Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может использоваться для выработки электроэнергии, а также в автомобильном, железнодорожном и водном транспорте.

В качестве прототипа предлагаемого технического решения принят способ получении энергии путем ступенчатого ее преобразования и устройство для его осуществления (патент N° 2311558), где преобразование энергии рабочего тела в механическую и электрическую путем многоступенчатого преобразования, включающий использование приводного двигателя, имеющего крутящий выходной вал гидротурбины, передачу силового момента от вала приводного двигателя к потребителю механической энергии осуществляют посредством двухступенчатого преобразования механической энергии в энергию рабочего тела, например воды, давление которой обеспечивают посредством использования центробежного гидронасоса или радиально-осевой гидротурбины, работающей в насосном режиме, с обеспечением выработки реактивной энергии от взаимодействия воды с лопастями ступени или реактивными струйными соплами рабочего колеса ступени, с передачей воды через неподвижный водовод и статор ступени, выполненный в виде спиральной камеры или разветвленного коллектора; при этом увеличенный диаметр рабочего колеса ступени с лопастями или реактивными струйными соплами увеличивает крутящий момент на величину разности радиусов рабочего колеса ступени и рабочего колеса приводного двигателя, при этом нагрузкой для приводного двигателя является центробежный гидронасос или радиально-осевая гидротурбина первой ступени. Устройство содержит приводной двигатель, имеющий крутящийся выходной вал гидротурбины, передаточный вал, генератор или две аналогичные друг другу ступени преобразования, при этом вал гидротурбины сочленен с рабочим колесом центробежного насоса первой ступени, радиально от которого отходят неподвижные водоводы, идущие до разветвленного коллектора или до спиральной камеры, по боковой окружности которых установлено рабочее колесо радиально-осевой турбины, несущее по периферии рабочие лопасти или сопла, под которыми установлен сточный коллектор, причем рабочее колесо гидронасоса второй ступени жестко установлено на валу, посредством которого имеет связь с рабочим колесом первой ступени и ротором электрогенератора.

Такой способ и устройство не предусматривают получение дополнительной энергии повышением скорости ротора. Не предусмотрено регулирование режима работы агрегата, а жесткая связь между ротором впереди установленной турбины и насосом следующей турбины исключает возможность их раздельного регулирования.

Технической задачей изобретения является более полное использование энергии потока рабочего тела и обеспечение широкого диапазона регулирования при повышенной скорости ротора и безнапорном течении рабочего тела в водоводах струйно-реактивной турбины, а также снижение при этом габаритов и металлоемкости оборудования.

Повышение эффективности струйно-реактивной турбины осуществляется повышением рабочей скорости вращения, которая определяется прочностью ротора, за счет дополнительного источника энергии, а рабочая скорость вращения поддерживается постоянной путем кратковременных в режиме регулирования повышений скорости, применением разгонного двигателя и изменением подачи рабочего тела в водоводы турбины в зависимости от скорости вращения и нагрузки, а регулирование скорости вращения ротора и мощности турбины осуществляют изменением уровня рабочего тела в сопловых блоках, при этом на всех рабочих режимах соблюдают условия и обеспечивают безнапорное течение рабочего тела в водоводах при частичном их заполнении.

Устройство струйно-реактивной турбины содержит вал, установленный в опорах с возможностью вращения, на котором установлен генератор электрического тока и по меньшей мере два ротора с соплами, через которые прокачивается рабочее тело насосом с двигателем, и систему управления. Турбина снабжена разгонным двигателем, соединенным с валом, а для передачи рабочего тела с одной ступени турбины на другую применяются спиральный кожух и направляющий аппарат, соединенные между собой коленом 180° с увеличенным на входе сечением. Направляющий аппарат имеет наружную и внутреннюю конические стенки, образующие кольцевую щель, которая закрыта со стороны ротора патрубком с соплами, установленными в центральной части ротора. Система управления струйно-реактивной турбиной имеет станцию управления с процессором, пусковой и измерительной аппаратурой и датчики частоты вращения, установленные на валу турбины, а на патрубке, соединяющем насос, имеющий регулируемый электропривод, с ротором турбины установлено водомерное устройство с датчиком частоты вращения, связанное электрически через процессор с генератором и последовательно установленное клапанное устройство, электрически связанное через процессор с датчиками частоты вращения, установленными на валу турбины; при этом производительность насоса устанавливают больше на величину погрешности первой ступени регулирования.

В сопловом блоке установлены датчики давления, один на дне соплового блока для определения давления, другой на верхней внутренней поверхности входного патрубка, определяющий уровень рабочего тела с выводом сигналов на станцию управления через коллекторный аппарат, установленный на валу турбины. Система снабжена энергетическим 2

4

компенсатором в виде приемника электроэнергии: водонагреватель, аккумулятор, электродвигатели и т.п., отличающемся частями.

Сопловой блок струйно-реактивной турбины содержит входной патрубок и энерговоспринимающую поверхность, расположенную под углом 45° относительно входного патрубка, а энерговоспринимающая поверхность является нижней частью корпуса, выполненного в виде усеченной конической пирамиды. На верхней части корпуса установлены сопла, расположенные под углом 90° относительно входного патрубка, которые выполнены в виде насадка и щели. Сопрягающая часть входного патрубка с водоводом выполнена в виде эксцентричной воронки, диаметр которой на выходе имеет величину, при которой его площадь равна сумме площадей сопел.

Способ позволяет повышением рабочей скорости кратно увеличить мощность турбины. Частичное заполнение водоводов рабочим телом обеспечивает использование прочности ротора в полезных целях, для повышения мощности турбины. При регулировании скорости изменением уровня рабочего тела в сопловых блоках используются активная и реактивная составляющие потока при широком диапазоне регулирования.

В системе управления струйно-реактивной турбиной электрическая связь процессора с датчиками частоты вращения, установленными на водомерном устройстве, с автоматическим приводом двигателя насоса и энергетическим компенсатором повышают точность поддержания скорости ротора при экономичном расходе рабочего тела.

Применение сопловых блоков взамен традиционных сопел позволяет двукратно повысить рабочее усилие при широком диапазоне регулирования.

В способе используются свойства струйно-реактивной турбины генерировать в водоводах за счет центробежной силы:

• скорость рабочего тела:

. W = <р^2дН + a>*r\ <?) <P = j= = ^= = = 0,93 где λ = 0,035 - коэффициент гидравлического трения (3,3);

Н=р = 40 м - давление насоса;

ω - угловая скорость ротора;

г - радиус ротора, м;

• и давление:

Η = Ζ + ?- + — (3,2)

Ζ - геометрический напор и пьезометрический напор ^ в виду их малости принимаются равными нулю;

ν= 1- удельный вес воды

« = 1 (3,2)

V = W- скорость истечения рабочего тела.

В нашем случае: Н = р +—

Рассматривая приведенные выражения для Н и W нетрудно заметить, что величины р, 2g и φ на скорость течения W и образование напора Н оказывают слабое влияние, в то же время величины скорости ω, π радиус г имеют степенную зависимость и являются определяющими.

Значения If и Я для двух условных турбин Ti и Т ₂ , работающих при разной частоте вращения:

500-27Г

πι = 500 об/мин; ω — 60 = 52,33 рад/сек п ₂ = 3000 об/мин; ω ₂ = ³ °° 6°0 ^2π = 314 рад/сек, но при одинаковых размерах ротора.

D _T i = D _T 2 сведены в таблицу 1. Таблица 1

Рассматривая результат расчета и обращая внимание на величину давления, которое достигает Н = 4023 м = 402,3 кг/см ² является устрашающим в части прочности ротора и ограничивает получение высоких мощностей. Поэтому является целесообразным обеспечить в водоводах безнапорное течение рабочего тела, а в соплах держать рабочее давление путем их заполнения рабочим телом. В нижней строке таблицы указано давление Н при напорном течении, а в верхней строке Н _Б - при частичном заполнении. В этом случае в выражении

V ²

Н = р +— Р = 0; V= W, тогда:

W ²

Я _Б = скоростной напор.

Аналогично этому преобразуется выражение скорости течения рабочего тела: W _B — (p jlgH + ω ² τ ² . При безнапорном течении Н = 0, выражение напишется:

W _B = φ\Ι(ύ ² τ ² ; φ = = 0,93

Vl+Я l+0.035

Сравнивая в таблице значения Н и Н _Б , W и WE видим, что при повышенной скорости вращения ротора П2 = 3000 об/мин и большом его диаметре разница становится незначительной.

Для определения эффективности способа и устройств рассматривается условная турбина Т ₂ с параметрами, указанными в таблице 2. 62

7

Таблица 2

Расчетами установлено, что если струйно-реактивную турбину довести путем принудительного повышения ее скорости до форсированного рабочего режима применением дополнительного источника энергии и удерживать его при регулировании скорости турбины за счет этого же источника энергии, КПД турбины значительно повышается. По сравнению с известными турбинами: η = 0,59 (6) < 0,96; η = 0,95 (7) < 0,96. Кроме того, значительно повышается экономичность подачи рабочего тела в турбину. В данном случае не требуются плотины, шлюзы и их обслуживание. Сохраняется природное состояние водоемов. В сравнении с тепловым способом получения энергии не требуются топочно-котельные установки и расходование углеводородов.

Подобное приведенному в числовом примере устройство можно использовать для энергоснабжения отдаленных населенных пунктов и фермерских хозяйств. Повышение мощности турбины возможно увеличением расхода рабочего тела, количества роторов и их размеров. При малых диаметрах ротора с валом на упругих опорах и высоких его скоростях 10000 - 30000 об/мин появляется возможность использования турбин в дорожных машинах

В способе используется свойство турбины со струйно-реактивными соплами сохранять усилие на энерговоспринимающих поверхностях независимо от размера ротора и его скорости (2), что обеспечивается прямой непрерывной гидравлической связью насос - энерговоспринимающая поверхность, а также генерировать в водоводах в степенной зависимости от скорости ротора скоростное давление Н и скорости W истечения рабочего тела через сопла, определяющие мощность турбины.

В части прочности ротора. Частичное заполнение водоводов рабочим телом делает турбину со струйно-реактивными соплами по действующим от центробежных сил напряжениям в материале ротора подобным паровой турбине. Известна паровая турбина мощностью миллион двести тысяч киловатт, успешно работающая на Костромской ГРЭС с диметром ротора последней ступени 3 м. Это дает возможность утверждать, что приведенная в таблице мощность из условий прочности реальна.

Устройства для осуществления способа поясняются чертежами:

Фиг. 1 - Общий вид турбины.

Фиг. 2 - Направляющий аппарат, сечение Б-Б.

Фиг. 3 - Сборно-направляющий аппарат, разрез А-А.

Фиг. 4 - Сопловый блок.

На чертеже Фиг. 1 схематично изображена турбина со струйно- реактивными соплами.

На валу 1, установленному с возможностью вращения в опорах 2 и 3, жестко установлены по крайней мере два ротора 4 с сопловыми блоками 5. В корпусе ротора 4 имеются водоводы 6, соединяющие заборную часть 7 ротора с сопловыми блоками. С валом 1 соединены разгонный двигатель 8, управляемый станцией управления и электрогенератор 9.

Между каждым ротором в последовательном порядке установлены жестко на основании 11 сборно-направляющие аппараты 12. Каждый аппарат имеет спиральный кожух ротора 13 и направляющий аппарат 14 (фиг. 3), соединенные между собой коленом 180° 15 с увеличенным на входе сечением. Направляющий аппарат имеет наружную и внутреннюю коническую стенку 16, образующие кольцевую щель, которая закрыта со стороны ротора патрубком 17 (фиг. 1) с соплами 18 (фиг. 2), установленным в центральной части ротора. Сопла имеют направление, определяющееся углом γ, которое зависит от скорости ротора и скорости рабочего тела, вытекающего из сопел.

Сборно-направляющий аппарат 19 последней ступени турбины соединен с насосом 20 трубопроводом 21, который имеет объем, необходимый для обеспечения работы турбины рабочим телом.

Насос 20 соединяется с приемной частью ротора патрубком 24, который герметизируется уплотнениями 25 и 26. Насос приводится во вращение двигателем 27.

Система управления струйно-реактивной турбиной Фиг. 1 имеет станцию управления СУ 28 с процессором 29, имеющим в своем составе блок регулирования подачи рабочего тела в водоводы и блок регулирования скорости роторов, контролирующий первый блок и пускорегулирующую аппаратуру. На валу турбины установлены три датчика 30 частоты вращения, электрически связанные проводником 31 с процессором. Для управления подачей рабочего тела в водоводы ротора 4 турбины, на патрубке 24 установлено водомерное устройство 32 с тремя датчиками 33 частоты вращения, связанные проводником 34 с процессором. На патрубке 24 последовательно установлено клапанное устройство 35, электрически связанное через процессор 29 с датчиками частоты вращения 30, установленными на валу турбины. Производительность насоса 20 принимается больше на величину погрешности первой ступени регулирования, состоящей из насоса, водомерного устройства с датчиками частоты вращения. Энергетический компенсатор 36, представляющий собой приемник электроэнергии: водонагреватель, аккумулятор, электродвигатели и т.п. связан со станцией управления проводниками 37. Установленные в сопле (фиг. 4) датчики давления, один датчик 38 на дне сопловой камеры для определения давления, другой датчик 39 на верхней внутренней поверхности входного патрубка сопла, определяющий уровень рабочего тела, с выводом сигналов на станцию управления через коллекторный аппарат 39, установленный на валу турбины.

Сопловый блок (фиг. 4) струйно-реактивной турбины имеет входной патрубок 4 энерговоспринимающую поверхность 40, расположенную под углом 45° относительно входного патрубка. Энерговоспринимающая поверхность является нижней частью корпуса 42, выполненного в виде усеченной конической пирамиды. На верхней части корпуса установлены сопло 43 в виде насадка и сопло 44, выполненное в виде щели. Из условий прочности щель может быть прерывистой или заменена рядом сопел. Сопла расположены под углом 90° относительно входного патрубка 41. Сопрягающая часть 41 входного патрубка с водоводом 6 выполнена в виде эксцентрической воронки 45, диаметр которой имеет на выходе величину, при которой его площадь равна сумме площадей сопел.

Пуск турбины производится при полностью заполненных водоводах и соплах. В это время давление рабочего тела равно давлению насоса. На энерговоспринимающих поверхностях 40 сопловых блоков (Фиг. 3) образуются усилия, направленные в сторону вращения роторов, начинается их вращение. Включают разгонный двигатель. При увеличении скорости роторов и повышении скоростного давления, подачу рабочего тела уменьшают, образуя безнапорный режим течения в водоводах. При достижении рабочей скорости включают энергетический компенсатор 35, турбина переводится в режим автоматического управления. Введенная нагрузка включением компенсатора вызвала снижение скорости. При этом процессор по усредненному сигналу датчиков 30 фиксирует недостаточность подачи рабочего тела в водоводы относительно нагрузки и дает команду через пускорегулирующую аппаратуру на увеличение скорости двигателя и включение разгонного двигателя. При достижении скорости роторов до верхнего предела относительно номинальной скорости 3000 об/мин, турбина нагружается. Нагрузка турбины производится частями. Каждая часть должна быть не более предустановленного запаса энергии энергетического компенсатора, например 5 %. При каждом введении новой части нагрузки, процессор фиксирует на выходе генератора увеличение тока и дает команду на увеличение подачи рабочего тела в водоводы в прямой зависимости от нагрузки и одновременно на такую же величину отключает компенсатор и включает разгонный двигатель. В рабочем режиме компенсатор выключается, и разгонный двигатель включается процессором при резком и большом увеличении нагрузки, когда требуется быстро согласовать подачу рабочего тела относительно увеличенной нагрузки. При малых колебаниях нагрузки в режиме регулирования процессор управляет по сигналам от датчиков 30 частоты вращения подачей рабочего тела с использованием энергии вращающихся масс турбины и энергии разгонного двигателя.

Включение компенсатора для восполнения его энергии проводится при включенном разгонном двигателе, когда скорость роторов подходит или находится на верхнем пределе регулирования

Регулирование скорости производят изменением уровня рабочего тела в сопловых блоках за счет изменения скорости двигателя 27 насоса 20. При малом уровне в действие приводится сопло или сопло и часть сопловой щели. При этом скорость снижается. При высоком уровне все сопла заполняютс рабочим телом и приводятся в действие, а скорость и мощность турбины при этом доходят до максимума.

Наличие энергетического компенсатора и разгонного двигателя позволяют выведенную на повышенную рабочую скорость вращения турбину без нагрузки и малыми частями нагрузить до рабочей нагрузки и удерживать рабочий процесс в заданном режиме регулирования при резких ее колебаниях. Литература. И.Ф.Савин, П.В.Сафонов. Основы гидравлики и гидропривод. Москва, Высшая школа, 1978 г. стр. 94 (1.1), стр.76; (1.2) стр.66; (1.3) стр.76.

Заключение РУСГИДРО, ОАО «НИИЭС» (прилагается).

М.С.Анциферов, М.П.Вукалович. справочник мишиностроителя. Машгиз, 1963 г., т.2 стр. 623, а) истечение жидкости через равномерно вращающуюся трубку, стр. 619; (3.2) СТР.603; (3.3) стр.629; (3.4) стр.603; (3.5) стр.603; (3.6) стр.663; (3.7) стр. 643; (3.8) стр.647; (3.9) стр. 648; (3.10) стр. 638.

Г.С.Лансберг. Элементарный учебник физики. Наука, 1973 г. стр. 235 ф. 107.1; стр. 234.

Р.И.Грабовский. Курс физики. Высшая школа, 1980, стр. 41.

Б.И.Левенсон Гидравлические турбины Машгиз, 1940, стр. 57.

М.Н.Коваль Справочник по гидротурбинам. Ленинград, Машиностроение, 1984 г. стр 15.