Паророторная электрогенерирующая установка
STEAM ROTOR POWER GENERATING PLANT

Область техники
Настоящее изобретение относится к электротехнике и представляет собой паророторную электрогенерирующую установку для низкокипящих рабочих веществ, например водяного пара или пара органических хладагентов.
Предшествующий уровень техники
Абсолютное большинство устройств генерирования электроэнергии выполняется как компоновка первичного приводного двигателя, соединенного через соединительную муфту или редуктор с электрическим генератором. В таких схемах и первичный двигатель, и электрический генератор являются полностью самостоятельными устройствами. В качестве первичного двигателя используются: поршневые двигатели внутреннего сгорания, паровые роторные расширительные машины, газовые, воздушные и водяные турбины. В качестве электрического генератора - любой из существующих типов как постоянного, так и переменного напряжения.
Устройства на основе турбин и роторных двигателей имеют значительные преимущества перед двигателями внутреннего сгорания: отсутствие кривошипно - шатунного механизма, малое количество трущихся деталей, минимальные вибрации и шум, уменьшенные эксплуатационные затраты, большой срок службы и повышенный КПД установки.
В практике создания роторных-лопастных расширительных машин первыми были известные конструкции Д. Уатта, Годсона, Н.Н. Тверского. Обзор роторных машин Д. Уатта, Годсона, H. Н. Тверского и др. приведен в записках Императорского русского технического общества в 1885 году, где они позиционировались, как коловратные. Данные машины не могли самостоятельно использоваться для выработки электроэнергии, только при соединении их через соединительную муфту или редуктор с электрическим генератором получалась электрогенерирующая система. Выдержки из материалов Императорского русского технического общества от 1885 года приведены, например, на интернет-сайте: режим доступа http://www.rotor-motor.ru/page06.htm.
Известен роторно-лопастной двигатель с вынесенной камерой сгорания и дисковой системой газораспределения, имеющий неподвижный полый корпус для размещения в нём ротора, корпус, ограниченный двумя боковыми крышками, ротор, оснащенный лопастями, отверстия для выпуска отработавших газов и подачи топливной смеси. Воспламенение топливной смеси происходит в камерах сгорания, временно изолированных дисковым или приводимым в движение с его помощью клапанным механизмом газораспределения. Двигатель состоит из сегментов, разделенных между собой параллельными друг другу внутренними боковыми крышками, имеющими отверстия для валов ротора и запорных барабанов, а также отверстия для перепуска между сегментами сжатой топливной смеси и горящих рабочих газов (см. патент РФ №2491432, опубликованный 27.08.2013 г.).
Недостатками известной конструкции является работа устройства по другому назначению, как двигателя внутреннего сгорания. Для создания электрогенерирующего устройства необходимо роторный двигатель соединить через соединительную муфту или редуктор с электрическим генератором, что усложняет конструкцию устройства и снижает общий КПД установки.
Известна также роторно-лопастная машина из области машиностроения, состоящая из корпуса с патрубками высокого и низкого давления и размещенные в нем согласованно вращающиеся по меньшей мере один ротор с лопатками и оппозитно установленные замыкатели. Замыкатели выполнены в виде плотно примыкающих к ротору цилиндров с продольной выемкой для пропуска лопаток. Лопатки ротора совместно с корпусом выделяют рабочие полости переменного объема. Лопатки ротора изогнуты в сторону замыкателей с обеспечением их плотного подвижного контакта с замыкателями по границе выемки. Число лопаток и оборотов ротора связаны с числом оборотов и количеством продольных выемок замыкателей определенным соотношением (см. патент РФ № 2611117, опубликованный 21.02.2017 г.).
Недостатком известного изобретения является работа машины в качестве приводного двигателя в паровых и пневматических приводах и компрессорах, а для создания электрогенерирующего устройства необходимо данный роторный двигатель соединить через соединительную муфту или редуктор с электрическим генератором, что усложняет конструкцию устройства и снижает общий КПД установки.
Наиболее близким к предложенному изобретению (прототипом) по технической сущности является широко применявшаяся в России паровая роторная машина (РМ) Тверского (см., например, интернет-сайт И.Ю. Исаева - режим доступа: www.rotor-motor.ru. Паровой роторный двигатель. Доклад российского инженера - механика Тверского Н.Н.). РМ Тверского содержит размещенные в корпусе и согласованно вращающиеся пустотелый ротор с парой лопаток плотно примыкающие к корпусу, оппозитно установленные запорные барабаны, выполненные в виде цилиндров с продольной выемкой для пропуска лопаток, которые совместно с корпусом выделяют две рабочие полости переменного объема. В этом устройстве нет осевых усилий, а за счет оппозитной установки запорных барабанов радиальные усилия на ротор также компенсируются, обеспечивая отсутствие вибраций, шумов, надежность работы и практическую долговечность прототипа.
Недостатком прототипа является то, что при создании на основе прототипа электрогенерирующего устройства необходимо соединить его выходной вал с валом электрогенератора, а при последовательном соединении роторной машины с электрическим генератором устройство получается с увеличенными размерами, в частности, в осевом направлении (т.е. в направлении оси вращения роторной машины и ротора электрического генератора), кроме того, выход вала из корпуса роторной машины должен быть выполнен паронепроницаемым, это приводит к  уменьшению общего КПД установки.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является уменьшение габаритов, снижение веса, упрощение конструкции, повышение энергетических характеристик, надежности, долговечности и простоты обслуживания установки.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является повышение КПД установки, за счет того, что тепловые потери в сосредоточенной обмотке статора электрического генератора от проходящего тока не рассеиваются в окружающую среду, а остаются в пределах неподвижного полого корпуса паророторной электрогенерирующей установки и используются для подогрева рабочего тела, повышая его давление.
Указанный технический результат достигается тем, что в паророторной электрогенерирующей установке, содержащей размещенные в корпусе и согласованно вращающиеся ротор, на внешней стороне которого расположены две лопатки ротора, плотно примыкающие к корпусу, оппозитно установленные запорные барабаны, плотно примыкающие к ротору, выполненные в виде цилиндров с продольными выемками для пропуска лопаток, которые совместно с корпусом образуют две рабочие полости переменного объема, согласно изобретению, ротор выполнен пустотелым с боковыми крышками, внутри ротора размещен дополнительно введенный статор с сосредоточенными обмотками, на валу которого установлены подшипники качения, внешние обоймы которых закреплены с натягом в боковых крышках ротора, причем вал статора закреплен неподвижно на боковых крышках корпуса, а на внутренней поверхности ротора, обращенной в сторону статора, равномерно размещены постоянные магниты, намагниченные в радиальном направлении с чередующейся полярностью, при этом ротор с закрепленными на нем магнитами, образует со статором электрический генератор.
Целесообразно, чтобы ротор и запорные барабаны имели возможность свободного вращения в одной плоскости внутри корпуса.
Целесообразно, чтобы в качестве низкокипящего рабочего вещества был использован водяной пар или пар органических хладагентов.
В предложенной установке ротор одновременно является основной деталью как электрического генератора, так и паровой расширительной машины. Это приводит к повышению КПД устройства, так как тепловые потери в сосредоточенной обмотке статора электрического генератора от проходящего тока не рассеиваются в окружающую среду, а остаются в пределах неподвижного полого корпуса паророторной электрогенерирующей установки и используются для подогрева рабочего тела, повышая его давление. За счет чего достигается уменьшение габаритов, снижение веса, упрощение конструкции, повышение энергетических характеристик, надежности, долговечности и простоты обслуживания установки.
Подробное описание изобретения
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показана конструкция паророторной электрогенерирующей установки для низкокипящих рабочих веществ: на фиг. 1 - паророторная электрогенерирующая установка, фронтальный разрез; на фиг. 2 - профильный разрез А-А на фиг. 1.
Позиции на чертежах обозначают следующее: 1 - корпус; 2 - боковые крышки корпуса (1); 3 - ротор; 4 - лопатки ротора (3); 5 - запорные барабаны; 6 - отверстие в корпусе (1) для впуска пара высокого давления; 7 - отверстие в корпусе (1) для выпуска отработавшего пара низкого давления; 8 - дополнительно введённый статор электрического генератора с сосредоточенной обмоткой; 9 - вал дополнительно введённого статора (8) электрического генератора с сосредоточенной обмоткой; 10 - подшипники качения, установленные на валу (9); 11 - постоянные магниты, размещенные на цилиндрической поверхности ротора (3); 12 - боковая крышка ротора (3).
Паророторная электрогенерирующая установка содержит неподвижный полый корпус (1) (фиг. 1), ограниченный плоскими боковыми крышками (2) (фиг. 2), с размещенными в нем согласованно вращающиеся ротор (3) с двумя лопатками (4), ограниченный плоскими боковыми крышками (12), и оппозитно установленные запорные барабаны (5). Запорные барабаны (5) выполнены в виде плотно примыкающих к ротору (3) цилиндров с продольной выемкой для пропуска лопаток (4). На внешней стороне ротора (3) расположены две лопатки ротора (4) плотно примыкающих к корпусу (1) для того, чтобы пар вещества, попадая в камеру, не просачивался в отверстия между лопатками ротора (4) и корпусом (1). Лопатки ротора (4) не препятствуют вращению, а являются рычагом для воздействия на них пара для вращения ротора (3). Лопатки ротора (4) совместно с корпусом (1) выделяют рабочие полости изменяемого объема. В корпусе (1) или боковых крышках (2), максимально близко к запорным барабанам (5) и по разные стороны от них предусмотрены два отверстия: для впуска пара высокого давления (6) и для выпуска отработавшего пара низкого давления (7). Ротор (3) и запорные барабаны (5) имеют возможность свободного вращения внутри корпуса (1). Ротор (3) выполнен пустотелым с боковыми крышками (12), в нем размещается дополнительно введённый статор (8) электрического генератора с сосредоточенной обмоткой, вал (9) которого закреплен неподвижно на боковых крышках (2) корпуса (1). На валу (9) дополнительно введённого статора электрического генератора с сосредоточенной обмоткой установлены подшипники качения (10), внешние обоймы которых закреплены с натягом в боковых крышках ротора (12). Это позволяет ротору (3) свободно вращаться вокруг дополнительно введённого статора (8) электрического генератора с сосредоточенной обмоткой.
На цилиндрической поверхности ротора (3), обращенной в сторону дополнительно введённого статора электрического генератора с сосредоточенной обмоткой, равномерно размещены постоянные магниты (11), намагниченные в радиальном направлении с чередующейся полярностью. Ротор (3) расширительной паровой машины с закрепленными на нем магнитами (11) образует с дополнительно введённым статором (8) электрического генератора с сосредоточенной обмоткой электрический генератор. В данной конструкции ротор (3) одновременно является основной деталью, как электрического генератора, так и паровой расширительной машины.
Предлагаемая паророторная электрогенерирующая установка работает следующим образом.
Газообразное рабочее вещество высокого давления от паронагревателя по трубопроводу (не показан) поступает через отверстие (6) для впуска пара высокого давления во внутреннюю полость корпуса (1), между запорным барабаном и лопаткой ротора (3), в зону высокого давления. В этот момент зона низкого давления будет находиться напротив отверстия (7) для выпуска отработавшего пара низкого давления. В вышеуказанном замкнутом объеме расширения рабочее вещество начинает расширяться. При этом ротор (3) начинает совершать вращательное движение во внутренней цилиндрической полости корпуса (1). Зона высокого давления начинает увеличиваться в объеме, давление пара при этом падает, а зона низкого давления уменьшаться. Пар в зоне высокого давления заперт, и он может только давить на лопатку ротора, поворачивая его и совершая полезную работу. При перемещении пара в сектор с отверстием (7) для выпуска отработавшего пара низкого давления и выходным патрубком (не показан) давление упадет до давления в этом патрубке. Пар в зоне низкого давления может свободно выходить в конденсатор (не показан), не создавая противодействия ходу ротора (3).
Так как на роторе (3) расположены магниты (11), то при совершении вращательного движения ротора (3) относительно неподвижного дополнительно введённого статора (8) электрического генератора с сосредоточенной обмоткой, в его обмотках наводится ЭДС. Генерируемая электрическая энергия передается по кабелю через боковую крышку корпуса (1) на клеммную колодку и далее потребителю. После того как ротор (3) повернётся на 90 градусов зона высокого давления становится зоной низкого давления, а зона низкого давления становится зоной высокого давления. Далее цикл повторяется.
Предложенная паророторная электрогенерирующая установкаможет быть использована в качестве источника электрической энергии для различных устройств и потребителей. В качестве ее рабочего вещества может быть использован водяной пар или пар органических хладагентов. Применение предложенной паророторной электрогенерирующей установкипозволит создать энергетические комплексы для генерации тепловой и электрической энергии, работающие на любом органическом топливе.