RU179510U1 - Устройство для преобразования энергии парогазовой смеси из подземных источников в электрическую энергию - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетическим установкам по преобразованию энергии парогазовой смеси из геотермальных источников или энергии попутного газа из нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию и может быть использована в местах, где требуются автономные источники электроэнергии.

Предлагаемая полезная модель представляет компактную энергетическую установку модульной конструкции переносного типа.

Устройство содержит в комплексе: неподвижное основание, неподвижный статор с обмотками возбуждения, соединенный с основанием, и ротор с постоянными магнитами на верхней поверхности, вращающийся между неподвижным статором и углублением в основании под воздействием пара или газа на парогазовой подушке. Ротор совмещает в себе функции турбины и ротора, имея на боковой поверхности изогнутые лопатки, обеспечивающие его вращение при воздействии на них пара или газа. В устройстве отсутствует ось вращения на подшипниках, а две конические поверхности, входящие друг в друга: одна - на роторе, другая - в основании устройства, создают центрирующее вращение ротора на парогазовой подушке в процессе работы устройства.

Пар или газ из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу к основанию устройства. В месте подвода трубы к основанию находится регулятор расхода подаваемого пара или газа. При подаче под давлением пара или газа ротор приподнимается над опорными соприкасающимися поверхностями основания и ротора, открывая зазор, через который пар или газ поступает на изогнутые лопатки ротора, обеспечивающие его вращение на парогазовой подушке. Скорость вращения ротора может регулироваться количеством подаваемого пара или газа.

Работоспособность устройства была подтверждена испытаниями на созданной модели устройства с имитацией выхода пара из геотермального источника. В процессе работы конические поверхности основания и ротора не соприкасаются друг с другом, что уменьшает износ деталей основания и ротора. Вращения ротора с постоянными магнитами на его верхней поверхности между неподвижных обмоток возбуждения на статоре приводит к возникновению электрического тока с последующей передачей его потребителю.

Технический результат от использования устройства для преобразования геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию - это получение электроэнергии в местах выхода геотермальных вод или при выделении попутного газа из нефтяных или газовых скважин и последующей ее передачей потребителю. Компактность устройства, возможность легкой транспортировки, экологическая чистота конструкции позволит использовать данное устройство в различных районах и областях.

Description

Одним из способов получения электрической энергии является использование попутного газа из скважин или парогазовой смеси из геотермальных источников, воздействующих на предлагаемое устройство для получения электроэнергии.

Полезная модель относится к энергетическим установкам по преобразованию энергии вытекающей парогазовой смеси из геотермальных источников или при выделении попутного газа из нефтяных и газовых скважин в электрическую энергию в местах, где требуются автономные источники электроэнергии.

Предлагаемое устройство представляет компактный переносной электрогенератор, имеющий простую и надежную конструкцию.

Использование тепловой энергии подземных источников или выбросов попутного газа для выработки электроэнергии происходит на геотермальных электростанциях, таких как, Паужетская ГеоТЭС, Мутновская ГеоТЭС и другие, расположенные в районах геотермальных месторождений или при выходе попутного газа в различных районах земного шара.

Известны геотермальные паровые электростанции, работающие на паре, или геотермальные электростанции с бинарным циклом, использующие воду и жидкость с более низкой температурой кипения, когда пар, воздействуя на турбину, приводит в действие электрогенератор с последующей передачей электроэнергии в сеть потребителю. [Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. М. Физматлит; 2008 г.; 376 с.].

Известны геотермальные электростанции, работающие на геотермальной текучей среде высокого давления (патент RU 2126098) или использующие разность давлений или температур, возникающих в природе, и составленные из блоков модульного типа (патент RU 2493431), обеспечивающие изменение масштаба и адаптирующиеся к местным условиям. На всех типах электростанций турбина и электрогенератор расположены отдельно друг от друга и соединены с помощью различных приводных устройств.

Известны электрогенераторы, в которых ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры с внутренним ротором на постоянных магнитах и статором с обмотками возбуждения (Попов B.C., Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. М. «Энергия», 1976.).

Известны аппараты на воздушной подушке - экранопланы, когда воздушная подушка создается за счет скоростного напора во время движения (патент РФ 2466888; патент РФ 2471660) или аппараты с дополнительной аэродинамической поддержкой корпуса (патент РФ 2456185), позволяющие увеличить подъемную силу и грузоподъемность аппарата. Все они несут на себе двигатели, создающие подъем аппарата над поверхностью и регулирующие скорость движения аппарата.

В конструкции турбина-генератор (полезная модель, патент РФ 105376), которая представляет установленное в русле реки под водой сооружение на бетонной плите с электрогенератором, редуктором, лопастями, меняющими угол наклона, укрепленными на вертикальной оси вращения. Данная установка может быть использована при любых погодных условиях, в любое время года, но в местах с достаточной глубиной текущей реки. Недостатком данной конструкции, по сравнению с предлагаемым устройством, является наличие редуктора и вертикальной оси вращения.

Наиболее близким аналогом-прототипом (патент RU 2168062) является ветрогенератор, предназначенный для зарядки аккумуляторов и электропитания различных потребителей. Данное устройство содержит ветроколесо и плоский магнитоэлектрический генератор, дискообразный ротор которого имеет постоянные магниты и связан с ветроколесом постоянной осью, вращающейся на подшипниках. Основным недостатком данной установки по сравнению с предлагаемым устройством является наличие комбинированной оси вращения на подшипниках.

Задача предлагаемой полезной модели состоит в разработке конструкции устройства для преобразования энергии, вытекающей парогазовой смеси из геотермальных источников или энергии выделяемого попутного газа из нефтяных и газовых скважин, в электрическую энергию там, где требуются автономные источники электроэнергии.

Предлагаемая полезная модель представляет компактную энергетическую установку модульной конструкции переносного типа, где отсутствует ось вращения на подшипниках, а ее заменяют две конические поверхности: одна - на роторе, другая - в основании установки, имеющие между собой минимальный зазор. В устройстве - турбина и ротор совмещены друг с другом и не имеют цилиндрической оси вращения на подшипниках. На роторе установлены постоянные магниты и изогнутые лопатки, создающие момент вращения при воздействии на них парогазовой смеси. Ротор расположен внутри кольцевого статора. Статор неподвижный, соединен с основанием и имеет элементы с обмотками возбуждения для получения электрического тока с последующей передачей его потребителю. Соприкасающиеся поверхности ротора и основания имеют открывающийся зазор, через который поступает парогазовая смесь на лопатки ротора. Пар или газ, поступающий в зазор, создают подъем ротора и позволяют ему удерживаться на парогазовой подушке, а изогнутые лопатки, типа турбинных, расположенные на боковой стороне ротора, обеспечивают его вращение в обойме статора от поступающей энергии пара геотермальных источников или попутного газа из подземных скважин.

Сущность полезной модели состоит в том, что устройство по преобразованию геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию, представляет собой компактный блок, содержащий в комплексе: неподвижное основание, соединенное с неподвижным статором, и ротор, вращающийся внутри статора без опорных подшипников и оси вращения под воздействием парогазовой смеси на парогазовой подушке.

При этом в верхней части опоры неподвижного статора из электроизолирующего материала вставлены элементы с обмотками возбуждения самого статора, а в верхней части ротора находятся постоянные магниты. Вращение ротора внутри неподвижного статора приводит к возникновению электрического тока.

Кроме того, ротор имеет многослойную конструкцию, состоящую из электроизолирующей платформы с постоянными магнитами на верхней поверхности, и перевернутым центрирующим конусом на нижней поверхности с углом при вершине 160-150°, изготовленным из металла или металлокерамического материала с износостойким покрытием. При этом наличие изогнутых лопаток, типа турбинных, или краевых лопастей на боковой поверхности ротора, в количестве не менее 10-12 штук, обеспечивает его вращение в приподнятом состоянии на парогазовой подушке за счет напора пара или газа, истекающих из подземных источников и поступающих к основанию устройства.

Кроме того, в основании устройства, изготовленного из материала типа металлокерамики, в верхней его части, находится коническое углубление под углом 160-150° к вертикальной оси, имеющее на поверхности износостойкое покрытие. В это углубление основания вставляется центрирующий конус ротора с зазором по коническим поверхностям ~ 0,2 мм и открывающимся зазором в процессе работы по опорным поверхностям.

При этом ротор имеет дополнительные изогнутые отверстия от нижней поверхности к наружной боковой поверхности ротора, тангенциального типа, в количестве 6-12 штук, служащие для создания дополнительного момента вращения и дополнительного охлаждения элементов статора и ротора.

Парогазовая смесь или газ из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу к основанию устройства. В месте подвода трубы к основанию находится регулятор расхода подаваемой парогазовой смеси.

При подаче под давлением газа или пара в зазор между коническими поверхностями основания и ротора ротор приподнимается над опорными поверхностями основания и ротора, открывая зазор, через который пар или газ поступает на изогнутые лопатки ротора. При этом происходит вращение ротора на парогазовой подушке. Скорость вращения ротора может регулироваться количеством подаваемого пара или газа. В процессе работы конические поверхности основания и ротора не соприкасаются друг с другом, что уменьшает износ деталей основания и ротора.

Технический результат от использования устройства для преобразования геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию позволит получать электроэнергию для последующей ее передачи потребителю в местах выхода геотермальных вод или выделения попутного газа из нефтяных или газовых скважин. Компактность устройства, возможность легкой транспортировки, экологическая чистота конструкции позволит использовать данное устройство в труднодоступных регионах.

В природе выработка электроэнергии может составлять до 30% от энергии выбрасываемого пара (И.С. Сагадеев. “Развитие геотермальной энергетики в России”. г. Уфа; А. Барановский. “Вспомним о ГеоТЭС - природа великий гений”. 2015 г.).

Описание устройства: На фиг. 1 представлено устройство для преобразования геотермальной энергии парогазовой смеси или энергии попутного газа из подземных скважин - в электрическую энергию, при расположении тепло - энергоносителя вблизи подземного источника. Устройство состоит - из неподвижного основания 1, с подведенной к нему трубой 2, через которую подается пар или газ; - неподвижной кольцевой опоры статора 4 с элементами обмоток возбуждения самого статора 5;

- и вращающегося над основанием и внутри статора безопорного дискообразного ротора 6, имеющего на верхней поверхности постоянные магниты. Неподвижная опора статора 4 жестко соединена с неподвижным основанием 1. У основания 1, в его верхней части, имеется коническое углубление 3 с углом при вершине 160-150° к вертикальной оси.

Основание 1 изготовлено из металлокерамического материала, а имеет на поверхности конического углубления 3 износостойкое покрытие, например на основе карбида кремния или карбида вольфрама, или карбида хрома.

В углубление 3 основания 1 вставляется центрирующий конус ротора 9.

Парогазовая смесь или газ из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу 2. В месте подвода трубы к основанию находится регулятор расхода 7 подаваемой парогазовой смеси.

В верхней части кольцевой опоры неподвижного статора 4, изготовленного из электроизоляционного материала, равномерно вставлены “N” элементов с обмотками возбуждения 5 самого статора. При вращении ротора (6, 8, 9) внутри неподвижного статора 4 в обмотках возбуждения 5 возникает ток, который через токовыводящие элементы подается к потребителю 19. Поверхность 15 опоры статора служит ограничителем подъема ротора над поверхностью основания.

Ротор устройства представляет собой комбинированную многослойную конструкцию дискообразного типа. В верхней части ротора, в виде кольцевого диска из электроизоляционного материала, равномерно расположены “N” постоянных магнитов 6. Центральная часть ротора - основная платформа 8, в виде кольцевого диска из электроизоляционного материала, имеет на боковой поверхности равномерно расположенные изогнутые лопатки 10, типа турбинных, в количестве - не менее 10 штук, создающие вращение ротора при натекании на них парогазовой смеси. Материалом электроизоляционной платформы 8 может быть стеклопластик или стеклотекстолит. В электроизоляционной платформе 8 могут быть сделаны дополнительно изогнутые отверстия 11 тангенциального типа, усиливающие момент вращения ротора и обеспечивающие дополнительное охлаждение элементов статора и ротора. Нижняя часть ротора выполнена в виде перевернутого центрирующего конуса 9 с углом при вершине 160-150°, равным углу конического углубления 3 в основании устройства 1. Центрирующий конус 9 может быть выполнен из титана, стали, алюминия или металлокерамического материала с нанесенным на его наружную поверхность износостойким покрытием или быть полым внутри. Расположение центрирующего конуса 9 в углублении 3 основания 1 по коническим поверхностям и наличие зазора 13, постоянного в сечении ≈0,2 мм или имеющего в сечении форму конфузора, уменьшающегося при приближении к лопаткам ротора (снизу вверх), обеспечивает центрирующее положение ротора и его свободное вращение в процессе работы на парогазовой подушке без центральной оси и опорных подшипников.

В нерабочем состоянии ротор 6 соприкасается плоским участком поверхности 16 с плоским участком поверхности 17 основания 1. В процессе работы ротор 6 приподнимается над поверхностью 17 основания 1, а через открывающийся зазор 18 происходит натекание пара или газа на лопатки 10 ротора. Зазор 13 между коническим углублением основания 3 и наружной поверхностью центрирующего конуса ротора 9, имеющий форму конфузора, уменьшающегося в сечении к соприкасающимся поверхностям 16 и 17, и открывающийся зазор 18, могут увеличить скорость натекания газа или пара на лопатки 10 ротора.

Зазор 12 между неподвижным статором 5 и ротором 6 обеспечивает свободное вращение ротора внутри статора в процессе его работы на парогазовой подушке. Для сбора и отвода возникшего конденсата в процессе работы установки снизу устанавливается поддон 14.

Устройство для преобразования геотермальной энергии или энергии попутного газа из подземных источников в электрическую энергию работает следующим образом.

Паровая или газовая смесь из подземного источника, очищенные от механических примесей и прошедшие через фильтры и сепараторы, подаются через трубу 2 к основанию 1 устройства. В месте подвода трубы 2 к основанию 1 находится регулятор расхода 7 подаваемой парогазовой смеси. Пар или газ под давлением ≈10-20 атмосфер через зазор 13 направляется к конической части ротора 9.

Ротор 6 под давлением приподнимается над коническим углублением 3 основания 1. При этом вес ротора плюс атмосферное давление на его наружную поверхность становится меньше силы воздействия парогазовой струи и ее давления на нижнюю коническую 9 и плоскую 16 поверхности ротора - согласно уравнению Бернулли. Происходит открытие зазора 18 между поверхностями 16 и 17 ротора 6 и основания 1 соответственно.

Ротор 6 как бы повисает (парит) в воздухе на парогазовой подушке над основанием 1. Происходит истечение парогазовой смеси через открывшийся зазор 18 и ее воздействие на изогнутые лопатки 10 ротора. Это приводит к вращению приподнятого ротора 6 в зазоре 12 внутри неподвижной обоймы статора 4 без опорных подшипников и оси вращения.

Центровка ротора 6 в процессе его вращения осуществляется с помощью центрирующего конуса 9 внутри конического углубления 3 основания 1. Отсутствие в системе вращающихся подшипников и осей вращения снижает сопротивление вращению ротора внутри статора 4 и уменьшает износ работающих деталей. Возникший в процессе работы устройства конденсат удаляется из поддона 14 и может быть использован повторно.

Вращение ротора с постоянными магнитами 6 внутри неподвижного статора с обмотками возбуждения 5 приводит к возникновению электрического тока с последующей передачей его потребителю 19.

Для подтверждения принципа работы предлагаемого устройства были разработаны и изготовлены: - модель устройства и - модель установки, имитирующей работу гейзера. Общая схема работы моделирующей установки приведена на фиг. 2.

Установка состояла из основания 21, совмещенного со статором 22, и ротора 23 с укрепленными на его боковой стороне 11 изогнутыми лопатками 32. В центре основания 21, совмещенного со статором 22, имелось коническое углубление с углом при вершине 160° к вертикальной оси. В центре конического углубления основания 21, совмещенного со статором 22, было сделано сквозное отверстие диаметром 8 мм. В это отверстие снизу была вставлена трубка 24 с наружным диаметром 8 мм и внутренним диаметром 6 мм из нержавеющей стали. На конце трубки 24 имелось сужающееся сопло 25. Ротор 23 представлял собой перевернутый конус с углом при вершине 160° к вертикальной оси. На боковой стороне ротора были укреплены изогнутые лопатки 32 в количестве 11 штук. Статор и ротор были изготовлены из стали и имели диаметр 150 мм и толщину соответственно 50 мм и 30 мм.

Трубка 24 устанавливалась внутри трубки 28 с внутренним диаметром 16 мм и длиной 1,2 м. К концам трубки 28, изготовленной из карбида кремния, подводилось напряжение ≈220 В. Другой конец трубки 24 через вентиль 34 был подсоединен к ресиверу 26 с водой.

В начале работы трубка 28 нагревалась до температуры 1320 K. После чего открывались вентили 29 и 34, и в металлическую трубку 24 из ресивера 26 поступала вода 30, вытесняемая воздухом из баллона 27. На выходе из трубки 24 образовывался перегретый пар 31, который поступал в сопло 25 и зазор 33 между статором и ротором. Струя пара, выходящая из сопла под давлением, приподнимала ротор 23, воздействовала на его изогнутые лопатки 32 и вращала ротор 23 без опорных подшипников и оси вращения. Ротор, как бы, парил над коническим углублением основания 21, совмещенного со статором 22, на парогазовой подушке. Его центровка осуществлялась коническим выступом с углом при вершине 160° к вертикальной оси на роторе 23, вставленным в коническое углубление с углом при вершине 160° к вертикальной оси в основание 21, соединенным со статором 22.

Работа устройства была зафиксирована на кинофотопленке. Такое же вращение происходило, если вместо пара подавался сжатый воздух или газ.

На фиг. 3 представлена модель основания со статором, имеющая коническое углубление с углом при вершине 160° к вертикальной оси. В отверстие в центре углубления вставлена металлическая трубка с соплом.

На фиг. 4 представлена модель ротора с укрепленными на его боковой стороне изогнутыми лопатками. Поверхность ротора, сопрягаемая с поверхностью статора, имела коническую форму с углом при вершине 160° к вертикальной оси.

При размещении на статоре обмоток возбуждения с токовыводящими элементами, а на роторе - постоянных магнитов, при работе установки вырабатывался электрический ток.

Список, просмотренных патентов по классам МПК, к заявке:

“УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ИЛИ ЭНЕРГИИ ПОПУТНОГО ГАЗА ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ”.

1. МПК 7: F03B 13/10 патент RU №105376 - турбина - генератор.

2. МПК 7: F03B 13/10 патент RU №57385 - роторная турбина ГЭС.

3. МПК 7: F03D 9 патент RU №2168062 - ветрогенератор.

4. МПК 7: F03D 1/06; F03D 3/06; Н02К 21/22 патент RU №2331792 - ветрогенератор обращенный.

5. МПК 7: F03D 1/06 патент RU №2477811 - роторно-лопастное колесо электрогенерирующего агрегата на основе эффекта Магнуса.

6. МПК 7: F03D 1/06 патент RU №2454563 - ротор ветрогенератора сегментного типа.

7. МПК 7: F03D 1/06 патент RU №2425249 - роторная ветроэлектростанция.

8. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2517007 - ротор с вертикальным валом.

9. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2516085 - роторный вертикальный ветродвигатель.

10. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2511985 - вертикальный ветровой электрогенератор.

11. МПК: F03D 3/06 патент РФ №2502890 - турбинная установка и электростанция.

12. МПК: F03G 7/04 патент РФ №2493431 - геотермальная электростанция.

13. МПК: F24J 3/08 патент РФ №2110019 - паротурбинная установка для геотермальной электростанции.

14. МПК 8: B60V 1/06 патент РФ №2456185 - аппарат на воздушной подушке с дополнительной аэродинамической поддержкой корпуса.

15. МПК 8: B60V 1/08 патент РФ №2508997 - аэроглиссер амфибия.

16. МПК 8: B60V 1/08 патент РФ №246688 - экраноплан.

17. МПК 8: В60V 1/06 патент РФ №2442709 - мягкий поплавок.

18. МПК: H02K 21/22 патент РФ №2528378 - магнитоэлектрическая машина со вспомогательным двигателем.

19. МПК: Н02К 21/22 патент РФ №2467454 - высокоскоростная магнитоэлектрическая машина с вертикальным валом.

20. МПК: H02H 21/22 патент РФ №2453698 - скважинный генератор.

21. МПК: H02K 21/22 патент РФ №2374743 - бесконтактная синхронная машина, имеющая гладкий якорь с беспазовой активной зоной и постоянные магниты на роторе.

22. МПК: H02K 21/18; H02K 21/14 патент РФ №2303849 - бесколлекторный генератор с постоянными магнитами.

23. Патент WO 2013060340 A1 - устройство и способ преобразования геотермальной энергии в электрическую.

24. МПК: F03D 1/06 патент РФ №2477811 - роторно-лопастное колесо электрогенерирующего агрегата на основе эффекта Магнуса.

25. МПК:F24J 3/08 патент РФ №2288413 C1 - способ извлечения геотермального тепла.

26. МПК: F03G 4/06 патент РФ №2126098 - геотермальная электростанция, работающая на геотермальной текучей среде высокого давления.

27. МПК: H02K 26/00; H02K 27/02 патент РФ №2137280 - моментный двигатель с постоянными магнитами.

Claims (7)

1. Устройство для преобразования геотермальной энергии из подземных источников в электрическую энергию, содержащее в комплексе: неподвижное основание, неподвижный статор с обмотками возбуждения, соединенный с основанием, и ротор с постоянными магнитами, вращающийся между неподвижным статором и углублением в основании, под воздействием парогазовой смеси на парогазовой подушке.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ротор имеет многослойную конструкцию, состоящую из электроизолирующей платформы с постоянными магнитами на верхней поверхности, перевернутого центрирующего металлического конуса на нижней поверхности, входящего в коническое углубление основания, куда через отверстие снизу в центре основания подводится парогазовая смесь, создающая центрирующее вращение ротора на парогазовой подушке между основанием и внутри неподвижного статора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ротор, совмещая функции турбины, имеет на боковой поверхности изогнутые лопатки, обеспечивающие его вращение внутри неподвижного статора.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что между опорными поверхностями основания и ротора, в месте их соприкосновения, имеется открывающийся зазор, обеспечивающий, в процессе работы, поступление парогазовой смеси на изогнутые лопатки ротора.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что краевая часть нижней внутренней поверхности неподвижного статора служит ограничителем подъема ротора при его работе.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в месте присоединения к основанию трубы, через которую подается парогазовая смесь, находится регулятор расхода поступающей парогазовой смеси, регулирующий подачу и скорость вращения ротора.

7. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что ротор имеет в электроизолирующей платформе дополнительные изогнутые отверстия, типа тангенциальных, от нижней поверхности платформы к наружной боковой поверхности ротора для увеличения крутящего момента и охлаждения.

Images