RU2732275C1

RU2732275C1 - Expander-generator unit

Info

Publication number: RU2732275C1
Application number: RU2020109502A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Черных; Аркадий Григорьевич Геращенко; Александр Валерьевич Федюхин; Ильдар Айдарович Султангузин; Владислав Александрович Карасевич
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Дельта П"
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-09-14

Abstract

FIELD: power machine building.SUBSTANCE: invention relates to power machine building, namely to gas-reducing equipment using expander-generator technology of gas pressure reduction. Expander-generator unit (EGU) is installed mainly on bypass line in reducing unit of gas-distributing station (point) and allows to convert excess energy of natural gas pressure into electric energy. EGU is an air motor kinematically connected to an electric generator. EGU consists of interconnected housing, flange coil, base and cap. Housing is made with bottom, detachable cover, pressure and suction branch pipes, and flange coil – with through channel and with diametrically arranged on the outside coaxial inlet and outlet branch pipes. Passage channel of the flange coil has an oval shape in the cross section, the minor axis of which coincides with the axis of the said branch pipes. Cap of cylindrical shape is made with lateral outlet and blowdown branch pipes, the last of which has the shape of bent elbow. Ventilation and discharge branch pipes are interconnected. Axes of driving and driven shafts are parallel. Drive shaft is arranged in inner cavities of housing, flange coil and cap, and driven shaft – in inner cavities of housing and flange coil. Shafts installed on the bearings have the possibility of rotation, on each of the shafts there fixed is a gear wheel and a cam rotor. Gears are arranged on shafts in inner cavity of housing, and cam rotors – in inner cavity of flange coil. Gears are engaged to allow synchronous rotation of cam rotors in opposite directions. Inside the cap electric generator is installed, which drive shaft is connected by means of coupling with drive shaft. Ends of windings of electric generator are hermetically withdrawn from cap to located outside of cable box. Pressure and suction branch pipes are hydraulically interconnected by external pipeline and form closed circulation circuit filled with low-viscous working fluid. As part of external pipeline there installed are heat exchanger of "pipe-in-pipe" type, adjustable throttle and expansion tank. Heat exchanger is made in the form of a casing pipe, which is concentrically arranged on the outer surface of the outlet branch pipe.EFFECT: providing efficient operation at low input pressure and improving reliability and operating life.1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, а именно к газоредуцирующему оборудованию с использованием детандер-генераторной технологии понижения давления газа, и предназначено для утилизации избыточной энергии давления природного газа, транспортируемого по трубопроводной системе, с попутной выработкой электрической энергии.The invention relates to power engineering, in particular to gas-reducing equipment using an expander-generator technology for lowering gas pressure, and is intended to utilize excess pressure energy of natural gas transported through a pipeline system, with associated generation of electrical energy.

Известна газораспределительная станция с энергетической установкой (1), в состав которой входит детандерно-генераторный агрегат.Корпус указанного детандерно-генераторного агрегата выполнен с крышкой, днищем, патрубками подвода и отвода газа. Внутри корпуса на подшипниках размещен вал, на котором установлены ротор генератора и турбина, выполненная в виде рабочего колеса активного типа с лопатками (пневмомотор). В патрубках подвода газа установлен сопловый аппарат в виде трех сопел, размещенных под углом к поверхности лопаток рабочего колеса. Во внутренней полости корпуса закреплен кожух с размещенным внутри него генератором электрического тока. Генератор состоит из статора и ротора, силового выпрямителя и регулятора напряжения, который соединен с кабельным выводом на внешнюю электрическую сеть. Кабельный вывод установлен на наружной стороне крышки.Known gas distribution station with a power plant (1), which includes an expander-generator unit. The body of the specified expander-generator unit is made with a cover, a bottom, pipes for supply and outlet of gas. Inside the housing there is a shaft on bearings on which a generator rotor and a turbine are installed, made in the form of an active-type impeller with blades (pneumatic motor). A nozzle apparatus in the form of three nozzles located at an angle to the surface of the impeller blades is installed in the gas supply pipes. A casing with an electric current generator located inside it is fixed in the inner cavity of the body. The generator consists of a stator and a rotor, a power rectifier and a voltage regulator, which is connected to a cable outlet to an external electrical network. The cable outlet is mounted on the outside of the cover.

Главный недостаток известного детандерно-генераторного агрегата заключается в том, что уровень его полезной мощности определяется величинами объемного расхода газа, проходящего через турбину, и перепада давления на ней. Данные обстоятельства в значительной степени ограничивают область эффективного использования указанного агрегата.The main disadvantage of the known expander-generator set is that the level of its useful power is determined by the volumetric flow rate of the gas passing through the turbine and the pressure drop across it. These circumstances largely limit the area of effective use of the specified unit.

Известен агрегат детандерно-генераторный (2), который имеет цилиндрический корпус с осевым входным патрубком, а также с расположенным перпендикулярно оси корпуса выходным патрубком. Внутри корпуса на подшипниках размещен вал, на котором консольно установлены рабочее колесо активного типа с осевой подачей (пневмомотор) и ротор генератора. Статор генератора закреплен в кожухе, который соосно размещен внутри корпуса. Между корпусом и кожухом образован канал для прохода потока газа от входного патрубка к выходному. Кабельная коробка генератора установлена на наружной стороне корпуса.Known expander-generator unit (2), which has a cylindrical body with an axial inlet pipe, as well as with an outlet pipe located perpendicular to the body axis. Inside the housing there is a shaft on bearings, on which an active-type impeller with axial feed (pneumatic motor) and a generator rotor are cantilevered. The generator stator is fixed in a casing, which is coaxially located inside the casing. A channel is formed between the housing and the casing for the gas flow from the inlet to the outlet. The generator cable box is installed on the outside of the housing.

Основной недостаток известного агрегата детандерно-генераторного, как и рассмотренного ранее, состоит в том, что для его эффективной работы необходимо обеспечить значительные величины объемного расхода газа, проходящего через турбину, и перепада давления на ней. Эти обстоятельства в значительной степени ограничивают область применения указанного агрегата.The main disadvantage of the known expander-generator unit, as well as the one considered earlier, is that for its efficient operation it is necessary to provide significant values of the volumetric flow rate of gas passing through the turbine and the pressure drop across it. These circumstances greatly limit the scope of this unit.

Известен генератор электрической энергии с пневмоприводом (3), содержащий в своем составе генератор электрической энергии, приводной вал которого посредством муфты соединен с ведущим валом шестеренного пневматического двигателя. Генератор и пневматический двигатель имеют собственные корпуса, которые соединены между собой с помощью фланцев. Снаружи на боковой поверхности корпуса шестеренного пневматического двигателя размещены боковые входной и выходной штуцеры, предназначенные соответственно для подачи и отвода сжатого газа. Внутри корпуса установлены ведущий и ведомый валы, которые вращаются на подшипниковых опорах. На каждом их валов закреплено по равновеликой шестерне, зубья которых находятся в зацеплении.Known is an electric energy generator with a pneumatic drive (3), which contains an electric energy generator, the drive shaft of which is connected by means of a clutch to the drive shaft of a gear pneumatic motor. The generator and the pneumatic motor have their own housings, which are connected to each other using flanges. Outside, on the side surface of the gear pneumatic motor housing, there are side inlet and outlet fittings intended for supply and outlet of compressed gas, respectively. Driving and driven shafts are installed inside the housing, which rotate on bearing supports. On each of their shafts, an equal-sized gear is fixed, the teeth of which are in mesh.

К недостаткам известного генератора электрической энергии с пневмоприводом следует отнести отсутствие возможности регулирования частоты вращения генератора электрической энергии при изменении объемного расхода газа, вызванного неравномерностью его отбора потребителями, и ограниченность ресурса пневматического двигателя, шестерни которого постоянно работают в режиме сухого трения. Кроме того, для эффективной работы шестеренного пневматического двигателя необходимо обеспечить значительные величины объемного расхода газа и перепада давления на нем.The disadvantages of the known electric power generator with a pneumatic drive include the inability to regulate the rotational speed of the electric power generator when the volumetric gas flow rate changes, caused by the unevenness of its selection by consumers, and the limited resource of the pneumatic engine, the gears of which constantly operate in dry friction mode. In addition, for the effective operation of a gear air motor, it is necessary to provide significant values of the volumetric gas flow rate and pressure drop across it.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является известный пневматический детандер-генераторный агрегат (4), который может быть предложен в качестве прототипа. Упомянутый пневматический детандер-генераторный агрегат состоит из пневмодвигателя (пневмомотора шестеренного с внешним зацеплением), который кинематически связан с электрогенератором. Пневмодвигатель состоит из корпуса с днищем, входным и выходным патрубками, которые расположены на его боковой наружной поверхности, и съемной крышкой. Во внутренней полости корпуса параллельно установлены ведущий и ведомый валы, на каждом из которых закреплена шестерня внешнего зацепления. Ведущий и ведомый валы установлены на подшипниках, которые размещены в кольцевых проточках, выполненных в днище и крышке. Шестерни выполнены равновеликими, т.е. имеют одинаковый диаметр, толщину и число зубьев, что обеспечивает возможность их синхронного вращения в противоположных направлениях. С обеих сторон каждой шестерни на ведущем и ведомом валах размещены регулировочные шайбы, которые позволяют изменять величину зазора между боковой поверхностью шестерни и внутренней поверхностью днища или крышки. В крышке выполнен сквозной канал для размещения в нем ведущего вала. С внешней стороны к крышке присоединена фланцевая катушка, а на ней соосно размещены основание и колпак с расположенными на его наружной поверхности боковыми впускным и выпускным патрубками. Впускной патрубок имеет форму изогнутого колена и присоединен к выходному патрубку. Колпак имеет цилиндрическую форму, а в основании выполнен осевой канал для размещения в нем ведущего вала. Во внутренней полости колпака установлен электрогенератор со статором и ротором, последний из которых размещен на приводном валу электрогенератора. Приводной вал электрогенератора установлен соосно ведущему валу и связан с ним при помощи компенсирующей муфты. Кабельная коробка размещена на наружной поверхности колпака. Все патрубки оборудованы присоединительными фланцами.The closest in terms of the set of essential features is the known pneumatic expander-generator unit (4), which can be proposed as a prototype. The aforementioned pneumatic expander-generator set consists of a pneumatic motor (external gear pneumatic motor), which is kinematically connected to an electric generator. The air motor consists of a housing with a bottom, inlet and outlet pipes located on its lateral outer surface, and a removable cover. In the inner cavity of the body, the driving and driven shafts are installed in parallel, on each of which an external gear is fixed. The driving and driven shafts are mounted on bearings, which are located in annular grooves made in the bottom and cover. The gears are made of equal size, i.e. have the same diameter, thickness and number of teeth, which allows their synchronous rotation in opposite directions. On both sides of each gear, on the drive and driven shafts, there are adjusting washers that allow you to change the size of the gap between the side surface of the gear and the inner surface of the bottom or cover. A through channel is made in the cover to accommodate the drive shaft. From the outside, a flange coil is connected to the cover, and a base and a cap are coaxially located on it with side inlet and outlet nozzles located on its outer surface. The inlet is in the shape of a curved elbow and is connected to the outlet. The cap has a cylindrical shape, and an axial channel is made at the base to accommodate the drive shaft. An electric generator with a stator and a rotor is installed in the inner cavity of the cap, the latter of which is located on the drive shaft of the generator. The drive shaft of the generator is installed coaxially with the drive shaft and connected to it by means of a compensating coupling. The cable box is located on the outer surface of the hood. All branch pipes are equipped with connecting flanges.

Основные недостатки известного пневматического детандер-генераторного агрегата заключаются в ограниченном ресурсе пневмодвигателя и невысоких эксплуатационных характеристиках, обусловленных нестабильностью значений генерируемого напряжения и мощности электрического тока. Первый из указанных недостатков вызван интенсивным нагревом шестерней, работающих в режиме сухого трения, а второй - отсутствием системы регулирования частоты вращения пневмодвигателя, которая необходима для обеспечения стабильной работы электрогенератора при переменных расходах газа, вызванных неравномерностью его отбора внешними потребителями.The main disadvantages of the known pneumatic expander-generator set are the limited resource of the pneumatic motor and low operational characteristics due to the instability of the values of the generated voltage and power of the electric current. The first of these drawbacks is caused by intense heating of gears operating in dry friction mode, and the second is caused by the lack of a system for regulating the speed of the pneumatic motor, which is necessary to ensure stable operation of the electric generator at variable gas flow rates caused by the unevenness of its selection by external consumers.

Задачей изобретения является получение технического результата, который выражается в создании надежной конструкции детандер-генераторного агрегата с увеличенным рабочим ресурсом и улучшенными эксплуатационными характеристиками, который способен эффективно работать при невысоких величинах входного давления и объемного расхода газа.The objective of the invention is to obtain a technical result, which is expressed in the creation of a reliable design of an expander-generator unit with an increased operating life and improved operational characteristics, which is able to operate effectively at low values of inlet pressure and volumetric gas flow rate.

Задача решается и технический результат достигается за счет того, что детандер-генераторный агрегат, включающий пневмомотор шестеренный с внешним зацеплением, состоящий из корпуса с днищем, напорным и всасывающим патрубками, которые расположены с противоположных сторон на боковой наружной поверхности корпуса, ведущего и ведомого валов с закрепленной на каждом из них равновеликой зубчатой шестерней, параллельно установленных внутри корпуса на подшипниках с возможностью взаимодействия шестерней и их синхронного вращения в противоположных направлениях, и установленной на корпусе крышки со сквозным каналом для размещения в нем ведущего вала, последовательно и соосно присоединенные к крышке фланцевую катушку и основание, которые выполнены соответственно с проходным и сквозным каналами для размещения в них ведущего вала, а также колпак цилиндрической формы с расположенными на наружной боковой поверхности выпускным и продувочным патрубками, последний из которых имеет форму изогнутого колена, размещенный внутри колпака электрогенератор с приводным валом, который установлен соосно ведущему валу и связан с ним посредством муфты, и кабельную коробку электрогенератора, размещенную на наружной поверхности колпака, снабжен двумя равновеликими кулачковыми роторами и наружным трубопроводом, в состав которого включены регулируемый дроссель, теплообменник и расширительный бачок, причем ведомый вал выполнен удлиненным, при этом в крышке и в основании выполнены соответственно соосные сквозной и глухой каналы для возможности размещения ведомого вала в проходном канале фланцевой катушки, а кулачковые роторы размещены на ведущем и ведомом валах внутри проходного канала фланцевой катушки с возможностью синхронного вращения в противоположных направлениях, причем для обеспечения синхронного вращения кулачковых роторов используют взаимодействующие между собой шестерни, при этом напорный и всасывающий патрубки гидравлически связаны между собой посредством наружного трубопровода, в составе которого, в направлении от напорного к всасывающему патрубку, последовательно размещены теплообменник, регулируемый дроссель и расширительный бачок, а теплообменник выполнен в виде кожуховой трубы, концентрично размещенной на наружной поверхности отводного патрубка, причем фланцевая катушка выполнена с соосными впускным и отводным патрубками, которые диаметрально расположены на ее наружной боковой поверхности, при этом поперечное сечение проходного канала фланцевой катушки имеет форму овала, малая ось которого совпадает с осью впускного и отводного патрубков, причем оси впускного и отводного патрубков размещены перпендикулярно осям ведущего и ведомого валов и расположены в плоскости, которая проходит между осями этих валов и равноудалена от них, а отводной патрубок присоединен к продувочному патрубку.The problem is solved and the technical result is achieved due to the fact that the expander-generator unit, including a gear pneumatic motor with external engagement, consisting of a housing with a bottom, pressure and suction nozzles, which are located on opposite sides on the lateral outer surface of the housing, the drive and driven shafts with an equal-sized toothed gear fixed on each of them, mounted in parallel inside the housing on bearings with the possibility of gear interaction and their synchronous rotation in opposite directions, and a cover mounted on the housing with a through channel to accommodate the drive shaft, in series and coaxially connected to the cover flange coil and a base, which are respectively made with through and through channels to accommodate the drive shaft, as well as a cylindrical cap with outlet and purge nozzles located on the outer side surface, the last of which has the shape of a bent bend, an electric generator placed inside the hood with a drive shaft, which is installed coaxially with the drive shaft and connected to it by means of a coupling, and the cable box of the electric generator, located on the outer surface of the hood, is equipped with two equal-sized cam rotors and an external pipeline, which includes an adjustable choke, a heat exchanger and an expansion tank, and the driven shaft is made elongated, while in the cover and in the base there are respectively coaxial through and blind channels to accommodate the driven shaft in the passage channel of the flange coil, and the cam rotors are placed on the drive and driven shafts inside the passage channel of the flanged coil with the possibility of synchronous rotation in opposite directions, and to ensure synchronous rotation of the cam rotors, gears interacting with each other are used, while the pressure head and suction nozzles are hydraulically connected to each other by means of an external pipeline, which rogo, in the direction from the pressure head to the suction nozzle, a heat exchanger, an adjustable throttle and an expansion tank are sequentially placed, and the heat exchanger is made in the form of a shell pipe, concentrically placed on the outer surface of the outlet pipe, and the flange coil is made with coaxial inlet and outlet pipes, which are diametrically located on its outer side surface, while the cross-section of the passage channel of the flanged coil has the shape of an oval, the minor axis of which coincides with the axis of the inlet and outlet nozzles, and the axes of the inlet and outlet nozzles are located perpendicular to the axes of the driving and driven shafts and are located in a plane that runs between axes of these shafts and equidistant from them, and the branch pipe is connected to the purge pipe.

Конструкция детандер-генераторного агрегата поясняется чертежами, где: на фиг. 1 приведен общий вид детандер-генераторного агрегата (фронтальная проекция); на фиг. 2 - общий вид детандер-генераторного агрегата (горизонтальная проекция); на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 1.The design of the expander-generator set is illustrated by drawings, where: in Fig. 1 shows a general view of the expander-generating unit (frontal projection); in fig. 2 - General view of the expander-generator set (horizontal projection); in fig. 3 - section A-A in Fig. 1; in fig. 4 - section b-b in Fig. 1.

Детандер-генераторный агрегат состоит из соосно размещенных и связанных между собой корпуса 1, фланцевой катушки 2, основания 3 и колпака 4.The expander-generator set consists of coaxially placed and interconnected housing 1, flanged coil 2, base 3 and cap 4.

Корпус 1 имеет выполнен с днищем, съемной крышкой 5 и соосными напорным 6 и всасывающим 7 патрубками, которые размещены на его боковой наружной поверхности напротив друг друга.The body 1 has a bottom, a removable cover 5 and coaxial pressure 6 and suction 7 nozzles, which are located on its lateral outer surface opposite each other.

Фланцевая катушка 2 выполнена с проходным каналом, а также с соосными и диаметрально размещенными на ее боковой наружной поверхности впускным 8 и отводным 9 патрубками. Проходной канал фланцевой катушки 2 в поперечном сечении имеет форму овала, малая ось которого совпадает с осью впускного 8 и отводного 9 патрубков.The flange coil 2 is made with a through channel, as well as with inlet 8 and outlet 9 nozzles coaxial and diametrically located on its lateral outer surface. The passage channel of the flanged coil 2 in cross-section has the shape of an oval, the minor axis of which coincides with the axis of the inlet 8 and outlet 9 branch pipes.

Колпак 4, имеющий цилиндрическую форму, выполнен с расположенными на его наружной боковой поверхности продувочным 10 и выпускным 11 патрубками. Продувочный патрубок 10 имеет форму изогнутого колена. Патрубки 6-11 оборудованы присоединительными фланцами.The cap 4, which has a cylindrical shape, is made with blowing 10 and outlet 11 nozzles located on its outer side surface. The purge tube 10 has the shape of a curved elbow. Pipes 6-11 are equipped with connecting flanges.

На корпусе 1 установлена крышка 5, к которой соосно и последовательно в осевом направлении присоединены фланцевая катушка 2, основание 3 и колпак 4. При этом внутренняя полость корпуса 1 сформирована за счет присоединенной к нему крышки 5; внутренняя полость фланцевой катушки 2 - за счет присоединенных к ней с противоположных сторон крышки 5 и основания 3; а внутренняя полость колпака 4 - за счет присоединенного к нему основания 3.A cover 5 is installed on the body 1, to which a flange coil 2, a base 3 and a cap 4 are connected coaxially and sequentially in the axial direction. The inner cavity of the body 1 is formed due to the cover 5 attached to it; the inner cavity of the flange coil 2 - due to the cover 5 and base 3 attached to it from opposite sides; and the inner cavity of the cap 4 - due to the base 3 attached to it.

Ведущий вал 12 размещен во внутренних полостях корпуса 1, фланцевой катушки 2 и колпака 4, а ведомый вал 13 - во внутренних полостях корпуса 1 и фланцевой катушки 2. С целью обеспечения возможности указанного выше размещения, для ведущего вала 12 в крышке бив основании 3 выполнены соосные сквозные каналы, а для ведомого вала 13 - соосные сквозной и глухой каналы.The drive shaft 12 is located in the internal cavities of the housing 1, the flanged coil 2 and the cap 4, and the driven shaft 13 is located in the internal cavities of the housing 1 and the flanged coil 2. In order to ensure the possibility of the above placement, for the drive shaft 12 in the cover biv base 3 coaxial through channels, and for the driven shaft 13 - coaxial through and blind channels.

Оси ведущего 12 и ведомого 13 валов взаимно параллельны. Для обеспечения возможности осевого вращения валов 12 и 13 предусмотрена их установка на подшипниках, для размещения которых в днище корпуса 1, крышке 5 и основании 3 выполнены соответствующие посадочные места в виде кольцевых проточек.The axes of the driving shaft 12 and driven shaft 13 are mutually parallel. To ensure the possibility of axial rotation of the shafts 12 and 13, their installation is provided on bearings, for placement of which in the bottom of the housing 1, the cover 5 and the base 3, the corresponding seats are made in the form of annular grooves.

На каждом из валов 12 и 13 закреплены шестерня 14 внешнего зацепления и кулачковый ротор 15. Равновеликие шестерни 14 установлены напротив друг друга на участках валов 12 и 13, расположенных во внутренней полости корпуса 1, а равновеликие кулачковые роторы 15 - на участках валов 12 и 13, расположенных во внутренней полости фланцевой катушки 2, т.е. внутри ее проходного канала.On each of the shafts 12 and 13, a gear 14 of external engagement and a cam rotor 15 are fixed. Equal-sized gears 14 are installed opposite each other on the sections of the shafts 12 and 13 located in the inner cavity of the housing 1, and the equal-sized cam rotors 15 - on the sections of the shafts 12 and 13 located in the inner cavity of the flange coil 2, i.e. inside its passage channel.

Шестерни 14 могут быть выполнены прямозубыми, косозубыми или шевронными, а кулачковые роторы 15 - преимущественно, с двумя или с тремя кулачками (т.к. большее количество кулачков в значительной степени усложняет их изготовление), при этом в телах кулачков могут быть выполнены симметрично расположенные осевые разгрузочные каналы. С обеих сторон каждой шестерни 14 и кулачкового ротора 15 на валах 12 и 13 размещены регулировочные шайбы (на чертежах не показаны), обеспечивающие возможность минимизации утечек рабочей среды через боковые зазоры.Gears 14 can be made spur, helical or chevron, and cam rotors 15 - mainly, with two or three cams (since the greater number of cams greatly complicates their manufacture), while in the bodies of the cams symmetrically located axial discharge channels. On both sides of each gear 14 and cam rotor 15, shims (not shown in the drawings) are placed on shafts 12 and 13 to minimize leaks of the working fluid through the side clearances.

Шестерни 14 и кулачковые роторы 15, которые установлены на валах 12 и 13, имеют возможность синхронного вращения в противоположных направлениях. При этом шестерни 14, находящиеся между собой в зацеплении, обеспечивают синхронность вращения кулачковых роторов 15 с минимально допустимым зазором, который исключает вероятность их взаимного соприкосновения и заклинивания.Gears 14 and cam rotors 15, which are mounted on shafts 12 and 13, are capable of synchronous rotation in opposite directions. In this case, the gears 14, which are in engagement with each other, ensure synchronous rotation of the cam rotors 15 with a minimum allowable clearance, which excludes the possibility of their mutual contact and jamming.

Герметизация валов 12 и 13 в сквозных каналах, выполненных в крышке 5 и основании 3, осуществляется при помощи уплотнительных узлов (на чертежах не показаны).The sealing of the shafts 12 and 13 in the through channels made in the cover 5 and base 3 is carried out using sealing units (not shown in the drawings).

Оси впускного 8 и отводного 9 патрубков размещены перпендикулярно осям валов 12 и 13. При этом оси впускного 8 и отводного 9 патрубков расположены в одной плоскости, которая проходит между осями валов 12 и 13 и равноудалена от них.The axes of the inlet 8 and outlet 9 branch pipes are located perpendicular to the axes of the shafts 12 and 13. In this case, the axes of the inlet 8 and outlet 9 branch pipes are located in one plane, which passes between the axes of the shafts 12 and 13 and is equidistant from them.

Внутренние полости фланцевой катушки 2 и колпака 4 гидравлически связаны между собой посредством присоединения отводного патрубка 9 к продувочному патрубку 10.The inner cavities of the flanged coil 2 and the cap 4 are hydraulically interconnected by connecting the branch pipe 9 to the purge pipe 10.

В частном случае, с целью значительного уменьшения наружных габаритов детандер-генераторного агрегата, вместо расположенных снаружи отводного 9 и продувочного 10 патрубков, в нижней части основания 3 может быть выполнено окно в виде фигурного сквозного канала (на чертежах не показан), который обеспечивает гидравлическую связь между внутренними полостями фланцевой катушки 2 и колпака 4. Однако следует учитывать, что изменение оптимальной траектории движения газового потока через внутреннюю полость фланцевой катушки 2 может негативно повлиять на эффективность работы кулачковых роторов 15.In a particular case, in order to significantly reduce the external dimensions of the expander-generator unit, instead of the outlet 9 and purge 10 branch pipes located outside, in the lower part of the base 3 a window can be made in the form of a shaped through channel (not shown in the drawings), which provides hydraulic connection between the inner cavities of the flanged coil 2 and the bell 4. However, it should be borne in mind that a change in the optimal trajectory of the gas flow through the inner cavity of the flanged coil 2 can adversely affect the efficiency of the cam rotors 15.

Напорный 6 и всасывающий 7 патрубки гидравлически связаны между собой при помощи наружного трубопровода 16 и образуют замкнутый контур циркуляции, который должен быть заполнен рабочей жидкостью. В качестве последней могут быть использованы, к примеру, маловязкие смазочно-охлаждающие жидкости. В составе наружного трубопровода 16, в направлении от напорного 6 к всасывающему 7 патрубку, последовательно установлены теплообменник 17 типа «труба в трубе», регулируемый дроссель 18 и расширительный бачок 19. Теплообменник 17 выполнен в виде кожуховой трубы, которая концентрично размещена на наружной поверхности отводного патрубка 9. Охлаждение рабочей жидкости осуществляется в процессе ее прохождения через внутреннюю кольцевую полость теплообменника 17, образованную внутренней поверхностью кожуховой трубы и наружной поверхностью отводного патрубка 9.The pressure 6 and suction 7 nozzles are hydraulically connected to each other by means of an external pipeline 16 and form a closed circulation loop, which must be filled with a working fluid. As the latter can be used, for example, low-viscosity cutting fluids. As part of the external pipeline 16, in the direction from the pressure head 6 to the suction nozzle 7, a pipe-in-pipe heat exchanger 17, an adjustable throttle 18 and an expansion tank 19 are sequentially installed. The heat exchanger 17 is made in the form of a shell pipe, which is concentrically located on the outer surface of the outlet nozzle 9. Cooling of the working fluid is carried out in the process of its passage through the inner annular cavity of the heat exchanger 17, formed by the inner surface of the shell tube and the outer surface of the branch pipe 9.

Во внутренней полости колпака 4 на опорах 20 установлен электрогенератор 21 с расположенными внутри него ротором и статором (на чертежах не показаны), при этом приводной вал 22 электрогенератора 21 расположен соосно ведущему валу 12 и соединен с ним посредством компенсирующей муфты 23 (например, упругой втулочно-пальцевой). Концы обмоток электрогенератора 21 герметично выведены из внутренней полости колпака 4 и присоединены к кабельной коробке 24, которая размещена на наружной поверхности колпака 4.In the inner cavity of the cap 4 on the supports 20 there is an electric generator 21 with a rotor and a stator located inside it (not shown in the drawings), while the drive shaft 22 of the electric generator 21 is located coaxially with the drive shaft 12 and is connected to it by means of a compensating clutch 23 (for example, an elastic sleeve -finger). The ends of the windings of the generator 21 are hermetically removed from the inner cavity of the cap 4 and connected to the cable box 24, which is located on the outer surface of the cap 4.

Детандер-генераторный агрегат устанавливается преимущественно на байпасной линии в узле редуцирования газораспределительной станции (ГРС) или пункта (ГРП) и позволяет преобразовать избыточную энергию давления природного газа в электрическую энергию. Таким образом, он способен выполнять роль автономного источника электропитания.The expander-generator set is installed mainly on the bypass line in the reduction unit of the gas distribution station (GDS) or point (GSP) and allows converting excess energy of natural gas pressure into electrical energy. Thus, it is capable of performing the role of an autonomous power source.

Работа детандер-генераторного агрегата осуществляется следующим образом. Впускной 8 и выпускной 11 патрубки детандер-генераторного агрегата присоединяют соответственно к подводящей и отводящей трубам на байпасной линии газопровода (на чертежах не показаны). Поток природного газа, проходящий по байпасной линии газопровода, поступает через впускной патрубок 8 во внутреннюю полость фланцевой катушки 2. Поток газа, проходящий через фланцевую катушку 2 в направлении от впускного 8 к отводному патрубку 9, обеспечивает вращение в противоположных направлениях кулачковых роторов 15, установленных на валах 12 и 13. Процесс преобразования потенциальной энергия газа в механическую энергию вращения кулачковых роторов 15 сопровождается понижением давления и температуры газа при выходе из внутренней полости фланцевой катушки 2 в отводной патрубок 9.The expander-generator set operates as follows. The inlet 8 and outlet 11 branch pipes of the expander-generator unit are connected, respectively, to the supply and outlet pipes on the bypass line of the gas pipeline (not shown in the drawings). The natural gas flow passing through the bypass line of the gas pipeline enters through the inlet 8 into the inner cavity of the flanged coil 2. The gas flow passing through the flanged coil 2 in the direction from the inlet 8 to the outlet 9 ensures rotation in opposite directions of the cam rotors 15 installed on shafts 12 and 13. The process of converting the potential energy of the gas into mechanical energy of rotation of the cam rotors 15 is accompanied by a decrease in the pressure and temperature of the gas when it leaves the inner cavity of the flanged coil 2 into the branch pipe 9.

Находящиеся в зацеплении шестерни 14, размещенные внутри корпуса 1 на валах 12 и 13, обеспечивают синхронность вращения кулачковых роторов 15, не допуская возможности их соприкосновения и заклинивания.Engaged gears 14, located inside the housing 1 on shafts 12 and 13, ensure synchronous rotation of the cam rotors 15, preventing their contact and jamming.

Вращение ведущего вала 12 с помощью компенсирующей муфты 23 передается на приводной вал 22 электрогенератора 21. При взаимодействии электромагнитных полей ротора и статора механическая энергия преобразуется в электрическую, а вырабатываемый при этом переменный ток по изолированным проводникам направляется в кабельную коробку 24.The rotation of the drive shaft 12 by means of the compensating clutch 23 is transmitted to the drive shaft 22 of the electric generator 21. When the electromagnetic fields of the rotor and the stator interact, the mechanical energy is converted into electrical energy, and the alternating current generated in this case is directed through insulated conductors to the cable box 24.

По отводному 9 и продувочному 10 патрубкам поток газа поступает из внутренней полости фланцевой катушки 2 во внутреннюю полость колпака 4, где принудительно охлаждает корпусные детали и обмотки электрогенератора 21. Температура газа, за счет активного теплообмена с нагретыми частями электрогенератора 21, возрастает. Далее поток газа через выпускной патрубок 11 отводится из внутренней полости колпака 4 и возвращается в байпасную линию газопровода.Through the outlet 9 and purge 10 nozzles, the gas flow enters from the inner cavity of the flanged coil 2 into the inner cavity of the bell 4, where it forcibly cools the body parts and windings of the electric generator 21. The gas temperature, due to active heat exchange with the heated parts of the electric generator 21, increases. Further, the gas flow through the outlet pipe 11 is diverted from the inner cavity of the bell 4 and returns to the bypass line of the gas pipeline.

Размещение теплообменника 17 на наружной поверхности отводного патрубка 9, с точки зрения эффективности охлаждения рабочей жидкости, можно считать наиболее целесообразным решением.The placement of the heat exchanger 17 on the outer surface of the branch pipe 9, from the point of view of the efficiency of cooling the working fluid, can be considered the most expedient solution.

В частном случае, предусматривающем замену отводного 9 и продувочного 10 патрубков на окно в нижней части основания 3, вполне допустимо размещение теплообменника 17 на наружной поверхности выпускного патрубка 11.In a particular case, involving the replacement of the outlet 9 and purge 10 nozzles with a window in the lower part of the base 3, it is quite acceptable to place the heat exchanger 17 on the outer surface of the outlet nozzle 11.

Шестерни 14, которые размещены внутри корпуса 1, в случае их принудительного вращения в противоположных направлениях, работают в режиме шестеренного насоса. При этом выходящие из зацепления зубья шестерен 14 создают разряжение во всасывающем патрубке 7 и рабочая жидкость поступает в него по наружному трубопроводу 16 из расширительного бачка 19. Затем рабочая жидкость, которая находится между зубьев вращающихся шестерен 14, перемещается вдоль внутренней поверхности корпуса 1 в напорный патрубок 6. Входящие в зацепление зубья шестерен 14 увеличивают давление рабочей жидкости в напорном патрубке 6, что обеспечивает ее нагнетание под давлением в наружный трубопровод 16.Gears 14, which are located inside the housing 1, in the case of their forced rotation in opposite directions, operate in the mode of a gear pump. In this case, the out-of-engagement gear teeth 14 create a vacuum in the suction pipe 7 and the working fluid enters it through the external pipeline 16 from the expansion tank 19. Then the working fluid, which is between the teeth of the rotating gears 14, moves along the inner surface of the housing 1 into the pressure pipe 6. The meshing teeth of the gears 14 increase the pressure of the working fluid in the pressure nozzle 6, which ensures its injection under pressure into the external pipeline 16.

Рабочая жидкость, в процессе своего контакта с наружной поверхностью взаимодействующих шестерен 14, смазывает и охлаждает их. При этом, за счет отбора избыточного тепла, температура рабочей жидкости повышается. Далее рабочая жидкость по наружному трубопроводу 16 поступает в теплообменник 17, т.е. во внутреннюю кольцевую полость между кожуховой трубой и отводным патрубком 9, где происходит ее охлаждение. После охлаждения рабочая жидкость по наружному трубопроводу 16 направляется через регулируемый дроссель 18 в расширительный бачок 19, а из него поступает во всасывающий патрубок 7.The working fluid, in the process of its contact with the outer surface of the interacting gears 14, lubricates and cools them. In this case, due to the selection of excess heat, the temperature of the working fluid rises. Further, the working fluid through the external pipeline 16 enters the heat exchanger 17, i.e. into the inner annular cavity between the casing pipe and the branch pipe 9, where it is cooled. After cooling, the working fluid is directed through the external pipeline 16 through an adjustable throttle 18 into the expansion tank 19, and from there it enters the suction pipe 7.

Регулируемый дроссель 18 обеспечивает возможность изменения величины гидравлического сопротивления в замкнутом контуре циркуляции рабочей жидкости, что позволяет оперативно поддерживать частоту вращения кулачковых роторов 15 в требуемом диапазоне. За счет этого стабилизируется работа электрогенератора 21 при переменных расходах газа, которые вызваны неравномерностью его отбора внешними потребителями.The adjustable throttle 18 provides the ability to change the value of the hydraulic resistance in the closed circuit of the working fluid circulation, which allows you to quickly maintain the rotational speed of the cam rotors 15 in the required range. Due to this, the operation of the electric generator 21 is stabilized at variable gas flow rates, which are caused by the unevenness of its selection by external consumers.

Электрическая энергия, вырабатываемая с помощью детандер-генераторного агрегата может быть использована для питания различных нагрузочных устройств, как входящих в состав ГРС или ГРП, так и внешних.The electrical energy generated by the expander-generator set can be used to power various load devices, both included in the gas distribution station or hydraulic fracturing, and external.

Источники информации:Sources of information:

1. Патент РФ на изобретение №2351842 С1, F17D 1/04, опубл. 10.04.2009.1. RF patent for invention No. 2351842 C1, F17D 1/04, publ. 10.04.2009.

2. Патент РФ на изобретение №2424475 С1, F25B 11/00, опубл. 20.07.2011.2. RF patent for invention No. 2424475 C1, F25B 11/00, publ. 20.07.2011.

3. Патент РФ на полезную модель №168607 U1, H02K 7/18, опубл. 13.02.2017.3. RF patent for useful model No. 168607 U1, H02K 7/18, publ. 13.02.2017.

4. Патент РФ на изобретение №2525027 С1, F25B 11/00, опубл. 10.08.2014.4. RF patent for invention No. 2525027 C1, F25B 11/00, publ. 08/10/2014.

Claims

Expander-generator unit, including a gear pneumatic motor with external engagement, consisting of a housing with a bottom, pressure and suction nozzles, which are located on opposite sides on the lateral outer surface of the housing, the driving and driven shafts with an equal-sized toothed gear fixed to each of them, installed in parallel inside the housing on bearings with the possibility of interaction of the gears and their synchronous rotation in opposite directions, and a cover mounted on the housing with a through channel to accommodate a drive shaft therein, a flange coil and a base, which are connected to the cover in series and coaxially to the cover, and which are made respectively with through and through channels to accommodate a drive shaft in them, as well as a cylindrical cap with outlet and purge nozzles located on the outer side surface, the last of which has the shape of a bent elbow, an electric generator with a drive shaft located inside the cap, which installed coaxially with the drive shaft and connected to it by means of a coupling, and the cable box of the electric generator, located on the outer surface of the cap, characterized in that it is equipped with two equal-sized cam rotors and an external pipeline, which includes an adjustable throttle, a heat exchanger and an expansion tank, while in the cover and in the base, respectively, coaxial through and blind channels are made to accommodate the driven shaft in the passage channel of the flange coil, and the cam rotors are located on the drive and driven shafts inside the passage channel of the flanged coil with the possibility of synchronous rotation in opposite directions, and to ensure synchronous rotation cam rotors use gears interacting with each other, while the pressure head and suction nozzles are hydraulically connected to each other through an external pipeline, in which, in the direction from the pressure head to the suction nozzle, t a heat exchanger, an adjustable throttle and an expansion tank, and the heat exchanger is made in the form of a shell tube, concentrically placed on the outer surface of the outlet pipe, and the flanged coil is made with coaxial inlet and outlet pipes, which are diametrically located on its outer lateral surface, while the cross section of the passage channel The flanged coil has the shape of an oval, the minor axis of which coincides with the axis of the inlet and outlet pipes, and the axes of the inlet and outlet pipes are located perpendicular to the axes of the driving and driven shafts and are located in a plane that passes between the axes of these shafts and is equidistant from them, and the outlet pipe is attached to the purge connection.