Гідропарова гвинтова турбіна

Винахід стосується теплоенергетики і може бути використаним в якості первинного двигуна, який перетворює геотермальну енергію води в механічну, а також як елемент комбінованих парогазових і атомних установок, в яких він реалізує трьохкутовий термодинамічний цикл другого ступеня установок. Відома ковшова гідротурбіна [1], в якій потенціальна енергія тиску води перетворюється в соплі Лаваля у кінетичну енергію потоку води, яка, впливаючи на ковшові лопасті, встановлені по обводу колеса, створює обертаючий момент відносно його осі. Відомий, пристрій гідропарової турбіни типу Сегнерового колеса [2], який прийнято у якості прототипу, де турбіну виконано у вигляді ротора з проточною частиною, яка складається з порожнистого валу, спряженого своєю порожниною з радіально встановленими до осі ротора циліндричними каналами, які з'єднані з тангенціально розташованими до каналів соплами Лаваля. В порожнину валу в осьовому напрямі підводиться вода з температурою насичення або вища за неї (перегріта), яка під впливом відцентрової сили при обертанні ротора надходить в радіальні канали, підвищуючи при цьому свій тиск, і потім з них надходить в сопла Лаваля. У критичному перерізі сопел має місце початкове пароутворення насиченої води і утворення пароводяної суміші, питомий об'єм і швидкість якої зростає до вихідної частини сопла. Під дією реактивної сили, яка виникає в соплі Лаваля при перебігу пароводяної суміші, виникає обертаючий момент відносно осі ротора і, таким чином здійснюється перетворення потенціальної енергії тиску води в механічну (реалізація трьохкутового термодинамічного циклу). Недоліком прототипу є низький коефіцієнт використання геотермальної енергії води з температурою насичення, оскільки в конструкції гідропарової турбіни з соплами, які обертаються, з яких витікає пароводяна суміш, реалізується тільки динамічна складова енергії потоку пароводяної суміші, а також нетехнологічність виготовлення таких промислових турбін. В основу винаходу поставлено задачу. вдосконалення гідропарової турбіни, в якій шляхом виконання проточної частини ротора у вигляді шнеку забезпечується підвищення коефіцієнта використання геотермальної енергії води, підвищується технологічність виготовлення промислових гідротурбін. Поставлена задача вирішується тим, що в гідропаровій гвинтовій турбіні, що містить в собі корпус і ротор з проточною частиною, згідно з винаходом проточну частину ротора виконано у вигляді шнеку з кутом установлення шнекової поверхні до осі ротора не менше 45°, причому мінімальне число витків шнеку складає не менше 1, а зовнішній діаметр шнеку визначається за формулою де d - внутрішній діаметр шнеку; f - площа перерізу проточної частини ротора. Проточну частину ротора гідропарової гвинтової турбіни виконано у вигляді шнеку, поверхня якого сприймає спільний силовий вплив динамічної і статичної складових потоку пароводяної суміші, яка утворюється в проточній частині при випаровуванні води, що збільшує ефективність використання геотермальної енергії води, а шнекова конструкція ротора є технологічною для виробництва промислових гідропарових турбін потужністю 300 - 1200кВт. Суть винаходу полягає в тому, що в проточній частині турбіни суміщені процеси випаровування води і перетворення теплової і кінетичної енергії пароводяної суміші у механічну при спільному силовому впливу статичної і динамічної складових потоку робочого тіла, що в цілому підвищує коефіцієнт використання термальної енергії води. На фіг.1 показано схему гідропарової гвинтової турбіни; на фіг.2 - графік зміни витрати парової суміші G від градієнту тиску DP. Гідропарова гвинтова турбіна (фіг.1) складається з корпусу 1, який в залежності від параметрів пароводяної суміші може бути циліндричної форми, конфузорної, дифузорної або їх сполученням, ротора 2 з проточною частиною, виконаною у вигляді гвинта Архімеда (шнека), з кутом установлення гвинтової поверхні до осі ротора a, оптимальне значення якого дорівнює 45°. При таких значеннях досягається максимальна окружна складова Nu потужності потоку пароводяної суміші N, яка визначається за формулою Nu = Nsina × cosa [7]. Як витікає з цієї формули Numax буде при a = 45°. Зовнішній діаметр шнека визначається по формулі де d - внутрішній діаметр шнека, f - поперечний переріз каналу проточної частини. Крок гвинта при куті установки гвинтової поверхні a = 45° дорівнює t = pD. Число витків шнека z визначається допустимим осьовим навантаженням на шнекову поверхню. Мінімальне число z необхідне для повного використання енергії геотермальної води дорівнює z = 1. Осьове навантаження на гвинтову поверхню сприймається упорним підшипником 3. Робота гідропарової гвинтової турбіни, яка має корпус 1, полягає в перетворенні геотермальної енергії води в механічну і відбувається наступним чином. Вода з геотермального джерела з температурою насичення надходить під тиском на вхід проточної частини шнекового ротора 2 в осьовому напрямі. Внаслідок падіння статичного тиску насиченої води в проточній частині ротора, має місце її випаровування і утворення пароводяної суміші, питомий об'єм і швидкість якої зростає до виходу з проточної частини. При цьому динамічна і статична складові силового впливу потоку суміші в окружному напрямі на шнекову поверхню ротора створюють обертаючий момент стосовно його осі, зусилля якого сприймається упорним підшипником 3 і таким чином здійснюється перетворення енергії геотермальної води у механічну. На підставі теоретичних і експериментальних досліджень випаровування води в каналах різноманітних профілей [3, 4], зміну статичного тиску по довжині проточної частини P(L), враховуючи відток потужності [5], можна апроксимирувати залежністю: де a і b - сталі коефіцієнти. Використовуючи залежність (1) і таблиці стану водяної пари, визначаємо параметри пароводяної суміші, її швидкість і витрату в ряді перерізів проточної частини: температуру насичення ts, питомі об'єми води v' і сухої насиченої пари v", середню теплоту випаровування між ступеню вологості суміжними перерізами проточної частини rср, ступеню сухості y, питомий об'єм суміші vсм = yv' + xv", питому витрату суміші G1 = vсмG, швидкість пароводяної суміші За даними розрахунків параметрів пароводяної суміші будують графік залежності витрати пароводяної суміші G1 і тиском P фіг.2, який можна апроксимирувати формулою де a1 і b1 - сталі коефіцієнти. Площа на діаграмі фіг.2, між графіком G1(P) і координатними вісями G1 - P еквівалентна потужності потоку пароводяної суміші, яка визначається за формулою: Визначення величини F проводять числовим способом по формулі: де Gсрi-1,i і DPi-1,i - середня витрата і градієнт тиску між суміжними перерізами, що розглядаються, окружну складову потужності потоку визначаємо по формулі (7): Ефективна потужність гідротурбіни з урахуванням гідравлічних втрат в проточній частині і механічних в турбіні дорівнюватиме: де j2 - коефіцієнт швидкості потоку пароводяної суміші при зміні її напряму на 45°, (6); j3 - коефіцієнт швидкості в каналах з водою, що випаровується, (2); hм - механічний ККД турбіни. Число обертів турбіни де r - середній радіус по перерізу канала проточної частини ротора. Приклад виконання гідропарової гвинтової турбіни і порівняльна оцінка потужностей парової гвинтової турбіни і турбіни з соплами, що обертаються при перетворенні термальної енергії води в механічну з параметрами: - початковий статичний тиск Pнадп. = 8бар. - температура насичення при 8бар ts = 169°C - витрата води вагона G =22кіл/сек. - тиск на виході турбіни P = 1бар. Зміну статичного тиску пароводяної суміші в проточній частині від 8бар до 1бар апроксиміруємо по формулі (1): Для координат використовуючи залежність (6), отримуємо наступні значення тиску пароводяної суміші: 8; 2,9; 1,77; 0,128, 1. Визначаємо параметри пароводяної суміші по наведеним формулам, результати яких зведено в таблиці. Потужність потоку пароводяної суміші по формулі (4) дорівнюватиме: Ефективна потужність турбіни Середня швидкість пароводяної суміші в проточній частині ротора Обвідна швидкість ротора Зовнішній діаметр шнека де 0,05м - внутрішній діаметр шнека; 0,031м2 - переріз, який обмітається шнековою поверхнею. Середній радіус по перерізу Число обертів ротора Крок шнека t = p × D = p × 0,2 = 0,628м. Довжина проточної частини при z = 1, L = 0,628 × 1 = 0,628м. Для порівняння ефективності гідропарових турбін - гвинтової і з соплами, що обертаються, визначимо ефективну потужність останньої, виходячи з кінетичної енергії потоку, одержаної на виході шнекової турбіни по формулі (1): де теоретична вихідна швидкість потоку суміші на виході турбіни, м/хв, j2 = 0,87 - коефіцієнт швидкості при зміні напряму потоку робочого тіла в гідравлічному тракті турбіни з соплами, що обертаються (6), j3 = 0,87 - коефіцієнт швидкості при витіканні закипаючої рідини в соплах Лаваля (2), hм = 0,98 - механічний ККД турбіни. За результатами розрахунків потужностей гідропарових турбін гвинтової і з соплами, що обертаються, коефіцієнт використання геотермальної енергії води підвищується на величину Таким чином, дане технічне рішення забезпечує підвищення коефіцієнта використання енергії геотермальної води з насиченою температурою при перетворенні її в механічну в гідропаровій гвинтовій турбіні в 1,5 рази, і підвищується технологічність її виготовлення для потужностей 300 1200кВт. Джерела інформації: 1. Мхитарьян А.И. Гидравлика и основы газодинамики. - К.: Гостехиздат, 1959. 2. Зысин В.А. Комбинированные газопаровые установки и циклы. - М. - Л.: Гостехиздат, 1962. 3. Накорчевский А.А., Басок Б.И., Гаскевич И.В. Течение вскипающей жидкости в длинных каналах и наступление критических режимов // Теплофизика высоких температур. - 1991. - Т.29. №6. 4. Дикий Н.А. Энергоустановки геотермальных электростанций. - К.: Вища шк., 1989. 5. Васильев В.К. Теория судовых турбин. - Л.: Судпромгиз, 1955. 6. Справочник машиностроения. - М.: Гидравлика, 1960. - Т.2.