ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДЕТАНДЕР-ГЕНЕРАТОРНЫЙ АГРЕГАТ
AIR-OPERATED EXPANDER-GENERATOR PLANT

Пневматический детандер-генераторный агрегат относится к газоредуцирующему оборудованию, которое широко используется в газовой промышленности и предназначено для утилизации тепловой энергии природного газа, транспортируемого по трубопроводной системе, с попутной выработкой электрической энергии.
Известна турбодетандерная электростанция (1), включающая электрогенератор с корпусом, статором и ротором, а также двухступенчатый турбодетандер (приводной пневмодвигатель), рабочие колеса которого консольно размещены на валу ротора, установленного на газостатических опорах. Кожух, размещенный снаружи корпуса электрогенератора, выполнен с входными и выхлопным патрубками.
Основной недостаток турбодетандерной электростанции заключается в том, что уровень полезной мощности, вырабатываемой турбодетандером, зависит, главным образом, от объемного расхода газа и срабатываемого перепада давления. Кроме этого, надежность эффективной работы турбодетандерной электростанции значительно снижается при переменных режимах подачи газа.
Известна также газораспределительная станция с энергетической установкой (2), в состав которой входит детандер-генераторный агрегат. Последний имеет разъемный корпус с крышкой и днищем, а также с входным и отводным патрубками. Внутри корпуса жестко закреплен кожух, в котором размещен генератор. Генератор состоит из ротора, статора, силового выпрямителя и регулятора напряжения, который с помощью проводов соединен с кабельным выводом на внешнюю электрическую сеть. Кабельный вывод закреплен на наружной стороне крышки корпуса. Внутри корпуса на подшипниках установлен ведущий вал, на котором размещены рабочее колесо турбины активного типа (приводной пневмодвигатель) и ротор генератора.
Главным недостатком известного детандер-генераторного агрегата является то, что уровень его полезной мощности определяется объемным расходом газа через турбину и перепадом давления на ней. Чем выше указанные величины, тем больше электрическая мощность, вырабатываемая детандер-генераторным агрегатом.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является известный детандер-генераторный агрегат (3), который может быть предложен в качестве прототипа. Указанный детандер-генераторный агрегат имеет корпус с входным и выходным патрубками. Внутри корпуса на подшипниках размещен ведущий вал. На ведущем валу консольно установлены рабочее колесо турбины активного типа (т.е. приводной пневмодвигатель), а также ротор генератора. Статор генератора размещен внутри кожуха, выполненного с крышкой. Кожух соосно установлен во внутренней полости корпуса и жестко связан с ним. Кабельная коробка генератора размещена на наружной стороне крышки кожуха.
Основной недостаток известного детандер-генераторного агрегата - для его эффективной работы требуется обеспечить значительные величины объемного расхода газа через турбину и перепада давления на ней. Данное обстоятельство существенно ограничивает возможности конструирования детандер-генераторных агрегатов малой мощности, которые могут эффективно работать при невысоких величинах входного давления и объемного расхода газа.
Задачей изобретения является получение технического результата, который выражается в создании конструкции детандер-генераторного агрегата, способного эффективно работать при невысоких величинах входного давления и объемного расхода газа.
Задача решается и технический результат достигается за счет того, что пневматический детандер-генераторный агрегат, включающий приводной пневмодвигатель, состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками, установленного внутри корпуса на подшипниках ведущего вала, присоединенного к корпусу кожуха с крышкой, размещенного внутри кожуха генератора со статором и ротором, а также кабельной коробки генератора, установленной снаружи крышки кожуха, снабжен ведомым валом, опорным подшипником, шлицевой муфтой и фланцевой катушкой, при этом корпус выполнен с днищем и крышкой, кожух - с впускным и выпускным патрубками и днищем, а в качестве приводного пневмодвигателя используют шестеренный пневмодвигатель с двумя находящимися во внешнем зацеплении шестернями с цапфами, одна из которых выполнена в виде ведущего вала, причем для размещения последнего в крышке корпуса и в днище кожуха выполнены сквозные каналы, при этом ведущий и ведомый валы связаны между собой посредством шлицевой муфты, а в днище кожуха, соосно сквозному каналу, выполнена внутренняя кольцевая проточка для размещения в ней опорного подшипника, причем фланцевая катушка установлена между днищем кожуха и крышкой корпуса, соосно выполненным в них сквозным каналам, при этом ротор и шлицевая муфта закреплены на противоположных концах ведомого вала, а шлицевая муфта размещена с возможностью взаимодействия своим нижним торцом с опорным подшипником, причем входной патрубок выполнен в виде V-образного тройника с центральным и двумя боковыми отводами, которые присоединены к корпусу, при этом во внутренней полости корпуса между боковыми отводами V-образного тройника выполнен фигурный выступ, плоскость симметрии которого расположена перпендикулярно к плоскости, проходящей через оси вращения шестерен, и на равном расстоянии от указанных осей, а впускной патрубок кожуха присоединен к выходному патрубку корпуса, причем оси боковых отводов V-образного тройника расположены симметрично относительно плоскости симметрии фигурного выступа.
В частном случае, внутри впускного патрубка кожуха может быть соосно установлен завихритель лопаточного типа.
Конструкция пневматического детандер-генераторного агрегата поясняется чертежами, где: на фиг.1 приведен общий вид пневматического детандер-генераторного агрегата (фронтальная проекция); на фиг.2 - общий вид пневматического детандер-генераторного агрегата (горизонтальная проекция); на фиг.3 - общий вид пневматического детандер-генераторного агрегата (профильная проекция); на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.3.
Пневматический детандер-генераторный агрегат состоит из шестеренного пневмодвигателя, приводящего в действие генератор, с помощью которого вырабатывается электроэнергия.
Пневмодвигатель имеет корпус 1 с крышкой 2, днищем 3, входным 4 и выходным 5 патрубками.
Во внутренней полости корпуса 1 размещены две шестерни 6 внешнего зацепления, которые имеют одинаковый диаметр, толщину и число зубьев. Оси вращения шестерен 6 параллельны друг другу, т.е. расположены в одной плоскости.
Шестерни 6 выполнены с цапфами 7, которые с помощью подшипников установлены во внутренних кольцевых расточках крышки 2 и днища 3. На каждой цапфе 7 размещена регулировочная шайба 8, которая (путем подбора ее толщины) позволяет изменять величину зазора между боковой поверхностью шестерни 6 и внутренней поверхностью крышки 2 или днища 3. Одна из цапф 7 выполнена в виде ведущего вала 9, для размещения которого в крышке 2 предусмотрен сквозной канал.
Входной патрубок 4 выполнен в виде V-образного тройника с центральным и двумя боковыми отводами 10, которые присоединены к корпусу 1. Боковые отводы 10 имеют одинаковые площади проходного сечения.
Внутренняя полость корпуса 1, со стороны присоединения к нему боковых отводов 10, выполнена с фигурным выступом 11. Последний расположен между боковыми отводами 10, а его плоскость симметрии расположена перпендикулярно по отношению к плоскости, проходящей через оси вращения шестерен 7, и на одинаковом расстоянии от этих осей.
Оси боковых отводов 10 размещены симметрично относительно плоскости симметрии фигурного выступа 11.
Кожух 12 имеет съемную крышку 13, днище 14, впускной 15 и выпускной 16 патрубки. В днище 14 выполнены сквозной канал и соосная ему внутренняя кольцевая проточка, которая предназначена для размещения в ней опорного подшипника 17.
Впускной патрубок 15 кожуха 12 присоединен к выходному патрубку 5 корпуса 1. В частном случае, внутри впускного патрубка 15 может быть соосно установлен завихритель лопаточного типа (на чертежах не показан).
Во внутренней полости кожуха 12 размещен генератор 18, имеющий ротор и статор (на чертежах не показаны). Ротор генератора 18 установлен на одном конце ведомого вала 19, а к его другому концу присоединена шлицевая муфта 20.
Кабельная коробка 21 генератора 18 закреплена на наружной поверхности крышки 13. Место вывода электрического кабеля через крышку 13 к кабельной коробке 21 загерметизировано.
Кожух 12 присоединен к корпусу 1 с помощью фланцевой катушки 22, которая размещена соосно сквозным каналам, выполненным соответственно в крышке 2 и в днище 14. Во внутреннем канале фланцевой катушки 22 соосно установлен ведущий вал 9, связанный с ведомым валом 19 посредством шлицевой муфты 20.
Шлицевая муфта 20, закрепленная на ведомом валу 19, имеет возможность взаимодействия своим нижним торцом с опорным подшипником 17, за счет чего обеспечивается осевая разгрузка ведущего вала 9.
Пневматический детандер-генераторный агрегат работает следующим образом.
Поток газа, поступающий из газопровода во входной патрубок 4, разделяется в боковых отводах 10 на две равные части и по ним направляется во внутреннюю полость корпуса 1. При этом фигурный выступ 11, размещенный внутри корпуса 1, препятствует поступлению газа в зону зацепления зубьев шестерен 7. Вследствие этого каждый из разделенных потоков газа, в процессе своего перемещения внутри корпуса 1 по направлению от бокового отвода 10 к выходному патрубку 5, вынужден обтекать шестерню 7 с периферийной стороны (т.е. по зазору между зубьями шестерни 7 и внутренней стенкой корпуса 1). За счет такого перемещения разделенных потоков газа по внутренней полости корпуса 1 обеспечивается синхронное вращение шестерен 7. При этом тепловая энергия газа превращается в механическую энергию вращающихся шестерен 7, а давление и температура газа понижаются.
Применение антифрикционных материалов для изготовления шестерен 7, а также возможность осевой разгрузки ведущего вала 9 за счет использования шлицевой муфты 20 и опорного подшипника 17, значительно облегчают условия работы шестеренного пневмодвигателя.
Поток охлажденного газа, поступающий из внутренней полости корпуса 1 в выходной патрубок 5, направляется по впускному патрубку 15 внутрь кожуха 12. При взаимодействии с завихрителем лопаточного типа, установленным во впускном патрубке 15, поток охлажденного газа приобретает дополнительное тангенциальное движение. В результате этого увеличивается эффективность принудительного охлаждения генератора 18. Далее поток газа, выходящий из внутренней полости кожуха 12, по выпускному патрубку 16 направляется в газопровод.
Вращение ведущего вала 9 посредством шлицевой муфты 20 передается на ведомый вал 19. Тем самым обеспечивается вращение ротора генератора 18, в результате чего в обмотках статора индуцируется электрический ток.
Электрическая энергия, вырабатываемая с помощью генератора 18, может быть использована для питания различных нагрузочных устройств, которые расположены вблизи от пневматического детандер-генераторного агрегата или направлены во внешнюю электрическую сеть.
Источники информации
1. Свидетельство РФ №38802 U1, E04H 5/02, опубл. 10.07.2004.
2. Патент РФ №2351842 C1, F17D 1/04, опубл. 10.04.2009.
3. Патент РФ №2422734 C1, F25B 11/00, опубл. 27.06.2011.