ВЕТРОТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
WIND-DRIVEN THERMAL POWER PLANT

Изобретение относится к области ветроэлектрических установок комбинированного типа, для использования на энергии ветра и химической энергии углеводородного топлива, для применения во всех районах Земли с круглосуточной выработкой электроэнергии.
Известны ветроэлектрические установки пропеллерного типа, строящиеся на различные мощности, с максимальным диаметром колеса до 60 м и мощностью до 1800 кВт, при скорости ветра до 15 м/с. При этом большинство установок средней мощностью 50 кВт дополнительно оборудуются дизель-генераторами, для осуществления бесперебойной выработки электроэнергии. В последнее время наметилась тенденция размещения ветроэлектрических установок /ВЭУ/ в море, так как при удалении от берега на 40 км выработка электроэнергии увеличивается вдвое, причем эффективная работа ВЭУ начинается при скорости ветра от 7 м/с и выше /см. Д. Дэвинс. “Энергия”. М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.70-77/. Недостатком работы известных ВЭУ является, в первую очередь, их остановка при отсутствии ветра, а также низкий к.п.д. использования энергии ветра, не превышающий 28-36%, большой уровень шума, генерация гибкими лопастями низкочастотных колебаний в воздухе высокой интенсивности /инфразвука/, способствующих возникновению резонансных колебаний в организмах людей и животных, нежелательных для их здоровья, создание помех телепередачам, при этом снабжение ВЭУ дополнительной силовой установки в виде дизель-генератора существенно увеличивает стоимость ВЭУ и киловатт-часа вырабатываемой электроэнергии и значительно снижает моторесурс комбинированной установки.
Известна ветроэлектростанция по патенту №2147693 от 2000 г., содержащая установленные на поддерживающей конструкции в виде многоэтажной башни ветродвигатели с многоступенчатыми турбинами, эжекторами и источниками газа для привода турбин при слабом ветре или его отсутствии, при этом каждый ветродвигатель снабжен многоконтурным турбореактивным двигателем, являющимся источником газа, и установлен на перекрытии башни, с последовательным размещением их по ее высоте. Известная ветроэлектростанция по патенту №2147693 является ближайшим аналогом-прототипом, так как она содержит признаки, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, в частности:
- турбина для работы на энергии ветра выполнена многоступенчатой и имеет направляющие сопловые аппараты и эжектор;
- поддерживающая конструкция выполнена в виде многоэтажной башни с расположенными на ней ветротепловыми двигателями;
- электрогенератор снабжен редуктором /мультипликатором/.
Недостатком известной конструкции является применение турбороактивных двигателей в качестве источников газа из-за их сложности, большого веса и высокой стоимости, в связи с чем в предлагаемой конструкции ветротепловой электростанции каждый ветротепловой двигатель снабжен размещенными в корпусах на соосных валах двухступенчатой турбиной для работы на энергии ветра и комбинированной турбиной для работы на энергиях углеводородного топлива и ветра, причем двухступенчатая турбина содержит профилированное кольцо эжектора.
Кроме того, в конфузоре комбинированной турбины размешен генератор газовоздушных струй, выполненный в виде волнового бескомпрессорного воздушно-реактивного двигателя, содержащего воздухозаборник, снабженный диффузором, с размещенными на нем решетками с пластинчатыми клапанами и соплами для входа атмосферного воздуха, соединенный с конической частью, с установленными в ней наклонными направляющими лопатками, подсоединенной к камере сгорания, с размещенными в ней комбинированной форсункой для впрыскивания смеси термического разложения углеводородного топлива и продуктов термического разложения электропроводной жидкости и противоположно ей форсункой для впрыскивания продуктов электрического взрыва струй электропроводной жидкости, для воспламенения смеси,
- камера сгорания соединена с расширяющимся соплом и удлиненным цилиндром, имеющим суживающееся сопло, размещенное в приемной камере эжектора, выполненного в виде конического кольца, соединенного со смесительной камерой,
- при этом комбинированная форсунка содержит наружный корпус с патрубками для подачи электропроводной жидкости, соединенными с цилиндрическими каналами, расположенными внутри корпуса в слое электроизоляционного материала параллельно размещению топливной форсунки, с одной стороны которых установлены электроды, подключенные к генератору электрических импульсов, а с другой выполнены сопла, направленные под углом друг к другу и сообщающиеся с взрывной камерой форсунки, имеющей днище с отверстиями для выхода газовых струй,
- форсунка для впрыскивании продуктов электрического взрыва струй электропроводной жидкости, для воспламенения смеси, содержит наружный корпус с патрубками для подачи электропроводной жидкости, соединенными с цилиндрическими каналами, расположенными внутри корпуса в слое электроизоляционного материала, с одной стороны которых установлены электроды, подключенные к генератору электрических импульсов, а с другой выполнены сопла, направленные под углом друг к другу и сообщающиеся с взрывной камерою форсунки, имеющие днище с отверстиями.
Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточны для получения положительного эффекта - упрощения конструкции источника газа, уменьшения веса и снижения стоимости электростанции. Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень».
Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения - «промышленной применимости».
Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:
- на фиг.1 показан вид спереди на станцию;
- на фиг.2 приведен продольный разрез по ветротепловому двигателю;
- на фиг.3 приведена развертка проточной части комбинированной и
ветряной турбин;
- на фиг.4 показана в продольном разрезе схема генератора газовоздушных струй, выполненного в виде волнового бескомпрессорного воздушно-реактивного двигателя;
- на фиг.5 приведен узел “И” в продольном сечении;
- на фиг.6 показан продольный разрез по форсунке;
- на фиг.7 показан продольный разрез по комбинированной форсунке со схемой генератора электрических импульсов;
- на фиг.8 показана ветротепловая электростанция с двумя ветротепловыми двигателями, установленными на одной высоте;
- на фиг.9 приведен поперечный разрез по 1-1 узла "Н", с показом решетки с клапанами.
Ветротепловая электростанция состоит: из многоэтажной башни 1, на перекрытиях которой 2 установлены ветротепловые двигатели /ВТД/ 3, 4, 5, 6, 7 и другие, в зависимости от высоты башни. Каждый ветротепловой двигатель /см. фиг.2/ имеет корпус 8, содержащий суживающуюся часть /конфузор/ 9. Внутри корпуса размещена 2-ступенчатая турбина с первой ступенью 10 и второй 11, между которыми установлен направляющий аппарат 12. Впереди первой ступени турбин также имеется направляющий аппарат 13, а за второй ступенью - спрямляющий аппарат 14, в которых установлены подшипники с опиранием на них вала 15 турбин. Коаксиально валу размещен барабан 16, на котором крепятся лопатки 1-й и 2-й ступени турбин 17 и 18, при этом вал соединен с барабаном с помощью крышек 19. Блок 20, соединенный с валом 15, укреплен в неподвижном обтекателе 21, скрепленном с лопатками 22 направляющего аппарата 13. Лопатки 23 направляющего аппарата, размещенного между турбинами. Вал 15 соединен с барабаном 24, который с помощью ребер 25 соединен еще с одним барабаном 26, на котором размещена 2-ступенчатая турбина 27, подобная первой, с направляющими аппаратами 28 и 100, установленными в корпусе 29, содержащем конфузор 30. Подшипник 31. Коаксиально второму корпусу 29 установлено профилированное кольцо 32, которое с корпусом 29 образует эжектор с входными кольцевым отверстием 33 и выходным 34. Кольцо содержит козырек 35 для отклонения воздушного потока и создания вихря. Кольцо 32 укреплено на поворотной платформе 36 с роликами 37, установленными на цилиндрической опоре 38. Кольцо 32 с помощью ребер 39 закреплено на корпусе 29. Для работы станции при слабом ветре или полном штиле в конфузорах 9 ветротепловых двигателей устанавливаются по осям 40 волновые бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели /см. фиг.4/, работающие на любом, жидком, твердом или газообразном, топливе.
Назначение этих двигателей, являющихся в этом примере генераторами газовоздушных струй, приводящих во вращение турбины 10, 11, - обеспечение круглосуточной работы станции, с заданной проектом мощностью.
Волновой бескомпрессорный воздушно-реактивный двигатель /генератор газовоздушных струй/ состоит из трех основных частей: воздухозаборника 41, выполненного в виде цилиндра, с размещенными с одной или, как это показано на чертеже, с двух сторон решеток 42 /см. узел H/ с пластинчатыми самодействующими клапанами 43 и соплами 44 для входа атмосферного воздуха. Коаксиально воздухозаборнику установлено направляющее устройство 45, выполненное в виде диффузора, с входным отверстием 46. Воздухозаборник посредством конической части с размещенными в ней наклонными направляющими лопатками для вращения воздуха, соединен со второй основной частью - камерой сгорания 48, содержащей комбинированную форсунку 49 и противоположно ей установленную форсунку 50 для воспламенения рабочей /горючей/ смеси. Камера сгорания с помощью расширяющегося сопла 51 соединена с удлиненным цилиндром /трубой/ 52, - третьей основной частью двигателя, имеющим суживающееся сопло 53, которое установлено в коническом кольце 54, являющемся приемной камерой эжектора. С помощью детали /косынка/ 55 двигатель крепится к корпусу 8. Лопатки направляющего аппарата 22 и турбин 17, 18 с направляющим аппаратом 23 выполнены по типу газовых /паровых/ турбин для движения газовоздушных струй, генерируемых двигателем 48-52 и эжектором 54, 56, при этом сопло 53 двигателя является рабочим, с помощью него увлекается дополнительное количество воздуха на турбины. Форсунка 50 состоит из наружного металлического корпуса 58 с патрубками 59 и 60 для входа электропроводной жидкости, фланца 61 для крепления форсунки. Корпус имеет взрывную камеру 62, содержащую днище 63 с отверстиями 64. Внутри корпуса в электроизоляционном материале 65 выполнены цилиндрические каналы 66 и 67, имеющие с одной стороны сопла 68 и 69, направленные под углом друг к другу, сообщающиеся с взрывной камерой 62, с другой в них установлены электроды 70 и 71, которые подключены к генератору электрических импульсов, содержащему конденсатор 72, зарядный резистор 73 и выпрямитель 74 переменного тока в постоянный.
Комбинированная форсунка 49 состоит из наружного корпуса 75 с патрубками 76 и 77 для входа электропроводной жидкости, фланца 78 для крепления форсунки. Корпус имеет взрывную камеру 79, содержащую днище 80 с отверстиями 82. Внутри корпуса в электроизоляционном материале 82 выполнены цилиндрические каналы 83 и 84 и параллельно им установлена дополнительная форсунка 85 для впрыскивания во взрывную камеру струй 86 углеводородного топлива. Цилиндрические каналы имеют сопла 87 и 88, направленные под углом друг к другу во взрывную камеру, и электроды 89 и 90, подключенные к генератору электрических импульсов, содержащему конденсатор 91, зарядный резистор 92 и выпрямитель 93 переменного тока в постоянный.
2
экв
Форсунка 50 работает следующим образом. От насосов /не показаны/ по патрубкам 50 и 60 подается под давлением электропроводная жидкость, которая заполняет клапаны 66 и 67 и через сопла 68, 69 в виде струй 94 и 95 поступает во взрывную камеру 62, где струи касаются друг друга в месте контакта 96. За счет этого замыкается цепь разрядного контура генератора электрических импульсов, а конденсатор 72 через электроды 70, 71 и электропроводную жидкость в цилиндрических каналах 66, 67 и соплах 68, 69 разряжается на струи 94, 95. При этом за счет большого электрического сопротивления струй, по сравнению с каналами 66, 67, диаметр которых может приниматься в интервале 0,087-0,2 мм и более, а диаметр каналов в десять или более миллиметров, большая часть мощности электрического разряда P=I·R выделяется на струях, которые нагреваются с взрывным испарением и термическим разложением электропроводной жидкости струй. Образовавшиеся продукты электрического взрыва струй заполняют взрывную камеру 62 и через отверстия 64 под высоким давлением и высокой температурой, в виде раскаленных факелов выходят в камеру сгорания 48, где воспламеняют рабочую /горючую/ смесь.
В качестве электропроводных жидкостей для работы форсунок применяются концентрированные водные растворы сильных электролитов на основе солей, оснований и кислот, с концентрацией для солей 18-25%, суспензии мелкодисперсных порошков металлов или графита в концентрированном водном растворе сильного электролита и в некоторых случаях жидкие металлы /см. Б.А. Артамонов. “Размерная электрическая обработка металлов”. М.: “Высшая школа”, 1978 г., стр.229-232 /1/, см. Б.А. Артамонов, т.2, “Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов”, М.: Высшая школа, 1983 г., стр.91-183 /2//. Концентрация порошков металла или графита в суспензиях не превышает нескольких процентов и определяется только экспериментальным путем.
Механизмы процессов электрических взрывов струй из разных материалов отличаются друг от друга.
Электрический взрыв струй концентрированных водных растворов сильных электролитов состоит вначале в пробое газовых пузырьков у катода с образованием плазмы. Горячая плазма и более холодный раствор струй отделяются друг от друга слоем электропроводного пара, содержащего полы электролита. Слой пара, прогреваемый со стороны плазмы и собственной джоулевой теплотой, постепенно продвигается в глубь раствора, пока не достигнет противоположного электрода. После этого на месте струй образуется плазменный канал разряда с образованием электрического взрыва струй /см. 1, стр.229-331/.
Электрический взрыв струй суспензии отличается от первого тем, что при протекании разрядного тока через струи частицы металла или графита, взвешенные в концентрированном водном растворе сильного электролита, взрываются как прямолинейные твердые проводники /см. 2, стр.100-103/, а перемычки между ними из раствора электролита взрываются за счет пробоя раствора /см. 1, стр.229-232/. При этом электропроводность суспензии значительно превосходит чистые растворы электролитов и зависит от концентрации частиц в растворе. Наиболее применяемыми в суспензиях могут быть дорожки алюминия, меди, железа и др. в виде пудры.
2
4
экв
Электрический взрыв струй жидких металлов из сплава 22,8% Nа и 77,2% K, имеющего отрицательную температуру плавления -12,5°С, и многих других жидких металлов /см. В.Б. Козлов. "Жидкие металлы в технической физике", М.: Знание, 1974/4, стр.13 /3//, например сплава свинца 44,5% и 55,5% висмута с Т=125°С, олова, галлия, цинка и др., подобен электрическому взрыву твердых прямолинейных проводников /см. 2, стр.100-103/. Температура электрического взрыва струй зависит от мгновенной мощности электрического разряда через струи P=I·R и может изменяться в интервале /2-5/10 K /см. 2, стр.72/.
Комбинированная форсунка, поз.49, отличается от форсунки 50 размещением в ней дополнительной форсунки 85 для впрыскивания в виде струй 86 жидкого углеводородного топлива, например мазута, солярки и др. продуктов перегонки нефти, а также струй суспензии мазута или воды с угольной пылью, газового топлива и др.
Работает комбинированная форсунка следующим образом. От насосов /не показаны/ по патрубкам 76 и 77 подается электропроводная жидкость, которая в виде струй 97 и 98 впрыскивается во взрывную камеру 79, касается в месте контакта 99 и замыкает цепь разрядного контура генератора электрических импульсов 93-91, при этом конденсатор 91 через электроды 89, 90 разряжается на струи 97, 98, которые нагреваются и взрываются с высокой температурой во взрывной камере 79. За счет высокой температуры электрического взрыва струй электропроводной жидкости одновременно впрыснутые струи 86 углеводородного топлива мгновенно нагреваются с осуществлением термического разложения любого вида углеводородного топлива, в том числе и твердого, с образованием смеси продуктов термического разложения электропроводной жидкости, например суспензии концентрированного водного раствора сильного электролита с частицами алюминиевой пудры /концентрация раствора и частиц металла или графита определяется экспериментальным путем/, и продуктов термического разложения, например мазута, который при этом становится в виде газообразного топлива. Эта раскаленная смесь через отверстия 61 впрыскивается в камеру сгорания 48, быстро и качественно смешивается с воздухом и воспламеняется за счет включения форсунки 50, из отверстий 64 которой выходят раскаленные струи /факелы/ продуктов электротермического разложения струй 94, 95 электропроводной жидкости.
Образовавшиеся продукты сгорания в камере сгорания 48 расширяются в обе стороны и, как поршни, сжимают воздух в воздухозаборнике 41 и удлиненном цилиндре 52. Цилиндрическая часть 57 воздухозаборника без решеток 45 служит в виде буферного устройства, в котором продукты сгорания при расширении сжимают находящийся в нем воздух и в остальной части воздухозаборника, с повышением температуры сжатого воздуха за счет сжатия одного газа “A” другим газом “B” /см. редактор Эммонс, “Основы газовой динамики”, 1960 г., перевод с английского/ не более 200-300°C, что позволяет работать тонким пластинчатым клапанам 43 в нормальных условиях длительное время.
При расширении продуктов сгорания в сторону удлиненного цилиндра 52 находящийся в нем атмосферный воздух сжимается до давления “P” и разгоняется до скорости V м/с, при этом сжатая зона воздуха находится между газовым поршнем /продуктами сгорания/, движущимся со скоростью V м/с, и звуковой волной, распространяющейся в удлиненном цилиндре 52 со скоростью 340 м/с /см. А.И. Зверев. “Детонационные покрытия в судостроении”, М.: Судостроение, 1979 г., стр.7-49 /4//. В результате из сопла 53 выходит импульсная струя воздуха со скоростью _м/с и отработанные продукты сгорания, которые всасывают дополнительное количество атмосферного воздуха через коническое кольцо 54, служащее в виде приемной камеры эжектора, и через направляющий аппарат 22 смесь воздуха и сгоревших газов с заданной скоростью поступают на лопатки 17 и 18 воздушной турбины ветротепловой электростанции.
После выхода продуктов сгорания из сопла 53 на всем протяжении двигателя 41, 48, 51, 52, 53 создается разрежение, под действием которого открываются /отгибаются/ пластинчатые клапаны 43, обеспечивая вход атмосферного воздуха в воздухозаборник 41 и камеру сгорания 48. Одновременно атмосферный воздух через сопло 53 входит в удлиненный цилиндр 52 и расширяющееся сопло 51 с заданной скоростью, что приводит к столкновению обоих движущихся навстречу друг другу воздушных потоков и повышению давления в камере сгорания 48. Снова впрыскивается газообразная смесь топлива и продуктов электротермического разложения электропроводной жидкости струй 97, 98 из комбинированной форсунки 49, которая смешивается с воздухом и воспламеняется за счет включения форсунки 50. Образовавшиеся продукты сгорания снова совершают рабочий цикл расширения и сжатия воздуха в удлиненном цилиндре 52, при этом частота рабочих циклов двигателя достигает 100 циклов в секунду и более /см. К.А. Гильзин. “Воздушно-реактивные двигатели”, Оборонгиз, 1956 г., стр.99-104 /5//.
Таким образом 2-ступенчатая турбина 10, 11 в режиме тепловой машины работает от двигателя, имеющего удлиненный цилиндр 52, который в свою очередь установлен в кольце 54, являющемся приемной камерой эжектора. Такое техническое решение позволяет увеличить массу газовоздушных струй и одновременно снизить их скорость на лопатках 17, 18 двухступенчатой турбины, что необходимо для эффективной работы турбины большого диаметра.
Особенности работы волнового бескомпрессорного воздушно-реактивного двигателя:
- удлиненный цилиндр 52 с расширяющимся соплом 51, подсоединенным к камере сгорания 48, при работе двигателя позволяет осуществлять прямое преобразование химической энергии топлива в кинетическую энергию большой массы сжатого в цилиндре воздуха, которая за счет скорости V м/с и давления “P” преобразуется на лопатках 17, 18 турбин в механическую энергию турбины, вращающей генератор в блоке 20. При этом чем больше длина цилиндра 52, тем больше масса сжимаемого и разгоняемого продуктами сгорания столба воздуха, для уменьшения длины цилиндра устанавливается расширяющееся сопло 51. За счет прямого преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию столба сжатого воздуха в удлиненном цилиндре 52 достигается высокий КПД турбогенератора 10, 11, 20, работающего с одним - по оси 40, или с большим количеством двигателей /2-мя, 3-мя/, а также обеспечивается простота схемы силовой установки. Волновой принцип сжатия одного газа B другим A позволяет также создать нормальные условия работы для пластинчатых клапанов 43 с низкой температурой сжатого воздуха в их зоне работы. Однако кроме приведенной конструкции самодействующих клапанов, выполненных в виде тонких пластинок, могут также применяться известные в технике конструкции тарельчатых клапанов, широко применяемых в поршневых двигателях, с приводом от соленоидов, управляемых электронной системой двигателя, и др.
Топливная система, содержащая комбинированную форсунку 49, насосы и генератор электрических импульсов, обеспечивает впрыскивание в камеру сгорания 48 смеси газообразного углеводородного топлива и водородного топлива, являющегося продуктом электротермического разложения электропроводной жидкости, на основе суспензии частиц металла или графита в концентрированном водном растворе сильного электролита на основе солей, оснований и кислот или чистого раствора электролита. Применение того или иного вещества электропроводной жидкости устанавливается экспериментальным путем.
При температуре электрического взрыва струй 87, 98, превышающей 2500°C, вода раствора разлагается на  и осколки электролита /см. Г. Мучник. “Новые методы преобразования энергии”, М.: Знание, Техника, 1984/4, стр.47 /6//, что обеспечивает получение водородного топлива, имеющего внутреннюю энергию, равную затраченной на электрический взрыв струй энергии электрического разряда. В результате продукты электротермического разложения струй 97, 98 обладают 2-мя энергиями в закрытой камере сгорания: внутренней с температурой, превышающей 2500°C, которая реализуется в двигателе за счет расширения газов - продуктов электротермического разложения вещества струй, и химической - энергией сгорания водорода и кислорода с расширением этих продуктов сгорания и совершением полезной работы сжатия и разгона столба воздуха в удлиненном цилиндре 52. Резкое снижение температуры продуктов электротермического разложения, которые являются смесью водорода с кислородом или, иначе, “гремучим газом”, с сохранением первоначального состояния вещества, полученного при высокой температуре термического разложения раствора электролита при электрическом взрыве, обеспечивается за счет быстрого расширения газов в удлиненном цилиндре 52. Обратный процесс ассоциации, т.е. сгорание этих газов, осуществляется при более низкой температуре, приближающейся к критической для гремучего газа и равной 700°C /см. Н.Л. Глинка. Л.: “Общая химия”, 1980 г., стр.346 /6//. Углеводородное топливо, впрыснутое в виде струй 86, за счет высокой температуры электрического взрыва струй 97, 98 нагревается с взрывным термическим разложением во взрывной камере 79, причем любого, жидкого и твердого, в виде угольной пыли, с образованием газообразного топлива, имеющего существенные преимущества перед жидкими и твердыми видами топлива. Продукты сгорания такого топлива, как известно, являются экологически более чистыми /см. В.П. Алексеев. “Двигатели внутреннего сгорания”, Машгиз, 1960 г., стр.351-352 /7//.
Процесс сгорания смеси углеводородного топлива и продуктов электротермического разложения струй 97, 98, т.е. газообразного топлива, происходит с низким значением коэффициента избытка воздуха _, не превышающего 1,05-1,2, за счет воспламенения углеводородного топлива раскаленными струями, выходящими из отверстий 64 форсунки 50. Иными словами, сгорает обедненная рабочая /горячая/ смесь с воздухом, что позволяет снизить расход топлива на 10-12% /см. Е.Б. Пасхин. “Современные тенденции в конструкции легковых автомобилей”, М.: Транспорт, Знание, 1985/4, стр.16 /8//.
Совместное осуществление рабочего процесса двигателя с использованием энергий диссоциации и ассоциации продуктов электротермического разложения струй 97, 98 и химической энергии углеводородного топлива также обеспечивает снижение расхода топлива, а прямое преобразование этих энергий в кинетическую энергию газовоздушных струй, вытекающих из сопла 53 и смесительной камеры 56 эжектора (54, 56) на лопатки турбин 10, 11, позволяет получить совершенную тепловую машину с высоким эффективным КПД.
Мощность 2-ступенчатой турбины в корпусе 8 зависит от геометрических размеров волнового бескомпрессорного воздушно-реактивного двигателя или генератора газовоздушных струй 48, 52, частоты рабочих циклов и эффективного КПД установки, а также количества их, приводящих во вращение турбину, и может изменяться в интервале от нескольких сот до нескольких тысяч киловатт.
Каждый ветротепловой двигатель 3-7 является комбинированной машиной и может работать, на энергии ветра или в виде тепловой машины, что зависит от скорости ветра в данном районе.
Ветротепловой двигатель в режиме ветроагрегата работает следующим образом.
Движущийся воздушный поток проходит в конфузоры 9 и 30 с увеличением скорости и поступает в направляющие аппараты 13 и 28, 100 двухступенчатых турбин 10, 11 и 27. Одновременно поток движущегося воздуха обтекает корпус 29 и поступает в кольцевое отверстие 33 эжектора, создавая за турбинами, размещенными в корпусах 8 и 29, разрежение.
Совместное действие набегающего потока воздуха и разрежение за ними обеспечивают существенное повышение к.п.д. использования энергии ветра, который еще больше возрастает за счет применения 2-ступенчатых турбин. Как известно, максимальный к.п.д. использования энергии ветра, достигнутый на известных лопастных ветроагрегатах, не превышает 28-36% /см. Д. Дэвинс. "Энергия", М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.70 /9//. Применение эжектора и 2-ступенчатых турбин позволяет сильно увеличить эффективность использования энергии ветра, примерно до 70-90%, и существенно увеличить удельную мощность ветротепловых двигателей по сравнению с обычными.
Второе. За счет устройства козырька 35, обеспечивающего образование вихря, еще больше увеличивается разрежение за турбинами.
Третье. За счет устройства конфузоров 9 и 30 осуществляется увеличение скорости воздушного потока на лопатках турбин и значительное повышение частоты вращения 2-ступенчатых турбин, что позволяет упростить мультипликатор /редуктор/, связанный с валом 15 турбин и электрогенератором 20 /не показан/.
Четвертое. Короткие лопасти турбин, работающие в закрытых корпусах, при вращении не создают низкочастотных колебаний, что присуще обычным лопастным ветроагрегатам, и помех телевидению.
Этому же способствует более высокая частота вращения роторов 2-ступенчатых турбин. Как известно, генерация инфразвука длинными и гибкими лопастями обычных ветроагрегатов и большой уровень шума ограничивают их область применения на местности, так как вредно влияют на здоровье людей и домашних животных.
Пятое. Ветротепловые двигатели в закрытых корпусах устойчивы к сильным порывам ветра, а 2-ступенчатые турбины работают при любой скорости ветра и не подвержены разрушению, тогда как длинные лопасти известных ветроагрегатов ломаются, особенно при резком изменении направления ветра.
Установка ветротепловых двигателей /ВТД/ на ветер осуществляется принудительно за счет работы датчиков, улавливающих направление ветра, механизма привода и системы автоматики ВТД. При этом из-за различного направления ветра по высоте каждый ветротепловой двигатель на своем этаже устанавливается именно на эти направления ветра.
3
1
2
Мощность на энергии ветра N=0,000833·F·V·β·β л.с.,
2
где F - площадь турбины, м;
V - расчетная скорость ветра, м/с;
1
β - коэффициент использования энергии ветра;
2
β - механический к.п.д. ±0,93-8,97.
Скорость ветра по высоте растет согласно
,
10
где - V расчетная скорость ветра на Н=10 м;
m - коэффициент, равный 0,14-0,18 /см. Д. Дэвинс. "Энергия", М.: Энергоатомиздат, 1985 г., стр.70-77 /9/, и К.Н. Волков. "Ветроэнергетические установки", М.: Машиностроение, 1978 г., стр.5-31 /16//.
1
Эффективность работы ветроагрегатов зависит от скорости ветра и продолжительности его действия в данном районе местности. Для пропеллерных ветроагрегатов с к.п.д. использования энергии ветра β=0,36 наименьшая скорость ветра около 7 м/с. Например, на Камчатке, где ветер дует с такой скоростью более 6500 часов в году, строительство ВЭУ необходимо. Побережье Северного ледовитого океана также является районом сильных и продолжительных ветров, при этом общая мощность ветра на планете оценивается в 4,4 трлн кВт /см. М.А. Стырикович. "Стратегия энергетики", М.: Знание, Техника, 1984/7, стр.46-50 /11//. Поэтому использование ветроэлектрических установок при их серийном производстве могло бы в значительной степени улучшить энергоснабжение отдельных регионов страны.
Однако ветер с небольшой скоростью или с сильными порывами дует на всей планете и использование возобновляемой энергии в широком диапазоне скорости ветра с помощью ветротепловых электростанций в несколько этажей необходимо осуществлять в любом районе земли.
Таким образом, ветротепловой двигатель содержит комбинированную 2-ступенчатую турбину, размещенную в корпусе 8, установленную коаксиально относительно 2-ступенчатой турбины в корпусе 29, при этом первая турбина работает в режиме газотурбинной установки с двигателем 48-52 при отсутствии ветра, а при ветре обе турбины в корпусах 8 и 29 работают совместно путем соединения их между собой с помощью муфты 101. На фиг.3 показаны развертки проточных частей турбин с лопатками 17, 18 в корпусе 8 и турбин 27 с направляющими аппаратами 28, 100 в корпусе 29.
Муфта 101 может быть кулачковая, конусная и пр. из известных в технике. Размещение ветротепловых двигателей 3-7 по высоте на различных этажах многоэтажной башни 1 позволяет наиболее эффективно использовать энергию ветра, в соответствии с ур-ем /2/.
1
Например, ветротепловой двигатель с 2-ступенчатой турбиной 27 в корпусе 29 диаметром Д=6,44 м при расчетной скорости ветра V=15 м/с, на высоте H=14,2 м по расчету имеет мощность N=50 кВт /ВТД, поз.3/. При этом следующие по высоте ВТД: поз.4 имеет мощность N=75,6 кВт на высоте 26,4 м, поз.5 на высоте 39,1 м - мощность N=89,2, поз.6 N=100 кВт и поз.7 на высоте 64,5 м имеет мощность N=110 кВт.
Иными словами, мощность двигателей существенно растет по высоте с повышением общей мощности ветротепловой электростанции, в данном примере до N=424,8 кВт. В периоды отсутствия ветра с помощью муфты 101 турбина в корпусе 29 отсоединяется от турбины в корпусе 8, включается волновой бескомпрессорный воздушно-реактивный двигатель 48-52, работающий с эжектором 54, 56, обеспечивая работу ветротеплового/ых/ двигателя в режиме газотурбинной установки в корпусе/ах/ 8 с вращением электрогенератора в блоке 20 /или просто генератора/. В целях существенного повышения мощности ветротепловой электростанции /ВТС/ ветротепловой двигатель, например, на 1-м этаже выполняется с комбинированным электрогенератором или с двумя электрогенераторами, один из которых имеет мощность N=50 кВт, а второй рассчитан на мощность 1,5-2,5 тыс. кВт, равную мощности, развиваемой турбиной в корпусе 8, при установке на ней 2-х-3-х двигателей 48-52 без эжекторов 54, 56.
На фиг.8 ветротепловая электростанция выполняется с 2-мя ВТД 102, 103, снабженными двигателями 48-52, поз.104, 105, установленными на раме 106 и поворотной платформе 107.
Морское исполнение ВТД и ВТС. Известно, что на удалении 40 км от берега выработка электроэнергии в течение года увеличивается вдвое за счет увеличения скорости ветра.
Использование и применение ветротепловых двигателей в качестве главных силовых установок на транспортных морских судах, размещаемых на палубах, позволяет существенно снизить расход углеводородного топлива и транспортные расходы на перевозку грузов.
Многотопливность ВТД обеспечивается за счет использования комбинированных форсунок, выполненных по фиг.7 /поз.49/, в которых осуществляется взрывное термическое разложение любых видов углеводородов, впрыскиваемых в виде струй 86 в зону электрических взрывов струй 97, 98, во взрывной камере 79. Эта особенность работы волновых бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателей 48-52 /генераторов газовоздушных струй /ГВС//, позволяет существенно снизить затраты на топливо за счет применения тяжелых топлив /мазут и др./, а также различных смесей, в т.ч. мазута с угольной пылью.
Аккумуляторы ветровой энергии. В периоды сильных и продолжительных ветров /Камчатка, побережье Северного ледовитого океана, Калифорния и др./ накопление излишков энергии осуществляется с помощью преобразования электрической энергии в жидкий воздух /см. патент №2297137 от 2005 г. автора/. Накопленный жидкий воздух в криогенных резервуарах позволяет использовать его в двух целях:
- в качестве энергоносителя на турбине в корпусе 8 путем испарения жидкого воздуха и подачи его в камеру/ы/ сгорания 48 через вентиль /не показан/;
- в качестве наиболее эффективного хладагента для использования в промышленных холодильниках, с одновременным получением электрической энергии на турбогенераторе. Одновременно он может использоваться в домашних холодильниках, морозильниках и кондиционерах, а также в качестве энергоносителя для работы автотранспорта, особенно внутризаводского, и в др. целях: медицине, электронике, получении жидкого водорода для использования сверхпроводящих кабелей и трубопроводов.
Особенности устройства ветротеплового двигателя
Каждый ветротепловой двигатель 3-7 состоит из двух турбин, при этом первая, размещенная в корпусе 8, является комбинированной и работает как на энергии ветра, так и на энергии углеводородного топлива с помощью работы генераторов газовоздушных струй 48-52, выполненных в виде волновых бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателей, а вторая 2-ступенчатая турбина большего диаметра, установленная в корпусе 29 коаксиально первой, имеет вал 108, вращающийся в пустотелом вале 15 /соосные валы/, которые соединены между собой с помощью муфты 101, и работает только на энергии ветра.
При устройстве одного или нескольких ветротепловых двигателей большой мощности /1,5-2,5 тыс. кВт или больше/ первая турбина в корпусе 8 имеет двигатели 48-52 с соплами 53, работающие без устройства эжекторов 54, 56, при этом в блоке 20 размещаются электрогенератор мощностью 1,5-2,5 тыс. кВт с частотой вращения, равной частоте вращения 2-ступенчатой турбины 10-11, работающей в режиме газовой турбины и соединяемой с валом 15 с помощью муфты /не показаны/, а также мультипликатор для увеличения частоты вращения электрогенератора мощностью 50 кВт, равной мощности турбин в корпусах 8 и 29 при работе их на энергии ветра. Здесь связь между валом 15, мультипликатором и соединенным с ним электрогенератором малой мощности осуществляется с помощью конической передачи и второй муфты /не показаны/. При этом коническая передача устанавливается на вал 15 и соединяется с муфтой, которая включается при работе ветроустановки с двумя турбинами в корпусах 8, 29, а муфта, соединяющая вал 15 с электрогенератором большой мощности, в этот период работы на энергии ветра отключается.
Применение 2-ступенчатой турбины в корпусе 8 в качестве главной силовой установки для работы в энергетике и на транспорте. В этом случае она работает в режиме газотурбинной установки с одним, двумя или тремя генераторами газовоздушных струй 48-52, выполненными в виде волновых бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателей. Новая конструкция газотурбинной установки /ГТУ ИГ/ прерывистого горения значительно проще по конструкции, чем известные газотурбинные установки, многотопливна, экономична и имеет меньшую стоимость.
Технико-экономическая часть
Новая ветротепловая электростанция с новыми ветротепловыми двигателями /ВТД/ обладает рядом существенных преимуществ перед обычными ветроагрегатами:
- КПД использования энергии ветра в 2-3 раза превышает пропеллерные ВЭУ;
- ВТС работает круглосуточно, независимо от того, дует ветер или нет.
При этом генераторы газовоздушных струй /ГВС/, выполненные в виде волновых бескомпрессорных воздушно-реактивных двигателей с эжектором /или в некоторых случаях без него/, просты по конструкции, имеют высокий эффективный КПД, многотопливны и в силу этого являются высокоэкономичными машинами, обеспечивающими низкую стоимость киловатт-часа электроэнергии. Вместе с тем, комбинированная схема новых ВТД с простыми по конструкции генераторами газовоздушных струй /ГВС/ позволяет получить эффективную силовую установку для использования их во всех районах Земли, с различными скоростями движения ветра, чему одновременно способствует высокий КПД использования энергии ветра.
Компактность ВТД, их большая устойчивость к сильным порывам ветра, отсутствие при работе акустического низкочастотного излучения /инфразвука/ позволяет широко использовать как отдельные ВТД, так и башенные ветротепловые электростанции в черте города и сельской местности.
Использование жидкого воздуха в качестве аккумулятора ветровой энергии, с температурой Т=-190°С, обеспечивает перевозку его на большие расстояния водным транспортом, например, с Антарктиды в любую точку Земли. Как известно, ветровой потенциал Антарктиды огромен, а скорость ветра превышает 70-80 м/с.