RU203833U1

RU203833U1 - ENGINE

Info

Publication number: RU203833U1
Application number: RU2020141544U
Authority: RU
Inventors: Юрий Апполоньевич Сазонов; Михаил Альбертович Мохов; Хорен Артурович Туманян; Виктория Васильевна Воронова; Михаил Александрович Франков
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-04-22

Abstract

Полезная модель относится к области гидромашиностроения и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности при создании энергетически эффективных технологий и техники для добычи газа и жидких углеводородов. Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение безопасности работы двигателя на экстремальных режимах. Указанная проблема решается тем, что в двигателе, содержащем статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости статора соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре, входные сопла размещены в центральной части ротора с образованием циркуляционного кольцевого канала в зазоре между входными соплами и внутренними выступами, а в полости вихревой камеры размещена подвижная регулирующая втулка, согласно полезной модели, что в регулирующей втулке выполнены сквозные отверстия, через которые входные сопла сообщаются с проточными каналами ротора, с обеспечением при поворотном движении подвижной регулирующей втулки регулируемого перекрытия входных сопел в циркуляционном кольцевом канале. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении сокращения времени на остановку или уменьшение скорости вращения ротора за счет регулирования направления потока на выходе из сопел и, соответственно, предотвращения пульсаций давления и гидравлических ударов при торможении и остановке ротора. 6 фиг.The utility model relates to the field of hydraulic engineering and can be used in the oil and gas industry to create energy-efficient technologies and equipment for the production of gas and liquid hydrocarbons. The technical problem to be solved by the proposed utility model is to increase the safety of the engine in extreme conditions. This problem is solved by the fact that in an engine containing a stator with inlet nozzles and an outlet channel, a rotor placed in the stator is made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure, consisting of interconnected external and internal protrusions with the formation of flow channels between them, hydraulically connected with inlet nozzles for supplying the working medium and with the outlet channel in the stator, and a vortex chamber is installed in the stator cavity coaxially with the rotor, communicating with the flow channels of the rotor and with the outlet channel in the stator, the inlet nozzles are located in the central part of the rotor with the formation of a circulating annular channel in the gap between the inlet nozzles and the internal projections, and in the cavity of the vortex chamber there is a movable regulating sleeve, according to the utility model, that through holes are made in the regulating sleeve through which the inlet nozzles communicate with the flow channels of the rotor, ensuring that the overlapping of the inlet nozzles in the circulating annular channel. The achieved technical result consists in reducing the time to stop or reducing the rotor speed by regulating the direction of flow at the outlet from the nozzles and, accordingly, preventing pressure pulsations and hydraulic shocks when braking and stopping the rotor. 6 fig.

Description

Полезная модель относится к области гидромашиностроения и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности при создании энергетически эффективных технологий и техники для добычи газа и жидких углеводородов.The utility model relates to the field of hydraulic engineering and can be used in the oil and gas industry to create energy-efficient technologies and equipment for the production of gas and liquid hydrocarbons.

Известен двигатель, содержащий статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости корпуса соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре (RU 167879, 2016).Known engine containing a stator with inlet nozzles and an outlet channel, placed in the stator rotor, made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure, consisting of interconnected external and internal protrusions with the formation of flow channels between them, hydraulically connected to the inlet nozzles for supplying the working medium and with the outlet channel in the stator, and a vortex chamber is installed in the housing cavity coaxially with the rotor, communicating with the flow channels of the rotor and with the outlet channel in the stator (RU 167879, 2016).

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому является двигатель, содержащий статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости статора соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре, входные сопла размещены в центральной части ротора с образованием циркуляционного кольцевого канала в зазоре между входными соплами и внутренними выступами, а в полости вихревой камеры и в циркуляционном кольцевом канале размещена подвижная регулирующая втулка(RU 192513, 2019).Of the known technical solutions, the closest to the proposed one is an engine containing a stator with inlet nozzles and an outlet channel, a rotor placed in the stator, made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure, consisting of interconnected external and internal protrusions with the formation of flow channels between them, hydraulically connected with the inlet nozzles for supplying the working medium and with the outlet channel in the stator, and a vortex chamber is installed in the stator cavity coaxially with the rotor, communicating with the flow channels of the rotor and with the outlet channel in the stator, the inlet nozzles are located in the central part of the rotor with the formation of a circulating annular channel in the gap between the inlet nozzles and the internal protrusions, and in the cavity of the vortex chamber and in the circulating annular channel there is a movable control sleeve (RU 192513, 2019).

Недостатком известных технических решений является высокая вероятность возникновения гидравлического удара при быстрой или экстренной остановке двигателя, что приводит к быстрому перекрытию рабочего потока, и, как следствие, отражается на безопасности эксплуатации двигателя.The disadvantage of the known technical solutions is the high probability of a water hammer in the event of a quick or emergency stop of the engine, which leads to a rapid shutdown of the working flow, and, as a consequence, affects the safety of the engine operation.

Технической проблемой, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение безопасности работы двигателя на экстремальных режимах.The technical problem to be solved by the proposed utility model is to improve the safety of the engine in extreme conditions.

Указанная проблема решается тем, что в двигателе, содержащем статор с входными соплами и выходным каналом, размещенный в статоре ротор, выполненный в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных и внутренних выступов с образованием между ними проточных каналов, гидравлически связанных с входными соплами для подачи рабочей среды и с выходным каналом в статоре, а в полости статора соосно с ротором установлена вихревая камера, сообщающаяся с проточными каналами ротора и с выходным каналом в статоре, входные сопла размещены в центральной части ротора с образованием циркуляционного кольцевого канала в зазоре между входными соплами и внутренними выступами, а в полости вихревой камеры размещена подвижная регулирующая втулка, согласно полезной модели, что в регулирующей втулке выполнены сквозные отверстия, через которые входные сопла сообщаются с проточными каналами ротора, с обеспечением при поворотном движении подвижной регулирующей втулки регулируемого перекрытия входных сопел в циркуляционном кольцевом канале.This problem is solved by the fact that in an engine containing a stator with inlet nozzles and an outlet channel, a rotor placed in the stator is made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure consisting of interconnected external and internal protrusions with the formation of flow channels between them, hydraulically connected with inlet nozzles for supplying the working medium and with the outlet channel in the stator, and a vortex chamber is installed in the stator cavity coaxially with the rotor, communicating with the flow channels of the rotor and with the outlet channel in the stator, the inlet nozzles are located in the central part of the rotor with the formation of a circulating annular channel in the gap between the inlet nozzles and the internal protrusions, and in the cavity of the vortex chamber there is a movable control sleeve, according to the utility model, that through holes are made in the control sleeve through which the inlet nozzles communicate with the flow channels of the rotor, ensuring that the overlapping of the inlet nozzles in the circulating annular channel.

Достигаемый технический результат заключается в обеспечении сокращения времени на остановку или уменьшение скорости вращения ротора за счет регулирования направления потока на выходе из сопел и, соответственно, предотвращения пульсаций давления и гидравлических ударов при торможении и остановке ротора.The achieved technical result is to reduce the time to stop or reduce the speed of rotation of the rotor by regulating the direction of flow at the outlet from the nozzles and, accordingly, preventing pressure pulsations and hydraulic shocks during braking and stopping the rotor.

Сущность описываемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг. 1 показана схема двигателя; на фиг. 2 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А, с соплом в открытом положении; на фиг. 3 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А, при режиме торможения и остановки ротора; на фиг.4 представлена схема двигателя, поперечный разрез А-А, с соплом в закрытом положении; на фиг.5 показана схема регулирующей втулки, в которой выполнены сквозные отверстия; на фиг.6 представлена схема двигателя, поперечный разрез Б-Б, при использовании поворотного гидроцилиндра.The essence of the described utility model is illustrated by drawings: FIG. 1 shows a diagram of the engine; in fig. 2 shows a diagram of the engine, cross section A-A, with the nozzle in the open position; in fig. 3 shows a diagram of the engine, cross section A-A, in the mode of braking and stopping the rotor; figure 4 shows a diagram of the engine, cross section AA, with the nozzle in the closed position; figure 5 shows a diagram of the control sleeve, in which the through holes are made; Fig. 6 shows a diagram of the engine, cross-section BB, when using a rotary hydraulic cylinder.

Описываемый двигатель содержит статор 1 с входными соплами 2 и размещенный в нем ротор 3 с наружными выступами 4. В конструкции двигателя может быть одно, два сопла или более. Ротор 3 оснащен внутренними выступами 5, при этом ротор 3 выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры, состоящей из связанных между собой наружных выступов 4 и внутренних выступов 5. Выступы 4 и 5 имеют твердые стенки. Между внутренними 5 и наружными 4 выступами в роторе 3 выполнены проточные каналы 6, с обеспечением гидравлической связи проточных каналов 6 в роторе 3 с входными соплами 2 в статоре 1. Статор 1 оснащен выходным каналом 7. Входные сопла 2 и выходной канал 7 могут располагаться на различном расстоянии от оси вращения 8 ротора 3 с учетом условий применения заявляемого двигателя. Статор 1 содержит установленную соосно с ротором вихревую камеру 9. Входные сопла 2 размещены в центральной части ротора 3, с образованием циркуляционного кольцевого канала 10 в зазоре между входными соплами 2 и внутренними выступами 5, а в вихревой камере 9 размещена подвижная регулирующая втулка 11 с возможностью ее регулируемого поворотного движения для частичного или полного перекрытия входных сопел 2. Положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять, используя известные технологии, например, гидравлический привод или электромагнитный привод.The described engine contains a stator 1 with inlet nozzles 2 and a rotor 3 with external protrusions 4 placed in it. The engine may have one, two or more nozzles. The rotor 3 is equipped with internal protrusions 5, while the rotor 3 is made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure consisting of interconnected external protrusions 4 and internal protrusions 5. The protrusions 4 and 5 have solid walls. Flow channels 6 are made between the inner 5 and outer 4 protrusions in the rotor 3, with the provision of hydraulic connection of the flow channels 6 in the rotor 3 with the inlet nozzles 2 in the stator 1. The stator 1 is equipped with an outlet channel 7. The inlet nozzles 2 and the outlet channel 7 can be located on different distance from the axis of rotation 8 of the rotor 3, taking into account the conditions of use of the proposed engine. The stator 1 contains a vortex chamber 9 installed coaxially with the rotor. The inlet nozzles 2 are located in the central part of the rotor 3, with the formation of a circulation annular channel 10 in the gap between the inlet nozzles 2 and the internal protrusions 5, and in the vortex chamber 9 there is a movable control sleeve 11 with the possibility its adjustable rotary movement for partial or complete overlap of the inlet nozzles 2. The position of the movable control sleeve 11 can be changed using known technologies, for example, a hydraulic drive or an electromagnetic drive.

На фигурах представлен вариант двигателя с гидравлическим приводом для поворота подвижной регулирующей втулки 11. Гидравлические камеры 12 и 13 через патрубки 14 и 15 могут подключаться к системе гидравлического управления (система гидравлического управления на фигурах не показана). В регулирующей втулке 11 выполнены сквозные отверстия 16, через которые входные сопла 2 сообщаются с проточными каналами 6 ротора 3.The figures show a variant of the engine with a hydraulic drive for turning the movable control sleeve 11. The hydraulic chambers 12 and 13 can be connected to the hydraulic control system through the nozzles 14 and 15 (the hydraulic control system is not shown in the figures). Through holes 16 are made in the control sleeve 11 through which the inlet nozzles 2 communicate with the flow channels 6 of the rotor 3.

Двигатель работает следующим образом.The engine works as follows.

Статор 1 с входными соплами 2 обеспечивают формирование потока (или нескольких потоков) рабочего тела (рабочей среды) по направлению к ротору 3 (фиг. 1). В качестве рабочего тела может выступать жидкость, газожидкостная смесь или газ (в том числе пар или высокотемпературные продукты горения топливовоздушной смеси). Поток рабочего тела воздействует на внутренние выступы 5 ротора 3 и приводит ротор 3 в движение. Таким образом, кинетическая энергия потока рабочего тела преобразуется в механическую энергию при вращательном движении ротора 3. Для дальнейшей передачи энергии ротор 3 может быть связан с внешними механизмами, которые на фигурах не показаны. Также поток рабочего тела через проточные каналы 6 проникает в полость ротора 3, который выполнен в виде проницаемой объемной сотовой структуры. Поток рабочего тела в этой части ротора 3 взаимодействует с твердыми стенками внутренних 5 и наружных 4 выступов, что способствует преобразованию энергии. Возможно осуществление как непрерывной, так и импульсной подачи рабочего тела к ротору 3 двигателя. За счет проницаемой объемной сотовой структуры ротора 3 обеспечивается преобразование энергии при различных свойствах рабочего тела, в том числе, при использовании газожидкостных смесей, отличающихся по плотности или вязкости. Через проточные каналы 6 в роторе 3, рабочее тело отводится из статора 1, через выходной канал 7.Положение подвижной регулирующей втулки 11 и, соответственно, степень перекрытия сквозных отверстий 16 можно изменять.The stator 1 with inlet nozzles 2 provides the formation of a stream (or several streams) of the working fluid (working medium) towards the rotor 3 (Fig. 1). The working fluid can be a liquid, a gas-liquid mixture or a gas (including steam or high-temperature combustion products of the fuel-air mixture). The flow of the working fluid acts on the internal projections 5 of the rotor 3 and drives the rotor 3 in motion. Thus, the kinetic energy of the working fluid flow is converted into mechanical energy during the rotational motion of the rotor 3. For further energy transfer, the rotor 3 can be connected with external mechanisms, which are not shown in the figures. Also, the flow of the working fluid through the flow channels 6 penetrates into the cavity of the rotor 3, which is made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure. The flow of the working fluid in this part of the rotor 3 interacts with the solid walls of the inner 5 and outer 4 protrusions, which contributes to the conversion of energy. It is possible to implement both continuous and pulsed supply of the working fluid to the rotor 3 of the engine. Due to the permeable volumetric honeycomb structure of the rotor 3, energy conversion is provided for various properties of the working fluid, including when using gas-liquid mixtures that differ in density or viscosity. Through the flow channels 6 in the rotor 3, the working fluid is removed from the stator 1, through the outlet channel 7. The position of the movable control sleeve 11 and, accordingly, the degree of overlapping of the through holes 16 can be changed.

Для закрытия входных сопел 2 в гидравлическую камеру 12 подают жидкость под высоким давлением через патрубок 14. При этом из гидравлической камеры 13 жидкость вытесняется в линию низкого давления через патрубок 15. Под действием перепада давлений в гидравлических камерах 12 и 13 подвижная регулирующая втулка 11 поворачивается вокруг оси вращения 8 и перекрывает сопла 2.To close the inlet nozzles 2, liquid is supplied to the hydraulic chamber 12 under high pressure through the branch pipe 14. In this case, the liquid is displaced from the hydraulic chamber 13 into the low pressure line through the branch pipe 15. Under the action of the pressure difference in the hydraulic chambers 12 and 13, the movable control sleeve 11 rotates around axis of rotation 8 and overlaps the nozzle 2.

Для открытия входных сопел 2 в гидравлическую камеру 13 подают жидкость под высоким давлением через патрубок 15. При этом из гидравлической камеры 12 жидкость вытесняется в линию низкого давления через патрубок 14. Под действием перепада давлений в гидравлических камерах 12 и 13 подвижная регулирующая втулка 11 поворачивается вокруг оси вращения 8 и открывает входные сопла 2. Промежуточное положение подвижной регулирующей втулки 11 можно изменять, меняя объем жидкости в гидравлических камерах 12 и 13 (как в известных системах управления с гидравлическим приводом, к примеру, при использовании поворотного гидроцилиндра, как показано на фиг. 6).To open the inlet nozzles 2, high-pressure fluid is supplied to the hydraulic chamber 13 through the branch pipe 15. In this case, the liquid is displaced from the hydraulic chamber 12 into the low-pressure line through the branch pipe 14. Under the action of the pressure difference in the hydraulic chambers 12 and 13, the movable control sleeve 11 rotates around axis of rotation 8 and opens the inlet nozzles 2. The intermediate position of the movable control sleeve 11 can be changed by changing the volume of fluid in the hydraulic chambers 12 and 13 (as in known hydraulic control systems, for example, when using a rotary hydraulic cylinder, as shown in FIG. 6).

За счет углового перемещения подвижной регулирующей втулки 11 обеспечивается возможность регулирования расхода потока на выходе из сопел 2 за счет частичного или полного их перекрытия и, соответственно, обеспечивается возможность регулирования режима работы двигателя. Кроме того, меняя положение сквозных отверстий 16 относительно сопла 2, обеспечивается возможность изменения и направления вращения ротора 3 на противоположное направление вращения, как показано на фиг. 3.Due to the angular movement of the movable control sleeve 11, it is possible to regulate the flow rate at the outlet of the nozzles 2 due to their partial or complete overlap and, accordingly, it is possible to regulate the operating mode of the engine. In addition, by changing the position of the through holes 16 relative to the nozzle 2, it is possible to change the direction of rotation of the rotor 3 to the opposite direction of rotation, as shown in FIG. 3.

На фиг. 2 представлена схема работающего двигателя с соплом в открытом положении, поперечный разрез А-А. При этом направление потока на выходе из сопла 2 показано стрелками. Далее можно повернуть подвижную регулирующую втулку 11, в направлении - по часовой стрелке, и перевести втулку 11 в положение, показанное на фигуре 3. После такого поворота втулки 11 изменится направление потока на выходе из сопла 2, и это измененное направление потока показано стрелками, на фигуре 3. Поток рабочей среды будет оказывать силовое воздействие на ротор 3, обеспечивая замедление его вращения, вплоть до полной остановки ротора 3. Хотя при этом, рабочая среда может продолжать свое движение из сопла 2 через проточные каналы 6 в сторону выходного канала 7. При этом достигается технический результат, который заключается в предотвращении пульсаций давления и гидравлических ударов при торможении и остановке ротора 3, за счет регулирования направления потока на выходе из сопел 2, поскольку подвижная регулирующая втулка 11 лишь частично перекрывает канал сопла 2 (как показано на фиг. 3). Таким образом, остановка ротора 3 возможна как при условии полного закрытия входного сопла 2 (как показано на фиг. 4), так и при условии частичного перекрытия входного сопла 2 (как показано на фиг. 3). Энергия потока рабочей среды используется для торможения и остановки ротора 3, это позволяет решить техническую проблему по усилению контроля за скоростью вращения ротора на рабочих режимах (и/или на экстремальных режимах) с обеспечением сокращения времени на остановку (замедление) ротора. При этом повышается безопасность эксплуатации двигателя и расширяется область применения, в том числе и за счет производственных объектов в нефтяной и газовой промышленности.FIG. 2 shows a diagram of a working engine with a nozzle in an open position, cross section A-A. In this case, the direction of flow at the outlet of the nozzle 2 is shown by arrows. Then you can turn the movable control sleeve 11, in the clockwise direction, and move the sleeve 11 to the position shown in figure 3. After such a rotation of the sleeve 11, the flow direction at the outlet of the nozzle 2 will change, and this changed direction of flow is shown by arrows, on figure 3. The flow of the working medium will exert a force effect on the rotor 3, ensuring its rotation deceleration, up to a complete stop of the rotor 3. Although in this case, the working medium can continue its movement from the nozzle 2 through the flow channels 6 towards the outlet channel 7. When This achieves the technical result, which consists in preventing pressure pulsations and hydraulic shocks when braking and stopping the rotor 3, by adjusting the direction of flow at the outlet from the nozzles 2, since the movable control sleeve 11 only partially overlaps the channel of the nozzle 2 (as shown in Fig. 3 ). Thus, stopping the rotor 3 is possible both under the condition of complete closure of the inlet nozzle 2 (as shown in Fig. 4), and under the condition of partial overlap of the inlet nozzle 2 (as shown in Fig. 3). The energy of the flow of the working medium is used for braking and stopping the rotor 3, this makes it possible to solve the technical problem of enhancing the control over the rotor speed in operating modes (and / or in extreme modes) while ensuring a reduction in the time for stopping (decelerating) the rotor. At the same time, the safety of engine operation is increased and the scope of application is expanded, including at the expense of production facilities in the oil and gas industry.

Claims

An engine containing a stator with inlet nozzles and an outlet channel, a rotor placed in the stator, made in the form of a permeable volumetric honeycomb structure, consisting of interconnected external and internal protrusions with the formation of flow channels between them, hydraulically connected to the inlet nozzles for supplying the working medium and with an outlet channel in the stator, and a vortex chamber is installed in the stator cavity coaxially with the rotor, communicating with the flow channels of the rotor and with the outlet channel in the stator, the inlet nozzles are located in the central part of the rotor with the formation of an annular circulation channel in the gap between the inlet nozzles and the internal protrusions, and in the cavity of the vortex chamber there is a movable regulating sleeve, characterized in that through holes are made in the regulating sleeve through which the inlet nozzles communicate with the flow channels of the rotor with the provision of an adjustable overlap of the inlet nozzles in the circulating annular channel.