СИСТЕМА ПАРОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА Российский патент 2025 года по МПК F01K11/00 F01K13/00 F01B23/08 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к паровым двигателям, работающим от разогретого воздуха/газа, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов стационарного размещения.

В сегодняшнее время набирают обороты идеи, связанные с развитием альтернативных источников энергии, являющиеся более экологичными, экономичными, обеспечивающими большую мощность при меньших затратах энергии.

Из уровня техники известны различные конструкции пневматических и паровых двигателей, включающие статор с эксцентрично установленным в нем ротором, в радиальных пазах которого расположены лопасти с возможностью их передвижения в плоскостях, проходящих через ось ротора, контактирующие своими концами с внутренней цилиндрической поверхностью статора, см., например, SU 1698459 А1, 15.12.1991, или SU 1165804 А, 07.07.1985, или SU 1188336 А, 30.10.1985, или DE 29811693 U1, 08.10.1998.

Однако эти двигатели малоэффективны, поскольку требуют источника сжатого воздуха с большим давлением, что приводит к повышенному его расходу, а также, чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются большие габаритные размеры двигателя, поскольку в передаче крутящего момента фактически участвует только одна лопасть, и, следовательно, чем больше рабочая площадь лопасти, тем больший крутящий момент передает двигатель. Кроме того, очень сложна технология изготовления этих двигателей, поскольку требуется высокая точность изготовления ротора с пазами, в которых с минимальными допусками должны двигаться лопасти. КПД этих двигателей также снижается из-за большого трения стенок лопаток в пазах ротора, а также из-за трения их концевых кромок о внутреннюю поверхность статора.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы паротурбинного двигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя является решение, принадлежащее автору, по патенту RU 2824060 С1, 01.08.2024, включающее систему комбинированного парового двигателя замкнутого контура с подводом тепла от пароперегревателя, которая включает комбинированный с компрессором паровой двигатель, включающий цилиндропоршневую группу, а также головку блока цилиндров с системой впускного и выпускного коллектора с клапанным механизмом, а также поршневой блок воздушного компрессора, приводимый в движение узлами парового двигателя, включающий узел впуска и узел выпуска рабочей среды, при этом

первый контур трубопровода проходит от узла выпуска через маслоотделитель, исключающий попадание жидкости в данный контур и далее в пароперегреватель, подогреваемый от источника тепла, и связан с впускным коллектором парового двигателя для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды, циркулирующей в первом контуре трубопровода,

выпускной коллектор по второму контуру трубопровода связан с узлом впуска компрессора, при этом трубопровод на своем пути дополнительно проходит через охладитель, где осуществляется охлаждение рабочей среды, маслоотделитель, исключающий попадание жидкости в данный контур, паровую камеру, где осуществляется понижение давления и температуры в контуре и отбор конденсата,

при этом система включает третий контур трубопровода, проходящий через узлы парового двигателя для снятия тепла и осуществления его охлаждения, где данный контур трубопровода на выходе из парового двигателя последовательно проходит через первый теплообменник, охладитель второго контура трубопровода и второй теплообменник, комбинированный с компрессором, паровой двигатель содержит масляный контур, выполненный с возможностью перекачивания масла между соответствующими узлами парового двигателя и компрессора, где масляный контур включает влагоотделитель, обеспечивающий отделение жидкости из масла, и маслонасос, перекачивающий масло для его циркуляции.

Данное устройство также имеет существенные недостатки в виде задействованной двухконтурной системы основного взаимодействия пневмодвигателя и компрессора, что усложняет количество фазовых изменений рабочей среды, а также требует точных температурных параметров рабочей среды в различных их узлах для корректной работы системы.

Целью заявленного изобретения является устранение недостатков известных систем парового двигателя.

В основу предложенного изобретения поставлена задача модернизации конструкции системы паротурбинного двигателя в один основной рабочий контур, устраняющей недостатки аналогов.

Техническим результатом является упрощение системы паротурбинного двигателя. В качестве дополнительного результата достигается повышение эффективности работы системы.

Данный результат достигается тем, что система паротурбинного двигателя замкнутого контура включает паротурбинный двигатель, состоящий из турбины и редуктора, связанных между собой главной передачей, где

редуктор, содержащий корпус и механизм передачи вращения с выходным валом, где редуктор имеет масляный контур трубопровода, выходящий снизу корпуса редуктора и входящий сверху корпуса редуктора, причем на пути масляного контура трубопровода установлен охладитель, служащий для охлаждения масла, залитого в корпусе редуктора,

воздушный компрессор, связанный с редуктором, причем воздушный компрессор выполнен с возможностью создания давления внутри корпуса редуктора для циркуляции масла по масляному контуру трубопровода,

выход турбины по контуру трубопровода связан с входом конденсатора, содержащего блок охлаждения с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, блок сбора конденсата, связанный с вакуумным насосом,

выход конденсатора по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника пароперегревателя, причем трубопровод на своем пути включает водяной насос, служащий для перекачки рабочей среды, по меньшей мере, один манометр, а также регулировочно-запорный кран, где

пароперегреватель включает спиральный теплообменник, а также нагревательный котел, где нагревательный котел выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником для перегрева рабочей среды до состояния пара,

выход спирального теплообменника связан с входом турбины для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды в турбину и осуществления работы паротурбинного двигателя с передачей вращения от турбины на выходной вал редуктора через главную передачу.

Масляный контур трубопровода включает маслостанцию, выполненную с возможностью корректировки параметров масла.

Трубопровод на пути от спирального теплообменника к входу турбины включает уловитель окалины.

Нагревательный котел включает регулировочный шибер, связанный с вентилятором, где регулировочный шибер направляет воздух в поддувало нагревательного котла и в его верхнюю часть для дожигания топлива.

Трубопровод перед турбиной включает регулировочный клапан сброса.

Далее принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по чертежу, где изображена предпочтительная схема системы паротурбинного двигателя замкнутого контура, где

1 - паротурбинный двигатель;

2 - турбина;

3 - редуктор;

4 - главная передача;

5 - масляный контур трубопровода;

6 - охладитель;

7 - маслостанция;

8 - воздушный компрессор;

9 - конденсатор;

10 - блок охлаждения;

11 - блок сбора конденсата;

12 - вакуумный насос;

13 - спиральный теплообменник;

14 - пароперегреватель;

15 - водяной насос;

16 - манометр;

17 - регулировочно-запорный кран;

18 - нагревательный котел;

19 - уловитель окалины;

20 - регулировочный клапан сброса давления.

Система паротурбинного двигателя замкнутого контура включает паротурбинный двигатель 1. Паротурбинный двигатель 1 состоит из турбины 2 и редуктора 3, связанных между собой главной передачей 4. Турбина 2 и редуктор 3 могут быть выполнены в едином корпусе либо как отдельные узлы, связанные главной передачей 4.

Редуктор 3 включает корпус и механизм передачи вращения с выходным валом. Механизм передачи вращения представляет собой набор валов, шестерен, передач и иные узлы, применяемые в редукторах для передачи вращения и изменения скорости вращения на выходной вал.

Редуктор 3 имеет масляный контур трубопровода 5, являющийся вспомогательным контуром системы. Масляный контур трубопровода 5 выходит снизу корпуса редуктора 3 и входит сверху корпуса редуктора 3, образуя замкнутый контур. На пути масляного контура трубопровода 5 установлен охладитель 6, служащий для охлаждения масла, залитого в корпусе редуктора 3. Охладитель 6 может иметь различную конструкцию, начиная от простых радиаторных модулей охлаждения и заканчивая сложными узлами активного съема тепловой энергии, например, с использованием фреона, гликолиевые блоки и иные модули для стабилизации температуры внутри редуктора 3.

Также к редуктору 3 подведен воздушный компрессор 8. Воздушный компрессор 8 выполнен с возможностью нагнетания/создания давления внутри корпуса редуктора 3, что обеспечивает циркуляцию масла по масляному контуру трубопровода 5 для стабилизации температуры и повышения эффективности системы.

Масляный контур трубопровода 5 также может дополнительно включать маслостанцию 7, выполненную с возможностью корректировки параметров масла, например, фильтрацию масла, автоматический долив до определенного уровня, авто-подмену масла на свежее и прочие функции. Данный узел позволяет поддерживать качество масла в редукторе 3 в рабочем состоянии.

Выход турбины 2 по контуру трубопровода связан с входом конденсатора 9. Конденсатор 9 обеспечивает снижение температуры рабочей среды, переход рабочей среды в виде пара в рабочую среду в виде жидкости для ее дальнейшей перекачки по контуру системы. Конденсатор 9 содержит блок охлаждения 10 с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, а также блок сбора конденсата 11 с вакуумным насосом 12. Охлаждающей жидкостью, как правило, является вода, обеспечивающая через какой-либо теплообменник или иной узел в блоке охлаждения 10 охлаждение поступающей рабочей среды с ее фазовым переходом из пара в воду. Блок сбора конденсата 11 представляет собой какую-либо емкость, например, поддон для сбора в него рабочей среды в виде жидкости. Вакуумный насос 12 корректирует уровень рабочей среды (воды в данном случае) в блоке сбора конденсата 11 и создает разряжение.

В качестве рабочей среды в системе используется вода, имеющая жидкую фазу (вода) в определенных местах системы и парообразную (пар) в других.

Выход конденсатора 9 по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника 13 пароперегревателя 14. Трубопровод на своем пути включает водяной насос 15, служащий для создания давления и перекачки рабочей среды по контуру трубопровода из конденсатора 9 в спиральный теплообменник 13 пароперегревателя 14. Трубопровод на своем пути включает, по меньшей мере, один манометр 16, служащий для наблюдения за давлением. Предпочтительно использовать на данном участке трубопровода два манометра 16. Трубопровод на своем пути также включает регулировочно-запорный кран 17, служащий для открытия/закрытия контура в системе, а также регулировки степени открытия контура для дозированной подачи рабочей среды. Регулировочно-запорный кран 17 может быть выполнен с электронным управлением и автоматической регулировкой в зависимости от выставленных параметров.

Пароперегреватель 14 включает спиральный теплообменник 13, а также нагревательный котел 18. Нагревательный котел 18 выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником 13 для перегрева рабочей среды до состояния пара. Нагревательный котел 18 представляет собой, как правило, жидкостной котел (дизельный, газовый) либо твердотопливный котел (дровяной, пеллетный и пр.), однако может являться и иным видом котла. Нагревательный котел 18 нагревает спиральный теплообменник 13, обеспечивая перегрев рабочей среды.

Нагревательный котел 18, как правило, включает регулировочный шибер, связанный с вентилятором (на чертеже не обозначены). Регулировочный шибер направляет воздух в поддувало нагревательного котла 18 и в его верхнюю часть для дожигания топлива, что обеспечивает лучшее сгорание топлива и повышение эффективности работы системы.

Спиральный теплообменник 13 представляет собой в целом спиральные каналы, навитые из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки. Конструкция спирального теплообменника 13 может меняться в зависимости от типа котла, производительности и иных факторов и не является исключительно указанной выше. Рабочая среда поступает в верхней части спирального теплообменника 13 и, проходя вниз, нагревается, переходя в пар, имеющий высокую рабочую температуру. Рабочая среда выходит в нижней части спирального теплообменника 13 и направляется во вход турбины 2.

Спиральный теплообменник 13 связан с входом турбины 2 для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды в турбину 2 и осуществления работы паротурбинного двигателя 1 с передачей вращения от турбины 2 на выходной вал редуктора 3 через главную передачу 4. Под воздействием рабочей среды в виде пара турбина 2 вращается и передает вращение через главную передачу 4 на редуктор 3 и далее на выходной вал, который может быть связан со стартер-генератором и коробкой передач либо связан иным образом для съема полезной энергии (на чертеже не показан).

Трубопровод предпочтительно на пути к турбине 2 оснастить уловителем окалины 19. Уловитель окалины 19 исключает прохождение по контуру нежелательных загрязнений и отложений, образующихся в узлах пароперегревателя 14. Конструкция уловителя окалины 19 может быть различной, например, в виде ряда металлических сеток, образующих фильтр, однако конструкция может быть выполнена и по-иному.

Трубопровод перед турбиной 2 может включать регулировочный клапан сброса давления 20 горячего пара, который, например, по патрубку напрямую сбрасывает излишний пар в конденсатор 9 для стабилизации системы, исключения перегрева и повышения эффективности.

Принцип работы устройства следующий:

- система паротурбинного двигателя замкнутого контура запускается в работу, для чего включают в работу нагревательный котел 18, а также водяной насос 15.

- рабочая среда начинает циркулировать по контуру трубопровода.

- водяной насос 15 создает давление в трубопроводе, и рабочая среда в виде жидкости перекачивается из блока сбора конденсата 11 конденсатора 9 в спиральный теплообменник 13 пароперегревателя 14.

- в спиральном теплообменнике 13, подогреваемым нагревательным котлом 18, происходит перегрев рабочей среды и ее фазовый переход из жидкого состояния в парообразное.

- разогретая до рабочей температуры рабочая среда передается на вход турбины 2 для осуществления работы паротурбинного двигателя 1 с передачей вращения от турбины 2 на выходной вал редуктора 3 через главную передачу 4 и на выходной вал.

- рабочая среда из выхода турбины 2, имея еще достаточно высокую температуру, передается по контуру трубопровода в конденсатор 9.

- в конденсаторе 9 рабочая среда проходит через блок охлаждения 10, что способствует охлаждению рабочей среды и ее переходу в жидкую фазу, стекая в виде жидкости в блок сбора конденсата 11.

- одновременно с этим воздушный компрессор 8 создает давление внутри корпуса редуктора 3, что приводит к циркуляции масла по масляному контуру трубопровода 5 с охлаждением масла в охладителе 6 и дополнительно создает воздушное уплотнение во вращающихся узлах редуктора.

- цикл работы системы повторяется.

Предложенная конструкция выполнена для работы под единый основной контур, с минимальным количеством фазовых переходов рабочей среды, что обеспечивает упрощение системы паротурбинного двигателя, а также повышение эффективности работы системы.

Пример 1

Система паротурбинного двигателя замкнутого контура включает паротурбинный двигатель 1, состоящий из установленных в едином корпусе турбины 2 и редуктора 3, связанных между собой главной передачей 4,

редуктор 3 содержит корпус и механизм передачи вращения с выходным валом,

редуктор 3 имеет масляный контур трубопровода 5, выходящий снизу корпуса редуктора 3 и входящий сверху корпуса редуктора 3,

на пути масляного контура трубопровода 5 установлен радиаторный охладитель 6,

воздушный компрессор 8 связан с редуктором 3 для создания давления внутри корпуса редуктора 3 и циркуляции масла по масляному контуру трубопровода 5,

выход турбины 2 по контуру трубопровода связан с входом конденсатора 9,

конденсатор 9 содержит блок охлаждения 10 с входом и выходом охлаждающего теплоносителя в виде воды с центральным подключением водопровода,

блок сбора конденсата 11 выполнен в виде емкости и связан с вакуумным насосом 12,

выход конденсатора 9 по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника 13 пароперегревателя 14,

трубопровод на своем пути включает водяной насос 15, служащий для перекачки рабочей среды, два манометра 16, а также регулировочно-запорный кран 17 с автоматической регулировкой открытия-закрытия,

пароперегреватель 14 включает спиральный теплообменник 13, а также нагревательный котел 18,

нагревательный котел 18 является пеллетным и взаимодействует со спиральным теплообменником 13 для перегрева рабочей среды до состояния пара,

выход спирального теплообменника 13 связан с входом турбины 2 для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды в турбину 2 и осуществления работы паротурбинного двигателя 1 с передачей вращения от турбины 2 на выходной вал редуктора 3 через главную передачу 4.

Таким образом, созданная конструкция системы паротурбинного двигателя замкнутого контура обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к паровым двигателям, работающим от разогретого воздуха/газа, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов стационарного размещения. Техническим результатом является упрощение системы паротурбинного двигателя. В качестве дополнительного результата достигается повышение эффективности работы системы. Данный результат достигается тем, что система паротурбинного двигателя замкнутого контура включает паротурбинный двигатель 1, состоящий из турбины 2 и редуктора 3, связанных между собой главной передачей 4. Редуктор 3 содержит корпус и механизм передачи вращения с выходным валом, где редуктор 3 имеет масляный контур трубопровода 5, выходящий снизу корпуса редуктора 3 и входящий сверху корпуса редуктора 3, причем на пути масляного контура трубопровода 5 установлен охладитель 6, служащий для охлаждения масла, залитого в корпусе редуктора 3. Воздушный компрессор 8 связан с редуктором 3, причем воздушный компрессор 8 выполнен с возможностью создания давления внутри корпуса редуктора 3 для циркуляции масла по масляному контуру трубопровода 5. Выход турбины 2 по контуру трубопровода связан с входом конденсатора 9, содержащего блок охлаждения 10 с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, блок сбора конденсата 11 связан с вакуумным насосом 12. Выход конденсатора 9 по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника 13 пароперегревателя 14, причем трубопровод на своем пути включает водяной насос 15, служащий для перекачки рабочей среды, по меньшей мере, один манометр 16, а также регулировочно-запорный кран 17. Пароперегреватель 14 включает спиральный теплообменник 13, а также нагревательный котел 18, где нагревательный котел 18 выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником 13 для перегрева рабочей среды до состояния пара. Выход спирального теплообменника 13 связан с входом турбины 2 для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды в турбину 2 и осуществления работы паротурбинного двигателя 1 с передачей вращения от турбины 2 на выходной вал редуктора 3 через главную передачу 4. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система паротурбинного двигателя замкнутого контура, характеризующаяся тем, что включает:

паротурбинный двигатель, состоящий из турбины и редуктора, связанных между собой главной передачей, где

редуктор, содержащий корпус и механизм передачи вращения с выходным валом, имеет масляный контур трубопровода, выходящий снизу корпуса редуктора и входящий сверху корпуса редуктора, причем на пути масляного контура трубопровода установлен охладитель, служащий для охлаждения масла, залитого в корпусе редуктора,

воздушный компрессор, связанный с редуктором, причем воздушный компрессор выполнен с возможностью создания давления внутри корпуса редуктора для циркуляции масла по масляному контуру трубопровода,

выход турбины по контуру трубопровода связан с входом конденсатора, содержащего блок охлаждения с входом и выходом охлаждающего теплоносителя, блок сбора конденсата, связанный с вакуумным насосом,

выход конденсатора по контуру трубопровода связан с входом спирального теплообменника пароперегревателя, причем трубопровод на своем пути включает водяной насос, служащий для перекачки рабочей среды, по меньшей мере, один манометр, а также регулировочно-запорный кран, где

пароперегреватель включает спиральный теплообменник, а также нагревательный котел, где нагревательный котел выполнен с возможностью взаимодействия со спиральным теплообменником для перегрева рабочей среды до состояния пара,

выход спирального теплообменника связан с входом турбины для передачи разогретой до рабочей температуры рабочей среды в турбину и осуществления работы паротурбинного двигателя с передачей вращения от турбины на выходной вал редуктора через главную передачу.

2. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что масляный контур трубопровода включает маслостанцию, выполненную с возможностью корректировки параметров масла.

3. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что трубопровод на пути от спирального теплообменника к входу турбины включает уловитель окалины.

4. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что нагревательный котел включает регулировочный шибер, связанный с вентилятором, где регулировочный шибер направляет воздух в поддувало нагревательного котла и в его верхнюю часть для дожигания топлива.

5. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что трубопровод перед турбиной включает регулировочный клапан сброса давления.