ЭНЕРГОПРИВОД С ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНОЙ Российский патент 1996 года по МПК F16H41/00 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и предназначено главным образом для выработки механической энергии за счет использования энергии перепада давления природного газа на газораспределительных станциях и перепада давления топливного газа на компрессорных станциях газопроводов, оснащенных перекачивающими агрегатами с турбинами, работающими на природном газе.

В настоящее время на газораспределительных и компрессорных станциях при снижении давления газа путем дросселирования ежегодно диссипируется (уничтожается) более 50 млрд кВт·ч механической энергии, для выработки которой потребовалось бы около 50 млн.т.у.т. Идея использования этой энергии известна давно. Выдвигалось много проектов, программ и технических предложений по ее реализации. Главными направлениями являются выработка электроэнергии и "холода". Созданы турбодетандеры, использующие перепад пластового давления газа для его низкотемпературной сепарации на промыслах. Имеется много других разработок и попыток создать технику для использования этой "бросовой" энергии природного газа. Так, например, на газовом промысле Н. Уренгоя установлены турбодетандеры для охлаждения газа с одновременной выработкой электроэнергии. Мощность их составляет 300 кВт. Это, можно считать, единственный случай доведения идеи до внедрения [1] Однако из-за низкой надежности эти установки практически не работают.

Наиболее близким по своей технической сущности к описываемому является энергопривод с лопаточной машиной, содержащий корпус с размещенным в нем ротором на валу с подшипниками, направляющим аппаратом, патрубками подвода и отвода рабочего тела, сообщенными соответственно с направляющим аппаратом и ротором и с газовыми коллекторами высокого и низкого давления, систему уплотнения вала ротора, краны системы регулирования, управления и защиты [2]
В результате применения традиционных решений энергопривод оказывается исключительно сложным по структуре, металлоемким, сложным в изготовлении, имеет низкую надежность, требует значительного обслуживания, а следовательно, и дорогим. Себестоимость создаваемой электроэнергии оказывается выше, чем у традиционных машин. Главная причина состоит в том, что в создании использующей энергию техники используются традиционные технические решения и параметры. Например, обеспечение высокого КПД турбодетандера обуславливает высокие скорости. Поэтому для передачи энергии, например, электрогенератору применяется редуктор с высоким передаточным числом. Кроме того, высокоскоростная лопаточная машина даже средней мощности требует уникальной балансировки, наивысшего класса точности обработки деталей, применения подшипников скольжения, что обуславливает повышение требований к системе смазки. Применяемое традиционное уплотнение вала ротора типа "газ-масло" предопределяет создание еще одной более сложной уплотнительной масляной системы, включающей бак, насос, фильтр, регулятор перепада давления (газ-масло), дегазатор, теплообменник и систему возврата газа. Схемы таких систем очень сложны.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции, снижение требований к материалам и изготовлению.

Указанная техническая задача решается за счет того, что энергопривод с лопаточной машиной, содержащей корпус с размещенным в нем ротором на валу с подшипниками, направляющим аппаратом, патрубками подвода и отвода рабочего тела, сообщенными соответственно с направляющим аппаратом и ротором и с газовыми коллекторами высокого и низкого давления, систему уплотнения вала ротора, краны системы регулирования, управления и защиты, снабжен редуктором газа и золотниковым дозатором, установленным последовательно по ходу потока в патрубке подвода перед входом в направляющий аппарат, центробежным регулятором скорости, механически связанным с золотниковым дозатором и через зубчатую передачу в валом, при этом подшипники выполнены в виде подшипников качения, а система уплотнения вала в виде лабиринтного уплотнения, разделенного по меньшей мере на две части проточками, образующими в корпусе камеры, в последней из которых по ходу потока размещена зубчатая передача, и устройства отвода утечек, состоящего из двух эжекторов и редуктора-регулятора с импульсной трубкой, при этом основные входы эжекторов подключены к патрубку подвода перед редуктором, а их дополнительные входы к камерам, выход эжектора, подключенного к первой по ходу потока камере, сообщен с патрубком отвода, а выход эжектора, подключенного к второй камере, с дополнительным входом первого эжектора, редуктор-регулятор подключен входом к патрубку отвода, а выходом к второй камере, к которой подключена и импульсная трубка редуктора-регулятора.

Замена подшипников скольжения на подшипники качения позволила исключить из энергопривода систему смазки. Выбранный скоростной режим 1500 об/мин соответствует числу оборотов электрогенератора. Сочетание параметров: мощности и скоростного режима позволило исключить редуктор.

Применение газодинамического уплотнения вала ротора с последовательно включенными эжекторами, использующими газ, подводимый к лопаточной машине, в качестве рабочего тела для компримирования и возврата утечек в коллектор газа низкого давления, упростило конструкцию, т.е. исключило сложную традиционно применяемую систему уплотнения газ-масло.

Для регулирования режима работы энергопривода применены золотниковые дозаторы рабочего газа, управляемые стандартным дизельным центробежным регулятором скорости.

Таким образом, совокупность принятых решений и сочетание параметров позволило создать новую конструкцию энергопривода с лопаточной машиной, отличающуюся от традиционных простотой конструкции и невысокими требованиями к материалам и изготовлению (малые скорости, низкие давления и умеренные температуры).

На чертеже схематично изображен энергопривод с лопаточной машиной.

Энергопривод с лопаточной машиной содержит корпус 1 с размещенным в нем на валу 2 с подшипниками 3 ротором 4, направляющим аппаратом 5 и патрубками 6 и 7 подвода и отвода рабочего тела. Патрубки 6 и 7 сообщены соответственно с газовыми коллекторами высокого и низкого давления (не показаны) посредством трубопроводов 8 и 9. Энергопривод содержит также уплотнения вала 2 ротора 4, клапаны 10, 11 системы регулирования, управления и защиты. Энергопривод снабжен редуктором 12 газа и золотниковым дозатором 13, установленными последовательно по ходу потока в патрубке 6 подвода перед входом в направляющий аппарат 5, а также центробежным регулятором 14 скорости, механически связанным с золотниковым дозатором 13 и через зубчатую передачу 15 с валом 2. Подшипники 3 выполнены в виде подшипников качения. Система уплотнения вала 2 выполнена в виде лабиринтного уплотнения 16, разделенного по меньшей мере на две части проточками, образующими в корпусе 1 камеры 17 и 18, в последней из которых по ходу потока размещена зубчатая передача 15, и устройства отвода утечек, состоящего из двух эжекторов 19, 20 и редуктора-регулятора 21 с импульсной трубкой 22. Основные входы 23, 24 эжекторов 19, 20 подключены к патрубку 6 подвода перед редуктором 12 газа, а их дополнительные входы 25, 26 к камерам 17 и 18. Выход 27 эжектора 19, подключенного к первой по ходу потока камере 17, сообщен с патрубком 7 отвода, а выход 28 эжектора 20, подключенного к второй камере 18, с дополнительным входом 25 первого эжектора 19. Редуктор-регулятор 21 подключен входом 29 к патрубку 7 отвода, а выходом 30 к второй камере 18, к которой подключена и импульсная трубка 22 редуктора-регулятора 21. Клапан 10 снабжен пневмоприводом 31, а клапан 11 выполнен в виде обратного клапана, установленного на входе в трубопровод 9. Выход вала 2 к потребителю энергии уплотнен манжетой 32. Дозатор 13 связан с регулятором 14 посредством тяги 33.

Энергопривод с лопаточной машиной работает следующим образом.

При открывании клапана 10 пневмоприводом 31, который срабатывает от пускового импульса (кнопки), газ по трубопроводу 8 поступает к редуктору 12 газа, где его давление снижается до заданного уровня и поддерживается неизменным при колебаниях давления газа в коллекторе высокого давления и режима работы энергопривода. После редуктора 12 газ по патрубку 6 подвода поступает в золотниковый дозатор 13, где осуществляется его дросселирование путем изменения положения золотника, управляемого регулятором 14 скорости. Регулятор 14 настроен на постоянный рабочий скоростной режим, например 1500 об/мин, независимо от загрузки агрегата и обеспечивает его, уменьшая или увеличивая величину проходного сечения окна дозатора 13, в соответствии с фактическим тормозным моментом энергопотребителя (электрогенератора, насоса и т.п.). Пройдя через направляющий аппарат 5 газ срабатывает свою энергию на роторе 4 лопаточной машины и при сниженном давлении через обратный клапан 11 отводится через трубопровод 9 в коллектор газа низкого давления компрессорной или газораспределительной станции. При работе энергопривода некоторая доля газа под давлением, равным давлению на выходе из машины, через лабиринтное уплотнение 16 вала 2 перетекает в камеру 17, а затем и в камеру 18. Отвод газа из камер 17 и 18 осуществляется эжекторами 19 и 20. Для гарантированного поддержания давления газа в камере 18 равным давлению окружающей среды и отсутствия в ней разрежения, а следовательно, и подсоса воздуха в камеру 18 извне при колебаниях давления газа на входе в эжекторы 19, 20 осуществляется подпитка камеры 18 газом низкого давления с помощью редуктора-регулятора 21, имеющего обратную газовую связь посредством импульсной трубки 22. В целях снижения расхода газа на эжектирование утечек газа через уплотнение 16 вала 2 между частями лабиринтного уплотнения 16 образованы одна или несколько промежуточных камер 17. Из камеры 17 утечки газа отводятся эжектором 19 второй ступени, и в ней также снижается давление газа. Следовательно, в камеру 18 поступает только оставшаяся часть утечек газа, которая отводится эжектором 20 первой ступени. Причем эжектор 20 рассчитывается так, что давление газа на его выходе 28 (рабочий газ плюс отведенные утечки из камеры 18) равно давлению газа в камере 17. В эжектор 19 второй ступени поступают газ из эжектора 20 первой ступени и часть утечек из камеры 17. Газ из эжектора 19 второй ступени поступает в патрубок 7 отвода до обратного клапана 11. В случае неполадок при превышении скоростного режима перекрывается подвод рабочего газа из коллектора высокого давления с помощью управляемого пневмоприводом 31 клапана 10 по импульсу от конечного выключателя (не показан), срабатывающего при крайнем положении тяги 33 управления дозатором 13 газа, перемещаемой центробежным регулятором 14.

Использование: в энергетическом машиностроении, главным образом для выработки механической энергии за счет использования энергии перепада давления природного газа на газораспределительных станциях и топливного газа на компрессорных станциях газопроводов, оснащенных агрегатами с турбинами, работающими на природном газе. Сущность изобретения: энергопривод с лопаточной машиной снабжен редуктором газа и золотниковым дозатором ( ЗД ). Редуктор газа и ЗД установлены последовательно по ходу потока в патрубке подвода перед входом в направляющий аппарат. Энергопривод снабжен также центробежным регулятором скорости. Регулятор скорости механически связан с ЗД и через зубчатую передачу с валом ротора. Подшипники вала выполнены в виде подшипников качения, а система уплотнения вала - в виде лабиринтного уплотнения и устройства отвода утечек. Лабиринтное уплотнение разделено проточками по меньшей мере на две части с образованием в корпусе камер ( К ). В последней по ходу потока К размещена зубчатая передача. Устройство отвода утечек состоит из двух эжекторов (Э ) и редуктора-регулятора с импульсной трубкой. Основные входы Э подключены к патрубку подвода перед редуктором газа. Дополнительные входы Э подключены к К. Выход Э, подключенного к первой по ходу потока К, сообщнен с патрубком отвода. Выход Э, подключенного к второй К, сообщен с дополнительным входом первого Э. Редуктор-регулятор подключен входом к отводящему патрубку, а выходом к второй К. Импульсная трубка подключена также к второй К. 1 ил.

ЭНЕРГОПРИВОД С ЛОПАТОЧНОЙ МАШИНОЙ, содержащий корпус с размещенным в нем на валу с подшипниками ротором, направляющим аппаратом, патрубками подвода и отвода рабочего тела, сообщенными соответственно с газовыми коллекторами высокого и низкого давления, систему уплотнения вала ротора и клапаны системы регулирования, управления и защиты, отличающийся тем, что он снабжен редуктором газа и золотниковым дозатором, установленными последовательно по ходу потока в патрубке подвода перед входом в направляющий аппарат, центробежным регулятором скорости, механически связанным с золотниковым дозатором и через зубчатую передачу с валом, при этом подшипники выполнены в виде подшипников качения, а система уплотнения вала - в виде лабиринтного уплотнения, разделенного по меньшей мере на две части проточками, образующими в корпусе камеры, в последней из которых по ходу потока размещена зубчатая передача, и устройства отвода утечек, состоящего из двух эжекторов и редуктора-регулятора с импульсной трубкой, при этом основные входы эжекторов подключены к патрубку подвода перед редуктором газа, а их дополнительные входы - к камерам, выход эжектора, подключенного к первой по ходу потока камере, сообщен с патрубком отвода, а выход эжектора, подключенного к второй камере, - с дополнительным входом первого эжектора, редуктор-регулятор подключен входом к отводящему патрубку, а выходом - к второй камере, к которой подключена и импульсная трубка редуктора-регулятора.