ТРАНСПОРТАБЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ГОСПИТАЛЕЙ ПУСТЫНЦЕВА Российский патент 1998 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к теплоэнергетическим источникам для армейских полевых установок, к автономным подводным источникам энергии и может быть использовано на водном транспорте и в качестве транспортабельных теплоэнергетических установок, где это необходимо.

Известен двигатель Стирлинга двойного действия с гидропередачей на гидромотор, вращающий ротор электрогенератора [1, с. 284].

Недостатком электрогенераторного блока является сложность конструкции, заключающаяся в том, что для вращения ротора электрогенератора используется двигатель двойной действия и гидромотор, общий КПД системы всего 25%.

Известен также электрогенераторный блок с одноцилиндровым воздушно-тепловым двигателем одностороннего действия Стирлинга фирмы "Филипс" [1, с. 178, 231] , выбранный автором в качестве прототипа, состоящий из одноцилиндрового воздушно-теплового двигателя Стирлинга одностороннего действия вытеснительного типа с кривошипно-шатунным механизмом привода (Мейер, 1969 г.), соединенный с электрическим генератором в единый блок.

Недостатком данного электрогенераторного блока является то, что возвратно-поступательное движение рабочего поршня и вытеснителя преобразуется во вращательное движение рабочего вала с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма (Мейер) и низкого КПД.

Изобретение обеспечивает: создание многофункциональных теплоэнергетических установок жизнеобеспечения полевых госпиталей, походных радиостанций и РЛС с использованием любых топлив, включая дрова, уголь, мазут, солнечную энергию и т. д., малогабаритных, бесшумных, экологически чистых, с большим КПД и ресурсом.

Указанный результат достигается тем, что в транспортабельной теплоэнергетической установке жизнеобеспечения полевых госпиталей (ТТУЖПГ) возвратно-поступательное движение рабочего поршня и вытеснителя в двигателе с внешним подводом теплоты (ДВПП) через жидкость преобразуется во вращательное движение безосевого ротора (безлопаточной торцовой гидравлической турбины) электрогенератора.

Кроме того, за счет использования тепла отработавших газов ТТУЖПГ обеспечивает горячей водой потребителя.

ДВПТ состоит из внутреннего рабочего контура, в котором теплота преобразуется в полезную работу, внешнего контура подвода теплоты, системы отвода теплоты (охлаждения), преобразователя и вспомогательных подсистем. В основе рабочего процесса во внутреннем контуре заложен принцип получения полезной работы за счет расширения газа при высокой температуре и сжатия его при более низкой.

Внутренний контур ДВПТ включает в себя: холодную и горячую полости, нагреватель, холодильник и регенератор. Необходимый закон изменения функциональных объемов обеспечивается за счет согласованного движения рабочего и вытеснительного поршней, через жидкость преобразуется во вращательное движение безлопаточной торцовой гидравлической турбины, ротора электрогенератора. В качестве рабочего тела во внутреннем контуре двигателя используется гелий, либо воздух.

Рабочее тело находится под давлением. Внешний контур ДВПТ предназначен для подведения теплоты к рабочему телу. Внешний контур двигателя включает в себя камеру сгорания и нагреватель. В качестве окислителя атмосферного воздуха для утилизации теплоты отработавших газов в ТТУЖПГ установлен предварительный нагреватель воздуха и трубчатые нагреватели воды, предварительно очищенной в виброфильтре.

Основными преимуществами ТТУЖПГ является сравнительно небольшая масса, бесшумность, хорошая уравновешенность, высокий КПД.

Установка экологически чистая, может работать на жидких, твердых и других источниках тепла.

Транспортабельная теплоэнергетическая установка жизнеобеспечения полевых госпиталей представлена на чертежах.

Фиг.1 - схема установки.

Фиг. 2 - торцовая часть безлопаточной гидравлической турбины (ротора электрогенератора), обращенная к цилиндру.

Фиг.3 - второй вариант ТТУЖПГ с двумя роторами электрогенератора.

Фиг.4 - разделительная переборка, внутренняя часть.

Фиг.5 - схема движения газов,
Транспортабельная теплоэнергетическая установка жизнеобеспечения полевых госпиталей состоит из цилиндрического корпуса 1, разделенного переборкой 2 с кольцевым направляющим каналом 3 и кольцевыми ресиверами 4 с кольцевым соединительным каналом 5 на две полости; роторную полость 6 и буферную полость 7. В роторной полости 6 размещен ротор 8 с серпообразными углублениями 9, в торцовой части обращенной к буферной полости 7. На боковой наружной поверхности и внутренней поверхности ротора 8 по периметру вмонтированы секции постоянных магнитов 10. Ротор 8 не имеет вала и покоится на шариках в сепараторе 11, размещенных в беговых дорожках 12, выполненных на внутренней поверхности нижней переборки 19 корпуса 1. От осевых перемещений ротор 8 удерживается шариком 14, размещенным в центральной лунке 15, на торцовой части ротора 8, обращенной к буферной полости 7. Шарик 14 прижимается пружиной 16 амортизатора 17 к поверхности лунки 15. С наружной и внутренней сторон в боковую поверхность корпуса вмонтированы сердечники 18 катушек возбуждения 19.

С наружной стороны переборки 2 жестко закреплены по центру цилиндр 20, оканчивающийся крышкой 21, с вмонтированными в нее нагревательными трубками 22 и тепловой трубкой 23, одновременно выполняющей функцию поршня пневматического амортизатора. С открытой стороны в цилиндре 20 закреплены направляющие лопатки 24. Коренные концы лопаток 24 закреплены на корпусе аварийного амортизатора 17, размещенного по центру открытой стороны цилиндра 20. В цилиндре 20 с возможностью возвратно-поступательного движения размещены пустотелый вытеснитель 25 с центральным отверстием 26 в днище, оканчивающийся штоком 27, свободно размещенным в центральном отверстии пустотелого рабочего поршня 28, частично выполненного из ферромагнитного материала, разделяющие цилиндр 20 на горячую 29 и холодную 30 полости, соединяющиеся между собой каналами 31 и нагревательными трубками 22, проходящими через камеру сгорания 32, регенератор 23 и холодильник 34. Часть буферной полости 7, роторная полость 6 и подпоршневая полость 35 в цилиндре 20 заполнены маслом. При неработающем двигателе, вытеснитель 25 и поршень 28 всегда будут находиться в верхней мертвой точке (ВМТ). С наружной стороны цилиндра 2, ниже каналов 31, закреплен кольцевой охладитель 36, на котором закреплен кольцевой баллон 37 подпитки двигателя газом. Между переборкой 2 и охладителя 36 на цилиндре 20 размещены обмотки 38. Холодильники 34 сообщены патрубками с радиаторами 39 и охладителем 36. Холодильник 34, охладитель 36, радиаторы 39 образуют замкнутый контур и заполнены охлаждающей жидкостью. Кольцевые направляющие каналы 3 в переборке 2 направлены в сторону вращения ротора 8. На ресиверах 4 установлены: плунжерный компрессор 43, сообщенный с буферной полостью 7, приводится в действие изменением давления в буферной полости 7 в зависимости от положения рабочего поршня 28 в цилиндре 20 и служит для нагнетания рабочего тела в кольцевой баллон 37 для поддержания заданного давления рабочего тела в цилиндре 20. Топливный насос 44 диафрагменного типа приводится в действие изменением давления в буферной полости 7 и служит для принудительной подачи топлива к форсунке в случае работы установки на жидком топливе. В нижней части установки установлен электрический диафрагменный вибронасос 45 с вибродиском 46 в емкости 47 для очистки воды и подачи ее в трубчатые нагреватели 42 и к потребителю питьевой холодной воды через второй фильтр тонкой очистки, через магнитную секцию и секцию трубопровода, выполненную из серебра.

На кожухе ТТУЖПГ 48 размещен съемный дистиллятор 49 с тепловыми трубками 50, входящими через отверстия в кожухе 48 в камеру сгорания 32. Для утилизации теплоты отработавших газов на двигателе в установке размещен предварительный нагреватель воздуха 40.

В качестве рабочего тела во внутреннем контуре двигателя установки используется гелий, либо воздух, находящийся под давлением.

В отводном канале отработавших газов 41 размещены секции трубчатых нагревателей воды 42. При полной электрической мощности 15 кВ•А и среднем давлении 10 МПа, по предварительным расчетам, размеры установки 1000 x 600 x 900 мм, общая масса установки приблизительно 200 кг.

При сжигании топлива в камере сгорания 32 горение происходит с большим избытком воздуха, вследствие чего в продуктах сгорания значительно меньше токсичных веществ, чем в продуктах сгорания поршневых ДВС. Теплота, выделяемая при сжигании топлива, нагревает рабочее тело, находящееся в нагревательных трубках (трубчатом нагревателе) 22, и тепловую трубку 23, рабочее тело, расширяясь в горячей (верхней) полости 29, совершает полезную работу. Вытеснитель 25 и рабочий поршень 28 совместно движутся вниз. При этом рабочий поршень 28, воздействуя на жидкость, заставляет ее перетекать из подпоршневой полости 35, через лопатки направляющего аппарата (направляющие лопатки) 24 в роторную полость 6. "Закрученный" поток жидкости воздействует на серпообразные углубления 9 ротора 8, заставляя ротор 8 вращаться в сторону потока жидкости, а затем жидкость (масло) перетекает через канал 3 в буферную полость 7, сжимая находящийся там воздух. Подойдя к амортизатору 17, рабочий поршень 20 останавливается, и вытеснитель 25 движется вверх за счет поступления рабочего тела из горячей полости 29 в холодную полость 30, отдавая сначала часть теплоты регенератору 33, а затем, окончательно охлаждаясь в холодильнике 34, вытеснитель 25 движется вверх также за счет давления масла (жидкости) на торцовую поверхность штока 27.

Рабочий поршень 28, преодолевая сопротивление давления охлажденного рабочего тела, поступающего в холодную полость 30, между днищем вытеснителя 25 и рабочим поршнем 28, также под давлением жидкости начинает двигаться вверх, при этом закрученный поток жидкости в сторону вращения ротора 8, воздействуя на серпообразные углубления 9 внешнего кольца, пройдя кольцевой направляющий канал 3, воздействуя на серпообразные углубления 9 внутреннего кольца, заставляет ротор 8 вращаться в первоначальном направлении. Подходя к верхней мертвой точке (ВМТ), вытеснитель 25 останавливается. Причем тепловая трубка 23 входит в глухое отверстие 26 в головке вытеснителя. В результате небольшого зазора между нагревательной трубкой 23 и стенками отверстия 26 происходит дросселирование газа, выходящего из глухого отверстия 26, происходит плавное безударное торможение и остановка вытеснителя в ВМТ. Продолжая перемещаться вверх, поршень 28 за счет давления жидкости, перетекающей в подпоршневую полость 35 из роторной полости 6 и буферной полости 7, под действием сжатого воздуха и буферной полости 7, сжимает холодное рабочее тело.

В конце сжатия рабочий поршень 28 останавливается, а вытеснитель 25 движется вниз. Холодное сжатое рабочее тело перетекает из холодной полости 30 в горячую полость 29, подогреваясь сначала в регенераторе 23, а затем в нагревательных трубках (трубчатом нагревателе) 22, и рабочий цикл повторяется.

При работе ТТУЖПГ вырабатывается электрический ток в обмотках 38, размещенных на цилиндре 20 и катушках возбуждения 19, размещенных на сердечниках 18, встроенных в корпус 1.

Кроме того, оставшаяся часть теплоты используется для получения горячей воды или пара в трубчатых нагревателях воды 42, размещенных в отводном канале отработавших газов.

Таким образом ТТУЖПГ вырабатывает переменный ток высокой частоты для освещения, ток низкой частоты для других нужд, пар для различных технологических и бытовых нужд, а также служит для подогревания воды и как дистиллятор.

ТТУЖПГ может работать на дизельном топливе, керосине, бензине, спирте, пропане и твердых видах топлива (уголь, древесина).

Высокая надежность, низкий уровень шума, минимальные выбросы вредных веществ, легкий пуск позволяют использовать установку в армейских полевых условиях.

ТТУЖПГ особенно хороша для энергоснабжения полевых госпиталей.

Использование: транспортабельные системы комплексного энергоснабжения и жизнеобеспечения. Сущность изобретения: возвратно-поступательное движение вытеснителя и поршня через жидкость, воздействующую на серпообразные углубления ротора, преобразуется во вращательное движение ротора электрогенератора, а отработавшие газы используются для нагревания воды. Установка состоит из корпуса 1, разделенного переборкой 2 на роторную 6 и буферную 7 полости цилиндра 20, вытеснителя 25, поршня 28. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Транспортабельная теплоэнергетическая установка жизнеобеспечения полевых госпиталей, содержащая кожух, в котором размещены двигатель внешнего сгорания и генератор электрического тока, при этом двигатель внешнего сгорания включает камеру сгорания с отводным каналом отработавших газов, нагреватель, охладитель, регенератор и цилиндр, в котором размещены пустотелый рабочий поршень с центральным отверстием и вытеснитель со штоком с образованием горячей, холодной, рабочей и буферной полостей, а генератор электрического тока включает ротор с вмонтированными в него секциями постоянных магнитов, размещенный в роторной полости, и корпус с вмонтированными сердечниками катушек возбуждения, отличающаяся тем, что рабочий поршень и вытеснитель размещены в цилиндре свободно, в крышку цилиндра по центру вмонтирована тепловая трубка, а с наружной стороны его нижней части размещена обмотка возбуждения, в головке вытеснителя выполнено глухое отверстие, рабочий поршень частично выполнен из ферромагнитного материала, рабочий цилиндр закреплен на верхней переработке корпуса генератора электрического тока соосно ротору и снабжен направляющим аппаратом с аварийным амортизатором в центре, рабочая полость цилиндра при помощи кольцевого соединительного канала и ресиверов сообщена с роторной полостью, в свою очередь сообщающейся с буферной полостью кольцевым направляющим каналом, в торцевой части ротора, обращенной к буферной полости, выполнены по окружности два ряда серпообразных углублений, ротор покоится на шариках в сепараторе, уложенных в кольцевой дорожке, выполненной на внутренней нижней торцевой поверхности корпуса и на торце ротора, ротор удерживается от осевых перемещений при помощи шарика, который размещен в лунке на торцевой поверхности и прижимается пружиной аварийного амортизатора, при этом часть буферной полости, роторная и рабочая полости заполнены маслом, а в отводном канале отработавших газов размещены секции трубчатых нагревателей воды и тепловые трубки. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена предварительным нагревателем воздуха и водяным радиатором, установленным в кожухе. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в средней части с наружной стороны цилиндра размещена емкость, разделенная внутренней кольцевой переработкой на воздушную и водяную полости. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена плунжерным компрессором и диафрагменным топливным насосом, сообщающимися с буферной полостью и размещенными на ресиверах. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена вибронасосом с вибродиском для очистки воды, размещенным под корпусом и электрически связанным с генератором электрического тока, при этом на напорном патрубке вибронасоса установлен фильтр тонкой очистки с серебряной и магнитной секциями. 6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена съемными дистиллятором и установкой для перегонки спирта с тепловыми трубками.