РЕАКТИВНАЯ ВОЗДУШНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2006 года по МПК F01D1/32 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к стационарным и транспортным турбинным установкам. Может быть использовано в судовых и в других энергетических системах, а также в качестве силовой установки транспортных средств.

Известны реактивные турбины, содержащие ротор, направляющий аппарат и рабочие лопатки [1].

Недостатки этих турбин - сложное конструктивное оформление проточной части, имеющей два вида облопачивания, и сравнительно низкая эффективность.

Известна реактивная турбина, содержащая ротор с каналами подвода рабочего тела к соплам, размещенным в плоскости вращения ротора, при этом оси сопел перпендикулярны его радиусу [2]. Эта турбина принята за прототип.

Недостатки прототипа - большие гидравлические потери в каналах подвода рабочего тела, сравнительно низкая эффективность.

Технический результат изобретения - повышение эффективности реактивной турбины за счет использования энергии воздуха, в том числе упрощение конструкции, снижение массы и габаритов турбины, расхода и необходимых для транспортных средств запасов топлива.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из ротора, реактивных сопел в плоскости вращения турбины, оси которых перпендикулярны радиусу турбины, и устройства подвода воздуха к реактивным соплам, в корпусе устройства подвода воздуха размещены не менее двух соосных сужающихся сопел и средства ионизации воздуха. При этом, по меньшей мере, одно сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено соосно в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между ними полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса воздуха, и не менее чем в одной полости размещены впускные клапаны на ее стенке и указанные средства ионизации воздуха. В полостях размещены датчики давления, на входном и выходном соплах - датчики скорости потока с выдачей информации с датчиков на блок управления работой установки. Входные сечения входного сопла и реактивного сопла выполнены в виде прямоугольной щели, ориентированной вдоль вала ротора, при этом нижняя сторона щели совпадает с цилиндрической обшивкой ротора.

Реактивная воздушная турбина представлена на фиг.1 в двух проекциях (сечение перпендикулярно валу и вид сбоку). На фиг.2 дана схема устройства подвода воздуха.

Предлагаемая турбина (фиг.1) содержит ротор 1 на валу 2, устройство подвода воздуха 3 в плоскости вращения ротора, входное сопло в виде щели 4, выходное сопло 5 в виде щели и цилиндрическую обшивку ротора 6.

Устройство подвода воздуха (фиг.2) содержит корпус 7, размещенные в нем соосно сужающееся сопло 8 с входным сечением 4 и критическим сечением 9, сужающееся сопло 10 с критическим сечением 11 и полость 12 между этими соплами. В полости 12 помещены средства ионизации воздуха 13 и впускные клапаны 15 на стенке 14 полости. Далее по ходу движения воздуха следуют сужающееся сопло 16 с критическим сечением 17 и полость 18 между соплами 10 и 16, сужающееся сопло 19 с критическим сечением 20 и с полостью 21 между соплами 16 и 19, а также выходное сопло 5. При этом сопла 8 и 10, а также 10 и 16, 16 и 19 в местах соединения между собой выполнены герметичными. К полостям 12, 18 и 21 подсоединены устройства 22 отсоса воздуха из полостей и подачи воздуха внутрь этих полостей.

Устройство работает следующим образом. Вариант 1. Использование турбины для выработки электроэнергии и на транспортных средствах. Для разгона и начала устойчивой работы турбины производят ионизацию воздуха в полости 12 с использованием одного или нескольких средств ионизации 13, размещенных в полости. При этом клапаны 15 закрыты. Такими средствами ионизации могут быть нанесенные на внутренние поверхности стенки полости электроды, соединенные с полюсами источника напряжения электротока, или магнитные полосы. Средствами ионизации могут быть также источник искусственного потока элементарных частиц с энергией в интервале от 10 эВ до 1,2·10⁴⁵ эВ или нанесенные на стенки полости покрытия, содержащие радиоактивные элементы. Ионизацию осуществляют, например, возбуждением в воздухе в полости электрического разряда переменным электрическим и/или магнитным полем. Или путем ввода в полость катализатора процесса ионизации (инертный газ (например, аргон), элементы четвертой группы периодической таблицы химических элементов (например, углерод)) и др. В результате такого воздействия молекулы воздуха (азота и кислорода) частично разрушаются с выделением большого количества тепла и кинетической энергии [3]. Поток расширенного в полости 12 газа вылетает к центральной оси устройства, эжектируя при этом воздух из внешней среды через входное сечение 4 сопла 8. Далее клапаны 15 открываются и в полость 12 поступает воздух из внешней среды или от источника сжатого воздуха (баллона сжатого воздуха). После этого клапаны закрываются. Частота выполнения таких операций (пульсаций) регулируется и может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить квазинепрерывный характер работы. Когда скорость потока газа, идущего из полости 12, с учетом эжектируемого из внешней среды воздуха (через сопло 8) между сечениями 11 и 17 будет достаточной для эжекции воздуха из полости 18, в последней возникнет некоторое разрежение. Оно будет способствовать повышению перепада давлений между сечениями 4 и 17 и тем самым увеличению скорости истечения и расхода воздуха через входное сопло 8. Это в свою очередь приведет к усилению вакуумирования полости 18. Такие процессы будут происходить до тех пор, пока перестанет повышаться вакуум в полости. Здесь возможны два исхода. Первый, когда величиной вакуума в полости 18 не управляют, скорость потока воздуха будет наибольшей при технически возможной степени вакуума (за счет самовакуумирования [4]). Второй исход, когда, наоборот, величину вакуума назначают и поддерживают в полости 18 искусственно, скорость потока при этом будет управляемой. При установлении постоянной скорости потока частоту пульсаций постепенно уменьшают вплоть до полного выключения. Осевое перемещение сопла относительно предыдущего позволяет регулировать скорость вакуумирования полости.

Движитель начинает работать только за счет засасывания в сопло 18 воздуха из внешней среды вакуумом этой полости. После прекращения пульсаций возникает разрежение и в полости 12. При дальнейшем самовакуумировании полостей 12, 18 и 21 в выходном сопле 5 возникает поток воздуха в широком диапазоне скоростей - от дозвуковой до сверхзвуковой скорости.

Регулировка скорости (мощности) потока воздуха на выходе из движителя в реальном времени производится: 1) путем управления величиной вакуума в указанных выше полостях. Для этого предусмотрены устройства 22 для отсоса воздуха из полостей при необходимости увеличения скорости и подачи воздуха в полости для уменьшения скорости потока; 2) путем изменения частоты пульсаций в полости 12. В этом случае турбина имеет широкий диапазон скоростей на выходе ее, начиная от нуля, и может быть применена на транспортных средствах в качестве привода движителя.

Вариант 2. Использование турбины для выработки электроэнергии.

Ротор раскручивается двигателем-генератором до определенного числа оборотов. При этом в устройства подвода воздуха 3 поступает воздух со скоростью, позволяющей осуществить разгон и устойчивую работу турбины. При необходимости, когда скорость поступающего потока воздуха в устройства подвода воздуха 3 недостаточна для разгона турбины, включается процесс дополнительного ускорения воздуха за счет использования энергии воздуха в полости 12. После получения устойчивого режима работы турбины двигательный режим двигателя-генератора заменяется на генераторный.

Рассматриваемый режим работы устройства не является единственным. Возможен вариант работы, при котором впрыскивание и ионизация газа (воздуха) в полости 12 производятся непрерывно. В этом случае энергия, выделяемая при разложении атомов газа в полости 12, будет дополнять, усиливать энергетический эффект движения газа, полученный от вакуумирования полостей 18 и 21.

Мощность турбинной установки может быть увеличена за счет использования на одном валу нескольких рассмотренных выше устройств (фиг.1) при размещении выходных сопел, например, в шахматном порядке.

Затраты энергии на работу двигателя сравнительно небольшие. Энергия тратится на разгон воздуха внутри устройства подвода воздуха до заданной скорости, на ионизацию воздуха в полости 12, внутренние потери на трение и т.п. Кроме этого, энергия расходуется на работу механизмов открытия-закрытия впускных клапанов 15. Поддержание же задаваемой скорости воздуха на выходе турбины осуществляется, главным образом, за счет вакуума в полостях устройства подвода воздуха. Отсос или подача воздуха в вакуумированные полости, имеющие небольшие объемы, а также питание измерительной аппаратуры и блока управления потребуют сравнительно небольшие затраты энергии.

Таким образом, изобретение позволяет повысить эффективность реактивной турбины, в том числе упростить конструкцию и удешевить турбину, снизить удельный расход топлива, необходимые запасы топлива для транспортных средств.

Источники информации

1. А.В.Щегляев. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. М.-Л.: ГЭИ. 1955, с.136, 199-224.

2. Патент RU 2193669, Кл. 7 F 01 D 1/32, опубл. 27.11.2002.

3. Е.И.Андреев, О.А.Ключарев, А.П.Смирнов, Р.А.Давыденко. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000. - 122 с.

4. Патент WO 03/25379, Кл. 7 F 02 К 7/00, опубл. 27.03.2003.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к стационарным и транспортным турбинным установкам, и может быть использовано в судовых и в других энергетических системах. Реактивная воздушная турбина состоит из ротора, реактивных сопел в плоскости вращения турбины, оси которых перпендикулярны радиусу турбины, и устройств подвода воздуха к реактивным соплам. В корпусе устройства подвода воздуха размещены не менее двух соосных сужающихся сопел и средства ионизации воздуха, при этом, по меньшей мере, одно сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между ними полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса воздуха, и не менее чем в одной полости размещены впускные клапаны на ее стенке и указанные средства ионизации воздуха. В полостях размещены датчики давления, на входном и выходном соплах - датчики скорости потока с выдачей информации с датчиков на блок управления работой установки. Входные сечения входного сопла и реактивного сопла выполнены в виде прямоугольной щели, ориентированной вдоль вала ротора, при этом нижняя сторона щели совпадает с цилиндрической обшивкой ротора. Использование изобретения обеспечит повышение эффективности, позволяет упростить конструкцию, снизить массу, габариты, расход и необходимые запасы топлива транспортных средств. 2 ил.

Реактивная воздушная турбина, состоящая из ротора, реактивных сопел в плоскости вращения турбины, оси которых перпендикулярны радиусу турбины и устройств подвода воздуха к реактивным соплам, отличающаяся тем, что в корпусе устройства подвода воздуха размещено не менее двух соосных сужающихся сопел и средства ионизации воздуха, при этом, по меньшей мере, одно сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между ними полости, причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса воздуха и не менее чем в одной полости размещены впускные клапаны на ее стенке и указанные средства ионизации воздуха, в полостях размещены датчики давления, на входном и выходном соплах - датчики скорости потока с выдачей информации с датчиков на блок управления работой установки, входные сечения входного сопла и реактивного сопла выполнены в виде прямоугольной щели, ориентированной вдоль вала ротора, при этом нижняя сторона щели совпадает с цилиндрической обшивкой ротора.