PL233053B1 - Turbina Tesli dla układów ORC pracujących z czynnikami niskowrzącymi i średniotemperaturowymi - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiot wynalazku. Przedmiotem wynalazku jest turbina Tesli dla układów ORC pracujących z czynnikami niskowrzącymi i średniotemperaturowymi.

Stan techniki. Obecnie coraz częściej poszukuje się możliwości zagospodarowania ciepła odpadowego, o stosunkowo niskich temperaturach rzędu 100^oC-200^oC, pochodzącego z różnego rodzaju instalacji energetycznych i procesów technologicznych. Medium, które jest nośnikiem ciepła odpadowego mogą być spaliny, woda, para wodna lub inne czynniki będące częścią procesów technologicznych lub utylizowane do atmosfery lub środowiska naturalnego. Z powodu relatywnie niskiej temperatury nie nadają się do zagospodarowania w klasycznych, parowych obiegach energetycznych. Układami, które umożliwiają wykorzystanie źródeł energii o takim potencjale, są obiegi ORC (Organic Rankine Cykle), w których turbina napędzająca generator zostanie zastąpiona turbiną Tesli.

W obiegach energetycznych, także w obiegach realizujących cykl Rankina kluczowym elementem jest turbina pracująca przy specyficznych dla czynników niskowrzących warunkach pracy. W klasycznej turbinie łopatkowej realizowany jest proces ekspansji czynnika, podczas której następuje konwersja energii termicznej oraz energii ciśnienia na energię mechaniczną, która jest przekazywana do układu łopatkowego, która powoduje obrót wału turbiny. Turbina stanowi napęd dla generatora prądu elektrycznego. W klasycznej turbinie łopatkowej, zarówno o konstrukcji osiowej jak i promieniowej (dośrodkowa lub odśrodkowa) wszelkie zjawiska związane z tarciem powodowanym występowaniem lepkości płynu roboczego są źródłem niepożądanych strat w przepływie, przyczyniając się do zmniejszenia sprawności przepływowej.

Wirnik turbiny Tesli, turbiny talerzowej, jest zbudowany z pakietu cienkich dysków zamocowanych na wale prostopadle do osi obrotu, w bardzo małych odstępach względem siebie. W przypadku turbiny Tesli spadek ciśnienia wymusza przepływ w przestrzeni międzydyskowej, natomiast źródłem momentu obrotowego są efekty lepkościowe i adhezyjne zachodzące w warstwie przyściennej przepływu. Czynnik roboczy poruszający się pomiędzy dyskami po torze spiralnym, przemieszczający się od zewnętrznego do wewnętrznego promienia powoduje powstanie momentu obrotowego na skutek tarcia przepływającej strugi czynnika o powierzchnię dysków. Przepływający płyn roboczy ciągnie za sobą opływaną powierzchnię wirnika. Znanych jest szereg wariantów i rozwiązań konstrukcyjnych mocowania dysków na wale oraz kształtowania przepływu czynnika roboczego pomiędzy wirującymi dyskami wirnika.

Z międzynarodowej publikacji nr US 1061206 A, znana jest pierwsza konstrukcja bezłopatkowej turbiny, która przedstawia ideę realizacji procesu konwersji energii od czynnika roboczego do wirnika turbiny. Wirnik składa się z pakietu wielu dysków, osadzonych na wale. Obracające się tarcze posiadają jeden duży otwór znajdujący się w osi obrotu. Dyski osadzone są na trójramiennych podkładkach, punkty mocowania znajdują się przy krawędzi wewnętrznego otworu. Podkładki, które jednocześnie stanowią elementy dystansowe pomiędzy dyskami są bezpośrednio zamocowane na wale. Cały układ jest podparty na dwóch łożyskach osadzonych w dwóch połówkach korpusu o podziale pionowym, prostopadłym do osi obrotu. Pomiędzy dwiema połówkami korpusu znajduje się element półpierścieniowy łączący część lewą i prawą. Element ten ma szerokość dostosowaną do pakietu dysków. Zasilanie odbywa się poprzez dwie dysze rozmieszczone stycznie do obwodu dysków, umieszczone po przeciwnych stronach korpusu, co ma umożliwić zmianę kierunku obrotów wirnika. W jednym momencie, podczas pracy wirnik jest zasilany z jednej dyszy.

Natomiast z opisu patentowego US 6973792 B2 znana jest bezłopatkowa turbina wykorzystująca efekty lepkościowe występujące w warstwie przyściennej przepływu. W zaproponowanym rozwiązaniu otwory wylotowe zostały wycięte w dyskach w taki sposób, że pozostawiono pewną część materiału, która tworzy cztery szprychy, których pryzmatyczne końce jednocześnie służą do osadzenia dysku w pierścieniu posiadającym odpowiednio przygotowane gniazda. Gniazda posiadają kształt pasujący do pryzmatycznych zakończeń szprych. Pierścień przytrzymujący wszystkie dyski jest osadzony na wale. Turbina jest zasilana z dysz rozmieszczonych na obwodzie. Dysze są ustawione pod pewnym kątem do zewnętrznego obrysu dysków. Dodatkowo pokazano dysze, które posiadają możliwość zmiany kąta zasilania. Dysze służą do wtrysku wody, w przypadku konstrukcji wykorzystującej turbinę Tesli jako turbinę gazową. Na zewnętrznym obwodzie dyski posiadają wcięcia, których przeznaczeniem ma być zwiększenie momentu obrotowego generowanego na dyskach. Zaproponowano także ukształtowanie struktury powierzchni dysków, tworzące spiralne kanały w przestrzeniach międzydyskowych.

PL 233 053 B1

Inny zaproponowany wariant wykonania dysków zakłada wykonanie pakietu dysków wraz z tarczami ograniczającymi komorę wirnika i dyfuzor kształtujący kanał przepływowy znajdujący się w osi otworu dysków jako jeden spójny element, wycięty z jednego lub dwóch fragmentów materiału. Wypływ czynnika roboczego w takim rozwiązaniu jest realizowany w jednym kierunku.

Publikacja oprócz propozycji konstrukcji wirnika i sposobu mocowania dysków przedstawia także szereg możliwych wariantów zastosowania talerzowego wirnika oraz przykłady połączenia wielu wirników tworząc kompletne urządzenia. Przykładem takiego zestawienia jest turbina gazowa, gdzie kompresor oraz stopień turbinowy są wykonane wg idei turbiny Tesli.

Również z opisu patentowego US 6503067 B2 znana jest bezłopatkowa turbosprężarka do zastosowania w silniku spalinowym. Urządzenie zawiera wał napędowy sprzężony z zespołem łożyskowym, który posiada turbinę napędzaną przez gazy z silnika spalinowego, na jednym końcu i napędzany przez turbinę kompresor zamocowany po drugiej stronie wału. Turbina i sprężarka posiadają płaskie tarcze ustalone w niewielkich odległościach od siebie przy pomocy trójramiennych podkładek o kształcie odpowiadającym szprychom powstałym po wykonaniu otworów wylotowych w dyskach. Pakiet dysków jest osadzony na wale w osi obrotu.

Kolejnym przykładem rozwiązania turbiny Tesli jest wykonanie według opisu patentowego US 7695242 B2, który opisuje konstrukcję turbiny wiatrowej z wirnikiem typu turbina Tesli. Wirnik turbiny zbudowany jest z szeregu dysków, osadzonych na wale przy pomocy trójramiennych podpór, które jednocześnie stanowią dystanse dla dysków. Blisko zewnętrznego obwodu dysków, pomiędzy dyskami, znajdują się profile aerodynamiczne pełniące rolę kierownic, rozmieszczone równomiernie na obwodzie. Ponadto zastosowano spiralny kanał zasilający, co zakłada zasilanie wirnika na całym obwodzie. Całość jest zamknięta w obudowie dwudzielnej, o podziale prostopadłym do osi obrotu wirnika.

Istota wynalazku. Turbina Tesli dla układów ORC pracujących z czynnikami niskowrzącymi i średniotemperaturowymi wyposażona jest w pierścień zasilania, w którym przepływ główny pary przed wlotem do wirnika jest równomiernie dzielony przy pomocy odpowiednio uformowanego pierścienia zewnętrznego łuku zasilania oraz segmentów (przegrody) formujących dysze zasilające. Dysze, które stanowią punktowy system zasilania wirnika, są równomiernie rozmieszczone wzdłuż całego obwodu pierścienia zasilającego. Każda dysza jest utworzona przez powierzchnie boczne dwóch sąsiadujących ze sobą segmentów. Liczba w ten sposób uformowanych dysz zasilających może być dowolna i wynika ze specyfiki zadanych warunków pracy i parametrów projektowych. Dodatkowo przegrody wraz z zewnętrznym segmentem kanału zasilającego posiadają tak dobrany kształt i rozmieszczone są wzdłuż obwodu kanału zasilającego w taki sposób, że za każdą dyszą następuje zmniejszenie przekroju poprzecznego kanału w stosunku odpowiednim do zmniejszającego się strumienia masy wzdłuż obwodu pierścienia zasilającego. Możliwe są dwa warianty wykonania takiej konstrukcji kanału dolotowego. W pierwszym wszystkie segmenty formujące dysze posiadają jednakową średnicę zewnętrzną natomiast kształt kanału uzyskuję się poprzez odpowiednio uformowany segment zewnętrzny. Drugi wariant zakłada zróżnicowanie średnicy zewnętrznej wszystkich wkładek. Segment zewnętrzny w takiej konfiguracji posiada stałą średnicę wewnętrzną lub może być wyeliminowany. Dzięki takiej konstrukcji wartość ciśnienia czynnika roboczego jest utrzymywana na stałym poziomie w całym pierścieniu zasilającym. Zapewnia to także jednakowy strumień masy w każdej z dysz zasilających.

Wirnik jest wykonany z pakietu płaskich dysków. Każdy z dysków posiada duży okrągły otwór znajdujący się w osi obrotu. Blisko wewnętrznej krawędzi centralnie umieszczonego otworu znajdują się małe otwory, które stanowią punkty osadzenia tarcz. Dyski są osadzone na prętach, które przechodzą przez otwory w dyskach. Obustronnie gwintowane pręty mocujące dyski są osadzone na kołnierzach znajdujących się na wale wirnika. Liczba prętów osadzających jest zależna od rozmiaru wirnika oraz parametrów pracy układu wirującego. Zakłada się zastosowanie od 3 do 5 prętów ustalających pozycję dysków. Osiowe rozmieszenie dysków na wale jest realizowane przy pomocy tulejek dystansowych zapewniających odpowiednie pozycjonowanie pakietu dysków względem sekcji zasilającej oraz przy pomocy okrągłych podkładek, nałożonych na pręty, znajdujących się pomiędzy dyskami w celu zachowania właściwej wzajemnej odległości pomiędzy sąsiadującymi dyskami. Pręty mocujące dyski są zamocowane na kołnierzu wału, który stanowi jego integralną część, po osadzeniu na nich wszystkich tulejek dystansowych, dysków i podkładek układ wirujący jest zamknięty przy pomocy tarczy osadzanej na wale, która jednocześnie stanowi punkt mocowania prętów po drugiej stronie pakietu dysków. Wał w centralnej części, w miejscu mocowania pakietu dysków pomiędzy kołnierzami

PL 233 053 B1 jest tak ukształtowany, aby w jego centralnej części umożliwić swobodny wypływ czynnika roboczego z przestrzeni międzydyskowych. Odprowadzenie czynnika do wylotu odbywa się w kierunku osiowym, po obu stronach pakietu dysków lub tylko w jednym kierunku w zależności od sposobu mocowania pakietu dysków na wale. Wał wirnika jest podparty na łożyskach tocznych znajdujących się po obu stronach pakietu dysków.

Przedmiotem wynalazku jest turbina Tesli dedykowana dla układów ORC pracujących z czynnikami niskowrzącymi i średniotemperaturowymi, jej wirnik jest zbudowany z pakietu dysków (2), który jest zamocowany na wale (1) przy pomocy prętów ustalających (3); pręty ustalające są obustronnie gwintowane, zamocowane w kołnierzach znajdujących się na wale; pomiędzy dyskami znajdują się podkładki dystansowe (5), cały komplet dysków jest pozycjonowany wzdłuż osi obrotu przy pomocy tulejek dystansowych (4L, 4P) nasuniętych na pręty ustalające (3); całość jest skręcona przy kołnierzu oporowym (6) i zabezpieczona podkładkami i nakrętkami (26, 27); konstrukcja wirnika jest zabezpieczona przed obrotem kołnierza oporowego (6) poprzez zastosowania wpustów ustalających (7); wał spoczywa na superprecyzyjnych łożyskach tocznych (8, 9); zasilanie układu przepływowego odbywa się w specjalnie ukształtowanym pierścieniu zasilającym, w którym znajduje się dysza lub seria dysz równomiernie rozmieszczonych na obwodzie; czynnik roboczy jest podawany na zewnętrznym obwodzie dysków i kierowany przez dysze do przestrzeni międzydyskowych; dysze zasilające są utworzone poprzez segmenty wewnętrzne (21,25) odpowiednio rozmieszczone na obwodzie; cały pierścień zasilający jest domknięty przez segment zewnętrzny (24) oraz pierścień zewnętrzny (22) tworzący część korpusu turbiny, do którego przymocowany jest króciec zasilający.

Turbina Tesli gdzie czynnik roboczy opuszcza przestrzenie międzydyskowe w kierunku promieniowym i przemieszcza się poprzez otwory znajdujące się w dyskach w osi obrotu, co nie powoduje wzajemnych interakcji poszczególnych strumieni i równomierne obciążenie wszystkich dysków.

Turbina Tesli gdzie pierścień zasilania jest zbudowany z odpowiednio ukształtowanych segmentów (21, 24, 25), które formują dysze zasilające; odpowiednie ukształtowanie i ułożenie segmentów zapewnia równomierne warunki zasilania na całym obwodzie pierścienia zasilającego.

Zaletą zastosowania pierścienia zasilającego nad dyskami wzdłuż całego obwodu, zawierającego segmenty formujące dysze i dzielące przepływ jest utrzymywanie stałego ciśnienia zasilania wzdłuż całego łuku zasilania. Ponadto taki sposób zasilania zapewnia jednakowy strumień masy w każdej z dysz zasilających, zapewniając optymalne i równomierne obciążenie dysków wzdłuż obwodu.

Zaletą turbiny jest uzyskanie równych parametrów zasilania na całym obwodzie poprzez równy podział strugi i wyrównanie ciśnienia przed każdą dyszą. Jest to możliwe dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu segmentów dzielących pierścień zasilający. Dodatkowo sposób mocowania dysków na wale zapewnia wylot czynnika roboczego z przestrzeni międzydyskowych w taki sposób, że strugi opuszczające poszczególne przestrzenie nie zakłócają się wzajemnie. Dzięki temu spadek ciśnienia we wszystkich szczelinach międzydyskowych w kierunku promieniowym jest wyrównany, co daje możliwość optymalnego i równomiernego wykorzystania energii czynnika we wszystkich szczelinach międzydyskowych oraz bardziej jednorodne obciążenie poszczególnych powierzchni dysków na wirniku.

Dodatkowo dzięki zastosowaniu dużych otworów wyciętych w centralnej części dysków realizujemy wypływ czynnika z przestrzeni międzydyskowych w kierunku promieniowym do przestrzeni, w której następuje mieszanie strumieni wylotowych z poszczególnych szczelin i zmiana kierunku przepływu na osiowy. Takie rozwiązanie znacznie zmniejsza wzajemne interakcje poszczególnych strumieni wylotowych ze szczelin międzydyskowych, ponieważ strumienie opuszczające przestrzenie międzydyskowe nie zakłócają się wzajemnie. Skutkuje to wyrównaniem spadków ciśnienia we wszystkich szczelinach międzydyskowych w kierunku promieniowym oraz zapewnia równomierne wykorzystanie energii czynnika roboczego i optymalne, równomierne obciążenie wszystkich dysków wirnika.

Objaśnienie figur na rysunku. Przedmiot opisywanego wynalazku jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia rysunek złożeniowy turbiny Tesli dla układów ORC, fig. 2 przedstawia pierścień zasilający z dyszami zasilającymi wirnik turbiny Tesli dla układów ORC. Wariant alternatywny wykonania kanału zasilającego przedstawia fig. 3. Szczegóły budowy samego wirnika przedstawia fig. 4 a widok poglądowy wirnika w rzucie izometrycznym fig. 5.

Przykład wykonania wynalazku. Rysunek złożeniowy przykładowego wykonania turbiny Tesli przestawiony na fig. 1 zawiera wirnik, który składa się z wału 1, oraz pakietu tarcz 2. Tarcze wirnikowe zostały osadzone na prętach 3, równomiernie rozmieszczonych na obwodzie. Pozycja osiowa dysków jest ustalona przy pomocy tulejek dystansowych 4L, 4P oraz szczeliny pomiędzy dyskami przy pomocy podkładek dystansowych 5. Pręty zespołu wirujących tarcz są z jednej strony osadzone na kołnie

PL 233 053 B1 rzu wału 1, z drugiej strony na kołnierzu oporowym 6, który jest ustalony i zabezpieczony przy pomocy wpustów 7. Cały wirnik jest podparty na superprecyzyjnych łożyskach tocznych 8, 9 osadzonych w podporach łożyskowych 10, 11 zamkniętych pokrywami łożyskowymi 12, 13. Przestrzenie łożyskowe oraz wyjście wału z korpusu zostały uszczelnione przy pomocy pierścieni uszczelniających 14, 15. Łożyska zostały zabezpieczone przy pomocy nakrętki łożyskowej 16 zabezpieczonej podkładką specjalną 17. Podpory łożyskowe 10, 11 są osadzone na głównych elementach korpusu 18L i 18P, do których są przykręcone przy pomocy śrub 20 tarcze tworzące przestrzeń dla wirujących dysków 19L, 19P, które zamykają korpus od góry. W płaszczyźnie ścian bocznych 18L, 18P znajdują się otwory wylotowe wyprowadzające czynnik roboczy do kolektora. Pomiędzy tarczami wyznaczającymi przestrzeń dla wirujących dysków znajdują się przegrody 21 pierścienia zasilającego, które formują dysze dolotowe na zewnętrznym obwodzie dysków roboczych. Kanał zasilający jest ograniczony pierścieniem zewnętrznym z króćcem przyłączeniowym 22. Króciec przyłączeniowy jest przykładowo pokazany w formie złącza kołnierzowego. Cała konstrukcja jest posadowiona na podporach 23.

Przekrój poprzeczny przez turbinę Tesli pokazujący przestrzeń dysków roboczych przestawiono na fig. 2. Widoczny jest na nim kanał zasilający składający się z 4 jednakowych segmentów 21, które są rozmieszczone równomiernie na obwodzie i formują dysze zasilające. Liczba segmentów zależy od ilości dysz zasilających i może się zmieniać w szerokim zakresie. Od zewnątrz kanał zasilający jest formowany przez segment zewnętrzny 24 o odpowiednim kształcie, którego zadaniem jest zmiana geometrii kanału wzdłuż obwodu pierścienia zasilającego. Cały kanał zasilający oraz centralną część korpusu zamyka pierścień zewnętrzny z króćcem przyłączeniowym 22. Inny wariant rozwiązania kanału zasilającego pokazano na fig. 3. Widoczne tu segmenty 25 kształtujące kanał zasilający oraz tworzące dysze zasilające posiadają różne średnice zewnętrzne. Ustawione są wg wielkości promienia zewnętrznego, od najmniejszego, wzdłuż obwodu pierścienia zasilającego. Szczegółowy widok sposobu mocowania dysków na wale przy pomocy prętów ustalających przedstawia fig. 4. Poglądowy rysunek 3D wirnika przedstawia fig. 5.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Turbina Tesli dedykowana dla układów ORC pracujących z czynnikami niskowrzącymi i średniotemperaturowymi jest, znamienna tym, że wirnik jest zbudowany z pakietu dysków (2), który jest zamocowany na wale (1) przy pomocy prętów ustalających (3); pręty ustalające są obustronnie gwintowane, zamocowane w kołnierzach znajdujących się na wale; pomiędzy dyskami znajdują się podkładki dystansowe (5), cały komplet dysków jest pozycjonowany wzdłuż osi obrotu przy pomocy tulejek dystansowych (4L, 4P) nasuniętych na pręty ustalające (3); całość jest skręcona przy kołnierzu oporowym (6) i zabezpieczona podkładkami i nakrętkami (26, 27); konstrukcja wirnika jest zabezpieczona przed obrotem kołnierza oporowego (6) poprzez zastosowania wpustów ustalających (7); wał spoczywa na superprecyzyjnych łożyskach tocznych (8, 9); zasilanie układu przepływowego odbywa się w specjalnie ukształtowanym pierścieniu zasilającym, w którym znajduje się dysza lub seria dysz równomiernie rozmieszczonych na obwodzie; czynnik roboczy jest podawany na zewnętrznym obwodzie dysków i kierowany przez dysze do przestrzeni międzydyskowych; dysze zasilające są utworzone poprzez segmenty wewnętrzne (21,25) odpowiednio rozmieszczone na obwodzie; cały pierścień zasilający jest domknięty przez segment zewnętrzny (24) oraz pierścień zewnętrzny (22) tworzący część korpusu turbiny, do którego przymocowany jest króciec zasilający.
2. 2. Turbina Tesli według zastrz. 1 jest znamienna tym, że czynnik roboczy opuszcza przestrzenie międzydyskowe w kierunku promieniowym i przemieszcza się poprzez otwory znajdujące się w dyskach w osi obrotu, co nie powoduje wzajemnych interakcji poszczególnych strumieni i równomierne obciążenie wszystkich dysków.
3. 3. Turbina Tesli według zastrz. 1 jest znamienna tym, że pierścień zasilania jest zbudowany z odpowiednio ukształtowanych segmentów (21,24, 25), które formują dysze zasilające; odpowiednie ukształtowanie i ułożenie segmentów zapewnia równomierne warunki zasilania na całym obwodzie pierścienia zasilającego.