УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ К ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРУ ТЕПЛОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Российский патент 2010 года по МПК F02K7/10 

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. заявку №2007139687/20 от 29.10.2007, «Высокоскоростной воздушный винт»).

В настоящее время воздушный винты используют для преобразования механической энергии 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 u. 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 K, 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.

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.

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.