Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла
Розглянута можливість утилізації низькопотенціального тепла у гідропаровий турбіні з
 радіальним каналом, що описується рівнянням гвинтової лінії із зміною напряму руху робочого тіла. Пропоноване технічне рішення забезпечує збільшення крутильного моменту і, отже, потужності турбіни. The cons...
Saved in:
| Published in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53665 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла / А.Ф.Булат, И.Ф. Чемерис, Д.Н. Пимоненко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 294-299. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860015978545414144 |
|---|---|
| author | Булат, А.Ф. Чемерис, И.Ф. Пимоненко, Д.Н. |
| author_facet | Булат, А.Ф. Чемерис, И.Ф. Пимоненко, Д.Н. |
| citation_txt | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла / А.Ф.Булат, И.Ф. Чемерис, Д.Н. Пимоненко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 294-299. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Розглянута можливість утилізації низькопотенціального тепла у гідропаровий турбіні з
радіальним каналом, що описується рівнянням гвинтової лінії із зміною напряму руху робочого тіла. Пропоноване технічне рішення забезпечує збільшення крутильного моменту і, отже, потужності турбіни.
The considered possibility utilization low-potential heat in hydrosteam turbine with radial
channel, described by equation to screw line with change direction movement of reaction mass. The offered technical decision provides increase twisting moment and, hence, power of the turbine.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:45:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
294
УДК 662.613.125:[621.224+621.18].001.2
Академик НАН Украины А.Ф.Булат
канд. техн. наук И.Ф. Чемерис
инж. Д.Н. Пимоненко
(ИГТМ НАН Украины)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ГИДРОПАРОВОЙ
ТУРБИНЫ СО ЗНАКОПЕРЕМЕННЫМ ДВИЖЕНИЕМ РАБОЧЕГО
ТЕЛА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ИЗБЫТОЧНОГО
НИЗКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО ТЕПЛА
Розглянута можливість утилізації низькопотенціального тепла у гідропаровий турбіні з
радіальним каналом, що описується рівнянням гвинтової лінії із зміною напряму руху робо-
чого тіла. Пропоноване технічне рішення забезпечує збільшення крутильного моменту і, от-
же, потужності турбіни.
THEORETICAL BASES OF DEVELOPMENT THE HYDROSTEAM
TURBINE WITH SIGN-VARIABLE MOVEMENT OF REACTION MASS
FOR UTILIZATION REDUNDANT LOW-POTENTIAL HEAT
The considered possibility utilization low-potential heat in hydrosteam turbine with radial
channel, described by equation to screw line with change direction movement of reaction mass. The
offered technical decision provides increase twisting moment and, hence, power of the turbine.
В настоящее время особую важность получила задача увеличения доли
электроэнергии, вырабатываемой за счет нетрадиционных и возобновляемых
видов энергоресурсов. Это связано, во-первых, с растущей стоимостью добы-
ваемого углеводородного топлива, и, во-вторых, с ратификацией нашей страной
в 2004 году Киотского протокола по снижению выбросов парниковых газов в
атмосферу. Существенной составляющей комплексного решения данной задачи
может быть полезное использование источников низкопотенциальной теплоты,
например в виде воды с температурой 90 ÷ 150 °С при реализации гидропарово-
го цикла.
Одним из возможных вариантов практической реализации гидропарового
цикла является гидропаровая турбина (ГПТ), работающая по принципу сегне-
рова колеса, которая отличается простотой схемы и конструкции [1-2]. В работе
ГПТ реализуются два основных физических явления. Первое − вращение ГПТ
за счет действия реактивных сил (моментов) струй вытекающей двухфазной
смеси. Второе − образование двухфазной смеси в потоке недогретой до насы-
щения воды при падении давления горячей воды в потоке до давления насы-
щенных паров. Именно явление парообразования воды в потоке позволяет в ус-
тановке с ГПТ полезно утилизировать энтальпию, запасенную в нагретой воде,
путем выработки электроэнергии при помощи электрического генератора, раз-
мещенного на валу турбины [3].
При разработке гидропаровых турбин следует учитывать действие инерци-
онных сил (центробежных и кориолисовых), которые в зависимости от конфи-
гурации радиального канала могут оказывать как позитивное, так и негативное
влияние на крутящий момент турбины. Для полезного использования кориоли-
совых и центробежных сил предложена турбина с радиальным каналом, описы-
295
ваемым уравнением винтовой линии с изменением направления скорости дви-
жения рабочего тела [4]. В основу предлагаемого технического решения по-
ставлена задача усовершенствования реактивной турбины, в которой прямоли-
нейный радиальный участок канала выполнен в виде цилиндра, в который по-
мещен закрытый винтовой канал. На рис.1 в качестве примера представлена
схема гидропаровой реактивной турбины с каналами подвода рабочего тела,
размещенными в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора. Реактив-
ная турбина содержит ротор (1) с каналами (2) подвода рабочего тела к соплам
(3), подсоединенными к полости (4), размещенной на валу (5) турбины. Канал
содержит прямолинейный радиальный участок, выполненный в виде цилиндра
(6), в котором размещен винтовой канал (7), состоящий из чередующихся подъ-
емных (8) и опускных (9) дуговых каналов. Места сопряжения (10) дуговых ка-
налов между собой находятся на противоположных сторонах цилиндра, при
этом смещены соответственно друг относительно друга на величину номиналь-
ного шага. Последний опускной дуговой канал смещен относительно предыду-
щего на шаг, отличающийся от номинального и соединен с диаметральным ка-
налом (11), который в свою очередь связан с криволинейным каналом (12) с ус-
тановленным соплом (3).
1 – ротор турбины; 2 – каналы подвода рабочего тела; 3 – сопло; 4 – полость; 5 – вал; 6
– цилиндр; 7 – винтовой канал; 8 и 9 – подъемные и опускные дуговые каналы; 10 – сопря-
жения каналов; 11 – диаметральный канал; 12 – криволинейный участок.
Рис.1 – Общий вид гидропаровой турбины
296
Турбина работает следующим образом: рабочее тело (вода, пар, газ), прохо-
дя последовательно через чередующиеся подъемные и опускные каналы соз-
дает сосредоточенную в середине каждого дугового опускного канала корио-
лисову силу, возникающую при наличии скорости потока и окружной скорости
вращения турбины, проекция которой создает крутящий момент, а в середине
каждого подъемного канала тормозной момент турбины, которые, в основном,
компенсируют друг друга, существенно уменьшая негативное влияние выше-
упомянутой силы на крутящий момент турбины. Кроме того, в местах сопряже-
ния чередующихся подъемных и опускных каналов между собой, которые на-
ходятся на максимальном и минимальном расстоянии от продольной оси вала
турбины, возникают дополнительные центробежные силы, направленные в
противоположные стороны, проекции которых создают в результате дополни-
тельный крутящий момент, совпадающий с основным крутящим моментом
турбины, создаваемый реактивной силой истекающей из сопла двухфазной
струи и внецентренной центробежной силой, создаваемой потоком рабочего те-
ла в центре криволинейного участка. В результате суммарный крутящий мо-
мент турбины и, следовательно, ее мощность увеличиваются.
Расчет потока рабочего тела в 3-х мерном пространственном винтовом ка-
нале представляет большие трудности, поэтому приходится прибегать к упро-
щающим представлениям, одним из которых является математическое описа-
ние развертки винтового канала с линейной аппроксимацией. На рис. 2 приве-
дена линеаризованная развертка канала ГПТ со знакопеременным движением
рабочего тела. По оси абсцисс расположены значения величины угла поворота
вокруг оси винтовой линии ϕ, по оси ординат пошаговая высота расположения
витков Z. Каждый виток состоит из двух ветвей, подъемной и опускной, угол
подъема винтовой линии обозначим α, угол спуска − β (на развертке изобра-
жаются проекции углов соответственно подъемной и опускной ветви к плоско-
сти x0y). Угол спуска опускной ветви последнего витка обозначим 1θ , смещение
данного участка является необходимым для предотвращения пересечения диа-
метрального канала, соединяющего опускную ветвь последнего витка винтово-
го канала и дополнительный криволинейный канал, с предыдущим витком. На
развертке нанесены характерные точки, отмечающие начало, завершение и се-
редину каждого витка и полувитка винтового канала. В характерных точках
указаны инерционные силы (центробежная цбF и кориолисова корF ) и состав-
ляющие этих сил цбF ′ и корF ′ , действующие по или против направления движе-
ния ротора турбины и создающие крутящие или тормозные моменты.
297
Рис.2 – Расчетная схема винтового канала ГПТ в развертке
Согласно рис. 2 по известным тригонометрическим выражениям можно оп-
ределить величины углов α, β, 1θ , а также длины рассматриваемых полувитков
il , предварительно отметив, что длина полувитков, на которых направление
действия кориолисовой силы корF совпадает, одинакова, кроме полувитка т.10–
т.11–т.12 по причине смещения опускной ветви последнего витка на величину
– 0,5h.
10986542101 ------ llll === ; 8764322 ---- lll == ; 1211103 --ll = . (1)
Для проведения инженерного (предварительного) расчета приняты следую-
щие допущения:
– вышеперечисленные участки винтового канала, образованные дугами
подъемных и опускных ветвей, представляют собой полуокружности, длина ду-
ги которых численно равна длине дуги полуэллипса;
– расчет углов действия центробежных сил в характерных точках относи-
тельно плоскости x0y (на развертке рис.2 относительно оси ϕ), проводится по
формулам:
2/)( βαγ += ; 2/)( 11 θατ += , (2)
298
где γ – угол в т.2, т.4, т.6, т.8;
1τ – угол в т.10.
В общем виде величина вращающего момента М равна [5]:
RFM ⋅±= , (3)
где F – модуль приложенной силы, Н;
R – плечо приложенной силы, м.
Расчет тормозных и крутящих моментов ведется по известным тригономет-
рическим зависимостям с учетом вектора действия инерционных сил. Значения
дополнительных крутящих моментов, способствующих вращению гидропаро-
вой турбины, будем считать положительными, а значения тормозных моментов,
препятствующих вращению, отрицательными.
Для 1-го витка винтового канала с учетом вышеуказанного правила знаков
результирующий момент может быть определен из выражений:
( )1132113 )sin()sin(2 RαlRβlωGMMM торм I
кор
кр I
кор
рез I
кор ⋅⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=−= , (4)
)()cos( 42142 RRγvGπMMM i
торм I
цб
кр I
цб
рез I
цб −⋅⋅⋅⋅=−= , (5)
где кр I
корM 3 и торм I
корM 1 – соответственно крутящий и тормозной моменты от
действия кориолисовой силы в характерных точках т.3 и т.1, Н⋅м;
кр I
цбM 2 и торм I
цбM 4 – крутящий и тормозной моменты от действия центробежной
силы в характерных точках т.2 и т.4, Н⋅м.
R – плечо приложенной силы, определяется по развертке канала (рис.2).
Для i-го витка (при условии 1<i<n):
))sin()sin((2 12132211232 ++++ ⋅⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=−= iiii RαlRβlωGMMM торм i
кор
кр i
кор
рез i
кор (6)
)()cos( 422214222 ++++ −⋅⋅⋅⋅=−= iiii RRγvGπMMM i
торм i
цб
кр i
цб
рез i
цб , (7)
где кр i
кор iM 32 + и торм i
кор iM 12 + – соответственно крутящий и тормозной моменты от
действия кориолисовой силы в характерных точках т.(2i+3) и т. (2i+1), Н⋅м;
кр i
цб iM 22 + и торм i
цб iM 42 + – крутящий и тормозной моменты от действия центробеж-
ной силы в характерных точках т.(2i+2) и т. (2i+4), Н⋅м.
Для последнего n витка винтового канала:
299
))sin()sin((2 121321311232 ++++ ⋅⋅−⋅⋅⋅⋅⋅=−= nnnn RαlRθlωGMMM торм n
кор
кр n
кор
рез n
кор , (8)
))cos()(cos( 42122114222 ++++ ⋅−⋅⋅⋅⋅=−= nnnn RθRτvGπMMM i
торм n
цб
кр n
цб
рез n
цб . (9)
Моменты от действия инерционных сил в винтовом канале:
∑
=
=
n
i
рез i
кор
сум
кор MM
1
; ∑
=
=
n
i
резi
цб
сум
цб MM
1
, (10)
Для определения суммарного момента и мощности на валу ГПТ с винтовым
каналом и криволинейным участком при трехсопловой схеме:
( )ркр
торм
кр
кр
сум
цб
сум
корсум MMMMMM ++++⋅= 3 , (11)
310−⋅⋅= ωМР сумсум , (12)
где кр
крM – крутящий момент от действия центробежной силы на криволи-
нейном участке, Н⋅м;
кр
тормM – тормозной момент от действия кориолисовой силы на криволиней-
ном участке, Н⋅м;
pM – крутящий момент от действия реактивной силы, Н⋅м.
На основании вышеизложенного можно сделать заключение о том, что гид-
ропаровая турбина (ГПТ), содержащая винтовой канал со знакопеременным
движением рабочего тела, может рассматриваться как эффективное и надежное
техническое средство утилизации избыточного низкопотенциального тепла.
Такое конструктивное решение позволяет создать дополнительный крутящий
момент от действия центробежных сил в закрытом винтовом канале, совпа-
дающий с основным крутящим моментом, а также уменьшить негативное влия-
ние силы Кориолиса, оказывающей тормозное воздействие на основной крутя-
щий момент турбины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2184244 Российская Федерация (RU), 7 F01D 17/04. Гидропаровая турбинная установка / Мильман
О.О., Федоров В.А., Брусницын Н.А.-№ 2000123491/06; Заявл. 11.09.2000; Опубл. 27.06.2002, Бюл. № 18.- 3 с.
2. Пат. 2193669 Российская Федерация (RU), 7 F01D 1/32. Реактивная турбина / Мильман О.О., Демичева
Д.И., Духнович А.А., Голдин А.С. - № 2000124778/06; Заявл. 29.09.2000; Опубл. 27.11.2002, Бюл. № 33.- 3 с.
3. Булат, А.Ф. Научно-технические основы создания шахтных когенерационных энергетических комплек-
сов / А.Ф. Булат, И.Ф. Чемерис. – Киев: Наукова думка, 2006. – 176 с.
4. Патент на корисну модель №63198. Україна (UA), F01D 1/32. Реактивна турбіна / Булат А.Ф., Чемерис
І.Ф., Пимоненко Д.М. - №u201106646; Заявл. 27.05.2011; Опубл.26.09.2011, Бюл.№18. – 3 с.
5. Тарг, С.М. Краткий курс теоретическое механики /С.М.Тарг. – М.:Издательство "Наука", 1967. – 480 с.
300
УДК 622.281; 678.067.5
Канд. техн. наук С.А. Курносов
(ИГТМ НАН Украины)
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ
ЗАТЯЖЕК ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
Наведено результати лабораторних досліджень по оптимізації конструктивних параметрів склопластиково-
го затягу гірничих виробок підвищеної несучої здатності для складних гірничо-геологічних умов.
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF GLASS PLASTIC LACING OF
THE HIGH MAINTAINING ABILITY
Results of laboratory researches on optimisation of design parameters of glass plastic lacing of
mining developments of the high maintaining ability for difficult mining-and-geological conditions.
В последние годы пластиковые материалы получают все более широкое
применение в различных областях промышленности (строительство, машино-
строение и т.д.). Связано это, прежде всего, с высокой развитостью технологий
производства пластиков с необходимыми для различных условий применения
прочностными характеристиками. В горнодобывающей отрасли пластики пока
не получили столь широкого распространения, что объясняется недостаточной
исследованностью возможностей замены традиционно применяемых материа-
лов пластиками, в частности, дерева, металла и бетона при креплении подзем-
ных выработок [1]. ИГТМ НАН Украины проводятся результативные исследо-
вания в данном направлении – разработаны стойки, верхняки, анкеры из стек-
лопластиковых материалов [2]. Кроме того, ведутся работы в направлении соз-
дания затяжки горных выработок на основе стеклопластиков – установлены ра-
циональные для различных горно-геологических условий форма затяжки и со-
став стеклопластика (в качестве наполнителя – различные виды стеклоткани, в
качестве связующего – различные смолы, клеи и лаки) [3, 4].
При значительных нагрузках на крепь, что характерно для условий больших
глубин разработки, длительных сроков службы выработок, включая их повтор-
ное использование, требуются затяжки с большой несущей способностью, ко-
торые в сочетании с металлической арочной, комбинированной арочно-
анкерной или сугубо анкерной крепью выполняли бы роль несущей и ограж-
дающей конструкции. В качестве таких затяжек предлагаются ранее разрабо-
танные складчатые трапецеидальные затяжки из стеклоткани типа НП и лака
бакелитового ЛБС с высотой гофра 50 мм, дополнительно армированные дере-
вянными брусьями, металлическими полосами.
К исследованию приняты пять модификаций армирования пластиковых за-
тяжек:
– затяжка складчатая трапецеидальная четырехслойная, шириной 250-
1000 мм, с высотой гофра 50 мм, с запрессованными тремя (шестью) деревян-
ными брусками размером 30х50 мм в гофрах между слоями стеклоткани типа
НП-230, НП-450, НП-550 или НП-750 (рис. 1, а);
– затяжка складчатая трапецеидальная с деревянными ребрами жесткости,
усиленная металлическими полосами по верхнему основанию гофра (рис. 1, б);
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-53665 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1607-4556 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:45:02Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Булат, А.Ф. Чемерис, И.Ф. Пимоненко, Д.Н. 2014-01-25T18:41:25Z 2014-01-25T18:41:25Z 2012 Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла / А.Ф.Булат, И.Ф. Чемерис, Д.Н. Пимоненко // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 97. — С. 294-299. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1607-4556 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53665 662.613.125:[621.224+621.18].001.2 Розглянута можливість утилізації низькопотенціального тепла у гідропаровий турбіні з
 радіальним каналом, що описується рівнянням гвинтової лінії із зміною напряму руху робочого тіла. Пропоноване технічне рішення забезпечує збільшення крутильного моменту і, отже, потужності турбіни. The considered possibility utilization low-potential heat in hydrosteam turbine with radial
 channel, described by equation to screw line with change direction movement of reaction mass. The offered technical decision provides increase twisting moment and, hence, power of the turbine. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла Theoretical bases of development the hydrosteam turbine with sign-variable movement of reaction mass for utilization redundant low-potential heat Article published earlier |
| spellingShingle | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла Булат, А.Ф. Чемерис, И.Ф. Пимоненко, Д.Н. |
| title | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла |
| title_alt | Theoretical bases of development the hydrosteam turbine with sign-variable movement of reaction mass for utilization redundant low-potential heat |
| title_full | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла |
| title_fullStr | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла |
| title_full_unstemmed | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла |
| title_short | Теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла |
| title_sort | теоретические основы разработки гидропаровой турбины со знакопеременным движением рабочего тела для утилизации избыточного низкопотенциального тепла |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/53665 |
| work_keys_str_mv | AT bulataf teoretičeskieosnovyrazrabotkigidroparovoiturbinysoznakoperemennymdviženiemrabočegoteladlâutilizaciiizbytočnogonizkopotencialʹnogotepla AT čemerisif teoretičeskieosnovyrazrabotkigidroparovoiturbinysoznakoperemennymdviženiemrabočegoteladlâutilizaciiizbytočnogonizkopotencialʹnogotepla AT pimonenkodn teoretičeskieosnovyrazrabotkigidroparovoiturbinysoznakoperemennymdviženiemrabočegoteladlâutilizaciiizbytočnogonizkopotencialʹnogotepla AT bulataf theoreticalbasesofdevelopmentthehydrosteamturbinewithsignvariablemovementofreactionmassforutilizationredundantlowpotentialheat AT čemerisif theoreticalbasesofdevelopmentthehydrosteamturbinewithsignvariablemovementofreactionmassforutilizationredundantlowpotentialheat AT pimonenkodn theoreticalbasesofdevelopmentthehydrosteamturbinewithsignvariablemovementofreactionmassforutilizationredundantlowpotentialheat |