БАШНЯ - ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
TOWER - ELECTRIC POWER STATION

Изобретение относится к области энергетики, а именно к устройствам, преобразующим тепловую энергию углеводородного топлива в электрическую, и может быть использовано в качестве альтернативы паро- и газотурбинным тепловым электростанциям.
Общеизвестно, что основная часть потребляемой сейчас электроэнергии производится на тепловых электростанциях, оснащенных паро- или газотурбинными установками, но несмотря на постоянное их конструктивное и технологическое усложнение (следовательно, и удорожание) их экономическая эффективность (КПД) не превышает 42÷45%.
Целью изобретения является создание конструктивно простых (следовательно, дешевых как в производстве, так и в эксплуатации) устройств и позволяющих получать электроэнергию с большей экономической эффективностью.
Поставленная цель достигается тем, что в электростанции, содержащей один или несколько свободнопоршневых двигателей, включающих в себя рабочий цилиндр, с размещенным в нем поршнем, одним торцом взаимодействующий с камерой сгорания, а другим - с демпферной камерой, а также кривошипно-поршневой механизм отбора мощности, кинематически связанный с электрогенератором, по изобретению кривошипно-поршневой механизм располагается вне рабочего цилиндра и связан с демпферной камерой трубопроводом, имеющим возможность изменять свою длину и совершать качательные движения. При этом рабочий цилиндр располагается вертикально и нижней частью, выполненной в виде поршня, помещается в колодец, имеющий форму цилиндра и свободное пространство которого заполнено сжатым воздухом. Кроме того, рабочий цилиндр утяжелен балластным грузом, а несколько колодцев, с установленными в них рабочими цилиндрами, соединены между собой воздуховодами.
На фиг. 1 изображен одиночный свободнопоршневой двигатель (далее СПД) с электрогенератором (элемент электростанции). На фиг. 2 - вид А. На фиг. 3 показан блок СПД.
Электростанция состоит из одного или нескольких отдельно стоящих СПД башенного вида с собственными электрогенераторами и включающих в себя рабочий цилиндр 1 с находящимся внутри поршнем 2 (см. заявку RU №2016124904), взаимодействующим внутренней полостью с демпферной камерой 3. К последней посредством телескопического трубопровода 4, имеющего возможность качательных движений, присоединен расположенный во вне кривошипно-поршневой механизм, включающий в себя рабочий цилиндр 5 с поршнем 6 и кривошипом 7. Кривошипно-поршневой механизм кинематически соединен с электрогенератором 8 посредством муфты 9. Нижняя часть рабочего цилиндра 1 выполнена в виде опорного поршня 10 и помешена в колодец 11 с нижерасположенной воздушной полостью 12. Между собой воздушные полости 12 соединены воздуховодами 13.
Электростанция функционирует следующим образом. СПД в собранном виде, с рабочим цилиндром 1, демпферной камерой 3, рабочим поршнем 2 внутри и опорным поршнем 10 снизу, с помощью грузоподъемных механизмов (много вариантов) устанавливается в колодец 11, с опорой на воздушную подушку в полости 12. Далее, к демпферной камере 3, посредством трубопровода 4, присоединяется кривошипно-поршневой механизм с электрогенератором 8. Запуск СПД в работу и последующий технологический процесс производятся в полном соответствии с описанием изобретения (патент RU №2584769). Возникающие в процессе работы СПД вертикальные колебания рабочего цилиндра 1 (следствие инерционных нагрузок от перемещений поршня 2) гасятся воздушными подушками в полостях 12 колодцев 11. Для снижения знакопеременных нагрузок, передаваемых сжатым воздухом в полостях 12 на грунт, колодцы 11 нескольких СПД соединяются между собой воздуховодами 13, а сами СПД работают со сдвигом по фазе.
Поскольку крупноразмерные СПД башенного вида могут работать с относительно большой продолжительностью рабочего цикла (0,25-0,3 с, см. лист 4), то это позволяет использовать медленно горящие, дешевые виды топлива (мазут и даже мелко дисперсионный угольный порошок), что делает их конкурентами и паротурбинным тепловым электростанциям. А модульное устройство позволяет в широких пределах варьировать их мощность и делает их мобильными (позволяет транспортный габарит отдельных СПД).
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДИНОЧНОЙ БАШНИ-ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Наружный диаметр рабочего поршня - 2500 мм.
Ход рабочего поршня - 10000 мм.
Степень сжатия воздуха в камере сгорания 25÷30.
Скорость движения поршня (средняя) 50÷60 м/с.
Давление продуктов сгорания в нижней мертвой точке рабочего поршня 1,4÷1,6 ат.
Средняя температура рабочего цикла 420÷450 с.
Развиваемая мощность 15000÷25000 л.с
Эффективное КПД 70÷75%.
Столь высокое, по меркам существующих тепловых машин (в частности, дизельных двигателей) КПД объясняется высокой степенью сжатия (обеспечивается отсутствием прямой механической связи между рабочим поршнем и кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности). Почти полным расширением продуктов сгорания (обеспечивается большим рабочим ходом поршня). Отсутствие необходимости в охлаждении рабочего цилиндра обеспечивается низкой средней температурой рабочего цикла, а также отсутствием боковых нагрузок на рабочий поршень и его большим диаметром, допускающим относительно большой зазор между боковыми стенками поршня и рабочего цилиндра. И относительно большой продолжительностью рабочего цикла (обеспечивается более полное сгорание топлива).