Энергетическая установка

 

Использование: электротехника, электроэнергетические сети. Сущность изобретения: энергетическая установка содержит двигатель внутреннего сгорания, турбонагнетатель, батарею конденсаторов, выпрямитель, управляемый ключ, преобразователь постоянно-переменного тока, коммутирующий аппарат и электромашинный агрегат. Агрегат включает в себя две униполярные машины и синхронный генератор. Одна униполярная машина размещена на валу 13 турбонагнетателя. Она имеет статор 17 с униполярными обмотками возбуждения 18, якорь 14 с зубцами и пазами и жидкометаллические контакты. Статор и ротор выполнены в виде цилиндров. Цилиндры статора и ротора образуют первую герметичную кольцевую камеры 19. В камере 19 размещены полый ферромагнитный цилиндр 20 с немагнитными высокопроводящими стержнями, короткозамыкающими кольцами 22 и жидкометаллические контакты 23. Другая униполярная машина размещена концентрично первой. Конструкция ее аналогична первой униполярной машине. Ротор синхронного генератора 31 жестко соединен с якорем второй униполярной машины. Ротор синхронного генератора выполнен в виде цилиндра 31. Цилиндр разделен вдоль образующей диэлектриком на число частей, равное числу полюсов. Ротор синхронного генератора имеет пазы со стержнями. Стержни замкнуты с одного торца короткозамыкающим кольцом, с другого - стержни одних одноименных полюсов соединены со стержнями одной полярности цилиндра второй униполярной машины, стержни других одноименных полюсов соединены со стержнями другой полярности жидкометаллическими контактами. Статор синхронного генератора имеет две части - внешнюю 43 с выводами 45 и внутреннюю 46 с выводами 48. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электроэнергетическим установкам с приводом от двигателя внутреннего сгорания, работающим на судах, тепловозах и стационарных электроэнергетических сетях.

Известна электрическая установка, содержащая дизель с генератором, первую турбину с нагнетателем, вторую турбину с дополнительным генератором, включенным в сеть генератора.

Это техническое решение принято за прототип.

Недостатки прототипа: 1. Подача воздуха в дизель осуществляется нагнетателем, который вращает первая турбина, работающая на энергии выхлопных газов дизеля. В существующей схеме при работе дизеля на малых нагрузках количество подаваемого воздуха в дизель недостаточно для полного сгорания топлива, тогда как при работе дизеля на номинальной нагрузке количество подаваемого воздуха превышает оптимальное значение, определяемое полным сгоранием топлива. Поэтому регулирование требуемого расхода воздуха, подаваемого в дизель, осуществляется диффузором нагнетателя и сопловым кольцом турбины. Однако при этом ухудшаются характеристики нагнетателя и снижается эффективность использования энергии выхлопных газов, понижается КПД установки.

2. Реализация избыточной энергии выхлопных газов осуществляется второй турбиной с дополнительным генератором.

Цель изобретения уменьшение расхода топлива путем регулирования подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания.

Указанная цель достигается тем, что дополнительный генератор сочленен в единый агрегат с двумя концентрически расположенными униполярными машинами, одна из которых размещена на валу турбонагнетателя и состоит из двух ферромагнитных цилиндров внутреннего якоря с зубцами и пазами и внешнего являющегося статором и несущего униполярные обмотки возбуждения, между этими цилиндрами образуется первая герметичная кольцевая камера, в которой расположен полый ферромагнитный цилиндр с пазами, в которых размещены немагнитные высокопроводящие стержни, соединенные короткозамыкающими кольцами, и жидкометаллические контакты, другая униполярная машина состоит из статора с кольцевой униполярной обмоткой возбуждения, якоря, выполненного в виде полого ферромагнитного цилиндра с немагнитными высокопроводящими стержнями, замкнутыми короткозамыкающими кольцами, и жидкометаллических контактов, причем якорь второй униполярной машины соединен жестко с ротором синхронного генератора, который выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра, разделенного вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов, с пазами, в которых размещены высокопроводящие немагнитные стержни, электрически соединенные с одной стороны полюсов высокопроводящим немагнитным короткозамыкающим кольцом, а с другой стороны стержни одноименных полюсов соединены с высокопроизводящими стержнями одной полярности ферромагнитного цилиндра второй униполярной машины, стержни других одноименных полюсов посредством жидкометаллических контактов со стержнями другой полярности, жидкометаллические контакты обеих машин соединены между собой, а статор синхронного генератора состоит из двух частей внутренней и внешней с выводами, причем между внутренними поверхностями статоров второй униполярной машины и внешнего статора синхронного генератора и внешними поверхностями внешнего цилиндра первой униполярной машины и внутреннего статора синхронного генератора образована вторая герметичная камера; кроме того, электроэнергетическая установка снабжена батареей конденсаторов, подключенной к сети переменного тока одним зажимом через выпрямитель и управляемый ключ, а другим через преобразователь постоянно-переменного тока и коммутирующий аппарат; кроме того, преобразователь постоянно-переменного тока состоит из двух концентрически расположенных машин, одна из которых является синхронной, имеющей внутренний якорь с обмоткой и выводами, а другая вентильной, имеющая якорь с обмоткой и выводами, причем обе машины имеют общий индуктор, расположенный на подшипниковых опорах и выполненный в виде проводящего полого цилиндра, разделенного вдоль образующей на изолированные части с числом, равным числу полюсов синхронной машины и вентильной машины, на торце которого жестко расположено ферромагнитное кольцо с кольцевой камерой, в которой находятся жидкометаллические контакты и ферромагнитное кольцо с пазами, в которых размещены немагнитные проводящие стержни, замкнутые по торцам короткозамыкающими кольцами, а на торце статора расположено ферромагнитное кольцо с кольцевой обмоткой возбуждения.

Отличительные признаки изобретения: регулируемый электромашинный агрегат, установленный на свободном конце вала турбонагревателя; электромашинный агрегат регулируемой частоты вращения и частоты тока с герметичными жидкометаллическими контактами двух униполярных машин, с индуктором синхронной машины, возбуждаемый рабочим током якоря униполярной машины; батарея конденсаторов с регулируемым преобразователем постоянно-переменного тока (рода тока); регулируемый преобразователь рода тока, с коаксиальными якорями синхронной и вентильной машины, с совмещенным индуктором, возбуждаемым униполярным возбудителем с герметичными жидкометаллическими контактами.

Предложение соответствует критерию "существенные отличия" так как из известного перечня информации, установленного нормативным документом (п. 127, эз-1-74), технические решения с признаками, подобными заявленным, не обнаружены.

На фиг. 1 изображена схема электроэнергетической установки; на фиг. 2 конструктивная схема электромашинного агрегата (ЭМА); на фиг. 3-5 сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 2 соответственно.

Установка содержит двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 1 с турбонагревателем (ТН) 2, на свободном конце вала которого установлен ЭМА 3. К выходным клеммам ЭМА посредством выпрямителя (В) 4, управляемых ключей (К) 5 подключены секции батареи емкости (С) 6. С 6 подключена к преобразователю рода тока (П) 7 со стороны постоянного тока. Выходные клеммы П 7 со стороны переменного тока подключены к сети переменного тока 8 через коммутирующий аппарат (КА) 9. Выходные клеммы ЭМА также подключены к сети переменного тока 8 через КА 10. Ключи 5 управляются системой управления (СУ) 11 ДВС 1. Силовой вал ДВС 1 соединен с валом приводного механизма (М) 12.

На свободном конце вала 13 ТН 2 размещен ферромагнитный цилиндр 14 с зубцами 15 и пазами 16. Цилиндр 14 установлен внутри полого ферромагнитного цилиндра 17 с кольцевыми униполярными обмотками возбуждения 18 и первой герметичной кольцевой камерой 19. Внутри камеры 19 установлен другой полый ферромагнитный цилиндр 20 с пазами, с возможностью свободного вращения, заполненными немагнитными высокопроводящими стержнями 21, соединенными короткозамыкающими кольцами 22 и жидкометаллическими контактами 23. Внешняя поверхность ферромагнитного цилиндра 17 снабжена второй герметичной кольцевой камерой 24. Внутри камеры 24 установлены на подшипниковых опорах 25 второй полый ферромагнитный цилиндр 26 с немагнитными высокопроводящими стержнями 27, замкнутыми короткозамыкающими высокопроводящими немагнитными кольцами 28, 29, 30. Цилиндр жестко соединен с третьим полым ферромагнитным цилиндром 31 индуктором (ротором) синхронной машины (генератора). Цилиндр 31 разделен вдоль образующей диэлектриком 32 на разноименные полюса 33 и 34 (в данном случае на 2 полюса) и содержит высокопроводящие немагнитные стержни 35, замкнутые с одного торца высокопроводящим немагнитным короткозамыкающим кольцом 36, с другой стержни 35 полюса 33 соединяются с кольцом 30, стержни 35 полюса 34 соединены с высокопроводящим немагнитным короткозамыкающим кольцом 37, изолированным от цилиндра 26, кольца 30 и полюса 33 диэлектриком 38.

Кольца 28, 29 и 37 соединены с контактами 23 при помощи жидкометаллических контактов 39 и токоведущих шин 40. На внешней поверхности камеры 24 установлен ферромагнитный статор 41 с кольцевой униполярной обмоткой возбуждения 42, якорь синхронной машины 43 с обмоткой 44 и выводами 45. Дополнительным магнитопроводом синхронной машины является сердечник 46, состоящий из листов электротехнической стали, в котором также может быть установлена якорная обмотка синхронной машины 47 с выводами 48.

На фиг. 6 изображена структурная конструктивная схема преобразователя постоянно-переменного тока. Преобразователь содержит вентильную 49 и синхронную 50 машины. На внешнем статоре размещен якорь 51 вентильной машины 49 с обмоткой 52, выводами переменного тока 53, с коммутатором 54 и выводами постоянного тока 55.

На внутреннем статоре размещен якорь 56 синхронной машины 50 с обмоткой 57 и выводами 58, а также индуктор 59 с кольцевой обмоткой возбуждения 60 униполярного возбудителя 61. В воздушном зазоре между якорями 51 и 56 размещен совмещенный индуктор 62, установленный на подшипниковых опорах 63. Числа полюсов вентильной 49 и синхронной 50 машин равны. Совмещенный индуктор 62 выполнен аналогично индуктору 31 (см. фиг. 2 и 5, сечение Г-Г соответствует фиг. 5). На торце индуктора 62 размещен якорь униполярного возбудителя 61, выполненный в виде ферромагнитного кольца, с кольцевой герметичной камерой 64, жидкометаллическими контактами 65 и тоководом 66. Токовод 66 выполнен аналогично цилиндру 20, индуктор 59 имеет пазы аналогично пазам 16 в цилиндре 14 (сечение Д-Д соответствует фиг. 3). Короткозамыкающие кольца 67 токовода 66 посредством контактов 65 электрически соединены с индуктором 62. Кольца 67 одновременно выполняют функцию опор скольжения.

Соединение возбудителя 61 и индуктора 62 выполнено аналогично соединению цилиндров 26 и 31 (фиг. 2).

Электроэнергетическая установка работает следующим образом.

При больших нагрузках в установившихся процессах ДВС 1 мощность выхлопных газов превосходит мощность ТН 2, необходимую для подачи оптимального расхода воздуха в ДВС. В связи с этим избыточная мощность выхлопных газов передается на ферромагнитный цилиндр 14, фиг. 2, 3. При подаче тока возбуждения в обмотку 18 униполярный магнитный поток замыкается в цилиндрах 14 и 17 и через зубцы 15 и цилиндр 20. Под действием магнитного потока возникает сила, удерживающая цилиндр 20 неподвижным относительно цилиндра 14, и он придет во вращение с частотой, равной частоте вращения цилиндра 14 (то есть вала 13 ТН 2). На контактах 23 возникает униполярная ЭДС, величина которой может регулироваться током возбуждения в обмотке 18. Под действием ЭДС в цепи, образованной цилиндрами 20, 26, 31 и контактами 23 и 39, потечет постоянный ток. При подаче возбуждения в униполярную катушку 42 в магнитной цепи, образованной цилиндрами 17, 26 и 41, возбудится магнитный поток, и цилиндры 26 и 31, конструктивно представляющие единое целое, придут во вращение. Частота вращения этих цилиндров регулируется токами возбуждения обмоток 18 и 42. Униполярный ток, протекающий по цилиндру 26 через кольцо 30 последовательно по стержням 35 полюсов 33 и 34 к кольцу 37, образует систему магнитных полюсов синхронной машины, причем число полюсов равно числу прокладок (из диэлектрика) 32. В обмотках якоря 44 и 47 синхронной машины наводится ЭДС, частота которой определяется частотой вращения цилиндра 31 и числом полюсов синхронной машины. Генерируемая синхронной машиной электроэнергия подается через выводы 45 и 47 и коммутирующий аппарат 10 в сеть переменного тока 8 на электропривод механизмов. Поскольку частота вращения цилиндров 26 и 31 регулируется токами возбуждения катушек 18 и 42, то она может поддерживаться постоянной и не зависеть от частоты вращения цилиндра 14 ТН 2. Это позволяет при переменной нагрузке частоту вращения вала 13 ТН 2 выбирать оптимальной, определяемой требуемым количеством воздуха, подаваемого в ДВС 1, при этом параметры электроэнергии, генерируемой синхронной машиной, будут соответствовать параметрам сети переменного тока.

При малых нагрузках в установившихся режимах ДВС 1 мощность выхлопных газов недостаточна для обеспечения требуемой частоты вращения ТН 2. В этом случае электроэнергия, поступающая из сети 8 в обмотку якоря синхронной машины 44, 47, вращает цилиндры 31 и 26, фиг. 2, с постоянной частотой. При этом на жидкометаллических контактах 39 наводится униполярная ЭДС, величина которой регулируется током возбуждения в обмотке 42. По цепи, образованной цилиндрами 20, 26, 31 и контактами 23 и 39, протекает постоянный ток. При подаче возбуждения в обмотку 18 появляется вращающий момент на цилиндре 20 и магнитно связанном с ним цилиндре 14 на валу 13 ТН 2. Вал 13 ТН 2 получает дополнительный вращающий момент, при этом величина момента и частота вращения, оптимальные по условию подачи требуемого расхода воздуха в ДВС 1, регулируются токами возбуждения катушек 18 и 42.

В неустановившихся кратковременных процессах ДВС 1 при сбросе нагрузки сеть переменного тока 8 ограниченной мощности не может принять избыточную энергию вследствие достаточно высокой инерционности систем управления ее генераторных установок. В этом случае СУ 11 подает сигнал на открытие К 5. При этом избыточная электроэнергия от ЭМА 3 идет через В 4 на зарядку малоинерционной емкости С 6. При достижении полной зарядки С 6 ток в цепи зарядки становится равным нулю, С 6 отключается от ЭМА 3. После окончания переходного процесса в ДВС 1 С 6, фиг. 1, постепенно разряжается на сеть 8 через коммутирующий аппарат 9. Регулирование времени полной разрядки конденсатора достигается использованием П 7.

При включении П 7 в сеть переменного тока 8 индуктор 62 придет во вращение с частотой, близкой к синхронной частоте синхронной машины. При подаче тока возбуждения в униполярную обмотку возбуждения 60 униполярный магнитный поток замыкается в возбудителе 61 через токовод 66, при этом зубцы токовода расположатся против зубцов индуктора 59 (фиг. 6 и 3), что обеспечит момент, удерживающий токовод 66 неподвижно относительно индуктора 59. Униполярный магнитный поток наведет униполярную ЭДС во вращающемся якоре униполярного возбудителя 61 и соответственно постоянный ток в индукторе 62 и магнитный поток по магнитопроводам якорей 51 и 56. При этом индуктор 62 войдет в синхронизм с электромагнитным полем синхронной машины. При подаче напряжения с батареи емкости 6 на вентильную машину 49 через коммутатор 54 она будет работать в режиме двигателя. При этом накопленная в С 6 электрическая энергия, преобразованная в электроэнергию переменного тока требуемых параметров, синхронной машиной 50 будет передаваться в сеть переменного тока.

Преимущество предлагаемой электроэнергетической установки по сравнению с прототипом заключается в том, что она снабжена регулируемым электромашинным агрегатом, размещенным на свободном конце вала турбонагревателя. Это позволяет повысить экономичность установки за счет более эффективного использования энергии выхлопных газов и исключить дополнительную (вспомогательную) турбину, а следовательно, уменьшить массогабариты установки. Кроме того, установка снабжена регулируемым малоинерционным накопителем электроэнергии (конденсаторная батарея с регулируемым преобразователем), что исключает потери в неустановившихся процессах и повышает экономичность электроэнергетической установки.

Формула изобретения

1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбонагнетатель, синхронный генератор и дополнительный генератор, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения расхода топлива путем регулирования подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, дополнительный генератор сочленен в единый агрегат с двумя концентрически расположенными униполярными машинами, одна из которых размещена на валу турбонагнетателя и состоит из двух ферромагнитных цилиндров - внутреннего - якоря с зубцами и пазами и внешнего являющегося статором и несущего униполярные обмотки возбуждения, между этими цилиндрами образуется первая герметичная кольцевая камера, в которой расположен полый ферромагнитный цилиндр с пазами, в которых размещены немагнитные высокопроводящие стержни, соединенные короткозамыкающими кольцами, и жидкометаллические контакты, другая униполярная машина состоит из статора с кольцевой униполярной обмоткой возбуждения, якоря, выполненного в виде полого ферромагнитного цилиндра с немагнитными высокопроводящими стержнями, замкнутыми короткозамыкающими кольцами, и жидкометаллических контактов, причем якорь второй униполярной машины соединен жестко с ротором синхронного генератора, который выполнен в виде полого ферромагнитного цилиндра, разделенного вдоль образующей на изолированные части числом, равным числу полюсов, с пазами, в которых размещены высокопроводящие немагнитные стержни, электрически соединенные с одной стороны полюсов высокопроводящим немагнитным короткозамыкающим кольцом, а с другой стороны стержни одних одноименных полюсов соединены с высокопроводящими стержнями одной полярности ферромагнитного цилиндра второй униполярной машины, стержни других одноименных полюсов посредством жидкометаллических контактов - со стержнями другой полярности, жидкометаллические контакты обеих машин соединены между собой, а статор синхронного генератора состоит из двух частей - внутренней и внешней с выводами, причем между внутренними поверхностями статоров второй униполярной машины и внешнего статора синхронного генератора и внешними поверхностями внешнего цилиндра первой униполярной машины и внутреннего статора синхронного генератора образована вторая герметичная камера.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для экономии расхода топлива в переходных режимах она снабжена батареей конденсаторов, подключенной к сети переменного тока одним зажимом через выпрямитель и управляемый ключ, а другим - через преобразователь постоянно-переменного тока и коммутирующий аппарат.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что преобразователь постоянно-переменного тока состоит из двух концентрически расположенных машин, одна из которых является синхронной, имеющей внутренний якорь с обмоткой и выводами, индуктор с кольцевой обмоткой возбуждения, а другая - вентильной, имеющей якорь с обмоткой и выводами, причем обе машины имеют общий индуктор, расположенный на подшипниковых опорах и выполненный в виде проводящего полого цилиндра, разделенного вдоль образующей на изолированные части числом, равным числу полюсов синхронной машины и вентильной машины, на торце которого жестко расположено ферромагнитное кольцо с кольцевой герметичной камерой, в которой находятся жидкометаллические контакты и вращающееся кольцо с пазами, в которых размещены немагнитные проводящие стержни, замкнутые по торцам короткозамыкающими кольцами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6