ПАРОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
STEAM POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым электростанциям и может быть применено как альтернатива паротурбинным энергетическим установкам. В частности, на малых электростанциях, использующих местные виды топлива (торф, отходы деревопереработки и пр.).
Применение мощных паротурбинных энергетических установок оправдано на крупных тепловых электростанциях, для малых же они оказываются слишком дороги и сложны в обслуживании. Применяемые для этой цели дизельные двигатели используют дорогостоящее и к тому же, как правило, привозное топливо.
Целью изобретения является создание конструктивно простой и, следовательно, дешевой, энергетической установки для получения электроэнергии, использующей дешевые, местные виды топлива.
Поставленная цель достигается тем, что в применяемой паровой энергетической установке, содержащей свободнопоршневой двигатель, установленный вертикально в колодец с опорой на воздушную подушку, с кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности, расположенным вне рабочего цилиндра двигателя и соединенным с демпферной камерой двигателя двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, по изобретению, на боковой поверхности рабочего цилиндра двигателя имеются щелевые продувочные окна, соединенные двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, с конденсатором водяного пара, а головная часть рабочего цилиндра двигателя соединена двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, с паровым котлом. Кроме того, рабочий цилиндр двигателя утяжелен балластным грузом, а его демпферная камера может быть заполнена как воздухом, так и водородом, гелием или водяным паром, с давлением выше атмосферного.
На фиг. 1 изображена паровая энергетическая установка (далее ПЭУ) в рабочем положении, с вертикальным расположением свободнопоршневого двигателя (далее СПД). На фиг. 2 Вид А.
ПЭУ включает в себя. СПД 1, с рабочим цилиндром 2 со свободным поршнем 3 внутри и опорным поршнем 4 снизу рабочего цилиндра 2. В нижней части рабочего цилиндра 2 и соосно с ним, находится демпферная камера 5, которая посредством двухзвенного трубопровода 6 соединяется с кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности (далее КПМ) 7. Звенья трубопровода 6 стыкуются с использованием шарниров 8. КПМ 7 включает в себя цилиндр 9 с поршнем 10 и кривошипом 11 внутри. На боковой поверхности цилиндра 2 имеются щелевые продувочные окна 12 с золотниковым клапаном 13, заключенным в камеру 14, которая посредством трубопровода 15 соединяет рабочий цилиндр 2 с конденсатором водяного пара 16. В головной части цилиндра 2 установлен клапан 17, заключенный в камеру 18, которая посредством трубопровода 19 соединяет рабочий цилиндр 2 с паровым котлом 20. Кривошип 11 кинематически соединен с электрогенератором 21 способным работать в режиме электродвигателя. Опорный поршень 4 установлен в колодец 22 с давлением воздуха под ним выше атмосферного (воздушная подушка). Рабочий цилиндр 2 утяжелен балластным грузом 23 (вариант - армированный бетон). Между стенками демпферной камеры 5 и цилиндра 2, под стенками поршня 3, находится вакуумная камера 24. Трубопроводы 15 и 19 взаимодействуют со стояками 25 и 26, смонтированными на мачтах решетчатой конструкции (не показаны).
ПЭУ функционирует следующим образом. С помощью компрессора (не показан) в демпферной камере 5 создается рабочее давление (5÷10 ат), которое поднимает поршень 3 в крайнее верхнее положение, с упором в головку рабочего цилиндра 2. Далее, открывается клапан 17 и из парового котла 20 по трубопроводам 26 и 19 в цилиндр 2 поступает порция «свежего» пара. Под давлением пара поршень 3 разгоняется вниз, сжимая газ (много вариантов) в демпферной камере 5, с одновременным закрытием клапана 17. Нарастающее давление газа по тубопроводу 6 передается в цилиндр 9 КПМ 7, приводя в движение поршень 10 и кинематически с ним связанный кривошип 11, который устанавливается в нужное стартовое положение электрогенератором 21, работающем в режиме электродвигателя. При этом, ход поршня 10 осуществляется со сдвигом по фазе на 90 относительно хода поршня 3 (т.е. когда поршень 3 движется из одного среднего положения в другое с проходом через верхнюю «мертвую» точку, поршень 10 движется из нижней «мертвой» точки к верхней. Синхронизация обеспечивается системой автоматического регулирования (не показана) и работой электрогенератора - электродвигателя 21. После остановки поршня 3 (давлением газа в демпферной камере 5) в нижней «мертвой» точке, вращательным движением золотникового клапана 13, открываются продувочные окна 12 и внутренняя полость цилиндра 2 посредством трубопроводов 15 и 25 соединяется с конденсатором 16, с падением давления пара до 0,05÷0,1 ат. После подъема поршня 3 до уровня продувочных окон 12, последние перекрываются клапаном 13 и поршень 3, продолжая движение по инерции, производит сжатие остаточного пара в головной части цилиндра 2, с одновременным падением скорости. При достижении поршнем 3 положения близкого к верхней мертвой точке открывается клапан 17, с вводом в цилиндр 2 очередной порции «свежего» пара и процесс повторяется. Для уменьшения амплитуды продольных перемещений СПД во время работы, цилиндр 2 утяжеляется балластным грузом 23. А для снижения аэродинамических потерь энергии при движении поршня 3, под его боковыми стенками, в камере 24, создается разрежение воздуха с помощью вакуумного насоса (не показан).
На листе 5 приведены расчетные характеристики лишь одного из вариантов исполнения ПЭУ. Размеры его основных конструктивных элементов (цилиндра 2 и поршня 3) могут быть изменены в широких пределах, как в сторону увеличения, так и уменьшения. С изменением величины вырабатываемой мощности.
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Наружный диаметр рабочего поршня - 1000 мм
Ход рабочего поршня 5000÷10000 мм
Скорость движения поршня (средняя) 30÷80 м/с
Давление «свежего» пара 90÷240 ат
(температура 480÷560°С)
Развиваемая мощность 2000÷5000 л.с.
Эффективное КПД 25÷40%
Столь высокий, по меркам обычных одноцилиндровых паровых машин, КПД и большая развиваемая мощность, объясняются высокими исходными параметрами рабочего тела (перегретый водяной пар) и высокой скоростью - движения поршня (обеспечивается отсутствием прямой механической связи между ним и кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности). А также, почти полным расширением рабочего тела (до давления 0,05÷0,1 ат, что обеспечивается большим ходом свободного поршня), недостижимым в обычных одноцилиндровых паровых машинах. И высоким механическим КПД (обеспечивается отсутствием боковых нагрузок на свободный поршень и мало меняющейся в процессе работы нагрузке на кривошип).