Комбінований турбопривід з можливістю використання як робочого тіла несепарованої вологої пари

Реферат: Винахід належить до турбінобудування та енергетики і може бути використаний як привід насосів резервної системи подачі водних середовищ в устаткування атомних електростанцій в аварійних і передаварійних режимах. Пристрій є комбінованим турбоприводом і складається з двох різнотипних послідовно підключених турбін: турбіни тертя і лопатевої турбіни, розташованих в одному корпусі на незалежних валах, з'єднаних між собою в механічну пару за допомогою храпового механізму так, що ведучим є вал турбіни тертя, а веденим - вал лопатевої турбіни. Наявність храпового механізму дозволяє забезпечити автономну роботу елементів турбоприводу в перехідних режимах. UA 110733 C2 (12) UA 110733 C2 Технічне рішення може бути реалізованим на базі відомих технологій, з відомих матеріалів і може бути впровадженим в областях механіки та енергетики, де використовують вологу пару, має знайти широке застосування завдяки своїй високій функціональній ефективності та надійній роботі в умовах знеструмлення енергетичного обладнання. UA 110733 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 відцентрових насосів для резервної системи подачі водних середовищ в системи енергетичного обладнання в аварійних і передаварійних режимах. Загальновідомі пристрої-аналоги, що можуть використовуватися як машини-рушії (приводи) роторів насосів відцентрового типу, штатно являють собою електромеханічну систему електропривід загально відомий, 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 належить 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 як турбомашинний рушій (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 використано несепаровану вологу пару. 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 з патенту US 1061206, опубл. 06.05.1913). Недоліком такого пристрою є його низька ефективність, що не дозволило широко використовувати такого типу турбіну як привід 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 привід насосного агрегату. Такий пристрій дуже технологічний при використанні вологої пари як 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 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 лопатевої турбіни, що має бути розташованою за турбіною тертя. Як найближчий аналог (прототип) вибрано аналог, за призначенням найбільш близький до технічного рішення, що заявляється, - пристрій, раніше запропонований авторами винаходу по даній заявці: комбінований турбопривід роторного насоса, який складається з двох різнотипних турбін (турбіни тертя і осьової лопатевої 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. 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 лопатеву турбіну. У складі прототипу є також допоміжні конструктивні елементи. Обидва робочі колеса турбін прототипу (і турбіни тертя, і лопатевої 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) лопатевої турбіни, з віддачею енергії лопатям 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 лопатевої турбіни, є недостатня ефективність пристрою в деяких перехідних режимах, яка проявляється за рахунок знаходження головних елементів конструкції (турбіни тертя і лопатевої турбіни) на одному валу: це тягне протиріччя (механічної дії валу і дії пари) в передачі обертового руху кінцевого валу, знижує ефективність роботи пристрою. І 1 UA 110733 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дійсно, турбіна тертя - попередньо включений елемент композиційної конструкції, - приходячи в рух першою, є спочатку ведучою в тандемі з двох турбін, але існують такі перехідні режими, пов'язані з подальшим зміненням взаємної швидкості руху елементів пристрою, коли перший ступінь (турбіна тертя) може давати більш повільне обертання ротора (наприклад, при припиненні подачі робочого тіла в пристрій). В такому випадку другий ступінь буде випереджальним по кутовій швидкості ротора (за рахунок інерційного "вибігу"). Отже, лопатева 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 лопатеву турбіну (другий ротор), то вал першого ротора повинен бути в жорсткому зачепленні з валом другого ротора. Ці недоліки дозволили сформулювати задачу, яка ставиться і вирішується в запропонованому технічному рішенні. Технічною задачею даного винаходу є підвищення ефективності пристрою - завдяки конструктивній можливості організації автономного обертового руху роторів двох турбін технічної композиції пристрою 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 виконувати функцію провідної. Ця задача підпорядкована меті - підвищити ефективність пристрою. Рішення поставленої задачі досягається розміщенням роторів турбін на різних валах, з'єднаних між собою в механічну пару за допомогою храпового механізму так, що ведучим є вал турбіни тертя (першого ротору), а веденим є вал лопатевої турбіни (другий ротор). Результати пошуку та аналізу відомих технічних рішень в даній і суміжних областях техніки з метою виявлення ознак, сукупність яких збігалася б з сукупністю ознак пристрою, що заявляється, показали, що в загальнодоступних джерелах інформації не виявлено відомостей про рішення, що мають ознаки, які за сукупністю збігаються з ознаками запропонованого винаходу і забезпечують досягнення поставленої задачі. Це вказує на відповідність винаходу критерію "новизна". Оскільки сукупність суттєвих ознак з відомого рівня техніки не знайдена 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 патентоздатності "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 патентоздатності "промислова придатність". Таким чином, винахід відповідає всім законодавчо обумовленим умовам патентоздатності. Суть винаходу (пристрою), як роз'яснюється далі, полягає в наявності, складі і конструктивному зв'язку складових елементів пристрою. Конструкція пристрою, що пропонується, далі роз'яснюється детальніше. Конструкція пристрою, як показано на фіг. 1, складається з корпусу 1, який є статором турбоприводу, що включає турбіну тертя 2 і лопатеву турбіну 3. Ротори утворені сформованими на них елементами проточних частин 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. Насос, що має ротор, пов'язаний з ротором другої (лопаткової) турбіни, забезпечує подачу з окремої ємності рідкого середовища підживлення 8, якого потребує відповідне енергетичне обладнання. Наявність храпового механізму 9 є важливою конструктивною особливістю пристрою, яка дозволяє уникнути конфлікту між обертанням вала лопатевої турбіни 3 і обертанням вала за рахунок роботи турбіни тертя 2 від руху робочого тіла. Храповий механізм забезпечує зачеплення вала 4 і вала 5 в тому випадку, коли кутова швидкість обертання вала 5 не більше, ніж вала 4 (в іншому випадку вали 4 і 5 є механічно незалежними). Для реалізації конструкції даного технічного рішення може бути використано стандартне промислове обладнання і матеріали, що широко застосовуються в промисловості. Так, наприклад, всі деталі пристрою можуть бути виконані зі сталі. Зубчасте колесо храпового механізму може мати трикутний або трапецієподібний профіль зубів і на ряду з традиційними 2 UA 110733 C2 5 10 15 20 25 30 35 для храпових механізмів собачками (кулачками) може бути виготовлено з маловуглецевої сталі (звичайної для такого роду конструкцій якості, марки сталі Ст 4 або Ст 5). Приклад конструкції храпового механізму показано на фіг.2. Зубчасте колесо 10 контактує з кулачками 11, вставки 12 та 13 забезпечують цільність колеса, елемент 14 проти часової стрілки має вільний рух, а по часовій стрілці примушує обертання внутрішнього колеса. У разі, якщо турбіна тертя є, наприклад, дисковою (що виготовити 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. Працює пристрій, що заявляється, таким чином. За допомогою вхідного патрубка корпусу турбоприводу (фіг. 1) 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 ковзання захоплюють ротор 2 в обертання і забезпечують передачу кінетичної енергії від обертового потоку - ротору, який, будучи закріпленим на валу 4, і забезпечує обертання вала. Вал 4 завдяки наявності храпового механізму - приводить в обертання вал 5 наступної за турбіною тертя лопатевої турбіни, якщо робоче тіло після турбіни тертя не призводить до обертання вал 5 з кутовою швидкістю, більшою, ніж кутова швидкість вала 4. Особливо значний цей ефект ефект "підкручування" валом 4 першого турбінного ступеня композиційної конструкції вала 5 другого турбінного ступеня (за допомогою храпового механізму) - в пускових режимах, коли робоче тіло ще не надійшло до проточної частини лопатевої турбіни, але вже спрацьовується (виконує роботу) на турбіні тертя. Прослизання (вільний хід) храпового механізму можна спостерігати, коли друге колесо турбінного тандему (лопатева турбіна) обертається швидше першого, що стає можливим, наприклад, у випадку припинення подачі робочого тіла на турбінний агрегат. При цьому турбіна тертя, яка розташована перед лопатевою турбіною, сповільнюючи обертання, не перешкоджає "вибігу" (інерційномуруху з випереджаючою кутовою швидкістю) лопатевої турбіни. Це дозволяє марно не витрачати отриману раніше енергію обертання лопатевої турбіни. Після зміщення робочого тіла до вала ротора 4 воно витісняється у вихідні канали і надходить на вхідне сопло лопатевої турбіни 3, потім, розширюючись, спрацьовується (виконує роботу) в її проточній частині. Таким чином, досягається ефект обертання вала ротора, який далі здатний більш продуктивно передавати свій рух насосному агрегату 6 в будь-яких (у тому числі перехідних) режимах роботи пристрою. Запропонована комбінована конструкція турбоприводу з храповим механізмом, 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. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 Комбінований турбопривід з можливістю використання як робочого тіла несепарованої вологої пари, що 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 з метою підвищення ефективності в перехідних режимах, робочі колеса турбін закріплені на окремих валах, які пов'язані між собою у механічну пару через храповий механізм так, що ведучим є вал турбіни тертя, а веденим є вал лопатевої турбіни. 3 UA 110733 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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