросиловых, а также в парогазовых энергетических установках, для повышения их эффективности за счет повышения КПД и возможности использования любого вида топлива.
Уровень техники.
Известна судовая паротурбинная установка (ПТУ) с регенерацией теплоты отработанного пара, содержащая паровой котел, главную, приводящую через редуктор гребной винт, и вспомогательную турбины, теплообменные аппараты, потребляющие пар из парового котла, деаэратор и насосы, связанные трубопроводами. Отработанный пар сбрасывается в главный конденсатор, куда также поступает конденсат греющего пара теплообменных аппаратов. Кроме того, установка содержит подогреватель питательной воды, являющийся также деаэратором. Необходимое количество отработавшего пара с достаточно высокой температурой поступает в подогреватель питательной воды, отдает свою теплоту воде и конденсируется. (См. Р.С. Перельман. Судовые энергетические установки. Одесса, «Феникс», 2006 г., стр. 77-79.).
Известен «Способ эксплуатации паросиловой энергетической установки и установка для его осуществления» (См. патент РФ №2124641, F01K 17/00, F01K 25/00, 1999 г.), в котором представлена паросиловая энергетическая установка, содержащая объединенные, например, трубопроводами циркуляции рабочего тела установки котел или парогенератор, проточную часть снабженной регенеративными отборами высокого и низкого давлений пара турбины, приводящей в действие, например, электрогенератор, которая затем соединена с промежуточным пароперегревателем, и затем с конденсатором, или непосредственно с конденсатором отработавшего пара, охлаждаемая внешним теплоносителем сторона которого соединена через насос с по меньшей мере одним регенеративным подогревателем низкого давления, который далее соединен при необходимости с деаэратором и затем с обогреваемой стороной по меньшей мере одного поверхностного регенеративного подогревателя высокого давления рабочего тела, которая соединена далее с входом рабочего тела в котел или парогенератор, при этом турбина снабжена также теплофикационными отборами пара, выполненными с возможностью обеспечения потребителя тепловой энергией, а обогреваемая сторона по меньшей мере одного регенеративного подогревателя высокого давления на входе и выходе из нее рабочего тела присоединена через запорные устройства к циркуляционному теплообменному контуру потребителя тепловой энергии, трубопроводы.
Недостатками известных паротурбинных установок являются:
- В обычных конденсаторных отработавший на турбине пар не только отдает конденсатору тепло, но и при этом, теряет кинетическую энергию пара, прошедшего турбину, что обуславливает низкий КПД турбины, около 0,7.
- Наличие конденсатора усложняет установку, повышая ее себестоимость.
Все это обуславливает недостаточную эффективность ПТУ.
Сущность полезной модели.
Задачей полезной модели является разработка конструкции судовой паросиловой установки, обладающей повышенной эффективностью использования за счет повышения коэффициента полезного действия турбоагрегата, и за счет возможности использования доступных видов топлива в различных районах страны.
Поставленная задача достигается тем, что в судовой паросиловой установке, содержащей паровой котел, турбоагрегат с турбиной и с выходным валом, связанным с установленным в водном канале ходовым винтом, аэратор, насосы, связанные между собой трубопроводами, при этом паровой котел, связан паропроводом с турбиной, турбоагрегат, выполненный в виде совмещенных и размещенных в закрытом теплопроводном корпусе вихревого эжектора, содержащего входной конфузор, выходной диффузор с нагнетательной камерой, снабженной входным патрубком и выпускными соплами, и корпуса турбины с турбиной, установлен в водном канале и снабжен герметичной емкостью, установленной на его задней стенке, при этом герметичная емкость выполнена с отверстием для прохода выходного вала на своей задней стенке и с входными отверстиями на передней стенке, сообщающимися с выходными отверстиями турбоагрегата, сбрасывающими отработанный пар в виде воды из турбоагрегата, а сама герметичная емкость, снабженная заборным устройством с насосом, связана трубопроводом с аэратором, выход которого связан с входом насоса высокого давления, выход которого трубопроводом подсоединен к котлу, а трубопровод подачи пара из котла подсоединен к входному патрубку вихревого эжектора.
Такое выполнение судовой установки позволяет повысить ее КПД и снизить ее массу.
Перечень фигур на чертежах.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 показывает принципиальную тепловую схему установки;
Фиг. 2 показывает схему турбоагрегата в продольном разрезе по плоскости разъема корпуса.
Осуществление полезной модели.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
Судовая паросиловая установка, содержит паровой котел, турбоагрегат с турбиной и с выходным валом, связанным с установленным в водном канале ходовым винтом, аэратор и насосы, связанные между собой трубопроводами, при этом, паровой котел, связан паропроводом с турбиной.
Турбоагрегат, выполненный в виде совмещенных и размещенных в закрытом теплопроводном корпусе вихревого эжектора, содержащего входной конфузор, выходной диффузор с нагнетательной камерой, снабженной входным патрубком и выпускными соплами, и корпуса турбины с турбиной, установлен в водном канале.
Турбоагрегат снабжен герметичной емкостью, установленной на его задней стенке, при этом герметичная емкость выполнена с отверстием для прохода выходного вала на своей задней стенке и с входными отверстиями на передней стенке, сообщающимися с выходными отверстиями турбоагрегата, сбрасывающими отработанный пар в виде воды из турбоагрегата. Кроме того, сама герметичная емкость, снабженная заборным устройством с насосом, связана трубопроводом с аэратором, выход которого связан с входом насоса высокого давления, выход которого трубопроводом подсоединен к котлу, а трубопровод подачи пара из котла подсоединен к входному патрубку вихревого эжектора.
Пример исполнения судовой паросиловой установки.
Установка содержит (см. Фиг. 1) паровой котел 1, пустотелую гондолу 3 с установленным в ней турбоагрегатом 2 с выходным валом 14, несущим ходовой винт 7, герметичную емкость 4 с размещенным в ней редуктором 5, и аэратор 10, связанные между собой трубопроводами. Турбоагрегат снабжен в передней своей части обтекателем 13, снижающим сопротивление турбоагрегата.
Гондола 3 предназначена для создания водного канала для прокачки и выталкивания ускоренного потока воды и размещения в нем турбоагрегата с ходовым винтом. Однако, водяной канал может быть выполнен и в корпусе судна.
Гондола 3 может быть выполнена любой известной конструкции, например, из термостойкой пластмассы, с разъемом по оси, и снабжена конструктивными элементами, обеспечивающими установку и съем турбоагрегата 2, и установку самой себя на пилоне 6, установленном на корпусе судна. Кроме того, гондола 3 и пилон 6 выполнены с конструктивными элементами (отверстиями, каналами, крышками и т.п.), обеспечивающими прокладку и съем паропровода 8.
Герметичная емкость 4 выполнена, предпочтительно литой конструкции, и установлена на задней стенке турбоагрегата 2, и связана трубопроводом 9 с входом аэратора 10, выход которого связан с входом насоса высокого давления 11, выход которого трубопроводом 12 подсоединен к котлу 1.
Паровой котел 1 предназначен для выработки пара с необходимыми параметрами и своим выходом связан паропроводом 8 с входным патрубком турбоагрегата 30.
Котел 1 может быть выполнен известной конструкции: например, водотрубный барабанного типа. Котел выполнен с экономайзером, испарителем и пароперегревателем. При этом, потребность в экономайзере может отсутствовать, ввиду того, что вода в котел подается из аэратора 10 и может иметь достаточно высокую температуру. Барабан котла в своей нижней части связан с выходом экономайзера, размещенного в выхлопном контуре котла и связанного с своим входом с трубопроводом 12, подающим воду в котел. Барабан также сообщен своей водной частью с испарителем, выход которого сообщен с верхней паровой частью барабана (на чертежах не показано). Подача пара в турбоагрегат осуществляется через трубопровод 8, снабженный пароперегревателем, регулирующим клапаном, и отсечным клапаном (на чертеже не показано). Регулирующий клапан служит для плавного изменения количества пара, поступающего в турбоагрегат. Отсечной клапан допускает быстрое открытие или закрытие подачи пара за счет наличия специального механизма.
Для обеспечения эффективной работы котла он снабжен системой автоматического управления, управляющей подачей воздуха, воды и топлива в котел. Котел может быть выполнен работающим на различных видах топлива: газообразных, жидких и твердых.
Турбоагрегат 2 (См. Фиг. 2) выполнен в виде тела вращения и установлен в кожухе 24, выполненным разъемным и несущим в передней и задней своих частях радиальные пилоны (на схеме не показано), обеспечивающие установку и съем корпуса любым известным образом при разъеме кожуха.
Кожух 24 выполнен в виде емкости с плоским дном на задней стенке, конусообразной средней части и передней части, выполненной также конусообразной с большим углом конусности, и закрывающей емкость, при этом, передняя часть и плоское дно выполнены с радиусными переходами кконусообразной средней части емкости, а передняя часть по центру снабжена конусообразным выступом, направленным вовнутрь емкости, и выполненным с вогнутыми криволинейными образующими, переходящими в радиусную переднюючасть. В центральной части плоского дна по оси установки выполнено отверстие для прохода выходного вала турбоагрегата 25 и установки уплотнительного узла 26.
Вихревой эжектор 22 установлен в цилиндрической проточке корпуса 21 и выполнен в виде совмещенных входного конфузора 27 и выходного диффузора 28 с большим углом раскрытия.
Вихревой эжектор 22 снабжен нагнетательной камерой. Нагнетательная камера 29 выполнена в корпусе вихревого эжектора 22 и представляет собой в поперечном сечении симметричную относительно оси эжектора кольцевую емкость, выполненную вокруг диффузора и образуемую передней, задней и кольцевой стенками, сопряженными между собой радиусными переходами.
Нагнетательная камера 29 выполнена с входным отверстием для установки входного патрубка 30, связанного с трубопроводом 8 подача пара в турбоагрегат. Задняя стенка 31 нагнетательной камеры 29 выполнена плоской и с входными отверстиями, расположенными по всей своей окружности, для подачи пара в выпускные сопла 32, Сопла 32 расположены в выходной части диффузора по всему его периметру и направлены своими осями под углом, равным 7-30° к оси эжектора при виде на поверхность корпуса в плане.
Кроме того, выпускные сопла 32 выполнены отклоненными дополнительно в диаметральной плоскости канала по направлению к его оси на угол, равный 0,5-12°.
Входное отверстие конфузора 27 выполнено с радиусным закруглением, образующим с соответствующим закруглением корпуса обтекаемую входную губу для поворота возвратной пароводной струи и захода ее в конфузор.
Турбина 23 выполнена с корпусом турбины 33. Корпус 33 выполнен в виде пустотелого цилиндра установленного в цилиндрической проточке корпуса 21 таким образом, что его входное отверстие состыковано с выходным сечением диффузора вихревого эжектора, образуя канал для прокачки пароводной среды. Передний внутренний объем корпуса 33 предназначен для создания вихревой камеры 34 и размещения центрального тела 35, а в задней части размещена осевая ступень турбины 36 и направляющий аппарат 37.
Вихревая камера 34 выполнена по длине таким образом, чтобы струи текучей среды, вытекающие из сопл, создавали в потоке, проходящем через канал, вихрь, направленный своим вектором вдоль оси канала. Длина вихревой камеры 34 выбирается достаточной для создания в потоке устойчивой вихревой структуры и зависит от угла отклонения сопел, т.е. при меньшем угле отклонения сопл длина вихревой камеры будет больше.
Центральное тело 35 установлено по оси корпуса 43 с помощью радиальных обтекаемых стоек 38, выполнено в виде тела вращения оживальной формы и предназначено для увеличения разрежения в вихревой камере при проходе потока.
Осевая турбина может иметь одну или несколько ступеней 36 с направляющими аппаратами 37 и установлена на выходном валу турбоагрегата 25, установленном в подшипниковых узлах, размещенных в центральном теле 35 и задней стенке 39, закрепленной в корпусе 33 с помощью радиальных стоек. На выходном валу турбины 25 за задней стенкой 39 установлена также радиальная ступень турбины 40 с лопатками 41, назначение которой кроме создания дополнительного крутящего момента также и поворот выходящего потока из турбины на 90° для направления его на вход вихревого эжектора 22.
Задняя стенка кожуха 24 снабжена выходными отверстиями 42, расположенными по окружности вокруг оси установки и предназначенными для сброса отработанного пара. Отверстия 42 могут быть выполнены регулируемыми, например, с помощью задвижек.
После наполнения кожуха водой и в начале работы установки задвижки могут открываться. Более того, с помощью задвижек может изменяться режим работы установки за счет изменения давления внутри ее.
Герметичная емкость 4, установленная на задней стенке турбоагрегата, выполнена с задней стенкой, снабженной отверстием для прохода выходного вала турбоагрегата. Выходной вал связан с редуктором 5, установленным на внутренней стороне передней стенки емкости. Герметичная емкость 4 также по передней стенке снабжена отверстиями 46, сообщающимися с отверстиями 42, для выхода отработанной пароводяной смеси в полость герметичной емкости, откуда она с помощью заборного устройства с насосом через трубопровод 9 откачивается в аэратор 10.
Редуктор 5 снабжен выходным валом, связанным с выходным валом 8 ходового винта 7.
В простейшем случае выполнения судовой установки она может использоваться без редуктора. Тогда управление оборотами ходового винта производится непосредственно подачей пара в турбоагрегат, а герметичная емкость используется только для сбора отработанного пара.
Установка также снабжена системой запуска с аккумуляторной батареей.
Все входы труб, проходящих через корпус турбоагрегата, выполнены с герметичными уплотнениями, обеспечивающими его герметичность и предохраняющими от прохода пара.
Установка работает следующим образом.
При подаче пара от котла трубопроводом 8 во входной патрубок 30 он поступает в нагнетательную камеру 29. Откуда через сопла 22 пар впрыскивается под давлением в вихревую камеру 14, где конденсируется, перемешиваясь с водой, а струи, вытекающие из сопел ускоряют воду, находящуюся в канале и создают поток 44 на входе в эжектор. Более того, за счет отклонения сопел в потоке среды создается вихрь. Возникающий вихрь создает в области канала вокруг центрального тела 35 разрежение, благодаря чему создается дополнительный поток, усиливающий поток 44, устремляющийся в канал.. Поток среды в канале смешивается с эжектирующим паром из сопел, получает дополнительную энергию и превращается в вихревой ускоренный поток.. Вихревой поток поступает на турбину, где он, проходя осевые ступени 36 и радиальную ступень 40, срабатывается, после чего, выбрасывается в канал, образованный между корпусом 21 и внутренней поверхностью кожуха 24 в виде потока 45 и поступает на вход эжектора, увеличивая мощность входного потока 44.
Таким образом, на турбине создается механическая энергия, которая используется для привода ходового винта.
Создание разрежения в потоке текучей среды в вихревом эжекторе и использование кинетической энергии потока, прошедшего турбину и подаваемого на вход вихревого эжектора, позволяют повысить К.П.Д. установки, увеличивая его на 15-20% по сравнению с исходным КПД самой турбины.
Кроме того, размещение турбоагрегата в водном канале и отсутствие длинного механического вала для привода ходового винта, упрощает компоновку установки на корпусе судна, снижает его массу.