СТРУЙНАЯ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗУЮЩАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F04F5/54 F01K25/06 

Изобретение относится к области струйных силовых установок, преимущественно для транспортных средств.

Известна струйная энергетическая установка, содержащая источник жидкой среды, систему подачи жидкой среды в генератор в направлении к гидравлической турбине и источник газовой среды с кинетической энергией, превосходящей кинетическую энергию жидкости [1]
Однако в данной установке неоптимально используется энергия газового и жидкостного потоков, что снижает эффективность работы энергетической установки.

Наиболее близкой к описываемой по решающей технической задаче является струйная энергопреобразующая установка, содержащая источники взаимодействующих сред с системами их подачи, турбину, установленную на валу, генератор газожидкостного потока, установленный перед турбиной и подключенный на входе к источникам взаимодействующих рабочих сред, при этом один из источников взаимодействующих рабочих сред выполнен в виде источника жидкой среды, а другой в виде генератора потока газообразной среды с пропускной способностью по массе меньше, чем пропускная способность по массе жидкости из источника ее подачи [2]
Однако в указанной установке подача жидкой среды выполнена нераспределенной по направлению движения потока к гидравлической турбине, что не позволяет получить достаточно однородный газожидкостный поток, что снижает эффективность использования кинетической энергии потоков и ведет к снижению суммарного импульса при взаимодействии с гидравлической турбиной.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности преобразования кинетической энергии газового и жидкого потоков в механическую энергию за счет более оптимального перераспределения энергии между газовой и жидкой составляющими газожидкостного потока.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в струйной энергопреобразующей установке, содержащей источники взаимодействующих рабочих сред с системами их подачи, турбину, установленную на валу, и генератор газожидкостного потока, установленный перед турбиной и подключенный на входе к источникам взаимодействующих рабочих сред, при этом один из источников взаимодействующих рабочих сред выполнен в виде источника жидкой среды, а другой в виде генератора потока газообразной среды с пропускной способностью по массе меньше, чем пропускная способность по массе жидкости из источника ее подачи, причем генератор газожидкостного потока выполнен в виде резервуара с проходным поперечным сечением для газожидкостного потока, увеличивающимся по направлению движения газожидкостного потока к турбине, система подачи жидкости выполнена в виде форсунок, которые равномерно размещены вдоль продольной оси резервуара, а подвод газа осуществлен в центральной части торца резервуара со стороны его меньшего поперечного сечения прохода газожидкостного потока.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема струйной энергопреобразующей установки, на фиг. 2 5 представлены схематически варианты выполнения установки.

Струйная энергопреобразующая установка содержит источник 1 газообразной среды, трубопровод 2 с регулятором 3 подачи газовой фазы и генератор 4 газожидкостного потока. Последний подключен к трубопроводу 2 и соединен с источником 5 жидкостной среды через систему 6 подачи жидкой среды. На выходе из генератора 4 газожидкостного потока 7 установлена турбина 8 на валу 9.

Генератор газожидкостного потока выполнен в виде резервуара 10 (фиг. 2), поперечное сечение которого возрастает по направлению движения газожидкостного потока 7 к турбине 8. Вход 11 генератора 4, на который поступает поток 12 газовой среды, расположен в центральной части торца 13 резервуара 10, а система 6 подачи жидкой среды в генератор 4 газожидкостного потока 7, может представлять ряды форсунок 14, которые равномерно расположены вдоль длины резервуара 10, например могут быть встроены в его наружную стенку.

На фиг. 3 представлена установка, в которой генератор 4 газожидкостного потока выполнен в виде резервуара 10, вход 11 которого, расположенный в центральной его части, соединен с выходом источника 5 жидкой среды и подключен к оросителю 15. Ороситель 15 расположен аксиально внутри резервуара 10 и выполнен в виде фигуры вращения, диаметр которой уменьшается по направлению движения газожидкостного потока 7 к турбине 8. В данной установке ороситель может быть жалюзийного типа, а входы 16 газовой среды расположены по периферии торца 13 резервуара 10.

На фиг. 4 представлена установка, в которой генератор 4 газожидкостного потока выполнен в виде резервуара, образованного двумя дисковыми элементами 17 и 18. Центр дискового элемента 18 связан с центральным входом 11, подключенным к источнику 1 газообразной среды. По крайней мере, один из дисковых элементов, например 18, снабжен системой форсунок 14, которые равномерно распределены вдоль радиуса дискового элемента. Центральный вход 11 охвачен трубопроводом 19 для подачи жидкой среды к форсункам 14.

На фиг. 5 представлена установка, в которой установлена система нагрева рабочих сред теплом окружающей среды, состоящая из нагревателя 20 газовой среды и нагревателя 21 жидкой среды, а также введен сепаратор 22, отделяющий жидкую среду от газовой на выходе турбины 8, и систему циркуляции жидкой среды, включающую трубопроводы 23, 24. Нагреватель 21 представляет собой радиатор, обдуваемый потоком воздуха. Нагреватель 20 представляет собой резервуар, охватывающий трубопровод 2. Источник газовой среды может быть выполнен в виде сосуда Дьюара, заполненного, например, жидким азотом.

Газовая струя 12 от источника 1 через трубопровод 2 с регулятором 3 под действием давления порядка 100 500 атм (давление, развиваемое источником 1 газообразной среды) поступает в генератор 4 газожидкостного потока. При этом скорость истечения газовой струи может достигать 1000 м/с. Газовый поток в резервуаре 10 генератора 4 газожидкостного потока взаимодействует с жидкостью, находящейся в распыленном состоянии, передавая ей свою кинетическую энергию, при этом масса движущегося в потоке вещества увеличивается, а скорость образующегося газожидкостного потока уменьшается по отношению к скорости газового потока следующим образом:

где
V_г-ж скорость газожидкостного потока;
V_г скорость газового потока;
M_г масса газа;
M_ж масса жидкости.

Таким образом, регулируя количества M_г и M_ж, можно уменьшать конечную скорость газожидкостного потока в десятки раз по сравнению со скоростью газового потока. Поскольку при этом масса жидкости существенно превосходит массу газа, а суммарная поверхность капель жидкости обеспечивает надежный теплоотвод и тепловой контакт между жидкостью и газом, расширение газовой струи может происходить изотермически при температуре жидкой среды. Поскольку скорость газожидкостной струи существенно снижена, а ее плотность близка к плотности жидкости, созданы условия для использования низкооборотной гидравлической турбины, на которой кинетическая энергия газожидкостного потока преобразуется в механическую работу.

При эксплуатации описанной конструкции установки наиболее оптимальным с точки зрения безопасности и эффективности работы является использование жидких компонентов воздуха, в частности жидкого азота. В этом случае для создания рабочего давления необходимо жидкий азот перевести в газообразное состояние, что может быть осуществлено за счет его нагрева от окружающей среды с помощью теплообменных устройств. Возможны два варианта реализации. В одном случае истекающий из источника 1 газовой среды жидкий азот в трубопроводе 2 за счет теплообмена в нагревателе 20 с жидкостной средой, циркулирующей по трубопроводам 23 и 24, переводится в газообразное состояние и далее взаимодействует с распыленной жидкостной средой, как описано выше. При этом жидкая среда, отдавая часть своей тепловой энергии при нагреве и испарении жидкого азота, восполняет эту энергию, протекая через нагреватель 21 жидкой среды, выполненный в виде радиатора, обдуваемого воздухом.

Во втором варианте генератор 4 газожидкостного потока предварительно заполняют почти до полного объема жидкой средой, а затем дополняют сжиженным газом до полного объема, например, впрыскивая его через систему форсунок 14, при этом происходит теплообмен между сжиженным газом и жидкой средой, в результате которого в резервуаре 10 сжиженный азот переходит в газообразное состояние, повышается давление, за счет которого возникает газожидкостный поток с характеристиками, описанными выше.

В процессе разработки был создан вариант установки, в которой в качестве источника газовой среды был использован баллон со сжатым газом под давлением 100 атм; в качестве турбины была использована турбина сварной конструкции общим диаметром 320 мм; в качестве источника жидкой среды был использован бак объемом 30 л. Генератор газожидкостной среды имел внешний диаметр, равный общему диаметру турбины, а длину менее 500 мм. Установка развила мощность порядка 10 кВт при скорости вращения турбины 4000 об/мин, что позволяет вал турбины непосредственно подсоединить к системе сцепления любого транспортного средства, в том числе и автомобиля.

Источники информации
1. Патент США N 3972195, кл. 60 671, опубл. 1976.

2. Патент США N 2151949, кл. 60 649, опубл. 1939.

Использование: в струйных силовых установках. Сущность: генератор газожидкостного потока выполнен в виде резервуара с проходным поперечным сечением для газожидкостного потока, увеличивающимся по направлению движения газожидкостного потока к турбине, система подачи жидкости выполнена в виде форсунок, которые равномерно размещены вдоль оси резервуара, а подвод газа осуществлен в центральной части торца резервуара, а подвод газа осуществлен в центральной части торца резервуара со стороны его меньшего поперечного сечения прохода газожидкостного потока. 5 ил.

Струйная энергопреобразующая установка, содержащая источники взаимодействующих рабочих сред с системами их подачи, турбину, установленную на валу, и генератор газожидкостного потока, установленный перед турбиной и подключенный на входе к источникам взаимодействующих рабочих сред, при этом один из источников взаимодействующих рабочих сред выполнен в виде источника жидкой среды, а другой в виде генератора потока газообразной среды с пропускной способностью по массе меньше, чем пропускная способность по массе жидкости из источника ее подачи, отличающаяся тем, что генератор газожидкостного потока выполнен в виде резервуара с проходным поперечным сечением для газожидкостного потока, увеличивающимся по направлению движения газожидкостного потока к турбине, система подачи жидкости выполнена в виде форсунок, которые равномерно размещены вдоль продольной оси резервуара, а подвод газа осуществлен в центральной части резервуара со стороны меньшего поперечного сечения прохода газожидкостного потока.