ДЕТАНДЕР КАШЕВАРОВА "ДК" Российский патент 1998 года по МПК F25B9/00 F25B23/00 F25B31/02 F01C13/00 

Изобретение предназначено для преобразования энергии давления газа (пара) в механическую энергию вращения вала и для охлаждения газа путем его расширения в холодильниках.

Как двигатель детандер ДК может быть использован взамен паровых и газовых турбин для электростанций (тепловых, атомных и геотермальных). На этих электростанциях ДК позволит увеличить выработку электроэнергии и существенно повысить рентабельность их эксплуатации, т.к. по сравнению с паровыми и газовыми турбинами ДК обладает большим КПД и большей удельной мощностью. Как двигатель детандер ДК может найти эффективное применение для понижения давления газа из магистрального газопровода с давлением газа до 100 кг/см² до давления газа, используемого в городах для бытовых нужд. Одновременно может быть получен холодильник для долговременного хранения продуктов на торговой базе, т.к. при расширении газа, сжатого в магистральном газопроводе до 100 кг/см², его температура понизится более чем на 50^o.

Наиболее близким к изобретению является детандер, содержащий по меньшей мере один статор и один ротор с осью вращения и паропровод, отводящий отработанный пар (SU, авт.св. 334446, кл. F 25 B 9/06, 1972).

Однако этот детандер имеет сложную конструкцию и невысокий КПД вследствие ограничений, накладываемых при использовании пара с температурой выше 600^oC.

Задачей настоящего изобретения является создание компактного, технологичного детандера с высоким КПД для использования в различных отраслях промышленности.

Поставленная задача решается за счет того, что в детандере, содержащем по меньшей мере один статор и один ротор с осью вращения и паропровод, отводящий отработанный пар, имеется три статора с роторами, закрепленными с образованием камер расширения на валах, установленных в торцевых стенках статоров, с осями вращения, являющимися геометрическими осями цилиндрических поверхностей статоров, на образующей каждого статора установлена на оси вращения дверца с возможностью скольжения своей пружиной по цилиндрической поверхности ротора, при этом каждая дверца жестко соединена с рычагами, которые соединены с пружинами, установленными на стенке статора, между тремя статорами установлена втулка, в которую вставлен стакан, имеющий полуось, соединенную с его дном, при этом края стенок стакана установлены между катками втулки, жестко соединенной с паропроводом пара высоких параметров, на полуоси стакана и на осях вращения роторов установлены равные по диаметру шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом, статоры имеют отверстия расположенные с возможностью ввода в камеры расширения пара высоких параметров из отверстий в стакане и вывода из статоров отработанного пара, все наружные поверхности статоров и камер имеют теплоизоляцию.

Кроме того, в каждом статоре на одном валу установлено несколько роторов и смежные роторы повернуты относительно друг друга на угол, равный 360^o, деленным на число роторов в статоре, при этом каждый ротор имеет пластинчатую пружину, установленную с возможностью контакта с цилиндрической поверхностью статора, и герметичные камеры, образованные его ободом, соединенным радиальными пластинами со втулкой вала.

Причем дверцы с осями установлены на образующих цилиндрических поверхностей статоров, на оси каждой дверцы закреплены рычаги с пружинами, установленными на наружной поверхности смежного статора, на каждом статоре установлен амортизатор с возможностью опоры на него рычага при скольжении пружины дверцы по круговой цилиндрической поверхности ротора.

Детандер снабжен распределительной камерой, образованной стаканом, установленным с возможностью вращения в обойме с одной стороны на трех катках, установленных в обойме за наружными поверхностями статоров, с другой стороны - на полуоси, соединенной с дном стакана и установленной в торцевой стенке обоймы, при этом на полуоси закреплена шестерня, находящаяся в зацеплении с тремя шестернями, установленными на валах роторов, и имеющая диаметр, равный диаметрам шестерен, находящихся с ней в зацеплении, в стакане распределительной камеры выполнены отверстия с возможностью поочередного сообщения ее с одной из камер расширения трех статоров, при этом число отверстий в стакане равно числу роторов в одном статоре и смежные отверстия смещены относительно друг друга на центральный угол, равный 360^o, деленным на число роторов в одном статоре, обойма соединена с паропроводом с возможностью подвода к ней пара высоких параметров.

Устройство ДК поясняется чертежами.

На фиг. 1 дано поперечное сечение статоров детандера (сечение по Б-Б на фиг.2); на фиг.2 - сечение по А-А на фиг.1.

ДК имеет три статора 1, каждый из которых имеет несколько роторов 2, установленных на одном валу 3, ось вращения которого совмещена с геометрической осью внутренней круговой цилиндрической поверхности статора 1. Каждый вал 3 соединен со втулкой 4, которая соединена радиальными пластинами 5 с цилиндрическим ободом ротора 2. Вал 3 установлен в подшипниках торцевых стенок 6 статора 1, отделяющих один ротор от другого, с ним смежного. В предлагаемом ДК в одном статоре 1 установлено 6 роторов 2, каждый из которых повернут на 60^o один относительно другого смежного ротора. По образующей наружной цилиндрической поверхности статора 1 установлены шесть (по числу роторов) осей 7 вращения дверцы 8. Каждая ось имеет несколько жестко соединенных с ней рычагов 9, установленных через равные промежутки оси 7 вращения одной дверцы 8, образующей с поверхностями ротора 2 и статора 1 камеры 10 и 11 соответственно расширения (рабочего хода) и выхлопа (удаления) отработанного пара (газа). Камеры 10 и 11 отделены друг от друга дверцей 8 с пластинчатой пружиной 12, которая скользит по цилиндрической поверхности ротора 2, и ротором 2 с пластинчатой пружиной 13, которая скользит по цилиндрической поверхности статора 1.

Камеры 10 и 11 возникают в момент прохода роторной пружины 13 конца дверцы 8, перекрывающей отверстие 14, соединяющее камеру расширения 10 с окном 15 центральной распределительной камеры 16 в стакане 17, вращающемся во втулке 18, соединяющей между собой три статора 1. Втулка 18 имеет отверстия, совмещенные с отверстиями 14 в статоре 1. В каждом статоре 1 число камер 10 и 11 равно числу роторов 2. Роторы 2 смежных статоров 1, установленные на равном удалении от левой (первой) торцевой стенки статора 1, повернуты на 120^o относительно друг друга наибольшим своим радиусом (в месте крепления пружины 13). Окна 15 камеры 16 для шести смежных роторов 2 смещены по радиальному направлению друг относительно друга на 60^o. Стакан 17 камеры 16 имеет полуось 19, соединенную с его дном 20, а втулка 18 с тремя катками 21, в которых вращается стакан 17, соединена с паропроводом 22. На полуоси 19 установлена шестерня 23, находящаяся в зацеплении с равными ей диаметрами шестернями 24, установленными на каждом из трех валов 3 роторов 2.

Статор 1 имеет окно 25 выхода отработанного пара (газа) в камеру 26, которая патрубком соединена с конденсатором-теплообменником (условно не показан). Окно 25 разделено дугами 27, являющимися продолжением цилиндрической поверхности статора 1, по которым проходит пружина 13 ротора 2 при его вращении.

На статорах 1 установлены пружины 28, соединенные своими тонкими концами с рычагами 9, и амортизаторы 29, ограничивающие движение рычагов 9 и воспринимающие давление газов (паров) на дверцы 8 при скольжении пружин 12 по круговой части цилиндрической поверхности ротора 2. Рычаги 9, пружины 28 и амортизаторы 29 расположены в камерах 30.

Наружные поверхности статоров 1, камер 26 и 30 имеют теплоизоляцию 31, изображенную крестообразной штриховкой. Стакан 17 имеет пояса 32 жесткости с пазами, в которые входят тонкостенные шайбы 33 втулки 18, препятствующие утечке пара из одной смежной камеры 10 в другую смежную камеру 10. Радиальные пластины 5, соединяющие обод ротора 2 с втулкой 4, образуют герметичные камеры 34, в которых заключен сжатый воздух с давлением, равным среднему давлению пара в камере расширения 10.

При использовании детандера для теплоэлектростанций он подсоединяется втулкой 18 камеры 16 к паропроводу 22 электростанции, например, сварочным швом, соединяющим втулку 18 и паропровод 22. Пар высоких параметров (с давлением более 100 кг/см² и температурой более 500^oC) из камеры 16 через отверстия 14 поступает в камеры 10 расширения каждого статора 1 через окна 15, совпадающие в данный момент времени с тем или иным отверстием 14. Давлением пара на ротор 2 создается момент силы, который повернет ротор 2, а вместе с ним вал 3, шестерню 24 и шестерню 23 с полуосью 19, в результате чего окно 15 совпадает с другой камерой расширения 10, и давление пара, поступившего в камеру 10, создаст момент силы, приложенный к другому ротору 2, в результате чего произойдет наращивание крутящего момента вала 3 каждого статора 1 и суммарного момента вращения рабочего вала ДК, которым может быть любой из трех валов 3 статоров 1.

Во время поступления пара в камеру 10 его давление на дверцу 8 прижмет пружину 12 дверцы 8 к цилиндрической поверхности ротора 2. При этом большая часть силы давления пара на дверцу 8 будет уравновешена сопротивлением пружины 28 через рычаг 9, а затем и амортизатора 29 при скольжении пружины 12 дверцы 8 по круговой цилиндрической поверхности ротора 2.

Ротор 2 при его вращении скользит своей пружиной 13 по цилиндрической поверхности статора 1, перекрывающей зазор между поверхностями статора 1 и ротора 2. При этом давление пара в камере 10, превосходящее давление пара в камере 11, прижимает пружину 13 к цилиндрической поверхности статора 1, препятствуя утечке пара из камеры 10 в камеру 11. Утечка пара из камеры 10 в камеру 11 через зазор между торцевыми поверхностями ротора 2 и статора 1 не имеет существенного значения, т.к. этот зазор может быть выполнен достаточно малым и пар, проходящий через этот зазор, должен "обогнать" вращающийся ротор 2 и тем самым полностью исключить тормозящее действие силы трения между торцевыми поверхностями ротора 2 и статора 1 в результате образовавшейся паровой (воздушной) смазки между этими поверхностями. Аналогичное явление позволяет считать, что через зазор между торцевыми стенками статора 1 и дверцы 8 не будет происходить существенной утечки пара из камеры 10 в камеру 11. В случае необходимости зазоры между торцевыми стенками вышеупомянутых деталей могут быть перекрыты пружинами или подпружиненными вкладышами, подобными торцевым кольцам поршней ДВС, которые вставляются в пазы торцевых стенок ротора 2 и дверцы 8, и во время движения ротора 2 и дверцы 8 скользят по торцевой поверхности статора 1.

Описанные усовершенствования обеспечивают создание компактного, технологичного, экологически чистого детандера с высоким КПД.

Детандер предназначен для охлаждения газа (пара) при его расширении с получением механической энергии вращающегося вала. Детандер имеет три статора с роторами, закрепленными на валу с осью вращения, являющейся геометрической осью цилиндрической поверхности статора. На образующей статора установлена ось вращения дверцы, скользящей своей пружиной по цилиндрической поверхности ротора, эксцентричной относительно его оси вращения. Между тремя статорами установлена втулка с вращающейся в ней распределительной камерой, подсоединенной к паропроводу (электростанции). Из распределительной камеры пар высоких параметров поступает в камеры расширения и вращает роторы с рабочим валом, на котором они установлены. Изобретение обеспечивает компактность, технологичность, высокий КПД, расширение области применения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Детандер, содержащий по меньшей мере один статор и один ротор с осью вращения, паропровод, отводящий отработанный пар, отличающийся тем, что имеет три статора с роторами, закрепленными с образованием камер расширения на валах, установленных в торцевых стенках статоров, с осями вращения, являющимися геометрическими осями цилиндрических поверхностей статоров, на образующей каждого статора установлена на оси вращения дверца с возможностью скольжения своей пружиной по цилиндрической поверхности ротора, при этом каждая дверца жестко соединена с рычагами, которые соединены с пружинами, установленными на стенке статора, между тремя статорами установлена втулка, в которую вставлен стакан, имеющий полуось, соединенную с его дном, при этом края стенок стакана установлены между катками втулки, жестко соединенной с паропроводом пара высоких параметров, на полуоси стакана и на осях вращения роторов установлены равные по диаметру шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом, статоры имеют отверстия, расположенные с возможностью ввода в камеры расширения пара высоких параметров из отверстий в стакане и вывода из статоров отработанного пара, все наружные поверхности статоров и камер имеют теплоизоляцию. 2. Детандер по п.1, отличающийся тем, что в каждом статоре на одном валу установлено несколько роторов и смежные роторы повернуты относительно друг друга на угол, равный 360^o, деленным на число роторов в статоре, при этом каждый ротор имеет пластинчатую пружину, установленную с возможностью контакта с цилиндрической поверхностью статора, и герметичные камеры, образованные его ободом, соединенным радиальными пластинами со втулкой вала. 3. Детандер по п.1, отличающийся тем, что дверцы с осями установлены на образующих цилиндрических поверхностях статоров, на оси каждой дверцы закреплены рычаги с пружинами, установленными на наружной поверхности смежного статора, на каждом статоре установлен амортизатор с возможностью опоры на него рычага при скольжении пружины дверцы по круговой цилиндрической поверхности ротора. 4. Детандер по п.1, отличающийся тем, что снабжен распределительной камерой, образованной стаканом, установленным с возможностью вращения в обойме с одной стороны на трех катках, установленных в обойме за наружными поверхностями статоров, с другой стороны - на полуоси, соединенной с дном стакана и установленной в торцевой стенке обоймы, при этом на полуоси закреплена шестерня, находящаяся в зацеплении с тремя шестернями, установленными на валах роторов, и имеющая диаметр, равный диаметрам шестерен, находящихся с ней в зацеплении, в стакане распределительной камеры выполнены отверстия с возможностью поочередного сообщения ее с одной из камер расширения трех статоров, при этом число отверстий в стакане равно числу роторов в одном статоре и смежные отверстия смещены относительно друг друга на центральный угол, равный 360^o, деленным на число роторов в одном статоре, обойма соединена с паропроводом с возможностью подвода к ней пара высоких параметров.