PL224807B1 - Łopatkowy silnik ekspansyjny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest łopatkowy silnik ekspansyjny, mający zastosowanie na stacjach redukcyjnych gazu ziemnego do napędzania generatora prądu. Silnik ekspansyjny ma korpus (1) osłonięty użebrowanym płaszczem (12). Do korpusu są przytwierdzone obustronnie pokrywy, przednia (5) i tylna (7), w środkowych częściach których są umiejscowione osłony, odpowiednio przednia (6) i tylna (8). Osłona przednia (6) jest uszczelniona płaską uszczelką (9). Korpus (1) silnika ma eliptyczną bieżnię, a wał (3) łopatkowego wirnika (2) jest wydrążony wewnątrz i jednostronnie jest zakończony złączem (15) dla króćca wlotowego gazu. Nadto w osi wału (3) oraz w wirniku (2) są wykonane promieniowe otwory. Łopatki (4) są osadzone w rowkach wirnika (2) i mają możliwość swobodnego wysuwu w kierunku promieniowym. Boczne ściany wirnika (2) są separowane od pokryw przedniej (5) i tylnej (7) ślizgami (14), mocowanymi trwale do wirnika, oraz wkładami, przednim (10) i tylnym (11), wykonanymi podobnie jak łopatki (4) z materiału o niskim współczynniku tarcia, korzystnie z teflonu. Wkład przedni (10) jest umocowany trwale pomiędzy wirnikiem (2), a pokrywą (5), natomiast tylny wkład (11) jest wyposażony w elementy dociskowe (13), usytuowane w tylnej pokrywie (7). W płaszczu (12) silnika są wykonane otwory dla dwóch przewodów wlotowych gazu z przyłączami oraz po dwa otwory wylotowe na stronę dla rozprężonego gazu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest łopatkowy silnik ekspansyjny mający zastosowanie na stacjach r edukcyjnych gazu ziemnego do napędzania generatora prądu.

Na stacjach redukcyjnych ciśnienia gazu rurociągów przesyłowych część egzergii gazu wyn ikająca z potencjału ciśnienia gazu w rurociągu jest rozpraszana w reduktorze na stacji redukcyjnej na skutek obniżenia wartości ciśnienia. Najczęściej do zmniejszania ciśnienia gazu i jednocześnie odzyskiwania energii dotychczas stosuje się rozprężarki turbinowe. Rozprężarka tego typu składa się z ułożyskowanej turbiny oraz obudowy o takich parametrach geometrycznych, która zapewnia kierowanie strumienia gazu na łopatki turbiny. Na łopatkach turbiny powstaje wypadkowa siła obr acająca wirnik, co powoduje spadek ciśnienia gazu. Obniżenie ciśnienia następuje również na skutek oporów przepływu gazu ziemnego przez wirnik. Opory te wynikają z konstrukcji turbiny oraz lepkości gazu.

Znane jest również zastosowanie silnika ekspansyjnego w postaci silnika tłokowego do rozprężania gazu ziemnego. W obu rodzajach silników część egzergii strumienia gazu, którego ciśnienie jest redukowane jest zamieniana na zewnętrzną pracę techniczną kosztem spadku entalpii. Zachodzi tutaj szczególny rodzaj przemiany politropowej, mianowicie przemiana adiabatyczna.

Z polskiego opisu wzoru użytkowego nr 55364 jest znany silnik łopatkowy mający korpus mieszczący wirnik, w którym są wykonane rowki na łopatki dociskane sprężynami do bieżni statora. Sprężyny dociskowe są wykonane z drutu okrągłego o dwóch niewspółosiowych ramionach połączonych częścią łukową, usytuowaną w płaszczyźnie prostopadłej do tych ramion i osadzoną w wycięciu łopatki.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji silnika ekspansyjnego, działającego na zasadzie silnika łopatkowego, zasilanego gazem ziemnym, przeznaczonego do odzysku energii z gazu ziemnego na stacjach redukcyjnych w rurociągach przesyłowych gazu ziemnego.

Zgodny z wynalazkiem silnik ekspansyjny służy do napędzania generatora prądu, wynikiem czego jest możliwość odzysku energii ze strumienia gazu na stacji redukcyjnej, poprzez obniżenie ciśnienia gazu.

Korpus silnika ekspansyjnego jest osłonięty użebrowanym płaszczem, a do korpusu są przytwierdzone obustronnie pokrywy przednia i tylna, w których środkowych częściach są umiejscowione osłony, odpowiednio przednia i tylna. Osłona przednia jest uszczelniona płaską uszczelką. Korpus silnika ma eliptyczną bieżnię, a wał łopatkowego wirnika jest wydrążony wewnątrz i jednostronnie jest zakończony złączem dla króćca wlotowego gazu. Nadto w osi wału oraz w wirniku są wykonane promieniowe otwory. Łopatki są osadzone w rowkach wirnika i mają możliwość swobodnego wysuwu w kierunku promieniowym. Boczne ściany wirnika są separowane od pokryw przedniej i tylnej ślizgami mocowanymi trwale do wirnika oraz wkładami przednim i tylnym wykonanymi podobnie jak łopatki z materiału o niskim współczynniku tarcia, korzystnie z politetrafluoroetylenu. Wkład przedni jest um ocowany trwale pomiędzy wirnikiem, a pokrywą przednią, natomiast tylny wkład jest wyposażony w elementy dociskowe usytuowane w tylnej pokrywie.

W płaszczu silnika są wykonane dwa otwory dla dwóch przewodów wlotowych gazu z przyłączami oraz po dwa otwory wylotowe na stronę dla rozprężonego gazu.

W opisanym silniku zachodzi adiabatyczne rozprężenie gazu. Ciśnienie jest obniżane na skutek zwiększającej się w kierunku wylotu objętości komór silnika. Różnica długości wysunięć poszczególnych łopatek powoduje, że ciśnienie gazu działające na poszczególne komory generuje siłę wypadkową dążącą do obrotu wirnika. W ten sposób potencjał ciśnienia (egzregia) zostaje wykorzystany na wykonanie przez gaz pracy technicznej. Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia przekazana na pracę techniczną skutkuje spadkiem energii potencjalnej ciśnienia, a co za tym idzie spadek ciśnienia gazu. Dzięki temu układ rozprężarka - generator prądu pełni dwie funkcje: obniża ciśnienie oraz generuje prąd elektryczny. Istotnymi zaletami łopatkowego silnika ekspansyjnego są: bezsmarowość, szczelność, niezawodność, prostota wykonania, niski koszt wykonania jego komponentów, a przede wszystkim duża objętościowa gęstość mocy. Silnik ekspansyjny łopatkowy zajmuje prawie 2,5 krotnie mniejszą objętość niż rozprężarka turbinowa przeznaczona dla stacji redukcyjnej o tych samych parametrach ciśnienia i natężenia przepływu. Ponadto w silniku łopatkowym nie występują skomplikowane technologicznie elementy, takie jak np. wirnik turbiny. Liczba komponentów ruch omych jest niewielka i nie ma potrzeby, jak w przypadku silnika tłokowego, stosowania rozrządu. Również, ze względu na parametry wyjściowe i charakterystykę pracy silnika łopatkowego, silnik ten

PL 224 807 B1 w przeciwieństwie do turbiny, nie wymaga zewnętrznej siły do rozruchu. Kontakt ruchomych eleme ntów, ze względu na użyte materiały, nie powoduje powstawania iskier. Z uwagi na wyeliminowanie spalania gazu na stacjach redukcyjnych, który to gaz zostaje spożytkowany przez ujawniony silnik, zmniejsza się ilość zanieczyszczeń wprowadzanych do atmosfery.

Przedmiot wynalazku pokazano w przykładowym wykonaniu na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia silnik ekspansyjny w widoku wzdłużnym, fig. 2, fig. 3, fig. 4 i fig. 5 ukazują odpowiednio silnik w przekrojach A-A, B-B, C-C, D-D, fig. 6 przedstawia silnik ekspansyjny w widoku wzdłużnym z drugiej strony, natomiast fig. 7 - widok silnika w rzucie izometrycznym.

Jak pokazano na rysunku korpus 1 silnika ekspansyjnego jest osłonięty użebrowanym płaszczem 12. Do korpusu są przytwierdzone obustronnie pokrywy przednia 5 i tylna 7, w których środkowych częściach są umiejscowione osłony, odpowiednio przednia 6 i tylna 8. Osłona przednia 6 jest uszczelniona płaską uszczelką 9. Korpus 1 silnika ma eliptyczną bieżnię, a wał 3 łopatkowego wirnika 2 jest wydrążony wewnątrz i jednostronnie jest zakończony złączem 15 dla króćca wlotowego gazu. Nadto w osi wału 3 oraz w wirniku 2 są wykonane promieniowe otwory. Łopatki 4 są osadzone w rowkach wirnika 2 i mają możliwość swobodnego wysuwu w kierunku promieniowym. Boczne ściany wirnika 2 są separowane od pokryw przedniej 5 i tylnej 7 ślizgami 14 mocowanymi trwale do wirnika oraz wkładami przednim 10 i tylnym 11 wykonanymi podobnie jak łopatki 4 z materiału o niskim współczynniku tarcia, korzystnie z politetrafluoroetylenu. Wkład przedni 10 jest umocowany trwale pomiędzy wirnikiem 2 a pokrywą 5, natomiast tylny wkład 11 jest wyposażony w elementy dociskowe 13 usytuowane w tylnej pokrywie 7. W płaszczu 12 silnika są wykonane otwory I1, |2 dla dwóch przewodów wlotowych gazu z przyłączami oraz po dwa otwory O1, O2, O3, O4 wylotowe na stronę dla rozprężonego gazu.

Zasada działania opisanego silnika jest następująca.

Dopływający gaz z sieci rozdzielany jest poprzez trójnik pomiędzy dwa przewody wlotowe. Przewody mocowane są do przyłączy, I1, I2 w silniku widocznych na półprzekroju C-C. Gaz dostaje się do komory silnika, w której wskutek eliptycznego ukształtowania bieżni korpusu 1 występuje różna długość wysunięcia łopatek 4. Ponieważ ciśnienie rozchodzi się we wszystkich kierunkach jednakowo, to na łopatkach 4 powstają siły, których wypadkowa dąży do obrotu wirnika 2. Generuje się w ten sposób moment obrotowy. Cechą charakterystyczną silnika jest to, że gaz dostarczany jest z dwóch stron, poprzez dwa wloty. Dzięki temu występują dwie aktywne strefy robocze silnika, co powoduje generowanie do dwóch razy wyższego momentu obrotowego przy tych samych gabarytach silnika. Rozprężony gaz wydostaje się za pośrednictwem wylotów z korpusu, widocznych na rzutach silnika na fig. 1 i fig. 6. Wirnik, zależnie od położenia początkowego, musi się obrócić o około 60 stopni, aby doszło do pełnego cyklu pracy. Zadaniem płaszcza 12 silnika jest takie kierowanie gazu wylotowego, aby mógł on chłodzić nagrzewający się na skutek tarcia elementów ruchomych, korpus 1 silnika. Droga, jaką pokonuje gaz opuszczający korpus 1 silnika do głównego wylotu jest widoczna na przekroju A-A. Korpus 1 posiada użebrowanie zwiększające powierzchnię oddawania ciepła, natomiast wnętrze płaszcza 12 silnika jest tak ukształtowane, że gaz owiewa zagłębienia w korpusie 1. Skuteczne chłodzenie silnika jest również możliwe dzięki temu, że gaz wykonując pracę zewnętrzną na skutek ekspansji traci swoją energię wewnętrzną, co pociąga za sobą spadek temperatury gazu. Zatem gaz na wylocie p osada niższą temperaturę niż na wlocie. Wykonanie korpusu 1 z aluminium, czyli materiału o dużej przewodności cieplnej, umożliwia lepsze odprowadzanie ciepła wygenerowanego na korpusie 1 na skutek tarcia łopatek 4 o bieżnię korpusu 1 oraz ślizgów wirnika 14 o ściany boczne, które w tym przypadku stanowią wkład teflonowy przedni 10 i tylny 11. Z punktu widzenia redukcji gazu na stacjach redukcyjnych jest to istotne zagadnienie, ponieważ stosowane do tej pory turbiny, wchodzące w skład turboekspanderów, powodują spadek temperatury gazu tak znaczny, że trzeba angażować dodatkowe środki na podgrzewanie gazu przed i nierzadko za turbiną. Spadki temperatury w przypadku stosowania turbin mogą wynosić do kilkudziesięciu stopni. W przypadku zastosowania silnika łopatkowego ekspansyjnego spadek temperatury jest znacznie mniejszy, a przy niższych prędkościach silnika gaz na wylocie ma wyższą temperaturę niż na wlocie. Silnik nie wymaga żadnych środków smarnych do poprawnej pracy. Łopatki 4, ślizgi 14 wirnika 2 oraz wkłady przedni 10 i tylny 11 separujące wirnik 2 od pokryw przedniej 5 i tylnej 7, są wykonane z politetrafluoroetylenu, czyli materiału o niskim współczynniku tarcia. Szczelność silnika zapewniają uszczelki 9, 16, 17. Docisk łopatek 4 do bieżni korpusu 1 zapewnia ciśnienie gazu dostarczanego za pośrednictwem złącza 15 poprzez otwór w osi wału 3 oraz otwory promieniowe w wale 3 i wirniku 2. Ciśnienie gazu powstałe pod łopatką 4 powoduje wygenerowanie siły dociskającej łopatkę 4 do bieżni korpusu 1. Zapewnia to szczelność

PL 224 807 B1 komór silnika w kierunku promieniowym. Wirnik 2 wraz z łopatkami 4 ma możliwość swobodnego przesuwu wzdłuż wału 3 silnika. Wkład teflonowy 10 jest zamocowany na stałe, natomiast wkład teflonowy tylny 11 dociska wirnik 2 wraz z jego ślizgami 14 oraz łopatkami 4 do wkładu nieruchomego 10 za pomocą czterech docisków 13, co zapewnia szczelności silnika w kierunku osiowym.

Claims (5)

1. Łopatkowy silnik ekspansyjny mający zastosowanie na stacjach redukcyjnych rurociągów przesyłowych gazu ziemnego, przeznaczony do napędzania generatora prądu, mający korpus mieszczący wirnik, w którym są wykonane rowki dla łopatek dociskanych do bieżni statora, znamienny tym, że do osłoniętego użebrowanym płaszczem (12) korpusu (1) silnika są przytwierdzone obustronnie pokrywy przednia (5) i tylna (7), w których środkowych częściach są umiejscowione osłony, odpowiednio przednia (6) uszczelniona płaską uszczelką (9) i tylna (8), a boczne ściany wirnika (2) są separowane od pokryw przedniej (5) i tylnej (7) ślizgami (14) mocowanymi trwale do wirnika oraz wkładami przednim (10) i tylnym (11), z tym że wkład przedni (10) jest zamocowany trwale pomiędzy wirnikiem (2) i pokrywą (5), natomiast tylny wkład (11) jest wyposażony w cztery elementy dociskowe (13) usytuowane w tylnej pokrywie (7), natomiast w rowkach wirnika (2) są osadzone łopatki (4) ze swobodnym wysuwem w kierunku promieniowym, a wydrążony wewnątrz wał (3) wirnika (2) jest jednostronnie zakończony złączem (15) dla króćca wlotowego gazu, zaś dodatkowo w osi wału (3) oraz w wirniku (2) są wykonane promieniowe otwory.

2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że korpus (1) silnika ma eliptyczną bieżnię.

3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w płaszczu (12) są wykonane otwory (I1), (I2) dla dwóch przewodów wlotowych gazu z przyłączami oraz po dwa otwory (O1, O2, O3, O4) wylotowe na stronę dla rozprężonego gazu.

4. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że ślizgi (14), wkłady przedni (10) i tylny (11) oraz łopatki (4) są wykonane z materiału o niskim współczynniku tarcia, korzystnie z politetrafluoroetylenu.

5. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że szczelność silnika zapewniają uszczelki (9), (16)