ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области гидравлических машин и систем сепарации. Полезная модель может быть использована в нефтяной, газовой промышленности и в других отраслях промышленности, в том числе может быть использована при создании технологий и техники для сепарации многофазных сред с получением экологически чистой энергии.
Известен двигатель, содержащий статор с соплами и размещенный в нем ротор с наружными выступами и с внутренними выступами, при этом ротор выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных выступов и внутренних выступов, а между внутренними и наружными выступами в роторе выполнены проточные каналы, с обеспечением гидравлической связи проточных каналов в роторе с соплами в статоре, а статор оснащен выходными каналами (Патент РФ №149348, F03B 5/00. Двигатель. Опубликовано: 27.12.2014. Бюл. №36).
Недостатком известного двигателя является относительно низкая его эффективность из-за неполного использования кинетической энергии при работе на газожидкостных смесях, в связи с этим, просматривается относительно узкая область применения таких двигателей.
Задачей, на решение которой направлено настоящее техническое решение, является повышение эффективности и расширение области применения двигателя.
Техническим результатом является создание более совершенной конструкции двигателя, что позволит повысить эффективность преобразования энергии в проточной части двигателя, для широкого спектра свойств рабочего тела, при работе на газожидкостных смесях.
Указанный технический результат достигается тем, что двигатель содержит статор с соплами и размещенный в нем ротор с наружными выступами и с внутренними выступами. При этом ротор выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных выступов и внутренних выступов. А между внутренними и наружными выступами в роторе выполнены проточные каналы, с обеспечением гидравлической связи проточных каналов в роторе с соплами в статоре. Статор оснащен выходными каналами. В статоре размещен, по крайней мере, один сепарационный барабан, установленный между ротором и выходными каналами. Причем сепарационный барабан выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных сепарационных выступов и внутренних сепарационных выступов. А между внутренними и наружными сепарационными выступами в сепарационном барабане выполнены проточные сепарационные каналы, с обеспечением гидравлической связи проточных сепарационных каналов с проточными каналами в роторе и с выходными каналами.
На фигурах 1-5 для удобства описания заявляемого технического решения представлены графические материалы.
На фигуре 1 представлена схема двигателя, с продольным разрезом.
На фигуре 2 представлена схема двигателя, с поперечным разрезом.
На фигуре 3 представлена схема двигателя, с поперечным разрезом.
На фигуре 4 в изометрии представлен отдельно ротор с его проницаемой объемной сотовой структурой. Для удобства описания конструкции одна вторая часть ротора на фигуре удалена, секущая плоскость проведена через ось вращения ротора.
На фигуре 5 в изометрии представлен отдельно сепарационный барабан с его проницаемой объемной сотовой структурой. Для удобства описания конструкции одна вторая часть сепарационного барабана на фигуре удалена, секущая плоскость проведена через ось вращения.
Двигатель, по фигурам 1-5, содержит статор 1 с соплами 2 и размещенный в нем ротор 3 с наружными выступами 4 и с внутренними выступами 5. В конструкции двигателя может быть одно сопло 2, или два сопла, или более двух. При этом ротор 3 выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных выступов 4 и внутренних выступов 5. А между внутренними 4 и наружными 5 выступами в роторе 3 выполнены проточные каналы 6, с обеспечением гидравлической связи проточных каналов 6 в роторе 3 с соплами 2 в статоре 1. Статор 1 оснащен выходными каналами 7. В статоре 1 размещен, по крайней мере, один сепарационный барабан 8, установленный между ротором 3 и выходными каналами 7. На фигуре 1 представлен вариант двигателя, содержащего два сепарационных барабана 8, установленных на одном валу с ротором 3. Причем сепарационный барабан 8 выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных сепарационных выступов 9 и внутренних сепарационных выступов 10. А между внутренними 9 и наружными 10 сепарационными выступами в сепарационном барабане 8 выполнены проточные сепарационные каналы 11, с обеспечением гидравлической связи проточных сепарационных каналов 11 с проточными каналами 6 в роторе 3 и с выходными каналами 7. По крайней мере, один выходной канал 7 расположен ближе к оси вращения 12, по отношению к остальным выходным каналам 7. На фигуре 1 представлен вариант двигателя, содержащего два сепарационных барабана 8, установленных на одном валу с ротором 3, с возможностью вращения барабанов 8 и ротора 3 вокруг оси вращения 12.
Проницаемая объемная сотовая структура ротора 3 может быть сформирована из сетчатого материала, где нитями сетчатого материала сформированы наружные 4 и внутренние 5 выступы. А ячейки сетчатого материала объединены в проточные каналы 6 между наружными 4 и внутренними 5 выступами.
Проницаемая объемная сотовая структура сепарационного барабана 8 может быть сформирована из сетчатого материала, где нитями сетчатого материала сформированы наружные 9 и внутренние 10 сепарационные выступы. А ячейки сетчатого материала объединены в проточные сепарационные каналы 11 между наружными 9 и внутренними 10 сепарационными выступами.
Ротор 3 может быть выполнен цилиндрической формы или конической формы, как и в известных гидравлических машинах динамического типа.
Сепарационный барабан 8 может быть выполнен цилиндрической формы или конической формы, как и в известных сепараторах динамического типа.
Сопла 2, выходные каналы 9 могут располагаться на различном расстоянии от оси вращений 12, с учетом условий применения заявляемого двигателя.
Двигатель работает следующим образом.
Статор 1 с соплами 2 обеспечивают формирование потока (или нескольких потоков) рабочего тела по направлению к ротору 3, фигуры 1-3. В качестве рабочего тела может выступать жидкость, газожидкостная смесь или газ. Каждое сопло 2, к примеру, может быть подключено к отдельной нефтяной добывающей скважине (или к газовой добывающей скважине), при этом рабочие параметры потоков для каждого сопла 2 могут различаться как по массовому расходу, так и по давлению на входе в сопло 2. Поток рабочего тела воздействует на наружные выступы 4 ротора 3, и приводит ротор 3 в движение. Таким образом, кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется в механическую энергию при вращательном движении ротора 3. Также поток рабочего тела через проточные каналы 6 проникает в полость ротора 3, который выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры. Поток рабочего тела в этой части ротора 3 взаимодействует с внутренними выступами 5, что способствует повышению эффективности преобразования энергии, поскольку с уменьшением скорости течения рабочего тела поток может смещаться ближе к оси вращения ротора 3. Ротор 3, для дальнейшей передачи энергии, связан с сепарационным барабаном 8. Механическая энергия при этом передается от ротора 3 к сепарационному барабану 8. На общем валу, вращающемся вокруг оси вращения 12, могут быть установлены и другие машины, которые на фигурах не показаны (это могут быть дополнительные сепараторы, насосы или компрессоры, к примеру). В статоре 1 размещен, по крайней мере, один сепарационный барабан 8, соединенный с ротором 3. На фигуре 1 представлен вариант двигателя, содержащего два сепарационных барабана 8, установленных на одном валу с ротором 3, с возможностью вращения барабанов 8 и ротора 3 вокруг оси вращения 12. Сепарационный барабан 8 установлен между ротором 3 и выходными каналами 7. Ротор 3 и сепарационный барабан 8 вращаются вокруг оси вращения 12, что обеспечивает условия для реализации процесса сепарации. При сепарации за счет действия центробежных сил фракции с более высокой плотностью оттесняются к периферии сепарационного барабана 8. Фракции с меньшей плотностью оттесняются к центру сепарационного барабана 8, ближе к оси вращения 12. При использовании заявляемого технического решения, процесс сепарации осуществляется эффективнее за счет того, что сепарационный барабан 8 выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных сепарационных выступов 9 и внутренних сепарационных выступов 10. А между внутренними 9 и наружными 10 сепарационными выступами в сепарационном барабане 8 выполнены проточные сепарационные каналы 11, с обеспечением гидравлической связи проточных сепарационных каналов 11 с проточными каналами 6 в роторе 3 и с выходными каналами 7. По крайней мере, один выходной канал 7 расположен ближе к оси вращения 12, по отношению к остальным выходным каналам 7, что позволяет раздельно выводить из статора фракции с высокой плотностью и фракции с низкой плотностью. Внутренние 9 и наружные 10 сепарационные выступы оказывают силовое воздействие на рабочее тело (на жидкость и на газ). При этом обеспечивается поддержание высокой и постоянной окружной скорости движения рабочего тела внутри статора 1. С увеличением длины сепарационного барабана 8 можно увеличивать время пребывания рабочего тела (газожидкостной смеси, к примеру) под воздействием центробежных сил в статоре 1, добиваясь повышения эффективности процесса сепарации, поскольку известно, что эффективность процесса сепарации повышается с увеличением отрезка времени, в течение которого на рабочее тело (на газожидкостную смесь) действуют центробежные силы. При этом за счет описанных особенностей конструкции сепарационного барабана 8 значение центробежных сил, действующих на жидкость или газ, принудительно поддерживается постоянным на всем пути движения рабочего тела через статор 1. Механическая энергия, в этом случае, используется для поддержания высокой и постоянной скорости вращения газожидкостной смеси (рабочего тела), а энергия расходуется на процесс сепарации и на преодоление сил трения при движении рабочего тела внутри статора 1, в направлении от ротора 3 к выходным каналам 7. Рабочее тело (жидкость и газ, к примеру) проходит через проточные сепарационные каналы 11 по направлению к выходным каналам 7. При сепарации за счет действия центробежных сил фракции с более высокой плотностью оттесняются к периферии сепарационного барабана 8 и далее к выходному каналу 7, расположенному дальше от оси вращения 12. Фракции с меньшей плотностью оттесняются к центру сепарационного барабана 8, ближе к оси вращения 12, и далее фракции с меньшей плотностью (например, газ) оттесняются к выходному каналу 7, расположенному ближе к оси вращения 12. На фигуре 1 показаны два выходных канала 7, один из них расположен ближе к оси вращения 12.
За счет проницаемой объемной сотовой структуры ротора 3 и сепарационного барабана 8 обеспечивается высокая эффективность преобразования энергии при различных свойствах рабочего тела, в том числе при использовании газожидкостных смесей, отличающихся по плотности, вязкости или по содержанию газовой фракции. Кинетическая энергия потока рабочего тела в заявляемом устройстве используется более эффективно, поскольку рабочий процесс производства механической энергии совмещается с рабочим процессом сепарации газожидкостной смеси, и эти два процесса реализуются в одной рабочей камере одновременно. При этом масса и габариты оборудования могут быть уменьшены, что способствует расширению области применения такой техники, что весьма актуально, к примеру, для морских месторождений нефти и газа. Как следствие, достигается технический результат по созданию более совершенной конструкции двигателя, с обеспечением роста эффективности преобразования энергии в проточной части двигателя, для широкого спектра свойств рабочего тела, при работе на газожидкостных смесях.
Двигатель может иметь исполнение, в котором ротор 3 с его проницаемой объемной сотовой структурой сформирован из сетчатого материала, где нитями сетчатого материала сформированы наружные 4 и внутренние 5 выступы. А ячейки сетчатого материала объединены в проточные каналы 6 между наружными 4 и внутренними 5 выступами. Проницаемая объемная сотовая структура сепарационного барабана 8 может быть сформирована из сетчатого материала, где нитями сетчатого материала сформированы наружные 9 и внутренние 10 сепарационные выступы. А ячейки сетчатого материала объединены в проточные сепарационные каналы 11 между наружными 9 и внутренними 10 сепарационными выступами. С учетом скорости и свойств рабочего тела можно подбирать соответствующие сетчатые материалы, отличающиеся размерами нитей, размерами ячеек в сетке и отличающиеся конструкционными материалами для изготовления нитей (или проволок, или лент), к примеру, такие материалы, как полимеры; металлы; жаропрочные конструкционные материалы; стекловолокно, базальтовое волокно, кевлар и другие сверхпрочные материалы. Отдельные части ротора 3 и сепарационного барабана 8 могут быть выполнены из плоской сетки. Для формирования проницаемой объемной сотовой структуры ротора 3 и сепарационного барабана 8 может быть использован и сетчатый материал, поставляемый в рулонах, при этом сама объемная сотовая структура также может быть сформирована в виде рулона из этого сетчатого материала, путем намотки сетчатого материала по спирали вокруг оси вращения 12. С учетом свойств рабочего тела, проходящего через каждое отдельное сопло 2, можно подбирать оптимальные размеры проточных каналов 6 в роторе 3 для эффективного преобразования кинетической энергии потока рабочего тела в механическую энергию. С учетом свойств рабочего тела, можно подбирать оптимальные размеры проточных каналов 11 в сепарационном барабане 8 для эффективного осуществления процесса сепарации. Заявляемая, более совершенная, и более технологичная конструкция двигателя позволяет использовать расширенный спектр конструкционных материалов и сетчатых материалов. Также могут быть использованы возможности трехмерной печати изделий из металлов и полимеров, с применением соответствующих принтеров. Подобная технологичность при производстве и при ремонте двигателя способствует расширению области применения таких двигателей.