Устройство передачи механической энергии от двигателя внутреннего сгорания к электрогенератору тепловой электростанции

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для передачи механической энергии движения от теплового двигателя внутреннего сгорания к электрогенератору. Сущность изобретения состоит в том, что в качестве устройства передачи механической энергии от двигателя внутреннего сгорания к электрогенератору тепловой электростанции (ТЭС) использован воздушный винт со стреловидными лопастями. Использование воздушного винта со стреловидными лопастями на ТЭС позволяет применить в качестве двигателя внутреннего сгорания простой прямоточный или пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, движущийся со сверхзвуковой окружной скоростью, что существенно уменьшит потребление топлива и улучшит экологию в районе расположения ТЭС. 2 ил.

 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для передачи механической энергии движения самого двигателя внутреннего сгорания к электрогенератору ТЭС. Аналога, предназначенного для передачи энергии движения самого двигателя внутреннего сгорания на электрогенератор ТЭС, нет.

Используемые в настоящее время на тепловой электростанции (ТЭС) поршневые и газотурбинные двигатели внутреннего сгорания имеют КПД меньше 50% и соответственно имеют высокое потребление топлива. Так на самом высокоэкономичном поршневом двигателе «Дизель» минимальный расход топлива равен 0,14 кг/л.с.·ч, что соответствует КПД≈42% (Политехнический словарь, изд. Советск. Энцикл., 1976 г., с.351 - «Передача», с.142 - «Дизель»).

В основу изобретения поставлена задача существенного уменьшения потребления топлива на ТЭС и соответственно улучшения экологии.

Существо изобретения состоит в том, что в качестве устройства передачи механической энергии движения двигателя внутреннего сгорания к электрогенератору ТЭС применен воздушный винт с лопастями, расположенными под углом стреловидности по отношению к вектору окружной скорости сечения лопасти

,

где ω - угловая скорость вращения винта, r - радиус сечения лопасти, а угол стреловидности - это угол между передней кромкой стреловидной лопасти и плоскостью, перпендикулярной вектору . См. Заявка №2007139687/20 от 29.10.2007, «Высокоскоростной воздушный винт».

В настоящее время воздушный винты используют для преобразования механической энергий вращения вала винта в кинетическую энергию создаваемого лопастями винта потока воздуха с целью получения силы тяги винта. Используют винты и для преобразования кинетической энергии потока воздуха в механическую энергию вращения вала воздушного винта (Политех. словарь, изд. Советск. Энцикл., 1976 г., с.86 - «Воздушный винт», с.74 - «Ветряной двигатель»).

Между достигаемым техническим эффектом и существом изобретения имеется следующая причинно-следственная связь: использование в качестве «передачи» высокоскоростного воздушного винта позволяет применить вместо дорогих и сложных поршневых и газотурбинных двигателей простые и дешевые бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели (ВРД). Так при сжигании топлива в бескомпрессорных ВРД по циклу Хампри (V=const) или детонационному циклу (ИДД) уже при числе Маха 4 термодинамический КПД ВРД превышает 70% (см. книгу под редакцией С.М.Фролова. Импульсные детонационные двигатели. Изд. Трусс-Пресс, Москва, 2006, с.20÷22).

Поэтому без учета дополнительных потерь механической и тепловой энергии ВРД и с учетом того, что КПД современных ТЭС≈30% и лишь лучшие достигают 40% следует, что использование изобретения в перспективе позволит снизить расход топлива ТЭС в 1,5÷2 раза и позволит получать дешевую электроэнергию в местах добычи топлива.

На фиг.1 представлена схема тепловой электростанции (ТЭС). Плоскость, ометаемая лопастями воздушного винта, на ТЭС расположена в горизонтальной плоскости так, чтобы винт мог одновременно с передачей механической энергии с ВРД на электрогенератор создавать небольшой вертикальный поток воздуха, улучшающий экологию территории станции. На схеме обозначено:

1. Пульсирующий ВРД.

2. Лопасть, расположенная под отрицательным углом стреловидности

3. Лопасть, расположенная под положительным углом стреловидности .

4. Опорная силовая лопасть.

5. Вал ротора электрогенератора ТЭС.

6. Втулка высокоскоростного воздушного винта.

7. Статор электрогенератора ТЭС.

8. R - радиус воздушного винта.

Устройство передачи механической энергии от пульсирующего ВРД к электрогенератору ТЭС, выполненное в виде воздушного винта, работает следующим образом: пульсирующий ВРД (1), установленный на концах стреловидных лопастей (2) и (3) под действием силы реакции струи газа, вытекающей из сверхзвукового сопла, вращает воздушный винт со сверхзвуковой окружной скоростью концов лопастей и. При этом развиваемая пульсирующим ВРД мощность через лопасти (2), (3) и (4) передается на втулку (6) винта и далее на вал (5) ротора электрогенератора ТЭС.

Высокая сверхзвуковая окружная скорость движения концов лопастей винта 3М÷4М существенно усложняет конструкцию и эксплуатацию «высокоскоростного воздушного винта».

С целью увеличения степени сжатия воздуха в камере сгорания ВРД при меньшем значении окружной скорости движения концов лопастей винта в камеру сгорания ВРД посредством дополнительного компрессора через полые лопасти винта нагнетают воздух с давлением, соответствующим степени сжатия >40.

Дополнительный компрессор на сверхзвуковых окружных скоростях движения концов лопастей винта позволяет эффективно использовать сам «высокоскоростной воздушный винт» в качестве самостоятельного центробежного компрессора.

Расчет показывает, что на сверхзвуковых окружных скоростях концов лопастей сам «высокоскоростной воздушный винт» в несколько раз увеличивает давление, поступающее с дополнительного компрессора.

Для элемента воздуха массой

где ρ - плотность воздуха, µ - его молярная масса, R - универсальная газовая постоянная, Т - абсолютная температура, S - площадь трубы, p - давление внутри этого элемента, r - текущий радиус,

центробежная сила будет составлять

разделив на площадь, получим

Сделаем замену переменных

где р0 - давление вблизи оси вращения.

(x, у - безразмерные величины).

Получим

Решением его будет

При r=0 p=p0, следовательно, у0=1

ωr=u,

где u - окружная скорость. Получаем

Возьмем µ=0,029 кг/моль (для воздуха), R=8,3 Дж/(моль К), Т=300 К, u=500 м/с.

На фиг.2 представлена схема ТЭС.

На схеме обозначено:

1. Воздушно-реактивный двигатель с забором воздуха от дополнительного компрессора высокого давления.

2. Лопасть, расположенная под отрицательным углом стреловидности

3. Лопасть, расположенная под положительным углом стреловидности .

4. Опорная силовая лопасть.

5. Вал ротора электрогенератора ТЭС.

6. Электрогенератор ТЭС.

7. Втулка воздушного винта.

8. Компрессорная станция.

Тепловая электростанция работает следующим образом.

Бескомпрессорный ВРД (1), установленный на концах лопастей (2) и (3), под действием силы реакции струи газа, вытекающего из реактивного сопла, вращает воздушный винт со сверхзвуковой окружной скоростью концов лопастей U=500÷700 м/с.

При этом в камеру сгорания ВРД (1) от компрессора высокого давления стационарной компрессорной станции (8) сквозь полые лопасти воздушного винта нагнетают воздух с давлением, соответствующим степени сжатия ≅ 200, что обеспечит получение термодинамического КПД ВРД 60%÷70%.

Развиваемая ВРД мощность через лопасти (2), (3) и (4) передается на втулку воздушного винта (7) и далее на вал (5) ротора электрогенератора.

Устройство передачи механической энергии окружной скорости движения воздушно-реактивных двигателей, электрогенератору тепловой электростанции, содержащее воздушный винт с лопастями, расположенными под углом стреловидности по отношению к вектору окружной скорости сечения лопасти , где - угловая скорость вращения винта, - радиус сечения лопасти, а угол стреловидности - это угол между передней кромкой стреловидной лопасти и плоскостью, перпендикулярной вектору , причем воздушно-реактивные двигатели установлены на концах стреловидных лопастей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к конструированию турбореактивных двигателей, и может быть использовано в реактивном двигателе, преимущественно Черемушкина О.В.

Изобретение относится к прямоточно-эжекторным двигателям и может использоваться в области ракетно-тактического и ракетно-космического оружия, а также для вывода на околоземные орбиты различных полезных грузов.

Изобретение относится к области космической и специальной техники, а точнее к силовым установкам для гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) и многоразовых космических транспортных систем (МКТС) с комбинированными и силовыми установками.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД), и может быть использовано в двигательных установках гиперзвуковых летательных аппаратов.

Изобретение относится к реактивным двигательным установкам и предназначено для использования при полетах летательных аппаратов в воздушном пространстве. .

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД) для гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).

Изобретение относится к устройствам, используемым в качестве двигателей летательных аппаратов, таких как самолеты, воздушно-космические аппараты, а также различные ракеты.

Изобретение относится к тепловым и ядерным силовым установкам, в частности к реактивным двигательным установкам, и может быть использовано для защиты от тепловых потоков высокой плотности деталей и узлов, в том числе датчиков замера параметров рабочего тела, линий коммуникаций, а также устройств распыла дополнительной среды, располагаемых в тракте высокотемпературного, высокоскоростного рабочего тела силовой установки

Изобретение относится к двигателю, использующему воздух, движущийся со сверхзвуковыми скоростями для сжатия, сжигания и расширения

Изобретение относится к двигателестроению, а точнее к способу организации горения в гиперзвуковом прямоточном реактивном двигателе и гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю с горением в наклонной детонационной волне

Изобретение относится к реактивным двигателям без газовых турбин

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД)

Аппарат для взаимодействия с воздухом или газом, способный выполнять функцию компрессора или детандера, содержит корпус, вал для передачи крутящего момента, ротор. Вал для передачи крутящего момента проходит через корпус с возможностью вращения вокруг оси и функционально соединен с ротором. Ротор позволяет поддерживать его устойчивое вращение при окружной скорости обода, составляющей приблизительно от 2000 до 5400 футов в секунду. Кольцевая область вокруг ротора и внутри корпуса образует проход для потока. Корпус также включает выпускное отверстие для потока, образующее проход для вытекания высокоэнергетического газа или воздуха наружу из кольцевой области или его втекания в кольцевую область. Вал содержит материал с высокой удельной прочностью на сжатие или растяжение и имеет проходы для потока, обеспечивающие прохождение потока воздуха или газа к ротору или от ротора. Некоторые части вала обмотаны намотками из волоконного жгута из материала с высокой удельной прочностью на растяжение, натягиваемыми примерно до половины их предела прочности на разрыв. Ротор окружает часть вала внутри корпуса и имеет проходы для потока газа или воздуха, пропускающие поток в радиальных направлениях и задерживающие поток от ротора в осевом направлении. Ротор содержит материал с высокой удельной прочностью на растяжение и компрессионный материал, сжатый намотками из волоконного жгута с высокой удельной прочностью на растяжение, натягиваемыми примерно до половины их предела прочности на разрыв. Материал с высокой удельной прочностью на сжатие функционально соединен с валом сжатием или, по меньшей мере, одной намоткой из волоконного жгута. Аппарат, способный выполнять функции компрессора, в функции компрессора содержит кольцевую область вокруг ротора и внутри корпуса, выполненную с возможностью формирования в процессе работы прохода для воздуха или газа от ротора к выпускному отверстию для потока в корпусе, внутри которого воздух или газ проходит по спирали в радиальном направлении от ротора наружу через кольцевую область и с уменьшением скорости. При этом кольцевая область обеспечивает в процессе работы выход потока воздуха или газа в радиальном направлении от ротора наружу. Реактивный и механический двигатели содержат описанный выше аппарат в качестве компрессора. Изобретение направлено на уменьшение расхода топлива, повышение кпд, снижение выбросов CO2 и снижение стоимости двигателя. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил., 8 табл.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД) содержит корпус, воздухозаборник с центральным телом, внутри которого установлена топливная форсунка в виде газоструйного резонатора с острой передней кромкой, соединенной пилонами с воздухозаборником, камеру сгорания, воспламенитель, сопло, систему управления и твердотопливный картридж для стартового разгона. Способ организации рабочего процесса в ГПВРД заключается в сжигании твердотопливного заряда картриджа, сжатии воздуха в воздухозаборнике, генерировании внутренних ударных волн в проточной части двигателя, подаче в камеру сгорания через топливную форсунку нанодисперсного топлива, содержащего углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом, организации пульсирующего режима горения топливовоздушной смеси в камере сгорания с частотой в диапазоне от 100 до 4000 герц, расширении продуктов горения в сопле и регулировании режима горения. Изобретение направлено на повышение темпа набора скорости, улучшение полноты сгорания топлива и совершенствование массогабаритных характеристик летательного аппарата с ГПВРД. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит сверхзвуковой воздухозаборник, сверхзвуковую камеру сгорания, выходное сверхзвуковое сопло, обечайку, регулятор давления подачи топлива, устройство подачи топлива в двигатель, источник лазерного излучения и оптическую систему. Воздухозаборник, камера сгорания и сопло образуют газовый тракт двигателя. Источник лазерного излучения выполнен с возможностью генерации излучения на заданной частоте, резонансно совпадающей с частотой линии поглощения молекулярного кислорода из основного электронного состояния в возбужденное метастабильное состояние. Устройство подачи топлива в двигатель сделано в виде вертикального набора пилонов и установлено поперечно в тракте двигателя. Оптическая система размещена в тракте после устройства подачи топлива и включает, по меньшей мере, одну пару противоположно расположенных поперечно тракту, отражателей излучения с образованием между отражателями зоны сканирования излучения. На одном из отражателей установлен питающий волновод источника лазерного излучения. Устройство подачи топлива установлено в тракте воздухозаборника. В каждом пилоне выполнены топливный канал, буферная топливная емкость и сопло инжектора, сопряженные гидравлически между собой. Регулятор давления подачи топлива соединен магистралями с топливными каналами каждого пилона. Пары отражателей излучения оптической системы расположены за соплами инжекторов одного или нескольких пилонов с возможностью образования отдельных зон сканирования. Нижняя граница каждой зоны сканирования расположена над верхней задней кромкой сопла инжектора соответствующего пилона и направлена от сопла инжектора к выходу камеры сгорания с площадью сканирования, определяемой в соответствии с выражением, защищаемым настоящим изобретением. Изобретение позволяет уменьшить время задержки и температуру воспламенения топливовоздушной смеси, повысить полноту сгорания топливовоздушной смеси. 5 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение может быть использовано в космической и оборонной отрасли. Способ воспламенения топливной смеси заключается в том, что в камеру сгорания двигателя подают высокоскоростной поток воздуха, обеспечивают торможение потока, образуют в камере сгорания топливную смесь и воспламеняют ее. Так же обеспечивают торможение потока топливной смеси. Торможение осуществляют до дозвуковых чисел Маха посредством сужения камеры сгорания. Воспламенение топливной смеси осуществляют за счет обеспечения времени пребывания топливной смеси в камере сгорания больше времени индукции в реакции окисления горючего. Время пребывания топливной смеси в камере сгорания задают согласно защищаемых изобретением соотношений. Сужение камеры сгорания обеспечивают постепенным или местным уменьшением площади ее поперечного сечения. Изобретение направлено на упрощение процесса воспламенения топливовоздушной смеси при одновременном повышении надежности воспламенения, увеличении полноты сгорания топлива. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение может быть использовано в космической и оборонной отрасли. Высокоскоростной прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД) содержит последовательно расположенные воздухозаборное устройство, камеру сгорания (КС) и выходное сопло. В КС размещены форсунки подачи горючего с возможностью образования топливовоздушной смеси. Площадь входного сечения камеры сгорания выполнена больше площади ее выходного сечения, при этом площадь выходного сечения камеры сгорания определяется с учетом температуры воспламенения топливовоздушной смеси. Геометрические параметры КС определяются с учетом приведенных в тексте описания соотношений. Превышение площади входного сечения КС над площадью ее выходного сечения может быть обеспечено образованием местного сужения в зоне последнего или постепенным сужением КС по потоку. Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности воспламенения, увеличении полноты и стабильности сгорания топлива, а также увеличении тяги и экономичности двигателя, надежности его запуска и снижении стоимости изготовления двигателя за счет кардинального упрощения конструкции и технологии изготовления. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для передачи механической энергии движения от теплового двигателя внутреннего сгорания к электрогенератору

Наверх