АВТОНОМНАЯ БЕСТОПЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для производства электроэнергии с использованием нетрадиционных возобновляемых источников, а именно для преобразования в электрическую энергию энергии воздушного потока, а более конкретно - энергии искусственно образуемого вакуума и вихря смерчевого типа. Полезная модель может быть использована во многих областях народного хозяйства в качестве двигательной, или генераторной, или оросительно-дождевой установки. Может найти применение в жилищно-коммунальном хозяйстве в качестве автономного теплоэлектрогенератора, на транспорте, в летательных аппаратах, на морских судах.
Известны устройства, предназначенные для производства электроэнергии с использованием нетрадиционных возобновляемых источников, в которых энергия воздушного потока воздуха, возникающая в результате естественной разности давления воздуха над поверхностью земли и на высоте, преобразуется в электрическую энергию. Так, устройство для выработки электроэнергии, защищенное патентом РФ на изобретение №2225949, МПК F03G 7/04, содержит вертикально установленный корпус с внутренним каналом переменного сечения. В верхнем и нижнем сечениях канал расширен, а в средней части корпуса канал сужен, и здесь размещена турбина, снабженная конусообразной насадкой в нижней части. Турбина соединена с цилиндрическим ротором электрогенератора, который выполнен магнитным или с обмоткой возбуждения. Внутренний канал с верхнего торца корпуса открыт, а в нижней части корпуса выполнены отверстия для регулируемого притока воздуха. Для регулирования притока воздуха служит система управления. Система управления имеет также электронную часть для стабилизации параметров электрического тока. Статор электрогенератора выполнен в виде двух цилиндрических обечаек, снабженных электрическими обмотками и закрепленных на корпусе коаксиально с обеих сторон от ротора. Ротор установлен на магнитной подвеске, магнитная площадка которой прикреплена к корпусу под нижней магнитной частью ротора и имеет с ней ту же
полюсность. В верхней части ротора и на корпусе установлены магнитные ограничители для избежания перекоса ротора относительно статора, а над верхним торцом корпуса установлен с возможностью вертикального перемещения защитный колпак. Воздух, поступающий через отверстия в нижней части корпуса, поднимается вверх по внутреннему каналу и увеличивает свою скорость за счет сужения канала и наличия конусообразной насадки перед турбиной. Турбина потоком воздуха раскручивает ротор, и в обмотках статора возникает переменный электрический ток, который стабилизируется системой управления. Устройство по патенту на изобретение №2225949 позволяет получить дешевую электроэнергию в сравнении с традиционными устройствами для выработки электроэнергии и экологически чистым путем. Однако имеет усложненную конструкцию и завышенные габариты за счет наличия двух статоров с расположенным между ними ротором. Причем для повышения мощности устройства необходимо увеличивать размеры устройства: высоту до сотен метров, размеры ротора до нескольких метров, что еще более усложняет конструкцию устройства, повышает габариты и создает сложности при монтаже устройства. Автономное электрогенерирующее устройство по патенту РФ на изобретение №2301355, МПК F03G 7/04, содержит силовой блок, систему создания потока воздуха через силовой блок и блок стабилизации и регулирования выходного напряжения. Силовой блок выполнен в виде цилиндрического, полого, вертикально установленного корпуса, внутри которого размещен статор электрического генератора. Внутри корпуса на вертикальном валу установлена многоступенчатая пропеллерная турбина с охватывающим ее ротором электрического генератора. Электрический генератор выполнен магнитным или с обмотками возбуждения. Вертикальный вал турбины установлен на верхней, расположенной выше ротора, и нижней, расположенной ниже ротора, магнитных опорах. Каждая магнитная опора состоит из основания с конусной полостью и конуса, расположенного в конусной полости и обращенного к ней одинаковым полюсом. Магнитные опоры обеспечивают центровку ротора относительно статора. Система создания потока воздуха состоит из двух частей. Нижняя часть предназначена для крепления на ней силового блока и обеспечения ламинарного режима подвода воздуха к пропеллерной турбине. Верхняя часть системы создания потока воздуха выполнена в виде трубы из жесткого или мягкого воздухонепроницаемого материала. В последнем случае верхняя часть снабжена растяжками и внутренними перемычками для фиксации положения ее относительно силового блока и образованными в стенке верхней части полостями из газонепроницаемого материала, заполненными газом легче воздуха. Полости
соединены с резервуаром, содержащим запас газа. Блок стабилизации и регулирования выходного напряжения изготавливается в зависимости от назначения устройства. Устройство обеспечивает экологически безопасное получение электроэнергии различной мощности, поскольку она вырабатывается в силовом блоке за счет преобразования кинетической энергии воздушного потока. В сравнении с устройством для выработки электроэнергии, защищенном патентом РФ на изобретение №2225949, автономное электрогенерирующее устройство по патенту РФ на изобретение №2301355 имеет более простую электрогенерирующую конструкцию. Модульное исполнение позволяет легко собрать и запустить устройство в работу. Однако, как и в предыдущем решении, для повышения мощности устройства необходимо увеличивать размеры устройства: высоту до сотен метров, размеры диаметра ротора до нескольких метров (при мощности устройства от десятков кВт высота устройства должна быть несколько десятков метров при диаметре ротора до 2 метров, при мощности до нескольких МВт высота - сотни метров, диаметр ротора до 10 метров). Все это усложняет конструкцию устройства, повышает его габариты и затрудняет монтаж. Кроме того, сложно обеспечить вращение ротора больших размеров путем регулирования расхода воздуха.
Из уровня техники известно устройство для получения электроэнергии из тепла воздуха окружающей среды, защищенное патентом Российской Федерации на изобретение №2160850, МПК F03G 7/04, которое предназначено для выработки электроэнергии за счет вихря типа смерч-торнадо в вертикально расположенной трубе, используя разность температур и давлений над земной поверхностью. По технической сути и достигаемому результату это устройство наиболее близкое к заявляемому устройству по трем вариантам и принято за прототип для каждого заявляемого варианта. Устройство по патенту №2160850 содержит закрепленные на опоре вертикальную цилиндрическую трубу (корпусную оболочку) с воронкообразным раструбом в нижней части и воронку, установленную горлышком вверх соосно с трубой и с зазором между раструбом и поверхностью воронки. На входе в зазор между раструбом и поверхностью воронки установлена кольцевая заслонка с направляющими, проходящими сквозь отверстия в опоре и соединенными, по меньшей мере, с тремя пневмо- или гидроцилиндрами, в выходном патрубке которых размещен дроссель. Воронка и воронкообразный раструб являются направляющими для формирования вихревого потока воздуха окружающей среды, засасываемого через зазор при открытой заслонке. В верхней части трубы расположены соосные с ней ветряной двигатель
(турбина, ротор) с электрогенератором. В проточной части устройства размещены три горелки. Одна горелка расположена в нижней части воронки соосно с ней, вторая - по периферии горлышка воронки, а третья - в нижней части трубы после воронкообразного раструба. Вторая и третья горелки выполнены в виде, по меньшей мере, трех патрубков, дающих факел пламени, направленный против часовой стрелки при виде сверху, по касательной к стенкам воронки и трубы. Причем патрубки третьей горелки размещены в кольцевой канавке, выполненной с наклоном в стенке трубы. Запуск устройства осуществляется при открытой заслонке и горении горелок. По сути горелки и заслонка с направляющими, соединенными с пневмо- или гидроцилиндрами, являются пусковым устройством. Горелки предназначены для формирования начального вихревого потока. Мощный поток горячих газов, образующихся при горении топлива, устремляется вверх, а расположение горелок способствует его вращению. Давление газа в трубе становится ниже атмосферного и воздух окружающей среды через зазор засасывается внутрь трубы. Образованный воздушный вихрь вращает турбину и электрогенератор. Искусственно созданный смерч-торнадо самоподдерживается, вырабатывая электроэнергию из тепловой энергии воздуха из окружающей среды. Конструкция устройства по прототипу в сравнении с предыдущими аналогами более проста. Кроме этого, расширена область его применения. Однако, для запуска и работы устройства необходимо обязательное потребление топлива. К тому же работа устройства зависит от температуры окружающего воздуха (при низких температурах требуется подогрев воздуха). Использование устройства по прототипу может быть только в вертикальном положении. К основным недостаткам устройства по прототипу следует отнести невозможность получения высокой скорости воздушного потока, а следовательно и повышения мощности устройства, поскольку мощность устройства пропорциональна скорости воздушного потока. Указанные недостатки снижают эффективность и экономичность устройства и ограничивают область его применения.
Задача полезной модели - еще более упростить конструкцию и одновременно с этим повысить эффективность и экономичность устройства с расширением области его применения.
Технический результат, получаемый при реализации заявляемой автономной бестопливной энергетической установки по каждому из вариантов и позволяющий решить поставленную задачу, заключается в создании искусственного вакуума и вихря типа смерча, которые обеспечивают засасывание воздуха из окружающей среды за счет
создаваемой разности давлений воздуха, разгон воздуха до больших скоростей, обеспечивающий выработку полезной энергии, используемой по назначению (электроэнергии, вырабатываемой за счет постоянного вращения турбины, статической энергии, тепловой энергии, энергии для вращения двигателя, для искусственно созданного дождя и т.д.). Искусственно созданные вакуум и вихрь-смерч самоподдерживаются, вырабатывая полезную энергию из тепла, содержащегося в воздухе окружающей среды.
Указанный технический результат достигается предложенной полезной моделью следующим образом.
По первому варианту заявляемая установка, как и прототип, содержит корпусную оболочку, воздушную турбину, установленную внутри оболочки соосно с ней и с возможностью вращения, пусковое устройство, включающее заслонку, и направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения. В отличие от прототипа корпусная оболочка заявляемой установки по первому варианту выполнена из двух сопел Лаваля, направленных друг к другу расширяющимися выходными отверстиями и жестко состыкованных между собой через цилиндрический патрубок. Пусковое устройство снабжено второй заслонкой и выполнено из ресивера, соединенного через вентиль с компрессором, и указанных заслонок, которые расположены с обоих торцов ресивера. Каждая из заслонок выполнена в виде мембранного клапана, состоящего из двух плотно вставленных друг в друга цилиндрических патрубков, при этом внешний патрубок выполнен из металла, а внутренний - из резины. Межстенное пространство патрубков соединено через вентиль с компрессором, а в центре мембранного клапана установлен герметизирующий стержень. Корпусная оболочка, патрубки и ресивер состыкованы между собой с помощью фланцев. Ротор воздушной турбины установлен в критическом сечении выходного сопла Лаваля и в частном случае для повышения эффективности установки для увеличения общей рабочей площади ротор воздушной турбины выполнен в виде нескольких, например трех, установленных на валу в одной плоскости концентричных колец с криволинейными лопатками, что позволяет увеличить почти пятикратно эффективную площадь воздушной турбины без установки дополнительных роторов. Диаметр критического сечения выходного сопла Лаваля несколько больше диаметра критического сечения входного сопла Лаваля. Направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения выполнены винтовыми и расположены в критических
сечениях обоих сопел Лаваля. Винтовые направляющие могут быть выполнены либо в виде короткой винтовой нарезки внутренней поверхности корпусной оболочки, либо в виде коротких металлических пластин, закрепленных на валиках, расположенных в теле корпусной оболочки, при этом сама корпусная оболочка в критическом сечении выходного сопла Лаваля снабжена зубчатым кольцом, установленным на его внешней поверхности с возможностью поворота вокруг своей оси с целью плавного регулирования шага винтовых направляющих и их фиксации в рабочем положении, и шестернями, взаимодействующими с зубчатым кольцом и жестко соединенными валиками с металлическими направляющими.
Отличием является также то, что по обе стороны или с одной стороны от критического сечения в стенке внутренней оболочки выходного сопла Лаваля выполнены соответственно полости или полость, заполняемые водой и соединенные с входным и выходным трубопроводами. Корпусная оболочка выполнена трехслойной, при этом внутренний и наружный слои из металла, а средний - из изоляционного материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Наружный слой корпусной оболочки может быть выполнен из металлической ленты. В качестве центрального герметизирующего стержня входной мембраны может быть использована водяная труба, заканчивающаяся обычным соплом Лаваля, или труба, служащая для подачи сжатого воздуха в корпусную оболочку.
По второму варианту заявляемая установка, как и прототип, содержит корпусную оболочку, пусковое устройство, включающее заслонку, и направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения. В отличие от прототипа корпусная оболочка заявляемой установки по второму варианту выполнена из двух сопел Лаваля, направленных друг к другу расширяющимися выходными отверстиями и жестко состыкованных между собой через цилиндрический патрубок. Пусковое устройство снабжено второй заслонкой и выполнено из ресивера, соединенного через вентиль с компрессором, и указанных заслонок, которые расположены с обоих торцов ресивера. Каждая из заслонок выполнена в виде мембранного клапана, состоящего из двух плотно вставленных друг в друга цилиндрических патрубков, при этом внешний патрубок выполнен из металла, а внутренний - из резины. Межстенное пространство патрубков соединены через вентили с компрессором, а в центре входного мембранного клапана установлен герметизирующий стержень. Корпусная оболочка, патрубки и ресивер герметично состыкованы и скреплены с помощью фланцев. Диаметр критического
сечения выходного сопла Лаваля несколько больше диаметра критического сечения входного сопла Лаваля. Направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения выполнены винтовыми и расположены в критических сечениях обоих сопел Лаваля. Винтовые направляющие могут быть выполнены либо в виде короткой винтовой нарезки внутренней поверхности корпусной оболочки, либо в виде коротких металлических пластин, закрепленных на валиках, расположенных в теле корпусной оболочки, при этом сама корпусная оболочка в критическом сечении выходного сопла Лаваля снабжена зубчатым кольцом, установленным на его внешней поверхности с возможностью поворота вокруг своей оси с целью плавного регулирования шага винтовых направляющих и их фиксации в рабочем положении, и шестернями, взаимодействующими с зубчатым кольцом и жестко соединенными валиками с металлическими направляющими. Выходное отверстие корпусной оболочки для уменьшения расходимости выходного потока воздуха снабжено съемной цилиндрической насадкой с параллельно установленными соплами Лаваля, каждое из которых в выходном отверстии имеет дополнительную коническую вставку. Цилиндрическая насадка с соплами Лаваля служит для разделения воздушного потока на несколько струй, а коническая вставка - для создания в каждой отдельной струе внутренней сплошной вакуумной полости.
Отличием является также то, что по обе стороны или с одной стороны от критического сечения в стенке внутренней оболочки выходного сопла Лаваля выполнены соответственно полости или полость, заполняемые водой и соединенные с входным и выходным трубопроводами. Оболочка выполнена трехслойной, при этом внутренний и наружный слои из металла, а средний - из изоляционного материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Наружный слой корпусной оболочки может быть выполнен из металлической ленты. В качестве центрального герметизирующего стержня входной мембраны может быть использована водяная труба, заканчивающаяся обычным соплом Лаваля, или труба для подачи сжатого воздуха в корпусную оболочку.
По третьему варианту заявляемая установка, как и прототип, содержит корпусную оболочку, воздушную турбину, установленную внутри оболочки соосно с ней и с возможностью вращения, входную заслонку и направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения.
В отличие от прототипа установка по третьему варианту снабжена второй, выходной, заслонкой, а оболочка выполнена в виде двух жестко состыкованных расширяющимися выходными отверстиями через цилиндрический патрубок сопел Лаваля. Диаметр критического сечения выходного сопла Лаваля несколько больше диаметра критического сечения входного сопла Лаваля. Каждая из заслонок выполнена в виде мембранного клапана, состоящего из двух плотно вставленных друг в друга патрубков, соединенных между собой и с оболочкой с помощью фланцев, при этом внешний патрубок выполнен из металла, внутренний - из резины. Межстенное пространство патрубков соединено через вентиль с компрессором. Входной мембранный клапан установлен перед критическим сечением входного сопла Лаваля и снабжен в центральной части трубой для первоначальной подачи сжатого воздуха в корпусную оболочку. Выходной мембранный клапан установлен в выходном отверстии установки соосно с валом турбины. Воздушная турбина установлена в критическом сечении выходного сопла Лаваля. Ротор воздушной турбины в частном случае выполнения состоит из нескольких, например трех, установленных на валу в одной плоскости концентричных колец с криволинейными лопатками, что позволяет, как и в первом варианте, увеличить почти пятикратно эффективную площадь турбины без установки дополнительных роторов. Направляющие для придания воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения выполнены винтовыми и расположены в критическом сечении обоих сопел Лаваля.
Винтовые направляющие могут быть выполнены в виде винтовой нарезки внутренней поверхности корпусной оболочки или в виде коротких металлических пластин, закрепленных на валиках, расположенных в теле корпусной оболочки, при этом сама корпусная оболочка в критическом сечении выходного сопла Лаваля снабжена зубчатым кольцом, установленным на его внешней поверхности с возможностью поворота вокруг своей оси с целью плавного регулирования шага винтовых направляющих и их фиксации в рабочем положении, и шестернями, взаимодействующими с зубчатым кольцом и жестко соединенными валиками с металлическими направляющими.
По обе стороны или с одной стороны от критического сечения в стенке внутренней оболочки выходного сопла Лаваля выполнены соответственно полости или полость, заполняемые водой и соединенные с входным и выходным трубопроводами. Оболочка выполнена трехслойной, при этом внутренний и наружный слои из
электропроводного материала, а средний - из изоляционного материала. Наружный слой корпусной оболочки может быть выполнен из металлической ленты.
По четвертому варианту заявляемая установка, как и прототип, содержит корпусную оболочку, электрогенератор, входную заслонку и направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения.
В отличие от прототипа установка по четвертому варианту дополнительно содержит еще не менее трех корпусных оболочек, идентичных первой, при этом каждая корпусная оболочка снабжена выходной заслонкой, а сама корпусная оболочка выполнена в виде двух жестко состыкованных расширяющимися выходными отверстиями через цилиндрический патрубок сопел Лаваля, при этом каждая из заслонок выполнена в виде мембранного клапана, состоящего из двух плотно вставленных друг в друга цилиндрических патрубков, соединенных между собой и с оболочкой с помощью фланцев, при этом внешний патрубок выполнен из металла, внутренний - из резины, а межстенное пространство патрубков соединено через вентиль с компрессором, кроме этого, входной мембранный клапан установлен перед критическим сечением или в критическом сечении входного сопла Лаваля и снабжен в центральной части соплом для подачи воздуха в оболочку, а направляющие для придания движущемуся воздуху, засасываемому из окружающей среды, вращательного движения выполнены в виде винтовых канавок, которые выполнены в критических сечениях на внутренней поверхности обоих сопел Лаваля корпусной оболочки, кроме этого, корпусные оболочки установлены с помощью консолей на одном валу ротора электрогенератора по окружности, причем попарно и соосно друг другу, пары размещены по окружности симметрично, а корпусные оболочки в каждой паре удалены друг от друга на расстояние, обеспечивающее беспрепятственное поступление воздуха с выхода первой в паре корпусной оболочки на вход второй. Каждая корпусная оболочка в частном случае выполнена трехслойной, при этом внутренний и наружный слои из электропроводного материала, а средний - из изоляционного материала с высокой диэлектрической проницаемостью, а вал ротора электрогенератора снабжен двумя контактными кольцами со щетками для снятия электрических зарядов.
Совокупность признаков, характеризующих заявляемую полезную модель в каждом из четырех вариантов, в известных источниках информации не обнаружена, что
подтверждает новизну заявляемой автономной бестопливной энергетической установки по каждому из вариантов.
Принцип получения энергии во всех четырех вариантах предусматривает создание устойчивой самоподдерживающейся высокоскоростной воздушной струи внутри открытой с двух концов протяженной полости из состыкованных сопел Лаваля, образование этой струей вокруг себя внешнего вакуума, приведение этой струи во вращение, создание за счет его дополнительно вихревой вакуумной воронки и вращение полученной воздушной струей электрогенератора или использование полученной энергии для преобразования в механическую или тепловую энергию.
Таким образом, все четыре варианта заявляемого устройства объединены единым творческим замыслом, поскольку имеют одно и то же назначение, построены на одном и том же принципе действия и при их реализации достигается один и тот же технический результат.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен общий вид заявляемой установки перед ее запуском (при закрытых мембранных клапанах) по первому варианту.
На фиг.2 - та же установка в рабочем режиме (при открытых мембранных клапанах).
На фиг.3 установка по первому варианту с полостями для воды в стенке выходного сопла Лаваля.
На фиг.4 - общий вид установки по второму варианту (бестурбинный вариант).
На фиг.5 - общий вид заявляемой установки перед ее запуском (при закрытых мембранных клапанах) по третьему варианту.
На фиг.6 изображена трехкольцевой ротор воздушной турбины.
На фиг.7 показано кинематическая связь зубчатого кольца с винтовыми направляющими по первому, второму и третьему вариантам.
На фиг.8 - общий вид заявляемой установки по четвертому варианту.
По первому варианту автономная бестопливная энергетическая установка содержит корпусную оболочку, которая выполнена из двух сопел Лаваля 1, 2,
направленных друг к другу выходными отверстиями и состыкованных между собой через цилиндрический патрубок 3 (фиг.1, 2, 3,). Угол конусности сопел Лаваля 1, 2 не превышает 15 градусов. Критическое сечение выходного сопла Лаваля 2 выполнено большего диаметра по сравнению с диаметром критического сечения сопла Лаваля 1. В критическом сечении выходного сопла Лаваля 2 установлена многокольцевая турбина 4 с криволинейными фрезерованными лопатками 5 (фиг.6). К входу корпусной оболочки с помощью фланцев жестко закреплено пусковое устройство. Оно содержит ресивер 6 и два мембранных клапана 7, 8 (фиг.3). Ресивер 6 соединен через вентиль 9 с компрессором (на чертеже не показан). Мембранные клапаны 7, 8 расположены с обоих торцов ресивера 6. Каждый мембранный клапан состоит из двух плотно вставленных друг в друга патрубков 10, 11 и центрального стержня 12, обеспечивающего надежную герметизацию мембраны в ее центре (на фиг.1, 2, 3 показано для клапана 8, второй клапан выполнен аналогично). В качестве центрального стержня 12 мембранного клапана 8 может быть использована водяная труба, заканчивающаяся соплом Лаваля, или труба для подачи в корпусную оболочку сжатого воздуха (на чертеже не показано). Внешний патрубок 10 (фиг.3) выполнен из металла, а внутренний патрубок 11 выполнен из резины. Межстенные пространства патрубков мембранных клапанов 7, 8 соединены через вентили 13, 14 с компрессорами (на чертеже не показаны). Корпусная оболочка, патрубки и ресивер 6 герметично состыкованы и скреплены с помощью фланцев. На внутренних поверхностях критических сечений сопел Лаваля 1, 2 нарезаны винтовые канавки, которые выполняют функцию винтовых направляющих для придания воздуху, засасываемому из окружающей среды, вихревого движения. Винтовые направляющие в критическом сечении выходного сопла Лаваля 2 могут быть выполнены в виде коротких металлических пластин, закрепленных на валиках 15, расположенных в теле корпусной оболочки. В этом случае на внешней поверхности сопла Лаваля 2 установлено съемное зубчатое кольцо 16 с возможностью поворота вокруг своей продольной оси для плавного регулирования шага винтовых направляющих и фиксации в рабочем положении. С зубчатым кольцом 16 связаны шестерни 17, которые жестко соединены с валиками 15 (фиг.7).
По обе стороны от критического сечения в стенке выходного сопла Лаваля 2 выполнены полости 18, 19, заполненные водой и соединенные с входным и выходным трубопроводами 20, 21 (фиг.1). Возможно выполнение одной полости 19, как показано на фиг.3. Для получения статического электричества оболочка установки может быть выполнена трехслойной, при этом внутренний 22 и наружный 23 слои должны быть
выполнены из металла, а средний, 24, - из изоляционного материала. Возможно выполнение наружного слоя 23 из тонкой металлической ленты.
Второй вариант автономной бестопливной энергетической установки по сути является бестурбинным вариантом установки по первому варианту. Аналогично как и в первом варианте установка по второму варианту содержит корпусную оболочку, которая выполнена из двух сопел Лаваля 1, 2, направленных друг к другу выходными отверстиями и состыкованных между собой через цилиндрический патрубок 3 (фиг.4). Угол конусности сопел Лаваля 1, 2 не превышает 15 градусов. Критическое сечение выходного сопла Лаваля 2 выполнено большего диаметра по сравнению с диаметром критического сечения сопла Лаваля 1. К входу корпусной оболочки с помощью фланцев жестко закреплено пусковое устройство. Пусковое устройство содержит ресивер 6 и два мембранных клапана 7, 8, как показано на фиг.3. Ресивер 6 соединен через вентиль 9 с компрессором (на чертеже не показан). Мембранные клапаны 7, 8 расположены с обоих торцов ресивера 6. Каждый мембранный клапан состоит из двух плотно вставленных друг в друга патрубков 10, 11 и центрального стержня 12, обеспечивающего надежную герметизацию мембраны в ее центре (на чертеже 1 показано для клапана 8, второй клапан выполнен аналогично). В качестве центрального стержня 12 мембранного клапана 8 может быть использована водяная труба, заканчивающаяся соплом Лаваля, или труба для подачи в корпусную оболочку сжатого воздуха (на чертеже не показано). Внешний патрубок 10 выполнен из металла, а внутренний патрубок 11 выполнен из резины. Межстенные пространства патрубков мембранных клапанов 7, 8 соединены через вентили 13, 14 с компрессорами (на чертеже не показаны). Корпусная оболочка, патрубки и ресивер 6 герметично состыкованы и скреплены с помощью фланцев. На внутренних поверхностях критических сечений сопел Лаваля 1, 2 нарезаны винтовые канавки, которые выполняют функцию винтовых направляющих для придания воздуху, засасываемому из окружающей среды, вихревого движения. Винтовые направляющие в критическом сечении выходного сопла Лаваля 2 могут быть выполнены в виде коротких металлических пластин, закрепленных на валиках 15, расположенных в теле корпусной оболочки. В этом случае на внешней поверхности сопла Лаваля 2 установлено съемное зубчатое кольцо 16 с возможностью поворота вокруг своей продольной оси для плавного регулирования шага винтовых направляющих и фиксации в рабочем положении. С зубчатым кольцом 16 связаны шестерни 17, которые жестко соединены с валиками 15 (фиг.7).
По обе стороны от критического сечения в стенке выходного сопла Лаваля 2 выполнены полости 18, 19, заполненные водой и соединенные с входным и выходным трубопроводами 20, 21 (фиг.3). Для получения статического электричества оболочка установки может быть выполнена трехслойной, при этом внутренний 22 и наружный 23 слои должны быть выполнены из металла, а средний, 24, - из изоляционного материала. Предпочтительно выполнение наружного слоя 23 из тонкой металлической ленты. Для уменьшения расходимости выходной воздушной струи выходное отверстие оболочки снабжено съемной цилиндрической насадкой 25 с несколькими параллельно установленными соплами Лаваля 26 (фиг.4). Каждое из сопел Лаваля 26 имеет дополнительную коническую вставку 27.
Автономная бестопливная энергетическая установка по третьему варианту построена на том же принципе, но имеет более упрощенную конструкцию (фиг.5). Она содержит корпусную оболочку, которая тоже, как и в первом, и во втором вариантах содержит входное и выходное сопла Лаваля 1,
2, направленные друг к другу выходными отверстиями и состыкованные между собой через цилиндрический патрубок 3. Угол конусности сопел Лаваля 1, 2 не превышает 15 градусов. Критическое сечение выходного сопла Лаваля 2 выполнено большего диаметра по сравнению с диаметром критического сечения сопла Лаваля 1. В критическом сечении выходного сопла Лаваля 2, как и в первом варианте, установлена одно- или многокольцевая турбина 4 с криволинейными фрезерованными лопатками 5 (фиг.6). Установка содержит два мембранных клапана 28, 29. Входной мембранный клапан 28 установлен в критическом сечении входного сопла Лаваля и снабжен в центральной части трубой 30 для первоначальной подачи сжатого воздуха в корпусную оболочку. Мембранные клапаны 28, 29 с трубой 30 и сама внутренняя полость корпусной оболочки, по сути, являются пусковым устройством установки по третьему варианту исполнения полезной модели. Выходной мембранный клапан 29 установлен в выходном отверстии установки соосно с валом турбины 4, который является одновременно и герметизирующим стержнем. Каждый мембранный клапан, как и в первом варианте, состоит из двух плотно вставленных друг в друга цилиндрических патрубков. Внешний патрубок выполнен из металла, а внутренний патрубок выполнен из резины. Межстенные пространства патрубков мембранных клапанов 28, 29 соединены через вентили 31, 32 с компрессорами (на чертеже не показаны). На внутренних поверхностях критических сечений сопел Лаваля 1, 2 нарезаны короткие винтовые канавки, которые выполняют функцию винтовых направляющих для придания воздуху, засасываемому из
окружающей среды, вихревого движения. Винтовые направляющие в критическом сечении выходного сопла Лаваля 2 могут быть выполнены в виде коротких металлических пластин, закрепленных на валиках 15, расположенных в теле корпусной оболочки. В этом случае на внешней поверхности сопла Лаваля 2 установлено съемное зубчатое кольцо 16 с возможностью поворота его вокруг своей продольной оси для плавного регулирования шага винтовых направляющих и фиксации в рабочем положении. С зубчатым кольцом 16 связаны шестерни 17, которые жестко соединены с валиками 15 (фиг.7). Для использования установки в качестве теплоэлектрогенератора по обе стороны от критического сечения в стенке выходного сопла Лаваля 2, как и в первом варианте, могут быть выполнены полости 18, 19, заполненные водой для ее нагрева и соединенные с входным и выходным трубопроводами 20, 21. Для получения статического электричества корпусная оболочка установки выполнена трехслойной, при этом внутренний 22 и наружный 23 слои должны быть выполнены из металла, а средний, 24, - из изоляционного материала. Возможно выполнение наружного слоя 23 из тонкой металлической ленты.
Автономная бестопливная энергетическая установка по четвертому варианту (фиг.8) содержит четыре корпусные оболочки 33, 34, 35, 36. Каждая из корпусных оболочек 33, 34, 35, 36 выполнена аналогично, как и в предыдущих вариантах, и состоит из двух сопел Лаваля 1, 2, направленных друг к другу выходными отверстиями и жестко состыкованных через цилиндрический патрубок между собой, и двух мембранных клапанов 28, 29, как показано на фиг.5. Входной мембранный клапан 28 установлен перед критическим сечением входного сопла Лаваля и снабжен в центральной части соплом 30 для закачки сжатого воздуха в корпусную оболочку. Корпусные оболочки 33, 34, 35, 36 установлены по окружности на валу 37 ротора 38 электрогенератора с помощью консолей 39, 40, 41, 42. Длина консолей 39, 40, 41, 42 выбирается из расчета беспрепятственного поступления с расчетной скоростью воздуха из окружающей среды на входы корпусных оболочек 33, 34, 35, 36 и гарантированного вращения ротора 38. Ротор 38 расположен внутри статора 43. Пара корпусных оболочек 33. 34 установлена симметрично паре 35, 36. Корпусные оболочки в каждой паре, 33 и 34, 35 и 36, установлены вблизи друг от друга для попадания воздуха, движущегося с большой скоростью из выходного отверстия оболочки 33 во входное отверстие входного сопла Лаваля 1 корпусной оболочки 34 (для симметричной им пары 35, 36 аналогично). Винтовые направляющие в критических сечениях выходных сопел Лаваля (для всех вариантов), выполненные в виде коротких металлических пластин,
закрепленных на валиках 15, схематично показаны на фиг.7 позицией 44. Винтовые направляющие в критических сечениях сопел Лаваля, выполненные в виде нарезки, схематично показаны на фиг.1, 2, 3, 4 позицией 45. Для снятия высоковольтного потенциала по четвертому варианту (фиг.8) служат металлические кольца 48, установленные на валу 37 ротора 38 через диэлектрическую втулку 49, и неподвижные щетки 46 на щеткодержателях 47.
Заявляемая четырехвариантная автономная бестопливная энергетическая установка промышленно применима, поскольку может быть многократно использована с достижением указанного технического результата. Принцип работы установки по всем вариантам базируется на создании устойчивой самоподдерживающейся высокоскоростной струи.
Сначала перед запуском установки в пространство между резиновой и металлической стенками мембранных клапанов 7, 8 (первый и второй варианты), 28, 29 (третий и четвертый варианты), а затем в ресивер 6 (в первом и втором вариантах) под давлением подают сжатый воздух. Давление сжатого воздуха в мембранном клапане 7 должно быть выше давления сжатого воздуха в ресивере 6. При заполнении сжатым воздухом мембранных клапанов 7, 8 вход в корпусную оболочку закрыт. Затем открывают вентиль 13 и из межстенного пространства патрубков мембранного клапана 7 мгновенно выпускают предварительно закачанный воздух. Воздух из ресивера 6 с большой скоростью устремляется в корпусную оболочку (сопловую конструкцию). Одновременно с началом движения воздуха из ресивера 6 открывают вентиль 14 и из межстенного пространства патрубков 10, 11 мембранного клапана 8 выпускают предварительно закачанный воздух, способствуя мгновенному открытию мембранного клапана 8 и беспрепятственному доступу атмосферного воздуха во внутрисопловое пространство. Пусковое устройство из ресивера 6 и мембранных клапанов 7, 8 служит только для запуска установки, а после запуска может быть демонтировано. В третьем и четвертом вариантах роль ресивера выполняет внутренняя полость корпусной оболочки (фиг.5). Как и в предыдущих вариантах, из межстенного пространства патрубков мембранного клапана 28 мгновенно выпускают предварительно закачанный воздух, способствуя мгновенному открытию мембранного клапана 28 и беспрепятственному выходу сжатого воздуха из полости корпусной оболочки в атмосферу. Одновременно с началом движения воздуха мгновенно открывают мембранный клапан 29, для чего из межстенного пространства патрубков мембранного клапана 29 выпускают предварительно закачанный воздух. В дальнейшем работа
установки ничем не отличается от работы установки по первому и второму вариантам. Для запуска установки во всех четырех вариантах требуется объем сжатого до нескольких атмосфер воздуха, превышающий объем внутренней полости корпусной оболочки в несколько раз. И этот запас, как показано выше, в первом и втором вариантах создается с помощью ресивера 6, а в третьем и четвертом вариантах роль ресивера выполняет сама внутренняя полость корпусной оболочки. При наличии в качестве центрального герметизирующего стержня 12 мембран 7, 8 трубы для подачи в корпусную оболочку сжатого воздуха этот процесс упрощается. Итак, в рабочую полость, образованную соплами Лаваля 1, 2 подается из ресивера или выпускается из нее определенный перепад сжатого воздуха. В сопле Лаваля 1 при достижении соотношения выходного давления к входному, равном 0,542 за критическим сечением создается сверхзвуковая воздушная струя. С этого момента расход воздуха становится максимальным, постоянным и не зависит от понижения выходного давления. Давление внутри образовавшейся сверхзвуковой воздушной струи, движущейся по инерции прямолинейно, превышает атмосферное, поэтому она продолжает расширяться, двигаясь вдоль расширяющихся стенок сопла Лаваля 1. Когда внутреннее давление воздушной струи сравняется с атмосферным, она, прекратив расширение, отрывается от расширяющейся стенки сопла Лаваля, продолжая движение по инерции. А между струей и стенкой мгновенно образуется вакуум, в который за счет эжекции втягивается входная воздушная струя из окружающего воздуха, а внутренняя (внутри корпусной оболочки) сверхзвуковая струя еще больше увеличивает свою скорость за счет резкого понижения давления снаружи струи. Для увеличения объема вакуумируемого участка служит цилиндрический патрубок 3, внутри которого сверхзвуковая воздушная струя может увеличить свою скорость в несколько раз. Входная воздушная струя, еще на подходе к критическому сечению сопла Лаваля 1 закручивается благодаря наличию винтовых направляющих. На подходе к критическому сечению сопла Лаваля 2 уже вращающаяся сверхзвуковая струя сильно разогревает контактируемую сужающуюся внутреннюю поверхность сопла Лаваля 2, для охлаждения которой предусмотрена водяная рубашка (полости 18, 19, заполненные водой), и еще больше закручивается, проходя вдоль винтовых направляющих в критическом сечении сопла Лаваля 2. Разогреваемая сужающаяся часть сопла Лаваля 2 может быть использована в качестве нагревателя воды в полостях 18, 19 и использоваться, например, для нужд коммунального хозяйства. Вращение воздушной струи с очень большой скоростью в критическом сечении сопла Лаваля 2 приводит к образованию смерчевой вакуумной воронки, создающей дополнительное разрежение внутри корпусной оболочки. Это в
свою очередь создает дополнительные благоприятные условия для дополнительного втягивания воздуха из окружающей среды. Полученная высокоскоростная вращающаяся воздушная струя раскручивает ротор воздушной турбины 4 (1, 2, 3, 5 - первый, третий варианты) и, соответственно, связанный с ней электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию (на чертежах не показан), или ротор 38 электрогенератора (фиг.8 - четвертый вариант). Для плавного регулирования параметров получаемой электроэнергии служит зубчатое кольцо 16. Посредством поворота зубчатого кольца 16 (фиг.7) вокруг своей продольной оси на несколько градусов и силового воздействия на шестерни 17 принудительно изменяется угол установки винтовых направляющих в критическом сечении выходного сопла Лаваля 2 и обеспечивается тем самым плавное регулирование числа оборотов воздушной турбины 4. В расширяющейся части выходного сопла Лаваля 2 выходящая воздушная струя вновь расширяется, давление внутри нее падает, за счет чего она увеличивает скорость, охлаждается, что еще больше способствует всасывающей способности всей установки. Таким образом, искусственный вакуум и образованный вращением струи вихрь-смерч, взаимно влияя друг на друга, работают вместе в самоподдерживающемся режиме, вырабатывая электроэнергию из тепловой энергии воздуха окружающей среды. В случае выполнения корпусной оболочки трехслойной на ее внутренней металлической стенке из-за трения воздуха и его ионизации накапливается высокий электрический потенциал. При наличии второго электрода, которым является наружный металлический слой, заявляемая установка дополнительно является источником высокого напряжения для питания безобмоточных и бесщеточных диэлектрических двигателей. Поскольку мощность установки зависит от плотности рабочего тела, по первым трем вариантам предусмотрено частичное подмешивание к воздуху воды (путем ее распыления), плотность которой в 800 раз, а теплоемкость в 4 раза больше соответственно плотности и теплоемкости воздуха. Для этого в качестве центрального герметизирующего стержня 12 мембран 7, 8 служит водяная труба, заканчивающаяся соплом Лаваля. В бестурбинном исполнении (второй вариант) такая установка может быть использована для отбора тепла от любого водоема, для возврата отработанной воды на гидроэлектростанциях в водохранилища, для подъема уровней пересыхающих водоемов. Цилиндрическая насадка 25 с параллельно установленными соплами Лаваля 26, каждое из которых в выходном отверстии имеет дополнительную коническую вставку 27, служит для уменьшения расходимости выходящей струи. При наличии такой насадки общий, уже вращающийся вокруг собственной оси, выходящий воздушный поток, обладает за счет общей скрученности большим дальнодействием и
устойчивостью. Коническая вставка 27 служит для создания в каждой отдельной струе внутренней сплошной вакуумной полости. Наличие вакуума внутри струи увеличивает ее долговечность, чему способствует и наружное атмосферное давление, сжимающее струю снаружи. Работа сопловых конструкций автономной бестопливной энергетической установки по четвертому варианту аналогична работе сопловой конструкции по первому, второму и третьему вариантам. При заполнении сжатым воздухом мембранных клапанов корпусные оболочки закрыты. При открытии одновременно входящих мембранных клапанов всех четырех корпусных оболочек 33, 34, 35, 36 (фиг.8), а затем и их выходных мембранных клапанов за счет вращения ротора 38 на входы корпусных оболочек 33, 34, 35, 36 с большой скоростью поступает дополнительно воздух из окружающей среды, облегчая запуск состыкованных через цилиндрический патрубок сопел Лаваля в работу. Кроме этого, на входы последующих в каждой паре сопел Лаваля 34, 36 поступает воздушная, уже вращающаяся, струя воздуха от предыдущих сопел Лаваля, соответственно 33, 35. Близкое расположение сопловых конструкций 33 и 34 в одной паре и 35 и 36 в другой компенсирует возможные потери напора от трения движущегося воздуха. В результате в каждой паре корпусных оболочек 33 и 34, 35 и 36 скорость вращающегося потока воздуха во второй сопловой конструкции усиливается. Возникший мощный, направленный, вращающийся и движущийся с большой скоростью поток воздуха вращает ротор 38 электрогенератора, а вместе с ним и всю конструкцию. Симметричное расположение пар 33 и 34, 35 и 36 исключает дисбаланс вращения ротора 38. Такая конструкция установки может быть использована в качестве тяговой для самолетов. Для снятия высоковольтного постоянного потенциала предусмотрено два вращающихся металлических кольца 48, отделенных от вала диэлектрической втулкой 49, и неподвижные щетки 46 на щеткодержателях 47.
Работу устройства во всех четырех вариантах можно прекратить, закрыв доступ воздуха через входящие мембранные клапаны, предпочтительно с помощью дистанционного управления.
Таким образом, поступающий на вход установки атмосферный воздух во всех четырех вариантах за счет расширения в соплах Лаваля и охлаждения на выходе создает непрерывный всасывающий самоподдерживающийся и устойчивый режим. Для его существования не требуется никакого топлива. Отобранное тепло от пропущенной через установку массы рабочего тела (воздуха из атмосферы или воздуха и воды) и является той полезной энергией, которая используется по назначению. Установка
может работать в автономном режиме независимо от температуры окружающей среды и в любом положении (вертикальном или горизонтальном). Проста в изготовлении и обслуживании. При относительно малых габаритах позволяет получать требуемую мощность. Например, по расчетам заявителя при диаметре трехкольцевого ротора воздушной турбины всего 0,4 метра установка по первому и третьему вариантам способна вырабатывать 150 кВт электроэнергии при длине установки, не превышающей 2 метра.