ГИДРОПАРОВАЯ ТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к стационарным турбинным установкам, предназначенным для выработки электроэнергии.
Последние два десятилетия в мире идет поиск более эффективных способов преобразования энергии от различных источников. К таковым можно отнести гидропаровые турбины, в которых происходит адиабатическое расширение горячей воды с образованием пара и совершение этой двухфазной средой полезной работы с более высоким КПД, чем в паровых и газовых турбинах. Гидропаровые турбины используются в геотермальных электростанциях. Однако термальная вода представлена редкими географически концентрированными месторождениями, что препятствует повсеместному распространению этого вида альтернативной энергии.
Ближайшим аналогом полезной модели принята гидропаровая турбинная установка, патент РФ на изобретение №2184244, F01D 17/04, 2002.
Гидропаровая турбинная установка содержит линию подвода термальной воды, корпус, закрепленный в нем ротор, нагрузочное устройство в виде генератора, конденсатор пара с конденсатным насосом и трубопроводом нагнетания, трубопровод нагнетания конденсатного насоса связан линией рециркуляции с линией подвода термальной воды, а на линии рециркуляции установлен регулирующий орган.
Основной недостаток, препятствующий достижению технического результата при использовании ближайшего аналога, - использование в качестве рабочего тела термальной воды для последующего вскипания в процессе адиабатического расширения.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности установки за счет снятия ограничений по виду рабочего тела и использования холодной воды вместо термальной на входе гидропаровой турбинной установки при двукратном использовании электрогидравлического эффекта Юткина в роторе, сначала для нагрева воды через вихревую кавитацию, а затем для скоростного выталкивания воды через сопла Лаваля на концах гидротурбины, а также топливной системы, позволяющей усилить ударную волну в рабочей жидкости за счет детонации топливно-воздушной смеси.
Признаками ближайшего аналога, совпадающими с существенными признаками полезной модели, является наличие в гидропаровой турбинной установке линии подвода воды, корпуса, закрепленного в нем ротора, нагрузочного устройства в виде генератора, конденсатора пара и линии рециркуляции.
Технической задачей полезной модели является усовершенствование конструкции гидропаровой турбинной установки.
В полезной модели в отличие от ближайшего аналога ротор размещен не горизонтально, а вертикально и выполнен в виде Сегнерова колеса, в котором радиальные трубопроводы являются тангенциальными вводами в разгонные блоки, расположенные перпендикулярно радиальным трубопроводам в плоскости вращения ротора. При этом радиальные трубопроводы содержат напорные электрогидроразрядные камеры, размещенные у их стыков с валом ротора. Разгонный блок через входное отверстие соединен с радиальным трубопроводом, глухой его торец содержит разгонную электрогидроразрядную камеру, открытый торец выполнен в виде сопла Л аваля.
К каждой электрогидроразрядной камере подведена топливная система, включающая в себя мембранный воздушный компрессор и эжекторный нагнетатель топлива в струю воздуха. За счет использования топлива, обладающего низким октановым числом, а значит, и низкой детонационной стойкостью (например, гептан или гексан), его смешения с воздухом в пропорциях между концентрационными пределами взрываемости (1% - 8%), и впрыска в рабочую жидкость вблизи межэлектродного промежутка, ударная волна от электрогидравлического эффекта усиливается детонационной волной, образующейся при ударно-волновом сжатии топливно-воздушной смеси.
Такое усиление ударной волны основано на том факте, что давление в детонационной волне может превышать начальное давление газа в 20-30 раз. http://chem21.info/page/ 239164106167018161008171225170210213135014203206/
При этом для сохранения неразрывности воздушной смеси в рабочей жидкости требуемый вихревой характер ее барботажа достигается при диаметре пузырьков в жидкости до 1,5 мм, и соответственно, диаметре выпускных трубок (сопел, капилляров) до 1,2 мм. http://chem21.info/page/044221152241039182006156120049013169118125156209/
Факт образования детонационных волн в многокомпонентных пузырьково-капельных средах указан в работах авторов из двух Институтов РАН: гидродинамики им. Лаврентьева СО РАН (Новосибирск) и механики Уфимского научного центра РАН. http://www.sibran.ru/upload/iblock/ 43b/43bab64bf5d5c8f2e75104b724d8eb40.pdf
http://bulletin-bsu.com/archive/files/2013/3/02_4065_Shagapov.pdf
После срабатывания напорных электрогидроразрядных камер срабатывают разгонные электрогидроразрядные камеры, при достижении температуры нагрева воды в результате ее вихревой кавитации, ни ниже 60°С.
Последовательное срабатывание расположенных таким образом электрогидроразрядных камер позволяет избежать ненужных гидравлических потерь, поскольку вода проходит по прямым участкам в обоих случаях. Также становится возможным отрегулировать временной промежуток между срабатываниями соответствующих электрогидроразрядных камер для нагрева воды через вихревую кавитацию до ее подачи вторым электрогидроударом на входы сопел Лаваля.
Ввиду наличия промежутка времени между инициацией разрядов в электрогидроразрядных камерах в радиальных трубопроводах и разгонных блоках ротора гидропаровой турбинной установки, возникает необходимость установки второго ротора на общем валу. Срабатывание электрогидроразрядных камер разных роторов разнесено во времени для достижения плавности хода турбины, таким образом, что срабатывание электрогидроразрядных камер второго ротора происходит в середине интервала между срабатываниями электрогидроразрядных камер первого ротора.
Для согласования последовательности срабатывания электрогидроразрядных камер двух роторов гидропаровой турбинной установки с равным шагом неподвижно установлены датчики Холла. Для обработки сигналов, поступающих от датчиков Холла на электрогидроразрядные камеры, предусмотрен блок управления прерыванием. Во избежание одновременного срабатывания датчиков Холла на разных роторах, роторы турбины посажены на общий вертикальный вал так, что радиальные трубопроводы одного ротора имеют горизонтальный угловой сдвиг относительно радиальных трубопроводов другого ротора. Например, при четырех радиальных трубопроводах на один ротор угловой сдвиг составляет 45 градусов.
Функцию насосов в установке выполняют сами роторы, закачивая в себя воду из линии подвода воды, вследствие наличия радиальных трубопроводов в конструкции роторов. Ввиду вертикального расположения роторов, применен конденсатор пара поверхностного типа с трубными пучками внутри. При этом трубные пучки конденсатора пара гидравлически соединены своими началами и концами с линией подвода воды. Введение в схему рециркуляции воды накопительного бассейна, от которого начинается линия подвода воды и в который стекает конденсат из конденсатора пара, позволяет обойтись без конденсатного насоса, имеющегося в ближайшем аналоге.
Поставленная техническая задача решена тем, что в гидропаровой турбинной установке включающей линию подвода воды, корпус с закрепленным в нем ротором, нагрузочное устройство в виде генератора, конденсатор пара и линию рециркуляции, согласно полезной модели, дополнительно содержит, по меньшей мере, один ротор; роторы расположены вертикально и выполнены в виде Сегнерова колеса, в котором радиальные трубопроводы являются тангенциальными вводами в разгонные блоки, которые расположены перпендикулярно радиальным трубопроводам в плоскости вращения ротора; радиальные трубопроводы одного ротора имеют горизонтальный угловой сдвиг относительно радиальных трубопроводов другого ротора; один торец каждого разгонного блока выполнен заглушенным, а второй выполнен в виде сопла Лаваля; радиальные трубопроводы выполнены с двумя торцами, один выполнен заглушенным, второй выполнен открытым; на заглушенных торцах радиальных трубопроводов и разгонных блоков расположены электрогидроразрядные камеры, напорные и разгонные; к каждой электрогидроразрядной камере подведена топливная система, состоящая из мембранного воздушного компрессора, эжекторного нагнетателя топлива в струю воздуха, трубки подвода топливно-воздушной смеси и обратного клапана, размещенного на ее входе в электрогидроразрядную камеру; для согласования последовательности срабатывания электрогидроразрядных камер двух роторов неподвижно с равным шагом установлены датчики Холла, для обработки сигналов, поступающих от датчиков Холла на электрогидроразрядные камеры, предусмотрен блок управления прерыванием; камеры роторов снабжены электрическими свечами зажигания, которые электрически соединены с генератором через блок управления прерыванием; генератор расположен на валу роторов и электрически соединен с аккумулятором; в схему линии рециркуляции воды введен накопительный бассейн.
Между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом полезной модели существует следующая причинно-следственная связь. Использование всех существенных признаков позволит получить ожидаемый технический результат.
Полезная модель проиллюстрирована графическим материалом, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства (вид сбоку), на фиг. 2 вид сверху фиг. 1; на фиг. 3 сечение А-А фиг. 1.
Гидропаровая турбинная установка содержит линию подвода воды 1, корпус 2, закрепленные в нем роторы 3 и 4, включающие радиальные трубопроводы 5 и состыкованные с ними через тангенциальные вводы (на фигурах не обозначены) разгонные блоки 6 с соплами Лаваля 7. Роторы 3 и 4 механически соединены через вал 8 с генератором 9, который через блок управления прерыванием (на фигурах не показан) электрически соединен с электрическими свечами зажигания 10 и 11, ввернутыми в напорные электрогидроразрядные камеры 12 и разгонные электрогидроразрядные камеры 13 (см. фиг 2 и 3). К напорным электрогидроразрядным камерам 12 и разгонным электрогидроразрядным камерам 13 подведены топливные системы 14 и 15, состоящие из мембранных воздушных компрессоров 16 и 17, эжекторных нагнетателей 18 и 19, топливного бака (на фигурах не обозначен), трубок подвода топливно-воздушной смеси (на фигурах не обозначены), размещенных на их выходе обратных клапанов (на фигурах не обозначены). Гидропаровая турбинная установка также содержит заряжаемый от генератора 9 аккумулятор (на фигурах не показан). Корпус 2 соединен через паропроводы 20 с конденсатором пара 21 с трубными пучками 22. Дно конденсатора пара 21 сообщается с накопительным бассейном 23 посредством соединительного трубопровода 24. Накопительный бассейн 23 соединен с линией подвода воды 1. Датчики Холла 25 служат для выработки управляющего сигнала в блоке управления прерыванием (на фигурах не показан). К накопительному бассейну 23 присоединен приточный патрубок 26.
Устройство работает следующим образом.
Запуск гидропаровой турбинной установки осуществляется путем подачи напряжения от аккумулятора (на фигурах не показан) на мембранные воздушные компрессоры 16 топливных систем 14 ротора 3. Проходя через эжекторные нагнетатели 18, воздушная струя из мембранного воздушного компрессора 16 захватывает порцию топлива из топливного бака (на фигурах не обозначен) и устремляется по трубкам подвода (на фигурах не обозначены), поднимает вверх обратные клапаны (на фигурах не обозначены), и попадает в напорные электрогидроразрядные камеры 12 радиальных трубопроводов 5 ротора 3. После этого, по сигналу от датчика положения (на фигурах не показан) мембраны (на фигурах не обозначена) мембранного воздушного компрессора 16, напряжение от аккумулятора (на фигурах не показан) подается на блок управления прерыванием (на фигурах не показан) и на электрические свечи зажигания 10 напорных электрогидроразрядных камер 12 ротора 3. При срабатывании электрические свечи зажигания 10 ротора 3 инициируют разряд, вследствие чего в напорных электрогидроразрядных камерах 12 ротора 3 проявляется электрогидравлический эффект. Появившаяся ударная волна в рабочей жидкости сжимает топливно-воздушную смесь, вследствие чего она детонирует. По этой причине через находящийся по другую сторону от объема топливно-воздушной смеси слой рабочей жидкости проходит ударная волна, усилившаяся в 20-30 раз. При этом вода устремляется через линию подвода воды 1 по радиальным трубопроводам 5 через тангенциальные вводы (на фигурах не обозначены) в разгонные блоки 6 ротора 3. В результате закрутки потоков воды в разгонных блоках 6 ротора 3 происходит явление вихревой кавитации и нагрева воды. По сигналу пироэлектрического датчика (на фигурах не показан), напряжение от аккумулятора (на фигурах не показан) подается на мембранные воздушные компрессоры 17 топливных систем 15 ротора 3. Проходя через эжекторные нагнетатели 19, воздушная струя из мембранного воздушного компрессора 17 захватывает порцию топлива из топливного бака (на фигурах не обозначен) и устремляется по трубкам подвода (на фигурах не обозначены), поднимает вверх обратные клапаны (на фигурах не обозначены), и попадает в разгонные электрогидроразрядные камеры 13 разгонных блоков 6 ротора 3. После этого, по сигналу от датчика положения (на фигурах не показан) мембраны (на фигурах не обозначена) мембранного воздушного компрессора 17, напряжение от аккумулятора (на фигурах не показан) подается на блок управления прерыванием (на фигурах не показан), электрические свечи зажигания 11 ротора 3, которые инициируют разряд, и в разгонных электрогидроразрядных камерах 13 разгонных блоков 6 ротора 3 проявляется электрогидравлический эффект. Появившаяся ударная волна в рабочей жидкости сжимает топливно-воздушную смесь, вследствие чего она детонирует. По этой причине через находящийся по другую сторону от объема топливно-воздушной смеси слой рабочей жидкости проходит ударная волна, усилившаяся в 20-30 раз. Нагретая вода устремляется по разгонным блокам 6 на выход через сопла Лаваля 7, в которых она адиабатически расширяется и превращается в двухфазную пароводяную смесь. За счет появления реактивных сил в соплах Лаваля 7 роторы 3 и 4, а также жестко связанный с ними вал 8 приходят в движение, вращая генератор 9, за счет чего в нем появляется электрический ток. Часть генерированной мощности сразу подается на мембранные воздушные компрессоры 16 топливных систем 14 ротора 4. Проходя через эжекторные нагнетатели 18, воздушная струя из мембранного воздушного компрессора 16 захватывает порцию топлива из топливного бака (на фигурах не обозначен) и устремляется по трубкам подвода (на фигурах не обозначены), поднимает вверх обратные клапаны (на фигурах не обозначены), и попадает в напорные электрогидроразрядные камеры 12 радиальных трубопроводов 5 ротора 4. После этого, по сигналу от датчика положения (на фигурах не показан) мембраны (на фигурах не обозначена) мембранного воздушного компрессора 16, напряжение от генератора 9 подается на блок управления прерыванием (на фигурах не показан) и электрические свечи зажигания 10 ротора 4, которые инициируют разряд, вследствие чего в напорных электрогидроразрядных камерах 12 ротора 4 проявляется электрогидравлический эффект. Появившаяся ударная волна сжимает топливно-воздушную смесь, вследствие чего она детонирует. По этой причине через находящийся по другую сторону от объема топливно-воздушной смеси слой рабочей жидкости проходит ударная волна, усилившаяся в 20-30 раз. Вода устремляется по радиальным трубопроводам 5 через тангенциальные вводы (на фигурах не обозначены) в разгонные блоки 6 ротора 4. В результате закрутки потоков воды в разгонных блоках 6 ротора 4 происходит явление вихревой кавитации и нагрева воды. Срабатывание мембранных воздушных компрессоров 16, эжекторных нагнетателей 18 и обратных клапанов (на фигурах не обозначены) топливных систем 14, электрических свечей зажигания 10 в напорных электрогидроразрядных камерах 12, вихревая кавитация воды в разгонных блоках 6 образуют первую фазу цикла работы устройства. Срабатывание мембранных воздушных компрессоров 17, эжекторных нагнетателей 19 и обратных клапанов (на фигурах не обозначены) топливных систем 15, электрических свечей зажигания 11 в разгонных электрогидроразрядных камерах 13, выход воды из разгонных блоков 6 через сопла Лаваля 7, ее адиабатическое расширение и превращение в пароводяную смесь образуют вторую фазу цикла работы устройства. Далее первая фаза описанного выше цикла повторяется на роторе 3, а вторая фаза - на роторе 4. Выходящий из сопел Лаваля 7 вместе с рабочей жидкостью пар попадает в паропроводы 20, через них в конденсатор пара 21, содержащий трубные пучки 22. При этом в паропроводах 20 установлены каталитические фильтры (на фигурах не показаны), которые задерживают вредные выбросы, образовавшиеся в результате сгорания топливно-воздушной смеси. В конденсаторе пара 21 пар охлаждается и конденсируется за счет передачи тепла трубным пучкам 22, по которым течет холодная вода. Далее осажденный в конденсаторе 21 пар в виде конденсата через соединительный трубопровод 24 стекает в накопительный бассейн 23, откуда смешиваясь с приточной водой из приточных патрубков 26, попадает в линию подвода воды 1. При вращении роторов 3 и 4 и сближении их радиальных трубопроводов 5 с датчиками Холла 25, в последних изменяется напряженность магнитного поля. За счет этого в датчиках Холла 25 вырабатывается электрический сигнал, который поступает на блок управления прерыванием (на фигурах не показан), и далее на электрические свечи зажигания 10 и 11.