Струйно-детандерный генератор (варианты)
JET-EXPANDER GENERATOR (OPTIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к пневматическим и паровым турбогенераторам, которые могут быть использованы в энергоустановках, например, в качестве резервного источника энергии на газораспределительных станциях.
Известен гидроэлектрический агрегат, содержащий электрогенератор и соединенную с ним турбину. Турбина выполнена с водоводом, а водовод снабжен сливной задвижкой, кинематически соединенной с генератором (авт.свидетельство СССР №1084483, МПК F03B 13/00, опубл. 1984).
Однако, известный гидроэлектрический агрегат не обеспечивает работу от одной турбины двух электрогенераторов для двух независимых потребителей электроэнергии, получаемой от электрогенераторов, вследствие больших потерь от использования одной турбины с водоводом.
Известен турбогенератор, содержащий электрогенератор, соединенный с турбиной, и второй электрогенератор. Турбина имеет две втулки, закрепленные на роторах электрогенераторов, а лопатки расположены на втулках в чередующемся порядке с образованием камер сгорания переменного объема (авт. свидетельство СССР №1020592, МПК F01D 15/10, опубл. 1983). Топливная смесь поступает в камеры сгорания, где воспламеняется и сгорает. Продукты сгорания воздействуют на лопатки, приводя во вращательно-колебательное движение втулки и соответственно роторы электрогенераторов.
Однако, у известного турбогенератора большие потери тепла в стенке корпуса турбины, а также большие потери мощности из-за утечек рабочего газа через зазоры между лопатками и корпусом при высоких температурах и давлениях вспышки при сгорании топливной смеси, приводят к снижению коэффициента полезного действия. Колебательные движения роторов приводят к нестационарному режиму работы электрогенераторов, что также понижает их коэффициент полезного действия. Также высокий износ вращающихся втулок приводит к снижению ресурса работы турбогенератора.
Известен турбогенератор, ближайший по технической сущности и принятый за прототип, содержащий электрогенератор, соединенный с турбиной, и второй электрогенератор. Турбина включает сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, установленной с возможностью вращения. На трубе радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами. Оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков и ось трубы. В стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия. Цилиндрический барабан скреплен соосно с валом, установленным с возможностью вращения. Барабан охватывает сегнерово колесо. Цилиндрический поясок барабана примыкает к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором. На цилиндрическом пояске барабана радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса. Оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков барабана и ось трубы. В стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия. Соединение турбины с электрогенератором выполнено по валу барабана. Турбогенератор снабжен охватывающим сегнерово колесо и барабан корпусом со штуцером для выхода рабочего тела, кинематически связанными шестернями, одна из которых установлена на трубе, а другая установлена на валу второго электрогенератора (патент РФ №2217600, МПК F01D 15/10, опубликовано: 27.11.2003 Бюл. №33). Однако известный турбогенератор имеет низкий КПД, недостаточно защищен от взрывов при использовании в качестве топлива горючих газов и обладает сложной конструкцией.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, заключается в создании высокоэффективного турбогенератора с высокой надежностью и взрывобезопасностью.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в повышении КПД, надежности, ресурса и взрывобезопасности турбогенератора при его эксплуатации, расширении функциональных возможностей, а также в упрощении конструкции.
Технический результат достигается тем, что в струйно-детандерный генераторе (вариант 1) содержащем электрогенератор, соединенный турбиной, в виде сегнерова колеса, включающей трубчатый вал с закрытым концом, установленный с возможностью вращения, на котором в плоскости перпендикулярной оси вращения установлены ступица с патрубками с отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами, а в стенке трубчатого вала и ступицы соответственно патрубкам выполнены отверстия, при этом турбина установлена в корпусе, в котором выполнены каналы для входа и выхода рабочего газа, новым является то, что патрубки турбины установлены по длине трубчатого вала рядами, причем не менее двух патрубков в каждом ряду и снабжены пилонами-обтекателями, канал выхода газа расположен тангенциально относительно корпуса турбины, при этом в канале выхода газа установлена решетка, а на его входе установлена лопатка-отсекатель, полость корпуса турбины сообщена с полостью кожуха электрогенератора каналами для циркуляции газа охлаждающего электрогенератор.
В кожухе электрогенератора выполнено технологическое отверстие, сообщающее рабочие полости турбины и кожуха электрогенератора с дренажной магистралью.
Патрубки турбины на выходе оснащены штуцерами со сменными соплами с вкладышами.
Вкладыши выполнены из износоустойчивого материала.
Корпус оснащен взрывобезопасными кабельными выводами, расположенными во взрывобезопасных клеммных коробках.
Технический результат (вариант 2) достигается тем, что в струйно-детандерном генераторе, содержащем электрогенератор соединенный с турбиной, в виде сегнерова колеса, включающей трубчатый вал с закрытым концом, установленный с возможностью вращения, на котором в плоскости перпендикулярной оси вращения установлены ступица с патрубками с отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами, а в стенке трубчатого вала и ступицы соответственно патрубкам выполнены отверстия, при этом турбина установлена в корпусе, в котором выполнены каналы для входа и выхода рабочего газа, новым является то, что электрогенератор сообщен с турбиной посредством магнитной муфты, расположенной в кожухе, присоединенном к корпусу турбины герметично, патрубки турбины установлены по длине трубчатого вала рядами, причем не менее двух патрубков в каждом ряду, и снабжены пилонами-обтекателями, канал выхода рабочего газа расположен тангенциально относительно корпуса турбины, при этом в канале выхода газа установлена решетка, а на его входе установлена лопатка-отсекатель.
Патрубки турбины на выходе оснащены штуцерами со сменными соплами с вкладышами, выполненными из износоустойчивого материала.
На фиг. 1 представлен струйно-детандерный генератор (вариант 1);
На фиг. 2 - струйно-детандерный генератор (вариант 2);
На фиг. 3 - сечение А-А турбины струйно-детандерного генератора (вариант 1 и 2);
На фиг. 4 - патрубок с соплом (вариант 1 и 2);
На фиг. 5 - структура и параметры потока в полости корпуса турбины.
Здесь: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - кольцо с уплотнением; 4 - переходник; 5 - канал входа газа; 6 - трубчатый вал; 7 - подшипники; 8 - ступица; 9 - патрубки; 9 - отверстия в трубчатом валу; 10 - сопло сменное; 11 - проставка; 12 - каналы вентиляционные приточные; 13 - каналы вентиляционные вытяжные; 14 - фланец, 15 - кожух; 16 - электрогенератор; 17 - полость кожуха электрогенератора; 18 - кабели внутренние подпружиненные; 19 - кабельные выводы высокого давления внутренние; 20 - коробки клеммные, 21 - кабельные выводы внешние, 22 - крышка коробки; 23 - отверстие технологическое, 24 - полость корпуса турбины; 25 - канал выхода газа; 26 - решетка; 27 - отверстия в ступице и в трубчатом валу; 28 - кожух муфты, 29 - муфта магнитная, 30 - пилон, 31 - лопатка-отсекатель, 32 - штуцер, 33 - вкладыш.
Струйно-детандерный генератор (вариант 1) содержит электрогенератор 16, соединенный с турбиной, включающей сегнерово колесо, выполненное в виде трубчатого вала 6 с закрытым концом, установленного с возможностью вращения и расположенное в корпусе 1, Трубчатый вал 6 с подшипниками 7 монтируется в корпус 1 с помощью крышки 2 и проставки 11.
На трубчатом валу 6 в плоскости перпендикулярной его оси установлены патрубки 9 с отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами. Патрубки 9 установлены по длине трубчатого вала 6 рядами, причем не менее двух патрубков 9 в каждом ряду, и снабжены пилонами-обтекателями 30 (фиг. 3). Открытые концы патрубков 9 на выходе оснащены штуцерами 32 (фиг. 4) со сменными соплами 10, с вкладышами 33, выполненными из износоустойчивого материала. В стенке трубчатого вала 6 соответственно патрубкам 9 выполнены отверстия 27. Канал выхода рабочего газа 25, расположен тангенциально относительно корпуса 1 и внутри его установлены решетка 26, а на входе установлена лопатка-отсекатель 31. Полость корпуса турбины 24 сообщена с полостью кожуха 17 электрогенератора 16 каналами вентиляционными приточными 12 и каналами вентиляционными вытяжными 13 для циркуляции газа, охлаждающего электрогенератор 16. В кожухе 15 электрогенератора 16 выполнено технологическое отверстие 23, сообщающее рабочие полости струйно-детандерного генератора с дренажной магистралью (на фигуре не показано). Электрогенератор 16 оснащен кабельными выводами высокого давления внутренними 19 и кабельными выводами внешними 21, расположенными в взрывобезопасных коробках клеммных 20, оснащенных крышками коробок 22.
На трубчатом валу 6 установлена ступица 8 с патрубками 9. Патрубки 9 с отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами установлены на ступице 8 в отверстия для прохода газа 27 в плоскости перпендикулярной оси вращения ротора в один или более рядов, причем не менее двух патрубков 9 в каждом ряду. Патрубки 9 снабжены пилонами-обтекателями 30 (фиг. 3), обеспечивающими жесткость и устойчивость сегнерова колеса, что, в свою очередь, повышает надежность и ресурс струйно-детандерного генератора. Патрубки оснащены штуцерами 32 (фиг. 4), в которых установлены сменные сопла 10, с вкладышами 33, что упрощает конструкцию и ее обслуживание, а также расширяет функциональные возможности струйно-детандерного генератора путем установки сопел и вкладышей с различными газодинамическими характеристиками. В стенке трубчатого вала бив стенке ступице 8 выполнены отверстия 27 (фиг. 1), обеспечивающие поступление газа к соплам 10. На крышке 2 установлено кольцо 3 содержащее уплотнение (на фиг. 1 не показано), Трубчатый вал 6 установлен в подшипниках 7 и имеет возможность свободно вращаться в корпусе 1 относительно неподвижной проставки 11 и кольца 3. К трубчатому валу 6 со стороны проставки 11 присоединен электрогенератор 16. Электрогенератор 16 помещен в герметичный кожух 15, который крепится к корпусу 1 с помощью фланца 14. На внутреннюю поверхность кожуха 15 нанесено электроизоляционное покрытие для дополнительной защиты кабелей 18 от замыкания на корпус кожуха.
Электрические цепи генератора 16 соединены с внешними электрическими цепями 22 с помощью кабелей внутренних подпружиненных 18 через кабельные выводы высокого давления внутренние 19 и кабельные выводы внешние 21, которые смонтированы во взрывобезопасных коробках клеммных 20. Коробки клеммные 20 после монтажа кабельных вводов герметично закрепляются на кожухе 15 и закрываются крышками коробок 22. Взрывобезопасность струйно-детандерного генератора обеспечивается за счет установки прокладок во всех разъемных элементах его конструкции (на фиг. 1 и фиг. 2 не показано), что обеспечивает герметичность полостей струйно-детандерного генератора. Кожух 15 содержит отверстие технологическое 23, в котором устанавливается штуцер (на фиг. 1 не показано), соединяющий полость кожуха 17 с дренажной магистралью, содержащую запорную арматуру. Проставка 11 содержит каналы вентиляционные приточные 12 и каналы вентиляционные вытяжные 13, что обеспечивает охлаждение генератора и повышает надежность и безопасность его работы. К корпусу 1 тангенциально прикреплен канал выхода газа 25 (фиг. 3), в котором смонтированы решетка 26, выравнивающая поток рабочего газа в канале выхода 25 и лопатка-отсекатель 31, установленная на входе в канал 25. Корпус 1 совместно с крышкой 2 и проставкой 11 образует полость корпуса турбины 24, в котором вращается сегнерово колесо.
Струйно-детандерный генератор по варианту 2 отличается от варианта 1 тем, что электрогенератор сообщен с турбиной посредством муфты магнитной 29, установленной в герметичном корпусе 28, а трубчатый вал 6 соединен непосредственно с муфтой магнитной 29. Таким образом, осуществляется бесконтактная передача крутящего момента от сегнерова колеса к электрогенератору, что разделяет полости турбины и генератора и исключает наличие электрических соединений в полостях турбины и, таким образом, повышает взрывобезопасность, облегчает монтаж струйно-детандерного генератора и его обслуживание.
Струйно-детандерный генератор (вариант 1) работает следующим образом. Перед запуском струйно-детандерного генератора с целью обеспечения безопасных условий его работы выполняют подготовительные операции в тех случаях, когда рабочим телом является взрывоопасный, горючий газ, например, природный газ. Для этого, при обесточенных электрических цепях, продувают полость корпуса турбины 24 и полость кожух генератора 17 нейтральным газом. Нейтральный газ подают в канал входа газа 6 и через отверстие технологическое 23 вытесняют воздух с продувочным газом в дренажную магистраль. Таким образом, технологическое отверстие, через которое удаляется горючая смесь, способствует обеспечению взрывобезопасных условий работы струйно-детандерного генератора и позволяет проводить профилактическое обслуживание и контроль состояния кабелей внутренних 18.
Газообразное рабочее тело под определенным избыточным давлением, превышающем давление в канале выхода газа 25, поступает в канал входа газа 5, далее через трубчатый вал 6 и отверстия 27 направляется в патрубки профилированные 9. Из патрубков 9 рабочее тело через вкладыши 33 поступает в сопла 10 и истекает из них в полость корпуса турбины 24 с определенной скоростью (дозвуковой или сверхзвуковой). Реакция истекающего из сопел газа создается реактивный момент, приводящий во вращение трубчатый вал 6 и соединенный с ним вал генератора 16. Поскольку расход газа, истекающего из сопел, определяется, при прочих равных условиях, проходным сечением вкдадышей 33, то их замена позволяет изменять реактивный момент и характеристики струйно-детандерного генератора. Газ, истекающий из сопел 10, совершает вращательное движение в полости корпуса турбины 24 в направлении, противоположном направлению вращения трубчатого вала 6, (фиг. 3 и 5). Наличие пилонов 30, которыми оснащены парубки 9 снижает гидравлическое сопротивление при вращении сегнерова колеса в полости корпуса турбины 24 и таким образом повышает КПД струйно-детендерного генератора. Из полости корпуса турбины 24 газ удаляется через канал выхода газа 25. Во входном участке канала выхода газа 25 установлена лопатка-отсекатель 31, которая частично перекрывает полость корпуса турбины 24, что обеспечивает эффективное удаление газа из полости турбины и повышает КПД турбины струйно-детандерного генератора. Профиль лопатки-отсекателя 31 задается таким образом, чтобы поверхность кромки лопатки-отсекателя, на которую набегает поток газа, располагалась по касательной к окружности, очерчиваемой вращающимися соплами 10 (по максимальному радиусу сегнерова колеса) с определенным технологическим зазором. Эффективность установки лопатки-отсекателя 31 подтверждена результатами численного моделирования условий течения в газодинамичесом тракте струйно-детандерного генератора. Расчеты выполнялись с использованием стандартного пакета прикладных программ «Fluent». На фиг. 5 представлены результаты расчета параметров газового потока (полей давлений и плотностей) в полости корпуса турбины 24, из которых следует, что в полости корпуса турбины, в котором вращается сегнерово колесо, имеет место существенный градиент давления в радиальном направлении. Следовательно, основная часть потока газа по массе будет сосредоточена в периферийной области полости 24, поскольку в этой области давление, а, следовательно, и плотность выше. Таким образом, лопатка-отсекатель 31, установленная в канале выхода газа 25, и частично перекрывающая проходное сечение полости корпуса турбины 24, в которой движется газ, способствует эффективному удалению газа из полости корпуса турбины 24 и повышает КПД струйно-детандерного генератора. Для снижения гидравлического сопротивления движению рабочего тела (газа) в канале выхода газа 25 установлена спрямляющая решетка 26, которая выравнивает поток за счет гашения вихрей и снижает гидравлическое сопротивление движению газа в канале и таким образом повышает (КПД) струйно-детандерного генератора. С целью охлаждения электрических обмоток генератора обеспечивается обдув генератора рабочим телом (газом), поступающим во внутреннюю полость 17 кожуха 15. Рабочее тело поступает через каналы вентиляционные приточные 12 из периферийной полости корпуса турбины 24, где давление больше, и удаляется через каналы вентиляционные вытяжные 13 в приосевой области полости корпуса турбины 24, где давление меньше, как это следует из данных, представленных на фиг. 5.
Струйно-детандерный генератор (вариант 2) работает аналогично варианту 1, при этом соединение генератора с турбиной посредством магнитной муфты осуществляется без механического контакта. Бесконтактная передача крутящего момента от турбины к генератору повышает взрывобезопасность устройства, облегчает обслуживание турбины и генератора, упрощает конструкцию за счет отсутствия сложной системы охлаждения и взрывобезопасных клеммных выводов.