Гідропарова гвинтова турбіна

Винахід стосується теплоенергетики і може бути використаний як двигун, 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 вала 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 шнека з кутом установки лопаті шнека 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 06.10.1998 р.]. 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 шнека, з проточною частиною у вигляді каналів шнека, утворених поверхнею лопатей шнека зі змінним зовнішнім діаметром, поверхнею маточини і внутрішньою відповідно спрофільованою поверхнею корпусу таким чином, що канали утворюють сопла типу сопел Лаваля [Деклараційний патент України №57504, МПК 7Р01Д 1/38, 16.06.2003 p.]. Ця турбіна може задовольнити вимоги геотермальної енергетики як по рівню потужності, так і по габаритним і технологічним показниках. Але недоліком її є обмежена ефективність (20-30%), що стримує її пропагування як основного двигуна геотермальної енергетики. При цьому втрати ефективності пов'язані і з великою кінетичною енергією потоку на виході зі шнека (швидкість потоку дорівнює 100м/с), яка у реактивній турбіні не використовується. Цей недолік властивий всьому класу реактивних машин. Інший недолік реактивної гвинтової турбіни пов'язаний в деяких випадках з необхідністю розділення у вихідному з турбіни потоці пари і води перед технологічним використанням теплового потенціалу вихідного потоку, що вимушує встановлювати за турбіною гравітаційний сепаратор, який може мати достатньо великі габарити і металомісткість, що збільшує капітальні витрати на спорудження енергетичної геотермальної установки. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення гідропарової гвинтової турбіни шляхом розміщення в корпусі турбіни відцентрового сепаратора і додаткового незалежного ротора, утвореного робочим колесом активної гідротурбіни з вихлопною гідравлічною камерою, що забезпечує виділення пари з водопарового потоку і використання кінетичної енергії рідини. За рахунок цього збільшується КПД гідропарової турбіни, її потужність і спрощується схема геотермальної установки в цілому. Поставлена задача вирішується тим, що гідропарова гвинтова турбіна, що містить в собі корпус, ротор у вигляді двозахідного шнека, з проточною частиною у вигляді каналів шнека, утворених поверхнею маточини, поверхнею лопатей шнека зі змінним зовнішнім діаметром і відповідно спрофільованою внутрішньою поверхнею корпусу, ви хлопну водопарову камеру з патрубком, відповідно до винаходу, додатково містить відцентровий сепаратор у вигляді обертової обичайки, яка фіксується у корпусі турбіни підшипниками, і розташований безпосередньо за шнеком, ротор, розташований безпосередньо за сепаратором, утворений робочим колесом активної гідравлічної турбіни типу турбіни Банкі, лопаткова робоча зона якої розташована на ободі робочого колеса, що спицями кріпиться до порожнистого вала, який з допомогою підшипників рухомо фіксується на маточині шнека, і додаткову кільцеву гідравлічну вихлопну камеру з патрубком, розташовану безпосередньо за гідравлічною турбіною перед вихлопною паровою камерою. Запропонована конструкція гідропарової гвинтової турбіни переводить її до класу активно-реактивних машин, що забезпечує більш високу ефективність внаслідок використання в турбіні кінетичної енергії потоку після шнека, яка в прототипі не використовується. Необхідність заради цього розділення потоку після шнека на гідравлічний і паровий, яке здійснюється в сепараторі турбіни, одночасно готує вихлопні гідравлічний і паровий потоки для подальшого технологічного використання без додаткової сепарації, що робить непотрібним спорудження гравітаційного сепаратора після турбіни в схемі геотермальної установки, що робить установку в цілому більш компактною і зменшує капітальні витрати. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленням, на якому схематично зображена активнореактивна гідропарова гвинтова турбіна (фіг. 1). Активно-реактивна гідропарова гвинтова турбіна складається з корпусу 1, реактивного ротора, виконаного у вигляді двозахідного шнека 2 з маточиною 3, вхідної камери 4 з патрубком 5, відцентрового сепаратора 6, розташованого безпосередньо за шнеком і виконаного у вигляді обичайки, яка рухомо фіксується в корпусі за допомогою підшипників 7, ротора розташованого безпосередньо за сепаратором, утвореного робочим колесом активної гідротурбіни типу турбіни Банкі, лопаткова робоча зона 8 якої розташована на ободі робочого колеса, що спицями 9 кріпиться до порожнистого вала 10, який за допомогою підшипників 11 рухомо фіксується на маточині 3. До ободу активної ступіні з лопатним апаратом прилягає гідравлічна кільцева вихлопна камера 12 з патрубком 13, за якою розташована парова вихлопна камера 14 з патрубком 15. Турбіна працює таким чином. Насичена термальна вода (чи водопарова суміш з незначним вмістом пари) при підвищеному тиску подається радіальне через патрубок 5 у вхідну камеру 4. З вхідної камери насичена вода подається на торець шнека 2 і звідти надходить в проточні канали шнека. Рухаючись по каналах шнека, вода перетворюється в водопарову суміш, яка поступово збагачується парою внаслідок випаровування води при зменшенні тиску вздовж каналів. При цьому швидкість потоку зростає. В каналах шнека відбувається перетворення теплової енергії водопарової суміші в кінетичну енергію потоку. З вихідного торця шнека водопарова суміш квазітангенційно викидається на внутрішню поверхню рухомої обичайки сепаратора 6, не пов'язаного зі шнеком. Виникаюча при цьому реактивна сила обумовлює обертовий момент реактивного ротора (шнека з маточиною). Закручений високошвидкісний водопаровий потік, що викидається зі шнека, неможливо безпосередньо використати в активній ступені турбіни внаслідок високого паровмісту, що викликає ерозійний знос лопаток активної ступені. Для його запобігання в схемі турбіни запропонований відцентровий сепаратор 6. Водопарова суміш, що надходить в сепаратор зі шнека, рухається по внутрішній поверхні обичайки сепаратора по гвинтовій лінії. При цьому внаслідок відцентрового ефекту відбувається процес сепарації пари з водопарової суміші в порожнину сепаратора, в результаті чого об'єм водопарової суміші на периферії сепаратора зменшується по довжині обичайки сепаратора відповідно до зменшення паровмісту. Довжина сепаратора визначається в процесі проектування турбіни і має бути такою, при якій залишковий паровміст не буде приводити до швидкого ерозійного зносу лопаток, який не відповідав би необхідному ресурсу турбіни. При цьому процес сепарації пари повинен відбуватися з найменшою втратою кінетичної енергії рідини, яка обумовлюється, головним чином, інтенсивністю тертя і довжиною сепаратора. При швидкості потоку, що викидається зі шнека, яка може сягати 100м/с, інтенсивність тертя досить велика. Для її зменшення в винаході запропонована рухома обичайка відцентрового сепаратора, яка може вільно обертатися під впливом сил тертя разом з рухом потоку в сепараторі. При цьому швидкість потоку відносно поверхні обичайки сепаратора значно зменшується, внаслідок чого зменшується тертя і пов'язані з ним втрати енергії. Гвинтовий потік рідини із сепаратора надходить на лопатки активної гідравлічної ступіні 8. В активній ступіні відбувається перетворення кінетичної енергії квазіоднофазного потоку рідини в технічну роботу, яка може бути знята з порожнистого вала 10 активної ступіні. Після проходження лопатного апарату активної ступіні рідина поступає в кільцеву гідравлічну вихлопну камеру 11 і через патрубок 12 цієї камери виводиться з турбіни. Пара із сепаратора через проміжок між спицями 9 активної гідравлічної ступіні поступає в парову вихлопну камеру 13 і виводиться із турбіни через патрубок 14. Активна ступінь турбіни обертається протилежно шнека і з меншою швидкістю. Тому за турбіною повинна бути передбачена установка редуктора для узгодження різних рухів маточини шнека і порожнистого валу активної ступені або двох різних електрогенераторів для реактивної і активної ступенів (для активної ступені багатополюсного), які можуть бути розташовані по різні боки гідропарової турбіни. Як показали попередні оцінки, запропонована активно-реактивна гідропарова гвинтова турбіна в порівнянні з прототипом буде мати на 6-8% більшу е фективність і на 20-25% більшу потужність, що значно підвищує її конкурентоспроможність і дозволяє розглядати її як найбільш перспективний тепловий двигун для геотермальної енергетики.