Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Паровая винтовая машина как средство энергосбережения

Паровая винтовая машина как средство энергосбережения

Д.т.н. С.Р. Березин, профессор,
д.т.н. В.М. Боровков, профессор,
заведующий кафедрой промтеплоэнергетики,
Санкт-Петербургский государственный
политехнический университет(СПбГПУ);
к.т.н. В.И. Ведайко, главный конструктор,
А.И. Богачева, генеральный директор,
ЗАО «Эко-Энергетика», г. Санкт-Петербург

В настоящее время в России и в мире получают все большее распространение новые технологии энергосбережения. К ним, в частности, относится использование энергии пара для выработки электроэнергии в котельных и перевода их в мини-ТЭЦ. Масштабы применения этой технологии энергосбережения достаточно велики. Котельные с паропроизводительностью от 10 до 100 т/ч обычно используются в производственно-отопительных целях и принадлежат небольшим предприятиям бумажной, лесопильной, пищевой, текстильной, кожевенной и многих других отраслей промышленности.

Параметры производимого пара в котельных сильно различаются в зависимости от назначения использования пара. Потребление пара существенно меняется по времени года (летний и зимний режимы) и от времени суток. Давление пара на выходе из котла зависит как от потребностей технологии предприятия, так и от степени изношенности котлов. Например, котлы широкого промышленного применения чаще всего проектируются на давление пара 13 ати, а для изношенных котлов, которых в настоящее время очень большое количество, по предписанию Ростехнадзора давление ограничивается 7-8 ати. В свою очередь, для нужд технологии обычно требуется давление пара 4-6 ати, а для отопления — 1,5-2 ати с расходом пара 3-6 т/ч. Таким образом, складывается ситуация, когда часто в котельных имеется неиспользуемый перепад давления пара 3-6 ат (1 ат=0,98.10 5 Па — прим. ред.) с расходом 6-50 т/ч. Полезное применение этого потенциала позволяет получить дополнительную электрическую мощность 200-1500 кВт. Для этого пар после котла направляют в расширительную машину, например, паровую турбину, связанную с электрогенератором. В результате можно получить дешевую электроэнергию (дополнительный расход топлива и эксплуатационные расходы незначительны). Однако, использование паровой турбины в этом случае малопродуктивно, поскольку в указанной области небольших мощностей она имеет ряд известных недостатков.

Наиболее привлекательными по совокупности свойств в данном диапазоне мощности являются паровые винтовые машины (ПВМ). Паровая винтовая машина по сути является новым типом парового двигателя. ПВМ разработана в России, она уникальна, аналогов ее за рубежом нет. На конструкцию ПВМ, ее узлов и систем получено около 25 патентов в России и за рубежом. В диапазоне мощности 200-1500 кВт ПВМ практически по всем показателям значительно превосходит обычную лопаточную паровую турбину.

ПВМ является перспективной основой для создания мини-ТЭЦ, особенно в районах Крайнего Севера и в районах к ним приравненных. Здесь возможна замена отопительных и производственных котельных и дизельных электростанций на мини-ТЭЦ, использующие местные топливные ресурсы: уголь, торф, отходы лесопереработки.

Устройство и принцип действия ПВМ

ПВМ является машиной объемного действия. В корпусе вращаются рабочие органы — винты роторов (рис. 1). Роторы выполнены из стали, на них нарезаны винты асимметричного профиля. Синхронизирующие шестерни, установленные на роторах, исключают возможность касания профилей винтов друг с другом. Выходной вал ведущего ротора соединен с электрогенератором (подробнее о конструкции ПВМ см. «НТ» № 2, 2006 г. — прим. ред.).

Принцип действия ПВМ показан на рис. 2. Пар высокого давления из котла поступает в ПВМ через впускное окно в корпусе с одного торца роторов. После заполнения паром канавки между зубьями происходит отсечка пара, и при дальнейшем вращении роторов в канавке (парной полости) происходит объемное расширение порции пара. В конце расширения канавка сообщается с выпускными окнами в корпусе на другом торце роторов. Отработанный пар поступает в тепловую сеть для нужд технологии или для отопления.

Технические преимущества ПВМ перед лопаточной паровой турбиной:

■ высокий КПД расширения (0,7-0,75) в широком диапазоне режимов (конденсат, образующийся при расширении пара, заполняет зазоры между рабочими органами, тем самым, уменьшая протечки пара и повышая КПД);

■ простота конструкции, высокая ремонтопригодность;

■ высокий межремонтный ресурс обусловлен отсутствием взаимного касания роторов и соответственно отсутствием механического износа;

■ ПВМ может работать на паре любой влажности, в то время как минимальная степень сухости пара на выходе лопаточных турбин составляет 88%. Влажный пар вызывает эрозионный износ лопаток. Как известно, у подавляющего большинства котлов малой производительности отсутствуют пароперегреватели, поэтому этими котлами вырабатывается сухой насыщенный пар. При расширении его в проточной части турбины степень сухости падает, что создает опасность преждевременного выхода установки из строя;

■ неприхотливость к качеству пара, наличию в нем частиц окалины, грязи;

■ габариты и масса ПВМ меньше, чем у лопаточной турбины аналогичной мощности. Это важно при размещении ПВМ в действующем здании котельной;

■ высокая маневренность при изменении режима работы, быстрый пуск и останов;

■ высокая эксплуатационная надежность и безопасность при возникновении аварийной ситуации.

Основное отличие энергоустановок с ПВМ от имеющихся на рынке паротурбинных энергоустановок заключается в следующем. Паротурбинные установки спроектированы практически на одно единственное сочетание расхода и давлений пара на входе в машину и на выходе из нее. Данное сочетание условий по пару определяет мощность машины. В то же время условия по пару в различных котельных могут существенно различаться и с течением времени меняться, поэтому маловероятно, чтобы они совпали с расчетными условиями работы машины.

Конструкция ПВМ позволяет в широком диапазоне приспосабливаться к условиям работы конкретной котельной и, как следствие, может покрывать весь наиболее часто встречающийся диапазон мощности от 200 до 1500 кВт. Данное обстоятельство значительно расширяет область применения ПВМ.

В таблице приведены параметры пара (давление на впуске ПВМ, на выпуске, расход) наиболее часто встречающиеся в котельных различных предприятий, а также мощность, которую можно получить с помощью ПВМ при этих параметрах.

Каждое такое сочетание режимных параметров пара определяет мощность ПВМ. Оптимальная настройка конструкции ПВМ на определенное сочетание параметров пара осуществляется за счет подбора в широком диапазоне соответствующих конструктивных параметров ПВМ при единой базовой конструкции машины, которая определяется литейными моделями корпуса. Таким образом, ПВМ способна выработать мощность, как было указано выше, в диапазоне 2001500 кВт в любой котельной, имеющей пар с параметрами, указанными в таблице.

Энергоустановка с ПВМ может использоваться для автономного режима работы, для режима работы параллельно сети, а также для привода исполнительных механизмов (например, водяных насосов). При работе в параллельном режиме энергоустановка работает на электрическую сеть предприятия, покрывая часть его собственных нужд в электроэнергии и уменьшая тем самым ее потребление из сети. При этом обороты и частота переменного тока энергоустановки жестко привязаны к частоте сети. Мощность установки определяется перепадом давления и расходом пара через машину и регулируется дроссельным клапаном на входе в ПВМ.

ПВМ рассчитана на достаточно низкий уровень технического обслуживания, поскольку эксплуатация ее проводится персоналом котельной.

Дополнительно следует отметить некоторые требования к энергетической установке с ПВМ, выполнение которых позволит повысить конкурентоспособность данного оборудования.

1. Система автоматического управления и защиты ПВМ, основанная на микропроцессорной технике, должна учитывать различный технический уровень приборного оснащения котельных, допускать возможность работы совместно с современными АСУ ТП на базе персональных компьютеров, а также работать автономно в котельной с морально устаревшими КИП.

2. Работа ПВМ в год должна составлять не менее 6500 ч из имеющихся 8760 ч с учетом необходимого технического обслуживания оборудования котельной и перерывов в подаче пара.

В мае 2007 г. предприятием ЗАО «Эко-Энергетика» совместно с СПбГПУ была внедрена паровая винтовая турбина с мощностью асинхронного генератора 1000 кВт в производственной котельной ОАО «НПФ «Пигмент» (рис. 3). В настоящее время машина находится в опытнопромышленной эксплуатации в условиях реального производства, вышла на максимальную проектную мощность и показала свою работоспособность и эффективность.

При условии обеспечения расхода пара для технологических и отопительных нужд выдача активной электрической мощности в сеть предприятия колебалась от 320 до 808 кВт, среднечасовая мощность составила 563,3 кВт, общая наработка — 5 тыс. ч, а стоимость выработанной электроэнергии — 0,21 руб./кВт . ч. Расчетный срок окупаемости установки составляет 18 мес. при годовой наработке 6 тыс. ч и средней мощности 600 кВт.

Таблица. Рабочие характеристики ПВМ в зависимости от параметров пара в котельной.

Электрическая система отбора мощности энергоустановки при параллельной работе с сетью показала свою высокую надежность. Выдача энергии в электрическую сеть не оказывает дестабилизирующего влияния на сеть. Со стороны энергоснабжающей организации никаких претензий не было.

Получение от ОАО «Ленэнерго» ТУ на подключение энергоустановки в режиме работы параллельно с электрической сетью проходило по упрощенной схеме в связи с тем, что в состав энергоустановки входит асинхронный генератор (АГ).

Асинхронный генератор является обращением обычного серийного асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора. Если энергоустановка с ПВМ предназначена для параллельной работы с сетью, то целесообразно применять АГ, который по сравнению с системой ПВМ — синхронный генератор (СГ) обладает рядом преимуществ:

Читать еще:  Что то стучит в двигатели при повышении оборотов

■ отсутствует дорогая и сложная система синхронизации генератора с сетью;

■ значительно упрощается электросиловая часть установки, уменьшается количество релейных защит генератора, т.к. АГ практически не генерирует токов короткого замыкания в энергосистему;

■ АГ не влияет на частоту и форму синусоиды электрических колебаний сети;

■ у АГ отсутствует регулятор возбуждения генератора, а у СГ обязательно наличие устройств возбуждения (теристорное или бесщеточное);

■ АГ обладает меньшими габаритами по сравнению с СГ аналогичных параметров, что позволяет сохранить важную концепцию «малости» энергоустановки с ПВМ;

■ АГ в серийном исполнении в три раза дешевле СГ с аналогичными параметрами, поэтому использование АГ значительно снижает стоимость всей энергоустановки, и, как следствие, сокращает срок окупаемости оборудования.

Предприятия, имеющие собственные котельные, обычно заинтересованы в приобретении эффективного и быстроокупающегося паросилового электрогенерирующего оборудования по следующим причинам.

1. Высокие цены на электроэнергию, обусловленные тем, что в сетевой тариф заложены дополнительные расходы на эксплуатацию и амортизацию сетей, НДС, прибыль и др. Собственное производство электроэнергии в котельной приводит к некоторому увеличению расхода топлива, однако это окупается низкой стоимостью получаемой электроэнергии, обычно в 4-5 раз дешевле, чем из сети.

2. Вероятность отключения электроснабжения, особенно для предприятий низкой категории электроснабжения. Этот фактор часто значит не меньше (а во многих случаях и больше), чем экономия затрат на оплату электроэнергии.

Расчет экономической эффективности применения ПВМ в котельной показывает, что удельный расход топлива на выработанную электроэнергию составляет 140-145 г у.т./кВт.ч, а срок окупаемости энергоустановки мощностью 800 кВт составляет 1-1,5 года. При увеличении мощности эффективность ПВМ еще больше повышается.

1. ПВМ может эффективно применяться для производства электроэнергии в котельных при срабатывании перепада давления пара. Собственное производство электроэнергии в котельной, переоборудованной в мини-ТЭЦ, в несколько раз дешевле, чем покупаемая у электроснабжающей организации. Это объясняется тем, что владелец собственной мини-ТЭЦ не оплачивает расходы на содержание энергосетей, накладных расходов, НДС и плановой прибыли.

2. ПВМ, как паровой двигатель, в диапазоне мощности 200-1500 кВт обладает значительными техническими преимуществами перед паровой турбиной по эффективности, габаритам, стоимости, надежности и безопасности.

3. Для различных условий по пару, определяющих различную мощность ПВМ, используется единая базовая модель машины с соответствующей настройкой на условия конкретной котельной.

4. В процессе роста цен на электроэнергию (0,03-0,05 долл. США/кВт.ч) и приближению их к мировому уровню (0,09-0,12 долл. США/кВт.ч) собственное производство энергии станет более рентабельным.

распечатать | скачать бесплатно Паровая винтовая машина как средство энергосбережения, С.Р. Березин, В.М. Боровков, В.И. Ведайко, А.И. Богачева , Источник: Журнал «Новости теплоснабжения» №7 (107), 2009 г.,
www.ntsn.ru

скачать архив.zip(72 кБт)

Словарь

забойный двигатель относиться к объемным роторно-вращательным гидромашинам (гидростатического действия). Предназначен для бурения скважин и проведения ремонтно-восстановительных работ в эксплуатационных колоннах долотами соответствующего диаметра с использованием в качестве рабочей жидкости (в основном) технической воды или буровых растворов. Данный тип гидравлической машины разработан в 60-ые годы одновременно в СССР и США.

элемент КНБК. Предназначен для разобщения бурильной колонны ниже места его установки и препятствует шламованию двигателя при опускании в скважину. Устанавливается выше винтового забойного двигателя. При использовании совместно с переливным клапаном обратный клапан в КНБК размещается ниже переливного.

элемент КНБК (деталь элементов КНБК, в т.ч. ВЗД, ТБ, ФД и др.). Предназначен для соединения между собой частей бурильной колонны и присоединения к ней инструмента, применяемого при бурении скважин. Переводники выпускаются следующих типов: П -переходные; М — муфтовые; Н — ниппельные.

Переливной клапан (КП) – элемент КНБК. Предназначен для заполнения и опорожнения бурильной колонны при спуско-подъемных операциях. Устанавливается выше винтового забойного двигателя. При использовании совместно с обратным клапаном переливной клапан в КНБК размещается выше обратного.

деталь винтового забойного двигателя. Предназначена для предотвращения осложнений на забое в случае слома деталей ВЗД.

деталь секции рабочих органов ВЗД. Ротор изготовлен из стали с наружными винтовыми зубьями левого направления левого направления с упроченной рабочей поверхностью (в основном методом хромирования). См. секция рабочих органов.

(двигательная секция, рабочая пара, рабочие органы) — основной элемент ВЗД. Предназначен для создания крутящего момента на породоразрушающий инструмент (к примеру на долото). Секция рабочих органов состоит из статора и ротора имеющих винтовую рабочую поверхность. Ротор имеет на один наружный винтовой зуб меньше чем статор. Шаги винтовых линий зубьев ротора и статора пропорциональны числу зубьев. Ось ротора смещена относительно оси статора на величину эксцентриситета е, равную половине высоты зуба. За счет специального профиля зубьев обеспечивается непрерывный контакт между поверхностями ротора и статора, что является принципиальной основой рабочего процесса винтового двигателя. Под действием неуравновешенных гидравлических сил ротор двигателя совершает планетарное движение, обкатываясь по зубьям статора: ось ротора движется вокруг оси статора против часовой стрелки по окружности радиуса «е», а сам ротор поворачивается по часовой стрелке. За счет разности в числах зубьев происходит редуцирование частоты вращения ротора: за один полный оборот ротора по часовой стрелке происходит столько оборотов его оси относительно оси статора против часовой стрелки, сколько имеется зубьев на роторе (например шесть для пары с заходностью 6/7 и т.д.).

Один из основных элементов ВЗД. Предназначена для передачи крутящего момента и осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент (к примеру на долото). Воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку от секции рабочих органов, а также радиальные нагрузки от долота и шарнирного соединения (торсиона). Шпиндельная секция содержит корпус, переводник с регулируемым углом искривления (или прямо переводник) для соединения корпуса шпинделя со статором, торсион шарнирный (или торсион в виде гибкого вала), вал шпинделя, осевую опору, верхнюю и нижнюю радиальные опоры.

деталь секции рабочих органов ВЗД. Статор выполнен в виде стального корпуса с концевыми резьбами и привулканизированной внутри резиновой обкладкой (эластомером) с внутренними винтовыми зубьями левого направления. См. секция рабочих органов.

Деталь винтового забойного двигателя, выполненная из специального титанового сплава. Предназначен для соединения ротора секции рабочих органов с валом шпиндельной секции в современных ВЗД в том числе с регулируемым углом искривления. Применяется как альтернатива торсиону шарнирному.

Деталь винтового забойного двигателя. Предназначен для соединения ротора секции рабочих органов с валом шпиндельной секции в двигателях для вертикального бурения (в прямом исполнении) и в двигателях для ремонта скважин. Выполнены в основном из стали с концевыми конусами.

Деталь винтового забойного двигателя. Предназначен для соединения ротора секции рабочих органов с валом шпиндельной секции в современных ВЗД с регулируемым углом искривления. Несет на себе основную нагрузку. Помимо передачи крутящего момента и осевой силы воспринимает сложную нагрузку от секции рабочих органов, возникающую при планетарном движении ротора.

Забойный двигатель относиться к динамическим роторно-вращательным гидромашинам (гидродинамического дейтсвия). Предназначен для бурения скважин преимущественно на нефть и газ. На первом этапе турбинного бурения (1924—34) применялся Т., изобретённый в СССР в 1922 М. А. Капелюшниковым совместно с Н. А. Корневым и С. М. Волохом.

Фильтр двигателя (ФД) – элемент КНБК. Предназначен для установки его над гидравлическим двигателем и служит для фильтрации, содержащихся в буровом растворе, твердых частиц определенного размера, тем самым обеспечивает существенное увеличение ресурса винтового забойного двигателя.

Шпиндель винтового забойного двигателя

Используется в винтовых забойных двигателей (ВЗД) для бурения нефтяных и газовых скважин. Шпиндель ВЗД включает корпус, вал, многоступенчатую резинометаллическую осевую опору, верхнюю и нижнюю радиальные опоры. Многоступенчатая резинометаллическая осевая опора выполнена в виде демпфера, включающего подпятники с эластичными элементами, прочно связанными с корпусом и втулкой подпятника. Эластичные элементы подпятников в каждой ступени расположены между дисками с предварительным поджатием по торцам. Многоступенчатая резинометаллическая осевая опора установлена между верхней радиальной опорой скольжения повышенной жесткости, выполненной из металла, и нижней радиальной опорой, выполненной комбинированной и включающей радиальную опору скольжения повышенной жесткости в сочетании с ниже расположенной резинометаллической радиальной опорой скольжения. Обеспечивает повышение надежности и работоспособности. 2 ил.

Предлагаемая полезная модель относится к буровой технике, а именно к конструкции шпиндельной секции для винтовых забойных двигателей, применяемых при бурении нефтяных и газовых скважин.

Использование шпинделей с многоступенчатой осевой опорой для винтовых забойных двигателей известно давно. Шпиндель предназначен для передачи вращающего момента с рабочего органа винтового забойного двигателя и осевой нагрузки на долото. Основным недостатком шпинделя является отсутствие надежных устройств для погашения динамических нагрузок от долота в процессе бурения на осевую опору шпинделя, шарниры и рабочие органы винтового забойного двигателя.

Для производительной работы долота необходимо передать на забой от рабочих органов значительные по величине мощность и вращающий момент при ограниченном наружном диаметре винтового забойного двигателя. В результате анизотропности разрушаемых пород, наличия неровностей забоя и зубчатой поверхности шарошек долота, последнее вместе с винтовым забойным двигателем подвержены интенсивным осевым вибрациям и крутильным колебаниям, что приводит к значительным перегрузкам всех элементов шпинделя, шарниров и рабочих органов двигателя.

Читать еще:  Аэрация масла в двигателе что это

В этих условиях надежность и долговечность винтового забойного двигателя, включая шпиндель, может быть обеспечена только при использовании в его конструкции многоступенчатой комбинированной осевой опоры с равномерным распределением осевой нагрузки по ступеням и амортизирующими способностями для подавления вибраций, крутильных колебаний и, следовательно, снижении динамических нагрузок на шпиндель.

Известен шпиндель забойного двигателя (RU, патент 2183245, Кл. 7 Е21В 4/02, 2002), включающий корпус, вал, осевую и радиальные опоры, и установленный между ними упругий элемент, выполненный в виде двух групп пружинных колец, каждая из которых содержит внутреннее кольцо, закрепленное на валу, и наружное кольцо, закрепленное в корпусе, а осевая опора качения расположена между этими группами пружинных колец. При этом пружинные кольца установлены с кольцевым зазором между собой, а осевая опора выполнена с кольцевыми каналами, обеспечивающими переток смазывающей жидкости между двумя группами пружинных колец. Внутренние и наружные кольца упругого элемента имеют одинаковую жесткость и выполнены с возможностью поджатия с усилием, превышающим осевую нагрузку на шпинделе на 10-15%.

Недостатком данного шпинделя является сложность осуществления предварительной осадки внутренних и наружных пружинных колец с одинаковым усилием, одновременно обеспечивая необходимые амортизирующие свойства упругого элемента исходя из диапазона реальных осевых нагрузок на долото при бурении. Кроме того, предварительное поджатие упругого элемента не оказывает никакого влияния на равномерность распределения нагрузок по рядам осевой опоры, которое зависит только от точности изготовления всех деталей, входящих в состав подшипника качения.

Другим недостатком известного шпинделя является то, что упругий элемент осевой опоры находится постоянно под осевой нагрузкой сжатия, близкой к осевой нагрузке на шпиндель при бурении, тем самым снижается упругая податливость внутренних и наружных пружинных колец и, следовательно, эффективность гашения виброударов, передаваемых от долота.

Известна многоступенчатая комбинированная осевая опора шпинделя турбобура (RU, патент 258786, Кл. Р16с 21/00, 1969), ступени которой содержат упорный подшипник качения и дополнительный подшипник скольжения, взаимодействующий с кольцами подшипника качения, ограничивая перемещение вала шпинделя, а также расположенным между подшипниками скольжения и качения элементом, закрепленным на валу шпинделя, позволяющим равномерно распределить осевую нагрузку в упорных подшипниках качения по ступеням.

Недостатком известной многоступенчатой комбинированной осевой опоры шпинделя является отсутствие устройства, эффективно снижающего динамические нагрузки на корпусные детали шпинделя, соединительные элементы и рабочие органы винтового забойного двигателя, а также сложность и многодетальность конструкции.

При использовании аналогичных многорядных подшипников качения с тороидальными дорожками и резиновыми компенсаторами (Винтовые забойные двигатели / Балденко Д.Ф., и др. М.: Недра, 1999. С.61) в шпинделе винтового забойного двигателя для восприятия осевых нагрузок не достигнуто приемлемой долговечности в сравнении с применяемыми упорно радиальными подшипниками качения и многорядным резинометаллическими опорами скольжения, как не обеспечивающие в достаточной степени демпфирование динамических нагрузок.

Известна многоступенчатая осевая опора шпинделя (RU, патент 2277189, Кл. F16C 27/06, 2006), состоящая из наружных и внутренних колец, дисков и подпятников с эластичными элементами, причем эластичные элементы подпятников в каждой ступени осевой опоры установлены между торцами дисков с возможностью предварительного сжатия по торцам.

Такая многоступенчатая осевая опора шпинделя имеет достаточную несущую способность при равномерном распределении осевой нагрузки по ступеням. Кроме того, многоступенчатая осевая опора без зазоров на ее рабочих поверхностях и консольном расположении эластичных элементов относительно корпусов подпятников является также демпфером, воспринимающим ударные нагрузки от долота при бурении забойным двигателем.

Для повышения долговечности известной многоступенчатой осевой опоры шпинделя необходимо снизить влияние поперечных вибраций, возникающих вследствие обкатки ротора по зубьям статора и передаваемых через приводной узел, вал шпинделя и диски на эластичные элементы подпятников, которые испытывают дополнительные радиальные нагрузки, снижающие нагрузочные характеристики многоступенчатой осевой опоры шпинделя в условиях сложнонапряженного состояния материала эластичных элементов.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является шпиндель забойного двигателя (RU, патент 2011776, Кл. 5 Е21В 4/00, 1994), включающий корпус, размещенный внутри корпуса вал, осевую и радиальные резинометаллические опоры, причем одна из радиальных опор выполнена в виде двух втулок и двух дисков, между которыми установлен упруго цилиндрический элемент из износостойкого материала с низким коэффициентом трения с завулканизированной внутри пружиной сжатия. Установка упругого цилиндрического элемента в шпинделе обеспечивает одностороннее поджатие рабочих поверхностей дисков и подпятников осевой опоры.

Недостатком прототипа является то, что вне зависимости от направления действия осевой нагрузки, при постоянном одностороннем поджатии рабочих поверхностей дисков и подпятников осевой опоры за счет деформации упругого элемента между дисками осевая опора не обладает достаточной износостойкостью пар трения диск-подпятник в связи с неравномерным распределением нагрузок по ступеням резинометаллической осевой опоры (Расчет, конструирование и эксплуатация турбобуров / Гусман М.Т. и др. М.: Недра, 1976. С.225-227). Кроме того, изобретение не обеспечивает снижения динамических нагрузок на шпиндель, подавления вибраций при бурении и повышения срока службы шпинделя в связи с тем, что по мере износа торцов упругого элемента и сопряженных дисков, а также износа дисков и подпятников осевой опоры, усилие сжатой пружины и зона упругой деформации упругого цилиндрического элемента будут уменьшаться с одновременным снижением эффективности гашения ударных нагрузок.

Техническая задача, решаемая в предлагаемой полезной модели, заключается в повышении надежности и работоспособности шпинделя винтового забойного двигателя.

Технический результат от использования предлагаемой полезной модели определяется значительным подавлением вибраций и снижением динамических нагрузок на шпиндель путем оптимального распределения знакопеременной осевой нагрузки на поверхности пар трения в условиях упругой податливости многоступенчатой осевой опоры шпинделя, что обеспечивает амортизацию динамических составляющих осевой нагрузки вследствие одновременного их восприятия всеми ступенями осевой опоры и поперечных вибраций радиальными опорами.

Решение поставленной задачи заключается в том, что шпиндель винтового забойного двигателя, включающий корпус, размещенный внутри корпуса вал, многоступенчатую резинометаллическую осевую опору, в которой рабочие поверхности дисков и подпятников находятся под односторонним поджатием друг к другу, верхнюю и нижнюю радиальные опоры, согласно полезной модели многоступенчатая резинометаллическая осевая опора выполнена в виде демпфера, включающего подпятники с эластичными элементами, прочно связанными с корпусом и втулкой подпятника, причем эластичные элементы подпятников в каждой ступени расположены между дисками с предварительным поджатием по торцам, при этом многоступенчатая резинометаллическая осевая опора установлена между верхней радиальной опорой скольжения повышенной жесткости, выполненной из металла, и нижней радиальной опорой, выполненной комбинированной, включающей радиальную опору скольжения повышенной жесткости в сочетании с ниже расположенной резинометаллической радиальной опорой скольжения.

На фиг.1 показан продольный разрез шпинделя винтового забойного двигателя.

На фиг.2 показан вариант компоновки многоступенчататой резинометаллической осевой опоры с радиальной и комбинированной радиальной опорами.

Шпиндель винтового забойного двигателя (фиг.1) содержит корпус 1, вал 2, многоступенчатую резинометаллическую осевую опору 3, верхнюю радиальную опору повышенной жесткости 4, комбинированную радиальную опору 5, колпак 6. На валу 2 установлена муфта 7. Для предотвращения потери долота в случае поломки вала 2 в шпинделе предусмотрено устройство, выполненное в виде противоаварийного уступа 8 на валу 2 и ответного противоаварийного уступа 9, выполненного на колпаке 6 шпинделя, которые вступают во взаимодействие при подъеме двигателя из скважины.

Многоступенчатая резинометаллическая осевая опора (фиг.2) содержит подпятник 10, состоящий из корпуса 11, втулки 12 с закрепленным между ними эластичным элементом 13, диск 14, кольцо корпуса 15, кольцо вала 16. В состав комбинированной радиальной опоры 5 входит радиальная опора повышенной жесткости 17 и резинометаллическая радиальная опора 18.

В процессе бурения скважин долотами с зубчатой поверхностью шарошек осевая опора шпинделя подвержена интенсивным осевым вибрациям. Кроме того, при работе винтового забойного двигателя через приводной вал, расположенный под углом к оси шпинделя от ротора двигателя передаются дополнительные радиальные нагрузки и поперечные колебания на радиальные опоры и эластичные элементы подпятников, что способствует интенсивному их износу.

При установке в шпинделе многоступенчатой резинометаллической осевой опоры в совокупности с радиальными опорами и возможностью равномерного распределения осевых нагрузок между упруго эластичными элементами подпятников в каждой ступени путем консольного закрепления их между корпусам и втулкой в каждом подпятнике, осевая опора за счет ее способности к амортизации, может обеспечить снижение динамических нагрузок на шпиндель, подавление как продольных, так и поперечных вибраций, что позволит увеличить срок службы шпинделя, повысить скорость бурения и качество проводки ствола скважины. При больших ударных нагрузках упруго эластичные элементы подпятников с постоянным поджатием к дискам выполняют роль демпфера, значительно погашая силу ударов от долота, действие импульса силы смягчается, а распространение импульса по ступеням в осевой опоре постепенно затухает по сравнению с достаточно жесткой резинометаллической осевой опорой любого типа. Энергия удара постепенно поглощается благодаря упругой податливости эластичных элементов подпятников, при этом многократно снижается размах колебаний напряжений в материале вала и элементах многоступенчатой резинометаллической осевой опоры. Это позволяет увеличить надежность и долговечность всего винтового забойного двигателя.

Читать еще:  В чем разница двигателя втек не втек

Шпиндель винтового забойного двигателя, включающий корпус, размещенный внутри корпуса вал, многоступенчатую резинометаллическую осевую опору, в которой рабочие поверхности дисков и подпятников находятся под односторонним поджатием друг к другу, верхнюю и нижнюю радиальные опоры, отличающийся тем, что многоступенчатая резинометаллическая осевая опора выполнена в виде демпфера, включающего подпятники с эластичными элементами, прочно связанными с корпусом и втулкой подпятника, причем эластичные элементы подпятников в каждой ступени расположены между дисками с предварительным поджатием по торцам, а многоступенчатая резинометаллическая осевая опора установлена между верхней радиальной опорой скольжения повышенной жесткости, выполненной из металла, и нижней радиальной опорой, выполненной комбинированной и включающей радиальную опору скольжения повышенной жесткости в сочетании с нижерасположенной резинометаллической радиальной опорой скольжения.

Что такое рабочая пара винтового двигателя


ПЕРСПЕКТИВЫ РОТАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Вадим Георгиевич Некрасов

В журнале за 2009 г. № 4 была опубликована статья И.С. Пятова «Детандеры объемного типа». В редакционном примечании сообщалось, что отзывы по данной теме будут приветствоваться. Кроме того, редакция выражала готовность способствовать контакту заинтересованных сторон как для продолжения дискуссии по теме, так и для организации промышленного применения роторных машин. В порядке ответа на такое предложение автор приводит здесь свои взгляды на поднятую проблему.

Поршневые двигатели, как известно, появились еще в XVIII веке в виде паровых машин, а XIX век вообще считается веком паровых машин. В середине XIX века на смену паровым машинам появились двигатели внутреннего сгорания. Но в ДВС цилиндр и поршень остались основными элементами, обеспечивающими преобразование потенциальной энергии газа под давлением в движение поршня, т.е. в механическую энергию, преобразуемую далее во вращательное движение вала двигателя.

Но поршневая схема двигателя имеет существенные недостатки. Поршень совершает периодическое возвратно-поступательное движение, появляются инерционные силы, требуется механизм преобразования движения. Это было выяснено с самого начала появления поршневых машин. И в то же самое время начался поиск более рациональной схемы — коловратных машин или, по современной терминологии, ротационных машин. Имеются десятки патентов на схемы ротационных паровых машин, которые начали регистрироваться с 1765 г. и продолжают появляться до последних лет.

Следует отметить, что работоспособная паровая машина ротационного принципа все же была создана, но уже в ХХ веке. Это винтовая машина. Винтовые компрессоры с рабочим органом типа винтового модуля Лисхольма были разработаны в тридцатых годах ХХ века. В последние годы ХХ века винтовые компрессоры разных типоразмеров стали выпускать много фирм. Но винтовая машина, как всякая объемная машина, обратима. На основе винтовых модулей были созданы винтовые двигатели, работающие на водяном паре. Имеется даже производственная компания, которая занимается монтажом таких винтовых агрегатов.

Здесь следует отметить, что степень расширения винтовых машин небольшая — при начальном давлении пара 1,3 МПа на выходе он имеет давление 0,5. 0,6 МПа. Температура тоже ограничена, не более 250. 300 °С. Есть опыт последовательного включения двух винтовых машин для ступенчатого расширения пара. Но он пока единичный и не получил распространения. Следовательно, пока рано считать, что применение ротационных расширительных машин даже на водяном паре — вопрос решенный.
Необходимо сделать еще одно замечание. Здесь не рассматриваются паровые и газовые турбины. Это ротационные, но не объемные, а лопаточные машины, преобразующие кинетическую энергию газа в механическую мощность. Они эффективны только при больших мощностях, когда объемы газов большие. При мощности порядка 100 кВт требуется применение объемных машин. К ним и возвращаемся.

Многочисленные попытки выполнить ротационную расширительную машину, но уже в роли двигателя внутреннего сгорания, не прекращаются и сейчас, о чем свидетельствуют многочисленные публикации и патенты со схемами и даже фотографиями работающих моделей с многообещающими показателями. Но реально успехи далеко не такие. Из всех вариантов роторных машин на практике показала возможность реального выполнения двигателя схема на основе трохоидального принципа.

Трохоида — плоская кривая, представляющая собой траекторию точки, связанной с окружностью, катящейся без скольжения по прямой. При направляющей, отличающейся от прямой, образуется серия различных вариантов трохоид.

В настоящее время известен только один тип двигателя такого типа, это роторно-поршневой двигатель Ванкеля. В нем внутренняя поверхность корпуса имеет форму эпитрохоиды. Внутри расположен трехгранный ротор; за один оборот ротора в разных частях статора совершаются процессы четырехтактного цикла, включающие впуск воздуха, его сжатие, сгорание топлива и расширение газов, а также выпуск отработавших газов.

Появились также предложения по конструкции роторных компрессоров трохоидального типа. Разработан и применен в разработках АМО «ЗИЛ» и НАМИ ротационный компрессор трохоидального типа. В этих компрессорах процесс проще, происходит только впуск и сжатие с выпуском сжатого воздуха. Поэтому статор такого компрессора выполняется по кардиоиде, одной из разновидностей трохоид, а ротор имеет чечевицеобразную симметричную форму с двумя вершинами, контактирующими с внутренней поверхностью статора машины. При вращении вала ротор совершает планетарное движение, т.е. вращается при одновременном перемещении центра вращения по круговой орбите. За счет этого ротор разделяет объем статора на две полости, объем одной из них при вращении ротора увеличивается, обеспечивая впуск воздуха, а объем второй полости при этом сокращается, производя сжатие воздуха и выталкивание его в выпускной канал. За один оборот вала ротор совершает половину оборота, возвращаясь в исходное положение, но в перевернутом виде.

Велись работы и по разработке расширительных машин роторного типа трохоидальной конструкции, в частности, в НАМИ, ВНИИМотопром, РПД ВАЗ. Сообщалось, что их к.п.д. превышал 0,7. Но, по имеющейся информации, это были двигатели по схеме Ванкеля, т.е. совмещавшие в себе и компрессор, и детандер одновременно.

Применение автономного компрессора и отдельно расширительной машины позволяет реализовать двигатель по циклу Брайтона, при котором сжатие воздуха производится в отдельном компрессоре, затем воздух поступает в камеру сгорания, откуда газы направляются на расширительную машину. Сегодня понятие цикла Брайтона применяют к принципу работы газотурбинных установок с лопаточными машинами как для компрессора, так и для расширительной части — турбины. Но газотурбинные установки эффективны при больших мощностях. Цикл Брайтона применим и для объемных машин. При применении объемных машин ротационного типа эффективность существенно возрастает. Прецедент подобного решения имеется. Двигатель по циклу Брайтона на основе объемных ротационных машин трохоидального типа, исследован в Техасском университете в США. Эффективность такого двигателя на основе трохоидальных машин оценивают величиной 64%, что существенно выше, чем у дизельных турбокомпаундированных двигателей.

В настоящее время применение альтернативного топлива на основе азотных соединений считается перспективным направлением. Азотное топливо — это раствор смеси химических соединений, содержащих как горючий компонент, так и окислитель. Это монотопливо (унитарное топливо); оно по-существу относится к веществам типа пороха. Отличие состоит в том, что это водный раствор, то есть не обычный, а «жидкий порох».

Для реагирования азотного топлива необходимо создать в реакционной камере соответствующие условия — давление и температуру. Поскольку воздух для реагирования не требуется весь двигатель состоит из топливного насоса, реакционной камеры и расширительной машины. Термический к.п.д. азотного топлива существенно выше, чем для углеводородного топлива ввиду отсутствия необходимости сжатия воздуха и высокой степени расширения газов. Применение в качестве расширительной машины детандера трохоидального типа с высоким механическим к.п.д. позволит получить высокую эффективность всего цикла.

Двигатели на монотопливе существуют, на нем работают двигатели американских и российских торпед, но пока это двигатели обычной конструкции известных типов: либо поршневые, либо газотурбинные. Монотопливо для гражданского применения использовано в промышленных условиях в нефтяной промышленности для разогрева высоковязкой нефти непосредственно в пласте залегания на глубине 900 м. Камера сгорания для монотоплива в этом случае полностью идентична таковым для двигательных установок.

Из проведенного анализа следует, что применение расширительной машины (детандера) ротационного типа трохоидной конструкции, обладающей более высокими технико-экономическими показателями по сравнению с поршневым вариантом, в составе двигателя, работающего на азотном топливе, обеспечит высокий эффективный к.п.д.

Исходя из этого можно считать целесообразным конструирование и выполнение ротационного детандера трохоидного типа для применения его в качестве расширительной машины для двигателей на азотном топливе. Такая расширительная машина возможна и в составе двигателей, работающих на углеводородном топливе, при их выполнении по циклу Брайтона, если снабдить двигатель воздушным компрессором. Применение компрессора ротационного типа тоже не исключается.

В настоящее время творческий коллектив, занимающийся освоением азотного топлива, проводит исследование сгорания монотоплива в реакционных камерах импульсного типа и постоянного давления.
Следующим этапом реализации комплексного двигателя с высокими технико-экономическими и экологическими показателями должна стать разработка конструкции и выполнение расширительной машины. Из проведенного анализа следует, что наилучшими перспективами обладает детандер трохоидальной формы.

Мы готовы организовать тесное сотрудничество со специалистами и организациями, имеющими опыт в разработке объемных машин такого типа .

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector