Двороторний комбінований турбопривід

Реферат: Двороторний комбінований турбопривід складається з турбіни тертя і осьової лопатевої турбіни, розташованих в спільному корпусі з послідовними проточними частинами з подачею робочого тіла спочатку на турбіну тертя, а потім на лопатеву турбіну. Для підвищення ефективності пристрою, робочі колеса турбін закріплені на валах, які пов'язані між собою механізмом повільного ходу ротора лопатевої турбіни. UA 94332 U (12) UA 94332 U UA 94332 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до турбінобудування і може бути використана в механіці та енергетиці як привід насосів, для резервної системи подачі водних середовищ в системи енергетичного обладнання в аварійних и передаварійних режимах, а також - як привід інших механізмів. Загальновідомо застосування класичної лопатевої парової турбіни в якості приводу (Костюк А.Г. и др. Паровые и газовые турбины для электростанций. - М.: Издательский Дом МЭИ - 2008. - 556 с.). Турбопривід складається з корпусу, в якому на валу, що спирається на передній і задній підшипники, зібрана проточна частина. Турбопривід працює за принципом перетворення кінетичної енергії пари в механічну енергію обертання ротора. Такі пристрої дозволяють використовувати для приводу валу первинну енергію пари, але такі приводи мають серйозні недоліки для використання. Найбільш істотним недоліком є необхідність попереднього прогріву системи подачі робочого тіла і видалення конденсату, якщо робоче тіло є вологим паром (як то типово для енергетики). Тому замість лопатевої турбіни принципово може бути використана в якості приводу турбіна іншого типу - загальновідома турбіна тертя. Вона складається з ротора - вала з закріпленими на ньому елементами тертя, розташованого в корпусі, що має вхідне сопло і вихідні отвори (наприклад, відома ще з патенту US 1061206, 06.05.1913). Однак недоліком такого пристрою є його низька ефективність, що не дозволило широко використовувати такого типу турбіну в якості приводу насосів підживлення в енергоустановках. Як інший, більш близький аналог, може розглядатися пристрій (за патентом RU 2263814, МПК F03B, опубл. 10.11.2005) - турбіна тертя, призначена для перетворення кінетичної енергії рідини чи газу або вологої пари в механічну роботу, яку можливо і іноді доцільно використовувати як привод насосного агрегату. Такий пристрій дуже технологічний при використанні вологої пари у якості робочого тіла (бо забезпечує безударну дію пари на ротор). Цей пристрій містить циліндричний корпус, розташований по його периферії тангенціальний впускний патрубок і розташований по центру осьової конструкції випускний патрубок, а також встановлений на валу ротор. Тангенціальний впускний патрубок зазвичай виконується з можливістю тангенціальної подачі через сопло робочого тіла на стінку циліндричного корпусу, а осьовий випускний патрубок розміщений своїм вхідним отвором в порожнині ротора. Слід зазначити, що робота такого пристрою є недостатньо ефективною в разі використання його в якості приводу насоса для підживлення водних середовищ енергообладнання і потребує доповнення його конструктивним елементом у вигляді лопаткової турбіни, що має бути після включеною за турбіною тертя. Найближчим аналогом є турбомашина - комбінований турбопривід, який є пристроєм, найбільш близьким до заявленого (патент України № 92070). Цей прилад складається з корпусу, в якому зібрана проточна частина, і вигідно відрізняється від інших аналогів тим, що виконаний у вигляді технічної композиції з двох різнотипових турбін - осьової лопаткової турбіни і передвключеної дискової турбіни тертя. Лопаткова турбіна розташована з турбіною тертя на одному валу. Завдяки комбінації двох конструктивно різнорідних турбін, встановлених співвісно в одному корпусі, гарантує надійний пуск агрегату без псування лопаткової турбіни, що можливо, якщо робочим тілом є волога пара. Але недоліком найближчого аналога є те, що незважаючи на позитивний ефект, який досягається за рахунок комбінування турбіни тертя і лопаткової турбіни, має місце недостатня ефективність пристрою в перехідних режимах, що проявляється завдяки знаходженню головних елементів конструкції (турбіни тертя і лопаткової турбіни) саме на одному валу: це тягне протиріччя (механічної дії валу и дії пари) в передачі енергії обертового руху кінцевому валу, знижує ефективність роботи приладу. І дійсно, турбіна тертя - попередньо включений елемент композиційної конструкції - приходячи в рух першою, є спочатку провідною в тандемі з двох турбін, але існують такі перехідні режими, пов'язані з подальшим зміненням взаємної швидкості руху елементів пристрою, коли перша ступень (турбіна тертя) може давати більш повільне обертання ротора (наприклад, при припиненні подачі робочого тіла). В такому випадку друга ступень буде випереджальною по кутовій швидкості ротора (за рахунок інерційного "вибігу"). Отже, лопаткова турбіна повинна мати можливість обертатися незалежно в такому разі, не гальмуючи перший ротор (ротор турбіни тертя), що при знаходженні обох роторів на одному валу не може бути забезпечено. У той же час, якщо кутова швидкість турбіни тертя (першого ротора) завдяки відповідній дії робочого тіла зможе дозволити захоплювати в обертання лопаточну турбіну (другий ротор), то вал першого ротора повинен бути в жорсткому зачепленні з валом другого ротора. Технічною задачею корисної моделі є підвищення ефективності пристрою - завдяки конструктивній можливості організації автономного обертового руху роторів двох турбін технічної композиції в разі, якщо кутова швидкість другої турбіни є більшою, ніж першої, але при цьому - з забезпеченням рівної кутової швидкості роторів двох турбін, якщо перша турбіна може 1 UA 94332 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконувати функцію провідної. Ця задача підпорядкована меті - підвищити ефективність пристрою. Поставлена задача вирішується розміщенням роторів турбін на різних валах, які пов'язані між собою механізмом повільного ходу ротора лопатевої турбіни. В такому пристрої завжди провідним є вал турбіни тертя (першого ротору), а веденим є вал лопаточної турбіни (другий ротор). Механізм повільного ходу, як відомо, є загально використовуваним в механіці, але в запропонованій конструкції між ступенями турбомашини він має відігравати раніше не застосовувану функцію узгодження оберту роторів комбінованого турбоприводу, що сприяє вирішенню поставленої задачі. Конструкція пристрою зображено на кресленні. Пристрій складається з корпусу 1, який є статором турбоприводу, що включає турбіну тертя 2 і лопаткову турбіну 3, які утворюють ротори (зі сформованими на них проточними частинами турбін) разом з двома валами обертання валом 4 і валом 5. Споживачем енергії обертання вала 5 є ротор насоса 6, вхідним для пристрою джерелом кінетичної енергії обертання є робоче тіло 7. Показаний на фігурі насос, що має ротор, пов'язаний з ротором другої турбіни, подає з окремої ємності рідку середу підживлення 8, якої потребує відповідне обладнання. Наявність механізму повільного ходу 9 є важливою конструктивною особливістю пристрою, яка дозволяє уникнути конфлікту між обертанням вала лопаткової турбіни 3 і обертанням вала за рахунок роботи турбіни тертя 2 від руху робочого тіла або по інерції ротору лопатевої турбіни. Механізм повільного ходу ротора лопатевої турбіни забезпечує зачеплення вала 4 і вала 5 в тому випадку, коли кутова швидкість обертання вала 5 не більше, ніж вала 4. Механізм вільного ходу ротора лопатевої турбіни призначений для передачі крутного моменту в напрямку від провідного вала до веденого. Особливістю даного механізму є те, що крутний момент передається тільки в заданому напрямку і лише тоді, доки кутові швидкості обертання ведучого і веденого валів залишаються однаковими. Як тільки кутова швидкість веденої ланки з тих чи інших причин перевищить швидкість ведучої, механізм вільного ходу автоматично (без управляючих впливів) роз'єднує зчеплені частини пристрою (вали 4 та 5). Для реалізації конструкції даної корисної моделі може бути використано стандартне промислове обладнання, вузли і матеріали, що широко застосовують в промисловості. Так, наприклад, всі деталі пристрою можуть бути виконані зі сталі. У разі, якщо турбіна тертя є, наприклад, дисковою (що зробити дешевше), то її робоче колесо може бути виконано в умовах промислового виробництва з використанням методів токарної обробки, наприклад, з корозійно- і ерозійностійкої сталі або алюмінію. Реалізувати механізм вільного ходу можна варіативно, для цього може бути застосована множина різних інженерних варіантів. Особливим прикладом реалізації, який не випливає явно з рівня техніки, може бути храповий механізм при коаксіальному розташуванні валів, але є і безліч інших інженерних розробок (загальновідомих механізмів), що можуть забезпечити бажаний ефект. Робота пристрою здійснюється таким чином. За допомогою вхідного патрубка корпусу турбоприводу робоче тіло 7 через сопло надходить в циліндричну камеру 1 по дотичній до її бічної поверхні (при розгляді камери в профіль тангенціально). Подальший рух робочого тіла - завдяки його взаємодії з бічною поверхнею циліндра камери 1 - є обертальним рухом (при розгляді циліндра в профіль - рухом по колу). Кручення робочого тіла, внаслідок його контакту з поверхнею робочого колеса, викликає обертання ротора 2. При цьому сили тертя захоплюють ротор 2 в обертання і забезпечують передачу кінетичної енергії від обертового потоку - ротору, який, будучи закріпленим на валу 4, забезпечує і обертання вала. Вал 4 - завдяки наявності механізму 9 - приводить в обертання вал 5 наступної за турбіною тертя лопаточної турбіни, якщо робоче тіло після турбіни тертя не приводить до обертання валу 5 з кутовою швидкістю, більшою, ніж кутова швидкість валу 4. Особливо значний цей ефект - ефект "підкручування" валом 4 (першого турбінного ступеня композиційної конструкції) вала 5 другого турбінного валу - в пускових режимах, коли робоче тіло ще не надійшло до проточної частини лопаточної турбіни, але вже спрацьовується (виконує роботу) на турбіні тертя. Вільний хід лопатевої турбіни завдяки механізму 9 можна спостерігати, коли друге колесо турбінного тандему (лопаткова турбіна) обертається швидше першого, що стає можливим, наприклад, у випадку припинення подачі робочого тіла на турбінний агрегат. При цьому турбіна тертя, яка поперед включена лопаточній турбіні, сповільнюючи обертання, не перешкоджає "вибігу" (інерційному руху з випереджаючою швидкістю) лопаточної турбіни. Коли обертова швидкість лопатевої турбіни досягає обертової швидкості турбіни тертя, вали 4 та 5 є зачепленими і вільного ходу немає. Після зміщення робочого тіла в турбіні тертя до валу ротора 4 воно витісняється у вихідні канали і надходить на вхідне сопло лопаточної турбіни З, потім, розширюючись, спрацьовується (виконує роботу) в її проточній частини. Таким чином, 2 UA 94332 U 5 10 15 досягається ефект обертання вала ротора, який далі здатний продуктивно передавати свій рух насосному агрегату 6 в будь-яких (у тому числі перехідних) режимах роботи пристрою. Пропонована комбінована конструкція турбоприводу, завдяки своїй ефективній роботі, може знайти впровадження, корисне застосування і поширення в механіці і в галузі енергетики, коли є можливість і необхідність використання вологої пари як робочого тіла - і насамперед у тих випадках, коли в умовах електрострумленя енергетичного обладнання потрібно альтернативне (позаштатне, додаткове, аварійне) підживлення водних середовищ технологічних систем за допомогою насосів з турбоприводом. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Двороторний комбінований турбопривід, який складається з турбіни тертя і осьової лопатевої турбіни, розташованих в спільному корпусі з послідовними проточними частинами з подачею робочого тіла спочатку на турбіну тертя, а потім на лопатеву турбіну, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності пристрою, робочі колеса турбін закріплені на валах, які пов'язані між собою механізмом повільного ходу ротора лопатевої турбіни. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3