Паровая турбина с кольцевым испарителем и с генерацией пара лазерным источником тепла

Полезная модель относится к теплоэнергетике и энергомашиностроению и может быть использовано для судовых мобильных и стационарных энергетических установок, использующих потенциальную энергию избыточного давления перегретого водяного пара для создания механической энергии в турбинах, работающих по циклу Ренкина, а также для использования низкопотенциального пара в системах теплоснабжения.
Исходным веществом для генерации избыточного давления газообразного рабочего тела для различных силовых паровых циклов, является вода, являющаяся самым газообразующим, доступным и дешевым веществом, при этом известны различные типы источников тепловой энергии (ИТЭ) для генерации водяного пара, такие как химические - уголь, нефть и газ и ядерные и лазерные.
Известен термодинамический паровой цикл Ренкина, использующийся до настоящего времени в промышленных паровых энергетических установках для энерго- и теплоснабжения и для различных типов судов.
Известны паровые судовые энергетические установки (ПЭУ) использующие цикл Ренкина с генерацией пара химическими источниками тепловой энергии или ядерными источниками энергии - атомными реакторами, в которых осуществляется замкнутый цикл генерации перегретого водяного пара и многократный цикл преобразования его потенциальной энергии в механическую в паровой турбине, механической паровой турбины в электрическую в электрогенераторе.
Недостатками всех известных СЭУ являются сложность и большие габариты, с генерацией пара химическими источниками тепловой энергии загрязнение атмосферы продуктами сгорания, содержащими СО 2, с ядерными реакторами в случае аварии загрязнение водных бассейнов и атмосферы, что, например, произошло при аварии на Фукусима-1.
Известен экологически чистый парогенератор с генерацией пара в соплах лазерами, которые установлены по окружности перед лопатками турбины перпендикулярно, при этом выходящий из сопл пар подается только на лопатки находящиеся перед ними, что не обеспечивает одновременную равномерную подачу на все лопатки и резко снижает эффективность турбины (Патент США US №8881526 B2 - прототип).
При создании полезной модели ставилась задача повысить эффективность паровой турбины генерирующей пар лазерными источниками тепла.
Задача решена тем, что генерация пара осуществляется в кольцевом испарителе, установленном перед лопатками турбины, который разогревается лазерами, при этом вода в кольцевой испаритель подается через кольцевой коллектор по равномерно расположенным по окружности каналам, при этом выходы каналов выполнены под углом, обеспечивающим вход на входные кромки без угла атаки.
Кроме того, каналы могут быть выполнены щелевыми с длиной щели, равной высоте лопаток, что обеспечит более полное использование входной энергии пара на всех ступенях турбины и дальнейшее повышение ее эффективности.
Количество лазеров нагревающих испаритель должно обеспечивать равномерный его нагрев с обеспечением нагрева проходящей по его каналам воды до требуемой температуры, которая, в свою очередь, обеспечит требуемое давление пара и мощность турбины.
Кольцевой канал испарителя может быть выполнен в поперечном сечении или прямоугольным, или полусферическим.
Испаритель может быть выполнен из любого материала допускающего нагрев без потери прочностных свойств до температуры, обеспечивающей нагрев воды до Т=500-700°С, при этом толщина испарителя в зоне прохождения каналов, может быть выполнена в широких пределах, что зависит от расхода воды, температуры нагрева и требуемой мощности турбины.
На рисунке представлена принципиальная схема турбоэлектрогенератора, где 1 - турбина, 2 - каналы подачи воды, 3 - кольцевой испаритель, 4 - лазеры, 5 - конденсатор, 6 - питательный насос, 7 - электрогенератор.
Использование кольцевого испарителя нагреваемого лазером с нагревом воды в проходящих через него каналах обеспечивает генерацию высокопотенциального пара в широких пределах, упрощает конструкцию и аппаратуру регулирующую мощность турбины.