Die vorliegende Erfindung betrifft einen Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien, der einen Leitapparat, ein Laufrad und nahe dem Umfang des Laufrades angeordnete Fangkammern besitzt.
Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung des Turboseparators in einer Turbine.
Besonders effektiv ist die Verwendung des Turboseparators zur Trennung von mehrphasigen Medien in Turbinen der Atomkraftwerke, die von der Sättigungslinie oder mit geringer Überhitzung arbeiten.
Bekannt sind verschiedene Turboseparatoren zur Trennung von mehrphasigen Medien (siehe beispielsweise W. D. Wenediktow Untersuchung der Arbeit der pyrotativen Turbine auf zweiphasigem Strom mit flüssigen Teilchen , Zeitschrift Energetik Nr. 2, UdSSR, 1964), die einen Leitapparat, ein Laufrad und nahe dem Umfang des Laufrades angeordnete Fangkammern enthalten.
Jedoch sind alle bekannten Turboseparatoren nicht effektiv genug und gestatten es nicht, in die Fangkammern sogar jenen Anteil von Teilchen der schweren Phase der Strömung des mehrphasigen Mediums abzuführen, der mit den Schaufeln des Laufrades in Kontakt ist.
Es ist besonders wichtig, die schwere Phase aus dem Strömungsteil der Turbinen zu entfernen, die mit mehrphasigen Arbeitsmitteln arbeiten.
Eine der Ursachen der ungenügenden Effektivität der bekannten Turboseparatoren ist vor allem die Tatsache, dass auf ein Teilchen, das auf die Oberfläche der Laufradschaufeln gelangt ist, Coriolis-Kraft und aerodynamische Kraft wirken, die die Bewegungsbahn des Teilchens zur Austrittskante der Schaufel hin ablenken und die Abwurfeffektivität dieser Teilchen in die Fangkammer vermindern. Zugleich kann sich das Teilchen im Kanal des Laufrades bewegen, ohne mit der Oberfläche der Schaufel des Laufrades in Kontakt zu treten. Dadurch wird die Separierfähigkeit des Laufrades ebenfalls vermindert.
Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fähigkeit der Laufradschaufeln, die Teilchen der schweren Phase in die Fangkammern abzuwerfen, beträchtlich zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe des erfindungsgemässen Turboseparators gelöst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schaufeln des Laufrades, die mit einem sich ändernden Profil vom Fuss zum Umfang hin ausgeführt sind, am Fuss ein Turbinenprofil aufweisen, während der Eintrittswinkel des Profils am Umfang nicht grösser als 90" ist.
Die erfindungsgemässe Verwendung des Turboseparators ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung der mehrphasigen Medien wenigstens eine Stufe der Turbine aus dem Turboseparator besteht.
Die Sehne der Laufradschaufel kann zweckmässigerweise vom Fuss zum Umfang hin nicht mehr als um das Zweifache vergrössert sein.
Der Austrittswinkel des Profils der Schaufeln des Leitapparates kann zweckmässigerweise abnehmend zum Umfang hin ausgebildet sein, während der Abstand zwischen den Schaufeln des Laufrades und des Leitapparates eine Grösse von nicht weniger als einem Fünftel der Höhe des Leitapparates beträgt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien,
Fig. 2a den Kanal des Leitapparates am Schaufelfuss und Geschwindigkeitsvektoren verschiedener Phasen des Arbeitsmittels beim Austritt aus dem Kanal,
Fig. 2b den Kanal des Laufrades am Schaufelfuss,
Fig. 3a den Kanal des Leitapparates am Umfang und die Geschwindigkeitsvektoren verschiedener Phasen des Arbeitsmittels beim Austritt aus dem Kanal,
Fig. 3b eine Draufsicht auf den Kanal des Laufrades am Umfang,
Fig. 4a und 4b eine schematische Darstellung der Bewegungsbahn der Teilchen der schweren Phase über die Oberfläche der Laufradschaufeln, in Seitenansicht bzw. Draufsicht.
Der Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien enthält einen Leitapparat 1 (Fig. 1), der übliche Turbinenschaufeln 2 (oder gekrümmte Platten) besitzt, ein Laufrad 3 mit Schaufeln 42 unter diesem Laufrad 3 befinden sich zwei Fangkammern 5 und 6 zum Abführen der schweren Phase des Stroms des mehrphasigen Mediums, wobei im Spalt zwischen den Schaufeln 2 des Leitapparates 1 eine Fangkammer 7 mit Schlitzen 8 liegt, durch welche Teilchen der schweren Phase ebenfalls abgeführt werden.
Die Schaufeln 4 des Laufrades 3 weisen am Fuss (Schnitt nach II-II) übliches Turbinenprofil 9 (Fig. 2b) mit geringerer relativer Schaufelteilung tk = 'C bs < 0,5, dem Verhältnis des Abstandes zwischen den benachbarten Schaufeln zu ihrer Sehne (Fig. 3 b ), auf.
Zum Umfang hin (Schnitt nach I-I. Fig. 1) weisen die Schaufeln 4 ein Profil 10 (Fig. 3b) mit zunehmender Sehne b auf, um die minimale relative Teilung t" = ft < 0,6 auch b am Umfang zu gewährleisten.
Die Schaufeln 4 des Laufrades 3 weisen ein veränderliches Profil in der Höhe auf, wobei der Eintrittswinkel (Fig. 4b) des Profils dieser Schaufel stets geringer als 900 ausgeführt wird.
Der Austrittswinkel a, der Schaufel 2 des Leitapparates 1 ändert sich dem Betrag nach vom Fuss a1k (Schnitt nach II-II der Fig. 2a) der Schaufel 2 zu ihrem Umfang hin (Schnitt nach I-I), derart, dass der Austrittswinkel atn des Stroms des Arbeitsmittels am Umfang (Schnitt nach I-I, Fig.
3a) der Schaufel 2 des Leitapparates kleiner als am Fuss ist.
Die Verminderung des Austrittswinkels a, des Stroms des Arbeitsmittels aus dem Leitapparat 1 steigert den Drall des Stroms und-erhöht die Abwurfeffektivität der Teilchen der schweren Phase des Stroms des mehrphasigen Mediums zum Umfang hin.
Der Achsabstand a (Fig. 1) zwischen dem Leitapparat 1 und dem Laufrad 3 wird grösser als bei den bekannten Turboseparatoren gewählt.
Dies erlaubt eine grössere Anzahl von Teilchen der schweren Phase zum Umfang hin zu trennen und die Fangkammer 7 mit Schlitzen 8 anzuordnen.
Es ist bekannt, dass sich die Verminderung der Umfangsgeschwindigkeiten der Laufradschaufeln 4 auf die Verbesserung der Abtrennung der schweren Phase in die Fangkammer 5 und 6 günstig auswirkt, wozu zweckmässigerweise das Laufrad 3 auf Lagern 11 (Fig. 1) angeordnet wird.
In diesem Falle erzeugt das Laufrad 3 keine positive Leistung, und die Schaufeln 4 des Laufrades 3 werden so ausgeführt, dass ihr Umfangsteil einen Eintrittswinkel ss c 90" hat und im Verdichterbetrieb arbeitet, während der Fuss (Schnitt nach II-II) der Schaufeln 4 des Laufrades 3 im Turbinenbetrieb arbeitet.
Das Leistungsverhältnis am Umfangs- und Fussteil der Schaufeln 4 des Laufrades 3 gibt in einem jeden Falle die Möglichkeit, eine beliebige, im voraus vorgegebene Drehzahl des Laufrades 3 und den maximalen Effekt bei der Entfernung der schweren Phase zu erzielen.
Der vorgeschlagene Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien kann selbständig (beispielsweise in einer Gasleitung am Eingang in die Anlage usw.) eingesetzt werden.
Mehrere solche Einrichtungen, die nacheinander angeordnet sind, bilden eine mehrstufige Variante des Turboseparators zur Trennung von mehrphasigen Medien.
Hierbei sind die nachfolgenden Stufen noch effektiver, weil schon am Eingang in den eigenen Leitapparat am Umfang ein Medium mit erhöhter Konzentration von schweren Phasen ist.
Infolgedessen ist die Verwendung der vorgeschlagenen Einrichtung in den mehrstufigen Turbinen ausserordentlich effektiv, die mit mehrphasigem Arbeitsmittel als eine oder mehrere Turbinenstufe arbeiten, wobei das Laufrad der Turbine mit der Turbinenwelle starr verbunden sein und gleiche Drehzahl mit dieser haben kann, indem es, wenn auch mit verringertem Wirkungsgrad die Nutzleistung erzeugt.
Jedoch wird der grösste Effekt bei Trennung der Phasen des Stroms des mehrphasigen Mediums bei geringen Umfangsgeschwindigkeiten (unter 150 m/sek) erzielt, weshalb das Laufrad 2 zweckmässigerweise ebenfalls auf den Lagern 11 angeordnet wird.
Die Verwendung dieses Turboseparators in der Turbine als Zwischenstufe gestattet es, die schwere Phase des mehrphasigen Arbeitsmittels zu trennen, die den Strömungsteil der Turbine zerstört und ihre Effektivität verringert.
Hierbei wird eine zuverlässige und wirtschaftlichere Arbeit der nachfolgenden Stufen gewährleistet.
An der Anordnungsstelle des vorgeschlagenen Turboseparators in der Turbine wird zweckmässigerweise die Entnahme des mehrphasigen Arbeitsmittels hinter dem Laufrad 3 verwendet, derart, dass in die Fangkammer 6 die schwere Phase abgeführt wird. Dies verringert die Rückkehr der schweren Phase in den Strom des Strömungsteiles der Turbine und erhöht die Effektivität deren Entfernung.
Die Abführung der schweren Phase zusammen mit einem Teil des Arbeitsmittels ist auch für die Fangkammer 6 und 7 gerechtfertigt, jedoch ist es in diesem Falle ökonomisch nicht zweckmässig, das Arbeitsmittel mehr als 1-2So zu entnehmen.
Die Verwendung des vorgeschlagenen Turboseparators als zwischengeschaltete Turbinenstufe in einer mehrstufigen Turbine führt verständlicherweise zu einer beträchtlichen Verzerrung des Geschwindigkeitsfeldes des Stroms des Arbeitsmittels in der Schaufelhöhe am Eingang in die nachfolgende Turbinenstufe.
Deswegen muss zwecks Verminderung von Verlusten der Leitapparat 1 der nachfolgenden Stufe mit Rücksicht auf diese Verzerrung ausgeführt werden.
Die Verwendung des vorgeschlagenen Turboseparators auch als nachfolgende Stufe in einer mehrgehängigen Turbine liefert gleichfalls einen hohen ökonomischen Nutzeffekt.
Durch Anordnung dieses Turboseparators als nachfolgende Stufe im ersten Gehäuse kann man die schwere Phase entfernen und auf den aussenliegenden sperrigen und teuren Separator verzichten.
In diesem Falle sind die Verluste um vieles geringer als in der (Dampf-) Gasleitung und in dem aussenliegenden Separator selber.
Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Turbine wird vor dem Laufrad 3 des Turboseparators, wenn es als letzte Stufe angeordnet ist, in nicht minder zweckmässiger Weise ein Entdrallapparat angebracht, der den Drall des Stroms aus dem Laufrad 3 austretenden des Arbeitsmittels vermindert.
Der Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien und Turbine mit Anwendung desselben arbeiten folgenderweise.
Das mehrphasige Medium läuft durch den Leitapparat 1, tritt aus ihm unter einem Winkel von a, (Fig. 2a) aus und wird verwirbelt Die schwersten Teilchen suchen sich längs Tangenten an die zylindrischen Oberflächen des Turbinengehäuses zu bewegen.
Infolgedessen verschiebt sich die Hauptmasse der schweren Phase zum Umfang hin (schnitt nach I-I).
Natürlicherweise sammeln sich desto mehr dieser Teilchen am Umfang, je grösser der Achsabstand zwischen dem Leitapparat 1 und dem Laufrad 3 ist.
Die Teilchen der schweren Phase erreichen die Fangkammer 7 und werden durch die Schlitze 8 zusammen mit einem Teil des Arbeitsmittels aus dem Strömungsteil der Einrichtung abgeführt.
Der Hauptstrom des Arbeitsmittels gelangt zum Eingang in das Laufrad 3 bereits mit einer ungleichmässigen Verteilung von Teilchen der schweren Phase in der Höhe der Schaufel 4. Praktisch werden alle grösseren Teilchen der schweren Phase schon in der oberen Hälfte der Schaufeln 4 des Laufrades 3 konzentriert sein, während sich am Fuss (Schnitt nach II-II) nur einige Teilchen befinden werden, deren absolute Geschwindigkeit C' von der Geschwindigkeit C des Arbeitsmittels (Fig. 2a) wenig unterscheidet. Diese Teilchen folgen hinter dem Strom des Arbeitsmittels her und treten eigentlich mit den Schaufeln 4 des Laufrades 3 nicht in Kontakt, weil die relative Geschwindigkeit der Teilchen W' von der relativen Geschwindigkeit W des Arbeitsmittels ebensowenig unterscheidet.
Eben aus diesem Grunde weisen die Schaufeln 4 des vorgeschlagenen Turboseparators am Fuss ein Turbinenprofil 9 (Fig. 2b) auf, das im optimalen Regime arbeitet.
Zugleich ist am Umfang die Hauptmenge der Teilchen der schweren Phase konzentriert, weshalb am Ausgang aus dem Leitapparat 1 die Teilchen hinter dem Hauptstrom des Arbeitsmittels beträchtlich zurückbleiben, d. h. die absolute Geschwindigkeit der Teilchen C" (Fig. 3a) ist am Umfang um vieles geringer als die Geschwindigkeit C des Arbeitsmittels. Eine noch stärkere Abweichung der Geschwindigkeiten der Phasen ist bei der relativen Bewegung zu sehen, d. h. die relative Geschwindigkeit der Teilchen W" W am Umfang.
Auf die mit den Schaufeln 4 des Laufrades 3 kontaktierenden Teilchen der schweren Phase wirken ausser den aerodynamischen auch noch Flieh- und Corioliskräfte sowie Reibungskräfte an der Oberfläche der Schaufeln 4. Bekanntlich wird die Bewegungsbahn dieser Teilchen an der Oberfläche der Schaufeln 4 des Laufrades 3 vor allem durch die Richtung der Corioliskräfte bestimmt.
Die aerodynamischen Kräfte lenken die Bewegungsbahn der schweren Phase zur Austrittskante ab und wenn die Komponente der Coriolis-Kraft (bei dem Eintrittswinkelss > 90 ) auch in dieser Richtung wirkt, so wird die schwere Phase wieder in den Strom des Arbeitsmittels abgeworfen und kann die Fangkammern 5 und 6 nicht erreichen.
In dem vorgeschlagenen Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien und in der Turbine mit Anwendung desselben werden die Schaufeln 4 des Laufrades 3 auf solche Weise ausgeführt, dass die Coriolis-Kraft in Richtung zur Eintrittskarte der Schaufel 4 hin wirkt, d. h. der Eintrittswinkel ss des Profils 9 der Schaufel 4 des Laufrades 3 ist geringer als 90" (Fig. 4b).
Dank der Tatsache, dass die Wirkung der Coriolis-Kraft praktisch immer stärker als die der aerodynamischen Kraft ist, wird die schwere Phase des Stroms des Arbeitsmittels, die mit den Schaufeln 4 des Laufrades 3 in Kontakt steht, auf der
Oberfläche der Schaufeln 4 zurückgehalten und bewegt sich zum Umfang hin gegen den Strom des-Arbeitsmittels (Fig. 4a).
Der Pfeil A in den beiden Fig. 4a und 4b deutet die Bewe gungsrichtung des Arbeitsmittels an.
Auf diese Weise steigt die Wahrscheinlichkeit des Ab wurfs von Teilchen, die mit den Schaufeln 4 des Laufrades 3 in Kontakt stehen, in die Fangkammern 5 und 6 beträchtlich an.
Die Teilchen, die von den Eintrittskanten der Schaufeln 4 zurückgestrahlt wurden, und die Teilchen der schweren Phase, die nach vorn gegen den Strom unter Einwirkung von Coriolis-Kräfte angeworfen wurden, treten, indem sie durch den Strom des Arbeitsmittels zurückgeführt werden, mit den Schaufeln 4 des Laufrades 3 erneut in Kontakt, jedoch aber in einer grösseren Höhe.
Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Teilchen auf die Schaufeln 4 des Laufrades 3 gelangen, steigt mit abnehmender Teilung der Schaufeln 4 an.
Infolge dieses Prozesses wird die schwere Phase ebenso in die Fangkammer 5 abgeführt.
Zur Erhöhung der Effektivität der Entfernung von Teilchen der schweren Phase sind die Fangkammern 5 und 6 (Fig. 1) auf solche Weise angeordnet, dass die schwere Phase unmittelbar in diese Kammern abgeworfen werden könnte, wobei diese Anordnung der Kammern 5 und 6 nicht zur Verringerung der Wirtschaftlichkeit der Anlage führt.
Dadurch, dass der Eintrittswinkel ss des Profils der Schaufel 4 des Laufrades kleiner als 90" ist, kann die Bewegung der Teilchen der schweren Phase, die mit der Oberfläche dieser Schaufeln 4 in Kontakt stehen, zum Umfang hin und gegen den Strom des Arbeitsmittels gerichtet werden.
Intensive Abführung der schweren Phase hinter dem Leitapparat 1 in die Fangkammer 7, besseres Fangen von Teilchen der schweren Phase über den Schaufeln 4 des Laufrades 3 in den Fangkammern 5 und 6 zusammen mit Absaugung und Entnahme eines Teiles des Arbeitsmittels gestatten es, aktuelles und wichtiges technisches Problem der Trennung von mehrphasigen Medien zu lösen.
Natürlicherweise kann die vorgeschlagene Einrichtung noch durch eine Reihe von bereits bekannten konstruktiven Lösungen ergänzt werden, die die Effektivität der Entfernung der schädlichen schweren Phase erhöhen, wie beispielsweise Entfernung der schweren Phase durch die Schlitze von der Oberfläche der Schaufeln des Leitapparates, Anbringung von Nuten auf der Eintrittskante dieser Schaufeln u.a.m.
Die Verwendung des vorgeschlagenen Turboseparators in den Turbinen der Atomkraftwerke gestattet es, auf aussenliegende Separatoren und Überhitzer zu verzichten, was die Betriebs eigenschaften beträchtlich verbessert und die Sicherheit des Bedienungspersonals erhöht.
PATENTANSPRUCH 1
Turboseparator zur Trennung von mehrphasigen Medien, der einen Leitapparat, ein Laufrad und nahe dem Umfang des Laufrades angeordnete Fangkammern besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln des Laufrades, die mit einem sich ändernden Profil vom Fuss zum Umfang hin ausgeführt sind, am Fuss ein Turbinenprofil aufweisen, während der Eintrittswinkel des Profils am Umfang nicht grösser als 90" ist.
UNTERANSPRÜCHE
1. Turboseparator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehne der Schaufel des Laufrades vom Fuss zum Umfang hin nicht mehr als um das Zweifache zunimmt.
2. Turboseparator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittswinkel des Profils der Schaufeln des Leitapparates zum Umfang hin abnimmt.
3. Turboseparator nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Schaufeln des Laufrades und des Leitapparates eine Grösse von nicht weniger als einem Fünftel der Höhe des Leitapparates beträgt.
PATENTANSPRUCH II
Verwendung des Turboseparators nach Patentanspruch I in einer mit mehrphasigen Arbeitsmedien arbeitenden Turbine, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung der mehrphasigen Medien wenigstens eine Stufe der Turbine aus dem Turbinenseparator besteht.
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