ГЕНЕРАТОР ЭНЕРГИИ
ENERGY GENERATOR

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к генераторам энергии, в которых в качестве носителя энергии используются жидкости или газы. Устройство может найти применение при снабжении гидропневмоэнергией механизмов, работающих от гидропневмоаккумулятора для подзарядки гидропневмоаккумуляторов.
Известен генератор энергии, содержащий связанную с гидропневмоаккумулятором камеру сгорания, связанную с баком для энергоносителя, снабженную предохранительными и обратными клапанами, оснащенную средством воспламенения энергоносителя и распределительным узлом (см. RU №2324828, кл. F02B 71/04, 2006).
Недостатки этого устройства - ограниченный диапазон видов топлива, которые могут быть использованы в генераторе. Кроме того, при взрыве топлива в камере взрыва от воздействия взрывной волны происходит вспенивание рабочего тела, в качестве которого могут использоваться масляные жидкости, которое обволакивает свечу зажигания, что может прервать процесс включения, создания искры. Отсутствие системы охлаждения камеры взрыва ведет к ее перегреву, что может привести к аварийной ситуации. Кроме того, выхлопные газы существенно загрязняют атмосферу. При этом использование газа как носителя энергии, полученной при взрывном сжигании топлива, вследствие его небольшой массы недостаточно эффективно.
Известен также генератор энергии, содержащий связанную с гидропневмоаккумулятором камеру сгорания, связанную с баком для энергоносителя и баком для воды, снабженную предохранительными и обратными клапанами, оснащенную средством воспламенения энергоносителя и распределительным узлом (см. RU №2396445, F02B 71/00, F02B 75/32, 2008).
Недостатки этого устройства - конструктивная сложность, в первую очередь камеры сгорания, которая определяет общую работоспособность устройства, наличие в ней подвижных элементов, способствующих повышению ее живучести при взрывном горении энергоносителя (топлива), компенсирующих ударные нагрузки, проявляющиеся при этом. Кроме того, для работы устройства используется дистиллированная вода и ограниченный диапазон видов топлива, что усложняет эксплуатацию устройства и способствует росту эксплуатационных расходов.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - упрощение конструкции генератора и его эксплуатации.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, - упрощение конструкции генератора и в т.ч. камеры сгорания, в которой отсутствуют подвижные части, при этом полезно используется вся энергия генерируемой рабочей среды. Кроме того, появляется возможность использования любых видов углеводородного топлива и газообразного (природный газ или очищенные горючие газы как углеводородные, так и водород) и жидкого, от мазута до бензина, и дизельного топлива. Кроме того, обеспечивается возможность использования неподготовленной пресной или минерализованной воды, в т.ч. морской. Кроме того, резко снижается выброс токсичных газов в выхлопе камеры сгорания. Конструкция нечувствительна к загрязнению топлива и воды твердыми частицами размером до 1-2 мм.
Поставленная задача решается тем, что генератор энергии, содержащий связанную с гидропневмоаккумулятором камеру сгорания, связанную с баком для энергоносителя и баком для воды, снабженную предохранительными и обратными клапанами, оснащенную средством воспламенения энергоносителя и распределительным узлом, отличается тем, что камера сгорания выполнена в виде емкости с массивными стенками, рассчитанными на работу при давлении по меньшей мере 60 МПа, при этом в состав генератора включен стартовый источник давления, выполненный в виде ресивера или пневмоаккумулятор, с возможностью работы при давлении до 6 МПа и с возможностью сообщения с камерой сгорания на различных этапах рабочего цикла или баком для энергоносителя и баком для воды, при этом в качестве средств воспламенения энергоносителя использованы стартовый источник давления и свеча накаливания, причем распределительный узел выполнен с возможностью последовательного соединения полости камеры сгорания с баком для воды и баком для энергоносителя, затем со стартовым источником давления, затем с гидропневмоаккумулятором, затем со стартовым источником давления, затем с атмосферой с последующим повторением этой последовательности. Кроме того, полости камеры сгорания придана округлая, предпочтительно шарообразная форма. Кроме того, распределительный узел выполнен в виде патрубка с цилиндрической или конической полостью, в стенках которого выполнены сквозные отверстия, каждое из которых сообщено с одним из узлов, коммутируемых с камерой сгорания, при этом в полости патрубка установлен золотник соответствующей формы с возможностью вращения соосно с продольной осью патрубка, содержащий продольный канал, конец которого сообщен с наружной поверхностью золотника боковым отводом, при этом сквозные отверстия в стенках патрубка размещены с возможностью поочередного их сообщения с боковым отводом золотника, причем выхлопное отверстие камеры сгорания снабжено отдельным выхлопным клапаном, выполненным с возможностью согласования работы с работой золотника. Кроме того, узлы генератора энергии, коммутируемые с камерой сгорания в процессе подвода топлива, воды и подвода-отвода рабочего тела, сообщены с ней через обратные клапаны. Кроме того, на каналах, сообщающих выходы стартового источника давления с камерой сгорания и баками для воды и энергоносителя, установлены редукционные клапаны, выполненные с возможностью снижения уровня давления газовой среды до рабочего в названных узлах на соответствующих этапах рабочего цикла.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки «…камера сгорания выполнена в виде емкости с массивными стенками, рассчитанными на работу при давлении по меньшей мере 60 МПа…» обеспечивают упрощение конструкции камеры и возможность получения продуктов горения энергоносителя с более высокими параметрами, чем в прототипе (тем самым, более полное использование энергии продуктов горения).
Признаки «…в состав генератора включен стартовый источник давления, выполненный в виде ресивера или пневмоаккумулятора, с возможностью работы при давлении до 6 МПа и с возможностью сообщения с камерой сгорания на различных этапах рабочего цикла или баком для энергоносителя и баком для воды…» обеспечивают работу генератора на таких этапах рабочего цикла, как подача воды и энергоносителя, а также зажигания горючей смеси при работе камеры сгорания в режиме, подобном режиму работы дизеля, при этом они обеспечивают утилизацию остатков насыщенного энергией рабочего тела, остающихся в камере после сброса основной ее части.
Признаки «…в качестве средств воспламенения энергоносителя использованы стартовый источник давления и свеча накаливания...» обеспечивают возможность использования широкого спектра моторного топлива и газа. При этом стартовый источник давления обеспечивает работу в режиме, соответствующем режиму работы дизеля, реализуемом сжатием горючей смеси, а свеча - в режиме работы, подобном работе карбюраторного двигателя (при использовании газа или бензина).
Признаки «…распределительный узел выполнен с возможностью последовательного соединения полости камеры сгорания с баком для воды и баком для энергоносителя, затем со стартовым источником давления, затем с гидропневмоаккумулятором, затем со стартовым источником давления, затем с атмосферой с последующим повторением этой последовательности...» обеспечивают реализацию рабочего цикла генератора энергии. При этом в качестве рабочего тела генерируется парогазовая смесь с более высокой массой, чем масса газовой смеси, что позволяет передать больший импульс энергии.
Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают оптимальное с позиций восприятия нагрузок от газов - продуктов горения энергоносителя нагружение стенок камеры и исключают возможность образования в ней «застойных зон», подверженных образованию нагара.
Признаки третьего пункта формулы изобретения раскрывают оптимальный вариант обеспечения коммутации всех узлов генератора, задействованных в процессе генерирования рабочего тела высокого давления, и оговаривают вариант схемы отвода выхлопных газов, не оказывающей влияния на процессы коммутации камеры сгорания с остальными ее узлами.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения исключают разрушение узлов, коммутируемых с камерой сгорания, в процессе начала сгорания энергоносителя (топлива).
Признаки пятого пункта формулы изобретения обеспечивают «привязку» уровня давления газовой среды, подаваемой со стартового источника давления, к уровню рабочего давления в названных узлах на соответствующих этапах рабочего цикла.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны: на фиг.1 общая схема генератора энергии; на фиг.2 показан поперечный разрез распределительного узла (патрубка с золотником).
На чертежах показаны камера сгорания 1, патрубок 2, сквозные отверстия 3 в его стенке, золотник 4 с продольным каналом 5 и боковым отводом 6, гидропневмоаккумулятор 7, бак для энергоносителя 8, бак для воды 9, пневмоаккумулятор 10, свеча накаливания 11, первый 12 и второй 13 редукционные клапаны, первый 14 и второй 15 выходы пневмоаккумулятора 10, выхлопное отверстие 16 с выхлопным клапаном 17, предохранительный клапан 18, обратные клапаны 19, продольная ось 20 патрубка 2, вал 21 золотника 4, запорные краны 22.
Кроме того, в составе генератора энергии использованы трубопроводы известной конструкции, рассчитанные на передачу рабочих агентов (газа или жидкости) под давлением, соответствующим рабочему давлению коммутируемых узлов устройства (на чертежах показаны линиями). Диаметр их проходного сечения достаточно велик - порядка 5 мм. Кроме того, в составе генератора энергии использованы запорные краны 22 известной конструкции, рассчитанные на передачу рабочих агентов (газа или жидкости) под давлением, соответствующим рабочему давлению в трубопроводе, на котором запорное устройство установлено. Названные запорные краны выполнены дистанционно управляемыми. Управление работой узлов и элементов генератора энергии осуществляют посредством компьютеризованной системы управления, выполненной известным образом (на чертежах не показана) по типу используемой для управления двигателем в автомобилях, что позволяет точно дозировать расход энергоносителя и воды.
Камера сгорания 1 выполнена в виде емкости с массивными стенками, рассчитанными на работу при давлении по меньшей мере 60 МПа, при этом полости камеры придана округлая, предпочтительно шарообразная форма. В качестве материала может быть использована сталь с высокой прочностью и вязкостью, например, ШХ15 (некаленая) и любые нержавеющие стали марок 12X13, 20X13 и т.п. В перспективе возможно использование и иных конструкционных материалов, в том числе композитных, включающих разнородные функциональные слои. Из соображений обеспечения прочности предпочтительно, чтобы камера сгорания формировалась как одно целое. При этом технологические отверстия в стенках камеры сгорания 1 (выхлопное 16, для ввода свечи накаливания 11, для предохранительного клапана 18, для присоединения цилиндрического патрубка 2 и т.п.) либо формируются при изготовлении камеры сгорания, либо по окончании ее изготовления. Вместе с тем, возможен вариант формирования камеры сгорания из двух половинок, соединяемых затем разъемно-болтовыми соединениями и/или сваркой. Камера сгорания 1 может быть снабжена бандажом, например, выполненным намоткой на нее стальной проволоки или нитей из синтетического термостойкого материала. Диаметр камеры сгорания опытной установки составлял 90 мм.
Патрубок 2 выполнен с цилиндрической или конической внутренней полостью, в которой установлен золотник 4 соответствующей формы (предпочтительно по условиям обеспечения надежной герметизации зазора между поверхностью золотника 4 и поверхностью стенки полости патрубка 2 использовать коническую форму, при этом более широкое основание конуса должно располагаться со стороны камеры сгорания 1).
Золотник 4 установлен с возможностью вращения соосно с продольной осью 20 патрубка 2 и зафиксирован известным образом от продольного перемещения (например, патрубок может быть выполнен в виде стакана, кромки которого выполнены с возможностью скрепления, например резьбового, с камерой сгорания 1, при этом в днище стакана может быть выполнено отверстие диаметром, меньшим диаметра полости патрубка 2, через которое пропускается вал 21 золотника 4, через которое вращательное движение передается золотнику). В массиве золотника 4 выполнен продольный канал 5, конец которого сообщен с наружной поверхностью золотника 4 боковым отводом 6 (размеры его поперечного сечения соответствуют размерам трубопровода наибольшего поперечного сечения - трубопровода, обеспечивающего сброс рабочего тела в гидропневмоаккумулятор 7). Сквозные отверстия 3, выполненные в стенках патрубка 2, размещены в одной диаметральной плоскости сечения патрубка 2 по его периметру (кроме отверстий 3, сообщенных с баками для воды 9 и энергоносителя 8, которые размещены на одной образующей корпуса золотника 4 и открываются одновременно), что обеспечивает возможность поочередного их сообщения с боковым отводом 6 золотника 4 при вращении последнего вокруг продольной оси 20 патрубка 2. Вал 21 золотника 4 кинематически связан с валом исполнительного (шагового) двигателя известной конструкции - на чертежах не показан, управление которого известным образом осуществляют от упомянутой системы управления.
Выхлопное отверстие 16 камеры сгорания 1 выполнено известным образом и снабжено отдельным выхлопным клапаном 17. Может использоваться выхлопной клапан любой известной конструкции, рассчитанный на рабочее давление, развиваемое в камере сгорания 1. Единственное требование к нему - он должен иметь возможность согласования работы с работой других механизмов, в данном случае золотника 4. Механизм согласования может быть как механическим, так и электронным. Обратные клапаны 19, запорные краны 22, используемые в конструкции генератора, не отличаются по конструкции от известных, их рабочие характеристики должны соответствовать режимным параметрам работы генератора энергии.
Предлагаемое устройство может работать в нескольких режимах.
Первый - это режим внутреннего взрыва топливно-воздушной смеси со сверхвысокой степенью сжатия (аналогично дизельному ДВС) за счет высокой степени сжатия примерно около 3 МПа с помощью пневмоаккумулятора 10.
Второй - это режим внутреннего воспламенения топлива или топливно-воздушной смеси с принудительным зажиганием от свечи накаливания 11 по типу двигателя внутреннего сгорания. Этот режим целесообразен при использовании газообразного топлива или бензина.
Генератор энергии работает следующим образом.
Для запуска генератора в работу вал 21 золотника 4 посредством исполнительного (шагового) двигателя разворачивают в положение «а» - на чертеже этому соответствует размещение золотника 4 боковым отводом 6 вертикально вверх, при котором боковой отвод 6 позиционируется напротив сквозных отверстий 3 в стенке патрубка 2, одно из которых сообщено с баком для воды 9, а другое - с баком для энергоносителя 8, находящихся под давлением от 0,5 до 1,0 МПа, формируемым рабочим телом (сжатым воздухом), подводимым от пневмоаккумулятора 10. При этом на начальном этапе работы генератора подачу воды не осуществляют, поэтому по команде системы управления запорный кран 22, перекрывающий трубопровод от бака для воды 9, остается закрытым, а трубопровод от бака для энергоносителя 8 открывается и в полость камеры сгорания 1, заполненную воздухом, впрыскивается порция топлива.
При последующем повороте золотника 4 (в положение «б» на чертеже) боковой отвод 6 позиционируется напротив сквозного отверстия 3 в стенке патрубка 2, сообщенного с пневмоаккумулятором 10. При этом по команде системы управления запорный кран 22, отделяющий камеру сгорания 1 от пневмоаккумулятора 10, открывается, за счет чего в полости камеры сгорания 1 давление резко возрастает и при достижении давления в камере сгорания 1 порядка 3 МПа происходит воспламенение энергоносителя (топлива) и его взрывное горение.
При последующем повороте золотника 4 (в положение «в» на чертеже) боковой отвод 6 позиционируется напротив сквозного отверстия 3 в стенке патрубка 2, сообщенного с гидропневмоаккумулятором 7. При этом высокое давление порядка 50 МПа, сформированное в процессе выгорания топлива, открывает обратный клапан 19, перекрывающий трубопровод, соединяющий камеру сгорания 1 и гидропневмоаккумулятоо 7, и обеспечивает сброс рабочего тела в гидропневмоаккумулятор 7, осуществляя его «подзарядку».
При последующем повороте золотника 4 (в положение «г» на чертеже) боковой отвод 6 позиционируется напротив сквозного отверстия 3 в стенке патрубка 2, сообщенного со входом пневмоаккумулятора 10, при этом из камеры сгорания 1 рабочее тело с остаточным давлением (порядка 5-6 МПа) оставшееся после сброса основного объема в гидропневмоаккумулятор 7, сбрасывается в пневмоаккумулятор 10, осуществляя его «подзарядку».
При последующем повороте золотника 4 (переходе из позиции «г» в позицию «а») по команде системы управления открывается выхлопной клапан 17 и происходит сброс остатков газопаровой смеси из камеры сгорания 1 в атмосферу и заполнение ее атмосферным воздухом.
Далее все повторяется до прогрева камеры сгорания до уровня, способного обеспечить эффективное испарение воды.
Работа генератора после разогрева камеры сгорания не отличается от описанной кроме цикла подачи топлива: при повороте золотника 4 в положение «а» на чертеже боковой отвод 6 позиционируется напротив сквозных отверстий 3 в стенке патрубка 2, одно из которых сообщено с баком для воды 9, а другое - с баком для энергоносителя 8, при этом по команде системы управления запорные краны 22, перекрывающие и трубопровод от бака для воды 9, и трубопровод от бака для энергоносителя 8, открываются, за счет чего в полость камеры сгорания 1 подсасывается порция воды и топлива. Дозирование воды и топлива в смеси осуществляется по команде системы управления.
При этом вода и топливо, попадая в полость камеры сгорания 1 с прогретыми стенками, интенсивно испаряются, способствуя отведению тепла от ее поверхности. Водяной пар при высокой температуре диссоциируется на кислород и водород, причем чем выше температура пара, тем выше степень диссоциации.
2
2
Углерод топлива соединяется с кислородом воды, при этом топливо газифицируется, превращаясь в раскаленные газы - окись углерода и водород С+HO=СО+Н, которые сгорают в кислороде атмосферного воздуха, превращаясь в диоксид углерода и воду.
Эффект диссоциации воды позволяет дополнительно повысить эффективность сгорания топлива за счет дополнительного кислорода.
Описанная схема работы генератора энергии соответствует первому режиму работы и может быть реализована при сжигании дизельного топлива (на этапе запуска в работу) с последующей (после прогрева камеры сгорания 1) возможностью сжигания керосина и мазутов и их эмульсий в воде, причем доля воды может достигать 50%.
Для сжигания бензина и газа требуется принудительное зажигание от свечи накаливания 11, при этом организация работы распределительного узла соответствует вышеописанной.