УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Одним из способов получения электрической энергии является использование попутного газа из скважин или парогазовой смеси из геотермальных источников, воздействующих на предлагаемое устройство для получения электроэнергии.
Полезная модель относится к энергетическим установкам по преобразованию энергии вытекающей парогазовой смеси из геотермальных источников или при выделении попутного газа из нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию в местах, где требуются автономные источники электроэнергии.
Предлагаемое устройство представляет компактный переносной электрогенератор, имеющий простую и надежную конструкцию.
Использование тепловой энергии подземных источников или выбросов попутного газа для выработки электроэнергии происходит на геотермальных электростанциях, таких как, Паужетская ГеоТЭС, Мутновская ГеоТЭС и другие, расположенные в районах геотермальных месторождений или при выходе попутного газа в различных районах земного шара.
Известны геотермальные паровые электростанции, работающие на паре, или геотермальные электростанции с бинарным циклом, использующие воду и жидкость с более низкой температурой кипения, когда пар, воздействуя на турбину, приводит в действие электрогенератор с последующей передачей электроэнергии в сеть потребителю. [Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. М. Физматлит; 2008 г.; 376 с.].
Известны геотермальные электростанции, работающие на геотермальной текучей среде высокого давления (патент RU 2126098) или использующие разность давлений или температур, возникающих в природе, и составленные из блоков модульного типа (патент RU 2493431), обеспечивающие изменение масштаба и адаптирующиеся к местным условиям. На всех типах электростанций турбина и электрогенератор расположены отдельно друг от друга и соединены с помощью различных приводных устройств.
Известны электрогенераторы, в которых ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры с внутренним ротором на постоянных магнитах и статором с обмотками возбуждения (Попов B.C., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. М. «Энергия», 1976.).
Известны аппараты на воздушной подушке - экранопланы, когда воздушная подушка создается за счет скоростного напора во время движения (патент РФ 2466888; патент РФ 2471660) или аппараты с дополнительной аэродинамической поддержкой корпуса (патент РФ 2456185), позволяющие увеличить подъемную силу и грузоподъемность аппарата. Все они несут на себе двигатели, создающие подъем аппарата над поверхностью и регулирующие скорость движения аппарата.
В конструкции турбина-генератор (полезная модель, патент РФ 105376), которая представляет установленное в русле реки под водой сооружение на бетонной плите с электрогенератором, редуктором, лопастями, меняющими угол наклона, укрепленными на вертикальной оси вращения. Данная установка может быть использована при любых погодных условиях, в любое время года, но в местах с достаточной глубиной текущей реки. Недостатком данной конструкции, по сравнению с предлагаемым устройством, является наличие редуктора и вертикальной оси вращения.
Наиболее близким аналогом-прототипом (патент RU 2168062) является ветрогенератор, предназначенный для зарядки аккумуляторов и электропитания различных потребителей. Данное устройство содержит ветроколесо и плоский магнитоэлектрический генератор, дискообразный ротор которого имеет постоянные магниты и связан с ветроколесом постоянной осью, вращающейся на подшипниках. Основным недостатком данной установки по сравнению с предлагаемым устройством является наличие комбинированной оси вращения на подшипниках.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в разработке конструкции устройства для преобразования энергии, вытекающей парогазовой смеси из геотермальных источников или энергии выделяемого попутного газа из нефтяных и газовых скважин, в электрическую энергию там, где требуются автономные источники электроэнергии.
Предлагаемая полезная модель представляет компактную энергетическую установку модульной конструкции переносного типа, где отсутствует ось вращения на подшипниках, а ее заменяют две конические поверхности: одна - на роторе, другая - в основании установки, имеющие между собой минимальный зазор. В устройстве - турбина и ротор совмещены друг с другом и не имеют цилиндрической оси вращения на подшипниках. На роторе установлены постоянные магниты и изогнутые лопатки, создающие момент вращения при воздействии на них парогазовой смеси. Ротор расположен внутри кольцевого статора. Статор неподвижный, соединен с основанием и имеет элементы с обмотками возбуждения для получения электрического тока с последующей передачей его потребителю. Соприкасающиеся поверхности ротора и основания имеют открывающийся зазор, через который поступает парогазовая смесь на лопатки ротора. Пар или газ, поступающий в зазор, создают подъем ротора и позволяют ему удерживаться на парогазовой подушке, а изогнутые лопатки, типа турбинных, расположенные на боковой стороне ротора, обеспечивают его вращение в обойме статора от поступающей энергии пара геотермальных источников или попутного газа из подземных скважин.
Сущность полезной модели состоит в том, что устройство по преобразованию геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию, представляет собой компактный блок, содержащий в комплексе: неподвижное основание, соединенное с неподвижным статором, и ротор, вращающийся внутри статора без опорных подшипников и оси вращения под воздействием парогазовой смеси на парогазовой подушке.
При этом в верхней части опоры неподвижного статора из электроизолирующего материала вставлены элементы с обмотками возбуждения самого статора, а в верхней части ротора находятся постоянные магниты. Вращение ротора внутри неподвижного статора приводит к возникновению электрического тока.
Кроме того, ротор имеет многослойную конструкцию, состоящую из электроизолирующей платформы с постоянными магнитами на верхней поверхности, и перевернутым центрирующим конусом на нижней поверхности с углом при вершине 160-150°, изготовленным из металла или металлокерамического материала с износостойким покрытием. При этом наличие изогнутых лопаток, типа турбинных, или краевых лопастей на боковой поверхности ротора, в количестве не менее 10-12 штук, обеспечивает его вращение в приподнятом состоянии на парогазовой подушке за счет напора пара или газа, истекающих из подземных источников и поступающих к основанию устройства.
Кроме того, в основании устройства, изготовленного из материала типа металлокерамики, в верхней его части, находится коническое углубление под углом 160-150° к вертикальной оси, имеющее на поверхности износостойкое покрытие. В это углубление основания вставляется центрирующий конус ротора с зазором по коническим поверхностям ~ 0,2 мм и открывающимся зазором в процессе работы по опорным поверхностям.
При этом ротор имеет дополнительные изогнутые отверстия от нижней поверхности к наружной боковой поверхности ротора, тангенциального типа, в количестве 6-12 штук, служащие для создания дополнительного момента вращения и дополнительного охлаждения элементов статора и ротора.
Парогазовая смесь или газ из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу к основанию устройства. В месте подвода трубы к основанию находится регулятор расхода подаваемой парогазовой смеси.
При подаче под давлением газа или пара в зазор между коническими поверхностями основания и ротора ротор приподнимается над опорными поверхностями основания и ротора, открывая зазор, через который пар или газ поступает на изогнутые лопатки ротора. При этом происходит вращение ротора на парогазовой подушке. Скорость вращения ротора может регулироваться количеством подаваемого пара или газа. В процессе работы конические поверхности основания и ротора не соприкасаются друг с другом, что уменьшает износ деталей основания и ротора.
Технический результат от использования устройства для преобразования геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию позволит получать электроэнергию для последующей ее передачи потребителю в местах выхода геотермальных вод или выделения попутного газа из нефтяных или газовых скважин. Компактность устройства, возможность легкой транспортировки, экологическая чистота конструкции позволит использовать данное устройство в труднодоступных регионах.
В природе выработка электроэнергии может составлять до 30% от энергии выбрасываемого пара (И.С. Сагадеев. “Развитие геотермальной энергетики в России”. г. Уфа; А. Барановский. “Вспомним о ГеоТЭС - природа великий гений”. 2015 г.).
Описание устройства: На фиг. 1 представлено устройство для преобразования геотермальной энергии парогазовой смеси или энергии попутного газа из подземных скважин - в электрическую энергию, при расположении тепло - энергоносителя вблизи подземного источника. Устройство состоит - из неподвижного основания 1, с подведенной к нему трубой 2, через которую подается пар или газ; - неподвижной кольцевой опоры статора 4 с элементами обмоток возбуждения самого статора 5;
- и вращающегося над основанием и внутри статора безопорного дискообразного ротора 6, имеющего на верхней поверхности постоянные магниты. Неподвижная опора статора 4 жестко соединена с неподвижным основанием 1. У основания 1, в его верхней части, имеется коническое углубление 3 с углом при вершине 160-150° к вертикальной оси.
Основание 1 изготовлено из металлокерамического материала, а имеет на поверхности конического углубления 3 износостойкое покрытие, например на основе карбида кремния или карбида вольфрама, или карбида хрома.
В углубление 3 основания 1 вставляется центрирующий конус ротора 9.
Парогазовая смесь или газ из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу 2. В месте подвода трубы к основанию находится регулятор расхода 7 подаваемой парогазовой смеси.
В верхней части кольцевой опоры неподвижного статора 4, изготовленного из электроизоляционного материала, равномерно вставлены “N” элементов с обмотками возбуждения 5 самого статора. При вращении ротора (6, 8, 9) внутри неподвижного статора 4 в обмотках возбуждения 5 возникает ток, который через токовыводящие элементы подается к потребителю 19. Поверхность 15 опоры статора служит ограничителем подъема ротора над поверхностью основания.
Ротор устройства представляет собой комбинированную многослойную конструкцию дискообразного типа. В верхней части ротора, в виде кольцевого диска из электроизоляционного материала, равномерно расположены “N” постоянных магнитов 6. Центральная часть ротора - основная платформа 8, в виде кольцевого диска из электроизоляционного материала, имеет на боковой поверхности равномерно расположенные изогнутые лопатки 10, типа турбинных, в количестве - не менее 10 штук, создающие вращение ротора при натекании на них парогазовой смеси. Материалом электроизоляционной платформы 8 может быть стеклопластик или стеклотекстолит. В электроизоляционной платформе 8 могут быть сделаны дополнительно изогнутые отверстия 11 тангенциального типа, усиливающие момент вращения ротора и обеспечивающие дополнительное охлаждение элементов статора и ротора. Нижняя часть ротора выполнена в виде перевернутого центрирующего конуса 9 с углом при вершине 160-150°, равным углу конического углубления 3 в основании устройства 1. Центрирующий конус 9 может быть выполнен из титана, стали, алюминия или металлокерамического материала с нанесенным на его наружную поверхность износостойким покрытием или быть полым внутри. Расположение центрирующего конуса 9 в углублении 3 основания 1 по коническим поверхностям и наличие зазора 13, постоянного в сечении ≈0,2 мм или имеющего в сечении форму конфузора, уменьшающегося при приближении к лопаткам ротора (снизу вверх), обеспечивает центрирующее положение ротора и его свободное вращение в процессе работы на парогазовой подушке без центральной оси и опорных подшипников.
В нерабочем состоянии ротор 6 соприкасается плоским участком поверхности 16 с плоским участком поверхности 17 основания 1. В процессе работы ротор 6 приподнимается над поверхностью 17 основания 1, а через открывающийся зазор 18 происходит натекание пара или газа на лопатки 10 ротора. Зазор 13 между коническим углублением основания 3 и наружной поверхностью центрирующего конуса ротора 9, имеющий форму конфузора, уменьшающегося в сечении к соприкасающимся поверхностям 16 и 17, и открывающийся зазор 18, могут увеличить скорость натекания газа или пара на лопатки 10 ротора.
Зазор 12 между неподвижным статором 5 и ротором 6 обеспечивает свободное вращение ротора внутри статора в процессе его работы на парогазовой подушке. Для сбора и отвода возникшего конденсата в процессе работы установки снизу устанавливается поддон 14.
Устройство для преобразования геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию работает следующим образом.
Паровая или газовая смесь из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу 2 к основанию 1 устройства. В месте подвода трубы 2 к основанию 1 находится регулятор расхода 7 подаваемой парогазовой смеси. Пар или газ под давлением ≈10-20 атмосфер через зазор 13 направляется к конической части ротора 9.
Ротор 6 под давлением приподнимается над коническим углублением 3 основания 1. При этом вес ротора плюс атмосферное давление на его наружную поверхность становится меньше силы воздействия парогазовой струи и ее давления на нижнюю коническую 9 и плоскую 16 поверхности ротора - согласно уравнению Бернулли. Происходит открытие зазора 18 между поверхностями 16 и 17 ротора 6 и основания 1 соответственно.
Ротор 6 как бы повисает (парит) в воздухе на парогазовой подушке над основанием 1. Происходит истечение парогазовой смеси через открывшийся зазор 18 и ее воздействие на изогнутые лопатки 10 ротора. Это приводит к вращению приподнятого ротора 6 в зазоре 12 внутри неподвижной обоймы статора 4 без опорных подшипников и оси вращения.
Центровка ротора 6 в процессе его вращения осуществляется с помощью центрирующего конуса 9 внутри конического углубления 3 основания 1. Отсутствие в системе вращающихся подшипников и осей вращения снижает сопротивление вращению ротора внутри статора 4 и уменьшает износ работающих деталей. Возникший в процессе работы устройства конденсат удаляется из поддона 14 и может быть использован повторно.
Вращение ротора с постоянными магнитами 6 внутри неподвижного статора с обмотками возбуждения 5 приводит к возникновению электрического тока с последующей передачей его потребителю 19.
Для подтверждения принципа работы предлагаемого устройства были разработаны и изготовлены: - модель устройства и - модель установки, имитирующей работу гейзера. Общая схема работы моделирующей установки приведена на фиг. 2.
Установка состояла из основания 21, совмещенного со статором 22, и ротора 23 с укрепленными на его боковой стороне 11 изогнутыми лопатками 32. В центре основания 21, совмещенного со статором 22, имелось коническое углубление с углом при вершине 160° к вертикальной оси. В центре конического углубления основания 21, совмещенного со статором 22, было сделано сквозное отверстие диаметром 8 мм. В это отверстие снизу была вставлена трубка 24 с наружным диаметром 8 мм и внутренним диаметром 6 мм из нержавеющей стали. На конце трубки 24 имелось сужающееся сопло 25. Ротор 23 представлял собой перевернутый конус с углом при вершине 160° к вертикальной оси. На боковой стороне ротора были укреплены изогнутые лопатки 32 в количестве 11 штук. Статор и ротор были изготовлены из стали и имели диаметр 150 мм и толщину соответственно 50 мм и 30 мм.
Трубка 24 устанавливалась внутри трубки 28 с внутренним диаметром 16 мм и длиной 1,2 м. К концам трубки 28, изготовленной из карбида кремния, подводилось напряжение ≈220 В. Другой конец трубки 24 через вентиль 34 был подсоединен к ресиверу 26 с водой.
В начале работы трубка 28 нагревалась до температуры 1320 K. После чего открывались вентили 29 и 34, и в металлическую трубку 24 из ресивера 26 поступала вода 30, вытесняемая воздухом из баллона 27. На выходе из трубки 24 образовывался перегретый пар 31, который поступал в сопло 25 и зазор 33 между статором и ротором. Струя пара, выходящая из сопла под давлением, приподнимала ротор 23, воздействовала на его изогнутые лопатки 32 и вращала ротор 23 без опорных подшипников и оси вращения. Ротор, как бы, парил над коническим углублением основания 21, совмещенного со статором 22, на парогазовой подушке. Его центровка осуществлялась коническим выступом с углом при вершине 160° к вертикальной оси на роторе 23, вставленным в коническое углубление с углом при вершине 160° к вертикальной оси в основание 21, соединенным со статором 22.
Работа устройства была зафиксирована на кинофотопленке. Такое же вращение происходило, если вместо пара подавался сжатый воздух или газ.
На фиг. 3 представлена модель основания со статором, имеющая коническое углубление с углом при вершине 160° к вертикальной оси. В отверстие в центре углубления вставлена металлическая трубка с соплом.
На фиг. 4 представлена модель ротора с укрепленными на его боковой стороне изогнутыми лопатками. Поверхность ротора, сопрягаемая с поверхностью статора, имела коническую форму с углом при вершине 160° к вертикальной оси.
При размещении на статоре обмоток возбуждения с токовыводящими элементами, а на роторе - постоянных магнитов, при работе установки вырабатывался электрический ток.
Список, просмотренных патентов по классам МПК, к заявке:
“УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ИЛИ ЭНЕРГИИ ПОПУТНОГО ГАЗА ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ”.
1. МПК 7: F03B 13/10 патент RU №105376 - турбина - генератор.
2. МПК 7: F03B 13/10 патент RU №57385 - роторная турбина ГЭС.
3. МПК 7: F03D 9 патент RU №2168062 - ветрогенератор.
4. МПК 7: F03D 1/06; F03D 3/06; Н02К 21/22 патент RU №2331792 - ветрогенератор обращенный.
5. МПК 7: F03D 1/06 патент RU №2477811 - роторно-лопастное колесо электрогенерирующего агрегата на основе эффекта Магнуса.
6. МПК 7: F03D 1/06 патент RU №2454563 - ротор ветрогенератора сегментного типа.
7. МПК 7: F03D 1/06 патент RU №2425249 - роторная ветроэлектростанция.
8. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2517007 - ротор с вертикальным валом.
9. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2516085 - роторный вертикальный ветродвигатель.
10. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2511985 - вертикальный ветровой электрогенератор.
11. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2502890 - турбинная установка и электростанция.
12. МПК: F03G 7/04 патент РФ №2493431 - геотермальная электростанция.
13. МПК: F24J 3/08 патент РФ №2110019 - паротурбинная установка для геотермальной электростанции.
14. МПК 8: B60V 1/06 патент РФ №2456185 - аппарат на воздушной подушке с дополнительной аэродинамической поддержкой корпуса.
15. МПК 8: B60V 1/08 патент РФ №2508997 - аэроглиссер амфибия.
16. МПК 8: B60V 1/08 патент РФ №246688 - экраноплан.
17. МПК 8: В60V 1/06 патент РФ №2442709 - мягкий поплавок.
18. МПК: H02K 21/22 патент РФ №2528378 - магнитоэлектрическая машина со вспомогательным двигателем.
19. МПК: Н02К 21/22 патент РФ №2467454 - высокоскоростная магнитоэлектрическая машина с вертикальным валом.
20. МПК: H02H 21/22 патент РФ №2453698 - скважинный генератор.
21. МПК: H02K 21/22 патент РФ №2374743 - бесконтактная синхронная машина, имеющая гладкий якорь с беспазовой активной зоной и постоянные магниты на роторе.
22. МПК: H02K 21/18; H02K 21/14 патент РФ №2303849 - бесколлекторный генератор с постоянными магнитами.
23. Патент WO 2013060340 A1 - устройство и способ преобразования геотермальной энергии в электрическую.
24. МПК: F03D 1/06 патент РФ №2477811 - роторно-лопастное колесо электрогенерирующего агрегата на основе эффекта Магнуса.
25. МПК:F24J 3/08 патент РФ №2288413 C1 - способ извлечения геотермального тепла.
26. МПК: F03G 4/06 патент РФ №2126098 - геотермальная электростанция, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления.
27. МПК: H02K 26/00; H02K 27/02 патент РФ №2137280 - моментный двигатель с постоянными магнитами.