Композиційний турбопривід роторного насоса для підживлення технологічних систем ядерної енергетичної установки

Реферат: Композиційний турбопривід роторного насоса підживлення технологічних систем ядерної енергетичної установки складається з турбіни тертя і осьової парової турбіни в спільному корпусі, робочі колеса котрих розташовані на одному валу. З метою підвищення функціональної ефективності, пристрій додатково містить приєднаний до корпусу приймач з розподільником вологої пари, перший вихід якого з регульованим змінним прохідним перерізом приєднаний до входу турбіни тертя, а другий вихід якого з регульованим змінним прохідним перерізом приєднаний після турбіни тертя - для можливості паралельної або окремої подачі пари на осьову турбіну. UA 95093 U (12) UA 95093 U UA 95093 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) 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 резерва" 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) 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 [5], який був запропонований раніше (МПК F01D/ F01K, заявка u 201402481 від 12 березня 2014 p., рішення Державної служби інтелектуальної власності України про видачу патенту на корисну модель, затверджене 3 червня 2014 p.): комбінований 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 привід, служить пара. При використанні за призначенням, джерелом пари служить парогенератор ЯЕУ, де пара є вологою. Пара, що відбирається з парового об'єму парогенератора, надходить по трубопроводу на вхід комбінованого турбоприводу, на його перший ступінь - на дискову турбіну тертя. Пара направляється в міждискові проміжки ротора, приводячи його в рух за рахунок роботи сил тертя. Далі, після відпрацювання в турбіні тертя, пара (робоче тіло) надходить в проточну частину (до ротора) лопаточної турбіни. Слід зазначити, що при всіх перевагах, що стосуються надійності пристрою в пускових режимах, прототип має такий недолік. Після пускового режиму, коли обертання вала є усталеним і ротори турбін набрали обертів, небезпека ударної дії вологої пари, що надходить до пристрою, суттєво зменшується, але перша турбіна (турбіна тертя), яка призначена запобігти небезпеці ударної дії пари при пуску пристрою, залишається включеною в роботу і знижує ефективність пристрою в цілому, бо має ККД суттєво менше, ніж лопаточна турбіна. Зазначений недолік дозволив сформулювати задачу, яка ставиться і вирішується в технічному рішенні, що пропонується: забезпечити конструктивну можливість не тільки послідовної подачі пари через турбіну тертя на лопаточну турбіну у пускових режимах, але і можливість подачі пари безпосередньо на лопаточну турбіну (без подачі на турбіну тертя) в усталених режимах, а також можливість зменшуваної подачі пари на турбіну тертя і підвищеної - на лопаточну турбіну завдяки регульованому розподіленню пари між ступенями турбоприводу та її паралельної подачі на обидва ступені в процесі розгону ротора турбоприводу після його пуску. Ця задача підпорядкована меті - підвищити ефективність приладу. 1 UA 95093 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Рішення поставленої задачі і досягнення мети забезпечується таким чином. 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 котрих закріплені на одному валу, і додатково містить приєднаний до корпусу приймач з розподільником вологої пари, перший вихід якого з регульованим змінним прохідним перерізом приєднаний до входу турбіни тертя, а другий вихід якого з регульованим змінним прохідним перерізом приєднаний після турбіни тертя - для можливості паралельної або окремої подачі пари на осьову турбіну. Конструкція і схематичне зображення турбоприводу представлені на фіг. 1 та фіг 2. Пристрій має корпус 1, спільний ротор 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 в корпусі тангенціально, тобто по дотичній до внутрішньої поверхні корпусу, і виконується у вигляді прямокутної щілини. До сопла турбіни тертя підключено перший вихід 7 приймача вологої пари з розподільником 8 (цей вихід є регульованим - зі змінним прохідним перерізом). Другий вихід 9 приймача вологої пари з розподільником приєднаний після турбіни тертя, перед лопатковою турбіною (це необхідно для конструктивного забезпечення можливості паралельної або окремої подачі пари на осьову турбіну). Проміжок по периферії (між корпусом і ротором) має робитися мінімальним, враховуючи необхідність зменшення витоку пари повз набору дисків. На одному валу з дисковим робочим колесом розташовується лопаткове робоче колесо, що являє собою комплекс робочих лопаток, яким передують соплові лопатки. У конструкції пристрою використані також типові елементи - підшипники, кінцеві лабіринтні ущільнення, з'єднувальні муфти тощо. Пристрій працює таким чином. Пара (від парогенератора) у пусковому режиму надходить на приймач з розподільником вологої пари, який приєднаний до корпусу і через його перший вихід вхід турбіни тертя. Витрата пари через цей вихід регулюється, але зазвичай при пуску вона може бути максимальною (при цьому через другий вихід витрата пари має бути нульовою або мінімально припустимою для недопущення ударних навантажень на робоче колесо лопаточної турбіни). Регулювання витрати пари через виходи розподільника забезпечується змінними (регульованими) прохідними перерізами патрубків. В турбіні тертя робоче тіло рухається обертально під дією доцентрових сил з боку циліндричного корпусу. Завдяки дії сил тертя робоче тіло (пара) приводить у рух дискове робоче колесо турбіни тертя. При цьому пара направляється в міждискові проміжки ротора і виходить у отвори, виконані у дисках в зоні вала. Далі робоче тіло потрапляє у порожнину перед входом в лопатеву турбіну - для потрапляння пари у соплові лопатки лопатевої турбіни, а далі - на робочі лопатки ротора. Коли ротор досягне достатніх обертів (після певного часу тривання режиму пуску), витрата пари через другий вихід розподільника (який постачає робоче тіло на лопаткову турбіну) може бути підвищена до рівня, при якому забезпечується безударність дії пари на лопаткове робоче колесо. Одночасно зменшується витрата пари через турбіну тертя. Завдяки цьому може бути підвищена ефективність роботи турбоприводу, може бути досягнуто більшого ККД. Таким чином, завдяки запропонованій конструкції досягається робота з підвищеною ефективністю 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". 2 UA 95093 U 5 10 15 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. 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 20 25 Композиційний турбопривід роторного насоса підживлення технологічних систем ядерної енергетичної установки, що складається з турбіни тертя і осьової парової турбіни в спільному корпусі, робочі колеса котрих розташовані на одному валу, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить приєднаний до корпусу приймач з розподільником вологої пари, перший вихід якого з регульованим змінним прохідним перерізом приєднаний до входу турбіни тертя, а другий вихід якого з регульованим змінним прохідним перерізом приєднаний після турбіни тертя - для можливості паралельної або окремої подачі пари на осьову турбіну. 3 UA 95093 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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