Водно-газовая электростанция Кашеварова Советский патент 1993 года по МПК F02B71/00 F01K21/00 

Изобретение относится к электростанциям и ТЭЦ, работающим на дизельном топливе или на природном газе, а также к высоконапорным ГЭС и ГАЭС,

Цель изобретения - повышение эффективности электростанции.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 дана общая схема устройства электростанции, вид сверху; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг, 1; на фиг. 3 - двухцилиндровый двигатель, продольный разрез; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3; на фиг, 5 - разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 6 - клапан, продольный разрез; на фиг. 7 - трехцилиндровый двигатель, поперечный разрез.

Ниже дается описание одного из блоков водно-газовой электростанции (сокращенно ВГЭС), которых, в зависимости от конкретных условий потребления энергии, может быть до 10-20 в одной ВГЭС, расположенной компактно на одной территории с одной вытяжной трубой, с одним транспортным узлом, одной трансформаторной станцией.

В блок ВГЭС входят водно-газовые двигатели 1, питающие через водоводы 2, центральный водовод 3 гидротурбины 4с электрогенератором 5 на одном вертикальном валу 6. Водно-газовые двигатели 1 получают дизельное топливо по трубопроводу 7 из подземного хранилища 8 и воду через , трубы 9 из бассейна 10,в который поступает, вода через гидротурбины 4. Выхлопные газы двигателей 1 поступают в выхлопной коллектор 11 и далее в теплообменник 12, в котором они отдают тепловую энергию для последующего использования в бытовых или технических целях. Из теплообменника 12 выхлопные газы поступают в вытяжную трубу 13. Двигатели 1 получают сжатый воздух от компрессора 14, снабженного индивидуальным электроприводом, через трубу 15. Компрессоры 14, электрогенератор 5, верхние части двигателей 1, трубы 7, 11 и 15 помещены в-3да ние 16 (на фиг.1 оно дано без крыши), установленное над бассейном 10, который соединен с бассейном 17 вытяжной трубы 13.

«.

Ё

00

Сд) 00 Ю О

Двигатели 1 имеют оголовник 18 и два (три) цилиндра, жестко связанных между собой перемычкой 19. Оголовник 18 имеет куполообразную камеру 20 для сжатого воздуха, который поступает в нее по патрубкам 21 от дугообразной трубы 15, идущей от компрессора 14. В камере 20 размещены электроспирали 22, предназначенные для подогрева воздуха во время запуска двига- теля 1. Нижние концы спиралей 22 замкнуты на массу корпуса оголовника, а верхние подсоединены к изолированному электропроводу 23, идущему к батарее аккумуляторов (на чертеже не показаны).

От камеры 20 к камере сгорания 24 идут трубки 25, перекрытые самооткрывающимися клапанами 26. Камера 24 имеет форсунки 27, к которым подается дизельное топливо по патрубкам 28 от дугообразной трубы 7. К. одной форсунке 27 по трубке 29 от шарового баллончика 30 подводится бензин для ускорения запуска холодного двигателя, С этой же целью под форсункой трубки 29 установлена электросвеча (не показана), создающая искру, воспламеняющую бензин, факел которого горит до полного выгорания бензина в баллончике 30, которого должно быть достаточно для разогрева камеры 24 до заданной температуры.

Баллончик 30 подсоединен через клапан (не показан) к шаровой емкости 31 со . сжатым воздухом, имеющим давление на несколько атмосфер, больше, чем давление сжатого воздуха в камере 24, поступающего по трубкам 25.

В горловину 32 камеры 24 вставлен цилиндрический клапан 33 с каналом, соединяющим с камерой 24 газоводы 34, либо левого, либо правого цилиндра 35. Из газоводов 34 газы поступают в цилиндр 35 по дугообразным зазорам 36 между стенками цилиндра 35 и краем головки 37 цилиндра 35, а также по трубкам 38, соединяющим газоводы 34 с цилиндром 35. В газов,оды 34 входят патрубки 39, перекрытые клапанами 40 от кольцевой камеры 41, заполненной водой под давлением, большим давления газов в газоводе 34. Воду в кольцевую камеру 41 накачивает насос (не показан) из бассейна 10.

Отвод выхлопных газов производится из газоводов 34 в трубу 11 через патрубки 42 с клапанами 43 во время движения плавающего поршня 44 вверх. Цилиндрический клапан 33 газораспределения (фиг.6) имеет наклонный канал 45, входное отверстие которого совпадает с горловиной 32 камеры сгорания 24, а выходное отверстие канала 45-может совпадать с одним из газоводов 34, в зависимости от поворота цилйндриче. ского вкладыша 46 с выступом 47 в цилиндрической выемке 48 головки 37. Поворот вкладыша 46 производится с помощью конической шестерни 49, находящейся в зацеплении с коническими шестернями 50 вкладыша 46 и сателлита 51, установленного на опорном подшипнике 52, воспринимающем давление газов в камере сгорания, оказываемое на вкладыш 46. Коническая

0 шестерня 49 поворачивает вкладыш с помощью электродвигателя 53 в одно из трех положений, при котором он перекрывает выступом 47 один из газоводов 34 и соединяет каналом 45 другой газовод 34 с каме5 рой 24 или перекрывает выступом 47 оба газовода 34.

Поверхности наклонного канала 45, камеры 24, газоводов 34, отверстий 38, головки 37, цилиндров 35 и поршня 44 имеют

0 термоизоляционный слой 54, обозначенный на чертежах крестовидной штриховкой.

На дне цилиндра 35 имеется горловина 55, соединяющая цилиндр 35 с водоводом 2, и три (четыре, пять) отверстий, перекрытых

5 дверцами 56 и соединяющих цилиндр 35 водоводами 57 с водоводом 9. На поверхности цилиндра 35 в его нижней части на одном уровне установлены 2-3 электродатчика 58, на дне цилиндра 35 - два электродатчика

0 59, на нижней поверхности головки 37 цилиндра - еще два электродатчика 60, которые выдают электросигналы в компьютер при касании их поршнем 44,

На фиг. 7 дано сечение горизонтальной

5 плоскостью трехцилиндрового двигателя 1 с пятью водоводами 57, перекрытыми дверцами 56. Трехцилиндровый двигатель 1 имеет то преимущество, что в нем на заполнение цилиндра 35 водой отводится

0 больше времени, чем на вытеснение воды из цилиндра поршнем 44, тем самым исключаются перерывы в работе камеры сгорания, имеющие место при ее работе в двухцилиндровом двигателе, Большее число водово5 дов, перекрытых дверцами 56, позволяет сократить время .заполнения цилиндра 35 водой.

Работа водно-газовой электростанции. Предлагаемая электростанция может быть

0 включена в рабочий режим за время не более трех минут, которые потребуются для разогрева камеры сгорания 24 до температуры, достаточной для воспламенения топлива, впрыскиваемого форсунками 27,

5 По-видимому, это время будет таким же, какое необходимо для запуска и прогрева ди- зельного двигателя при нормальной (положительной температуре), т.к. двигатель 1 находится в отапливаемом помещении 16..

Запуск двигателя 1 производится включением электроспирали 22 в куполообразной камере 20 для подогрева воздуха до заданной температуры и одновременным включением разогрева камеры 24 включе- нием форсунки 27, создающей факел из бензина, который подается из шарового баллончика 30 под давлением сжатого воздуха, находящегося в шаровой емкости 31. Воспламенение бензина производится с по- мощью электросвечи (не показана), установленной в камере сгорания. За десятые доли секунды до воспламенения бензина открывается клапан на патрубке 21 ввода в камеру 20 сжатого воздуха, и сжатый воздух под давлением в 40 кг на сантиметр квадратный начинает поступать в камеру 24 сгорания, т.к. в ней давление меньше, чем в камере 20, в которой оно поднимется до рабочего (40 кг/см2). Подъем давления воздуха в камере 20 обусловлен тем, что пропускная способность всех трубок 25 меньше пропускной способности патрубка 21, а пропускная способность канала 45 клапана 33 в 5 раз больше, чем пропускная способность всех трубок 25. При горении факела бензина в камере 24 в камеру 34 и далее в верхнюю часть цилиндра 35 начнут поступать продукты горения бензина, создавая давление на правый поршень 44 (фиг.5), который начнет опускаться, преодолевая инерцию воды со все возрастающей скоростью. Вода в водоводах 2 и 3 придет в движение, раскручивая гидротурбину 4 и электрогенератор 5.

По-видимому, уже через 1-2 мин двига- тель 1 включением форсунок с дизельным топливом (в момент догорания факела бензина) выйдет на установившийся режим ра- боты, гидротурбина 4 наберет расчетную скорость вращения и электростанция даст в электросеть ток заданных параметров.

За минуту до запуска двигателя запускается компрессор 14, устойчивая работа которого необходима для запуска двигателя 1. Вся работа по запуску электростанции производится компьютером по программе Пуск.

В установившемся режиме в камере сгорания 24 во время воспламенения дизельного топлива давление увеличивается в 6-8 раз по отношению к первоначальному в 40 кг/см2, которое создается компрессором 14, поставляющим сжатый воздух через пат- рубок 21 в камеру 20, а из камеры 20 по трубам 25 в камеру 24. Под воздействием возросшего давления продуктов горения клапаны 26 трубок 25 закрываются, газы через горловину 32 (фиг.6), канал 45 клапана 33 устремляются в правый газовод 34 (фиг.5) и через трубки 38 и зазор 36 воздействуют

на поршень 44, который движется вниз, вытесняя воду из цилиндра через горловину 55 и водовод 2. Вода из водоводов 2 нескольких двигателей 1 поступает в водовод 3 и далее к турбине 4, вызывая ее вращение, а вместе с ней и вращение электрогенератора 5.;;;

С перемещением поршня 44 вниз давление в камере 24 падает, и как только оно станет меньше, чем в камере 20, клапаны 26 откроются и в камеру 24 начнет поступать сжатый воздух, освобождая ее от выхлопных газов. Два или три клапана 25 являются одновременно датчиками электросигналов и при их открытии электросигнал об этом поступает в компьютер, который выдает команду на впрыск дизельного топлива через форсунки 27 в камеру сгорания. Начиная рабочий цикл камеры сгорания 24, давление в ней резко возрастает при воспламенении топлива, клапаны 26 закрываются и порция выхлопных газов поступает в правый цилиндр 35.

Через несколько рабочих циклов камеры сгорания 24 поршень 44 заденет датчик 58 и он выдаст в компьютер электроимпульс, по которому работа форсунок 27 прекращается, а клапан 33 с помощью электродвигателя 53 поворачивается на 90°, открывается клапан 40 и струя дозированного количества воды (выбросив которую клапан 30 закроется) с температурой близкой, к 100°С попадает в газовод 34 с температурой газов более 500°С. Происходит испарение воды со скоростью, почти равной скорости воспламенения топлива в камере 24. В результате этого в цилиндре 35 за счет образовавшегося пара поддерживается давление на поршень 44, достаточное для его опускания до дна цилиндра с замедлением, вызванным плавным уменьшением давления в цилиндре 35 до 2 атм. и уменьшением температуры выхлопных газов и пара над поршнем 44 до 120-100°C.

На дне поршня находится электродатчик 55, который при нажиме на него поршня 44 выдаст в компьютер электросигнал. По этому сигналу откроется клапан 43 выхлопной трубы и выхлопные газы с паром устремятся в выхлопную трубу 11 через патрубок 42. Давление в цилиндре 35 понизится до нормального. Для ускорения этого процесса к трубе 11 подключен дымосос (вентилятор), который может понизить давление в цилиндре 35 до 0.6 кг/см2. Дверцы 56 под давлением воды откроются и поршень 44 левого цилиндра 35 пойдет вверх. Это движение вверх поршня 44 может быть ускорено также созданием большой разности уровней бассейна и цилиндра и большого суммарного поперечного сечения труб 57, что, например., показано ма фиг, 7.

Подъем поршня 44 должен продолжаться до его касания электродатчика 60, по сигналу которого компьютер выдаст команду на закрытие клапанов 43 выхлопных патрубков 42 и на поворот клапана 33 еще на 90° до совмещения его канала 45 с входным отверстием левого газовода 34, после чего включаются форсунки 27 и начинается рабочая фаза левого цилиндра 35.

При работе трехцилиндрового двигателя можно получить такое соотношение времени работы камеры сгорания 24 на каждый цилиндр 35, что перерыва в работе камеры сгорания не будет, в результате чего возрастет средняя мощность работы двигателя и на 2-3% возрастет его КПД. По этой характеристике трехцилиндровый двигатель имеет преимущество перед двухцилиндровым.

Предлагаемая электростанция может работать не только на дизельном топливе, но и на природном газе, В этом случае в камере сгорания должны быть установлены свечи зажигания, а вместо дизельного топлива по трубкам 28 подаваться порции природного газа, формируемые с помощью клапанов, управляемых компьютером во взаимодействии с работой электросвечей. В остальном устройство и работа предлагае- мой электростанции остается такой же, как и в данной заявке..

Формула изобретения

1. Водно-газовая электростанция, содержащая электрогенератор, компрессор с приводом, камеру сгорания с горловиной, трубками подачи дизельного топлива и форсунками, расширительную машину, теплообменник, устройство запуска, газоводы и выхлопной коллектор, отличающаяся тем/что, с целью повышения эффективности, расширительная машина выполнена в виде водо-газового двигателя-насоса, к которому при помощи водоводов и бассейна подключена гидротурбина для привода электрогенератора, а выхлопной коллектор снабжен вытяжной трубой.

2. Электростанция по п.1, отличающаяся тем, что водо-газовый двигатель-насос содержит два-три цилиндра, каждый из которых снабжен плавающим поршнем, отделяющим газ от воды, головку цилиндров с трубами, соединяющими газоеод с цилиндром, сферическую камеру сгорания, соединенную с куполообразной камерой сжатого воздуха радиальными трубками и самооткрывающимися клапанами, цилиндрический клапан газораспределения с приводом от

вала электродвигателя, кольцевую камеру, заполненную водой, от которой отходят патрубки с отверстиями в газоводы, перекрытые клапанами, электродатчики положения поршней, установленные на головке цилиндра, на дне цилиндра и на его цилиндрической поверхности, клапаны, установленные в выхлопном коллекторе, горловину на дне цилиндра, соединяющую цилиндр с водоводом, ведущим к гидротурбине, дверцы, расположенные вокруг горловины и перекрывающие патрубки, соединяющие цилиндр с бассейном через водовод, при этом все поверхности деталей двигателя, соприкасающиеся с горячими газами, имеют термоизоляционное покрытие.

3. Электростанция по п.1, от л и ч а ю- щ а я с я тем, что устройство запуска содержит электроспираль для подогрева сжатого воздуха в куполообразной камере, свечу зажигания, установленную в камере сгорания, и устройство для подачи бензина в камеру сгорания, включающее форсунку, шаровую емкость для бензина, шаровую емкость для сжатого воздуха, трубку для подачи бензина

из шаровой емкости к форсунке и трубку для подачи сжатого воздуха из воздушной шаровой емкости к шаровой емкости для бензина, при этом последняя снабжена клапаном, управляемым от компьютера, а

объемы шаровых емкостей рассчитаны на один запуск двигателя.

4. Электростанция по п.2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что цилиндрический клапан

газораспределения размещен в цилиндрической выемке головки цилиндра против горловины камеры сгорания и снабжен цилиндрическим вкладышем с газовпускным каналом в его верхнем торце, сообщающим горловину камеры сгорания с одним из газоводов цилиндров.и конической шестерней вала нижнем торце вкладыша, находящейся в зацеплении с конической шестерней вала электродвигателя, при этом коническая шестерня вала электродвигателя одновременно находится в зацеплении с конической шестерней цилиндрического сателлита, установленного соосно с вкладышем и опира- ющимся на подшипник, воспринимающий давление газов на вкладыш.

Фиг.2.

в-в

Использование: стационарные энергетические устройства. Сущность изобретения: электростанция содержит двигатель внутреннего сгорания, выполненный по свободно-поршневой схеме, который осуществляет циркуляцию воды в контуре, образованном бассейном и водоводами. Движение воды в контуре приводит во вращение гидротурбину, которая вращает электрический генератор. 3 з.п. ф-лы, 7 ил-.

Фиг.5

Редактор Н.Рожкова

ФигЛ

Составитель Ю. Кашеваров

Техред М.МоргенталКорректор А.Козориз