Установка для преобразования энергии текучей среды в механическую энергию

Область техники
Полезная модель относится к энергетике, а более конкретно к гидравлическим машинам и двигателям, и может быть использована в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства для получения дешевой механической или электрической энергии из различных текучих сред - воды, воздуха и т.п.
Уровень техники
Известны: «Устройство и система выработки энергии за счет перемещения воды» WO 2007143021 публикация от 20.07.2010 МПК F03B 13/00 (Конвенционный приоритет: 02.06.2006 US 11/446,497).
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 надежность, сложна в эксплуатации т.к., рассчитана на глубокие подводные течения, зависит от скорости и направления течения.
Устройства по патентам: Р.Ф. №№2256092, 2324068, 2334120; США №8035243; CN 102182641, 101046184, 2011488935; JP 2007270738, 2009235951, 2010090822; KR 20090038180 в различной степени обладают аналогичными недостатками.
Известно «Устройство для преобразования кинетической энергии жидкости в механическую энергию» (патент США 7222313, от 25.05.2010 г., МПК F03B 3/00). Как следует из описания к патенту, устройство подсоединяется к источнику давления жидкости или газа и содержит: неподвижную трубу - приемник текучей среды, играющий роль корпуса турбины и подсоединенный своим отверстием к источнику, подвижную трубу, коаксиально установленную на неподвижной трубе и несущую на своем свободном конце ротор, работающий от аксиального потока текучей среды. Ротор снабжен водосборной ступицей с дефлектором и сообщающимися с ней пустотелыми радиальными лопастями, установленными на ступице и снабженными на своих концах эжекторными отверстиями для эжектирования жидкости, поступающей из неподвижной трубы и вращения ротора. Ротор на своем торце несет 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 приведет к увеличению потерь в лопастях на трение и к снижению эффективности устройства. Кроме того, значительно увеличатся габариты и масса устройства.
Известна энергетическая установка для преобразования энергии текучей среды в механическую, содержащая турбину, устанавливаемую в текучей среде и выполненную с корпусом, представляющим статор, содержащий цилиндрический круговой канал с сообщающимися с окружающей средой входным и выпускным устройствами, и ротором, снабженным выходным валом, и устройство для подачи текучей среды под давлением.
При этом, входное устройство выполнено с последовательно расположенными связанными между собой конфузора с входным отверстием, и диффузора, а статор снабжен нагнетательной камерой, сообщающейся своим входом с устройством для подачи текучей среды 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, при этом, канал выполнен с вихревой камерой, расположенной между диффузором и ротором турбины таким образом, чтобы струи воды, вытекающие из сопел, создавали в потоке воды, проходящий через канал статора, вихрь, направленный своим вектором вдоль оси канала, а выхлопные сопла выполнены дополнительно отклоненными дополнительно в диаметральной плоскости по направлению к оси входного устройства на угол, равный 0,5-8°.
Кроме того, ротор выполнен центробежно-осевым, с осевым входом и центробежным выходом.
Более того, установка снабжена резервуаром, в котором установлена турбина, при этом резервуар выполнен в виде емкости, состоящей из корпуса, закрепленного своим плоским дном на задней стенке турбины, и съемной передней крышки, при этом передняя крышка и плоское дно выполнены с радиусным переходом к цилиндрической части емкости, а передняя крышка по центру снабжена конусообразным выступом, направленным вовнутрь емкости и выполненным с вогнутыми криволинейными образующими, переходящими в радиусную часть передней крышки. (См. заявку на изобретение №2012135960 от 22.08.2012 г.).
Известна «Энергетическая установка для преобразования энергии воды в механическую» - патент РФ на полезную модель №123849, МПК F03B 3/04, 2013 г.
Установка содержит вихревой эжектор, выполненный с корпусом, содержащим последовательно расположенные и связанные между собой конфузор с входным отверстием, и диффузор, и нагнетательную камеру, сообщающуюся своим входом с устройством для подачи текучей среды под давлением, и выполненную с выпускными соплами, расположенными в выходной части диффузора по всему его периметру и направленными своими осями под углом к оси входного устройства таким образом, чтобы струи, вытекающие из сопел, создавали в проходящем потоке вихрь направленный своим вектором вдоль оси канала, и корпус турбоагрегата с турбиной, представляющий статор, содержащий цилиндрический круговой канал, пристыкованный входом к выходному сечению диффузора и снабженный выпускными окнами, и ротор, снабженный выходным валом, при этом канал выполнен с вихревой камерой, расположенной между диффузором и ротором турбины.
Недостатком известной установки является то, что текучая среда, прошедшая турбину и обладающая кинетической энергией не используется, а выбрасывается в окружающую среду, что снижает КПД установки в целом.
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 трудоемки в эксплуатации.
Сущность полезной модели
Задачей полезной модели является разработка конструкции такой энергетической установки, которая позволила бы получать дешевую механическую энергию.
Более того, конструкция установки и требования к обеспечению ее работы должны позволять получение в одном агрегате значительной мощности независимо от наличия скорости подводных течений.
Поставленная задача достигается тем, что в энергетической установке для преобразования энергии текучей среды в механическую, содержащей вихревой эжектор, выполненный в виде совмещенных входного конфузора и выходного диффузора с выпускными соплами и снабженный нагнетательной камерой, связанной с источником высоконапорной текучей среды, и турбоагрегат, выполненный с корпусом турбоагрегата, содержащим турбину с выходным валом и выполненным таким образом, что его входное отверстие состыковано с выходным сечением диффузора вихревого эжектора, образуя канал для прокачки текучей среды, при этом, установка содержит корпус установки, выполненный в виде тела вращения и установленный в разъемном кожухе, при этом, вихревой эжектор и турбоагрегат установлены в цилиндрической проточке корпуса установки, установленного в кожухе таким образом, что между наружной поверхностью корпуса установки и внутренней поверхностью кожуха выполнен возвратный канал для подачи текучей среды, выходящей из турбоагрегата, на вход вихревого эжектора, а кожух выполнен разъемным по оси установки и с отверстием для прохода выходного вала, и снабжен отверстиями для сброса избыточной текучей среды.
Кроме того, кожух выполнен в виде емкости с плоским дном на задней стенке, конусообразной средней части и передней части, выполненной также конусообразной с большим углом конусности и закрывающей емкость, при этом, передняя часть и плоское дно выполнены с радиусными переходами к конусообразной средней части емкости а передняя часть по центру снабжена конусообразным выступом, направленным вовнутрь емкости и выполненным с вогнутыми криволинейными образующими, переходящими в радиусную переднюю часть.
Более того, отверстия, предназначенные для сброса избыточной текучей среды, могут быть выполнены перекрываемыми, например, с помощью кранов.
Такое выполнение установки позволяет повысить ее эффективность за счет повышения КПД.
Изобретение поясняется чертежом, на котором показана схема конструкции энергетической установки в продольном разрезе по оси симметрии и в плоскости разъема корпуса.
Осуществление полезной модели
Энергетическая установка для преобразования энергии текучей среды в механическую содержит корпус установки, вихревой эжектор, выполненный в виде совмещенных входного конфузора и выходного диффузора с выпускными соплами и снабженный нагнетательной камерой, связанной с источником высоконапорной текучей среды, и турбоагрегат, выполненный с корпусом турбоагрегата, содержащим турбину свыходным валоми выполненным в виде пустотелого цилиндра таким образом, что его входное отверстие состыковано с выходным сечением диффузора вихревого эжектора, образуя канал для прокачки текучей среды.
Корпус установки выполнен в виде тела вращения и установлен в разъемном кожухе, при этом, вихревой эжектор и турбоагрегат установлены в цилиндрической проточке корпуса установки, установленного в кожухе таким образом, что между наружной поверхностью корпуса установки и внутренней поверхностью кожуха выполнен возвратный канал для подачи текучей среды, выходящей из турбоагрегата, на вход вихревого эжектора.
Кроме того, кожух выполнен разъемным и по оси установки с отверстием для прохода выходного вала, и снабжен отверстиями для сброса избыточной текучей среды.
При этом передний внутренний объем корпуса турбоагрегата предназначен для создания вихревой камеры и размещения центрального тела, а в задней части размещена турбина.
Кожух выполнен в виде емкости с плоским дном на задней стенке, конусообразной средней части и передней части, выполненной также конусообразной с большим углом конусности и закрывающей емкость, при этом передняя часть и плоское дно выполнены с радиусными переходами к конусообразной средней части емкости, а передняя часть по центру снабжена конусообразным выступом, направленным вовнутрь емкости и выполненным с вогнутыми криволинейными образующими, переходящими в радиусную переднюю часть.
Отверстия, предназначенные для сброса избыточной текучей среды, могут быть выполнены перекрываемыми, например, с помощью кранов.
Энергетическая установка для преобразования энергии текучей среды в механическую реализуется следующим образом.
Пример реализации установки приведен на чертеже.
Установка содержит корпус 1, в котором размещены вихревой эжектор 2 и турбоагрегат 3.
Корпус 1 выполнен в виде тела вращения и установлен в кожухе 4, выполненным разъемным и несущим в передней и задней своих частях радиальные пилоны (на схеме не показано), обеспечивающие установку и съем корпуса любым известным образом при разъеме кожуха.
Кожух 4 выполнен в виде емкости с плоским дном на задней стенке, конусообразной средней части и передней части, выполненной также конусообразной с большим углом конусности и закрывающей емкость, при этом передняя часть и плоское дно выполнены с радиусными переходами конусообразной средней части емкости, а передняя часть по центру снабжена конусообразным выступом, направленным вовнутрь емкости и выполненным с вогнутыми криволинейными образующими, переходящими в радиусную переднюючасть. В центральной части плоского дна по оси установки выполнено отверстие для прохода выходного вала турбоагрегата 5 и установки уплотнительного узла 6.
Вихревой эжектор 2 установлен в цилиндрической проточке корпуса 1 и выполнен в виде совмещенных входного конфузора 7 и выходного диффузора 8 с большим углом раскрытия.
Вихревой эжектор 2 снабжен нагнетательной камерой.
Нагнетательная камера 9 выполнена в корпусе вихревого эжектора 4 и представляет собой в поперечном сечении симметричную относительно оси эжектора кольцевую емкость, выполненную вокруг диффузора и образуемую передней, задней и кольцевой стенками, сопряженными между собой радиусными переходами.
Нагнетательная камера 9 выполнена с входным отверстием для установки трубопровода 10, связанного с источником высоконапорной текучей средыдля подачи под давлением внутрь канала эжектирующей текучей среды. В качестве источника высоконапорной текучей среды может быть использован любой компрессор или насос, создающие требуемое избыточное давление. Задняя стенка 11 нагнетательной камеры 9 выполнена плоской и с входными отверстиями, расположенными по всей своей окружности, для подачи текучей среды в выпускные сопла 12. Сопла 12 расположены в выходной части диффузора по всему его периметру и направлены своими осями под углом, равным 7-30° к оси эжектора при виде на поверхность корпуса в плане.
Выпускные сопла 12 могут быть выполнены отклоненными дополнительно в диаметральной плоскости канала по направлению к его оси на угол, равный 0,5-12°.
Входное отверстие конфузора 7 выполнено с радиусным закруглением, образующим с соответствующим закруглением корпуса обтекаемую входную губу для поворота возвратной струи текучей среды и захода ее в конфузор.
Турбоагрегат 3 выполнен с корпусом 13, в котором размещена турбина. Корпус 13 выполнен в виде пустотелого цилиндра установленного в цилиндрической проточке корпуса 1 таким образом, что его входное отверстие состыковано с выходным сечением диффузора вихревого эжектора, образуя канал для прокачки текучей среды. Передний внутренний объем корпуса 13 предназначен для создания вихревой камеры 14 и размещения центрального тела 15, а в задней части размещена осевая турбина 16 и направляющий аппарат 17.
Вихревая камера 14 выполнена по длине таким образом, чтобы струи текучей среды, вытекающие из сопл, создавали в потоке, проходящем через канал, вихрь, 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.
Центральное тело 15 установлено по оси корпуса 13 с помощью радиальных обтекаемых стоек 18, выполнено в виде тела вращения оживальной формы и предназначено для увеличения разрежения в вихревой камере при проходе потока.
Турбина может иметь одну или несколько осевых ступеней и установлена на выходном валу турбоагрегата 5, установленном в подшипниковых узлах, размещенных в центральном теле 15 и задней стенке 19, закрепленной в корпусе 13 с помощью радиальных стоек. На выходном валу турбоагрегата 5 за задней стенкой 19 установлена также радиальная ступень турбины 20 с лопатками 21, назначение которой кроме создания дополнительного крутящего момента также и поворот выходящего потока из турбоагрегата на 90° для направления его на вход вихревого эжектора 2.
Кроме того, количество ступеней турбины зависит от необходимости получения требуемой мощности и от возможностей источника энергии. Так установка может содержать одну радиальную ступень и быть работоспособной и достаточно востребованной. Возможно использование двух турбин, как это принято, например, в судостроении, где главная турбина высокого давления служит для привода ходового винта, а вспомогательная - низкого давления служит для привода вспомогательных агрегатов. При этом, каждая турбина будет работать на своем давлении: осевая на высоком, а радиальная на низком и и каждая из них будет выдавать механическую энергию для своего потребителя со своим КПД.
Задняя стенка кожуха 4 снабжена отверстиями 22, расположенными по окружности вокруг оси установки и предназначенными для сброса избыточной текучей среды.
Отверстия 22, предназначенные для сброса избыточной текучей среды, могут быть выполнены перекрываемыми, например, с помощью кранов. После наполнения кожуха текучей средой и в начале работы установки краны могут открываться. Более того, с помощью кранов может изменяться режим работы установки за счет изменения давления внутри ее.
Установка работает следующим образом.
При подаче высоконапорной текучей среды в нагнетательную камеру 9. она через сопла 12 впрыскивается под давлением в вихревую камеру 14, где струи, вытекающие из сопел ускоряют среду, находящуюся в канале и создают поток 24 на входе в эжектор. Более того, за счет отклонения сопел в потоке среды создается вихрь. Возникающий вихрь создает в области канала вокруг центрального тела разрежение, благодаря чему создается дополнительный поток, усиливающий поток 24, устремляющийся в канал. Поток среды в канале смешивается с эжектирующей средой из сопел, получает дополнительную энергию и превращается в вихревой ускоренный поток. Вихревой поток поступает на турбину, где он, проходя осевые ступени 16 и радиальную ступень 20, срабатывается, после чего выбрасывается в канал, образованный между корпусом 1 и внутренней поверхностью кожуха 4 в виде потока 25 и поступает на вход эжектора, увеличивая мощность входного потока 24.
Таким образом, на турбине создается механическая энергия, которая может быть использована различными потребителями, в том числе и для получения электроэнергии.
Создание разрежения в потоке текучей среды в вихревом эжекторе и использование кинетической энергии потока, прошедшего турбину и подаваемого на вход вихревого эжектора, позволяет повысить К.П.Д. установки, что приводит к снижению себестоимости получаемой механической энергии.