Гідропарова гвинтова турбіна

Винахід стосується теплоенергетики і може бути використаний в якості двигуна, який перетворює теплову енергію насиченої води чи водопарової суміші в механічну. Винахід може бути використаний як первинний двигун (наприклад, в геотермальній енергетиці), так і як двигун другого ступеня в комбінованих парогазових і атомних установках. Відома гідропарова турбіна типу сегнерова колеса [Зысин В.А. Комбинированные газопаровые установки и циклы. М.- Л., Гостехиздат, 1962], яку виконано у ви гляді ротора з проточною частиною, яка складається з порожнистого валу, з'єднаною своєю порожниною з радіальне встановленими до осі ротора каналами, які з'єднані з тангенційно розташованими соплами Лаваля. В порожнину валу в осьовому напрямку підводиться вода з підвищеним тиском з температурою насичення, яка по радіальним каналам поступає в сопла Лаваля, де відбувається перетворення гідравлічної енергії тиску і теплової енергії рідини в кінетичну енергію водопарової суміші, яка утворюється в соплі при зниженні в ньому тиску. Водопарова суміш з високою швидкістю виходить з сопла Лаваля, обумовлюючи реактивну силу і обертовий момент ротора відносно осі. Недоліком сегнерової турбіни є недостатня те хнологічність конструкції, що обмежує потужність турбіни до рівня, несприятливого для використання, наприклад, в. геотермальній енергетиці - в галузі найбільш перспективній для використання гідропарових турбін. Відома гідропарова гвинтова турбіна, що містить в собі корпус і ротор, виконаний у вигляді шнеку з кутом установки лопаті шнеку до осі ротора не менше 45°, поверхня якої сприймає силовий вплив динамічної і статичної складових потоку водопарової суміші [Гідропарова гвинтова турбіна. Патент України №24852 від 06.10.1998р.]. Виходячи зі змісту опису цього аналога, мова йдеться про активну гідропарову турбіну, активним елементом якої є лопать шнеку, на якій динамічна енергія водопарового потоку перетворюється в механічну роботу ротора. Недоліком цього аналога є те, що він може бути застосований тільки при наявності зовнішнього відносно нього джерела потоку водопарової суміші з високою динамічною енергією. Але для більшості геотермальних джерел динамічна енергія потоку на виході зі свердловин має дуже низьке значення і не може бути використана безпосередньо в турбіні такого типу. Недоліком аналога є і однозаходний шнек, при якому потік є суттєво несиметричний відносно маточини, що робить динамічні характеристики ротора незадовільними і негативно впливає на ресурс роботи турбіни. Відома також обрана за прототип реактивна гідропарова гвинтова турбіна, що містить корпус і ротор у вигляді двозаходного шнеку, з проточною частиною у вигляді каналів шнеку, утворених поверхнею лопатей шнеку з перемінним зовнішнім діаметром, поверхнею маточини і внутрішньою відповідно спрофільованою поверхнею корпусу таким чином, що канали утворюють сопла типу сопел Лаваля [Деклараційний патент України №57504, МПК 7 F01Д1/38, 16.06.2003p.]. Ця турбіна достатньо надійна, компактна і достатньо ефективна, що робить її привабливою при енерготехнологічному використанні геотермальних родовищ. Недоліком прототипу є технологічна складність конструкції, обумовлена конструкцією проточної частини, утвореної робочими каналами типу сопла Лаваля, які мають конфузорну і ди фузорну ділянки. Форма робочих каналів відповідно обумовлює і форму корпусу, яка теж має конфузорну і дифузорну ділянки. Іншим недоліком, також обумовленим формою робочих каналів проточної частини, є вимога стабільності параметрів робочого середовища на вході в проточні канали. Можливі коливання параметрів робочого середовища навколо номінальних значень, для яких спроектована турбіна, призводить до того, що досягнення критичності параметрів робочим середовищем в процесі течії по каналам не буде співпадати з відповідними конструктивними ділянками каналів, спроектованих в розрахунку на номінальні значення вхідних параметрів середовища, що призводить до гідродинамічних втрат в робочих каналах і зниження ефективності установки в цілому. При експлуатації геотермальних свердловин, на жаль, можливі коливання параметрів робочого середовища, що при застосуванні гідропарових турбін вказаного типу буде вимагати впровадження додаткових заходів для стабілізації вхідних параметрів, що пов'язано з енергетичними втратами і ускладненням схеми геотермальної установки в цілому (а значить і підвищенням її вартості). В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення реактивної гідропарової гвинтової турбіни з метою підвищення її експлуатаційної ефективності при можливих коливаннях вхідних параметрів робочого середовища, покращення технологічності її конструкції і зниження капітальної вартості. Поставлена задача вирішується тим, що в гідропаровій гвинтовій турбіні, що містить корпус і ротор у вигляді двозаходного шнеку, з проточною частиною у вигляді каналів шнеку, утворених поверхнею лопатей шнеку з перемінним зовнішнім діаметром, поверхнею маточині і відповідно спрофільованою внутрішньою поверхнею корпусу, відповідно до винаходу канали проточної частини утворюють сопла типу дифузорної ланки сопла Лаваля, а маточина ротора має такий діаметр, при якому при заданих числі обертів ротора і номінальних вхідних параметрах робочого середовища модуль нормальної складової колової швидкості вхідного вікна канала шнеку дещо перевищує місцеву швидкість звуку. Запропонована конструкція реактивної гідропарової гвинтової турбіни забезпечує стабільну ефективність її роботи при можливих коливаннях вхідних параметрів робочого середовища за рахунок відмови від конфузорної і критичної ланки каналу шнеку, в яких головним чином і зростають втрати енергії при відхиленні вхідних параметрів від номінальних. При забезпеченні відносної швидкості потоку на вході в канали дещо більшої за місцеву номінальну швидкість звуку незначне відхилення вхідних параметрів потоку від номінальних, що має місце при їх коливанні в процесі роботи свердловини, вже не буде суттєво впливати на режим і ефективність роботи каналів, який залишається надзвуковим. Необхідна надзвукова швидкість на вході в канали забезпечується вибором діаметра маточини, від якого залежить колова швидкість вхідних вікон каналів шнеку, яка безпосередньо впливає на відносну швидкість потоку в вхідних вікнах каналів (ефект набігання потоку, який є основним механізмом формування потоку на вхідних ділянках каналів при обертанні шнеку). Забезпечити необхідну вхідну відносну швидкість потоку за рахунок збільшення діаметру маточини технічно можливо, оскільки місцева швидкість звуку в водопаровому середовищі при вхідних номінальних параметрах характерних для використання гідропарових турбін не перевищує 5-10м/с. Зроблені оцінки показують, що необхідний діаметр маточини при цьому не перевищує 100мм. Одночасно з підвищенням експлуатаційної ефективності турбіни відмова від конфузорної ділянки каналів спрощує конструкцію ротора і корпуса турбіни, робить її конструкцію більш технологічною, що обумовлює зниження капітальних витрат на її виготовлення. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому схематично зображена запропонована реактивна гідропарова гвинтова турбіна (фіг.1). Запропонована реактивна гідропарова гвинтова турбіна складається з корпусу 1 і ротора , виконаного у вигляді двозаходного шнеку. Лопаті 2 шнеку разом з поверхнею маточини 3 і профільованою внутрішньою поверхнею корпусу створюють робочі канали, які на торцях шнеку закінчуються вікнами. Діаметр маточини ротора залежить від вхідних параметрів робочого середовища, числа обертів ротора, орієнтації вхідних вікон 4 робочих каналів шнеку відносно вектора колової швидкості вікна і визначається в процесі проектування турбіни для конкретних умов роботи таким чином, щоб відносна швидкість потоку на вхідній ділянці робочого каналу дещо перевищувала місцеву номінальну швидкість звуку. Це перевищення залежить від максимальної амплітуди випадкових коливань вхідних параметрів середовища, яка повинна бути відомою з попередніх випробувань експлуатаційних свердловин геотермального родовища. Запрограмоване перевищення швидкості звуку на вхідній ділянці робочого каналу дає можливість проектувати робочі канали по типу дифузорної ділянки сопла Лаваля. Турбіна працює таким чином. Насичена термальна вода (чи водопарова суміш з незначним вмістом пари) при підвищеному тиску через вхідний патрубок надходить на торець шнеку. Внаслідок швидкого обертання ротору вхідне вікно каналу шнеку 4 ® (на фіг.1 вид по 1-1 схематично показане вхідне вікно одного каналу шнеку) рухається з коловою швидкістю u , ® що обумовлює набігання потоку на вікно з відносною швидкістю v , яка залежить від колової швидкості вікна, орієнтації вікна відносно вектора колової швидкості і дещо перевищує місцеву номінальну швидкість звуку. Рухаючись по каналам шнеку, вода перетворюється в водопарову суміш, яка поступово збагачується парою внаслідок випаровування води при зниженні тиску вздовж каналів. При цьому швидкість потоку зростає. В каналах відбувається перетворення теплової енергії водопарової суміші в механічну енергію потоку. З заднього торцю шнеку водопарова суміш квазітангенційно викидається з проточних каналів у вихідну порожнину циліндра. Виникаюча при цьому реактивна сила обумовлює обертовий момент ротора відносно осі. З порожнини у вихідній частині циліндра водопарова суміш через патрубок виводиться з турбіни. Відмова від конфузорної частини каналів практично не впливає на потужність турбіни, водночас роблячи її більш надійною і конструктивною.