Паросиловая установка

 

Изобретение относится к энергосудостроению для преобразования тепловой энергии в электрическую в судовой энергетической установке глубоководных аппаратов. Сущность изобретения: устройство содержит герметичный корпус 1 с турбиной 7, генератором 8 и конденсатором 9. Паровой котел 13с 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 Нерегретому 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. со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 01 К 13/00, 17/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4776536/06 (22) 04.01.90 (46) 15.03.92. Бюл.f410 (71) Мурманское высшее инженерное морское училище им. Ленинского комсомола (72) Л.И.Сень, В.А.Антипов, В.Ф.Штыков и

О.В.Фомин (53) 621,311 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

hh 1340598, кл. F 01 К 17/04, F 01 0 25/16, 1986. (54) ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА (57) Изобретение относится к энергосудостроению для преобразования тепловой энергии в электрическую в судовой энергетической установке глубоководных аппаратов. Сущность изобретения: устройство содержит герметичный корпус 1 с турИзобретение 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 рабо„„SU „„1719663А1

/ биной 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 йерегретому 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 пароге1719663 нератору и смещен относительно него к оси вращения, рабочее колесо насоса прикреплено к торцу парогенератора, а рабочее колесо турбины прикреплено к 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 ком пенсации 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, что конденсатор размещен в герметичном кор5 пусе, при этом последний выполнен с температурным компенсатором, а котел выполнен в форме спирали, охватывающей герметичный корпус, при этом теплообменные поверхности котла выполнены в виде

10 коаксиальна расположенных труб с образованием центральной-перегревательной, промежуточной-топочной и периферийнойиспарительной полостей.

В предложенной паросиловой установ15 ке паровой котел выполнен в виде полых спиральных пружин, ввернутых одна в другую по типу ".труба в трубе", причем внутренняя спираль является пароперегревателем, выполненным с возможностью перемеще20 ния перегретого пара по принципу противотока, внешняя спираль ограничивает испарительную камеру, а полость между пароперегреиателем и испарителем является топкой котла, во-вторых, турбина, генератор

25 и конденсатор заключены в единый герметичный корпус с гофрированным компенсатором температурных перемещений, в третьих этот корпус размещен внутри витков парового котла, коаксиально им и на

30 одной оси.

Оригинальная конструкция парового котла обеспечивает достаточную поверхность теплообмена и надежность его работы при больших внешних давлениях из-за

35 возможности свободных деформаций котла, а также из-за малых перепадов давлений между поверхностями теплообмена, Выполнение генератора, турбины и конденсатора в замкнутом герметичном корпу40 се исключает утечки и тем самым повышает надежность работы, а размещение этого корпуса внутри спиральной пружины котла коаксиально ей и на одной оси обеспечивает оптимальную компоновку устройства по

45 массогабаритным характеристикам. Кроме того, теплообменник конденсатора выполнен по принципу свободного конвективного теплообмена, что исключает необходимость установки специального насоса.

50 Предложейное решение существенно отличаЕтся от известного тем, что,во-пер- вых, парогенератор (паровой котел) выполнен конструктивно совершенно иным, во-вторых, рабочее колесо не прикреплено

55 к 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 герметич1719663

45

55 ности иэ-за отсутствия уплотнительных элементов, кроме того, в предложенной конструкции исключена необходимость в установке конденсаторного насоса, Кроме того, опоры ротора заключены внутри 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 предложенной конструкции 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

20 .25

35 теплообменнике за счет естественной конвекции.

Гофрированный компенсатор 2 температурных перемещений, являющийся естественным продолжением корпуса 1. жестко . связан с корпусом глубоководного аппарата

3, что обеспечивает воэможность свободного перемещения корпуса 1 вдоль вертикальной оси при изменении перепадов давлений и 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 пар поступает на направляющий аппарат 20 и рабочие лопатки турбины 7. Затем отработавший пар поступает в конденсатор 9 и конденсатосборник 10 и конденсируется;

Подпитка парового котла 13 осуществляется через инжектор 12 с помощью насыщенного пара по сигналу уровнемера 11. На роторе 4 установлен электрогенератор 8 с обмоткой в корпусе, который за счет вращения ротора вырабатывает электроэнергию, подаваемую на токовыводы. В качестве хладагента конденсатора 9 используется забортная вода. Циркуляция забортной воды реализована в трубках теплообменника за счет естественной конвекции, что исключает необходимость установки специальных насосов, В преобразователе энергии использован герметичный пароконденсатный цикл, при котором в пароводяном тракте 14 и 17 исключаются проблемы деаэрации, коррозии и отложений, Применение газостатических безызносных подшипников 5 и

6 с паровой смазкой исключает применение смазочного масла и проблемы утечек, связанной с образованием вредных примесей в воде и паре и снижающей эффективность теплообмена в аппаратах.

Оригинальная конструкция поверхности теплообмена парового котла в сочетании с жестким закреплением его среднего витка на корпусе 3 позволяет значительно снизить 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 40 7 перекись водорода, номинальная мощность генератора 100 кВт, параметры пара на выходе из котла: давление 2 МПа, температура перегретого пара

1719663

320 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 — 5500С, 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 удельными показателями по объему

0,0025 м / кВт, по массе 4,7 кг/кВт, что на порядок ниже соответствующих значений традиционных пароэнергетических установок.

Уменьшение или увеличение предельной глубины погружения аппарата соответ5 ственно приводит к уменьшению или увеличению 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 компоно15 вочного решения при использовании замкнутого цикла, а также низкими массо - габаритными характеристиками, за счет предельного упрощения конструкции, обоснованного расчетами и анализом экс20 плуатационных воэможностей.

Ресурс данной установки беэ ремонта и вскрытия 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 гене30 ратором выполнены в едином герметичном корпусе, конденсатор и устройство для подачи конденсата в котел, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности в условиях высоких внешних давлений и сни35 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.

1719663

Составитель Л.Сень

Техред М. Моргентал Корректор Т.Палий

Редактор А.Долинич. Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 753 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5