Патент на изобретение №2161359

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2161359 (13) C1
(51) МПК 7
H02K9/08, H02K9/10
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 27.05.2011 – прекратил действие

(21), (22) Заявка: 2000103809/09, 15.02.2000

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

15.02.2000

(45) Опубликовано: 27.12.2000

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
ТИТОВ В.В., ХУТОРЕЦКИЙ Г.М. и др. Турбогенераторы – Л.: Энергия, 1967, с.21, 74-82, 111-117. SU 570154 A, 14.09.1977. SU 492972 A, 08.04.1976. SU 703882 A, 25.06.1979. SU 1203649 A, 07.01.1986. SU 1125708 A, 23.11.1984. EP 0080299 A1, 01.08.1983. GB 1292187 A, 11.10.1972.

Адрес для переписки:

450005, г.Уфа, ул. Революционная, д.167/3, кв.17, Цирельману Н.М.

(71) Заявитель(и):

Цирельман Наум Моисеевич,
Цирельман Евгений Наумович,
Цирельман Виталий Наумович

(72) Автор(ы):

Цирельман Н.М.,
Цирельман Е.Н.,
Цирельман В.Н.

(73) Патентообладатель(и):

Цирельман Наум Моисеевич,
Цирельман Евгений Наумович,
Цирельман Виталий Наумович

(54) СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРА


(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и энергомашиностроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации турбогенераторов и иных нуждающихся в охлаждении электрических машин. Техническая задача данного изобретения состоит в энерго- и ресурсосбережении при производстве и эксплуатации турбогенератора, а также в повышении надежности их работы. Сущность изобретения состоит в том, что согласно данному способу охлаждение турбогенератора газообразной средой осуществляют отвод тепла от тепловыделяющих элементов турбогенератора. Причем в качестве охлаждающей среды используют природный газ с температурой (-30°С) – (+20°C), который под избыточным давлением напрямую через вентиляционную сеть турбогенератора подают к горелкам топок, и осуществляют при его движении отвод тепла от тепловыделяющих элементов конструкции турбогенератора.


Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации турбогенераторов и иных нуждающихся в охлаждении электрических машин.

Известны способы охлаждения турбогенераторов циркулирующим в замкнутом контуре газообразными воздухом, техническим водородом (97% водорода и 3% воздуха) и чистым водородом [Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. – Л.: Энергия, 1967. С. 19-22, С. 70-81, С. 111-117].

Недостатками всех известных способов охлаждения турбогенераторов являются уменьшение вырабатываемой ими мощности из-за недостаточного охлаждения тепловыделяющих элементов их конструкции (статора, обмоток статора, ротора и др.) и выброс в окружающую среду отводимого от них тепла, количество которого может достигать 5% от вырабатываемой мощности. При использовании способов необходимы теплообменники для охлаждения газообразных воздуха, технического водорода или чистого водорода, вентиляторы для их циркуляции внутри турбогенератора и насосы для перекачивания воды, затраты энергии на их привод, что усложняет и утяжеляет конструкцию турбогенератора, делает его эксплуатацию менее надежной и менее длительной, более сложной и дорогостоящей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому является способ охлаждения турбогенератора газообразным чистым водородом [Титов В. В. , Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. – Л.: Энергия, 1967. С. 21, 74-82, 111-117].

Он получил самое широкое распространение в современном турбогенераторостроении и состоит в следующем. Внутри турбогенератора с помощью вентилятора организуется циркуляция находящегося под избыточным давлением газообразного чистого водорода. При своем движении газообразный чистый водород омывает тепловыделяющие элементы конструкции турбогенератора и нагревается. В настоящее время все турбогенераторы выполняются с замкнутым циклом охлаждения, так что нагревшийся газообразный чистый водород направляется с помощью уже указанных выше вентиляторов в трубчатые теплообменники, которые почти всегда встраиваются в корпус статора. Газообразный чистый водород омывает снаружи трубки теплообменников, отдает тепло движущейся внутри трубок воде, охлаждается и возвращается в вентиляционную сеть турбогенератора на охлаждение статора, обмоток статора и ротора и др.

Недостатками способа охлаждения турбогенератора газообразным чистым водородом являются уменьшение вырабатываемой им мощности из-за недостаточного охлаждения тепловыделяющих элементов конструкции (статора, обмоток статора, ротора и др. ) и выброс в окружающую среду отводимого от этих элементов тепла. При использовании газообразного чистого водорода необходимы теплообменники для его охлаждения, вентиляторы для циркуляции газообразного чистого водорода внутри турбогенератора и насосы для перекачивания воды, затраты энергии на их привод, что усложняет и утяжеляет конструкцию турбогенераторов, делает их эксплуатацию менее надежной и менее длительной, более сложной и дорогостоящей.

Расчеты интенсивности теплообмена при турбулентном течении в вентиляционной сети турбогенератора основываются на том, что величина коэффициента теплоотдачи при одинаковых диаметрах охлаждающих каналов и скорости движения охладителя пропорциональна комплексу

где и – коэффициенты теплопроводности и кинематической вязкости охладителя; Pr – число Прандтля для охладителя [Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. – Л.: Энергия, 1967. С. 847].

Используя формулу (I), получаем, что для газообразных воздуха, технического водорода и чистого водорода величины соотносятся как 1:1,3:1,44, т. е. применение газообразного чистого водорода дает увеличение коэффициента теплоотдачи на 44% по сравнению с воздушным охлаждением и на 10,8% – по сравнению с охлаждением техническим водородом [Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. – Л.: Энергия, 1967, с. 75]. Однако количество тепла q, отводимое с единицы площади поверхности за единицу времени, характеризующее эффективность способа охлаждения, определяется не только коэффициентом теплоотдачи , но и величиной разности между температурой поверхности тела и температурой охлаждающей среды, т.к. величина q рассчитывается по формуле
q = (tпов-tохл), (2)
где q – плотность теплового потока; tпов и tохл – температура поверхности и температура охлаждающей среды соответственно [Михеев М.А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия. – 1973. С. 67].

В газообразном чистом водороде, который применяют для охлаждения турбогенераторов, содержатся пары воды и если температура поверхности трубок теплообменников-охладителей ниже температуры точки росы, то пары воды конденсируются и капельки влаги вносятся циркулирующим газообразным чистым водородом в вентиляционную сеть турбогенератора. Чтобы избежать это опасное явление, во внутрь трубок охладителей газообразного чистого водорода подают теплую воду и тогда температура их наружной поверхности будет выше точки росы влаги в водороде.

Охладители газообразного чистого водорода для турбогенераторов рассчитываются на температуру входящей воды 33oC, причем перегрев ее в газоохладителе составляет 5-7oC [Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. – Л. : Энергия, 1967, С. 57]. При способе охлаждения газообразным чистым водородом его температура в вентиляционной сети турбогенератора повышается на 20-25oC [Титов В.В., Хуторецкий Г.М. и др. Турбогенераторы. – Л.: Энергия, 1967, С. 54].

Так как средняя температура воды в теплообменнике-охладителе равна [(33+7)+33] /2= 36,5oC, а минимальная разность температуры воды и газообразного чистого водорода в нем не менее 5oC, то в самом благоприятном режиме температура газообразного чистого водорода на входе в турбогенератор равна 36,5+5= 41,5oC. Отсюда следует, что даже при минимальном подогреве в 20oC на выходе из турбогенератора температура газообразного чистого водорода равна 41,5+20=61,5oC, а средняя его температура составляет
tохл = (41,5 + 61,5) = 51,5oC.

Вследствие этого температура статора, обмоток статора и ротора и др. большая и уменьшается вырабатываемая мощность турбогенератора.

Применение газообразного чистого водорода в системе охлаждения турбогенератора достаточно опасно, т. к. концентрационный предел воспламенения газообразного чистого водорода в воздухе лежит в широком диапазоне от 4% до 74% [Хзмалян Д. М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства. – М.: Энергия. – 1976. С. 139].

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, – энерго- и ресурсосбережение при производстве и эксплуатации турбогенераторов, повышение длительности и надежности их работы.

Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения турбогенератора газообразной средой, по которому осуществляют отвод тепла от тепловыделяющих элементов его конструкции, в отличие от прототипа в качестве охлаждающей среды используют природный газ с температурой (-30oC)- (+20oC), который под избыточным давлением напрямую подают через вентиляционную сеть турбогенератора к горелкам топок.

Пример конкретной реализации способа.

Конкретная реализация способа такова: под избыточным давлением напрямую через вентиляционную сеть турбогенератора к горелкам топок подают природный газ с температурой (-30oC)-(+20oC) и осуществляют при его движении отвод тепла от тепловыделяющих элементов конструкции турбогенератора (корпус статора, обмотки статора и ротора и др.).

Расчеты по формуле (I) дают для природного газа коэффициент теплоотдачи на 25,7% меньшим, чем при использовании прототипа. Но этот недостаток природного газа компенсируется тем, что в подаваемом на промышленные предприятия природном газе практически нет паров воды. В любом случае точка росы влаги в пункте сдачи природного газа предприятиями Газпрома РФ ниже его температуры [ГОСТ 5542-87 Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия. – М.: Изд-во стандартов. – 1987. С. 2, п. 1.2.].

Поэтому температура природного газа перед его подачей в вентиляционную сеть турбогенератора и его средняя температура tохл в этой сети может поддерживаться низкой, намного меньшей, чем в прототипе: при температуре природного газа (-30oC)-(+20oC) и минимальном его подогреве в вентиляционной сети на 20oC средняя температура tохл равна (-20oC)-(+30oC) вместо 51,5oC в прототипе. Вследствие этого применение природного газа существенно увеличивает количество тепла, отводимого им от охлаждаемых элементов конструкции турбогенератора, по сравнению с прототипом: в формуле (2) для подсчета величины q сомножитель на 25,7% меньше, а сомножитель tпов – tохл на 150-400% больше, чем в прототипе. При этом температура статора, обмоток статора и ротора и др. становится меньше и увеличивается вырабатываемая турбогенератором мощность. Кроме того, тепло, воспринятое от них природным газом, не выбрасывается в окружающую среду, а вносится в топку котельного агрегата и там полезно используется.

Достичь низкой температуры tохл природного газа очень легко, т.к. он поступает на газораспределительные пункты теплоэлектростанций с избыточным давлением 1,2 и 0,6 МПа, а необходимое его избыточное давление перед горелками топок должно быть равным от 5 до 70 кПа [Роддатис К.Ф. Котельные установки. – М.: Энергия, 1977. С. 155]. Снижение давления газа перед турбогенератором приводит и к снижению его температуры.

Применение природного газа для охлаждения турбогенератора существенно снижает опасность возникновения взрыва и развития пожара при аварии по сравнению с прототипом, поскольку природный газ менее склонен поддерживать горение в смеси с воздухом: концентрационный предел воспламенения природного газа в воздухе лежит в узком диапазоне от 5 до 15% [ГОСТ 5542-87 Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия. – М.: Изд-во стандартов. – 1987. С. 2, п. 1.3.2].

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает энерго- и ресурсосбережение при производстве и эксплуатации турбогенераторов, повышение надежности и ресурса их работы, т.к. при использовании способа охлаждения турбогенераторов природным газом и его подаче напрямую через турбогенератор к топливным горелкам увеличивается вырабатываемая мощность и полезно используется выделяющееся при работе турбогенератора тепло, отпадает потребность в теплообменниках-охладителях, в вентиляторах и водяных насосах и в затратах энергии на их привод, а также уменьшаются затраты на эксплуатацию.

Формула изобретения


Способ охлаждения турбогенератора газообразной средой, по которому осуществляют отвод тепла от тепловыделяющих элементов его конструкции, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей среды используют природный газ с температурой (-30oC) – (+20oC), который под избыточным давлением напрямую через вентиляционную сеть турбогенератора подают к горелкам топок, и осуществляют при его движении отвод тепла от тепловыделяющих элементов конструкции турбогенератора.


MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.02.2004

Извещение опубликовано: 10.01.2005 БИ: 01/2005


Categories: BD_2161000-2161999