ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2001 года по МПК F03B13/00 

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве источника электрического тока.

Известен термогенератор ТГК-3, содержащий 20-линейную керосиновую лампу, теплопередатчик, два блока термобатарей, вытяжную трубу, ребра охлаждения. Напряжение анодной батареи 2 В, ток анодной батареи 2 А, напряжение накальной батареи 2 В, ток накальной батареи 0,5 А, расход керосина 60 - 70 г/ч /Справочник радиолюбителя под ред. А.А. Куликовского, изд. 3, Государственное энергетическое издательство, М., Л., 1961, с. 318-319, рис. 16-1/.

Недостатками известного термогенератора ТГК-3 являются: небольшие ток и напряжение, низкий КПД, большие тепловые потери, загрязнение окружающей среды продуктами сгорания.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией генератора.

Известна также дизель-генераторная установка ДГА-100-2, содержащая раму, на которой установлены дизельный двигатель с топливным баком, механически через разобщительную муфту соединенный с генератором, имеющим возбудитель, пульт управления. Число оборотов дизеля 1500, мощность дизель-генератора 100 кВт, род тока - переменный, напряжение 230 и 400 В /Государственный Комитет Совета Министров СССР по автоматизации и машиностроению, 1 серия, Машиностроение и автоматика, Дизелестроение, ЦБТИ, М., 1961, с. 71-76, рис. 10/.

Известная дизель-генераторная установка ДГА-100-2, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.

Недостатками известной дизель-генераторной установки ДГА-100-2, принятой за прототип, являются: применение органического топлива, шум при работе двигателя, тепловые потери в двигателе, загрязнение окружающей среды выхлопными газами.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией дизель-генераторной установки.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств генераторной установки.

Указанная цель, согласно изобретения, обеспечивается тем, что дизельный двигатель заменен гидрогазодинамическим двигателем, содержащим гидродвигатель, два реактора, входные патрубки которых через впускные клапаны соединены с расходным баком, соединенным с баком для хранения рабочего тела, причем выходные патрубки упомянутых реакторов соединены через запорные краны, распределительный кран и управляемый золотник с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого соединена с винтовой полостью циклона, выходной патрубок которого связан с расходным баком, а внутренняя полость через выхлопную трубу соединена с атмосферой, причем внутри реакторов размещены в несколько рядов газовые генераторы, одинаковые по конструкции, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер, внутри которого установлены активные элементы, представляющие собой вкладыши, выполненные из металла или сплава, относящихся к цериевой и иттриевой группам семейства лантоноидов, кроме того подвижные элементы газовых генераторов через механизмы привода, расположенные в верхних частях реакторов, кинематически связаны с гидравлической системой управления двигателем, включающей в себя гидроцилиндр, кран управления, масляные насосы, приводимые в движение электродвигателем, питаемым от аккумуляторной батареи, масляный бак, а также регулятор частоты вращения вала двигателя, рабочим телом которого является дистиллированная вода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид генераторной установки; на фиг. 2 - вид на генераторную установку сверху; на фиг. 3 - схема гидрогазодинамического двигателя; на фиг. 4 - общий вид в разрезе реактора; на фиг. 5 - устройство газового генератора; на фиг. 6 - разрез по АА фиг. 5; на фиг. 7 - положение деталей газового генератора при минимальной производительности; на фиг. 8 - положение деталей газового генератора в выключенном положении; на фиг. 9 - общий вид механизма управления газовыми генераторами; на фиг. 10 - вид слева на механизм управления газовыми генераторами; на фиг. 11 - устройство циклона в разрезе; на фиг. 12 - схема привода распределительного крана; на фиг. 13 - схема центробежного регулятора частота вращения вала двигателя; на фиг. 14 - схема гидравлической системы управления двигателем; на фиг. 15 - устройство фиксатора минимальных оборотов.

Генераторная установка содержит раму 1, на которой размещены генератор электрического тока 2 с возбудителем 3, гидрогазодинамический двигатель 4, который через разобщительную 5 и соединительную 6 муфты соединен с генератором электрического тока, пульт управления 7. Генератор электрического тока и возбудитель выполнены без особенностей. Гидрогазодинамический двигатель содержит корпус 8 гидродвигателя, закрытый задней крышкой 9 и передней крышкой 10, выполненной заодно с цилиндрическим пустотелым корпусом 11, закрытым наружной передней крышкой 12. Все три крышки имеют отверстия для прохода вала 13, который состоит из двух частей, соединенных между собой посредством разобщительной муфты. Задняя часть вала выполнена заодно с ротором 14, имеющим три радиальных паза 15, в которые вставлены лопасти 16, каждая из которых имеет ролик 17, входящий в криволинейный профилированный паз 18, выполненный на внутренней поверхности задней крышки гидродвигателя, который имеет впускную 19 и выпускную 20 полости. На заднем конце вала закреплена ведущая шестерня 21, входящая в зацепление с ведомой шестерней 22, установленной на нижнем конце вертикального вала 23, на верхнем конце которого закреплен золотник 24 распределительного крана, вставленный в корпус 25, имеющий внутренние выточки 26, 27, соединенные с каналами 28, 29, связанными с реакторами, и выточку 30, соединенную с каналом 31 входной полости гидродвигателя. Золотник распределительного крана имеет перепускной канал 32. Расходный бак 33 соединен гидравлически через впускные клапаны 34, 35 с реакторами 36, 37, одинаковыми по конструкции. Каждый реактор содержит корпус 38, разделенный перегородкой 39 на нижнюю и верхнюю полости, сверху закрыт крышкой 40. Нижняя полость корпуса реактора имеет входной 41 и выходной 42 патрубки. Внутри ее установлены в несколько рядов газовые генераторы 43, одинаковые по конструкции, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер. Газовый генератор содержит ┴-образный стержень 44, привернутый к корпусу реактора болтами 45 и имеющий боковые продольные пазы, в которые установлены вкладыши активных элементов 46, выполненных из металла или сплава, относящихся к цериевой и иттриевой группам семейства лактоноидов (в таблице Менделеева занимают места с 57 по 71). Сверху на стержень надет стакан 47, имеющий сквозные боковые продольные пазы 48 и выполненный заодно с валом 49, на верхнем конце которого закреплена шестерня 50. Вал имеет сальник 51 и поджимную гайку 52. Оба механизма управления газовыми генераторами одинаковы по конструкции и размещены в верхних полостях корпусов реакторов, каждый из которых содержит зубчатые рейки 53, 54, 55, установленные в направляющих 56 и входящие в зацепление с шестернями газовых генераторов и шестернями 57, 58, 59, закрепленными на поперечном валу 60, установленном в подшипниках 61 и соединенном с рычагом 62. Все реакторы через запорные краны 63, 64, распределительный кран и управляемый золотник 65 соединены с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого соединена с циклоном 66, содержащим корпус 67, имеющий входной 68 и выходной 69 патрубки, внутри которого закреплена выхлопная труба 70, имеющая спиральные ребра 71, образующие винтовую полость. На наружном конце выхлопной трубы установлена пламепрерывающая сетка 72, преграждающая путь пламени, как внутрь циклона, так и выходу его наружу. Выходной патрубок циклона посредством трубопровода соединен с расходным баком. Реакторы имеют датчики давления 73, соединенные с манометрами, не показанными на чертеже, а также предохранительные клапаны 74, внутренние полости которых посредством трубопроводов соединены с входным патрубком циклона. Всасывающий клапан 75 соединяет впускную полость гидродвигателя с расходным баком, который через запорный кран 76 связан с баком для хранения рабочего тела. Нижние полости реакторов, а также внутренние полости расходного бака, бака для хранения рабочего тела, трубопроводов заполнены дистиллированной водой, которая является рабочим телом гидрогазодинамического двигателя. Гидравлическая система управления гидрогазодинамическим двигателем содержит гидроцилиндр 77, внутрь которого вставлен поршень 78, делящий внутреннее пространство на две полости 79 и 80. Поршень соединен со штоком 81, который связан шарнирно с рычагами управления газовыми генераторами обоих реакторов. Гидравлический кран управления состоит из корпуса 82, внутрь которого вставлен золотник 83, имеющий перепускные отверстия 84 и 85, нагруженный пружиной 86 и соединенный с рычагом управления 87. Гидравлический кран управления и гидроцилиндр посредством трубопроводов соединены с масляным баком 88 и масляными насосами 89, 90, имеющими редукционные клапаны 91, 92 и приводимыми в движение электродвигателем 93, питающимся от аккумуляторной батареи 94. Оба реактора имеют фиксаторы минимальных оборотов, каждый из которых содержит стержень 95, входящий своим верхним концом в полукруглый паз 96, выполненный в головке рычага управления газовыми генераторами. Стержень вставлен в отверстие в корпусе реактора, нагружен пружиной 97 и в нижней части оканчивается гайкой с кольцом 98. К кольцу прикреплен тросик, не показанный на чертеже и соединенный с рычажком, установленным на пульте управления. Регулятор частоты вращения вала двигателя содержит горизонтальный вал 99, установленный в подшипнике, на одном конце которого закреплена шестерня 100, входящая в зацепление с ведомой шестерней привода распределительного крана, а на другом конце установлена вилка 101, на концах которой размещены, с возможностью перемещения, грузики 102, контактирующие своими выступами с диском 103, закрепленным на конце прямоугольного стержня 104, установленного в направляющих и имеющего сверху рычаг 105, соединенный тягой 106 с рычагом управляемого золотника, а снизу кронштейн 107 с чашкой 108, в которую вставлен один конец пружины 109, второй конец которой вставлен в чашку 110, закрепленную на штоке гидроцилиндра управления гидрогазодинамическим двигателем. На пульте управления размещены приборы контроля и управления генераторной установкой.

Работа генераторной установки.

После проверки и подготовки генераторной установки производится запуск гидрогазодинамического двигателя 4, работа которого основана на использовании способности металлов цериевой и иттриевой групп семейства лантоноидов при соприкосновении с водой разлагать ее на водород и кислород при обычных условиях /см. А. И. Бусев, И.П. Ефимов, Словарь химических терминов, пособие для учащихся, М., Просвещение, 1971, с. 91-92/.

Включается электродвигатель 93 привода масляных насосов 89, 90. При этом масло из масляного бака 88 подается в полости 79, 80 гидроцилиндра 77. Так как давление в обеих полостях одинаково, то поршень 78 неподвижен и находится в средней части, а масло с выхода насосов 89, 90 подается на вход через редукционные клапаны 91, 92. Далее необходимо передвинуть влево рычаг 87 (фиг. 14). Золотник 83 передвинется в ту же сторону и перепускное отверстие 84 соединит полость 80 гидроцилиндра с масляным баком 88. В результате давление масла в этой полости уменьшится, а в полости 79 останется прежним и поршень 78 станет перемещаться вправо и повернет по часовой стрелке рычаги 62 реакторов 36, 37 и сожмет немного пружину 108 регулятора частоты вращения вала двигателя. При этом вместе с рычагами 62 повернутся поперечные валы 60 с шестернями 57, 58, 59, которые передвинут зубчатые рейки 53, 54, 55, а те повернут шестерни 50 газовых генераторов 43. Вместе с последними повернутся стаканы 47 и сквозные пазы 48 частично откроют активные элементы 46, как показано на фиг. 7. Под действием пружин 97 стержня 95 фиксаторов минимальных оборотов войдут в полукруглые пазы 96 (фиг. 15) и будут препятствовать полному отключению газовых генераторов 43, обеспечивая минимальное соприкосновение активных элементов 46 с водой. При соприкосновении активных элементов с водой начинается ее разложение на водород и кислород с образованием молекул H₂ и O₂. Образовавшиеся газы накапливаются в нижних полостях реакторов 36, 37 и повышают в них давление, которое может контролироваться манометрами через датчики давления 73, установленные в корпусах реакторов. Как только давление газов в реакторах достигнет необходимой величины открытием запорных кранов 63, 64, включается гидрогазодинамический двигатель. В этом случае попеременно через перепускной канал 32 распределительного крана нижняя полость каждого из реакторов подключается к впускной полости 19 гидродвигателя. Газоводная смесь под давлением выбрасывается из нижней полости каждого реактора во впускную полость гидродвигателя, производит давление на лопасти 16, заставляя вращаться ротор 14 и вал 13. Ведущая шестерня 21 приводит в движение ведомую шестерню 22 и вместе с ней вертикальный вал 23 и золотник 24 распределительного крана. Для получения необходимого давления в реакторах и наиболее полного его использования в гидродвигателе передаточное отношение ведущей шестерни 21 и ведомой шестерни 22 принято 2:1. Совершив работу по перемещению лопастей 16 и повороту вала 13, газоводяная смесь поступает в выпускную полость 20 гидродвигателя, а затем в циклон 66, где проходит через винтовую полость и приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы вода отбрасывается на стенки циклона и стекает вниз, затем по трубопроводу возвращается в расходный бак 33, а водород и кислород через выхлопную трубу 70 и пламепрерывающую сетку 72 выходят в атмосферу. Как только был произведен выброс газоводяной смеси из того или иного реактора, вследствие возникшего разрежения, открывается один из впускных клапанов 34, 35 и новая порция воды из расходного бака 33 поступает в соответствующий реактор и все повторяется снова. Если давление в реакторах превысит максимально допустимую величину, то часть газоводяной смеси выбрасывается через предохранительные клапаны 74 и поступает в циклон 66. Как только гидрогазодинамический двигатель стал устойчиво работать на малых оборотах, включается разобщительная муфта 5 и генератор 2 вместе с возбудителем 3 начинают работать. Для увеличения мощности и частоты вращения вала двигателя и вала генератора необходимо снова передвинуть рычаг 87 влево и, как было описано выше, поршень 78 гидроцилиндра 77 сместится вправо и передвинет в ту же сторону шток 81, который повернет рычаги 62 на больший угол и вместе с ними валы 60 с шестернями 57, 58, 59, которые передвинут еще дальше зубчатые рейки 53, 54, 55 и повернут стаканы 47 газовых генераторов на больший угол, открывая еще больший доступ воды к активным элементам 46, вплоть до максимального их открытия (фиг. 6). Это ведет к увеличению процесса разложения воды, возрастанию количества выделяемых водорода и кислорода и увеличению давления внутри реактора 36, 37. Давление газоводяной смеси, поступающей во впускную полость 19 гидродвигателя, увеличивается и вал 13 станет вращаться быстрее с увеличенной мощностью. Как только генератор 2 выйдет на заданный режим, его ток станет поступать потребителям. При работе реакторов реакция разложения воды необратима и соединения вновь водорода с кислородом не происходит. Во-первых, водород и кислород из атомарных газов сразу же превращаются в молекулярные, а во-вторых, для их соединения необходима высокая температура, еще лучше пламя. Этому также препятствуют пары воды, образующиеся в реакторах. В процессе работы двигателя частота вращения вала определяется местом расположения поршня 78 гидроцилиндра 77. Ее постоянство поддерживается регулятором. В зависимости от того, насколько продвинут вправо шток 81, изменяется сила действия пружины 109 регулятора частоты вращения вала двигателя. При передаче вращения от шестерни 22 на шестерню 100 вместе с ней вращается вал 99 с вилкой 101 и грузиками 102. Если по какой-либо причине частота вращения вала двигателя увеличилась, то увеличивается центробежная сила. Под действием увеличившейся центробежной силы грузики 102 движутся влево, удаляясь от центра вращения, и своими выступами нажимают на диск 103, передвигая влево стержень 104 и вместе с ним рычаг 105, который через тягу 106 поворачивает управляемый золотник 65, уменьшая проходное сечение трубопровода и количество газоводяной смеси, подаваемой во впускную полость 19 гидродвигателя. В результате частота вращения вала двигателя уменьшается до небольшой величины. Уменьшение частоты вращения вала двигателя по какой-либо причине вызывает уменьшение центробежной силы. Грузики 102 под действием пружины 109, действующей через кронштейн 107 и диск 103, перемещаются вправо ближе к центру вращения. Рычаг 105 через тягу 106 поворачивает управляемый золотник 65, увеличивая проходное сечение трубопровода и количество газоводяной смеси, подаваемой во впускную полость 19 гидродвигателя. Частота вращения вала возрастает до необходимой величины. Резкое уменьшение подачи газоводяной смеси во впускную полость 19 вызовет в ней разрежение из-за инерции ротора 14 и вала генератора 2. В этом случае открывается всасывающий клапан 75 и недостающая порция воды поступит во впускную полость из расходного бака 33. Часть энергии, вырабатываемой генератором 2, поступает на собственные нужды, в частности на зарядку аккумуляторной батареи 94. Во время работы генераторной установки может появиться необходимость уменьшить частоту вращения вала гидродвигателя. Для этого необходимо рычаг 87 передвинуть вправо. Золотник 83 крана управления передвинется в ту же сторону и перепускное отверстие 85 соединит полость 79 гидроцилиндра 77 с масляным баком 88. Давление масла в этой полости уменьшится, а в полости 80 останется прежним. Поршень 78 станет смещаться влево и передвинет в ту же сторону шток 81 и повернет рычаги 62, а с ними поперечные валы 60 с шестернями 57, 58, 59. Зубчатые рейки 53, 54, 55 переместятся и через шестерни 50 повернут стаканы 47 газовых генераторов 43 в обратную сторону, уменьшив поверхность активных элементов 46, соприкасающихся с водой, и, тем самым, количество вырабатываемых водорода и кислорода. Это уменьшит давление в реакторах 36, 37 и приведет к уменьшению давления на лопасти 16 и уменьшению частоты вращения вала гидродвигателя 13. Перемещение штока 81 в этом направлении ограничено стержнями 95 фиксаторов минимальных оборотов, которые не позволят полностью изолировать активные элементы 46 от воды. Вследствие разложения воды в реакторах ее уровень в расходном баке 33 будет уменьшаться. Поддержание необходимого уровня воды в расходном баке 33 осуществляется открытием крана 76, куда она поступает самотеком. Для остановки гидрогазодинамического двигателя необходимо следующее. Посредством рычажка, не показанного на чертеже, стержни 95 опускаются вниз, сжимая пружины 97, а рычаг 87 поворачивается вправо. Золотник 83 крана управления перемещается в ту же сторону и перепускное отверстие 85 соединяет полость 79 гидроцилиндра 77 с масляным баком 88. Давление в указанной полости уменьшится и поршень 78 переместится влево и через шток 81 повернет рычаги 62 реакторов 36, 37, а вместе с ними и стаканы 47 газовых генераторов 43, полностью изолируя поверхности активных элементов 46 от соприкосновения с водой (фиг. 8). После того, как процесс разложения воды прекратится и давление в реакторах снизится до атмосферного, закрываются запорные краны 63, 64. Вал 13 гидродвигателя останавливается.

Положительный эффект изобретения: не требует органического топлива, не загрязняет окружающую среду продуктами сгорания.

Установка предназначена для применения в качестве источника электрической энергии. Генераторная установка содержит раму, на которой размещены энергетическая установка, генератор, пульт управления. Энергетическая установка представляет собой гидрогазодинамический двигатель, содержащий гидродвигатель, реакторы, распределительный механизм, циклон, расходный бак и бак для хранения рабочего тела, гидравлическую систему управления. Входные патрубки реакторов через впускные клапаны соединены с расходным баком, а выходные патрубки связаны через распределительный механизм с входной полостью гидродвигателя, а выходная полость упомянутого гидродвигателя соединена с циклоном, внутренняя полость которого соединена с атмосферой, а выходной патрубок связан с расходным баком. Внутри реакторов размещены газовые генераторы, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер, внутри которого размещены активные элементы, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантанидов. Подвижные элементы газовых генераторов кинематически связаны с системой управления гидродвигателем. Рабочим телом гидрогазодинамического двигателя является дистиллированная вода. Конструкция установки позволяет добиться повышения эксплуатационных качеств. 15 ил.

Генераторная установка, содержащая раму, на которой размещены энергетическая установка, генератор, пульт управления, отличающаяся тем, что энергетическая установка выполнена в форме гидрогазодинамического двигателя, содержащего гидродвигатель, реакторы, входные патрубки которых через впускные клапаны соединены с расходным баком, соединенным с баком хранения рабочего тела, причем выходные патрубки упомянутых реакторов соединены через запорные краны, распределительный кран, приводимый в движение валом двигателя, с входной полостью гидродвигателя, выходная полость которого связана с винтовой полостью циклона, выходной патрубок которого соединен с расходным баком, а его внутренняя полость через выхлопную трубу соединена с атмосферой, причем внутри реакторов размещены в несколько рядов газовые генераторы, каждый из которых представляет собой автоматически открываемый и закрываемый контейнер, внутри которого размещены активные элементы, выполненные из металла или сплава, относящегося к цериевой и иттриевой группам семейства лантанидов, кроме того подвижные элементы газовых генераторов через механизмы привода кинематически связаны с гидравлической системой управления гидродвигателем, рабочим телом которого является дистиллированная вода.