Способ получения энергии путем ее многоступенчатого преобразования и устройство для его осуществления

Изобретение предназначено для использования на силовых приводах транспортных средств и для выработки электроэнергии. Способ преобразования энергии рабочего тела в механическую и электрическую осуществляется путем многоступенчатого преобразования энергии приводного двигателя, имеющего крутящийся выходной вал, например, гидротурбины. Передачу силового момента от вала приводного двигателя к потребителю механической энергии осуществляют посредством, по меньшей мере, двухступенчатого преобразования механической энергии в энергию рабочего тела, например воды. Давление воды обеспечивают посредством использования центробежного гидронасоса или радиально-осевой гидротурбины, работающей в насосном режиме, с обеспечением выработки реактивной энергии от взаимодействия воды с лопастями ступени гидротурбины или реактивными струйными соплами рабочего колеса ступени, с передачей воды через неподвижный водовод и статор ступени, выполненный в виде спиральной камеры или разветвленного коллектора. При этом окружная скорость рабочего колеса ступени с лопастями или реактивными струйными соплами увеличивает крутящий момент на величину разности радиусов рабочего колеса ступени и рабочего колеса приводного двигателя. Устройство содержит приводной двигатель, имеющий крутящийся выходной вал, например, гидротурбины, передаточный вал, генератор и, по меньшей мере, две аналогичные друг другу ступени преобразования, при этом вал гидротурбины сочленен с рабочим колесом центробежного насоса первой ступени, радиально от которого отходят неподвижные водоводы, идущие до разветвленного коллектора или до спиральной камеры, по боковой окружности которых установлено рабочее колесо радиально-осевой турбины, несущее по периферии рабочие лопасти или сопла, под которыми установлен сточный коллектор. Рабочее колесо гидронасоса второй ступени жестко установлено на валу, посредством которого имеет связь с рабочим колесом первой ступени и ротором электрогенератора. Конструкция позволяет увеличить крутящий момент, передаваемый на электрогенератор. 3 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к области энергетического машиностроения и двигателестроения и может быть использовано на силовых приводах транспортных средств и для выработки электроэнергии.

В качестве прототипа принято устройство, содержащее основную гидротурбину, к которой присоединен насос, содержащий ротор с валом и выходной патрубок, к насосу присоединена вспомогательная гидротурбина, содержащая ротор с валом и входной патрубок, и которая присоединена к генератору электрического тока, причем вал насоса соединен с валом основной гидротурбины, выходной патрубок насоса соединен с входным патрубком вспомогательной гидротурбины, а вал вспомогательной гидротурбины соединен с валом генератора электрического тока. Вал насоса может быть соединен с валом основной гидротурбины через редуктор. Набольший эффект при эксплуатации устройства достигается, если в качестве вспомогательной гидротурбины используют гидротурбину радиально-осевого типа (см. патент Российской Федерации №2061186 С1, кл. F03В 13/00, 27.05.1996).

В данном устройстве путем многоступенчатого преобразования осуществляется получение электрической энергии, используя энергию гидравлического потока.

Однако данное устройство имеет сложную конструкцию и не позволяет увеличить КПД и крутящий момент, передаваемый на электрогенератор.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение КПД, упрощение конструкции за счет изменения кинематической схемы передачи с увеличением крутящегося момента от приводного двигателя до потребителя механической энергии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявленный способ преобразования энергии рабочего тела в механическую и электрическую путем многоступенчатого преобразования включает использование приводного двигателя, имеющего крутящийся выходной вал, например, гидротурбины, передачу силового момента от вала приводного двигателя к потребителю механической энергии осуществляют посредством, по меньшей мере, двухступенчатого преобразования механической энергии в энергию рабочего тела, например воды, давление которой обеспечивают посредством использования центробежного гидронасоса или радиально-осевой гидротурбины, работающей в насосном режиме, с обеспечением выработки реактивной энергии от взаимодействия воды с лопастями ступени гидротурбины или реактивными струйными соплами рабочего колеса ступени, с передачей воды через неподвижный водовод и статор ступени, выполненный в виде спиральной камеры или разветвленного коллектора, при этом окружная скорость рабочего колеса ступени с лопастями или реактивными струйными соплами увеличивает крутящий момент на величину разности радиусов рабочего колеса ступени и рабочего колеса приводного двигателя, при этом нагрузкой для приводного двигателя является центробежный гидронасос или радиально-осевая гидротурбина первой ступени.

Заявленное устройство для преобразования энергии рабочего тела в механическую и электрическую энергию содержит приводной двигатель, имеющий крутящийся выходной вал, например, гидротурбины, передаточный вал, генератор и, по меньшей мере, две аналогичные друг другу ступени преобразования, при этом вал гидротурбины сочленен с рабочим колесом центробежного насоса первой ступени, радиально от которого отходят неподвижные водоводы, идущие до разветвленного коллектора или до спиральной камеры, по боковой окружности которых установлено рабочее колесо радиально-осевой турбины, несущее по периферии рабочие лопасти или сопла, под которыми установлен сточный коллектор, причем рабочее колесо гидронасоса второй ступени жестко установлено на валу, посредством которого имеет связь с рабочим колесом первой ступени и ротором электрогенератора.

Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг.1 изображен общий вид устройства, позволяющего реализовать двухступенчатый заявленный способ; на фиг.2 изображена правая часть рабочих колес с внутренним подводом воды к их лопастям; на фиг.3 изображен подвод воды к реактивным соплам.

Устройство для осуществления заявленного способа содержит:

1 - приводной двигатель;

2 - генератор;

3 - рабочее колесо;

4 - неподвижный водовод;

5 - реактивные сопла;

6 - радиально-осевая гидротурбина или центробежный насос;

7 - сборный коллектор;

8 - направляющие лопатки;

9 - лопасти;

10 - сточный коллектор;

11 - водозаборная камера;

12 - вал, соединенный с генератором 2;

13 - нижняя часть вала 12;

14 - вал.

Между любым приводным двигателем, например гидротурбиной, 1 и конечным потребителем механической энергии - генератором 2 устанавливают устройство многоступенчатого преобразования механической энергии в энергию воды высокого давления с выводом этого рабочего тела по неподвижному водоводу 4 для его использования на максимально допустимом радиусе рабочего колеса ступени для взаимодействия с лопастями 9 или с другими энерговоспринимающими устройствами, например с реактивными соплами 5. Для чего в центре рабочей ступени устанавливают радиально-осевую гидротурбину, работающую в насосном режиме, или многоколесный центробежный насос 6. Радиально от насоса отходит неподвижный водовод или несколько водоводов 4, передающих энергию воды высокого давления на периферийную зону установки в сборную спиральную камеру или разветвленный коллектор 7, используемые в качестве статора с направляющими лопатками 8.

В качестве энерговоспринимающей части ротора по максимальному диаметру роторного круга рабочего колеса ступени устанавливают на его ступице и ободе лопасти 9 радиально осевой реактивной гидротурбины или другие элементы конструкции, например сопла 5, которые получают энергию воды высокого давления воды с наружной стороны сборного коллектора 7 (фиг.1) или с внутренней стороны (фиг.2) с использованием существующих способов уплотнений между роторной и статорной частью.

Отток отработанной воды с лопастей 9 и сопел 5 рабочего колеса 3 ступени производят в сточный коллектор 10, донная поверхность которого должна быть в наклонной плоскости для естественного стока воды в водозаборную камеру 11 для ее дальнейшего использования.

Сущность предлагаемого способа заключается в многоступенчатом, одновременном и последовательном преобразовании механической энергии в энергию высокого давления рабочего тела, например воды, всеми ступенями, которые вырабатывают реактивную энергию на лопастях 9 или в соплах 5 рабочего колеса 3 ступени, увеличенного по радиусу в несколько раз относительно радиуса ротора приводного двигателя 1, и с увеличенным в несколько раз крутящим моментом.

Передача воды от гидронасоса 6 к лопастям 9 и к соплам 5 производится по неподвижному водоводу 4, при этом увеличение окружной скорости перемещения лопастей 9 радиально-осевой реактивной гидротурбины или реактивных сопел 5 происходит на увеличенном в несколько раз радиусе рабочего колеса первой ступени.

При таком многоступенчатом преобразовании энергии и взаимодействии последовательно включенных ступеней нагрузкой для приводного двигателя 1 является гидронасос 6 первой ступени.

Устройство многоступенчатого преобразования энергии может состоять практически из любого количества ступеней и множества комбинаций в их расстановке и компоновке, т.к. общим энергосвязующим элементом является рабочее тело (вода) высокого давления, поступающая к гидротурбинному узлу другой любой ступени по неподвижному водоводу.

На фиг.1 изображена для наглядности общая компоновка малоскоростного агрегата с 2-ступенчатым преобразованием, т.к. расположение входной части лопастей 9, обращенные к валу, вызовут при работе давление реактивной силы в сторону действия центробежных сил.

Поэтому на больших скоростях целесообразно использование схемы фиг.2 и фиг.3.

Устройство для многоступенчатого преобразования энергии имеет приводной гидротурбинный или любой другой двигатель 1 на его вертикально расположенном валу жестко посажен ротор радиально-осевой гидротурбины 6 с лопастями 9, используемый в качестве гидронасоса первой ступени.

На выходе из насоса воды высокого давления установлено радиально один или несколько неподвижных водоводов 4 с направляющими лопатками 8, наглухо сочлененными сборным коллектором 7.

Рабочее колесо 3 первой ступени жестко посажено на нижнем участке сочлененного в точке "К" вала 13, работающего вне зависимости от верхнего участка вала 14. На периферийной зоне рабочего колеса 1-ой и 2-ой ступени установлены рабочие лопасти 9 от реактивной радиально-осевой гидротурбины.

Для отработанной воды от лопастей 9 установлен сточный коллектор 10. Для концентрации воды со стороны водозаборной части насосов выполнена водозаборная камера 11.

Устройство 2-ой ступени аналогично 1-ой ступени. Рабочее колесо гидронасоса 6 второй ступени жестко установлено на "верхней" части вала 14 и имеет посредством его прямую механическую связь с рабочим колесом 3 первой ступени. Рабочие лопасти 9 первой и второй ступени своей входной частью установлены снаружи сборного коллектора 7. Рабочее колесо 3 второй ступени посредством вала 12 соединено с ротором генератора 2. На фиг.2 изображена правая часть 1-ой и 2-ой рабочей ступени, в которой лопасти 9 своей входной частью установлены с внутренней стороны сборного коллектора 7.

Устройство осуществляет заявленный способ от любого приводного двигателя, в данном случае от гидротурбины 1. При передаче крутящего момента от гидротурбины 1 через нижнюю часть вала 13 на ротор гидронасоса 6 первой ступени, который при вращении засасывает воду из водозаборной камеры 11 и под давлением через направляющие лопатки 8, сборный коллектор 7 и неподвижный водовод 4 пропускает ее для отдачи энергии давления через лопасти 9 радиально-осевой гидротурбины. Сброс воды производится через сточный коллектор 10 в водозаборную камеру 11. Полученная энергия на лопастях 9 приводит во вращение рабочее колесо 3 с крутящим моментом большим, чем радиус гидротурбины 1. Таким образом, увеличенный момент на выходе первой ступени через верхнюю часть вала 14 передается на ротор гидронасоса 6 второй ступени, имеющей аналогичную конструкцию. Вода давлением на рабочие лопасти 9 рабочего колеса второй ступени при срабатывании образует увеличенный крутящий момент в соответствии с размерами. Одновременное действие силы и увеличит крутящий момент на приводном валу 12 генератора 2, что позволит увеличить его габариты.

1. Способ преобразования энергии рабочего тела в механическую и электрическую путем многоступенчатого преобразования, включающий использование приводного двигателя, имеющего крутящийся выходной вал, например, гидротурбины, передачу силового момента от вала приводного двигателя к потребителю механической энергии осуществляют посредством, по меньшей мере, двухступенчатого преобразования механической энергии в энергию рабочего тела, например воды, давление которой обеспечивают посредством использования центробежного гидронасоса или радиально-осевой гидротурбины, работающей в насосном режиме, с обеспечением выработки реактивной энергии от взаимодействия воды с лопастями ступени гидротурбины или реактивными струйными соплами рабочего колеса ступени, с передачей воды через неподвижный водовод и статор ступени, выполненный в виде спиральной камеры или разветвленного коллектора, при этом окружная скорость рабочего колеса ступени с лопастями или реактивными струйными соплами увеличивает крутящий момент на величину разности радиусов рабочего колеса ступени и рабочего колеса приводного двигателя, при этом нагрузкой для приводного двигателя является центробежный гидронасос или радиально-осевая гидротурбина первой ступени.

2. Устройство для преобразования энергии рабочего тела в механическую и электрическую энергию, содержащее приводной двигатель, имеющий крутящийся выходной вал, например гидротурбины, передаточный вал, генератор и, по меньшей мере, две аналогичные друг другу ступени преобразования, при этом вал гидротурбины сочленен с рабочим колесом центробежного насоса первой ступени, радиально от которого отходят неподвижные водоводы, идущие до разветвленного коллектора или до спиральной камеры, по боковой окружности которых установлено рабочее колесо радиально-осевой турбины, несущее по периферии рабочие лопасти или сопла, под которыми установлен сточный коллектор, причем рабочее колесо гидронасоса второй ступени жестко установлено на валу, посредством которого имеет связь с рабочим колесом первой ступени и ротором электрогенератора.