Каскадный турбореактивный электрогенератор Российский патент 2024 года по МПК F01D1/32 F01D15/10 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к электрогенераторам со струйно-реактивной турбиной, которое может быть использовано в качестве генератора электрической энергии.

Известен роторный газотурбинный двигатель, содержащий жестко установленное на валу центробежное рабочее колесо с центробежными каналами, обеспечивающее сжатие поступающего в него окислительного рабочего тела, установленную коаксиально с ним камеру сгорания торообразной формы с тангенциально расположенными на ней соплами, обеспечивающими создание импульса реактивной силы от истекающих через сопла продуктов сгорания смеси горючего и окислительного рабочего тела для вращения рабочего колеса и камеры сгорания, средства подачи горючего рабочего тела и средства зажигания смеси горючего и окислительного рабочего тела. Внутренняя полость корпуса камеры сгорания разделена на отдельные камеры сгорания жестко закрепленными поперечными перегородками, которые являются продолжением лопаток рабочего колеса, и закреплены с образованием входных отверстий в отдельные камеры сгорания. Выходные отверстия центробежных каналов открыты в полости отдельных камер сгорания через входные отверстия. По меньшей мере по одному выходному отверстию центробежного канала открыто в полость каждой отдельной камеры сгорания, снабженной по меньшей мере одним соплом, выполненным сверхзвуковым, в виде круглого или плоского сопла Лаваля. Центральная ось сопла на его входе совпадает по направлению с центральной осью отдельной камеры сгорания на ее выходе. Отдельные камеры сгорания снабжены средствами подачи горючего рабочего тела, и средствами зажигания, размещенными в каждой поперечной перегородке, и обеспечивающими одновременное воспламенение смеси горючего и окислительного рабочего тела в примыкающих друг к другу отдельных камерах сгорания. Между центробежным рабочим колесом и отдельными камерами сгорания установлено средство дросселирования, обеспечивающее заданные расходные и термодинамические параметры сжатых потоков окислительного рабочего тела на входе в каждую отдельную камеру сгорания. (Патент RU 2623592 С1. Роторный газотурбинный двигатель. - МПК: F02C 3/16. - Опубл. 28.06.2017).

Известна турбореактивная установка, содержащая вал и стационарно установленные вокруг вала подводящие коллекторы для подачи рабочего тела, соединенные с входными отверстиями рабочих колес патрубками, при этом патрубки соосно расположены вокруг вала, жестко соединены с коллекторами и герметично и подвижно соединены с входными отверстиями рабочих колес турбин. Вал выполнен с подшипниковыми опорами, на котором на расстоянии друг от друга установлены в одном направлении двухпоточные реактивные турбины. Двухпоточная реактивная турбина, содержит установленное на валу центробежное рабочее колесо с лопатками, в котором осуществляется сжатие поступающего в него рабочего тела. Центробежное рабочее колесо выполнено двухпоточным и состоит из двух соосно и плотно соединенных или изготовленных в виде единого целого однопоточных центробежных рабочих колес, одно из которых выполнено с зеркально противоположным направлением профиля лопаток, по верхним боковым кромкам закрытых обечайками, с образованием центробежных каналов и содержит по крайней мере один полый торообразный коллектор с отверстием по периметру его внутреннего диаметра, ширина которого не меньше общей высоты лопаток в выходном сечении центробежных каналов двухпоточного центробежного рабочего колеса, жестко и с обеспечением герметичности прикрепленный к двухпоточному центробежному рабочему колесу так, что выходные отверстия центробежных каналов открыты во внутреннюю полость торообразного коллектора, при этом по периметру внешнего диаметра торообразного коллектора выполнены отверстия, в которые установлены сверхзвуковые реактивные сопла, при этом торообразный коллектор снабжен перегородками, перекрывающими его в поперечном сечении, жестко закрепленными вблизи начала входного участка каждого реактивного сопла. Сверхзвуковые реактивные сопла установлены в торообразный коллектор реактивной турбины тангенциально, в плоскости, перпендикулярной оси вращения двухпоточного центробежного рабочего колеса. (Патент RU 2673431 С2. Способ получения механической энергии, однопоточная и двухпоточная реактивные турбины и турбореактивная установка для его реализации. - МПК: F01D 1/32, F01D 15/08. - Опубл. 26.11.2018).

Известна струйно-реактивная турбина, содержащая подводящее сопло, выполненное с аксиально расположенным в его корпусе центральным телом, выходная часть которого выполнена с конусообразной поверхностью, сходящейся по направлению потока рабочего тела, внутренняя поверхность корпуса выполнена на выходе также конусообразной, сходящейся по потоку непосредственно до поперечного сечения среза, причем корпус расположен по отношению к сечению торцевого входа вала с осевым зазором, удовлетворяющим выбранному условию. (Патент RU 2614946 С2. Струйно-реактивная турбина. - МПК F01D 1/32. - Опубл. 31.03.2017). Данное техническое решение принято за прототип.

Недостатком технического решения является большой расход высоконапорного газа.

Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности использования высоконапорного газа. В качестве высоконапорного газа может служить пар, газ из магистрального газопровода или какое-либо другое рабочее тело в виде газа высокого давления.

Технический результат - повышение эффективности использования газа высокого давления магистрального газопровода.

Указанный технический результат достигается тем, что в каскадном турбореактивном электрогенераторе, содержащем струйно-реактивную турбину, выполненную в виде вала с осевым каналом подвода рабочего тела и жёстко соединёнными с ним радиально установленными на ступице рычагами с однопоточными каналами, сообщающиеся выходами с тангенциально направленными реактивными соплами на концах, а входами - с осевым каналом вала струйно-реактивной турбины, согласно предложенному техническому решению,

он содержит каскадный турбореактивный привод и два электрогенератора, один из которых кинематически соединён с валом струйно-реактивной турбины, на котором подвижно установлен каскадный турбодетандер с вторичным использованием рабочего тела, исходящего из реактивных сопел, и возможностью независимого вращения на валу в противоположном струйно-реактивной турбине е направлении, выполненный с ободом, на внутренней стороне которого установлены лопатки с зазором к рычагам с реактивными соплами, направленными реактивной струёй рабочего тела в лопатки турбодетандера, выполненного со ступицей, кинематически соединённой с валом второго электрогенератора, а полый вал ротора соединён с трубопроводом, подводящим рабочее тело, с помощью подвижной муфты с графитовым уплотнением;

рычаги с однопоточными каналами соединены между собой обручем жёсткости;

в качестве рабочего тела используется газ из газопроводной сети, для чего содержит герметичный корпус с патрубком для соединения с участком газопровода с пониженным давлением газа, а осевой канал вал струйно-реактивной турбины подключён к участку газопровода с более высоким давлением газа.

На фиг. 1 схематично представлен предлагаемый каскадный турбореактивный электрогенератор; на фиг. 2 - осевой вид каскадного турбореактивного привода электрогенератора на фиг. 1.

Каскадный турбореактивный электрогенератор состоит из каскадного турбореактивного привода 1, размещённого в корпусе 2, и двух электрогенераторов 3 и 4. (Фиг. 1). Каскадный турбореактивный привод 1 состоит из струйно-реактивной турбины 5, содержащей вал 6 с осевым каналом 7 подвода газа, соединённый с трубопроводом 8 газопроводной сети подвижной муфтой 9 с графитовым газодинамическим уплотнением с зазором между торцами, и жёстко соединённых с валом 6 радиально установленных на ступице 10 n-е количество рычагов 11 с однопоточными каналами 12, сообщающиеся выходами с тангенциально направленными реактивными соплами 13, закреплённых на свободных концах рычагов 11, а входами - с осевым каналом 7 вала 6 с образованием непрерывного газового тракта (показан стрелками). Вал 6 установлен в подшипниках качения или скольжения на опорах 14 и имеет ведущую шестерню 15 для передачи крутящего момента на вал электрогенератора 3. На валу 6 подвижно каскадом установлен турбодетандер 16 с вторичным использованием газа, исходящего из реактивных сопел 13, выполненного со ступицей 17, установленной на подшипниках качения или скольжения с возможностью независимого вращения на валу 6 в противоположном струйно-реактивной турбине 5 направлении. Турбодетандер 16 выполнен с ободом 18, на внутренней стороне которого установлены лопатки 19 с зазором к рычагам 11 с реактивными соплами 13, направленными толкающей струёй газа в лопатки 19 турбодетандера 16. На ступице 17 установлена ведущая шестерня 20 для передачи крутящего момента на вал второго электрогенератора 4. Свободные концы рычагов 10 соединены между собой обручем жёсткости 21. (Фиг. 2). Корпус 2 каскадного турбореактивного привода 1 выполнен герметичным с патрубком 22 выхода отработанного газа для соединения с участком газопровода с пониженным давлением газа Р_к ≤ 3,50 МПа (условно не показан), а осевой канал 7 вала 6 струйно-реактивной турбины 5 подключён трубопроводом 8 к участку газопроводной сети с более высоким давлением газа Р_н ≤ 5,60 МПа.

Каскадный турбореактивный электрогенератор работает следующим образом.

Сжатый газ под давлением из участка газопроводной сети с более высоким давлением газа Р_н ≤ 5,60 МПа подаётся через трубопровод 8, подвижную муфту 9 с графитовым газодинамическим уплотнением с зазором между торцами в осевой канал 7 вала 6 струйно-реактивной турбины 5, из которого по однопоточным каналам 12 радиально установленных на ступице 10 рычагов 11 в тангенциально направленные реактивные сопла 13, закреплённых на свободных концах рычагов 11. Выходящие из реактивных сопел 13 струи газа под давлением со скоростью ν_н и массой Δm_н создают реактивный импульс силы тяги F_н = ΣΔm_н⋅ν_н на концах рычагов 11, приводящий во вращение вал 6 струйно-реактивной турбины 5 посредством радиально установленных на ступице 10 рычагов 11, соединённых свободными концами обручем 21. Вал 6 вращает установленную на нём ведущую шестерню 15, которая передаёт крутящий момент на вал электрогенератора 3 для получения электроэнергии. Выходящие из реактивных сопел 13 струи газа вторично со скоростью ν_к и массой Δm_к каскадом импульсом силы F_к = ΣΔm_к⋅ν_к толкают лопатки 19 турбодетандера 16, установленные на внутренней стороне обода 18 с зазором к концам рычагов 11, тем самым приводят во вращение турбодетандер в противоположном направлении к вращению струйно-реактивной турбины 5. Турбодетандер 16 вращает установленную на ступице 17 ведущую шестерню 20, которая передаёт крутящий момент на вал второго электрогенератора 4 для получения дополнительной электроэнергии. Отработанный газ поступает в герметичный корпус 2 каскадного турбореактивного привода 1 и по патрубку 22 выходит в участок газопровода с пониженным давлением газа Р_к ≤ 3,50 МПа.

Предлагаемый каскадный турбореактивный электрогенератор может быть использован на газоперекачивающих станциях с целью получения дополнительной электроэнергии для внутреннего обслуживания газоперекачивающей станции.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности к электрогенераторам со струйно-реактивной турбиной, которое может быть использовано в качестве генератора электрической энергии. Каскадный турбореактивный электрогенератор содержит каскадный турбореактивный привод, размещённый в корпусе, и два электрогенератора. Каскадный турбореактивный привод состоит из струйно-реактивной турбины, содержащей вал с осевым каналом подвода газа, соединённый с трубопроводом газопроводной сети подвижной муфтой с графитовым газодинамическим уплотнением с зазором между торцами, и жёстко соединённых с валом радиально установленных на ступице рычагов с однопоточными каналами, сообщающиеся выходами с тангенциально направленными реактивными соплами, закреплённых на свободных концах рычагов, а входами - с осевым каналом вала с образованием непрерывного газового тракта. Вал установлен в подшипниках качения или скольжения на опорах и имеет ведущую шестерню для передачи крутящего момента на вал одного электрогенератора. На валу подвижно каскадом установлен турбодетандер с вторичным использованием газа, исходящего из реактивных сопел, выполненного со ступицей, установленной на подшипниках качения или скольжения с возможностью независимого вращения на валу в противоположном струйно-реактивной турбине направлении. Турбодетандер выполнен с ободом, на внутренней стороне которого установлены лопатки с зазором к рычагам с реактивными соплами, направленными реактивной струёй газа в лопатки турбодетандера. На ступице установлена ведущая шестерня для передачи крутящего момента на вал второго электрогенератора. Свободные концы рычагов соединены между собой обручем жёсткости. Корпус каскадного турбореактивного привода выполнен герметичным с патрубком выхода отработанного газа для соединения с участком газопровода с пониженным давлением газа, а осевой канал вала струйно-реактивной турбины подключён трубопроводом к участку газопроводной сети с более высоким давлением газа. Технический результат - повышение эффективности использования трубопроводного газа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Каскадный турбореактивный электрогенератор, содержащий струйно-реактивную турбину, выполненную в виде вала с осевым каналом подвода рабочего тела и жёстко соединёнными с ним радиально установленными на ступице рычагами с однопоточными каналами, сообщающиеся выходами с тангенциально направленными реактивными соплами на концах, а входами – с осевым каналом вала струйно-реактивной турбины, отличающийся тем, что он содержит каскадный турбореактивный привод и два электрогенератора, один из которых кинематически соединён с валом струйно-реактивной турбины, на котором подвижно установлен каскадный турбодетандер с вторичным использованием рабочего тела, исходящего из реактивных сопел, и возможностью независимого вращения на валу в противоположном струйно-реактивной турбине направлении, выполненный с ободом, на внутренней стороне которого установлены лопатки с зазором к рычагам с реактивными соплами, направленными реактивной струёй рабочего тела в лопатки турбодетандера, выполненного со ступицей, кинематически соединённой с валом второго электрогенератора, а полый вал ротора соединён с трубопроводом, подводящим рабочее тело, с помощью подвижной муфты с графитовым уплотнением.

2. Каскадный турбореактивный электрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что рычаги с однопоточными каналами соединены между собой обручем жёсткости.

3. Каскадный турбореактивный электрогенератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется газ из газопроводной сети, для чего содержит герметичный корпус с патрубком для соединения с участком газопровода с пониженным давлением газа, а осевой канал вала струйно-реактивной турбины подключён к участку газопровода с более высоким давлением газа.