ПАРОТУРБИННЫЙ АГРЕГАТ С ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ
STEAM TURBINE PLANT WITH ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к энергетическим установкам, и может быть использовано в устройствах для получения электрической энергии.
Известен, в качестве привода электрогенератора, паротурбинный двигатель [1], в котором оси вращения параллельных валов совпадают с осями сопряженных цилиндрических расточек корпуса. В расточках размещены и кинематически связаны между собой ротор, в радиальных пазах которого размещены равноотстоящие друг от друга нагнетательные лопатки, установленные на центральном валу, роторы с радиальными пазами на наружной поверхности, соответствующими расположению лопаток, установленные на валах в непосредственной близости от лопаточного ротора, размещенные в корпусе с образованием рабочих камер. Каналы подвода и отвода рабочей среды попарно расположены на образующей корпуса диаметрально противоположно с возможностью нейтрализации моментов сил давления. Механизм синхронизации вращения валов выполнен в виде находящихся в зацеплении зубчатых колес, установленных на концах валов. Два криволинейных уплотнительных вкладыша размещены на внутренней поверхности расточки в зоне установки лопаточного ротора с образованием динамического бесфрикционного уплотнения с лопатками и разделением зон расширения и сжатия рабочей среды. На наружной поверхности роторов выполнены зубчатые венцы с образованием динамического бесфрикционного лабиринтного уплотнения между зубьями лопаточного ротора и каждого ротора с пазами.
Недостатком этого двигателя являются его значительные поперечные и продольные размеры, вызванные расположением длинных валов в горизонтальной плоскости параллельно друг другу и размещением на них элементов вдоль этих валов. А это требует увеличенных площадей под их размещение при эксплуатации и финансовые затраты на это.
Известна паровая турбина Лаваля [2], построенная шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 году. Ее также можно использовать в качестве привода электрогенератора. Принцип ее действия совпадает с принципом работы других паротурбинных установок: струя рабочей среды (пара) подается из сопел на лопатки ротора турбины и при взаимодействии с лопатками заставляет ротор турбины вращаться. Турбина Лаваля имеет один ротор, снабженный лопатками, по периферии которого установлены реактивные сопла, приводящие ротор турбины во вращение. Пар подводится к реактивным соплам по закрытым каналам от парообразующего устройства (котла), снабженного камерой сгорания (топкой). Недостатком этого устройства является следующее. Турбина Лаваля, при всей простоте конструктивного выполнения, имеет, с учетом потерь тепла в парообразующем котле, КПД всего устройства не более 14%.
Известен паротурбинный двигатель, который может быть приводом электрогенератора [2], в котором одновенцовая паровая турбина снабжена вторым ротором, по периферии которого установлены камеры сгорания с парообразующим устройством, снабженные реактивными соплами, установленными с возможностью совместного воздействия их реактивных струй на лопатки ротора турбины для приведения его во вращение. При этом рабочий объем камеры сгорания соединен с первой группой закрытых каналов, проходящих в радиальных направлениях, для подачи одного из компонентов горючей смеси, и со второй группой закрытых каналов, проходящих к компрессору, кинематически связанному с ротором, для подачи в камеру сгорания другого компонента горючей смеси, а рабочий объем парообразующего устройства соединен с третьей группой закрытых каналов, проходящих к емкости с конденсатом.
Недостатком этого паротурбинного двигателя являются его значительные поперечные и продольные размеры, связанные с размером лопаток, устанавливаемых радиально, и наличия двух и более роторов на одном горизонтальном валу, а также расположения агрегатов двигателя вдоль продольной оси.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является паротурбинный агрегат с конденсационной установкой [3], принятый за прототип. В нем конденсаторы расположены с боковых сторон и соединены с выходными патрубками части низкого давления с помощью переходных патрубков с компенсаторами. Конденсаторы простираются вдоль боковых сторон электрогенератора, а выходные патрубки части низкого давления расходятся под острым углом друг к другу. Причем конденсаторы выполнены с трубными пучками, проходящими с наклоном в сторону выходных патрубков части низкого давления и с расположением конденсатосборника перед трубным пучком. Недостатком данного агрегата являются его достаточно заметные продольные и поперечные размеры, обусловленные расположением в нем узлов и агрегатов, например соединенные одним валоприводом части турбины и электрогенератор.
Производственное оборудование в машинном зале занимает значительные площади, что требует значительных инвестиционных затрат для сооружения этого зала и последующих финансовых расходов за пользование землей. Поэтому в настоящее время проявляется тенденция конструировать такое оборудование, которое имеет малые поперечные и продольные размеры. Вертикальные размеры, как и в строительстве, не требуют финансовых затрат на строительство и оплату земли.
В связи с этим задачей изобретения явилось создание паротурбинного агрегата с электрогенератором, имеющего малые поперечные и продольные размеры, надежную в эксплуатации и достаточно простую конструкцию.
Техническим результатом является уменьшение поперечных и продольных размеров паротурбинного агрегата с электрогенератором и простая его конструкция.
Указанный технический результат достигается тем, что паротурбинный агрегат с электрогенератором содержит парообразующее устройство и турбину, причем в парообразующем устройстве - энергоаккумуляторе располагается кольцеобразный нагревательный элемент с поплавком в виде кольца, удерживающим элемент на поверхности воды, а сам нагревательный элемент состоит из металлической трубки с отверстиями, внутрь которой помещен металлический стержень, причем этот стержень и трубка разделены между собой диэлектриком, и стержень соединен с электрической сетью через конденсатор, и нагревательный элемент соединен с поплавком гибкими тросами; в нижней части паротурбинного агрегата находятся жаровые трубы с горелкой в виде спирали, а в верхней части - турбина с поворотным клапаном и механизмом поворота, и турбина выполнена в виде двух усеченных конусов: верхнего и нижнего, между которыми, от малого до большого диаметров, расположены по спирали каналы, причем при увеличении диаметра конуса происходит увеличение ширины канала; емкость энергоаккумулятора с турбиной помещены в пароотводящую камеру.
Новым является то, что в предлагаемом паротурбинном агрегате жаровые трубы с горелкой, парообразующее устройство, турбина и электрогенератор располагаются друг над другом, что резко уменьшает площадь, занимаемую этим агрегатом в машинном зале. Для выработки пара, вращающегося турбину, используется комбинированный способ: нагрев воды с помощью горелки и электрического нагревательного элемента, что интенсифицирует образование пара и уменьшает объем парообразующей камеры. Используется турбина, имеющая форму усеченного конуса, между верхней и нижней поверхностями которой расположены спиралевидные каналы, причем при увеличении диаметра конуса происходит увеличение ширины канала, что позволяет увеличивать давление пара перед соплами, обеспечивающими высокую скорость его выброса на лопатки турбины. В конструкции паротурбинного агрегата предусмотрен отбор отработанного на турбине пара для обогрева, например помещений, после чего он поступает в виде конденсата в энергоаккумулятор. Этим повышается КПД устройства. Электрогенератор собран на одной оси с турбиной, над ней вертикально.
Нами не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, включающих всю совокупность признаков изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию новизны.
Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие сведения о влиянии отличительных признаков устройства на достигаемый технический результат. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательский уровень.
На фиг. 1 представлена схема общего вида паротурбинного агрегата с электрогенератором. На фиг. 2 показана конструкция горелки (вид снизу). На фиг. 3 приведена конструкция поворотного клапана турбины. На фиг. 4 и 5 показаны спиралевидные каналы турбины в работе. На фиг. 6 представлена конструкция нагревательного элемента. На фиг. 7 изображена схема работы паротурбинного агрегата.
Паротурбинный агрегат с электрогенератором состоит из энергоаккумулятора 1, фиг. 1, турбины 2, взаимодействующей с электрогенератором 17. В энергоаккумулятор, разделенный горизонтальной перегородкой 19, помещен кольцеобразный электрический нагревательный элемент 3, фиг. 1, 6, с поплавком 4 в виде кольца, удерживающим нагревательный элемент 3 на поверхности воды и соединенный с поплавком 4 гибкими тросами 23. В нижней части паротурбинного агрегата размещены жаровые трубы с горелкой 5 и вытяжной трубой в виде спирали, фиг. 1, 2. Кольцеобразный нагревательный элемент 3 с поплавком 4 «надеты» на вытяжную трубу, идущую от горелки 5, что дополнительно удерживает нагревательный элемент 3 с поплавком 4 от смещения, фиг. 6. В верхней части паротурбинного агрегата расположена турбина 2 с поворотным клапаном 6 и механизмом поворота 7 с поршнем 18 и пружиной 20, фиг. 1, 3. Отверстия 21 и 22 обеспечивают переход пара из одного отделения в другое энергоаккумулятора. Турбина 2 выполнена в виде двух усеченных конусов: верхнего 8 и нижнего 9, фиг. 1, между которыми, от малого до большого диаметров, расположены, по спирали, каналы 10, причем при увеличении диаметра конуса происходит увеличение ширины канала, фиг. 4, 5, что приводит к возрастанию давления пара и накоплению его энергии перед соплами, в которых осуществляется разгон газа при его попадании на лопатки турбины. Емкость энергоаккумулятора 1 с турбиной 2 помещены в пароотводящую камеру 11, фиг. 1, 5, из которой по трубе поступает пар для обогрева, например помещений, а образовавшийся при этом конденсат возвращается обратно в энергоаккумулятор. Кольцеобразный нагревательный элемент 3 состоит из металлической трубки 12 с отверстиями 24, внутрь которой помещен металлический стержень 13, фиг. 1, 6. Стержень 13 и трубка 12 разделены между собой диэлектриком 14 и соединены, через конденсатор 15, с электрической сетью проводом 16: стержень 13 - плюс, трубка 12 - минус. Конденсатор снижает потребляемую мощность. Турбина 2 вращает ротор электрогенератора 17, что обеспечивает выработку электроэнергии.
Паротурбинный агрегат с электрогенератором работает следующим образом:
Емкость энеогоаккумулятора 1, фиг. 1, заполняется водой до определенного уровня, оставляя пространство для образования пара. Горелкой 5 вода нагревается, образуется пар и создается его давление, воздействующее на поршень 18 механизма поворота 7, фиг. 1, 3. Поворотный клапан 6 перемещается до совмещения отверстий диска с отверстиями горизонтальной перегородки емкости 19, и пар под давлением поступает в верхнюю часть энергоаккумулятора, вследствие чего давление уравнивается между нижней и верхней частями емкости. Механизм под действием пружины 20 возвращает диск поворотного клапана 6 в первоначальное положение, горизонтальная перегородка перекрывается смещением отверстий 21. Одновременно отверстия 22 совмещаются с отверстиями сопла турбины 2, фиг. 1, 4, 5 - показано стрелкой. Пар врывается в полость каналов 10 турбины 2 и приводит ее во вращение. В результате взаимодействия турбины с электрогенератором, ротор последнего начинает вращаться, и происходит выработка электроэнергии. Электрический ток от электрогенератора, через конденсатор, начинает течь через нагревательный элемент 3. Вода, попадая через отверстия 24 в полость трубки 12, фиг. 6, активно нагревается и частично превращается в пар, увеличивая его количество. А пар, выходящий из турбины 2, создает реактивную силу, отталкиваясь от углублений 25 поверхности корпуса, фиг. 1, и дополнительно воздействуя на работу турбины, усиливая ее мощность (повышая КПД). На фиг. 4 и 5 изображена схема воздействия пара на каналы турбины 2. Из энергоаккумулятора, от малого диаметра турбины, по каналам 10 пар поступает к соплам. Каналы 10 сначала расширяются, где давление пара увеличивается, т.е. накапливается энергия пара, а затем в соплах пар под действием этого повышенного давления ускоряется и падает на лопатки турбины. После турбины отработанный пар охлаждается и в виде конденсата возвращается, через клапаны, в емкость энергоаккумулятора, фиг. 7. Произведенная электроэнергия частично отбирается на работу нагревательного элемента 3, обеспечивающего, совместно с горелкой 5, нагревание воды и образование пара, подаваемого на лопатки турбины и вращающего ее, а основная часть этой энергии поступает потребителю.
Конструкция предлагаемого паротурбинного агрегата выгодно отличается от существующих подобных двигателей тем, что имеет малые поперечные и продольные размеры, т.е. площадь, занимаемая им в машинном зале, незначительна, что заметно экономит затраты на его установку и эксплуатацию.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности, т.к. является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2027862, «Паротурбинный двигатель с роторной системой вытеснительного типа», опубл. 27.01.1995.
2. Патент РФ №2086790, «Паротурбинный двигатель», опубл. 10.08.1997.
3. Патент РФ №2094617, «Паротурбинный агрегат с конденсационной установкой», опубл. 27.10.1997.