Комбінований турбопривід роторного насоса для підживлення обладнання ядерної енергетичної установки

Реферат: Комбінований турбопривід роторного насоса для підживлення обладнання ядерної енергетичної установки складається з розташованих в спільному корпусі турбіни тертя і осьової лопатевої парової турбіни, робочі колеса яких закріплені на одному валу так, що подача вологої пари в турбопривід конструктивно здійснюється спочатку на турбіну тертя. З метою підвищення функціональної ефективності пристрою, на виході з турбіни тертя, у порожнині перед входом, в лопатеву турбіну додатково встановлено дифузор з пристінним вихорогасним гвинтовим оребренням для потрапляння пари через нього у соплові елементи лопатевої турбіни. UA 95092 U (12) UA 95092 U UA 95092 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до енергетики та турбінобудування і призначена для використання як привід живильного насоса, що подає водне середовище (теплоносій, робоче тіло) в циркуляційні петлі ядерних енергетичних установок (ЯЕУ) в аварійних та передаварійних режимах функціонування, наприклад - при порушенні теплознімання в парогенераторі. Відомі пристрої, які використовуються для аварійної подачі води в парогенератор АЕС і що являє собою відцентровий насос з електроприводом, який використовується як привід аварійного живильного насоса [1]. До недоліків цього технічного рішення належить низька ефективність при електрознеструмленні, що пов'язано з тим, що пуск електроприводу безпосередньо залежить від надійного електроживлення, яке у разі тяжких аварій з повним знеструмленням енергогенеруючого об'єкта і при відмові дизель-генераторів є неможливим. Відомий пристрій (аналог), що являє собою парову машину (паровий насос), який має циліндричний корпус, що працює для підживлення теплоносія або робочого тіла енергоустановки за принципом витіснення рідини з резервуара паром [2]. Також відомо застосування парової турбіни як приводу насоса [3]. Відомий турбопривід має корпус, в якому на валу, що спирається на передній і задній підшипники, зібрана проточна частина турбіни. Турбопривід працює за принципом перетворення кінетичної енергії пари в механічну енергію обертання ротора насоса. Ці пристрої дозволяють використовувати для приводу насоса первинну енергію пари, минаючи процес її перетворення в електричну енергію. Така можливість дуже важлива в разі відмови систем власного електроживлення на АЕС. Однак, такий привід має серйозні недоліки, обумовлені низькою ефективністю, особливо у разі використання його в аварійному режимі ЯЕУ. Найбільш істотним недоліком є необхідність підтримання "гарячого резерву" для такого типу двигунів, тобто неможливість запуску приводу без попереднього прогріву і видалення конденсату, тому в екстрених (передаварійних, аварійних) режимах пуск такого пристрою не є ефективним. Відоме також технічне рішення (аналог) - дискова турбіна тертя (турбіна Тесли), що складається з ротора-вала з посадженими на нього плоскими дисками, - укладеного в корпусі, що має вхідне сопло і бічні кришки з вихідними отворами [4]. Недоліком такого пристрою є його низька ефективність - коефіцієнт корисної дії (ККД) лише 10-15 %, - що не дозволило широко використовувати такого типу турбіну в стаціонарних і транспортних енергоустановках. Цей пристрій працює таким чином: ротор приводиться в рух потоком робочого тіла, яке проходить в міждискових каналах, при цьому ротор, через редуктор, передає крутний момент живильному насосу. Як прототип вибрано найближчий по конструкції пристрій, який був запропонований раніше (заявка u 201402481 від 12 березня 2014 p., МПК F01D/ F01K Комбінований турбопривід насоса для аварійної подачі водних середовищ/ О.В. Корольов, О.В. Дерев'янко) [5]. Рішення Державної служби інтелектуальної власності України про видачу патенту на корисну модель, затверджене 3 червня 2014 p.): турбопривід, що складається з корпусу, в якому зібрана проточна частина, який виконаний у вигляді технічної композиції з двох, розташованих на одному валу, турбін - осьової лопаточної турбіни Лаваля і передвключеної дискової турбіни тертя (турбіни Тесли). Принцип дії прототипу такий. Джерелом кінетичної енергії тіла, що подається на привод, служить пар. При використанні за призначенням, джерелом пари служить парогенератор ЯЕУ, де пар є вологим. Пар, що відбирається з парового об'єму парогенератора, надходить по трубопроводу на вхід комбінованого турбопривіду, на його перший ступінь - на дискову турбіну тертя. Пар направляється в міждискові проміжки ротора, приводячи його до руху за рахунок роботи сил тертя. При цьому, крім спрацьовування пари, відбувається також його сепарація виділення з відпрацьованої пари конденсату, який видаляється по окремій лінії. Передвключена дискова турбіна стійка до дії рідких пробок конденсату, завжди наявних у підвідних паропроводах при пуску з "холодного стана", крім того, за рахунок вищої в'язкості води, дискова турбіна дозволяє здійснити більш швидкий пуск. Її достатньо низький ККД дозволяє досягнути ефекту "зім'яття" пари, тобто його "підсушування". Далі, після відпрацювання в турбіні тертя, відсепарована від вологи і підсушена пара, минаючи порожнину перед лопаточною турбіною, досягає її соплового апарата і через нього надходить в проточну частину (до ротора) лопаточної турбіни. Слід зазначити, що при всіх перевагах, що стосуються надійності пристрою, прототип має недолік: після турбіни тертя робоче тіло потрапляє в порожнину - перед лопаточною турбіною - в вихровому стані, що обумовлює неефективність входження робочого тіла у сопловий апарат при русі до ротора лопаточної турбіни. Зазначений недолік дозволив сформулювати задачу, яка ставиться і вирішується в технічному рішенні, що пропонується, а саме: забезпечити конструктивну можливість усунення 1 UA 95092 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вихорового руху робочого тіла перед його потраплянням до соплових елементів лопаточної турбіни, що підпорядковано меті - підвищення ефективності роботи пристрою. Рішення поставленої задачі і досягнення мети забезпечується таким чином. Комбінований турбопривід роторного насоса для підживлення обладнання ядерної енергетичної установки конструктивно складається з розташованих в спільному корпусі турбіни тертя і осьової лопатевої парової турбіни, робочі колеса яких закріплені на одному валу так, що подача вологої пари в турбопривід конструктивно здійснюється спочатку на турбіну тертя, а на виході з турбіни тертя, у порожнині перед входом в лопатеву турбіну додатково встановлено дифузор с пристінним вихорогасним гвинтовим оребренням для потрапляння пари через нього у соплові елементи лопатевої турбіни. Конструктивно турбопривід (фіг. 1) складається з корпусу 1, спільного ротора осьової лопаточної турбіни 2 і передвключеної дискової турбіни тертя 3. Ротор турбіни тертя являє собою вал 4 з закріпленими на ньому пласкими дисками 5, між якими витримується певна відстань (зазор), причому кожен диск має вікна 6 в центральній частині для виходу робочого тіла. Ротор розміщується в корпусі, який має вхідне сопло, а також - бічні кришки з отворами в центрі. Сопло турбіни тертя розташовується тангенціально, тобто по дотичній до внутрішньої поверхні корпусу, і виконується у вигляді прямокутної щілини. Проміжок по периферії (між корпусом і ротором) робиться мінімальним, враховуючи необхідність зменшення витоку пари повз набору дисків. На одному валу з дисковим робочим колесом розташовується лопаткове робоче колесо 7, що являє собою комплекс робочих лопаток, яким передують соплові лопатки. На виході з турбіни тертя, у порожнині перед входом в лопатеву турбіну встановлено дифузор 8 з пристінним вихорогасним гвинтовим оребренням 9 для потрапляння пари через нього у соплові елементи 10 лопатевої турбіни. Дифузор з пристінним вихорогасним гвинтовим оребренням окремо зображено на фіг. 2. У конструкції пристрою використані також типові елементи - підшипники, кінцеві лабіринтні ущільнення, з'єднувальні муфти тощо. Пристрій працює таким чином. Пара надходить на вхід турбіни тертя і рухається як вихор (обертально) під дією доцентрових сил з боку циліндричного корпусу. Завдяки дії сил тертя робоче тіло (пара) приводить у рух дискове робоче колесо. При цьому пара направляється в міждискові проміжки ротора і виходить у отвори, виконані у дисках в зоні вала. Далі паровий вихор потрапляє у порожнину перед входом в лопатеву турбіну через дифузор з пристінним вихорогасним гвинтовим оребренням - для потрапляння пари через цей конструктивний елемент у соплові лопатки лопатевої турбіни і далі - на робочі лопатки ротора. Вихорогасне гвинтове оребрення дифузора усуває вихровий рух робочого тіла, що відпрацювало в турбіні тертя, і дає йому можливість увійти без зайвих витрат енергії у соплові елементи лопаточної турбіни, а за цим - на лопатки робочого колеса лопаткової турбіни та - на вихід. Таким чином, завдяки запропонованій конструкції досягається підвищена ефективність роботи пристрою. Для реалізації конструкції запропонованого технічного рішення може бути використано стандартне промислове обладнання, що широко застосовується в промисловості. Всі конструктивні елементи пристрою можуть бути виконані в умовах промислового виробництва з використанням відомих технологій, з відомих матеріалів (наприклад, з корозійно- і ерозійностійкої сталі або алюмінію). Результати патентного 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 рішення, яке пропонується, і забезпечують досягнення поставленої задачі. Це вказує на відповідність технічного рішення критерію "новизна". 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, можна зробити висновок про відповідність технічного рішення критерію "промислова придатність". Отже, пропонований пристрій є і новим, і промислово придатним - таким чином, він задовольняє всім законодавчо обумовленим умовам патентоспроможності технічного рішення як корисна модель. Джерела інформації: 1. Герлига В.А., Полтавченко В.В., Скалозубов В.И. Основы безопасности АЭС с водоводяными реакторами. - Киев: ІСДО, 1993. - 264 с. 2. Жирицкий Г.С. Паровые машины. - М. -Л.: ГЭИ, - 1951. - 180 с, Политехнический словарь/ Под ред. А.Ю. Ишлинского. - М.: Советская энциклопедия, 1989. - 656 с. 2 UA 95092 U 5 10 15 3. Костюк А.Г. и др. Паровые и газовые турбины для электростанций. - М.: Изд.дом МЭИ. 2008. - 556 с. 4. Tesla N., Improved Method of Imparting Energy to or Deriving Energy from a Fluid and Apparatus for use therein.-24,001. - A.D. 1910. 5. Комбінований турбопривід насоса для аварійної подачі водних середовищ / О.В. Корольов, О.В. Дерев'янко. Рішення Державної служби інтелектуальної власності України про видачу патенту про видачу патенту на корисну модель по заявці u 201402481 від 12 березня 2014 p., затверджене 3 червня 2014 р. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Комбінований турбопривід роторного насоса для підживлення обладнання ядерної енергетичної установки, що складається з розташованих в спільному корпусі турбіни тертя і осьової лопатевої парової турбіни, робочі колеса яких закріплені на одному валу так, що подача вологої пари в турбопривід конструктивно здійснюється спочатку на турбіну тертя, який відрізняється тим, що на виході з турбіни тертя, у порожнині перед входом в лопатеву турбіну, додатково встановлено дифузор з пристінним вихорогасним гвинтовим оребренням для потрапляння пари через нього у соплові елементи лопатевої турбіни. 3 UA 95092 U Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 4