Способ шумоглушения и устройство для утилизации акустической энергии в выхлопных системах энергетических установок
METHOD OF ACOUSTIC SUPRESSION AND DEVICE FOR ACOUSTIC ENERGY UTILISATION IN EXHAUST SYSTEMS OF ENERGY INSTALLATIONS

Изобретение относится к двигателестроению, компрессоростроению и энергосбережению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания, поршневым компрессорным машинам, устройствам шумоглушения и утилизации акустической энергии из газовых осциллирующих потоков в выхлопных системах энергетических установок.
Из существующего уровня техники известны устройства утилизации акустической энергии, основанные на преобразовании энергии акустической волны в перемещение воспринимающей мембраны с дальнейшим преобразованием возвратно-поступательного движения мембраны в электрическую энергию в линейных электрогенераторах (заявка на патент RU №94028915, МПК E04B 1/86, опубл. 20.05.1996; заявка на патент RU №94028633, МПК E04B 1/82, опубл. 20.05.1996) или с помощью пьезоэлементов (патент№CN 204013282U, МПК H02J 7/00, H02N 2/18, опубл. 10.12. 2014). Они содержат в первом случае гибкую деформируемую мембрану, соединенную штоком с якорем линейного электрогенератора, снабженным постоянным магнитом, и статор. Во втором случае акустическая волна воздействует на кристалл пьезоэлемента. В обоих случаях энергия возвратно поступательного движения мембраны, воспринимающей энергию звуковой волны преобразуется в электрическую.
Недостатками этих устройств являются возвратно-поступательное движение мембраны (или штока), динамическая неуравновешенность и невысокий КПД линейных электрогенераторов.
Известны устройства, преобразующие энергию осциллирующего газового потока в электрическую. Это осуществляется за счет попеременного преобразования энергии давления в кинетическую энергию.
При этом давление газа периодически воздействует на поршень якоря линейного электрогенератора ("альтернатора" - термин изготовителя продукции) с последующим преобразованием в электрическую энергию. Эти альтернаторы применяются в термоакустических двигателях (патент US 6910332, МПК F02G 1/043, H02K 7/18, опубл. 28.06.2005).
Недостатком использования альтернатора в таких устройствах также является возвратно-поступательный характер перемещения подвижных частей, их динамическая неуравновешенность, необходимость обеспечения минимального гарантированного зазора между поршнем и цилиндром, ограниченный ресурс работы, что снижает эффективность преобразования энергии, надежность и сужает частотный диапазон.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является пульсационная турбина (патент CN №101539125, МПК F03G 7/00, опубл. 23.09. 2009), выбранная в качестве прототипа, которая содержит направляющие аппараты и рабочее колесо, которые располагаются в контуре термоакустического преобразователя.
Недостатком прототипа является ограничение возможностей по применению в составе только термоакустических преобразователей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергии знакопеременного пульсирующего потока газа за счет утилизации части его акустической энергии, что влечет за собой снижение уровня шума, а также получение дополнительной электроэнергии и повышение эффективности получения (двигатели внутреннего сгорания) или потребления (компрессоры) энергии.
Одновременно с решением задачи повышения эффективности решается задача адаптации способа преобразования акустической энергии в электрическую под конструкции серийных образцов ДВС и компрессоров, а также задача энергосбережения.
Поставленная задача решается за счет того, что согласно способу, основанному на принципе снижения уровня акустической мощности осциллирующего потока газа в выхлопной системе, акустическая волновая энергия в выхлопной системе двигателя или в выпускной магистрали сжатого газа компрессора направляется в специально организованные акустические тракты, содержащие по крайней мере одну пульсационную турбину, которая, преобразуя акустическую энергию осциллирующего газового потока в механическую и далее в электрическую энергию, отбирает часть общей акустической энергии от газа в выхлопной системе энергетической установки, в результате чего снижают уровень акустического давления в выпускном трубопроводе энергетической установки и, таким образом, реализуют двойной положительный эффект: шумоглушение и получение дополнительной энергии
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для утилизации акустической энергии в выхлопных системах энергетических установок, включающее в себя трубопроводы и пульсационные турбины, содержит по крайней мере один акустический тракт, представляющий собой трубопровод с закрытыми концами различной формы, внутри которого, в определенном месте, устанавливается пульсационная турбина, после которой акустический тракт содержит резонаторную полость, причем турбина соединена с валом электрогенератора.
Кроме того, ротор турбины служит в качестве якоря электрогенератора.
Новым для осуществления шумоглушения является не поглощение, а утилизация энергии пульсирующего газового потока и снижение акустической энергии (энергии акустических колебаний) в трубопроводах.
Новым техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение общего коэффициента полезного действия энергетической установки, снижение уровня акустической энергии в выхлопной системе энергетической установки, улучшение экологических показателей и комфорта, что особо важно при ее эксплуатации.
Существенными признаками для реализации предлагаемого способа будет использование пульсационной турбины конкретно в выхлопной системе двигателя или выпускном трубопроводе компрессора, в результате чего снижают уровень акустического давления в выпускном трубопроводе энергетической установки и, таким образом, реализуют двойной положительный эффект: шумоглушение и получение дополнительной энергии.
Существенным признаком в части самого устройства и его конструктивных особенностей является наличие присоединенного к выхлопной системе специального акустического тракта (один или несколько), внутри которого, в определенном месте, устанавливается пульсационная турбина, после которой акустический тракт содержит резонаторную полость, причем турбина соединена с валом электрогенератора, сам акустический тракт является тупиковым, что не отражается на работе самой энергетической установки.
Все это в совокупности позволяет снизить уровень акустического давления в выпускном трубопроводе энергетической установки и, таким образом, реализовать двойной положительный эффект: шумоглушение и получение дополнительной энергии
Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, на которых изображено:
на фиг. 1 изображен общий вид устройства утилизации акустической энергии;
на фиг. 2 изображена пульсационная турбина;
на фиг. 3 представлена схема размещения трех, последовательно расположенных на выхлопном трубопроводе устройств для утилизации акустической энергии.
Устройство утилизации акустической энергии содержит акустический тракт (волновод) 1, блок пульсационных турбин 2 (одна или несколько), резонатор 3, электрогенератор 4 (может быть совмещенным с турбиной). Пульсационная турбина 2 включает электрогенератор 4, направляющие аппараты 5, рабочее колесо 6.
Устройство работает следующим образом. Звуковая волна (пульсирующий поток осциллирующего газа) распространяется в канале волновода 1 в направлении пульсационной турбины 2. При этом пульсационная турбина 2 расположена в таком месте волновода 1, где амплитуда звукового давления становится близка к нулю, а скорость осциллирующего потока максимальной. Преобразуя кинетическую энергию прямого потока газа на турбине 2 в механическую энергию, ослабленная звуковая волна распространяется в резонаторе 3, при этом кинетическая энергия осциллирующего газа преобразуется в энергию давления и в тупике резонатора скорость становится равной нулю. Отраженная волна уплотнения начинает распространяться в обратном направлении и, проходя турбину в обратном направлении, срабатывает на ней часть оставшейся кинетической энергии. Таким образом, отводя на турбину часть энергии, осциллирующий газовый поток теряет часть акустической энергии, и уровень шума снижается. В то же время вырабатываемая пульсационной турбиной 2 электроэнергия может быть использована на собственные нужды основной энергетической установки, либо для освещения, либо для других целей.
Решение указанных технических задач в предлагаемом изобретении позволит получить дополнительную электроэнергию, снизить уровень акустической энергии в выхлопном тракте энергетической установки (двигателя, компрессора), уменьшить акустическую нагрузку на основную систему шумоглушения и динамическую нагрузку на трубопроводы, повысить надежность и ресурс систем выхлопа и шумоглушения.
Таким образом, в предложенном устройстве в комплексе решаются задачи энергосбережения, экологичности и ресурса для энергетических установок.