Энергетическая установка

 

Использование: может найти применение в различных электроустановках. Сущность изобретения. Устройство содержит компрессорный свободнопоршневой дизель (КСПД) с топливным насосом и форсункой, выпускной коллектор которого связан с управнительным ресивером газовой турбины, на валу которой размещен генератор возбуждения, два емкостных генератора, кинематически связанных соединительными поршнями с поршнями КСПД, механизм согласованности перемещения поршней КСПД, состоящий из валика с постоянными магнитами насаженного на закрепленную ось, соприкасающуюся с поверхностью соединительного поршня, измерительной катушки, внутри которой расположен валик с постоянным магнитом, выпрямителя, фильтра, устройства сравнения, источника управляющего напряжения, исполнительного органа, кинематически связанного с топливным насосом дизеля, автоматический коммутатор полярности возбуждающего напряжения, управляемый выходным напряжением генератора через фазосдвигающий усилитель и усилители-формирователи, стабилизатора напряжения, состоящего из регулятора, датчика напряжения, источника опорного напряжения, устройство сравнения. Каждый емкостной генератор содержит неподвижный цилиндр с возбуждающими электродами и подвижный цилиндр с токосъемными электродами. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике и может найти применение в электрических установках различных областей энергетики. Известна автономная энергетическая установка, содержащая дизельный двигатель и генератор с вращающимся индуктором. Недостаток этого устройства большие механические потери в процессе преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала и других вращающихся частей дизеля. Кроме того, в устройстве не используется часть энергии топлива, преобразованной в тепловую энергию выхлопных газов. Прототипом изобретения является газотурбинная установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания в виде компрессорного свободнопоршневого дизеля (КСПД) высокого наддува с противоположно движущимися поршнями и газовой турбины с генератором. Существенный недостаток указанной энергетической установки низкая экономичность, обусловленная тем, что в установке используется только энергия выходных газов дизеля и не используется механическая энергия свободно движущихся поршней, поскольку КСПД в установке работает только как генератор газа. Цель изобретения повышение КПД энергетической установки. Цель достигается тем, что в существующую энергетическую установку, состоящую из компрессорного свободнопоршневого дизеля с топливным насосом и форсункой, выпускной коллектор которого связан с уравнительным ресивером газовой турбины, дополнительно введены два емкостных генератора, кинематически связанных соединительными поршнями с поршнями КСПД, генератор возбуждения, размещенный на валу газовой турбины, синхронизирующий механизм согласованности и частоты движения подвижных цилиндров генератора, состоящий из насаженного на закрепленную ось валика с постоянными магнитами, соприкасающегося с поверхностью соединительного поршня одного из емкостных генераторов, измерительной катушки, внутри которой расположен валик с постоянным магнитом, выпрямителя, подключенного входом к выходу измерительной катушки, фильтра, вход которого соединен с выходом выпрямителя, источника управляющего напряжения, исполнительного органа, первого устройства сравнения, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены соответственно с выходом фильтра и источником управляющего напряжения, а выход с входом исполнительного органа, кинематически связанного с топливным насосом двигателя, фазосдвигающий усилитель, вход которого соединен с токосъемными электродами одного из емкостных генераторов, два усилителя формирователя импульсов, входы которых связаны с выходами фазосдвигающего усилителя, тиристорный коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами усилителей формирователей, силовые входы подключены к выходу генератора возбуждения, а его выходы к возбуждающим электродам емкостных генераторов. регулятор напряжения, датчик напряжения, источник опорного напряжения и второе устройство сравнения, неинвертирующий и инвертирующий входы которого соединены соответственно с выходами источника опорного напряжения и датчика напряжения, подключенного своим входом к выходу генератора возбуждения, обмотка возбуждения которого связана с выходом регулятора напряжения, подключенного своим входом к выходу второго устройства сравнения, причем емкостные генераторы выполнены каждый из двух цилиндров неподвижного, на котором размещены изолированные с овальными наконечниками возбуждающие электроды чередующейся полярности и сдвинутые линейно друг относительно друга, и подвижного, содержащего изолированные токосъемные электроды, сдвинутые друг относительно друга на такое же расстояние, как и возбуждающие электроды. Повышение экономичности предлагаемой установки объясняется следующими соображениями. В прототипе КСПД используется только как генератор газа. При этом газотурбинные установки с КСПД имеют КПД около 30-35% Механическая энергия поршней в прототипе не используется, в то время как механическое соединение поршней дизеля с генератором обеспечивает большую передачу энергии генераторам через их механическую связь. В установках с механической связью дизеля с генератором передается генератору примерно 60% энергии топлива, сжигаемого в дизеле. Одновременно в установке используется энергия выходных газов КСПД для привода газовой турбины, обеспечивающей работу возбудителя емкостных генераторов. Положительные качества высокоскоростной турбины, небольшой расход энергии выходных газов турбины на возбуждение емкостных генераторов также улучшают экономичность установки. Таким образом, положительный эффект достигается тем, что КПД предлагаемой установки η больше КПД прототипа η_n, так как η_п= , a η , где P_турб мощность турбины; P_мех.д механическая мощность дизельгенератора; P_топ мощность расходуемого топлива. Использование емкостного генератора с линейным перемещением цилиндрического ротора также повышает технико-экономические показатели установки за счет отсутствия вращающихся частей и массивного ферромагнитопровода, а следовательно, отсутствия значительных потерь энергии в магнитопроводе. КПД емкостного генератора при активной нагрузке η , где P₁=P₂+ ΣP подводимая мощность; P₂=U1 полезная мощность; ΣP сумма электрических потерь в целях ротора и статора и механических потерь машины; U, I напряжение и ток нагрузки генератора. При использовании диэлектриков с высокой абсолютной проницаемостью и малым зазором между цилиндрами удельные характеристики (относительная масса, мощность на единицу объема) для емкостного генератора приближаются к характеристикам индукционных машин. Кроме того, применение механизма согласованности перемещения поршней КСПД, автоматического коммутатора полярности напряжения возбуждения емкостного генератора, автоматического генератора в совокупности с КСПД, с емкостными генераторами обеспечивает надежную работу установки и высокие качество вырабатываемой электрической энергии при более высокой экономичности. На фиг. 1 показана функциональная схема установки; на фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу механизма согласованности перемещения поршней КСПД. Установка состоит из компрессорного свободнопоршневого дизеля 1 с топливным насосом 2 и форсункой 3, выпускной коллектор 4 которого связан с уравнительным ресивером 5 газовой турбины 6, на валу которой размещен генератор 7 возбуждения с обмоткой 8 возбуждения, двух емкостных генераторов 9 и 10, кинематически связанных соединительными поршнями 11 с поршнями 12 КСПД, валика 13 с постоянными магнитами 14, насаженного на закрепленную ось 15, соприкасающегося с поверхностью соединительного поршня 11 одного из емкостных генераторов, например генератора 10, измерительной катушки 16, внутри которой расположен валик 15 с постоянным магнитом 14, выпрямителя 17, подключенного входом к выходу измерительной катушки 160 фильтра 18, вход которого соединен с выходом выпрямителя 17, источника 19 управляющего напряжения, исполнительного органа 20, первого устройства сравнения 21, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены соответственно с выходом фильтра 18 и источником 19 управляющего напряжения, а выход первого устройства 21 сравнения соединен с входом исполнительного органа 20, имеющего кинематическую связь 22 с топливным насосом 2 дизеля 1, фозосдвигающего усилителя 23, вход которого соединен, например, с зажимами 24, 25 токосъемных электродов 26, генератора 9, двух усилителей-формирователей 27, 28 импульсов, входы которых связаны с выходами фазосдвигающего усилителя 23, тиристорного коммутатора 29, управляющие входы которого соединены с выходами усилителей-формирователей 27, 28, силовые входы подключены к выходу генератора 7 возбуждения, а выходы 30, 31 тиристорного коммутатора 29 подключены к одноименным зажимам 30, 31 возбуждающих электродов 32 емкостных генераторов 9 и 10, регулятора 33 напряжения, датчика 34 напряжения,источника 35 опорного напряжения и второго устройства 36 сравнения, неинвертирующий и инвертирующий входы которого соединены соответственно с выходами источника 35 опорного напряжения и датчиком 34 напряжения, подключенным своим входом к выходу генератора 7 возбуждения, обмотка возбуждения которого связана с выходом регулятора 33 напряжения, подключенного своим входом к выходу второго устройства 36 сравнения. Емкостные генераторы 9 и 10 выполнены каждый из двух цилиндров неподвижного 37, на котором размещены изолированные с овальными наконечниками 38 возбуждающие электроды 32 чередующейся полярности, сдвинутые линейно друг относительно друга, и подвижного цилиндра 39, содержащего изолированные токосъемные электроды 26, имеющие такие же линейные размеры и сдвиг друг относительно друга, как и возбуждающие электроды. Овальная форма наконечников 38 возбуждающих электродов обеспечивает синусоидальную форму тока в нагрузке. Нагрузка подключается к зажимам 24, 25, 40-43 токосъемных электродов 26. Установка работает следующим образом. При работе компрессорного свободнопоршневого дизеля 1 происходит сближение и расхождение поршней 12 дизеля, в результате чего цилиндры 39 с токосъемными электродами 26 перемещаются относительно возбуждающих электродов 32 неподвижного цилиндра 37 емкостных генераторов 9 и 10. Газы работающего дизеля, проходя через выпускной коллектор 4 и уравнительный ресивер 5, приводят в движение газовую турбину 6, которая вращает генератор 7 возбуждения. Генератор вырабатывает постоянное напряжение возбуждения, которое инвертируется в тиристорном коммутаторе и с его зажимов 30, 31 подается на одноименные зажимы 30, 31 возбуждающих электродов 32 емкостных генераторов 9 и 10. Напряжение возбуждения чередующихся полярностей создает электрическое поле во внутренней части неподвижного цилиндра, в котором перемещаются токосъемные электроды 26 подвижного цилиндра 29. В процессе периодического изменения во времени взаимных емкостей между возбуждающими 32 (индукторными) и токосъемными 26 электродами за счет изменения площади перекрытия между ними и при наличии напряжения возбуждения на токосъемных электродах 26 возникают индуцированные изменения потенциалов, также чередующихся полярностей и сдвинутые друг относительно друга по фазе. Полярности напряжений на возбуждающих электродах 32 и соответствующие им полярности индуцированных потенциалов на токосъемных электродах 26, имеющие место за время перемещения подвижного цилиндра на расстояние, равное ширине электродов, что соответствует половине периода выходного напряжения генератора, показаны без скобок. В начале пути перемещения токосъемных электродов под очередными возбуждающими электродами полярность напряжения возбуждения меняется, что приводит к изменению полярности напряжения на токосъемных электродах; (+) и (-) показаны в скобках (фиг. 1). При этом в нагрузке, подключенной к токосъемным электродам 26, течет многофазный ток, частота которого определяется частотой движения поршней КСПД и механически связанных с ними подвижных цилиндров генераторов. Синусоидальная форма индуцированного тока обеспечивается формой распределения электрического поля между возбуждающими и токосъемными электродами, например, за счет овальной формы наконечников 38 возбуждающих электродов 32. Периодичность коммутаций напряжения возбуждения емкостных генераторов автоматически обеспечивается тиристорным коммутатором 29 полярности, управляемым напряжением синусоидальной формы, снимаемым, например, с зажимов 24, 25. При этом в первую половину периода выходного напряжения формируются с помощью фазосдвигающего устройства 23 и усилителя формирователя 27 управляющие импульсы, которые открывают тиристоры, коммутатора 29, обеспечивающие полярность напряжения возбуждения, указанную без скобок. Вторую половину периода выходного напряжения фазосдвигающим усилителем-формирователем 28 формируются управляющие импульсы, обеспечивающие выдачу на выходе тиристорного коммутатора напряжения возбуждения противоположной полярности (+ и -указаны в скобках). Стабильность напряжения возбуждения обеспечивает регулятор напряжения, который своим датчиком 34 напряжения U_G на выходе генератора 7. Текущее значение напряжения U_G подается на инвертирующий вход второго устройства сравнения 36 и сравнивается с требуемым опорным напряжением U_o, подаваемым с выхода источника опорного напряжения 35 на неинвертирующий вход элемента 36. Разностное напряжение ΔU=U_G-U_oподается на регулятор напряжения 33, который своим воздействием на ток в обмотке возбуждения 8 приводит к изменению выходного напряжения U_G и уменьшению ΔU до минимального заданного значения. Согласованность перемещения поршней КСПД, а следовательно, механически связанных с ними подвижных цилиндров генераторов обеспечивает синхронизирующий механизм подачи топлива, состоящий из валика 13, который при движении поршней влево и вправо совместно с подвижным магнитом 14 перемещается в катушке 16, на зажимах которой появляется напряжение U_≈(t), подаваемое на выпрямитель 17, с выхода которого напряжение U_B(t) поступает на фильтр 18, а затем напряжение U_n(t), пропорциональное скорости перемещения валика, подается на инвертирующий вход первого устройства 21 сравнения. На его неинвертирующий вход подается напряжение уставки U_n^*(t), соответствующее заданной скорости движения цилиндров генератора (фиг. 2). Разностное напряжение ΔU_y(t)= U_n^*(t)-U_n(t), снимаемое с выхода элемента 21, управляет исполнительным органом 20 топливного насоса 2, регулирующего количество топлива, впрыскиваемого форсункой 3 в цилиндр дизеля энергетической установки, обеспечивая заданную частоту перемещения подвижных цилиндров генератора, а следовательно, и требуемую частоту его выходного напряжения. В прототипе компрессорный свободнопоршневой дизель используется только как генератор газа. При этом не используется механическая энергия поршней, что снижает КПД установки. В предлагаемой конструкции повышение КПД достигается за счет механического соединения поршней с электрическим генератором, применением емкостных генераторов с высоким КПД и частичным использованием энергии выхлопных газов на возбуждение емкостных генераторов. Применение синхронизирующего механизма подачи топлива, автоматического коммутатора полярности напряжения возбуждения емкостного генератора, автоматического регулятора напряжения возбуждающего генератора обеспечивает высокое качество вырабатываемой электрической энергии при более высокой экономичности установки.

Формула изобретения

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая компрессорный свободнопоршневый дизель с топливным насосом и форсункой, выпускной коллектор которого связан с уравнительным ресивером, газовую турбину, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, в нее введены два емкостных генератора, кинематически связанных соединительными валами с поршнями, компрессорного свободнопоршневого дизеля, генератор возбуждения, размещенный на валу газовой турбины, синхронизирующий механизм, состоящий из валика с постоянным магнитом, насаженного на неподвижную ось с возможностью вращения, соприкасающегося с поверхностью соединительного вала одного из емкостных генераторов, измерительной катушки, внутри которой расположен валик с постоянным магнитом, выпрямителя, подключенного входом к выходу измерительной катушки, фильтра, вход которого соединен с выходом выпрямителя, источника управляющего напряжения, исполнительного органа, первого устройства сравнения, инвертирующий и неинвертирующий входы которого соединены соответственно с выходом фильтра и источником управляющего напряжения, а выход с входом исполнительного органа, кинематически связанного с топливным насосом дизеля, фазосдвигающий усилитель, вход которого соединен с токосъемными электродами одного из емкостных генераторов, два усилителя формирователя импульсов, входы которых связаны с выходами фазосдвигающего усилителя, тиристорный коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами усилителей формирователей, силовые входы подключены к выходу генератора возбуждения, а его выходы к возбуждающим электродам емкостных генераторов, регулятор напряжения, датчик напряжения, источник опорного напряжения и второе устройство сравнения, неинвертирующий и инвертирующий входы которого соединены соответственно с выходами источника опорного напряжения и датчика напряжения, подключенного своим входом к выходу генератора возбуждения, обмотка возбуждения которого связана с выходом регулятора напряжения, подключенного своим входом к выходу второго устройства сравнения, причем емкостные генераторы выполнены каждый из двух цилиндров: неподвижного, на котором размещены изолированные с овальными наконечниками возбуждающие электроды чередующейся полярности и сдвинутые линейно один относительно другого, и подвижного, содержащего изолированные токосъемные электроды, сдвинутые один относительно другого на такое же расстояние, как и возбуждающие электроды.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---