Паровая энергетическая установка
Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым электростанциям, и может быть применено как альтернатива паротурбинным энергетическим установкам. Энергетическая установка содержит свободнопоршневой двигатель, установленный в колодец с опорой на воздушную подушку с кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности, расположенным вне рабочего цилиндра. С паровым котлом, конденсатором водяного пара и кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности двигатель соединяется двухзвенными трубопроводами с шарнирным сочленением звеньев и имеющими возможность качательных перемещений. Изобретение обеспечивает повышение КПД и упрощение конструкции паровых энергетических установок. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики, а именно к тепловым электростанциям и может быть применено как альтернатива паротурбинным энергетическим установкам. В частности, на малых электростанциях, использующих местные виды топлива (торф, отходы деревопереработки и пр.).
Применение мощных паротурбинных энергетических установок оправдано на крупных тепловых электростанциях, для малых же они оказываются слишком дороги и сложны в обслуживании. Применяемые для этой цели дизельные двигатели используют дорогостоящее и к тому же, как правило, привозное топливо.
Целью изобретения является создание конструктивно простой и, следовательно, дешевой, энергетической установки для получения электроэнергии, использующей дешевые, местные виды топлива.
Поставленная цель достигается тем, что в применяемой паровой энергетической установке, содержащей свободнопоршневой двигатель, установленный вертикально в колодец с опорой на воздушную подушку, с кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности, расположенным вне рабочего цилиндра двигателя и соединенным с демпферной камерой двигателя двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, по изобретению, на боковой поверхности рабочего цилиндра двигателя имеются щелевые продувочные окна, соединенные двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, с конденсатором водяного пара, а головная часть рабочего цилиндра двигателя соединена двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, с паровым котлом. Кроме того, рабочий цилиндр двигателя утяжелен балластным грузом, а его демпферная камера может быть заполнена как воздухом, так и водородом, гелием или водяным паром, с давлением выше атмосферного.
На фиг. 1 изображена паровая энергетическая установка (далее ПЭУ) в рабочем положении, с вертикальным расположением свободнопоршневого двигателя (далее СПД). На фиг. 2 Вид А.
ПЭУ включает в себя. СПД 1, с рабочим цилиндром 2 со свободным поршнем 3 внутри и опорным поршнем 4 снизу рабочего цилиндра 2. В нижней части рабочего цилиндра 2 и соосно с ним, находится демпферная камера 5, которая посредством двухзвенного трубопровода 6 соединяется с кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности (далее КПМ) 7. Звенья трубопровода 6 стыкуются с использованием шарниров 8. КПМ 7 включает в себя цилиндр 9 с поршнем 10 и кривошипом 11 внутри. На боковой поверхности цилиндра 2 имеются щелевые продувочные окна 12 с золотниковым клапаном 13, заключенным в камеру 14, которая посредством трубопровода 15 соединяет рабочий цилиндр 2 с конденсатором водяного пара 16. В головной части цилиндра 2 установлен клапан 17, заключенный в камеру 18, которая посредством трубопровода 19 соединяет рабочий цилиндр 2 с паровым котлом 20. Кривошип 11 кинематически соединен с электрогенератором 21 способным работать в режиме электродвигателя. Опорный поршень 4 установлен в колодец 22 с давлением воздуха под ним выше атмосферного (воздушная подушка). Рабочий цилиндр 2 утяжелен балластным грузом 23 (вариант - армированный бетон). Между стенками демпферной камеры 5 и цилиндра 2, под стенками поршня 3, находится вакуумная камера 24. Трубопроводы 15 и 19 взаимодействуют со стояками 25 и 26, смонтированными на мачтах решетчатой конструкции (не показаны).
ПЭУ функционирует следующим образом. С помощью компрессора (не показан) в демпферной камере 5 создается рабочее давление (5÷10 ат), которое поднимает поршень 3 в крайнее верхнее положение, с упором в головку рабочего цилиндра 2. Далее, открывается клапан 17 и из парового котла 20 по трубопроводам 26 и 19 в цилиндр 2 поступает порция «свежего» пара. Под давлением пара поршень 3 разгоняется вниз, сжимая газ (много вариантов) в демпферной камере 5, с одновременным закрытием клапана 17. Нарастающее давление газа по тубопроводу 6 передается в цилиндр 9 КПМ 7, приводя в движение поршень 10 и кинематически с ним связанный кривошип 11, который устанавливается в нужное стартовое положение электрогенератором 21, работающем в режиме электродвигателя. При этом, ход поршня 10 осуществляется со сдвигом по фазе на 90 относительно хода поршня 3 (т.е. когда поршень 3 движется из одного среднего положения в другое с проходом через верхнюю «мертвую» точку, поршень 10 движется из нижней «мертвой» точки к верхней. Синхронизация обеспечивается системой автоматического регулирования (не показана) и работой электрогенератора - электродвигателя 21. После остановки поршня 3 (давлением газа в демпферной камере 5) в нижней «мертвой» точке, вращательным движением золотникового клапана 13, открываются продувочные окна 12 и внутренняя полость цилиндра 2 посредством трубопроводов 15 и 25 соединяется с конденсатором 16, с падением давления пара до 0,05÷0,1 ат. После подъема поршня 3 до уровня продувочных окон 12, последние перекрываются клапаном 13 и поршень 3, продолжая движение по инерции, производит сжатие остаточного пара в головной части цилиндра 2, с одновременным падением скорости. При достижении поршнем 3 положения близкого к верхней мертвой точке открывается клапан 17, с вводом в цилиндр 2 очередной порции «свежего» пара и процесс повторяется. Для уменьшения амплитуды продольных перемещений СПД во время работы, цилиндр 2 утяжеляется балластным грузом 23. А для снижения аэродинамических потерь энергии при движении поршня 3, под его боковыми стенками, в камере 24, создается разрежение воздуха с помощью вакуумного насоса (не показан).
На листе 5 приведены расчетные характеристики лишь одного из вариантов исполнения ПЭУ. Размеры его основных конструктивных элементов (цилиндра 2 и поршня 3) могут быть изменены в широких пределах, как в сторону увеличения, так и уменьшения. С изменением величины вырабатываемой мощности.
РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРОВОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
Наружный диаметр рабочего поршня - 1000 мм
Ход рабочего поршня 5000÷10000 мм
Скорость движения поршня (средняя) 30÷80 м/с
Давление «свежего» пара 90÷240 ат
(температура 480÷560°С)
Развиваемая мощность 2000÷5000 л.с.
Эффективное КПД 25÷40%
Столь высокий, по меркам обычных одноцилиндровых паровых машин, КПД и большая развиваемая мощность, объясняются высокими исходными параметрами рабочего тела (перегретый водяной пар) и высокой скоростью - движения поршня (обеспечивается отсутствием прямой механической связи между ним и кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности). А также, почти полным расширением рабочего тела (до давления 0,05÷0,1 ат, что обеспечивается большим ходом свободного поршня), недостижимым в обычных одноцилиндровых паровых машинах. И высоким механическим КПД (обеспечивается отсутствием боковых нагрузок на свободный поршень и мало меняющейся в процессе работы нагрузке на кривошип).
1. Паровая энергетическая установка, содержащая свободнопоршневой двигатель, установленный вертикально в колодец с опорой на воздушную подушку, с кривошипно-поршневым механизмом отбора мощности, расположенным вне рабочего цилиндра двигателя и соединенным с демпферной камерой двигателя двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений, отличающаяся тем, что на боковой поверхности рабочего цилиндра двигателя имеются щелевые продувочные окна, соединенные двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений с конденсатором водяного пара, а головная часть рабочего цилиндра двигателя соединена двухзвенным трубопроводом с шарнирным сочленением звеньев и имеющим возможность качательных перемещений с паровым котлом.
2. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий цилиндр двигателя утяжелен балластным грузом.
3. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что демпферная камера двигателя заполнена воздухом, с давлением выше атмосферного.
4. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что демпферная камера двигателя заполнена водородом, с давлением выше атмосферного.
5. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что демпферная камера двигателя заполнена гелием, с давлением выше атмосферного.
6. Энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что демпферная камера двигателя заполнена водяным паром, с давлением выше атмосферного.
