Паросиловая установка

(19) К 13/00, 17/04 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ моролаков и 5/ удост- энердовой одных стройс турОл Ос ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Мурманское высшее инженерноеское училище им. Ленинского комсом(56) Авторское свидетельство СССРВ 1340598, кл. Р 01 К 17/04, Р 01 0 21986.(57) Изобретение относится к энергосроению для преобразования тепловойгии в электрическую в суэнергетической установке глубокоеаппаратов. Сущность изобретения: уство содержит герметичный корпус 1 Изобретение относится к энерго- и судостроению, а именно к паросиловым турбинным преобразователям энергии, и может быть использовано в различных системах привода для преобразования тепловой энергии в электрическую при жестких.ограничениях по габаритам и весу и больших внешних давлениях, например, для глубоководных аппаратов.Известна паросиловая установка, содержащая коаксиально установленные на основании в подшипниковых опорах парогенератор, турбину, конденсатор и конденсаторный насос, последовательно соединенные в замкнутый герметичный контур, причем конденсатор и парогенератор выполнены в виде тел вращения, конденса тор прикреплен к парогенератору и смещен относительно него к оси вращения, а рабобиной 7, генератором 8 и конденсатором 9. Паровой котел 13 с испарительной камерой 14, топкой 15 и пароперегревателем 16, выполненными в виде спиралеобразных теплообменных поверхностей, установлен вертикально в корпусе 3 глубоководного аппарата. Горючее и окислитель поступают в полость 15 из забортных баков и отдают тепло кипящей воде и 6 ерегретому пару, циркулирующим в полостях испарительной камеры 14 и пароперегревателя 16. Перегретый пар вращает турбину 7, на роторе 4 которой установлен генератор.8, вырабатывающий электроэнергию. После турбины 7 отработанный пар поступает в конденсатор 9, из которого с помощью инжектора 12 конденсат подается в испарительную камеру 14 парового котла 13. 1 ил. чее колесо насоса прикреплено к торцу парогенератора.Недостатками этой установки являются сложность конструкции и ее малая надежность, обусловленная пониженной герметичностью контура, а также соединением парогенератора и рабочего колеса турбины при помощи зубчатой передачи. Пониженная герметичность обусловлена наличием подвижных уплотнений между парогенератором и рабочим колесом и между рабочим колесом и конденсатором,Известна паросиловая установка, содержащая парогенератор, турбину, конденсатор и конденсаторный насос, последовательно соединенные в замкнутый герметичный контур, причем конденсатор и парогенератор выполнены в виде тел вращения, конденсатор прикреплен к парогенератору и смещен относительно него к оси вращения, рабочее колесо насоса прикреплено к торцу парогенератора, а рабочее колесо турбины прикрепленок противоположному торцу парогенератора, В варианте исполнения установка снабжена направляющим аппаратом, установленным между выходом из рабочего колеса турбины и входом в конденсатор на уплотненном валу, жестко соединенном с основанием.К недостаткам этой установки относятся сложность конструкции, обусловленная вращающимся корпусом, шнековым конусообразным холодильником и вынесением опор ротора за пределы корпуса, а также низкая надежность иэ-за недостаточной герметичности корпуса, обусловленной наличием уплотнения между неподвижным валом и вращающимся корпусом, Кроме того, установка неработоспособна при больших внешних давлениях из-за необходимости .уплотнения внешних опор, а также.,из-за малоэффективного теплообмена между теплоподводами и вращающимся корпусом.Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь энергии, содержащий котел, турбину, конденсатор, питательный насос, генератор, рекуператор, конденсаторный насос, причем турбина, питательный насос и генератор установлены на общем роторе, размещенном в едином корпусе посредством радиальных подшипников, и отличается тем, что ротор установлен вертикально, генератор расположен между турбиной и питательным насосом, в верхней части корпуса выполнена камера подвода свежего пара под нижнюю поверхность ротора, а радиальные подшипники выполнены газодинамическими, .Недостатками прототипа являются высокие массогабаритные характеристики вследствие большого количества структурных элементов: котел, турбина, конденсатор, генератор, два насоса, рекуператор, корпус генератора и система клапанов, к тому же радиальная турбина содержит сложную систему подвода пара, что, в конечном итоге, снижает надежность установки.Преобразователь энергии ненадежен в работе при больших внешних давлениях изза отсутствия общего для основных структурных элементов корпуса и разомкнутости контура, а также иэ-за необеспечения компенсации перемещений при больших перепадах температур и давлений.Цель изобретения - повышение надежности работы в условиях высоких внешних давлений и снижение массогабаритных характеристик устройства.Указанная цель достигается тем, чтоконденсатор размещен в герметичном кор 5 пусе, при этом последний выполнен с температурным компенсатором, а котелвыполнен в форме спирали, охватывающейгерметичный корпус, при этом теплообменные поверхности котла выполнены в виде10 коаксиально расположенных труб с образованием центральной-перегревательной,промежуточной-топочной и периферийнойиспарительной полостей.В предложенной паросиловой установ 15 ке паровой котел выполнен в виде полыхспиральных пружин, ввернутых одна в другую по типу ".труба в трубе", причем внутренняя спираль является пароперегревателем,выполненным с возможностью перемеще 20 ния перегретого пара по принципу противотока, внешняя спираль ограничиваетиспарительную камеру, а полость между пароперегреиателем и испарителем являетсятопкой котла, во-вторых, турбина, генератор25 и конденсатор заключены в единый герметичный корпус с гофрированным компенсатором температурных перемещений, втретьих этот корпус размещен внутри витков парового котла, коаксиально им и на30 одной оси.Оригинальная конструкция паровогокотла обеспечивает достаточную поверхность теплообмена и надежность его работы при больших внешних давлениях из-за35 возможности свободных деформаций котла,а также из-за малых перепадов давлениймежду поверхностями теплообмена,Выполнение генератора, турбины и конденсатора в замкнутом герметичном корпу 40 се исключает утечки и тем самым повышаетнадежность работы, а размещение этогокорпуса внутри спиральной пружины котлакоаксиально ей и на одной оси обеспечиваетоптимальную компоновку устройства по45 массогабаритным характеристикам. Крометого, теплообменник конденсатора выполнен по принципу свободного конвективноготеплообмена, что исключает необходимостьустановки специального насоса,50 Предложейное решение существенноотличаЕтся от известного тем, что,во-пер- вых, парогенератор (паровой котел) выполнен конструктивно совершенно иным,во-вторых, рабочее колесо не прикрепленок торцу парогенератора, а расположено внутри него и не смещенном относительно оси, а вдоль оси, в-третьих, конденсатор размещен не внутри герметичного контура, а вне его, а сам корпус в предложенной конструкции выполнен более надежным по герметич40 45 50 55 ности иэ-за отсутствия уплотнительных элементов, кроме того, в предложенной конструкции исключена необходимость в установке конденсаторного насоса,Кроме того, опоры ротора заключенывнутри герметичного корпуса, а не вне его, во-вторых, теплообмен в известном реализован между неподвижной полой спиралью горячего теплового источника и вращающимся корпусом и вследствие этого малоэффективен, в-третьих, направляющий аппарат известного установлен на неподвижном валу, а корпус с рабочими лопатками вращается, а в предложеннойконструкции наоборот,В предлагаемой конструкции исключена необходимость в вентиляторе, шнековом конусообразном холодильнике, насосе, многосопловой горелке и т.п,Паросиловая установка содержит герметичный корпус 1 с компенсатором 2, которые установлены по вертикальной оси сферического глубоководного аппарата 3, В корпусе 1 установлен ротор 4 на паровых газостатических опорах 5 и 6, причем опора 6 опорно-упорная. На роторе 4 установлены осевая двухвенечная паровая турбина 7 и генератор электроэнергии 8. В нижней части корпуса 1 расположен теплообменник конденсатора 9 и конденсатосборник 10 с уровнемером 11, Конденсатосборник 10 связан при помощи инжектора 12 с паровым котлом 13, поверхности теплообмена которого выполнены в виде полых спиральных пружин, ввернутых одна в другую по типу "труба в трубе", Паровой котел 13 включает три полости: внешнюю полость 14 с кипящей водой, среднюю полость 15 с продуктами сгорания и внутреннюю полость 16 с перегретым паром. Выход полости 14 связан при помощи трубки 17 с входом полости 16, что обеспечивает движение перегретого пара по принципу противотока с кипящей водой и продуктами сгорания. Средний виток внешней спирали парового котла 13 жестко закреплен в аппарате 3, Из полости 16 перегретый пар по трубопроводу 18 через запорный клапан 19 поступает в направляющий аппарат 20 и далее на рабочие лопатки турбины 7, а по трубопроводу 21 поступает.в паровые опоры 5 и 6 и через клапан 22 в инжектор 12, и далее иэ инжектора - во внешнюю полость 14 с кипящей водой. Горючее и окислитель в полость 15 парового котла 13 подают из забортных баков через входную колодку 23, продукты сгорания удаляют во внешнюю среду через выходную колодку 24. Вход и выход теплообменника конденсатора 9 связаны с внешней средой. Заборная вода циркулирует в 5 10 15 20 .25 30 35 теплообменнике за счет естественной конвекции,Гофрированный компенсатор 2 температурных перемещений, являющийся естественным продолжением корпуса 1. жестко .связан с корпусом глубоководного аппарата3, что обеспечивает воэможность свободного перемещения корпуса 1 вдоль вертикальной оси при изменении перепадов давленийи температур.Установка работает следующим образом.При запуске включается тепловой источник при закрытом клапане 19. После образования в полости 16 давления,достаточного для обеспечения заданной несущей способности подшипников 5 и 6, клапан 19 открывается, Перегретый парпоступает на направляющий аппарат 20 ирабочие лопатки турбины 7. Затем отработавший пар поступает в конденсатор 9 иконденсатосборник 10 и конденсируется;Подпитка парового котла 13 осуществляется через инжектор 12 с помощью насыщенного пара по сигналу уровнемера 11. Нароторе 4 установлен электрогенератор 8 собмоткой в корпусе, который за счет вращения ротора вырабатывает электроэнергию,подаваемую на токовыводы. В качестве хладагента конденсатора 9 используется забортная вода. Циркуляция забортной водыреализована в трубках теплообменника засчет естественной конвекции, что исключает необходимость установки специальныхнасосов, В преобразователе энергии использован герметичный пароконденсатныйцикл, при котором в пароводяном тракте 14и 17 исключаются проблемы деаэрации, коррозии и отложений, Применение газостатических безызносных подшипников 5 и 6 с паровой смазкой исключает применениесмазочного масла и проблемы утечек, связанной с образованием вредных примесей в воде и паре и снижающей эффективностьтеплообмена в аппаратах.Оригинальная конструкция поверхности теплообмена парового котла в сочетании с жестким закреплением его среднеговитка на корпусе 3 позволяет значительноснизить температурные напряжения, возникающие из-за разности температур внутри котла и вне корпуса глубоководного подводного аппарата.В качестве исходных данных прйнимались следующие условия. Глубина погружения аппарата до 5 км, топливо - этиловый спирт, окислитель 40перекись водорода, номинальная мощность генератора 100 кВт,параметры пара на выходе из котла: давление 2 МПа, температура перегретого пара320 С, давление в конденсаторе 5 мПа, частота вращения ротора 400 Гц. Основанием для выбора исходных данных являлся анализ характеристик и особенностей эксплуатации энергетических установок современных глубоководных аппаратов.Тепловые расчеты показали, что максимальная температура продуктов сгорания меняется в зависимости от глубины погружения и концентрации перекиси водорода. Для исходных данных она не превышает 500 -5500 С, что обеспечивает возможность эксплуатации поверхности теплообмена парогенератора без пароводяного барабана и традиционного уровня раздела сред, Оригинальная конструкция парогенератора дает общую поверхность теплообмена 1,6 м и при тепловой мощности котла 500 кВт, Масса котла не превышает 280 кг, При этом расход топлива и окислителя 0,176 кг/с при массовом соотношении 1/10,7. Масса турбины, выполненной в виде двухвенечного колеса скорости, не превышает 20 кг при диаметре 0,2 м и длине 0.15 м, Поверхность теплообменв конденсатора 2 м при общей массе 50 кг, Система питания котла предельно упрощена и осуществляется паровым инжектором, приводимым в действие насыщенным паром и управляемым уровнемером конденсата. Общая масса средств управления и регулирования мощности не превышает 20 кг.В качестве генератора выбрана асинхронная машина с обмоткой в статоре, что позволяет обеспечить эксплуатацию при повышенных температурах с сохранением достаточной механической прочности.Весь преобразователь энергии вписывается в объем цилиндра с внешним диаметром 0,6 и и высотой 0,8 м при общей массе не более 470 кг, тепловой эффективности 20 и удэельными показателями по объему 0,0025 м / кВт, по массе 4,7 кг/кВт, что на порядок ниже соответствующих значений традиционных пароэнергетических устано.вок.Уменьшение или увеличение предельной глубины погружения аппарата соответ ственно приводит к уменьшению илиувеличению массы в основном парогенератора.Паросиловая установка является экологически чистой энергетической установкой.10 Технико-экономический эффект предлагаемого технического решения заключается в обеспечении повышенной надежности в условиях работы в зоне больших внешних давлений за счет оригинального компоно вочного решения при использовании замкнутого цикла, а также низкими массо - габаритными характеристиками, за счет предельного упрощения конструкции, обоснованного расчетами и анализом экс плуатационных воэможностей.Ресурс данной установки беэ ремонта ивскрытия 25 лет.Формула изобретения Паросиловая установка, содержащая 25 последовательно соединенные в контур котел, осевую паровую турбину с генератором, ротор которой расположен вертикально и снабжен паровыми опорным и опорно-упорным подшипниками, причем турбина с гене ратором выполнены в едином герметичномкорпусе, конденсатор и устройство для подачи конденсата в котел, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения надежности в условиях высоких внешних давлений и сни жения массогабаритных характеристик, конденсатор размещен в герметичном корпусе, при этом последний выполнен в форме спирали, охватывающей герметичный корпус, при этом теплообменные поверхности 40 котла выполнены в виде коаксиально расположенных труб с образованием централь-.ной-испарительной, промежуточной-топочной и периферийной-перегревател ьной полостей..Пал Коррект акт ьский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Производственно-изда аказ 753 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5