ЛОПАТКА И ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
BLADE AND TURBINE UNIT

Настоящее изобретение относится к лопатке для относительного перемещения в окружающей текучей среде и к турбинной установке, имеющей лопатку.
Помимо ядерных и приливных процессов вся энергия на земле может быть описана как получаемая от самого солнца, будь то непосредственно или с накоплением в течение значительных промежутков времени. Когда солнце светит на планете, энергия вызывает множество процессов - наиболее очевидны воздействия на климат, при этом хорошо известно, что жизнь, как растительная, так и животная, поддерживается этим источником. Хотя бóльшая часть солнечной энергии используется для нагрева обширной системы, окружающей солнце, большая часть солнечной энергии приводит к испарению воды, например, из больших водных масс. Это испарение обеспечивает выпадение осадков и поддерживает огромное количество водяного пара, небольшая часть которого может накапливаться с образованием конденсирующихся облаков. Обычные источники энергии возникают из хлорофильных и других органических процессов, использующих менее 1% энергии солнца.
Известно, что ветряные двигатели на возобновляемой энергии используют процессы испарения и конденсации для генерации работы и энергии. Самые последние разработки - это машина Бартона с расширением пара и предварительным нагревом и ветровая турбина EOLA. Эти машины используются для подачи энергии (Бартона) и воды (турбина EOLA) в ограниченных условиях. Двигатель Бартона требует предварительно нагретого осушенного воздуха и испарения воды с получением коэффициента полезного действия по энергии очень низкой степени, при этом она ограничена выхлопами турбины или предварительно нагретым сухим воздухом, таким как солнечные коллекторы. EOLA - это обычная воздушная турбина, присоединяемая к обычному блоку кондиционирования воздуха.
Известные устройства основаны на переменной скорости ветра и/или вторичном источнике энергии, таком как солнечная энергия, для производства энергии, что требует резервного обычного генератора энергии. Задачей настоящего изобретения является создание лопатки и турбинной установки, которая направлена, по меньшей мере частично, на преодоление указанных выше проблем и/или которая может обеспечить эффективную альтернативу для пользователей и/или промышленности.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения ясны из последующего описания, приведенного лишь в качестве примера.
Согласно настоящему изобретению заявлена турбинная лопатка для относительного перемещения в окружающей текучей среде, содержащая:
основной лонжерон, имеющий поперечное сечение в форме лопатки с верхней боковой стенкой и нижней боковой стенкой, передней кромкой, задней кромкой и средней линией, проходящей от передней кромки до задней кромки, причем перемещение лопатки относительно окружающей текучей среды таково, что окружающая текучая среда течет поверх основному лонжерону в направлении вниз по течению от передней кромки до задней кромки, и
выпускные средства, выполненные с возможностью выпуска текучей среды наружу в окружающую текучую среду, текущую поверх основного лонжерона;
отличающаяся тем, что боковая стенка основного лонжерона содержит, последовательно от передней кромки до задней кромки, первое выпуклое образование и второе выпуклое образование, при этом каждое выпуклое образование содержит первую область постепенно увеличивающегося расстояния от средней линии, вторую область постепенно уменьшающегося расстояния от средней линии и вершину на границе между первой и второй областями,
причем первая область первого выпуклого образования выполнена с возможностью взаимодействия с окружающей текучей средой для ее ускорения от высокой дозвуковой относительной скорости до звуковой относительной скорости поверх вершины первого выпуклого образования и сверхзвуковой скорости после вершины первого выпуклого образования;
при этом выпускные средства выполнены с возможностью выпуска испаряющейся текучей среды для испарения в окружающую текучую среду перед началом конденсации во второй области первого выпуклого образования, причем указанная вторая область первого выпуклого образования выполнена с возможностью взаимодействия с окружающей текучей средой для ускорения окружающей текучей среды от сверхзвуковой относительной скорости до более высокой сверхзвуковой относительной скорости;
при этом первая область второго выпуклого образования выполнена с возможностью взаимодействия с окружающей текучей средой для замедления окружающей текучей среды и поддержания ее сверхзвуковой относительной скорости поверх вершины второго выпуклого образования, и
причем выпускные средства дополнительно выполнены с возможностью выпуска конденсируемой текучей среды для захвата или образования ядра скачка конденсации в окружающей текучей среде, текущей поверх второй области второго выпуклого образования, что замедляет окружающую текучую среду от сверхзвуковой относительной скорости до дозвуковой относительной скорости и создает давление на боковой стенке и тем самым вызывает тягу на лопатке.
Настоящее изобретение обеспечивает лопатку для производства работы и энергии непосредственно из влаги в воздухе. Оно не зависит от скорости ветра, при этом его источник энергии непосредственно зависит от всегда доступной окружающей атмосферы. Дополнительно конденсированная влага является обильным источником воды и при использовании обеспечивает возможность охлаждения, кондиционирования воздуха и низкотемпературной сверхпроводимости. Наконец, остаточное тепло может быть использовано для непосредственных местных потребностей.
Характерная конструкция лопатки обеспечивает два выпуклых образования, установленных вдоль ее длины. Первое из этих выпуклых образований ускоряет поток окружающей текучей среды, пока она не достигнет скорости звука. После первого выпуклого образования число Маха продолжает увеличиваться до сверхзвуковой скорости при увеличении площади. Испаряющаяся текучая среда, такая как аэрозоль из капель воды, выпускается в окружающую среду либо вдоль спуска, либо на дне первого выпуклого образования. Они испаряются, вызывая охлаждение воздуха. Это, в свою очередь, дополнительно ускоряет окружающий поток и уменьшает давление. На втором выпуклом образовании более низкое давление вызывает тягу. Когда поток движется относительно второго выпуклого образования, число Маха уменьшается вдоль первой области, и затем увеличивается при его спуске вдоль второй области. В точке вдоль этого второго выпуклого образования число Маха достигает числа Маха конденсации. В этой точке или перед ней конденсируемая текучая среда выпускается, вызывая конденсацию содержания воды в воздухе с выделением тепла. Это вызывает уменьшение числа Маха и увеличение давления. Увеличенное давление на второй области второго выпуклого образования создает тягу, которая может быть использована для вращения ротора.
Настоящее изобретение относится к лопатке и турбинной установке, выполненной с возможностью управления конденсацией и испарением окружающего воздуха, позволяя использовать выделяемое тепло для производства работы. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено указанными выше ограничениями уровня техники и обеспечивает устройство для сбора первичной возобновляемой энергии и воды.
В дополнительном варианте осуществления изобретения испаряющаяся текучая среда выпускается перед начальным скачком конденсации, предотвращая/компенсируя его, в окружающей текучей среде, текущей поверх первого выпуклого образования.
В дополнительном варианте осуществления изобретения конденсируемая текучая среда выпускается перед возникновением скачка конденсации в окружающей текучей среде, текущей поверх второго выпуклого образования.
В дополнительном варианте осуществления изобретения выпускные средства содержат по меньшей мере одно сопло, при этом испаряющаяся текучая среда и конденсируемая текучая среда переносятся от притока к указанному или каждому соплу через систему проходов в лопатке. Переменный размер небольших отверстий для сопла или сопел обеспечивает возможность изменения скорости потока и размера капель выпускаемой текучей среды.
В дополнительном варианте осуществления изобретения основной лонжерон содержит полую полость, вмещающую рабочую текучую среду, при этом полость разделена на множество соединенных друг с другом камер.
В дополнительном варианте осуществления изобретения каждая камера содержит клапанное средство, выполненное с возможностью управления потоком рабочей текучей среды между камерами для независимой регулировки давления и/или температуры рабочей текучей среды в каждой камере.
В дополнительном варианте осуществления изобретения испаряющаяся текучая среда представляет собой одно или комбинацию из следующего: вода, жидкий азот и углеводород, такой как метанол.
В дополнительном варианте осуществления изобретения испаряющаяся текучая среда содержит частицы текучей среды, имеющие диаметр, пригодный для испарения в масштабе проектного размера турбин. Для обеспечения этого и других факторов окружающей текучей среды, размер капель может быть изменен с помощью переменного размера выходного отверстия, переменных скоростей потока и переменного давления и температуры. Эти условия определяются канальной системой, камерами и переменными размерами сопел. Центробежная сила вращающейся головки или внешнее нагнетание управляет этими условиями, вызывая сжатие газов и/или теплообмен с внешней атмосферой для управления температурой.
В дополнительном варианте осуществления изобретения конденсируемая текучая среда содержит частицы текучей среды, которые охлаждены, статически заряжены, такие как капли воды, соляного раствора и частицы льда.
В дополнительном варианте осуществления изобретения окружающая текучая среда представляет собой влажный воздух.
В дополнительном аспекте изобретения заявлена турбинная установка, имеющая по меньшей мере одну лопатку по любому из предыдущих пунктов формулы изобретния, причем установка содержит:
вал турбины и по меньшей мере один ротор, проходящий в осевом направлении от вала, при этом на концевой части каждого ротора расположена лопатка,
систему проходов внутри вала и каждого ротора, через которые обеспечена возможность подачи испаряющейся и конденсируемой текучих сред к лопатке,
причем каждый ротор выполнен с возможностью взаимодействия с окружающей текучей средой для вращения так, что передняя кромка лопатки перемещается через окружающую текучую среду для вращения тем самым вала турбины.
Турбинная установка по настоящему изобретению использует запас энергии, созданный процессами испарения и конденсации, для обеспечения энергии, которая может быть преобразована в электричество или другие используемые формы энергии. Таким образом, турбинная установка может генерировать энергию из атмосферы, используя содержание воды в воздухе в качестве источника энергии. При работе в сухом климате конденсированная вода, получаемая в качестве выхода, может быть уловлена и использована для целей орошения.
Настоящее изобретение, таким образом, обеспечивает генерацию работы и энергии непосредственно из влаги в воздухе. Оно не зависит от скорости ветра, при этом его источник энергии непосредственно зависит от всегда доступной окружающей атмосферы. Конденсированная влага является обильным источником воды, при этом холодная внутренность обеспечивает возможность охлаждения, кондиционирования воздуха и низкотемпературной сверхпроводимости. Остаточное тепло может быть использовано для непосредственных местных потребностей.
В дополнительном варианте осуществления изобретения принудительный скачок конденсации предназначен для конденсации частиц текучей среды в окружающей текучей среды, при этом лопатка может быть выполнена с возможностью отклонения конденсированной текучей среды внутрь по меньшей мере одного сборного средства установки.
В дополнительном варианте осуществления изобретения сборное средство содержит один или более из:
каналов, выполненных в канальной системе, через которые обеспечена возможность течения содержания конденсированной текучей среды внутрь сборной камеры;
сборной поверхности корпуса, сетки или другой поверхности, окружающей турбину, от которой содержание конденсированной текучей среды отклоняется внутрь сборной камеры; и
одной или более циклонных или вихревых трубок и сборной камеры для сбора содержания конденсированной текучей среды вдоль вала турбины.
В дополнительном варианте осуществления изобретения турбина дополнительно содержит средство преобразования энергии для преобразования энергии, генерируемой вращающимся валом турбины, в электрическую и/или механическую энергию.
В дополнительном варианте осуществления изобретения средство преобразования энергии расположено в корпусе турбинной установки, при этом вал соединен с корпусом, причем в корпусе расположены проводящие обмотки средства преобразования энергии для генерирования электрической энергии.
В настоящем изобретении заявлен двигатель, выполненный с возможностью производства энергии и содержащий трансзвуковые лопатки или тела вращения, опционально имеющие роторы и осевую втулку. Лопатки или тела вращения имеют сверхзвуковую выемку вблизи уменьшения поперечного сечения и на минимуме поперечного сечения или перед ним, в которой испаряющийся аэрозоль или охлаждающий газ вводится через сопло. Это выполнено для уменьшения давления на последующем увеличении поперечного сечения. На или около максимума поперечного сечения может быть введен дополнительный аэрозоль для образования ядра последующей конденсации. После максимума поперечного сечения уменьшение поперечного сечения вызывает скачок конденсации. Предварительно введенный жидкий аэрозоль обеспечивает ядра для захвата этих неустойчивых капель. Эти жидкости, обычно вода или газы, могут быть перенесены от втулки на лопатки или тела вращения с помощью роторов с подходящей внутренней канальной системой. Скачок конденсации завершает сверхзвуковую выемку и возвращает воздушный поток в дозвуковой режим, создавая давление на задней части устройства.
Данный двигатель может быть использован для производства энергии, для получения осевой работы от втулки, для поддержания вращения роторов, для извлечения конденсированной воды, для использования в очень холодных условиях на верхних частях для целей кондиционирования воздуха и низкотемпературной сверхпроводимости, или для использования подачи центробежным насосом вращающегося устройства.
Осуществление изобретения
Изобретение будет более понятно из последующего описания некоторых вариантов его осуществления, приведенного лишь в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - вид в аксонометрии лопатки согласно изобретению;
Фиг. 2 - вид с торца лопатки с фиг. 1;
Фиг. 2a - схематическое изображение тела вращения лопатки с фиг. 1, 2;
Фиг. 3 - схематический вид сбоку лопатки с фиг. 1;
Фиг. 4 - вид в аксонометрии турбины, содержащей лопатку с фиг. 1-3;
Фиг. 5 - детальный вид в аксонометрии в разрезе части турбины с фиг. 4;
Фиг. 6 - вид в аксонометрии сборного устройства для воды, в котором установлена турбина с фиг. 3;
Фиг. 7a-7c - виды в аксонометрии, показывающие поток воды в турбинной установке с фиг. 3;
Фиг. 8 - график, показывающий профили числа Маха в устойчивых условиях со сверхзвуковым потоком через среднюю секцию лопатки;
Фиг. 9 - график, показывающий профили числа Маха в неустойчивых условиях с дозвуковым потоком через среднюю секцию лопатки;
Фиг. 10 - график, показывающий изменение давления через сопло для различных давлений на выходе;
Фиг. 11 - схематический вид, показывающая геометрическую конструкцию лопатки, используемой в турбине с фиг. 3;
Фиг. 12 - таблица, показывающая число Маха после конденсации с изменяющейся температурой и влажностью для охлаждения на 10 К;
Фиг. 13 - таблица глубины углубления с изменяющейся температурой и влажностью для охлаждения на 10 К;
Фиг. 14 - таблица, показывающая входные параметры для расчета тяги турбинной установки;
Фиг. 15 - график, показывающий профили числа Маха до начала испарения;
Фиг. 16 - график, показывающий профили числа Маха после испарения, показывающий область, где происходит испарение;
Фиг. 17 - график, показывающий профили числа Маха после конденсации, показывающий область, где происходит конденсация;
Фиг. 18 - график, показывающий профили числа Маха после увеличения давления на выходе до атмосферного и показывающий ударную волну после конденсации, и
Фиг. 19 - график, показывающий рабочий цикл для цикла Брайтона.
Со ссылкой на чертежи, сначала на фиг. 1, 2, показана турбинная лопатка, обозначенная в целом номером позиции 1, для относительного перемещения в окружающей текучей среде, такой как влажный воздух. Лопатка 1 содержит основной лонжерон 2, имеющий форму поперечного сечения лопатки с верхней боковой стенкой, обозначенной в целом номером позиции 3, и нижней боковой стенкой, обозначенной в целом номером позиции 4, с передней кромкой 5 и задней кромкой 6. Средняя линия 7 проходит от передней кромки 5 до задней кромки 6. При перемещении лопатки 1 относительно или через окружающую текучую среду в направлении стрелки "А" (фиг. 1), окружающая текучая среда течет поверх основного лонжерона 2 в направлении вниз по течению от передней кромки 5 до задней кромки 6.
На фиг. 2 показан вид в разрезе лопатки, при этом на фиг. 2а показано тело вращения лопатки согласно фиг. 2, которое в показанном примере имеет расширяющуюся и сужающуюся цилиндрическую форму и представляет собой один пример формы лопатки, воплощающий общие принципы конструкции по настоящему изобретению. Для концевых частей 5, 6 лопатки также могут быть использованы цилиндрические профили, как это требуется или предпочтительно, например, если корпус не используется для управления концевыми вихрями на концевой части.
Основной лонжерон 2 содержит, последовательно от передней кромки 5 до задней кромки 6, первое выпуклое образование 8 и второе выпуклое образование 9. Каждое выпуклое образование 8, 9 содержит первую область 8a, 9a постепенно увеличивающегося расстояния от средней линии 6, вторую область 8b, 9b постепенно уменьшающегося расстояния от средней линии и вершину 8с, 9с на границе между первыми областями 8а, 9а и вторыми областями 8b, 9b. Хотя выпуклые образования показаны на фиг. 1, 2 как на верхней боковой стенке 3, так и на нижней боковой стенке 4, понятно, что эти выпуклые образования могут быть расположены на верхней и/или нижней боковой стенке лопатки, как это требуется или предпочтительно. В последующем описании упоминаются выпуклые образования, расположенные только на верхней боковой стенке 3, однако это не должно рассматриваться как ограничение.
Основной лонжерон 2 содержит полую полость, вмещающую рабочую текучую среду, при этом полость разделена на множество соединенных друг с другом камер. Между камерами расположено клапанное средство, которое может управлять потоком рабочей текучей среды между камерами так, что давление и/или температура рабочей текучей среды в каждой камере могут быть регулированы независимо.
Как показано на фиг. 3, лопатка 1 дополнительно содержит выпускные средства, обозначенные в целом номером позиции 10, которые могут выпускать испаряющуюся текучую среду 12 или конденсируемую текучую среду 13 из основного лонжерона 2 наружу во влажный воздух, текущий поверх основного лонжерона 2. Выпускные средства содержат по меньшей мере одно сопло (не показано), при этом текучая среда, выпускаемая из лопатки 1, переносится от притока в каждое сопло через проход или систему проходов 11, расположенную внутри или вдоль основного лонжерона 2 лопатки 1.
Испаряющаяся текучая среда 12 представляет собой одно или комбинацию из следующего: вода, жидкий азот и углеводород, такой как метанол, и содержит частицы текучей среды, имеющие диаметр, пригодный для испарения в соответствии с размером и масштабом турбины, в которой используется лопатка. Для обеспечения этого и других факторов окружающей текучей среды, размер капель может быть изменен с помощью переменного размера выходного отверстия, переменных скоростей потока и переменного давления и температуры.
Конденсируемая текучая среда 13 содержит частицы текучей среды, которые охлаждены и статически заряжены. Примеры подходящих конденсируемых текучих сред включают в себя капли воды, соляного раствора и частицы льда.
Когда лопатка перемещается относительно окружающей текучей среды, первая область 8а первого выпуклого образования 8 может взаимодействовать с окружающей текучей средой для ускорения окружающей текучей среды от высокой дозвуковой относительной скорости до звуковой относительной скорости поверх вершины 8с первого выпуклого образования 8.
При этом выпускные средства 10 выпускают испаряющуюся текучую среду 12 для испарения в окружающую текучую среду перед началом конденсации во второй области 8b первого выпуклого образования 8 так, что вторая область 8b первого выпуклого образования 8 взаимодействует с окружающей текучей средой для ускорения окружающей текучей среды от низкой сверхзвуковой относительной скорости до более высокой сверхзвуковой относительной скорости. Таким образом, испаряющийся аэрозоль выпускается до возникновения начального скачка конденсации в окружающей текучей среде, текущей поверх первого выпуклого образования 8.
Первая область 9а второго выпуклого образования 9 может взаимодействовать с окружающей текучей средой для замедления окружающей текучей среды и поддержания ее сверхзвуковой относительной скорости поверх вершины 9с второго выпуклого образования 9, при этом выпускные средства 10 дополнительно могут выпускать конденсируемую текучую среду 13 для захвата или образования ядра скачка конденсации в окружающей текучей среде, текущей поверх второй области 9b второго выпуклого образования 9. Таким образом, испаряющаяся текучая среда или аэрозоль выпускается до возникновения скачка конденсации в окружающей текучей среде, текущей поверх второго выпуклого образования 9. Это приводит к замедлению окружающей текучей среды от сверхзвуковой относительной скорости до дозвуковой относительной скорости, что, в свою очередь, создает давление на основном лонжероне 2 и, таким образом, вызывает тягу на лопатке 1.
Со ссылкой на фиг. 4, 5 и используя те же номера позиции, что и на фиг. 1-3, показана турбинная установка, обозначенная в целом номером позиции 20, содержащая по меньшей мере одну лопатку 1, выполненную в соответствии с фиг. 1-3.
Установка 20 содержит вал 21 турбины и по меньшей мере один ротор 22, проходящий в осевом направлении от вала 21, при этом лопатка 1 согласно фиг. 1-3 расположена на концевой части или конце, обозначенном в целом номером позиции 23, каждого ротора 22. Также используется система проходов внутри вала 21 и каждого ротора 22, через которые испаряющаяся и конденсируемая текучие среды подаются в проходы 11 лопатки 1.
При использовании, турбинная установка 20 выполнена так, что каждый ротор 22 взаимодействует с окружающей текучей средой для вращения так, что передняя кромка 5 каждой лопатки 1 перемещается через окружающую текучую среду для вращения, таким образом, вала 21 турбины.
При работе, когда лопатка 1 перемещается относительно окружающей текучей среды, принудительный скачок конденсации на выпуклом образовании 9 или смежно с ним может конденсировать частицы текучей среды в окружающей текучей среды, при этом лопатка 1 выполнена с возможностью отклонения конденсированной текучей среды внутрь по меньшей мере одного сборного средства турбинной установки 20. В одном варианте осуществления могут быть использованы одна или более циклонных или вихревых трубок и сборная камера для сбора содержания конденсированной текучей среды вдоль вала 21 турбины. В альтернативном варианте осуществления сборное средство содержит каналы, выполненные в канальной системе 24, через которые содержание конденсированной текучей среды течет внутрь сборной камеры.
На фиг. 6 показано сборное устройство 30 для воды, содержащее турбинную установку 20 согласно фиг. 4, 5 и реализующее дополнительное сборное средство для воды. Сборное устройство 30 для воды может создавать цилиндр вращающегося воздуха, выходящего из средней части устройства или входящего по направлению к средней части. Сборное устройство 30 для воды содержит трубку 31 Вентури на обоих концах вала 21, набор статоров 32 перед горловиной каждой трубки 31 Вентури, которые могут вызывать вращение в высокоскоростном воздушном потоке капель текучей среды низкого давления, поступающем в статоры 32. Вдоль канальной системы 24 расположено сборное кольцо небольших отверстий 33, поддерживаемое камерой 34 низкого давления, обеспечивающей стекание в сборный резервуар 35. После горловины и небольших отверстий 33 расположен дополнительный набор статоров 36, которые могут уменьшать вращение и восстанавливать энергию и давление воздушного потока. Сборный резервуар 35 окружает выходящий воздушный поток, содержащий капли воды, при этом поверхность резервуара 35 может собирать падающие капли, собирающиеся в резервуаре 35.
Турбинная установка 20 также содержит средство преобразования энергии для преобразования энергии, генерируемой вращающимся валом 21 турбины, в электрическую и/или механическую энергию. Опционально это средство преобразования энергии расположено в корпусе турбинной установки 20, при этом вал 21 соединен с корпусом, причем в корпусе расположены проводящие обмотки средства преобразования энергии для генерирования электрической энергии.
Рабочий цикл для настоящего изобретения описывается ниже со ссылкой на фиг. 19, где показан рабочий цикл для цикла Брайтона, вариант которого используется в турбинной установке по настоящему изобретению. Турбинная установка по настоящему изобретению стремится уменьшить самую низкую температуру (3-4). Обычно это ограничено тем, что температура отвода относится к окружающему воздуху. В этой машине температура отвода может составлять минус 60 или 70 градусов по Цельсию. Статическое уменьшение температуры (3-4) является аэродинамическим, вызванным изоэнтропным увеличением скорости. На отвод тепла (4-1) влияет испарение. Увеличение температуры (1 -2) является аэродинамическим, вызванным почти изоэнтропным уменьшением скорости. Подводимое тепло (2-3) обеспечивается конденсацией или сжиганием углеводородов. Следует отметить, что баланс между испарением и конденсацией хорошо иллюстрирован и может быть рассчитан с помощью этого цикла. Фактически поток испарения является наиболее простым способом управления балансом конденсации. Это означает, что количество потока и размер капель должны управляться с помощью клапана и изменяемого расположения небольших отверстий.
Заявленная турбинная система представляет собой ротор, установленный на вертикальной оси. Реальные турбины расположены на концевых частях роторов, при этом устройство работает по принципу, аналогичному концевой струе, например, как винтокрыл Fairey Rotodyne. Тяговое усилие от турбины создает тягу, толкающую ротор по кругу. В отличие от вертолетов задача состоит не в том, чтобы использовать движение для создания подъемной силы, а в том, чтобы генерировать электрическую энергию.
В конструкции с каналами, показанной на фиг. 4-6, трансзвуковые концевые части установлены внутри подвешенного канала. Водяной аэрозоль направляется вверх по центральному валу и вниз по роторам к концевым частям, где он добавляется к воздуху. Воздух проходит вниз через устройство и удаляет водяной аэрозоль из устройства, как показано на фиг. 7.
Сверхзвуковой поток возникает, когда текучая среда начинает перемещаться со скоростью, превышающей ее скорость волны. Наиболее очевидным применением потока этого типа является конструкция военных самолетов, которые обычно должны "преодолевать" звуковой барьер. Поскольку текучая среда перемещается быстрее, чем скорость волны, информация о потенциальных препятствиях не может быть передана вверх по течению. В результате сверхзвуковой поток значительно отличается от дозвуковых потоков, которые чаще встречаются в повседневных ситуациях.
Основными определяющими уравнениями в сверхзвуковом режиме являются уравнения изоэнтропного потока. Эти уравнения связывают наблюдаемые изменения давления, температуры, плотности и площади с числом Маха потока.
Этими уравнениями являются:
Число Маха:  уравнение 1
Давление:  уравнение 2
Температура:  уравнение 3
Площадь:  уравнение 4
Обозначения:
M = число Маха, V = скорость, R = газовая постоянная, T = температура, P = давление, A = площадь, γ = коэффициент удельной теплоты, ρ = плотность, Ф = относительная влажность, Y = горловина X = продольное расстояние
Нижние индексы/Верхние индексы:
0 = свойство в критической точке, * = свойство при запирании
Эти уравнения показывают, что при увеличении числа Маха потока статические давления и температуры падают. Свойства в критической точке остаются такими же, пока теплопередача отсутствует. Площадь также увеличивается при увеличении числа Маха от единицы в сверхзвуковом режиме, однако она также увеличиваться при удалении от единицы в дозвуковом режиме.
Процесс конденсации в атмосфере зависит от температуры воздуха и содержания пара. Для любой заданной температуры давление воздуха может быть вычислено из
уравнение 5
где ρ - плотность, R - газовая постоянная воздуха, и T - температура в градусах Кельвина.
Воздух состоит из определенного количества водяного пара, при этом одним из важных параметров конденсации является парциальное давление этого пара. Парциальное давление - это давление воздуха, умноженное на относительную влажность. Другим важным параметром является давление насыщения. Это давление, при котором вода конденсируется, при этом оно может быть определено из уравнения
Если парциальное давление больше давления насыщения, то начинается конденсация. Сходным образом, если парциальное давление меньше давления насыщения, вода испаряется.
Влияние нагрева на сверхзвуковой поток является сложным, поскольку число Маха, температура и давление зависят друг от друга. Одним из упрощений является допущение, что любое изменение температуры, происходящее вследствие испарения или конденсации, происходит при постоянной площади. Это означает, что эти изменения происходят почти мгновенно в случае конденсации. В этих условиях эффект нагревания может быть определен из уравнений Рэлея, причем каждое свойство связано с его значением в условиях запирания. Этими уравнениями являются:
Давление:  уравнение 7
Плотность:  уравнение 8
Температура:  уравнение 9
Эффект изменения температуры может быть связан при этом с числом Маха и, таким образом, использован для вычисления изменений давления и плотности газа.
Одной из основных проблем, связанных с разработкой турбинной установки по настоящему изобретению, является проблема устойчивости потока. Одно из условий, при котором эта устойчивость может быть нарушена, - это когда поток в секции между двумя выпуклостями (средняя секция) становится дозвуковым. Если это имеет место, то результатом будет область высокого давления на обращенной вперед секции второй выпуклости. Это увеличивает сопротивление внутренней конструкции и уменьшает потенциальную тягу устройства.
На фиг. 8 показаны профили числа Маха в устойчивых условиях со сверхзвуковым потоком через среднюю секцию. Напротив, на фиг. 9 показаны профили числа Маха в неустойчивых условиях с дозвуковым потоком через среднюю секцию.
При рассмотрении, как эта секция превращает воздушный поток в дозвуковой, полезно сравнить среднюю секцию со сходным случаем, который был хорошо изучен, а именно со случаем сопла ракетного двигателя.
1
3
На фиг. 10 представлен график, показывающий изменение давления через сопло для различных давлений на выходе, заимствованный из (Courant & Friedrichs, 1999). Фиг. 10 иллюстрирует взаимосвязь между давлением в камере и давлением вдоль сопла для различных давлений на выходе в ракетном двигателе. Если давление на выходе близко к давлению в камере (P), то результатом будет поток, который будет повсюду дозвуковым. Если давление на выходе уменьшается до гораздо более низкого значения (P), то поток будет повсюду сверхзвуковым. Проблемы возникают, когда давление на выходе равно значению между этими двумя точками. Одним из явлений, которые могут иметь место при давлении на выходе в этой области, является нормальный скачок в точке вдоль длины сопла, который приводит к увеличению давления в течение расширения.
Такой тип явлений обычно наблюдается, когда воздушный поток в средней части лопатки становится дозвуковым. Поток является сверхзвуковым вниз поверх первого выпуклого образования лопатки, однако в некоторой точке вниз по этой выпуклости происходит нормальный скачок, приводящий к дозвуковому потоку. На фиг. 9 этот скачок может быть виден на конце первой выпуклости в виде быстрого уменьшения числа Маха и изменения профилей. При этом ключевым параметром для его прекращения является давление на "выходе" первой выпуклости. Для поддержания сверхзвуковых условий это давление не должно быть слишком высоким. Рассматриваемое давление на "выходе" представляет собой увеличение давления, когда поток замедляется для прохождения поверх второго выпуклого образования. Если это второе выпуклое образование слишком высоко, то результатом будет наблюдаемый дозвуковой поток. Минимальная горловина этой выпуклости может быть вычислена с использованием известного способа.
Способ вычисления горловины второй выпуклости заключается в следующем:
1) При рассмотрении условий на входе при заданном числе Маха, давление в критической точке может быть вычислено с использованием уравнения 2.
2) Зная требуемое число Маха на основании выпуклости, площадь на основании первой выпуклости может быть вычислена из уравнения 4.
3) Следующий этап заключается в предположении нормального скачка на основании выпуклости и вычислении результирующего числа Маха.
4) Из числа Маха после скачка и площади на основании выпуклости может быть вычислено число Маха в условиях запирания.
5) Для обеспечения рабочего диапазона затем вычисляется площадь с числом Маха, равным 1,1, из условий запирания.
Эта область с числом Маха, равным 1,1, представляет минимальную высоту горловины на второй выпуклости. Для горловин, больших этой, поток будет сверхзвуковым по всей системе. Если горловина меньше этой, средняя секция распадается на дозвуковой поток. Это обеспечивает один параметр турбины, заключающийся в том, что если известны входное число Маха, высота горловины на первой выпуклости и число Маха, то может быть вычислена высота второй выпуклости.
Одним из условий, которые могут препятствовать работе турбины, является возникновение конденсации внутри средней секции лопатки, считающейся границей между первой и второй выпуклыми образованиями. Основная причина этого заключается в том, что если в этой области имеет место результирующая конденсация, испарение, необходимое для работы устройства, не может произойти в достаточных количествах. Если парциальное давление пара поднимается выше давления насыщения воды при данной температуре, то может начаться конденсация. Для предотвращения этого парциальное давление пара должно оставаться ниже давления насыщения.
Есть два способа, с помощью которых можно продолжить вычисление. У каждого способа есть свои сильные и слабые стороны.
В первом способе используются законы подобия, представленные в статье Дж. Шнерра (Schnerr, 1989), в которых число Маха, при котором происходит конденсация, связано с относительной влажностью в критической точке посредством соотношения
уравнение 10
где
при этом α = 0,208 и β = 0,59
С помощью числа Маха начала конденсации, определенного для данной относительной влажности, может быть выбрано максимальное число Маха в средней секции так, что оно меньше числа Маха начала конденсации. Исходя из выбранного числа Маха, затем может быть вычислена максимальная глубина устройства из уравнения 4. Следует отметить, что, когда учитывается охлаждение, следует учитывать число Маха после охлаждения для начала конденсации и результирующее число Маха выше по течению, вычисленное до получения площади. Преимущество этого способа состоит в том, что он представляет собой более простой способ вычисления начала конденсации, однако переменные α и β являются постоянными только для определенных семейств сопел.
Альтернативный способ заключается в вычислении числа Маха начала из давления пара. Известно, что с увеличением числа Маха давление, температура и плотность уменьшаются. Из плотности воздуха и пара могут быть вычислены молекулярные объемы каждого из них. Из них также может быть определена молекулярная фракция пара.
Парциальное давление является произведением этой молекулярной фракции и статического давления. Если это парциальное давление больше давления насыщенного пара в заданной точке, то имеет место конденсация. Эти значения могут быть вычислены для каждого числа Маха и числа Маха начала, определяемого из условия, что парциальное давление и давление насыщения равны. Исходя из этого, площадь может быть вычислена так же, как и в предыдущем случае.
Преимущество этого способа заключается в том, что он может быть вычислен независимо от формы, однако в вычислениях не учитывается какая-либо кривизна, что может изменить поведение начала конденсации.
Из приведенных выше вычислений был установлен способ вычисления геометрии лопатки. На фиг. 11 показана геометрия конструкции лопатки для случая с каналом, когда одна сторона имеет признаки выпуклых образований, тогда как другая сторона является плоской поверхностью. В этом случае вся конструкция может быть связана с диаметром горловины y*.
dip
dip
out
2*
Зная y* и входное число Маха, вычисление yin может быть выполнено с использованием уравнения 4. Из условий влажности могут быть вычислены глубина Υ и число Маха в средней секции из законов подобия давления пара. С помощью числа Маха, после любого охлаждения, и площади Υ затем может быть вычислена высота второй горловины y. Выходное условие y должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить конденсацию внутри секции, как это требуется.
Из идентифицированных выше конструктивных параметров может быть установлен набор рабочих условий для турбины. В этом случае сначала вычисляется число Маха начала конденсации. Если это число меньше 1, то конденсация может начаться в трансзвуковом режиме.
Это означает, что конденсация начнется до того, как поток пройдет над первой выпуклостью. Это может эффективно помешать работе турбины.
Если число Маха начала конденсации больше единицы, то с учетом содержания пара в воздухе также может быть вычислено увеличение температуры. Увеличение температуры приводит к уменьшению числа Маха согласно уравнениям Рэлея. Если число Маха после конденсации меньше 1, то поток будет дозвуковым от этой точки. Если число Маха находится между 1 и 1,12, то поток будет сверхзвуковым, и расширение площади увеличит число Маха до 1,12. Как только эта точка будет достигнута, нормальный скачок может привести к числу Маха на выходе, составляющему 0,9, что соответствует числу Маха на входе. Выше числа Маха, равного 1,12, любой скачок приведет к тому, что число Маха будет меньше 0,9, таким образом, на выходе может потребоваться форма сопла с изменяемой геометрией для предотвращения возникновения проблемы, связанной с нормальным скачком.
На фиг. 12 представлена таблица, показывающая число Маха после конденсации с изменяющейся температурой и влажностью для охлаждения на 10 К. В этой таблице область, обозначенная стрелкой B, обозначает, где перед первой выпуклостью может произойти конденсация, область, обозначенная стрелкой C, показывает дозвуковые числа Маха после конденсации, область, обозначенная стрелкой D, показывает, где число Маха меньше 1,12, и область, обозначенная стрелкой E, показывает, где число Маха выше 1,12.
Одно из соображений, которое следует отметить в связи с этой таблицей, заключается в том, что для многих этих случаев результирующая разница в высоте между углублением и второй выпуклостью является достаточно малой, так что вторая выпуклость может быть поглощена пограничным слоем, возникающим на спуске от первой выпуклости. Таблица глубины углубления с изменяющейся температурой и влажностью для охлаждения на 10 К показана на фиг. 13.
Это может привести к смягчающему эффекту, когда поток не замечает наличия углубления, при этом между вершинами двух выпуклостей проходит слой сдвига. В этих случаях число Маха не увеличивается, как это требуется, и, таким образом, нарушает поток. Должны быть приняты меры, чтобы это увеличение высоты было достаточным, чтобы она была выше пограничного слоя.
Вычисление тяги турбинной установки по настоящему изобретению выполнено с использованием анализа вычислительной гидродинамики (CFD) одной из потенциально возможных турбин. Выбранная турбина представляет собой случай, когда температура составляет 30°C, при этом относительная влажность составляет 5%. Эта турбина ограничена рабочим диапазоном устройства и обладает достаточной разницей в высоте между углублением средней секции и второй горловиной, чтобы гарантировать, что пограничный слой не будет мешать потоку. Для этого случая, для предотвращения конденсации, вычисленные данные критической геометрии представлены на фиг. 14.
:
Построенная геометрия обладает толщиной 0,5 см, при этом начальные граничные условия, применяемые для этого моделирования, представляют собой:
• Статическое давление на входе = 101325 Па
• Температура в критической точке на входе = 352 K
• Массовый расход воздуха = 0,092 кг/с (18,4 кг/мс)
• Массовый расход пара = 0,000118602 кг/с (0,02372 кг/мс)
• Статическое давление на выходе = 20000 Па
В скобках указаны значения массового расхода на метр ширины устройства. Моделирование выполнялось с использованием модели турбулентности Спаларта-Аллмараса. Начальные условия для решения были заданы оценкой параметров потока. Это были преднамеренные занижения с целью обеспечения устойчивости сходимости. Для начальных условий были использованы следующие параметры:
• Статическое давление = 101325 Па
• Скорость x = 283 м/с
• Температура = 303 К
Чтобы моделирование проходило устойчиво, поток сначала был вычислен в предположении нулевого испарения и нулевой конденсации, пока не была достигнута сходимость результатов. В этой точке к зоне на основании первой выпуклости было добавлено испарение с использованием источника отрицательной энергии. Затем вычисление было выполнено снова, пока не была установлена сходимость. В этой точке в качестве источника энергии была добавлена конденсация в точке согласно разнице между парциальным давлением и давлением насыщения. Вычисление было выполнено снова, пока не была достигнута сходимость. Заключительный этап включал в себя увеличение давления на выходе с 20000 Па до 100800 Па. Это сместило выход к атмосферным условиям и вызвало возникновение скачка на выходе сразу после конденсации для точного моделирования поведения на выходе из турбины.
Для влажности 5% при 303 K содержание воды в воздухе составляет 1,25 г/кг. Извлеченная энергия испарения была эквивалентна уменьшению температуры на 16 К или испарению, составляющему 2,22 г/кг, тогда как источник энергии, использованный для конденсации, был эквивалентен увеличению температуры на 6,98 К или конденсации 3,47 г/кг.
На фиг. 15 представлен график, показывающий профили числа Маха до начала испарения, на фиг. 16 - график, показывающий профили числа Маха после испарения, показывающий область, в которой происходит испарение, на фиг. 17 - график, показывающий профили числа Маха после конденсации, показывающий область, в которой происходит конденсация, и фиг. 18 - график, показывающий профили числа Маха после увеличения давления на выходе до атмосферного, показывающий ударную волну после конденсации.
После завершения этого процесса, полученная тяга может быть установлена из информации о силах над поверхностью стенок. Эта информация была получена для рабочей области турбины, которая была определена как внутренняя область между входом и конечным скачком сразу после конденсации. Это произвело результирующую тягу в рабочей области, составляющую 546 Н на метр ширины турбины. Эта тяга включает в себя эффекты сопротивления внутри рабочей секции турбины, но не внешние эффекты сопротивления вследствие канальной системы системы ротора, геометрии выхода или разницы в высоте между входом и выходом. Затем может быть использовано сопло с изменяемой геометрией для уменьшения площади и ускорения потока обратно до 314 м/с, альтернативно, может быть уменьшена глубина выхода для предотвращения дозвуковой диффузии скорости. Обе эти возможности могут уменьшить сопротивление за счет сжатия воздуха устройства, уменьшая при этом создаваемую тягу, таким образом, должен быть получен баланс.
Для достижения положительной общей тяги устройство должно создавать большую внутреннюю тягу, чем оно создает при внешнем сопротивлении. Полезным параметром для рассмотрения является коэффициент сопротивления. Он вычисляется из уравнения
уравнение 11
2
где D - сопротивление на системе роторов, A - площадь роторов. В предположении трехроторной системы с диаметром 1 м и хордой 5 см, получается площадь 0,075 м. Скорость, используемая в этом вычислении, является средней скоростью, равной половине скорости на концевой части.
Для ротора с глубиной концевой части 33 см и, таким образом, с тягой 182 Н и нормальной плотностью воздуха это означает, что коэффициент сопротивления должен быть меньше 0,14, чтобы система могла создавать положительную тягу. Если коэффициент сопротивления системы может быть уменьшен до значения 0,04, обычного для обтекаемого тела, то это дает сопротивление 50 Н. Наряду с потерями в подшипниках это дает суммарное сопротивление 55,1 Н. Для ротора с глубиной концевой части, составляющей 33 см, это означает, что 30% доступной мощности должно быть вычтено из начального выигрыша мощности.
Для движущегося тела мощность равна произведению силы и скорости. Для турбины, вращающейся со скоростью концевой части 314 м/с, это означает, что общая мощность, вырабатываемая в рабочей области устройства, составляет 171 кВт/об (это дополнительно уменьшается внутри до 155 кВт, если учитывать переменные потери сопла). Это работа, производимая циклом испарения/конденсации. Непосредственные потери уменьшают это снаружи до 133 кВт/об.
Эти соображения показывают, что в определенных условиях турбина может демонстрировать увеличение тяги вследствие эффектов выделения энергии из конденсации. Если внешние роторы/нагнетание могут быть выполнены так, чтобы сохранять потери ниже тяги устройства, то оно может производить результирующую тягу. С учетом скорости, с которой вращается устройство, даже небольшое увеличение тяги может привести к значительному увеличению доступной мощности.
В этом документе предполагалось, что устройство представляет собой внутреннюю конструкцию. Это подразумевает наличие внешней поверхности. Аэродинамический дизайн такой конструкции может быть решающим для работы турбины, поскольку он может иметь фундаментальное значение для сопротивления устройства и, таким образом, для производства полезной мощности.
Рабочие условия устройства являются достаточно чувствительными. Для данной влажности более высокие температуры приводят к конденсации большего количества доступной воды в воздухе. Это означает, что доступная мощность будет больше. Как показано на фиг. 13, для любой заданной температуры глубина, на которую может опускаться средняя секция, также больше для более высоких температур. Это позволяет получить более простое в изготовлении устройство. Эти конструкции также менее уязвимы к воздействию граничных слоев, так как разница высоты между средней секцией и второй выпуклостью также больше.
Для заданной температуры увеличение влажности приводит к увеличению доступной мощности, но также вызывает более раннее появление конденсации, поскольку парциальное давление будет выше. Это означает, что глубина, на которую опускается средняя секция, уменьшается, при этом устройство будет более уязвимым к воздействиям граничного слоя, дестабилизирующим поток. Путем уменьшения количества используемой охлаждающей текучей среды падение температуры может быть уменьшено, и, как следствие, может быть увеличено давление насыщения. Путем правильного соотношения количества используемой охлаждающей текучей среды и влажности может быть расширен рабочий диапазон заданной физической конструкции.
Для целей этого анализа устройство выполнено для работы в условиях, когда атмосферная температура высокая, а уровни относительной влажности низкие. Увеличение влажности может быть в некоторой степени компенсировано путем уменьшения охлаждения, используемого для поддержания устойчивости потока. Эти условия позволяют предположить, что данное устройство легче анализировать в условиях теплого и сухого климата. Этим избытком влажности можно управлять путем использования "сухой" охлаждающей текучей среды и обеспечения возникновения дополнительной конденсации на заднем склоне первой выпуклости. В засушливых местах конденсация, образующаяся в качестве побочного продукта устройства, также может очень ценной, таким образом, это увеличивает ценность устройства в целом.
Стоит отметить, что для заданного набора условий критическая геометрия может быть найдена с помощью исключительно математического способа. Для изучения эффектов граничного слоя и оценки тяги, CFD представляет собой лучший доступный способ.
Комбинация этих подходов показала, что для турбины существует область рабочих режимов. Этот диапазон описывается комбинацией температуры, относительной влажности и степени охлаждения, применяемых в устройстве. Если для фиксированной температуры и охлаждения влажность слишком высока, то конденсация произойдет до запирания потока, нарушая весь процесс. Внутри самой турбины эти факторы могут влиять на конструкцию устройства, однако изменение степени охлаждения может компенсировать некоторые изменения других факторов. Использование "сухой" охлаждающей текучей среды, такой как азот, вместо воды может расширить рабочий диапазон, поскольку такая охлаждающая текучая среда может испаряться, когда вода конденсируется между выпуклостями.
Если устройство работает внутри своей оболочке, и сопротивление на внешних элементах сведено к минимуму, устройство может генерировать положительную тягу. На тех скоростях, при которых устройство вращается, даже небольшое увеличение тяги может привести к значительному увеличению мощности.
2
Конструкция, полученная из вычислений CFD, представляет собой трехроторную систему с диаметром 1 м. Концевые части имеют глубину 33 см, при этом система вращается со скоростью 6000 об/мин. Она выполнена для работы в условиях пустыни при относительной влажности 5% и 30°C. Это устройство может вырабатывать 133 кВт электроэнергии и производить 81 литр в час (1944 литров в день) воды. Поскольку "горючим" для этого устройства является влажный свежий воздух, оно не производит СО и не требует затрат на подачу. Наконец, устройство может быть включено и выключено по мере необходимости, если в воздухе присутствует достаточно влаги.
Различные варианты осуществления, раскрытые в данном документе, имеют один и тот же общий источник энергии, однако требования к мощности, воде, теплу, низким температурам, точечному охлаждению/нагреву или нагнетанию могут варьироваться в зависимости от конкретных материалов и масштабных технических характеристик. Наряду с этим общая окружающая среда, в которой должна работать данная машина, также может определять материал и масштаб. Специалисту в области техники понятно общее требование к гладким и жестким поверхностям для эффективной работы на высоких дозвуковых скоростях.
Эти конструкции устойчивы к ветрам с высокими скоростями и, очевидно, не чувствительны к землетрясениям, цунами и другим стихийным бедствиям. Действительно, с локализованным значительным пожаром можно справиться посредством обильной подачи воды и нагнетательной способности, получаемых непосредственно из воздуха.
Настоящее изобретение имеет ограничения в том, насколько холодным и сухим может быть окружающий воздух для извлечения реальной энергии. Обычно требуется более грамма водяного пара на килограмм воздуха. Это означает, что температура должна быть выше -20°C. Если даже существует вероятность выхода из строя жизненно важного средства обеспечения, необходимо полагаться на альтернативный способ. Таким образом, там, где эта конструкция испаряет текучую среду, обычно это будет вода, однако это может быть, например, углеводород - метанол, обладающий сравнимой скрытой теплотой испарения. Когда эта конструкция добавляет тепло вследствие скрытой теплоты конденсации, это может быть химическая теплота сгорания указанной смеси углеводорода и воздуха.
2
2
2
2
2
2
2
Это, конечно, может определять характеристики материалов, нагнетания и аэрозолей, и дополнительно систему зажигания. Возможность этого требования может определять особенности конструкции, даже если они никогда не используются на практике. Однако это означает, что при регламентации этих средств обеспечения не потребуется резервного устройства. Сжигание углеводородов в этих условиях не оказывает никакого воздействия на окружающую среду, поскольку топливо может быть синтезировано с помощью избыточной энергии, доступной в более теплые и влажные периоды. При синтезе CO + HO -> Углеводороды + О с использованием избыточной энергии, когда она доступна, при сжигании Углеводороды + О -> CO + HO и часть первоначально затраченной энергии возвращается. Следует отметить, что суммарное производство СО равно нулю.
Таким образом, комбинируя один или более из указанных выше способов для производства энергии, сбора воды, прямого производства электрической энергии, обслуживания криогенной/сверхпроводящей окружающей среды, нагнетания, нагрева или охлаждения, данные требования могут быть детализированы. Получающаяся в результате гибкость дает проектировщикам широкий выбор для настройки двигателя для требуемой задачи (задач).
Дополнительные варианты осуществления
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя:
1. Турбинную лопатку, как по существу описано в данном документе со ссылками на прилагаемые чертежи и/или как показано ни них.
2. Турбинную установка, как по существу описано в данном документе со ссылками на прилагаемые чертежи и/или как показано ни них.
Аспекты настоящего изобретения описаны выше лишь в качестве примера, при этом следует понимать, что дополнения и/или модификации могут быть выполнены без отхода из объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.