СПОСОБ ПРИВОДА МНОГОСТУПЕНЧАТОГО ЛОПАТОЧНОГО КОМПРЕССОРА "ПОЛЯРНЫЙ КРУГ" Российский патент 1997 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано, в частности для производства жидкого кислорода в Заполярье.

Известен способ электропривода многоступенчатого лопаточного компрессора, сжимающего атмосферный воздух ступенями. Этот способ предусматривает операции:
вращения центробежных крыльчаток электрическими двигателями синхронного типа и
охлаждения сжимаемой среды в теплообменнике очередной ступени путем объема избыточной температуры потоками пресной воды.

Последняя при этом циркулирует в полузамкнутой системе через градирню, расположенную на открытом воздухе. Так действуют, например, компрессоры Казанского завода ЦК-100-61. ТК-8, КТК-7 или КТ-12,5, находясь в составе стационарных кислородных установок.

Недостаток способа-аналога заключается в высокой стоимости как оборудования, постройки сооружения, так и эксплуатации последнего. Электродвигатели большой мощности, как известно тихоходны. Турбокомпрессор же работает при значительных скоростях вращения. Отсюда потребность в сложном мультипликаторе (причем отнюдь не в одном) и повышенный расход электрической энергии, а следовательно, необходимость в ЛЭП, подстанциях, в их обслуге и т.п. Производить жидкий кислород при таких условиях выгодно не столько у мест потребления, как возле крупных населенных пунктов. Без использования пресной воды, ее потерь на испарение, без обмерзания градирни в зимний период здесь не обойтись.

Наиболее близким к предлагаемому способу является тот, при котором привод многоступенчатого компрессора осуществляют нечетным числом центробежных ступеней. При этом операцию вращения центробежных крыльчаток ведут с использованием паровых турбин. Что касается операции последующего охлаждения сжимаемой среды, то данная операция выполняется в теплообменниках.

Известный способ предусматривает применение компрессоров К-300061-1 и паровых турбин типа ВКВ-18-11. Мультипликаторы здесь не нужны. Установка несколько упрощается, производительность ее резко увеличивается. Для получения давления воздуха 200 атмосфер достаточно иметь пять малонагруженных агрегатов сжатия и такое же количество холодильников.

Недостаток этого способа состоит в том, что для приведения в действие турбин используют "невозобновляющиеся энергоисточники", т.е. земные ресурсы, которые убывают. Этот способ сопряжен с острым водяным паром под давлением и его больших расходах, а также высокими температурами, кавитацией при сходе с турболопастей, увеличенным расходом воды. Все это приводит к немалым денежным затратам, проблемам с надежностью технической задачей предлагаемого изобретения является сокращение и даже устранение перечисленных недостатков, что позволит сберечь невосполняющиеся энергоресурсы и сократить денежные и трудовые затраты на строительстве сооружения и эксплуатацию последнего, повысить надежность действия привода многоступенчатого лопаточного компрессора. Технический результат достигается тем, что в способе привода многоступенчатого лопаточного компрессора, сжимающего, например, атмосферный воздух до высокого давления нечетным числом центробежных ступеней, включающим операции вращения компрессорных крыльчаток турбинными двигателями и последующего охлаждения сжимаемой среды в теплообменнике очередной ступени путем съема избыточной температуры охлаждающими потоками, привод каждой ступени осуществляют посредством атомного ветродвигателя башенного типа. При этом теплообменники вместе с упомянутыми ступенями и их двигателями перемещают горизонтально, причем по рельсовому кругу, в процессе указанных операций и так кружат перечисленные узлы кольцевым составом. При этом кружение состава осуществляется автоматически с приблизительно одинаковыми линейными скоростями за счет асимметричного воздействия вектора ветровых сил на рабочие поверхности теплообменников единовременно.

Конкретный пример действия предлагаемого способа показан на фигурах 1-3. На фиг. 1 изображен 5-ступенчатый центробежный компрессор в составе установки для производства жидкого кислорода, представленной в вертикальном разрезе. В плане та же установка изображена на фигуре 2. На фиг. 3 изображена в плане подобная установка в ином варианте.

Кольцевой подвижной состав, включающий первую ступень 1 (фиг. 1), кинематически подсоединенную крыльчаткой к валу ветродвигателя башенного типа 2 (в частности, ветража ВНИП-2). Аналогично по конструкции другие четыре ступени сжатия вместе с их ветродвигателями и теплообменниками 3 этих ступеней объединены платформой 4. Последняя посредством катков 5 опирается на рельсовый круг 6, который встроен в скальный грунт 7 и замкнут в полости "п" при помощи юбочной завесы "ю". Перечисленные агрегаты и узлы концентричны вертикальной оси сооружения. При этом башни ветряков возвышаются над указанными холодильниками и вместе с данными теплообменниками размещены равномерно по кругу, как показано на фигурах 2 и 3.

Улиточный корпус с крыльчаткой названной 1-й ступени посредством холодильника этой ступени и трубопровода (он на чертеже условно не показан) сообщен с входом корпуса второй ступени сжатия. Та, в свою очередь, связана с входом улиточного корпуса 3-й ступени и т.д. Корпус пятой ступени через свой теплообменник подключен к соплу выпадения криогенной росы и к детандеру. Эти узлы небольшие по габаритам. Они заключены в кольцевую надстройку 8.

В центре платформы возвышается разделительная колонна 9. Ее нижняя часть с помощью вертикальной сливной трубы 10 сообщена с емкостью 11, что находится в полости "п" и принадлежит кислородохранилищу.

Все теплообменники внешне одинаковы. По профилю горизонтального сечения напоминают дозвуковую турболопатку Лаваля. Холодильные поверхности теплообменников совмещены с корытообразной стенкой, а также со "спинкой" каждой такой лопасти.

Набегающий поток воздуха (см. стрелки "в") обтекает как входные окна воздухозаборной решетки ветряка 2, так и теплообменники 3 (фиг. 2). При этом процесс охлаждения сжимаемого воздуха происходит беспрерывно по всем ступеням. Что касается операций, связанных с приводом, то тут картина несколько иная. Узлы, оказывающиеся на подветренной стороне, обдуваются четь хуже.

Самую большую эффективность проявляют те лопасти холодильники, которые обращены навстречу ветру своей вогнутостью. На чертеже такая лопасть находится слева. Ее "корыто" частично затенено основанием соответствующего двигателя. Это повышает величину асимметрии усилия, прилегаемого к платформе 4. Отсюда вращающий момент, обозначенный черно-белой стрелкой. Платформа прокручивается на катках 5 и все ветряки 2 в течение цикла срабатывают совершенно одинаково. Перемены в направлении ветра здесь роли не играют. Высоких температур нет.

Юбочная завеса "ю" исключает проникновение атмосферных осадков в полость "п" (фиг. 1). Воздух высокого давления при ветрах генерируется беспрестанно. Изэнтропно расширяясь в сопле и детандере и он разделяется на составляющие в колонне 9. Жидкий кислород стекает в емкость 11. Никаких традиционных энергозатрат, автономность, надежность в полярных условиях. Там, где часто дуют ветры, где холодно, не так испаряется кислород.

Фигура 3 дает представление о том, как форсировать энергоустановку. Тут каждая лопасть-холодильник имеет вид лопасти 3 и закрылка "к", образующих проточный ветровой канал "коробку". В результате чего производство сжатого воздуха, выработка кислорода будут осуществляться даже при слабых ветрах. Лучше всего этот способ проявит себя в тех местах, где штормы бушуют беспрерывно. Например, на Антарктическом полуострове.

Использование: в ветроэнергетике, в частности, для производства жидкого кислорода. Сущность изобретения: в способе привода многоступенчатого лопаточного компрессора, сжимающего, например, атмосферный воздух нечетным числом ступеней до высокого давления среды с помощью одиночных центробежных крыльчаток, каждую из которых приводят в действие своим башенным ветродвигателем 2, а воздух после очередной ступени изотермически охлаждают в теплообменнике 3. При этом указанные узлы перемещают посредством вращающейся платформы 4 по рельсовому кругу и данное кружение упомянутых узлов ведут равномерно и приблизительно с одинаковой линейной скоростью за счет сил ветра, направленного по стрелкам "В", обдувающего охлаждаемые поверхности теплообменника 3, которые искривлены подобно перу лопатки Лаваля и асимметричны к вектору ветровой силы. 3 ил.

Способ привода многоступенчатого лопаточного компрессора, сжимающего, например, атмосферный воздух до высокого давления нечетным числом центробежных ступеней, включающий операции вращения компрессорных крыльчаток турбинными двигателями и последующего охлаждения сжимаемой среды в теплообменнике очередной ступени путем съема избыточной температуры охлаждающими потоками, отличающийся тем, что привод каждой ступени осуществляют посредством автономного ветродвигатели башенного типа, а теплообменники вместе с упомянутыми ступенями и двигателями перемещают горизонтально, причем по рельсовому кругу, в процессе указанных операций и так кружат перечисленные узлы кольцевым составом, при этом кружение состава осуществляют автоматически с приблизительно одинаковыми линейными скоростями за счет асимметричного воздействия вектора ветровых сил на рабочие поверхности теплообменников единовременно.