Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к многофункциональным агрегатам, работающим от внешней подачи рабочего тела и способным преобразовывать тепловую, ветровую, солнечную энергию, с непосредственным её использованием через вал вращающегося ротора с одновременной генерацией электрической энергии. Наибольшая эффективность энергетического устройства в топливно-энергетическом, транспортном, агропромышленном и лесопромышленном комплексах, но успешно может применяться во всех отраслях народного хозяйства.

Уровень техники

Из предыдущего уровня техники известны электрические генераторы, состоящие из статора и ротора с соответствующими обмотками и магнитами.

Из уровня техники известна универсальная термоэлектрическая машина. Машина содержит множество термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых р-типа, а вторая η-типа верхнего яруса, или множество проводников, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде термопар нижнего яруса, которые, не меняя направление движения тока в проводниках, проходят сквозь множество замкнутых магнитных систем без каких-либо переключающихся устройств. Универсальная термоэлектрическая машина, содержащая также корпус, статор с магнитной системой возбуждения, выполненной в виде одного монолитного магнита, имеющего магнитопровод, магнит северного полюса, размещенного на орбите верхнего яруса, и магнит южного полюса, размещенного на орбите нижнего яруса, которые расположены через равномерные или неравномерные промежутки, для взаимодействия через воздушный зазор с множеством батарей указанных полупроводниковых термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых р-типа, а другая η-типа, или множеством батарей термопар, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде отдельных модулей, собранных в блоки и установленных в термическом изоляционном и экранирующем устройстве на магнитопроводах верхнего и нижнего ярусов. Универсальная термоэлектрическая машина содержит множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар, которые расположены между узлом нагревателя и узлом охладителя и установлены вокруг магнитопроводов статора, смонтированных на диэлектрическом основании орбит верхнего и нижнего ярусов. Магнитопроводы верхнего основания под заданным углом соединены с магнитопроводами нижнего основания и через воздушные зазоры взаимодействуют с системой возбуждения ротора. Множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар верхнего и нижнего ярусов защищено от узла нагревателя защитным кожухом, керамической вставкой и теплоизоляционным устройством, а сам узел нагревателя в местах соединений проводников горячего спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, расположен на внешней стороне корпуса для взаимодействия с внешним источником теплового излучения или внутри ротора для взаимодействия с внутренним источником теплового излучения. Узел охладителя расположен внутри машины, в местах соединений проводников холодного спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, которые взаимодействуют с холодильным устройством, установленным внутри магнитной системы возбуждения ротора и выполненным в виде холодильного аппарата абсорбционно-диффузионного типа. При вращении машины от сигнала постоянного тока во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов и множестве батарей термопар, размещенных на орбите верхнего яруса, результирующая сила должна быть направлена по часовой стрелке, а во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов и множестве батарей термопар, размещенных на орбите нижнего яруса, должна быть направлена против часовой стрелки. Причем в зависимости от предназначения универсальной термоэлектрической машины магнитную систему возбуждения, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар можно установить на валу или на корпусе. При использовании внешнего источника солнечного или теплового излучения, расположенного в окружающей среде, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар должны быть расположены на внешней стороне корпуса, а при использовании внутреннего источника теплового излучения множество батарей термопар верхнего яруса и множество батарей термопар нижнего яруса должны быть расположены внутри ротора, при этом вращение, через элементы качения или скольжения, может быть осуществлено как самого вала, так и его корпуса. (RU Ns 2414041 , Н02К 57/00, H01 L 35/02, 10.03.201 1). Данный генератор имеет плохие экологические и шумовые характеристики и вырабатывает электрическую энергию только при наличии поршневых или роторно - поршневых двигателей, работающих на внутреннем сгорании органического топлива.

Из уровня техники также известна ветровая электроэнергетическая установка (ВЭУ), с улучшенными экологическими и шумовыми параметрами. Ветроэнергетическая установка, ВЭУ, содержит основание, устройство крепления ротора и размещенный в ветровом потоке ротор. На роторе выполнены приводимые во вращение цилиндры. Ротор соединен с системой отбора мощности. Установка дополнительно содержит установленный с возможностью приема ветра со всех направлений воздухозаборник, подающий воздушный поток в пространство между цилиндрами, которые соединены с вращающими их в одну сторону устройствами. (RU2107836, F03D5/00, 27.03.1998). Работа данной установки всецело зависит от ветра. Производимая ими электроэнергия лимитируется, погодными условиями, поэтому требуется надежная аккумуляция.

Существующие химические аккумуляторы электроэнергии очень дороги и могут работать с хорошей отдачей лишь с малыми генераторами. А их многочисленность для постоянного электроснабжения значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Сверхёмкие аккумуляторы на базе вакуумных конденсаторов также не решают проблему постоянного энергообеспечения вне зависимости от погодных условий. Из уровня техники известен Электрический аккумулятор (RU 2303841 , Н01 М 14/00, 27.07.2007). Электрический аккумулятор, содержащий корпус, электролит и два электрода, угольный анод и медный катод, погруженные в электролит, отличающийся тем, что электролитом является 5-15%-ный водный раствор сульфата меди (CuS0 ₄ ), анод выполнен в виде войлочной прокладки из графитовых волокон диаметром 0, 1 -И мкм, укрепленной на графитовой пластине или на внутренней поверхности графитового цилиндра, а катод выполнен в виде медной пластины или медного цилиндра.

Кроме перечисленных недостатков, во всех известных устройствах неэлектрические виды энергии (тепловая, механическая, ветровая), преобразуются генераторами в электрическую энергию с помощью трансмиссии, вторичного вала или других приводных устройств (цепь, ремень, обрезиненный ролик), поэтому все они имеют большую металлоёмкость, низкий КПД и малую удельную мощность.

Из уровня техники известен центробежный компрессор (RU Ns 2419731 , F04D

29/46, 27.05.2011). Центробежный компрессор, имеющий ось вращения, рабочее колесо, установленное на оси вращения, корпус, вмещающий рабочее колесо, секцию диффузора, соединенную с выходом рабочего колеса, и секцию спиральной камеры, соединенную с выходом секции диффузора, обеспечивающий сжатие текучей среды под воздействием центробежной силы, возникающей при вращении рабочего колеса, причем данный центробежный компрессор содержит разделительный элемент, разделяющий проходной канал в секции диффузора и в секции спиральной камеры на несколько каналов в направлении движения текучей среды, с образованием проходного канала со стороны ступицы и проходного канала со стороны бандажа; и регулятор расхода, обеспечивающий при низком расходе текучей среды, сжатой рабочим колесом, уменьшение расхода текучей среды в проходном канале со стороны бандажа и высокий расход текучей среды в проходном канале со стороны ступицы, а при высоком расходе текучей среды, сжатой рабочим колесом, обеспечивающий протекание текучей среды и в проходном канале со стороны бандажа, и в проходном канале со стороны ступицы без уменьшения расхода текучей среды в проходном канале со стороны бандажа.

Недостатком является обособленность двигателя от элементов, выполняющих только одну нагнетательную функцию. Известен также ресивер - сосуд для скапливания газа или пара, предназначенный главным образом для сглаживания колебаний давления, вызываемых пульсирующей подачей и прерывистым расходом"// Большой энциклопедический словарь. Политехнический. Гл. ред. А.Ю.Ишлинский. Научное издательство "Большая российская энциклопедия". М., 1998. Но он, как и все другие ресиверы, не предназначен для непосредственного превращения заключенных в нём газов в электрическую энергию из- за отсутствия соответствующих сочетаний устройств.

Таким образом, во всех известных устройствах неэлектрические виды энергии (тепловая, механическая, ветровая), преобразуются генераторами в механическую или электрическую энергию с помощью трансмиссии, вторичного вала или других приводных устройств (цепь, ремень, обрезиненный ролик), поэтому все они имеют большую металлоёмкость, низкий КПД и малую удельную мощность.

Известны так же шары в качестве рабочих элементов. Недостатком шаровых элементов является относительно небольшая, ограниченная диаметром площадь сферической поверхности по отношению к объёму рабочей камеры, на которую давит рабочее тело, а так же динамические удары. Но не известны предлагаемые ролики с шарами в гнёздах их торцов, заменяющие трение скольжения на более эффективное трение качения, с учётом наклонных зажимов, исключающих динамические удары.

Известен также из уровня техники роторно-шаровый двигатель, выбранный заявителем в качестве наиболее близкого аналога ( RU2463455, F01 C1/356, 10.10.2012). Роторно-шаровый двигатель содержит корпус, ротор и элементы, образующие рабочую камеру. Рабочая камера, имеющая сегментарную форму, образуется двумя шарами, движущимися по соответствующим выточкам в корпусе и в роторе двигателя, заменяя трение скольжения на более эффективное трение качения. Выточки в корпусе и в роторе, по которым движутся шары, в поперечном сечении представляют собой сегменты, хорды которых меньше диаметра шаров, что исключает их диаметральное столкновение и заклинивание двигателя. В корпусе и роторе может быть несколько соответствующих параллельных выточек, образующих рабочие камеры сегментарного профиля. Один шар постоянно находится в гнезде ротора и, плотно прижимаясь к внутренней сфере гнезда, обкатывается по выточке корпуса. Второй шар, находящийся в цилиндрической расточке корпуса, являющейся камерой подачи рабочего тела, прижимается к выточке ротора давлением рабочего тела с момента его подачи до выхода отработавших газов. Шар корпуса при приближении шара ротора, одновременно с прекращением подачи рабочего тела, может втягиваться электромагнитными элементами в камеру подачи рабочего тела до ограничителя. К недостаткам относятся использование только шаров в качестве рабочих элементов, динамические удары и относительно узкая удельная функциональность. Но не известны устройства, роторные секции которых с минимальным удельным коэффициентом площади трения скольжения и без динамических ударов на одном валу без внутренних конструктивных преобразований, без трансмиссии и приводов выполняют функции двигателя, электрогенератора и компрессора с возможной их ротацией.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание компактного многофункционального агрегата, работающего от внешней подачи рабочего тела и способного преобразовывать тепловую, ветровую, солнечную энергию, с непосредственным её использованием через вал вращающегося ротора с одновременной генерацией электрической энергии. Техническим результатом заявленного устройства является улучшение энергетических показателей при упрощении конструкции с уменьшенными габаритными характеристиками.

Технический результат устройства достигается за счет того, что роторное энергетическое полигибридное устройство, содержащее статор с системой подвода и по меньшей мере два ротора, установленные на одном валу, с образованием роторных секций, разделенных перегородками, при этом в статоре и роторе каждой роторной секции выполнены расточки и установлены в них ролики с образованием рабочей камеры, при этом в статоре выполнен канал отвода рабочего тела и канал подачи рабочего тела, причем канал подачи рабочего тела соединен с рабочей камерой и расточкой статора, в которой установлен жиклёр, регулирующий давление в канале подачи рабочего тела и установлен ролик через подпружиненный уплотнитель, ролик ротора установлен в расточке ротора между наклонными зажимами,

при этом на внутренней поверхности статора и на внешней поверхности ротора расположены генерирующие электрическую энергию элементы,

а вал выполнен с якорными обмотками и токосъемными элементами,

при этом каналы подачи и отвода рабочего тела выполнены с возможностью ротации

В частном случае реализации заявленного технического решения в статор и ротор включены генерирующие электрическую энергию элементы, а вал выполнен с узлом коммутации служащим для отведения электричества с подвижного вала ротора.

В частном случае реализации заявленного технического решения каждая роторная секция от внешней подачи рабочего тела может выполнять функции ветряной или солнечной установки, двигателя или насоса с возможностью ротации, одновременно генерируя электрическую энергию и аккумулируя избыток энергии в ресивере для последующего использования.

В частном случае реализации заявленного технического решения выполнено с возможностью работы от внешней подачи рабочего тела.

В частном случае реализации заявленного технического решения выполнено с возможностью работы в виде ветряной установки, причем роторная секция подключена к ресиверу и выполняет функции компрессора продолжая генерировать электрическую энергию.

В частном случае реализации заявленного технического решения расточка статора выполнена радиальной или наклонной.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - продольный разрез двух секций.

Фиг. 2 - поперечный разрез одной секции.

На чертежах показаны следующие позиции:

1 - статор; 2 - ротор; 3 - генерирующий элемент статора (обмотка); 4 - рабочая камера; 5 - крышка; 6 - скользящие элементы; 7 -вал; 8 - подшипник; 9 - генерирующие элементы ротора (магниты); 10 - ролик статора; 11 - уплотнитель; 12 - пружина; 13 - жиклёр; 14 - расточка поступления рабочего тела; 15 - перегородка; 16 - токосъёмники; 17 - канал выхода рабочего тела; 18 - канал подвода рабочего тела в рабочую камеру; 19 - наклонный зажим; 20 - ролик ротора.

Раскрытие изобретения

Изобретение относится к многофункциональным агрегатам, работающим от внешней подачи рабочего тела и способным преобразовывать тепловую, ветровую, солнечную энергию, с непосредственным её использованием через вал вращающегося ротора с одновременной генерацией электрической энергии. При этом излишки энергии используются для закачки (аккумуляции) сжатого воздуха и отработавших газов в ресивер для последующего использования при необходимости. Весь комплекс выполняется без внутренних конструктивных изменений. Таким образом, агрегат обеспечивает постоянное энергоснабжение не зависимо от погодных условий.

В статоре (1) на одном валу (7) через перегородку (15) установлены по меньшей мере два ротора (2), образуя по меньшей мере две роторные секции. В качестве перегородок могут быть использованы пластины, втулки, шайбы. Учитывая многообразие известных конструкций, они не приводятся на чертеже. От количества роторов, ролики которых равномерно смещены на угол равный 360 градусов разделённых на количество роторов зависит динамическая уравновешенность.

Каждая роторная секция может функционировать по трём вариантам с возможностью ротации.

Вариант первый: двигатель - генератор.

Рабочее тело через трубы, шланги, каналы в корпусе (на чертеже не показаны в связи с их многообразием) подаётся в радиальную или наклонную расточку корпуса (14), откуда часть давления по каналу (18) направляется в рабочую камеру (4) для вращения ролика ротора (20), а часть через жиклёр (13) для прижатия ролика статора (10) к внешней поверхности ротора (2). Жиклёр (13) или пружина (12) уравновешивают давление на ролики статора и ротора, при этом элементы (12) и (13) могут работать в комплексе. Наклонные зажимы (19) плавно утапливают ролик статора (10) в его расточку, исключая динамические удары с роликом ротора 20. Наклонные зажимы выполняются в виде горок из полос, решеток и других известных конструкций с возможным устройством упоров перед роликами, обеспечивая максимальное использование энергии давления. Давление на ролик ротора (20) продолжается до канала выхода отработавшего рабочего тела (17), вращая вал (7) на котором за пределами корпуса (1) находятся скользящие элементы (6), с которых токосъёмники (16) по проводам направляют электрическую энергию по назначению.

Мёртвая точка между каналом (17) и роликом статора (10) преодолевается вращением ротора другой секции. Отработавшее рабочее тело через канал (17) свободно выходит в атмосферу. Часть (излишки) отработавшего рабочего тела с помощью известных устройств, типа обратного клапана, может направляться в ресивер для последующего использования в качестве рабочего тела энергетическим устройством. А для увеличения КПД и улучшения других параметров отработавшее рабочее тело из канала (17) через трубы, шланги, каналы в корпусе может направляться в расточки (4) других роторных секций, разделённых перегородкой (15). Для получения электрической энергии в статор (1 ) включены известные обмотки возбуждения магнитного потока (3).

Промежутки между генерирующими элементами статора (3) и ротора (9) заполняются прочными не магнитными материалами для сохранения гладкой внешней цилиндрической поверхности ротора и гладкой внутренней цилиндрической поверхности статора. Статор и ротор в зависимости от рабочего тела могут быть из полимерных, керамических и металлических не магнитных материалов.

Вариант второй: компрессор - генератор.

В ветреную погоду вал (7) с помощью муфты, храповика или иными известными способами подсоединяется к ветровой установке. Вращающийся на роторе (2) элемент (20) через расточку (14), отключённую от источника энергии по каналу (18) засасывает атмосферный воздух в рабочую камеру (4) и направляет порцию воздуха, ранее поступившего в рабочую камеру (4) по шлангу в ресивер через канал (17). При этом пружина (12) и засасываемый воздух с помощью уплотнительного элемента (1 1) прижимают ролик статора (10) к внешней поверхности ротора (2). Таким образом, в данном варианте роторная секция выполняет функции компрессора, продолжая генерировать электрическую энергию.

Превращение компрессора в двигатель происходит в обратном порядке. Смена функций осуществляется изменением мест поступления и выхода рабочего тела по разветвлениям каналов, шлангов, трубок с помощью клапанов, вентилей, кранов и другими известными способами в механическом, автоматическом или электронном режиме.

Вариант третий: резервный двигатель-генератор.

При отсутствии ветра сжатый воздух из ресивера подаётся в расточку (4), обеспечивая вращение ротора в статоре, генерирующие элементы, которых вырабатывают электрическую энергию. Следовательно, в данном варианте роторная секция выполняет функции двигателя и генератора.

При падении давления в ресивере секция работает по первому варианту, при этом для создания внешнего давления может использоваться пар, получаемый с помощью солнечной или тепловой энергии.

Таким образом, каждая роторная секция без конструктивных изменений может выполнять функции двигателя или компрессора, одновременно вырабатывая электрическую энергию с возможной ротацией. В качестве ресивера могут использоваться резервуары больших ёмкостей: цистерны и даже подземные хранилища, обеспечивающие аккумуляцию энергии в достаточных объёмах для последующего использования роторным энергетическим устройством. Сущность изобретения заключается в монтаже в корпусе на одном валу роторных секций аналогичной конструкции, выполняющих несколько функций с возможностью их ротации для получения стабильного дешёвого электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии вне зависимости от погодных условий.

В основу изобретения поставлена задача создания многофункционального устройства в компактном исполнении с целью постоянного дешёвого электроснабжения, в основном, от возобновляемых источников энергии не зависимо от погодных условий.

Осуществление изобретения с учётом простоты и допусков изготовления может производиться на любом промышленном предприятии с минимумом станочного и диагностического оборудования.

Наиболее целесообразна реализация предлагаемого изделия у производителей электрогенераторов, имеющих необходимое оборудование, материалы и конструкторский потенциал. Учитывая, что статор, ротор и другие детали желательно выполнять из полимерных материалов, выдерживающих температуру пара с учётом низкого коэффициента трения целесообразна кооперация производителей электрогенераторов и полимерных материалов.