Электрогидродинамическая роторная машина замкнутого цикла

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ РОТОРНАЯ МАШИНА ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА(71) Заявители Закрытое акционерное общество АЛСАН-БИЗакрытое акционерное общество Термекс БРИТСОН ТРЭЙД ИНК.Берюков Анатолий Семенович(72) Автор Берюков Анатолий Семенович(73) Патентообладатели Закрытое акционерное общество АЛСАН-БИЗакрытое акционерное общество Термекс БРИТСОН ТРЭЙД ИНК.Берюков Анатолий Семенович(57) Электрогидродинамическая роторная машина замкнутого цикла, характеризующаяся тем, что содержит замкнутый гидравлический контур с насосом и роторный двигатель, в корпусе которого смонтирован вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены, по меньшей мере, четыре оппозитно расположенные декомпрессионные камеры с каналами впуска каналы выпуска, выполненные в корпусе двигателя и связанные с кольцевой камерой, расположенной вокруг ротора между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и сборной кольцевой оболочкой, выполненной в виде, Фиг. 2 12014 1 2009.06.30 по меньшей мере, четырех сегментов, закрепленных на внутренней цилиндрической поверхности корпуса с возможностью их одностороннего перемещения посредством регулировочных винтов, пропущенных через тарировочные отверстия, выполненные в сегментах с возможностью соединения кольцевой камеры с каналами впуска и выпуска, причем каждая декомпрессионная камера выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине, величина которого выбрана из интервала от 19 до 22, меньшее основание конуса камеры сопряжено с каналом впуска, расстояние между меньшим и большим основаниями конуса камеры составляет от 14 до 16 длины канала впуска, а большее основание конуса 1 камеры выполнено с радиусом кривизны , где, где- диаметр большего основа 2 ния конуса камеры, причем каналы впуска функционально связаны с гидравлическими аккумуляторами-накопителями, каналы выпуска посредством трубопроводов соединены через выпускной коллектор с циркуляционной цистерной, которая трубопроводами с фильтрами грубой и тонкой очистки, насосами высокого давления с автономным электроприводом связана с гидравлическими аккумуляторами-накопителями, трубопровод которых снабжен перепускными клапанами и коллектором-распределителем, связанным с гидравлическими аккумуляторами-компенсаторами и подключенным к ручному гидравлическому насосу высокого давления, а вал ротора двигателя соединен посредством муфты с электрогенератором, который через регулятор напряжения подключен к внешней распределительной электрической сети с нагрузкой. Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, судостроения и предназначено для энергоснабжения устройств высокой мощности, например, валов корабельных винтов, промышленных электрогенераторов и других подобных объектов техники. Известен ряд устройств для преобразования энергии в механическую энергию вращения ротора 1-4. Так в патентной заявке описана роторная установка с замкнутым циклом для получения механической энергии 1. Установка содержит напорную емкость, корпус турбины, вал с подшипниками, сборник рабочей жидкости, трубопроводы, клапан, насос и разгонный двигатель. В качестве ротора применяется гидротурбина, позволяющая использовать энергию струй рабочей жидкости, имеющих скорость истечения больше окружной скорости ротора турбины для создания крутящего момента на валу. Рабочая жидкость движется по замкнутому контуру напорная емкость-турбина-сборник-насос-напорная емкость. Лопатки ротора выполнены по логарифмической спирали. На одном валу установлено несколько гидротурбин с индивидуальными боковыми вводами рабочей жидкости,объединенных общим сборником рабочей жидкости. Известен также роторный гидравлический двигатель с осциллирующими инерционными поршнями 4. Ротор двигателя содержит посаженные на шкворнях осциллирующие инерционные поршни в количестве не менее четырех, предпочтительно на плавающем подшипнике. Между ротором и корпусом двигателя выполнена кольцевая гравитационная камера, отделенная от ротора сборной втулкой, которая состоит как минимум из четырех сегментов, прикрепленных к корпусу двигателя. Каждый сегмент втулки гравитационной камеры заканчивается предпочтительно с одного конца впускным отверстием, а с другого конца двойным выпускным отверстием, создавая на стыке двух соседних сегментов лабиринтное уплотнение. Корпус двигателя содержит также две пары контрольных окон, одна пара окон размещена в зоне холостого хода инерционного поршня, а вторая пара окон - в рабочей зоне инерционного поршня. Каждый инерционный поршень снабжен каналом для смазки подшипника поршня. Гравитационная камера выполнена с возможностью регулировки ее объема посредством регулирующего винта. Недостатками известных технических решений являются технологическая сложность изготовления ротора и невысокая эксплуатационная надежность таких конструкций в целом. 2 12014 1 2009.06.30 Наиболее близок по конструктивному исполнению к предлагаемому изобретению импульсный гравитационно-инерционный двигатель замкнутого цикла, который и выбран в качестве прототипа 5. Двигатель содержит корпус с размещенным в нем ротором. На внешней цилиндрической поверхности ротора выполнены декомпрессионные камеры в количестве не меньше четырех. Каждая пара камер выполнена с возможностью периодического сообщения с каналами впуска и выпуска рабочего тела. Каналы высокого давления размещены в корпусе двигателя перпендикулярно к внешней образующей цилиндрической поверхности ротора и связаны с камерами впуска, которые выполнены в форме усеченного конуса эллипсоидальной формы. Декомпрессионные камеры в поперечном сечении выполнены в форме эллипса, при этом отношение диаметра ротора от. к диаметру декомпрессионной камеры дк. выбрано из расчета от.9 дк. Длина канала впуска составляет не более 85 длины хода декомпрессионной камеры в рабочем цикле по внешней образующей цилиндрической поверхности ротора.Суммарный объем декомпрессионных камер вместе с объемом каналов впуска в фазе рабочего цикла составят не более 95 максимального объема рабочего тела, закачиваемого в фазе рабочего цикла для обеспечения привода двигателя. Величина углового перемещения декомпрессионной камеры в рабочей фазе за один оборот ротора составляет (722), а величина ее углового перемещения в мертвой зоне - (202). В корпусе двигателя размещена гравитационная камера, образованная между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и специальной оболочкой в виде втулки,закрепленной на внутренней цилиндрической поверхности корпуса с возможностью плотного прилегания к цилиндрической поверхности ротора. Втулка выполнена сборной из четырех сегментов, которые монтируются посредством крепежных болтов с дистанционными втулками, обеспечивающими образование указанной цилиндрической полости. Каждый сегмент втулки снабжен тарировочным отверстием с регулировочным болтом для обеспечения одностороннего перемещения сегмента. Величина указанного перемещения задается регулировочным болтом. Торцы сегментов снабжены пазами с возможностью образования на стыках лабиринтного уплотнения. В корпусе и крышке смонтированы подшипниковые узлы, на которые посажен выходной вал ротора. Подшипниковые узлы закрыты передней и задней крышками. Вал ротора,а также крышки снабжены уплотнительными сальниками для предотвращения протечки рабочего тела - гидравлического масла. Корпус двигателя в основании содержит отверстия для крепления к фундаменту или несущей раме. Двигатель приводится в действие от внешнего замкнутого гидравлического контура гидравлическим насосом посредством подачи под давлением рабочей среды - масла индустриального - по каналам высокого давления в декомпрессионные камеры ротора. Масло под давлением порядка 65 МПа закачивается в канал высокого давления и далее по двум каналам впуска, размещенным перед рабочей зоной, по касательной, противоположно направленными струями впрыскивается одновременно в оппозитно расположенные на роторе декомпрессионные камеры. В результате резкого расширения энергия гидростатического сжатия рабочей среды преобразуется в декомпрессионной камере в кинетическую вращательную энергию потока рабочей среды, что приводит во вращение ротор и создает крутящий момент на валу двигателя. При этом одновременно две другие оппозитно размещенные на роторе декомпрессионные камеры расположены в мертвой зоне холостого хода рабочего цикла и по мере поворота ротора сообщаются с камерой и каналом выпуска, благодаря чему отработанное масло из этих камер поступает на слив и цикл повторяется. За один оборот ротора совершаются два цикла - рабочий ход, где происходит нагнетание масла в одну пару декомпрессионных камер, и мертвый цикл (холостой ход), где через канал выпуска осуществляется удаление из другой пары декомпрессионных камер отработанного масла. Недостатком прототипа является низкая степень преобразования энергии гидростатического давления рабочей среды в механическую энергию вращения ротора, что обусловлено конструктивными недостатками исполнения геометрической формы декомпрессионных камер ротора и приводит к снижению коэффициента полезного действия устройства в целом. 3 12014 1 2009.06.30 Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и улучшение технических характеристик устройства. Техническим результатом является повышение энергетических и эксплуатационных параметров электрогидродинамической роторной машины. Поставленная задача решена тем, что электрогидродинамическая роторная машина замкнутого цикла характеризуется тем, что содержит замкнутый гидравлический контур с насосом и роторный двигатель, в корпусе которого смонтирован вал с ротором, на внешней цилиндрической поверхности которого выполнены, по меньшей мере, четыре оппозитно расположенные декомпрессионные камеры с каналами впуска каналы выпуска, выполненные в корпусе двигателя и связанные с кольцевой камерой, расположенной вокруг ротора между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и сборной кольцевой оболочкой, выполненной в виде, по меньшей мере, четырех сегментов, закрепленных на внутренней цилиндрической поверхности корпуса с возможностью их одностороннего перемещения посредством регулировочных винтов, пропущенных через тарировочные отверстия, выполненные в сегментах с возможностью соединения кольцевой камеры с каналами впуска и выпуска, причем каждая декомпрессионная камера выполнена в виде усеченного конуса с углом при вершине , величина которого выбрана в интервале от 19 до 22, меньшее основание конуса камеры сопряжено с каналом впуска, а расстояние между меньшим и большим основаниями конуса камеры составляет от 14 до 16 длины канала впуска, а большее основание конуса камеры выполнено с радиусом кривизны , где 1/2,диаметр нижнего основания конуса камеры, причем каналы впуска функционально связаны с гидравлическими аккумуляторами-накопителями, каналы выпуска посредством трубопроводов соединены через выпускной коллектор с циркуляционной цистерной, которая трубопроводами с фильтрами грубой и тонкой очистки, насосами высокого давления с автономным электроприводом связана с гидравлическими аккумуляторами-накопителями, трубопровод которых снабжен перепускными клапанами и коллектором-распределителем, связанным с гидравлическими аккумуляторами-компенсаторами, и подключен к ручному гидравлическому насосу высокого давления, а вал ротора двигателя соединен посредством муфты с электрогенератором, который через регулятор напряжения подключен к внешней распределительной электрической сети с нагрузкой. Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена принципиальная схема электрогидродинамической роторной машины замкнутого цикла. На фиг. 2 - общий вид двигателя в поперечном сечении. На фиг. 3 - вид поперечного сечения декомпрессионной камеры ротора. На фиг. 4 - векторная диаграмма разложения сил гидравлического потока рабочей среды в декомпрессионной камере ротора. Электрогидродинамическая роторная машина 1 содержит роторный двигатель 2, который функционально связан с замкнутым гидравлическим контуром 3, электрическим генератором 4 и внешней распределительной электрической сетью 5. Роторный двигатель 2 включает корпус 6 с выходным валом 7 и смонтированным на нем ротором 8, на внешней цилиндрической поверхности 9 которого выполнены, по меньшей мере, четыре декомпрессионные камеры 10 с каналами впуска 11. Каждая декомпрессионная камера 10 выполнена в форме усеченного конуса с расстоянием между большим и меньшим основаниями(14-16)от длины впускного канала 11 и с углом при вершине конуса(19-22). Меньшее основание С конуса камеры 10 сопряжено с каналом впуска 11. Большее основания конуса выполнено криволинейным с радиусом кривизны 1/2,- диаметр нижнего основания конуса. В корпусе 6 вокруг ротора 8 размещена кольцевая камера 12,образованная сборной кольцевой оболочкой 13, состоящей из четырех сегментов 14, закрепленных на внутренней цилиндрической поверхности 15 корпуса 6 крепежными винтами 16 с дистанционными втулками 17. Сегменты 14 содержат регулировочные винты 18,4 12014 1 2009.06.30 пропущенные через тарировочно-регулировочные отверстия 19, связывающие кольцевую камеру 12 с каналами впуска 11. Сегменты 14 в торцах содержат пазы 20 и 21, которые в сборе образуют лабиринтное уплотнение 22. В корпусе 6 двигателя 2 выполнен канал выпуска 23 с камерой выпуска 24, связанный с замкнутым гидравлическим контуром 3 через канал низкого давления 25 с распределительным коллектором 26 посредством системы сливных трубопроводов 27 с циркуляционной цистерной 28. Канал высокого давления (на чертеже не показан) в корпусе 6 двигателя 2 системой трубопроводов высокого давления 29 гидравлического контура 3 через распределительный коллектор 30 трубопроводом 51 связан с аккумулятораминакопителями 31, распределительным коллектором 32, импульсными аккумуляторамикомпенсаторами 33 и насосами высокого давления 34 посредством трубопроводов 48,снабженных перепускными клапанами 35. Замкнутый гидравлический контур 3 также содержит стартовый аккумулятор 36 для запуска стартового насоса 47, связанный с трубопроводом 50, и резервный насос высокого давления 37 для ручного аварийного запуска,систему обратных трубопроводов 38 с фильтрами грубой очистки 39, трубопроводы 40 с фильтрами тонкой очистки 41, гидравлические насосы высокого давления 34. Электрический генератор 4 подсоединен к выходному валу 7 двигателя 2 через эластичную муфту 46 и подключен к внешней распределительной электрической сети 5 через регулятор напряжения (РН) 42, который электрически соединен с главным распределительным щитом (ГРЩ) 43, щитом отключения второстепенных потребителей (ЩОВП) 44 и щитом распределения нагрузки замкнутого цикла (ЩРН) 45. Электрогидродинамическая роторная машина замкнутого цикла 1 работает следующим образом. Заливают циркуляционную цистерну 28 замкнутого гидравлического контура 3 рабочей средой-гидроносителем, например маслом индустриальным. Стартовым аккумулятором 36 запускают стартовый насос 47 и масло из циркуляционной цистерны 28 по системе обратных трубопроводов 38 с фильтрами грубой очистки 39 через фильтры тонкой очистки 41, трубопровод 40 и распределительный коллектор 32 с перепускным клапаном 35 подают в импульсные аккумуляторы-компенсаторы 33 и в аккумуляторынакопители 31 до достижения рабочего давления 25 МПа. Режим рабочего давления регулируют перепускным клапаном 35, а излишки масла по обратному трубопроводу (на чертеже не показано) сбрасывают в циркуляционную цистерну 28. В процессе сжатия в аккумуляторах-накопителях 31 масло разогревается до температуры порядка 95 С. Далее,из компенсаторов-аккумуляторов 33 и аккумуляторов-накопителей 31 через распределительный коллектор 30 с регуляторами потока и регуляторами числа оборотов по системе трубопроводов высокого давления 29 горячее масло по каналам высокого давления (на чертеже не показано) в корпусе 6 в рабочем цикле двигателя 2 подается в гравитационную камеру 12. Из камеры 12 через тарировочно-регулировочные отверстия 19 под давлением порядка 25 МПа масло впрыскивается по впускным каналам 11 в две декомпрессионные камеры 10, оппозитно размещенные на роторе 8. При прохождении через тарировочнорегулировочные отверстия 19, которые имеют специальную форму (на чертеже не показано), и впускные каналы 11 в потоке масла формируются вихревые структуры, которые в декомпрессионных камерах 10 распадаются с резким расширением и охлаждением до температуры порядка (-5-7) С с одновременным торможением, сопровождающимся передачей энергии вихревого потока рабочей среды в кинетическую энергию вращения ротора 8, создавая крутящий момент на выходном валу 7. На холостом ходу (в мертвом цикле) ротора 8 отработанное масло из декомпрессионных камер 10 по каналу выпуска 23 через камеры выпуска 24 по каналу низкого давления 25 в корпусе 6 и далее по системе сливных трубопроводов 27 низкого давления с распределительным коллектором 26 ламинарного потока сбрасывается в циркуляционную цистерну 28. Затем масло из циркуляционной цистерны 28 по обратным трубопроводам 38 насосами 34 прокачивается через фильтры грубой очистки 39, фильтры тонкой очистки 41 и возвращается в компенсаторы 5 12014 1 2009.06.30 аккумуляторы 33 и аккумуляторы-накопители 31 для повторного использования в системе замкнутого цикла электрогидродинамической роторной машины 1. При подаче масла в кольцевую камеру 12 за счет давления сегменты 14 постоянно обжимают цилиндрическую поверхность ротора 8 благодаря возможности смещения одного конца сегмента 14 в радиальном направлении по регулировочному винту 18 и за счет подвижного исполнения торцевого лабиринтного уплотнения 22 пазов 20 и 21. Тарировочнорегулировочные отверстия 19 выполнены специальной формы (на чертеже не показано) и совместно с каналами впуска 11 обеспечивают формирование вихревого потока рабочей среды в декомпрессионных камерах 10. Форма декомпрессионной камеры 10 в виде усеченного конуса, а также соотношение между большим и меньшим основаниями конуса 14-16 от длины впускного канала 11, при выбранном угле при вершине конуса(19-22), обеспечивают оптимальный режим энергообмена между рабочей средой и ротором 8 двигателя 2. Последнее обеспечивается также конструктивным исполнением элементов сопряжения меньшего основания С конуса декомпрессионной камеры 10 с каналом впуска 11, при этом существенно, что большее основание конусавыполнено криволинейным с радиусом кривизны 1/2,- диаметр нижнего основания конуса. Такое исполнение гарантирует исключение развития обратного гидравлического удара в потоке при впуске масла в декомпрессионную камеру 10 и, как следствие, торможение ротора 8 с потерей мощности на валу 7, при этом кольцевая камера 12 обеспечивает компенсацию эффекта антигравитационного всплытия ротора 8 на высоких частотах вращения, что также снижает потери мощности двигателя 2. Через эластичную муфту 46 крутящий момент с выходного вала 7 ротора 8 передается на вал электрического генератора 4 переменного или постоянного тока, который обеспечивает выработку электрической энергии и подачу ее через регулятор напряжения 42 во внешнюю распределительную электрическую сеть 5. После подачи электрического тока на распределительный щит нагрузки замкнутого цикла ЩРН 45 включаются главные гидронасосы 34, стартовый гидронасос 47 отключается автоматически. После выхода электрогенератора 4 на рабочий режим через главный распределительный щит ГРЩ 43 подключаются внешние потребители электрической энергии. Щит отключения второстепенных потребителей ЩОВП 44 служит для отключения внешних второстепенных потребителей электрической энергии от внешней распределительной электрической сети 5 в случае перегрузки двигателя 2 свыше 25 номинальной мощности. Из уровня техники следует, что заявляемое техническое решение обладает новизной,которая выражается в конструктивном исполнении декомпрессионной камеры 10 ротора 6 в поперечном сечении в форме усеченного конуса с принципиально новыми параметрами углом при вершине в интервале 19-22, при этом меньшее основание конуса камеры сопряжено с каналом впуска 11, а расстояние между меньшим и большим основаниями конуса составляет не менее 14-16 от длины впускного канала 11. Такое исполнение декомпрессионной камеры 10 обеспечивает по сравнению с прототипом создание весьма эффективного вихревого потока жидкого рабочей среды при ее впрыскивании через впускной канал 11 в полость декомпрессионной камеры 10. Исследованиями установлено, что в струе жидкости, подаваемой под давлением порядка 25 МПа в декомпрессионную камеру 10, при выбранных конструктивных параметрах ротора 8, формируется строго определенный тип вихревого движения. При последующем резком падении давления жидкости в камере 10 за счет расширения интенсивно падает ее температура, а высвободившаяся тепловая энергия преобразовывается в кинетическую энергию вращения струи, которая дает дополнительный вклад в механическую энергию вращения ротора 6. Техническое решение обладает изобретательским уровнем, так как из предшествующего уровня техники не очевидно, что при заявленных параметрах устройства характер турбулентного энергообмена между жидкой рабочей средой и ротором 6 увеличивает энергию упорядоченного вихревого движения за счет уменьшения энергии хаотического теплового движения молекул рабочей среды, т.е. за счет уменьшения температуры масла в 6 12014 1 2009.06.30 декомпрессионной камере ротора 8. Линейную скоростьвихревого вращения жидкой струи рабочей среды, которая при этом добавляется, можно оценить из выражения 2/2,где- КПД турбулентного преобразования тепловой энергии в кинетическую ср- удельная теплоемкость масла индустриального (2,1 кДж/кгС). При допущении, что 0,5, за счет понижения температуры масла Т на 95 С рабочей среде дополнительно сообщается линейная скорость порядка 7 м/с. Таким образом, в результате уменьшения температуры, которым сопровождается закручивание потока жидкой рабочей среды в декомпрессионной камере 10, еще больше падает давление в так называемой барической долине и, соответственно, увеличиваются центральные силы барических градиентов. Это приводит к более эффективному закручиванию, т.е. включается режим саморазгона вихря. При дальнейшем развитии процесса вихревого течения саморазгон притормаживается благодаря тому, что по мере роста линейных скоростей закручивающихся жидких струй все большую роль начинают играть центробежные силы и силы турбулентного трения. В стационарном режиме, когда для каждого элемента вращающихся масс жидкости центробежная сила уравновешивает векторную сумму сил барического градиента и турбулентного трения, траектории потоков жидкости преобразуются в сходящиеся к центру спирали. Диапазон углав интервале от 19 до 22 при вершине конуса декомпрессионной камеры 10 соответствует фундаментальному значению угла анизотропии электрона, равного 22. Выбранные параметры декомпрессионной камеры обеспечивают дополнительную устойчивость сформированных вихревых структур за счет их энергетической подпитки из окружающей среды путем активации рабочей среды при ее взаимодействии с электрон-позитронной составляющей физического вакуума 6. На фиг. 4 представлена векторная диаграмма разложения сил гидравлического потока жидкой рабочей среды в декомпрессионной камере 10 ротора 8, где векторы С исоответствуют силам, действующим в барической долине, равнодействующая которых направлена в центр вихревого потока и обеспечивает эффективное снижение давления в центре вихревой структуры, а векторы А и В соответствуют дополнительным силам, действующим по касательной и ответственным за дополнительный прирост линейной скорости вращения вихревой структуры жидкой рабочей среды. Таким образом, очевидно, что дополнительный энергетический вклад, получаемый за счет преобразования тепловой энергии жидкой рабочей среды в механическую энергию вращения ротора 8, гарантирует достижение заявленного технического результата и промышленную применимость предлагаемого изобретения. Источники информации 1.2005137105 А, 2007. 2.2005/0881124 А 1. 3.10102899 А 1, 2002. 4.2005/068839 А 1. 5.2005/100778 А 1 (прототип). 6. Герловина И.Л. О Теории фундаментального поля //-/ Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8