Комбінована турбомашина з автоматичною трансмісією

Реферат: Винахід належить до турбінобудування та енергетики і може бути використаний як спеціалізований турбопривід у резевній системі насосної подачі водних средовищ в технологічні елементи енергетичного обладнання в аварійних і передаварійних режимах. Пристрій є комбінованою турбомашиною, що працює від надходження пари як робочого тіла. Турбомашина 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. Робочі колеса турбін закріплені на окремих валах, які з'єднані між собою трансмісійним механізмом перемикання передач обертального руху валів, в якому ведучим є вал турбіни тертя, а веденим є вал лопатевої турбіни. З метою UA 109094 C2 (12) UA 109094 C2 підвищення ефективності роботи пристрою, на веденому валу конструктивно передбачено тахометричний датчик, вихід якого підключений до входу блока управління трансмісійним механізмом для регулювання передачі обертів ведучого вала до веденого залежно від частоти обертання лопатевої турбіни в пускових режимах. UA 109094 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до турбінобудування та енергетики і може бути використаний як турбопривід спеціального призначення в системах резервної подачі водних середовищ в енергетичне обладнання, з використанням як робочого тіла вологої пари від парогенераторів. Загальновідомі пристрої-аналоги, що можуть використовуватися як машини-рушії (приводи) роторів насосів відцентрового типу, які являють собою електромеханічну систему електропривід, що є загально відомим (наприклад, з публікації: Герліга В.А., Полтавченко В.В., Скалозубов B.I. Основи безпеки АЕС з водо-водяними реакторами. - Київ: ІСДО, 1993. - 264 с.), такі приводи є штатними для обладнання атомних електричних станцій. До недоліків такого типу систем відноситься їх низька функціональна ефективність, яка полягає в необхідності безперервного електроживлення, що в разі аварійних ситуацій з повним електрознеструмленням не може бути забезпечено. Загальновідомими (як аналоги) є також парові турбіни, які можуть бути застосовані в якості турбомашинного рушія (приводу) ротора відцентрового насоса (відомі, наприклад з публікації: Костюк А.Г. та ін. Парові турбіни для електростанцій. - М.: Ізд. дом МЕІ. - 2008). Обертання валів у таких приводах здійснюється завдяки дії пари, проточна частина роторів турбін зібрана з лопаток. Такий турбопривід працює за принципом перетворення кінетичної енергії пари в механічну енергію обертання ротора. Використання такого привода як аварійного має ряд недоліків, найбільш істотним з яких є необхідність сепарації пари для такого типу двигунів, тобто неможливість запуску приводу без попереднього осушення пари (видалення конденсату з вологої пари), що значно знижує функціональну ефективність системи, якщо як робоче тіло має бути використана несепарована волога пара. Аналогом технічного рішення, що пропонується, є загальновідома турбіна тертя, що складається з ротора - вала з закріпленими на ньому елементами тертя, розташованого в корпусі, що має вхідне сопло і вихідні отвори (наприклад, відома ще по патенту US 1061206, 06.05.1913). 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 використовувати як привод насосного агрегату. Такий пристрій дуже технологічний при використанні вологої пари як робочого тіла (бо забезпечує безударну дію пари на ротор), але має і недоліки, пов'язані з його конструкцією. Так, цей пристрій містить циліндричний корпус, розташований по його периферії тангенціальний впускний патрубок і розташований по центру осьової конструкції випускний патрубок, а також встановлене на валу робоче колесо. Тангенціальний впускний патрубок виконано з можливістю тангенціальної подачі через сопло робочого тіла на стінку циліндричного робочого колеса, а осьовий випускний патрубок розміщений своїм вхідним отвором в порожнині ротора. Робота такого пристрою є недостатньо ефективною в разі використання його як приводу насоса для підживлення водних середовищ енергообладнання і потребує доповнення його конструктивним елементом у вигляді лопаткової турбіни, що має бути післявключеною за турбіною тертя. Як прототип вибрано аналог, за призначенням і досягненням технічного результату найбільш близький до технічного рішення, що заявляється, - пристрій, раніше запропонований в літературі авторами винаходу по даній заявці: комбінований турбопривід роторного насоса, який складається з двох різнотипних турбін (турбіни тертя і осьової лопаткової турбіни), закріплених на загальному валу (описаний в монографії: Дерев'янко О.В., Корольов А.В., Погосов А.Ю. Передаварійні фізичні процеси і надійний тепловідвід в ядерних енергоустановках. - Монографія. Одеса: Наука і техніка, 2014. - С. 208-219). Прототип - у складі його першого елемента (турбіни тертя) - містить корпус з вхідним соплом для робочого тіла і роторну поверхню тертя, що складається з вала і закріпленого на ньому робочого колеса, а у складі другого елемента - містить лопаткову турбіну. У складі прототипу є також допоміжні конструктивні елементи. Обидва робочі колеса турбін прототипу (і турбіни тертя, і лопаткової турбіни) розташовані на одному валу і встановлені в загальному корпусі. Принцип дії пристрою-прототипу заснований на тому, що обертання ротора турбіни тертя здійснюється тангенціальною подачею робочого тіла, що приходить в обертання в циліндричній камері корпусу і захоплює за собою ротор за допомогою сил тертя - із виходом робочого тіла з турбіни тертя на вхідне сопло (сопла) лопаткової турбіни, з віддачею енергії лопаткам ротора, що приводить до обертання валу споживача-користувача механічної енергії (насосного агрегату). Недоліком прототипу, незважаючи на позитивний ефект, що досягається за рахунок комбінування турбіни тертя і лопаткової турбіни, є недостатня ефективність пристрою в деяких перехідних режимах, яка проявляється за рахунок знаходження головних елементів конструкції (турбіни тертя і лопаткової турбіни) на одному валу: це тягне протиріччя (механічної дії на 1 UA 109094 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 лопаткову турбіну з боку валу і з боку робочого тіла) в передачі обертового руху кінцевому валу, знижує ефективність роботи приладу. І дійсно, турбіна тертя - попередньо включений елемент композиційної конструкції, - приходячи в рух першою, є спочатку ведучою в тандемі з двох турбін, вона поступово змушує рухатися лопаткову турбіну, яка має набирати обертів. Отже, обидва ступені комбінованого турбоприводу повинні мати можливість обертатися з різними кутовими швидкостями, співвідношення яких обирається в залежності від режиму роботи, що при знаходженні робочих коліс обох турбін на одному валу не може бути забезпечено. Як окремий випадок, може бути потреба в тому, щоб різні вали турбінних складових оберталися б з однаковою швидкістю, тоді повинна бути застосована пряма передача. Щоб підвищити ефективність роботи пристрою, можна було б використати конструкційну організацію руху двох роторів з можливістю вибору оптимального передавального числа обертів від першого вала до другого. І в такому разі потрібне поєднання валів через трансмісійний механізм. Отже, була поставлена задача удосконалення приладу (з метою підвищення ефективності його роботи) шляхом використання в конструкції пристрою додаткових конструктивних елементів, що оптимізують його роботу. Вирішення поставленої задачі при розміщенні роторів турбін на різних валах, які можуть взаємодіяти між собою за допомогою трансмісійного механізму перемикання передач обертального руху валів (так, що ведучим є вал турбіни тертя, а веденим є вал лопаткової турбіни), досягається тим, що на веденому валу встановлено тахометричний датчик, вихід якого підключений до блоку управління трансмісійним механізмом для регулювання передачі обертів від ведучого вала до веденого залежно від частоти обертання лопатевої турбіни в пускових режимах. Результати пошуку та аналізу відомих технічних рішень в даній і суміжних областях техніки з метою виявлення ознак, сукупність яких збігалася б з відмінними ознаками пристрою, що заявляється, показали, що в загальнодоступних джерелах інформації не виявлено відомостей про рішення, що мають ознаки, які за сукупністю збігаються з відмінними ознаками пропонованого винаходу і забезпечують досягнення поставленої мети. Це вказує на відповідність винаходу критерію "новизна". Оскільки сукупність нових відмінних ознак з відомого рівня техніки не визначена і з рівня техніки явно ніяк не випливає, а також оскільки з рівня техніки не знайдено відомостей впливу сукупності характерних ознак пристрою, що заявляється, на рішення поставленої технічної задачі - є підстави вважати, що технічне рішення по даній заявці задовольняє умові патентоспроможності "винахідницький рівень". Оскільки сукупність ознак, що характеризують технічне рішення, що заявляється, не виключає можливість його здійснення, забезпечує його працездатність і відтворюваність, а також з урахуванням того, що для реалізації пристрою, що заявляється, можуть бути використані відомі матеріали та стандартне обладнання, і виходячи з того, що запропонований пристрій на цій підставі може бути використано у промисловості, винахід відповідає критерію патентоспроможності "промислова придатність". Таким чином, технічне рішення задовольняє всім законодавчо обумовленим умовам патентоспроможності як винахід. Суть цього винаходу (пристрою), як роз'яснюється далі, полягає в наявності, складі і конструктивному зв'язку складових елементів приладу. Конструкція пристрою, що пропонується, далі роз'яснюється детальніше. Конструкція пристрою, як показано на кресленні, складається з корпусу 1, який є статором турбоприводу, що включає турбіну тертя 2 і лопаткову турбіну 3. Ротори утворені сформованими на них елементами проточних частин турбін разом з двома валами обертання валом 4 і валом 5. Наявність трансмісійного механізму перемикання передач 6 є важливою конструктивною особливістю пристрою, яка дозволяє уникнути конфлікту між обертанням валів лопаткової турбіни 3 і турбіни тертя 2 в пускових режимах, а також в режимах, коли вали мають обертатися з однаковою швидкістю. Трансмісійний механізм забезпечує зачеплення вала 4 з валом 5 в різноманітних комбінаціях - в залежності від режиму роботи, - що забезпечується характерною для трансмісійних механізмів наявністю шестерень різного ефективного діаметра. Тахометричний датчик 7, який встановлюється на валу лопаткової турбіни, є невід'ємним конструктивним елементом пристрою, вихід цього датчика приєднаний до входу блока 8 управління трансмісійним механізмом - для регулювання передачі обертів ведучого вала до веденого залежно від частоти обертання лопатевої турбіни в пускових режимах. Для реалізації конструкції даного технічного рішення може бути використано стандартне промислове обладнання і матеріали, що широко застосовуються в промисловості. Так, 2 UA 109094 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 наприклад, всі деталі пристрою можуть бути виконані зі сталі. Шестерні трансмісійного механізму можуть бути виготовлені з різних, характерних для такого роду виробів, марок сталі, наприклад, 45Х, 18ХГТ, 50Л, ВЧ60-2 тощо. У разі, якщо турбіна тертя є, наприклад, дисковою, її робоче колесо може бути виконано в умовах промислового виробництва з використанням методів токарної обробки, наприклад, з корозійно- і ерозійностійкої сталі. Працює цей пристрій, що заявляється як винахід, таким чином. Робоче тіло надходить через вхід в циліндричну камеру 1 по дотичній до її бічної поверхні. Подальший рух робочого тіла завдяки його взаємодії з бічною поверхнею циліндра камери 1 - є обертальним рухом. Кручення робочого тіла, внаслідок його контакту з поверхнею робочого колеса, викликає обертання ротора 2. При цьому сили тертя ковзання захоплюють ротор 2 в обертання і забезпечують передачу кінетичної енергії від обертового потоку - ротору, який, будучи закріпленим на валу 4, забезпечує і обертання вала. Після зміщення робочого тіла до вала ротора 4 воно витісняється у вихідні канали і надходить на вхідне сопло лопаткової турбіни 3, потім, розширюючись, спрацьовується (виконує роботу) в її проточній частині і потрапляє на вихід. Вал 4 - завдяки застосуванню трансмісійного механізму - приводить в обертання вал 5 наступної за турбіною тертя лопаткової турбіни з різними передаточними числами. Це виконується шляхом переключення передач завдяки впливу на трансмісію блока 8 управління з врахуванням частоти обертів, інформація про яку на вхід блока 8 передається сигналом, що надходить з виходу датчика 7. Трансмісійний механізм за рахунок зміни зачеплення шестерень надає можливість ефективного руху лопаткової турбіни, до вала якої підключено навантаження турбомашини. Таким чином, досягається ефективне обертання кінцевого вала, який передає свій рух кінцевому користувачу механічної енергії турбоприводу в перехідних режимах роботи пристрою. Запропонована комбінована конструкція турбоприводу коробкою переключення передач (трансмісією), завдяки своїй ефективній роботі в умовах електрознеструмлення енергетичного обладнання, може знайти корисне застосування в галузі енергетики, з використанням вологої пари, насамперед у тих випадках, коли потрібно альтернативне (позаштатне, додаткове, аварійне) підживлення водних середовищ технологічних систем за допомогою насоса з турбоприводом. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Комбінована турбомашина з регульованою трансмісією, яка складається з турбіни тертя і осьової лопатевої турбіни, розташованих в спільному корпусі з послідовними проточними частинами, де передбачена подача робочого тіла спочатку на турбіну тертя, а потім на лопатеву турбіну, з закріпленими робочими колесами турбін на окремих валах, з'єднаних між собою трансмісійним механізмом перемикання передач обертального руху валів, в якому ведучим є вал турбіни тертя, а веденим є вал лопатевої турбіни, яка відрізняється тим, що на веденому валу конструктивно передбачено тахометричний датчик, вихід якого підключений до входу блока управління трансмісійним механізмом для регулювання передачі обертів ведучого вала до веденого залежно від частоти обертання лопатевої турбіни в пускових режимах. 3 UA 109094 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4