16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/teploenergetika/2/47.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 02 (02) сентябрь 2012

Тепловые двигатели ХХI века

Оборудование и технологии Владимир РОМАНОВ
Тепловые двигатели ХХI века

Все известные в настоящее время тепловые двигатели являются по существу генераторами тепла, производящими до 70 процентов тепловой энергии и лишь 30 процентов механической.

Это обусловлено несовершенством используемых в них термодинамических циклов и кинематических механизмов преобразования давления в крутящий момент.

В современных осевых газовых и паровых турбинах необъемного расширения используется кинетическая энергия скоростного потока рабочего тела. В них один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины, при этом крутящий момент создает окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку.

Эти агрегаты не блещут конструктивным исполнением и габаритно-весовыми характеристиками. Их характеризуют огромное количество лопаток в роторе и статоре с изменяющимися от ступени к ступени размерами и веерностью, массивные ротор и статор, габаритная конденсационная установка, огромный машзал.

Известно, что наиболее эффективным и экономичным для создания газообразным рабочим телом вращательного усилия является объемное расширение, реализуемое в тепловых поршневых и роторно-поршневых двигателях. Однако используемые в них низкоэффективные кинематические механизмы преобразования давления рабочего тела во вращательное усилие и равенство степеней сжатия и расширения также не обеспечивают им достижения высокой экономичности и эффективности.

Наконец, впервые в мировой истории тепловых двигателей в России изобретены двигатели, обеспечивающие появление полезного крутящего момента непосредственно после пуска, вырабатывающие не менее 90 процентов полезной механической энергии и выделяющие в десять раз меньше тепла, чем любой из известных тепловых двигателей.



Универсальная установка

Турбина «ТРИСОР» объемного расширения относится к теплоэнергетике и двигателестроению и может быть использована для любых стационарных и мобильных объектов в качестве универсальной энергетической установки, генерирующей отдельно или одновременно механическую энергию, электрическую и тепловую в виде горячего конденсата.

Технической задачей при создании турбины являлось обеспечение максимальной эффективности полного непрерывного объемного преобразования давления рабочего тела во вращательное усилие вала, безальтернативное использование ее как более экономичной и эффективной вместо паровых и газовых турбин, в составе роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания и в качестве электрогенератора.

Турбина содержит два зеркально-идентичных блока кольцевых цилиндров и концентрично установленный между ними общий для двух проточных частей ротор. Кольцевые цилиндры блоков выполнены чередующимися с непо­движными кольцевыми выступами, в каждом из которых находится, по меньшей мере, один перепускной канал, сообщающий его со следующим кольцевым цилиндром.

На боковых поверхностях ротора так же, кольцами постепенно возрастающего диаметра, созданы цилиндрические выступы, чередующиеся с кольцевыми полостями ротора, и в каждом из них имеется, по меньшей мере, один перепускной канал.

Стенки перепускных каналов ротора и блоков выполнены плоскопараллельными и под углом к диаметрально-осевой плоскости турбины, с обеспечением расположения их стенок относительно друг друга под углом примерно 90 градусов (перпендикулярно).

В каждом перепускном канале могут находиться одна или несколько равномерно расположенных по поперечному сечению тонкостенных плоских лопаток. Они параллельны стенкам канала для повышения эффективности реактивных импульсов, за счет его «деления» на части.

В каждом блоке, в радиальном направлении, непосредственно за валом ротора, существует концентричная кольцевая полость, выполняющая функцию ресивера. В цилиндрической стенке ресивера находятся одно или несколько равномерно расположенных по окружности впускных окон. Окружное расстояние от впускного окна до перепускного канала первой ступени блока должно быть не менее окружной длины окна, а окружное расстояние между впускными окнами должно быть примерно равно их трехкратной окружной длине.

В стыках ротора с кольцевыми стенками ресивера установлены торцевые кольцевые уплотнители.

Ресиверы блоков снабжены входными патрубками-коллекторами для подачи в них рабочего тела. В блоках установлены клапаны или аналогичные устройства, обеспечивающие открытие или закрытие впускных окон, через которые рабочее тело поступает в проточные части турбины для последующего объемного расширения. Ими также осуществляется регулировка расхода рабочего тела, поступающего в проточные части (и соответственно – мощности, развиваемой турбиной), или прекращение подачи рабочего тела для остановки.

После сборки турбины выступы ротора располагаются в кольцевых цилиндрах блоков, а кольцевые выступы блоков – в кольцевых каналах ротора. Они, чередуясь, образуют ступени объемного расширения.

Подвод рабочего тела осуществляется парциально (частично), через одно или несколько равномерно расположенных в окружном направлении впускных окон.

Ротор турбины может быть установлен на двух радиально-упорных шариковых подшипниках или, при повышенном рабочем давлении, на двух радиальных и двух упорно-осевых.

Турбина полностью уравновешена как в осевом, так и в радиальном направлениях.



Общие характеристики

Турбина объемного расширения имеет следующие основные характеристики:
• по использованию энергии рабочего тела является турбиной объемного расширения (в ней используется непосредственно потенциальная энергия давления, аналогично поршневым и роторно-поршневым двигателям);
• по направлению движения рабочего тела по проточной части турбина радиальная;
• по количеству главных основных потоков турбина двухпоточная – два независимых потока расширения рабочего тела (два двигателя в одном), работающие на один вал или два независимых (как вариант);
• по общему количеству потоков расширения турбина многопоточная, так как каждый из двух основных потоков содержит несколько потоков, число которых определяется количеством впускных окон, выполненных в ресивере, и количеством перепускных каналов, выполненных в роторе и статоре;
• по принципу воздействия усилия рабочего тела на взаимодействующие элементы блока и ротора она является реактивной, так как для создания вращающего импульса используется сила реакции и торможения истекающего рабочего тела из полости, находящейся под более высоким давлением, в полость, находящуюся под меньшим давлением, при их кратковременном сообщении при вращении ротора;
• по длительности воздействия реактивным усилием на элементы турбины она является импульсной, так как взаимодействующие подвижные перепускные каналы ротора и непо­движные перепускные каналы статора выполнены дискретно и при вращении ротора сообщаются между собой не постоянно, а прерывисто, создавая равномерно распределенные в окружном направлении реактивные импульсы.

В отличие от известных турбин необъемного расширения рабочими ступенями в изобретенной турбине следует считать стыки подвижных выступов ротора и неподвижные – блоков.



Устройство турбины

Турбина содержит два зеркально идентичных блока, в которых концентрично установлен общий ротор. В блоках выполнены кольцевые цилиндры и кольцевые выступы. В выступах находятся перепускные каналы. В роторе выполнены кольцевые выступы, с образованием между ними кольцевых полостей. В блоках имеются кольцевые полости (ресиверы). В цилиндрических стенках ресиверов созданы впускные окна, в торцевых стенках блоков выполнены каналы для подачи рабочего тела. В перепускных каналах блоков и в каналах ротора находятся лопатки, а в блоках – выпускные окна.

В варианте теплоэлектрогенератора турбина содержит цилиндрические выступы последней ступени ротора, выполненные в виде постоянных магнитов. При этом во внешней цилиндрической стенке блоков или на их торцевых стенках установлены обмотки индуктивности, они образуют два электрогенератора.

При использовании в качестве рабочего тела водяного пара или паров низкокипящих жидкостей за последним цилиндром блока может находиться конденсатор. Проточная часть выполняется с количеством цилиндров, обеспечивающим степень расширения ниже атмосферного давления. Вся поверхность турбины покрывается термочехлом.

При движении ротора от одного впускного окна до другого его перепускные каналы сообщаются с перепускными каналами блоков, при этом выполняются рабочие циклы, состоящие из четырех тактов.

Первый такт – «заполнение» перепускных каналов первой ступени ротора рабочим телом. Одновременно в остальных каналах после пуска «рабочего» такта заряды каналов блоков толкают ротор. При дальнейшем вращении ротора и разобщении его с впускными окнами выполняется второй такт – «отсечка», затем выполняется третий такт – «рабочий» – ротор зарядами отталкивается от блоков, четвертый такт – снова «отсечка». При дальнейшем движении ротора в окружном направлении его перепускные каналы вновь сообщаются со следующими впускными окнами, дополняются рабочим телом из ресивера до прежнего значения, и далее циклы повторяются в описанном выше порядке.



Принцип работы

Работа турбины объемного расширения осуществляется следующим образом.

При пуске турбины первыми при движении ротора взаимодействуют пары каналов ротора и статора первой ступени, при этом ротор отталкивается в направлении вращения реактивными струями от плоских поверхностей каналов блоков. Давление в полостях ротора падает, в каналах блоков возрастает. Происходит частичный резкий выброс рабочего тела (рабочий реактивный импульс) из каналов ротора, находящихся под более высоким давлением, в каналы блоков, находящиеся при пуске под атмосферным давлением, а при работе после пуска – под меньшим давлением. При этом давление в обоих каналах становится примерно равным. Эффективности перепуска и силе реакции способствуют также центробежные силы. Затем каналы ротора и блоков разобщаются – в такте «отсечка».

При дальнейшем движении ротора его перепускные каналы, расположенные в следующем от центра ряду, сообщаются с перепускными каналами блоков, ранее сообщавшимися с каналами первой ступени ротора и находящимися под поступившим в них давлением рабочего тела. При этом заряды, резко вылетающие из каналов блоков, толкают ротор. Осуществляется второй рабочий цикл второй ступени после поступления заряда в проточную часть турбины. Затем полости разобщаются. Как и в первом рабочем цикле, совершается такт – «отсечка».

Далее, и в окружном, и в радиальном направлениях от центра к периферии до выпускных окон совершаются аналогичные рабочие такты.

При впуске заряда рабочего тела через одно впускное окно (выполнено одно или остальные закрыты) рабочие циклы будут продолжаться во всех ступенях турбины, ослабляясь без дозарядки свежим зарядом столько раз, сколько чередующихся пар каналов «ротор – блок» и «блок – ротор» турбины сработает до повторного сообщения перепускного канала ротора с впускным окном.

При впуске рабочего тела через одно или несколько впускных окон общее количество рабочих импульсов в одном блоке за один полный оборот ротора будет равно произведению количества перепускных каналов, выполненных в одной ступени «ротор – блок» или «блок – ротор», на количество ступеней в блоке турбины. Соответственно, в двух блоках общее количество рабочих импульсов за один оборот ротора будет равно их сумме.

Режим пуска турбины, в отличие от известных, сократится до нескольких секунд. При открытых впускных окнах она запускается импульсным толчком ротора с появлением крутящего момента.

При полной, кратковременной остановке турбины внешней нагрузкой она после снятия нагрузки вновь продолжит работу, по аналогии с электродвигателем.

При длительной остановке турбины для возобновления ее работы с появлением крутящего момента, как и при пуске, требуется лишь импульсный поворот – толчок ротора от впускного окна до первого перепускного канала блока, что, в зависимости от количества впускных окон и перепускных каналов в ступени, составляет в окружном направлении небольшой угол.

Из описанного выше принципа работы турбины следует, что она обладает высокой маневренностью и ее обороты и мощность можно изменять в широком диапазоне без применения понижающих и повышающих редукторов. Например – изменять обороты при использовании для привода отдельных электрогенераторов с различными характеристиками.

При наличии внешнего источника газообразного рабочего тела, находящегося под избыточным давлением (например, воздуха), турбина может использоваться как пневмоэлектрогенератор (ПЭГ). В варианте электрогенератора она может использоваться на газораспределительных станциях газопроводов для утилизации перепада давления природного газа в качестве детандер-электрогенераторного агрегата (ДЭГА) с целью выработки электроэнергии, тепла и холода.

Возможно также использование турбоэлектрогенератора, совмещенного с парогенератором, для утилизации неиспользуемой тепловой энергии непрерывно горящих факелов на газонефтяных месторождениях и генерации электрической и тепловой энергии для обслуживающего персонала (мини-ТЭС).



Некоторые преимущества

Турбина объемного расширения, в отличие от известных осевых турбин необъемного расширения, вырабатывает в три раза больше механической энергии, чем тепловой, при значительно меньшем, в шесть-восемь раз, удельном расходе рабочего тела. При ее использовании в качестве электрогенератора для генерации электроэнергии обеспечится, соответственно, и выработка большего количества электрической мощности, что дает снижение стоимости последней не менее чем на порядок.

Использование в конструкции турбины объемного расширения жестких выступов вместо обычных веерных лопаток сложного профиля обеспечивает не только резкое снижение габаритов и упрощение конструкции, но и снижение требований к качеству пара. А также дает возможность работы турбины на влажном паре с генерированием газоконденсатной смеси в выходной ступени для использования горячего конденсата потребителями тепловой энергии.

В турбине объемного расширения поток рабочего тела движется по спирали в радиальном направлении со скоростью, равной скорости движения ротора, воспринимающего давление, что в несколько раз эффективнее и экономичнее традиционных турбин, использующих кинетическую энергию потока рабочего тела, движущегося в осевом направлении.

Кроме того, учитывая то, что мощность двигателя равна произведению крутящего момента на количество оборотов, следует вывод, что для создания эквивалентной обычным турбинам мощности ей потребуется значительно меньшее число оборотов.

Соответственно, она будет иметь и наилучшие удельные габаритно-массовые характеристики. Отпадает необходимость в использовании понижающих редукторов.

При переходе энергомашиностроения на турбины объемного расширения обеспечится резкое снижение стоимости изготовления энергетических установок, их габаритов и материалоемкости, многократное снижение удельного расхода пара и, соответственно, топлива на его генерацию, снижение сброса газов и теплоты из конденсаторов в атмосферу и водоемы и, соответственно, резкое повышение газовой и тепловой экологичности.

Наибольший эффект обеспечится в мобильных транспортных средствах – надводных и подводных судах, особенно при использовании в энергетической установке атомных подводных лодок с созданием эквивалентной, что и при использовании обычных турбин, мощности. При этом вместо двух атомных реакторов, двух турбин и значительной по размерам конденсационной системы, используемых в российских подлодках последних проектов, потребуется лишь один реактор, а также сократится состав элементов самой энергетической установки. Не нужны будут электрогенераторы, тяговые электродвигатели и понижающие редукторы. Резко сократится размер конденсационной установки, высвободятся площади для размещения полезной нагрузки – ракет, сократится персонал, обслуживающий энергетическую установку.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 02 (02) сентябрь 2012:

  • Тепловые двигатели ХХI века
    Тепловые двигатели ХХI века

    Все известные в настоящее время тепловые двигатели являются по существу генераторами тепла, производящими до 70 процентов тепловой энергии и лишь 30 процентов механической. <br>

  • Газовые турбины GE для Воронежской ТЭЦ-1 компании «Квадра»
    Газовые турбины GE для Воронежской ТЭЦ-1 компании «Квадра»

    ОАО «Квадра» использует газовые турбины производства GE при строительстве новой парогазовой установки мощностью 223 МВт на Воронежской ТЭЦ-1. <br>

  • Системы теплоснабжения городов Украины на грани развала
    Системы теплоснабжения городов Украины на грани развала

    На Украине наблюдается массовый развал системы теплоснабжения городов. Об этом сообщил директор Института промышленной экологии к. т.  н. Александр Сигал. <br>

  • Тарифы утверждены. Споры продолжаются
    Тарифы утверждены. Споры продолжаются

    Тепло и горячая вода за последние два месяца подорожали дважды. Напомним, с 1 июля согласно решению правительства РФ повысились тарифы на газ, электричество, тепло и воду. И если электроэнергия и газ сохранят уровень цен до <br>1 июля 2013 года, то тепло и вода подорожали еще и в сентябре – на 4 и 6 процентов. <br>

  • Реформирование ЖКХ: вчера, сегодня, завтра
    Реформирование ЖКХ: вчера, сегодня, завтра

    Опрос ВЦИОМа, который проводился перед прошедшими выборами, показал, что самая важная проблема, волнующая россиян, – жилищно-коммунальная. <br>