Энергетическая установка для преобразования энергии

текучей среды в механическую

Область техники.

Изобретение относится к энергетике, а более конкретно к гидравлическим машинам и двигателям и может быть использовано в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства для получения дешёвой механической или электрической энергии из различных текучих сред- воды, воздуха и т.п.

Предшествующий уровень техники.

Известно «УСТРОЙСТВО И СИСТЕМА ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВОДЫ» , WO 2007143021 публикация от 20.07.2010 МПК F03B13/00 ( Конвенционный приоритет: 02.06.2006 US 1 1/446,497).

Система для выработки энергии за счет перемещения воды, содержащая группу приводимых в действие турбиной, гидравлически соединенных друг с другом гидравлических насосов, причем группа составлена из насосов во взаимозаменяемом модульном расположении, а ячейки расположены для получения кинетической энергии из перемещения воды, при этом ячейки преобразуют получаемую за счет перемещения воды энергию посредством турбины, приводящей в действие гидравлический насос. При этом ячейки соединены с энергосистемой через генератор, а генератор представляет собой синхронизированный асинхронный двигатель переменного тока; группы поставлены на якорь на дне океана.

Система громоздкая, содержит большое количество маломощных ячеек, имеющих низкий к.п.д (коэффициент полезного действия), имеет пониженную надёжность, сложна в эксплуатации т.к. , рассчитана на глубокие подводные течения, зависит от скорости и направления течения. Устройства по патентам: Р.Ф. JVbJJb 2256092,2324068,2334120; США 3 28035243; CN 102182641 , 101046184, 201 1488935; JP 2007270738, 2009235951 ,2010090822; KR 20090038180 в различной степени обладают аналогичными недостатками.

Известен «СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

ГИДРОПОТОКА И ВИХРЕВАЯ ГИДРОТУРБИНА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ» по патенту Р.Ф. N°2424444 от 08.02.2010r.,F03B 3/00, F03B 13/00. По данному изобретению вихревая гидротурбина, содержит каркас с вертикально расположенной полой емкостью, в которой размещены валы отбора мощности с установленными друг над другом двумя лопастными турбинами, соосными оси вращения, и внутренняя стенка, выполнена в виде трубы переменного сечения с образованием сужающегося кверху канала, вертикальная полая емкость установлена неподвижно и выполнена в виде стакана с формой дна в виде полуторовой поверхности, образующей в дне осевое сквозное отверстие, в верхней части стакана на его периферии установлен сопловый ввод с входным раструбом, параллельный направлению движения основного гидропотока, первая лопастная турбина, расположенная на одном уровне с сопловым вводом, выполнена радиальной, вторая лопастная турбина выполнена осевой.

Вихревая гидротурбина устанавливается в гидропотоке на стационарной или наплавной платформе (на чертежах не показаны) таким образом, чтобы сопловый ввод с входным раструбом были параллельны направлению основного течения.

По мнению авторов в вихревой гидротурбине, реализующей предлагаемый способ, осуществляется эффективное преобразование энергии гидропотока за счет формирования рекуперативного вихревого потока при снижении габаритных размеров гидротурбины. Однако, авторами не приведено никаких доводов, подтверждающих эффективность предложенного способа и устройства. Более того, анализ показывает, что кинетическая энергия гидропотока срабатывается на первой лопастной турбине и давление воды на стенки ёмкости будет незначительным, поступательная скорость вниз и наверх по внутренней стенке из-за наличия трения по стенкам ёмкости, внутренней стенке и полуторовой поверхности будет также незначительной, что создаст дополнительное сопротивление вращению первой турбины за счёт второй турбины. Вращательная составляющая восходящего потока также будет незначительной из-за трения и не окажет существенного влияния на работу турбины.

Таким образом, указанное устройство добавляет к недостаткам известных гидроагрегатов сложность конструкции и низкий коэффициент полезного действия.

Известно «Устройство для преобразования кинетической энергии жидкости в механическую энергию» ( патент США 7222313 , от 25.05.2010г., МПК F03B 3/00). Как следует из описания к патенту, устройство подсоединяется к источнику давления жидкости или газа и содержит: неподвижную трубу - приёмник текучей среды, играющий роль корпуса турбины и подсоединённый своим отверстием к источнику, подвижную трубу, коаксиально установленную на неподвижной трубе и несущую на своём свободном конце ротор, работающий от аксиального потока текучей среды. Ротор снабжён водосборной ступицей с дефлектором и сообщающимися с ней пустотелыми радиальными лопастями, установленными на ступице и снабжёнными на своих концах эжекторными отверстиями для эжектирования жидкости , поступающей из неподвижной трубы и вращения ротора. Ротор на своём торце несёт по оси вращения приводной вал для передачи механической энергии электрическому генератору или другим потребителям механической энергии.

По мнению авторов патента такое выполнение позволит повысить выход механической энергии, т.е повысить к.п.д. установки.

Однако, использование малоскоростных течений потребует увеличения размеров турбины, что приведёт к увеличению потерь в лопастях на трение и к снижению эффективности устройства. Кроме того, значительно увеличатся габариты и масса устройства.

Таким образом, существующие энергетические установки характеризуются низким к.п.д., малой достигаемой мощностью на одном агрегате, требуют создания систем из большого количества агрегатов, обладающих сложностью конструкции , сложны и трудоёмки в эксплуатации.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является разработка конструкции такой энергетической установки, которая позволила бы получать дешёвую механическую или электрическую энергию, была бы простой по конструкции и в эксплуатации, не требовала бы для своей работы дорогостоящих технических сооружений.

Более того, конструкция установки и требования к обеспечению её работы должны позволять получение в одном агрегате значительной мощности независимо от наличия скорости подводных течений.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что в. энергетической установке для преобразования энергии воды в механическую, содержащей турбину, выполненную с корпусом, представляющим статор, содержащий цилиндрический круговой канал с входным и выпускным устройствами, и ротором, снабжённым выходным валом, и устройство для подачи воды под давлением, входное устройство выполнено с последовательно расположенными связанными между собой конфузора с входным отверстием , сообщающимся с окружающей средой, и диффузора, сообщающегося своим выходным отверстием с каналом статора, и снабжено нагнетательной камерой, сообщающейся своим входом с устройством для подачи воды под давлением, и выполненной с выпускными соплами, расположенными в выходной части диффузора по всему его периметру и направленными своими осями под углом 7-30° к оси входного устройства при виде на поверхность корпуса в плане, а канал выполнен с вихревой камерой, расположенной между диффузором и турбиной таким образом, чтобы струи текучей среды, вытекающие из сопел, создавали в потоке воды, проходящий через канал статора, вихрь , направленный своим вектором вдоль оси канала.

Более того, выхлопные сопла выполнены отклонёнными дополнительно в диаметральной плоскости по направлению к оси входного устройства на угол, равный 0,5-8°.

Кроме того, устройство для подачи воды под давлением выполнено в виде осевого лопастного насоса с электродвигателем, снабжённого выходным и заборным патрубками, при этом, выходной патрубок подсоединён к входному патрубку нагнетательной камеры, ротор выполнен центробежно-осевым, с осевым входом и центробежным выходом, а выходной вал ротора связан с помощью муфты с валом электрического генератора.

Целесообразно установку выполнять так, чтобы корпус турбины был выполнен из последовательно расположенных и связанных между собой корпусов конфузора, нагнетательной камеры, вихревой камеры, выполненной на конце с раструбом для размещения центробежно-осевого статора, и задней стенки, несущей подшипниковый узел для установки статора, и связанной с раструбом вихревой камеры съёмными стойками.

Такое выполнение энергетической установки позволит значительно снизить стоимость получаемой механической или электрической энергии, упростить её эксплуатацию за счёт установки на небольших глубинах, независимо от наличия течений или значительного перепада давлений, отказаться от необходимости возведения дорогостоящих потенциально опасных гидротехнических сооружений.

Краткое описание фигур на чертежах.

Изобретение поясняется чертежами , на которых:

-Фиг.1. - показывает общий вид энергетической установки, установленной на платформе;

Фиг. 2 - показывает продольный разрез турбины по оси симметрии.

Фиг. 3 - показывает общий вид энергетической установки, установленной на платформе и снабжённой дополнительным резервуаром;

Фиг. 4 - показывает общий вид энергетической установки, установленной на платформе с дополнительным источником давления в виде вертикальной ёмкости;

Фиг. 5 - показывает продольный разрез турбины, снабжённой устройством отбора мощности.

Варианты осуществление изобретения.

Энергетическая установка для преобразования энергии текучей среды в механическую реализуется следующим образом.

Вариант 1.

Пример реализации установки, работающей на воде, приведен на Фиг.1. Энергетическая установка смонтирована на платформе 1 , установленной на водной поверхности водоёма. Платформа может быть выполнена любой известной конструкции, обеспечивающей целостность и устойчивость от возникающих нагрузок. Она может быть плавающей и снабжённой элементами плавучести или жёстко установленной на сваях. В качестве водоёма может быть использован любой водоём, несколько превышающий по площади и глубине габаритные размеры установки. На нижней поверхности платформы 1 установлены турбина 2 и электрогенератор 3 с помощью кронштейнов 4, 5 и 6,7 соответственно. Выходной вал турбины связан с помощью муфты 8 с валом электрического генератора.

Установка снабжена устройством для подачи воды под давлением, выполненным в виде осевого лопастного насоса 9 связанного с электродвигателем 10 муфтой 13, установленных на платформе сверху. Насос 9 снабжён выходным 1 1 и заборным 12 патрубками, при этом, выходной патрубок 1 1 подсоединён к входному патрубку турбины 2.

Турбина 2 (см. фиг.2), выполнена с корпусом, представляющим статор, содержащий цилиндрический круговой канал 35 с входным и выпускным устройствами, и ротором 14, снабжённым выходным валом 15.

Входное устройство выполнено с последовательно расположенными связанными между собой конфузора 16 с входным отверстием 17 , сообщающимся с окружающей средой, и диффузора 18.

Корпус турбины выполнен из последовательно расположенных и связанных между собой корпусов конфузора 20, диффузора 25, вихревой камеры 21 , выполненной на конце с раструбом 22 для размещения ротора, и задней стенки 23, связанной с раструбом вихревой камеры съёмными стойками 26. .

Кроме того, статор снабжен нагнетательной камерой 19, служащей для подачи под давлением внутрь канала эжектирующей воды.

Нагнетательная камера 19 выполнена в корпусе диффузора 25 и представляет собой в поперечном сечении симметричный относительно вертикальной оси кольцевой канал , выполненный вокруг диффузора, образованный передней 27, задней 28 и кольцевой 29 стенками, сопряжёнными между собой радиусными переходами. В верхней своей части нагнетательная камера 19 выполнена с входным каналом 30, выполненном в входном патрубке 31 турбины. Входной патрубок 31 снабжён фланцем для подсоединения к выходному патрубку 1 1 насоса 9. Задняя стенка 28 выполнена плоской и снабжена по всей своей окружности входными отверстиями для выпускных сопел 32. Сопла 32 расположены в выходной части диффузора по всему его периметру и направлены своими осями 33 под углом 34, равным 7-30° к оси входного устройства при виде на поверхность корпуса в плане.

Выхлопные сопла могут быть выполнены отклонёнными дополнительно в диаметральной плоскости канала 35 по направлению к оси входного устройства на угол 36, равный 0,5-8°.

При выполнении сопл с углами отклонения от оси входного устройства меньшими 7° пропадает эффект влияния вихря на эффективность установки, а при выполнении углов отклонения большими 30° увеличиваются потери осевой составляющей потока, что также приводит к снижению эффективности установки.

Канал 35 выполнен с вихревой камерой 37, расположенной между диффузором 32 и ротором турбины 14 и выполненной по длине таким образом, чтобы струи текучей среды, вытекающие из сопл, создавали в потоке воды, проходящий через канал статора, вихрь 38 , направленный своим вектором вдоль оси канала. Длина вихревой камеры 37 выбирается достаточной для создания в потоке устойчивой вихревой структуры и зависит от угла отклонения сопел, т.е. при меньшем угле отклонения сопл длина вихревой камеры будет больше. Турбина может быть выполнена любой известной конструкции: осевой, центробежной. Так при использовании осевой турбины, она может быть установлена своей втулкой в подшипниках, закреплённых в канале с помощью стоек.

Однако, целесообразно выполнять турбину центробежно-осевой для более эффективного использования создаваемого потока.

В приведенном примере ротор 14 турбины выполнен центробежно- осевым, с осевым входом 39 и центробежным выходом 40. Задняя стенка 23 выполнена плоской и несёт подшипниковый узел 24 для установки ротора 14. Ротор выполнен в виде центрального профилированного конусообразного с вогнутыми криволинейными образующими тела 41 , опирающегося на плоское основание и несущего на своей поверхности профилированные лопатки 42. В теле 41 установлен выходной вал 15, с помощью которого ротор установлен в задней стенке в подшипниковом узле 24 и закреплён фиксирующей втулкой 43. Подшипниковый узел 24 закреплён на задней стенке и может быть выполненным любым известным способом . В простейшем случае подшипниковый узел может состоять из корпуса с установленными подшипниками скольжения, выполненными из антифрикционных материалов. Лопатки 42 выполнены с плоским участком 43, ориентированным по радиусу, для срабатывания на нём и выпрямления вращательной составляющей потока. Выходная часть лопатки 42 выполнена криволинейной, загнутой в сторону противоположную направлению вращения ротора для более полного использования поступательного потока.

Выходной вал 15 ротора 14 на своём конце может быть снабжён различными устройствами (шкивами, муфтами и т.п.) для передачи механической различным потребителям. В приведенном примере выходной вал 15 связан с помощью муфты 8 с валом электрического генератора 3, а сама установка предназначена для выработки и передачи электроэнергии потребителям. Для этого установка снабжена распределительным щитом, установленным на платформе (на чертежах не показано) и связанным своим входом кабелем с выходом электрогенератора 3. При этом кабель и сам генератор выполнены в водозащитном исполнении.

Распределительный щит может быть оборудован переключающим устройством , переключающим работу электродвигателя 10 с автономного источника питания на питание от распределительного щита установки. Такое переключающее устройство может быть выполнено на реле, срабатывающем при достижении выработки установкой определённого уровня мощности.

Установка может быть выполнена с пультом управления, обеспечивающим её работоспособность.

Установка работает следующим образом.

При включении электродвигателя 10 насос 9 через выходной патрубок 1 1 подаёт воду 47 в нагнетательную камеру 19. Далее вода через сопла 32 впрыскивается под давлением в вихревую камеру 37, где струи воды, вытекающие из сопел , ускоряют воду, находящуюся в канале и создают в ней вихрь 38. Возникающий вихрь 38 создаёт в центральной области канала разрежение, благодаря чему создаётся поток воды 46, устремляющийся в канал 35 независимо от наличия течения в окружающей воде. Поток воды 46 в канале турбины смешивается с эжектирующей водой из сопел, получает дополнительную энергию и превращается в вихревой ускоренный поток. .Вихревой поток поступает на турбину, где он срабатывается и выбрасывается в окружающую среду в виде потока . Таким образом на турбине создаётся механическая энергия, которая может быть использована различными потребителями, в том числе и для получения электроэнергии

Вариант 2.

Энергетическая установка приведенная на Фиг.З содержит в дополнение к вышеприведенной установке (см.Фиг. 1 ,2) резервуар , в котором и размещается турбина 2. Закрепление турбины возможно различными способами. В данном примере резервуар 50 выполнен в виде цилиндрической ёмкости , состоящей из корпуса 51 , закреплённого своим плоским дном на задней стенке турбины, и съёмной передней крышки 52. При этом, передняя крышка и плоское дно выполнены с радиусным переходом к цилиндрической части ёмкости. Передняя крышка 52 по центру снабжена конусообразным выступом, направленным вовнутрь ёмкости и выполненным с вогнутыми криволинейными образующими, переходящими в радиусную часть передней крышки. При этом, размеры резервуара, его формы выбраны из условия использования неизрасходованной мощности потока, выходящего из турбины путём подачи его на вход турбины.

Резервуар 50 с размещённой в нём турбиной установлен на платформе снизу с помощью кронштейнов 53 и 54. В верхней части корпуса 51 выполнено отверстие 55 для прохода выходного патрубка насоса 1 1. Кроме того отверстие 55 служит для сообщения с окружающей средой.

Установка работает аналогично вышеприведенному примеру с той лишь разницей, что выходящий из турбины поток 48 в силу выбранной геометрии резервуара подаётся на вход турбины для повышения эффективности работы установки. Другим воплощением энергетической установки с резервуаром является вариант, когда резервуар с водой и турбиной, а также и электрогенератор установлены на поверхности платформы. В этом случае резервуар может быть снабжён сливным патрубком..

Ещё другим воплощением энергетической установки с резервуаром является вариант, когда резервуар с турбиной и электрогенератором установлены на поверхности платформы , а заборный патрубок 12 насоса своим входом размещён в резервуаре 50.

Такое выполнение установки позволяет значительно упростить её обслуживание.

Ещё дальнейшим воплощением энергетической установки с резервуаром является вариант, когда резервуар с турбиной и электрогенератором установлены на поверхности платформы, а заборный патрубок 12 насоса своим входом размещён в резервуаре 50, а платформа выполнена автономной, не связанной с водоёмом. Такая установка может быть размещена, например, на транспортном средстве и служить как мобильная энергетическая установка.

Вариант 3.

Энергетическая установка приведенная на Фиг.4 содержит в дополнение к вышеприведенной установке (см. Фиг. 1 ,2) дополнительное устройство для подачи текучей среды под давлением, выполненное в виде дополнительной вертикальной ёмкости, и устройство отбора мощности от турбины

Вертикальная ёмкость 62 выполнена в виде вертикального цилиндрического бака, имеющего высоту, достаточную для создания требуемого давления на входе в турбину, и установленного на жёстком основании. Основание бака может быть установлено как на платформе 1 , так и вне её. При этом, вертикальная ёмкость снабжена выходным трубопроводом, подсоединённым к патрубку турбины.

Возможно выполнение установки когда вертикальная ёмкость снабжена входным 66 и выходным 63 трубопроводами. Выходной трубопровод 63 через запорный кран 64 подсоединён через тройник к выходному патрубку 1 1 насоса 9. В свою очередь выходной патрубок 1 1 снабжён запорным краном 65, установленным в нём между насосом и тройником. Кроме того, вертикальная ёмкость 62 снабжена индикатором уровня текучей среды в ней, или датчиком давления расположенным в нижней её части (на чертежах не показано) и дренажным устройством, сообщающим её с атмосферой.

Возможно выполнение вертикальной ёмкости 62 с одним выходным трубопроводом, а выходной патрубок при этом снабжён дополнительным запорным краном, расположенным тройником для подсоединения трубопровода и турбиной. В этом случае вертикальная ёмкость может служить в качестве резервного источника давления текучей рабочей среды.

Платформа 1 размещена на поверхности резервуара с текучей средой. Турбина 60,выполненная с отбором мощности, вместе электрогенератором установлены на платформе 1 под ней .Турбина 60 своим входным патрубком связана с выходным патрубком 1 1 , и снабжена устройством отбора мощности, выполненным в виде коллектора 61 , установленном на корпусе турбины, охватывая её по всей наружной поверхности и выполненным в виде улитки с увеличивающимся поперечным сечением к своему выходу, подсоединённому к входному трубопроводу 66 вертикальной ёмкости 62. Входной трубопровод 66 снабжён своим запорным краном (на чертеже не показано). Турбина 60 (см. Фиг. 5) выполнена по выше представленной схеме и с корпусом вихревой камеры 21 , снабжённым «поясом » из окон 67 . Окна 67 выполнены образующими в корпусе камеры 21 прорези прямоугольные в плане и под углом относительно оси камеры в сечении и сообщающимися с внутренней полостью коллектора 61. Коллектор 61 с прорезями 67 расположены перед ротором турбины.

Установка может работать в двух режимах:

-подача текучей среды под давлением в нагнетательную камеру турбины осуществляется от насоса 9;

- подача текучей среды под давлением в нагнетательную камеру турбины осуществляется от вертикальной ёмкости 62.

В первом случае установка работает выше описанным образом, только предварительно перекрываются запорные краны трубопровода 63 - кран 64, и трубопровода 66, и открывается запорный кран 65.

На втором режиме при наличии в вертикальной ёмкости достаточного давления работа осуществляется следующим образом.

Перекрывается запорный кран 65 и открываются запорные краны трубопровода 63 - кран 64, и трубопровода 66. Текучая среда через выходной патрубок 1 1 подаётся в нагнетательную камеру 19 и далее через сопла 32 впрыскивается в вихревую камеру 37, где всасываемый в канал 35поток текучей среды 46 превращается в вихревой и направляется к ротору 14 . Часть потока через окна 67 попадает в коллектор 61 и далее через трубопровод 66 подаётся в вертикальную ёмкость , обеспечивая тем самым работу установки.

Промышленная применимость. Предложенная энергетическая установка во всех представленных вариантах не требует для своего изготовления каких либо специальных материалов и технологий, и может быть изготовлена по известным технологиям на существующем оборудовании. Так корпус конфузора может быть изготовлен из пластических полимерных материалов в виде каркаса с оболочками; корпус диффузора может быть выполненным из лёгких литейных сплавов; вихревая камера, ротор - из металла с антифрикционным покрытием.

Как видно из представленного описания для работы энергетических установок не требуется: наличие подводных течений, строительство дорогостоящих потенциально опасных сооружений. Установка может работать в любом водоёме: реке, море, озере и т.д., и не требует больших объёмов. При этом, установка проста по конструкции, надёжна и безопасна в работе, проста , в обслуживании и экологична. Возможно создание автономных энергетических установок, не зависящими от наличия водоёмов, в частности, мобильных транспортных установок.

Более того, изобретение позволяет создание установок, работающих в других средах: воздушных, газовых и т.п.

Кроме того, вихревой поток на входе канала создаёт разрежение, благодаря чему используется энергия окружающей среды (энергия вакуума), что приводит к повышению эффективности устройства, к.п.д. его значительно превышает к.п.д. известных установок. Конструкция установки позволяет получить значительную энергию в одном агрегате.

Таким образом, использование изобретения позволит получить дешёвую механическую или электрическую энергии в различных географических и климатических районах.