EA020597B1 - Устройство и способ для преобразования части удельной энергии текучей среды в газообразном состоянии в механическую работу - Google Patents

Abstract

В изобретении предложены устройство (1) и способ преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу. Устройство (1) содержит по меньшей мере один корпус (3, 3'), снабженный по меньшей мере одним впуском (7, 7') и по меньшей мере одним выпуском (9, 9') для газа, при этом каждый корпус (3, 3') содержит лопаточное колесо (5), установленное с возможностью вращения в корпусе (3, 3') и имеющее вал (51), охваченный барабаном (53), по меньшей мере две лопатки (55), установленные подвижно на барабане (53) таким образом, что концы (57) лопаток (55) могут перемещаться к внутренней поверхности (31) корпуса (3, 3'), в результате чего барабан (53), внутренняя поверхность (31) корпуса (3, 3') и лопатки (55) образуют камеры (59) для вмещения газа. Эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за выпуском (9, 9'), больше, чем эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за впуском (7, 7'), причем лопаточное колесо (5) образует барьер между впуском (7, 7') и выпуском (9, 9'), а выпуск (9, 9') по меньшей мере одного корпуса (3, 3') снабжен конденсатором (11) для конденсации газа, поступающего на выпуск (9, 9').

Description

(57) В изобретении предложены устройство (1) и способ преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу. Устройство (1) содержит по меньшей мере один корпус (3, 3'), снабженный по меньшей мере одним впуском (7, 7') и по меньшей мере одним выпуском (9, 9') для газа, при этом каждый корпус (3, 3') содержит лопаточное колесо (5), установленное с возможностью вращения в корпусе (3, 3') и имеющее вал (51), охваченный барабаном (53), по меньшей мере две лопатки (55), установленные подвижно на барабане (53) таким образом, что концы (57) лопаток (55) могут перемещаться к внутренней поверхности (31) корпуса (3, 3'), в результате чего барабан (53), внутренняя поверхность (31) корпуса (3, 3') и лопатки (55) образуют камеры (59) для вмещения газа. Эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за выпуском (9,9'), больше, чем эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за впуском (7, 7'), причем лопаточное колесо (5) образует барьер между впуском (7, 7') и выпуском (9, 9'), а выпуск (9, 9') по меньшей мере одного корпуса (3, 3') снабжен конденсатором (11) для конденсации газа, поступающего на выпуск (9, 9').

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к устройству и способу преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу.

Предшествующий уровень техники

Значительная часть производимой электрической энергии производится с помощью электрогенераторов, приводимых в движение паровыми турбинами. Пар, который приводит в движение турбины, производится путем сжигания, например, угля. Приблизительно 40% всей потребляемой электрической энергии производится этим способом. Помимо этого, электрическая энергия производится с помощью ядерных реакторов, энергия которых используется для производства пара, или с помощью так называемых газовых электростанций, в которых пар производится путем сжигания газа.

Используемое в уровне техники производство электрической энергии с помощью паровых турбин имеет несколько недостатков. Эти недостатки заключаются в том, что КПД преобразования энергии топлива в электрическую энергию является относительно низким, в то время как необходимое для этого оборудование является дорогостоящим и сложным и требует наличия сложных вспомогательных систем. Далее, паровые турбины должны эксплуатироваться на очень высоких скоростях. Это связано с тем, что всасывающие усилия, создаваемые пониженным давлением на вакуумной стороне, используются для получения высоких расходов, а для улавливания наибольшей возможной части энергии колёса турбины должны вращаться с большим количеством оборотов в минуту. Еще одним важным недостатком является то, что паровые турбины требуют перегретого пара во избежание конденсации и повреждения турбины.

Специалист в данной области должен знать, что КПД паровой турбины зависит от ее пропускной способности. Пропускная способность зависит, помимо прочего, от пониженного давления, которое создается в конденсаторе, соединенном с выпуском для газа турбины. Пониженное давление, в свою очередь, зависит от охлаждающей способности конденсатора.

Известно, что современные газовые электростанции используют морскую воду для достижения наилучшего охлаждения конденсатора. Например, известны газовые электростанции, которые потребляют 60 м³ морской воды, имеющей температуру 4°С, для производства 1 МВт электрической энергии, при этом охлаждающая вода, отходящая от конденсатора, имеет температуру приблизительно 14°С. Таким образом, большие количества энергии остаются неиспользованными.

Большое количество типов газов подходит для использования в предлагаемом устройстве. Одним из наиболее подходящих газов является вода в газовой фазе, т.е. пар. В дальнейшем термин пар будет использоваться наряду с термином газ. При этом термин пар следует истолковывать таким образом, что под ним может подразумеваться и любой подходящий газ.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение по меньшей мере одного из недостатков уровня техники.

Задача решается посредством признаков, которые раскрыты в нижеприведенном описании и следующей за описанием формуле изобретения.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу, содержащее по меньшей мере один корпус, снабженный по меньшей мере одним впуском и по меньшей мере одним выпуском для газа, при этом каждый корпус содержит лопаточное колесо, установленное с возможностью вращения в корпусе и имеющее вал, охваченный барабаном, по меньшей мере две лопатки, установленные подвижно на барабане таким образом, что концы лопаток могут перемещаться к внутренней поверхности корпуса, в результате чего барабан, внутренняя поверхность корпуса и лопатки образуют камеры для вмещения газа, при этом эффективная площадь лопатки, расположенной по потоку сразу за выпуском, больше, чем эффективная площадь лопатки, расположенной по потоку сразу за впуском, причем лопаточное колесо образует барьер между впуском и выпуском, а выпуск по меньшей мере одного корпуса снабжен конденсатором для конденсации газа, поступающего на выпуск. Конденсатор снабжен регулируемым выходом, чтобы в нем мог быть обеспечен вакуум.

Под эффективной площадью понимается в настоящем контексте составляющая площади, которая обеспечивает вращение лопаточного колеса. Например, если лопатка является наклонной по отношению к поверхности барабана лопаточного колеса (и внутренней поверхности корпуса), то эффективной площадью будет проекция этой лопатки на плоскость, перпендикулярную поверхности барабана.

Выгодно, если эффективная площадь лопатки, которая находится непосредственно выше по течению впуска для газа, равна приблизительно нулю. Это достигается за счет того, что барабан лопаточного колеса находится настолько близко, насколько это возможно, к внутренней поверхности корпуса, и лопатка практически не выдвинута из барабана. Результатом этого является то, что, поскольку эффективная площадь равна приблизительно нулю, отсутствуют усилия, за исключением усилий трения, действующие против вращения лопаточного колеса.

Выгодно, если впуск для газа снабжен направляющей решеткой, предназначенной для направления лопаток таким образом, что эффективная площадь лопатки постепенно увеличивается при прохождении

- 1 020597 через впуск для газа.

Выгодно, если выпуск для газа снабжен направляющей решеткой, предназначенной для направления лопатки таким образом, что эффективная площадь лопатки постепенно уменьшается при прохождении через выпуск для газа. Результатом этого является то, что лопатки проходят через выпуск для газа и направляются в правильное положение относительно внутренней поверхности корпуса ниже по течению выпуска для газа.

Испытания неожиданно показали, что является выгодным, если часть корпуса, находящаяся ниже по течению выпуска для газа, снабжена сливным приспособлением, которое сообщается с выпуском для газа таким образом, что любая текучая среда, увлекаемая лопатками от выпуска для газа к впуску для газа, может сливаться в выпуск для газа. В одном варианте осуществления сливное приспособление образовано одной или более канавкой во внутренней стенке корпуса.

Выгодно, если направляющие решетки и сливное приспособление в корпусе являются наклонными по отношению к направлению перемещения лопаток, с тем чтобы концы лопаток изнашивались равномерно и чтобы в результате износа на них не образовывались углубления. Необходимо понимать, что наклонные направляющие решетки и канавки в корпусе являются выгодными лишь в случаях, когда лопатки прижимаются к внутренней поверхности корпуса и к направляющим решеткам. Если лопатки перемещаются на небольшом расстоянии от внутренней поверхности корпуса и направляющих решеток, износ не происходит. Под небольшим расстоянием понимается расстояние, которое обычно меньше, чем 0,05 мм. Такое расстояние может быть обеспечено посредством магнитных усилий, например, когда корпус и концы лопаток намагничены с одинаковой полярностью.

Кроме того, образующееся при этом магнитное поле имеет уплотняющее действие против протечки текучей среды между лопатками и корпусом.

Выгодно, если эффективная площадь лопаток является наибольшей, когда лопатки находятся непосредственно выше по течению выпуска для газа, и является наименьшей, когда лопатки находятся на участке между находящейся ниже по течению стороной выпуска для газа и впуском для газа.

В одном варианте осуществления эффективная площадь лопаток увеличивается непрерывно от области непосредственно выше по течению впуска для газа к области непосредственно выше по течению выпуска для газа. Альтернативно, эффективная площадь лопаток увеличивается ступенчато от области непосредственно выше по течению впуска для газа к области непосредственно выше по течению выпуска для газа.

При непрерывном увеличении эффективной площади лопаток от области непосредственно выше по течению впуска для газа к области непосредственно выше по течению выпуска для газа объем камеры, которая определена между двумя лопатками, наружной поверхностью барабана и внутренней поверхностью корпуса, увеличивается в процессе вращения лопаточного колеса. Это означает, что имеется разность давлений между двумя последовательными камерами, в результате чего результирующее усилие, действующее на каждую лопатку, будет положительным по отношению к направлению вращения.

В одном варианте осуществления устройство согласно первому аспекту изобретения включает два или более корпуса, которые расположены последовательно. Выпуск для газа последнего корпуса в последовательности из двух или более корпусов присоединен к конденсатору для обеспечения конденсации газа на выходе из устройства. При такой конструкции энергия газа может извлекаться поэтапно при прохождении этого газа через два или более корпуса устройства.

Альтернативно или дополнительно, к расположению двух или более корпусов последовательно, о чем речь шла выше, два или более корпуса могут быть расположены параллельно, при этом выпуск для газа первого корпуса соединен с впусками для газа двух следующих корпусов.

В устройстве согласно настоящему изобретению, имеющем несколько лопаток, которые вместе определяют несколько камер, используется разность давлений, которая возникает вследствие расширения газа при его перемещении от впуска для газа к выпуску для газа.

Пониженное давление в конденсаторе всегда воздействует тянущим усилием на наибольшую возможную площадь, поскольку лопатка имеет наибольшую площадь у конденсатора.

Благодаря тому что устройство является непроницаемым (иными словами, снабжено одним или более барьером) между напорной стороной и вакуумной стороной, усилия, которые возникают в конденсаторе при фазовом переходе из газа в жидкость, так называемые усилия, порождаемые коллапсом текучей среды, можно регулировать. Это может быть обеспечено несколькими способами. Одним из них является дозированное введение определенного количества (объема) газа с определенным давлением, в результате чего желаемая разность давлений достигается между газом в последней камере перед конденсатором и сконденсированным газом в конденсаторе. Другим способом регулировки усилий, порождаемых коллапсом текучей среды, является снабжение устройства регулировочным устройством, настраивающим скорость вращения лопаточного колеса, в результате чего расход газа через устройство можно настраивать в соответствии с рабочими характеристиками конденсатора.

Скорость вращения устройства можно, с выгодой, регулировать с помощью нагрузки, которая присоединена к валу лопаточного колеса. Нагрузка может представлять собой, например, электрогенератор.

Другим способом регулировки усилий, порождаемых коллапсом текучей среды, является снабже- 2 020597 ние устройства регулятором температуры, который предназначен для регулировки температуры газа, подаваемого в устройство, таким образом, что газ перед поступлением в конденсатор не совершает фазовый переход из газа в жидкость, т.е. не коллапсирует, но, в то же время, не имеет остаточной температуры, которая требует дополнительного охлаждения в конденсаторе.

Другим способом регулировки усилий, порождаемых коллапсом текучей среды, является снабжение устройства регулятором, который предназначен для регулировки охлаждающей способности конденсатора.

Выяснили, что является выгодным, если устройство снабжено регулировочным алгоритмом, предназначенным для регулировки производства энергии устройством, причем регулировочный алгоритм предназначен для регулировки одного или нескольких из следующих параметров: температура и/или давление подаваемого газа; скорость вращения лопаточного колеса; охлаждающая способность конденсатора; нагрузка.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ регулировки, по меньшей мере, пониженного давления на выпуске для газа устройства, которое предназначено для преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу, в котором обеспечивают подачу газа в устройство через впуск для газа; обеспечивают, по существу, непроницаемый для текучей среды вращающийся барьер между впуском и выпуском для газа и регулируют, по меньшей мере, пониженное давление на выпуске устройства.

Пониженное давление на выпуске для газа устройства могут регулировать посредством, например, скорости вращения вращающегося барьера, чтобы тем самым настраивать расход газа через устройство в соответствии с рабочими характеристиками конденсатора, предназначенного для выпуска.

Путем регулировки скорости вращения вращающегося барьера количество энергии, поступающей на выпуск для газа, могут настраивать в соответствии с охлаждающей способностью, которая имеется на выпуске для газа. Таким образом, возможно избежать увеличения давления на выпуске для газа вследствие подачи слишком больших количеств энергии, что привело бы к значительному снижению КПД устройства.

В одном варианте осуществления скорость вращения вращающегося барьера регулируют посредством нагрузки, которая присоединена к устройству. Нагрузка может представлять собой электрогенератор, который, например, присоединен к валу устройства.

Для гарантии того, что настолько мало энергии, насколько это возможно, расходуется на теплообмен в конденсаторе, способ включает настройку температуры текучей среды, которая подается в устройство, таким образом, что температура текучей среды в газовой фазе, которая поступает в конденсатор, близка к температуре конденсации.

Выгодно, если имеется возможность настраивать давление и/или температуру газа, который подается в устройство через впуск для газа. За счет возможности настройки температуры газа, который подается в устройство, можно обеспечивать, чтобы температура газа, который поступает в конденсатор, была близка к температуре конденсации, с тем чтобы настолько мало энергии, насколько это возможно, расходовалось на теплообмен в конденсаторе.

Выгодно регулировать охлаждающую способность конденсатора, в результате чего охлаждающая способность может быть настроена в соответствии с количеством и свойствами газа, поступающего в конденсатор.

Выгодно, если настроечные и регулировочные устройства регулируются регулировочным алгоритмом.

На одном общем валу может быть расположено более одного устройства.

Перечень чертежей

Ниже приведено описание примеров предпочтительных вариантов осуществления, которые изображены на прилагаемых чертежах, на которых:

фиг. 1 показывает вид сбоку в разрезе варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению, имеющего три лопатки;

фиг. 2 показывает вариант осуществления, отличающийся от изображенного на фиг. 1 тем, что он содержит двенадцать лопаток;

фиг. 3 показывает вид устройства, изображенного на фиг. 1 и 2, справа;

фиг. 4 показывает направляющую решетку, как она видна на разрезе А-А, плоскость которого показана на фиг. 2;

фиг. 5 показывает вариант осуществления устройства, альтернативный тому, что показан на фиг. 1; фиг. 6 показывает еще один альтернативный вариант осуществления устройства согласно изобретению с двумя впусками для газа и двумя выпусками для газа;

фиг. 7 показывает в меньшем масштабе вариант осуществления устройства согласно настоящему изобретению с двумя корпусами, которые расположены последовательно; и фиг. 8 показывает в большем масштабе устройство согласно настоящему изобретению с альтернативной конструкцией лопаток.

- 3 020597

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Специалист в данной области должен понимать, что представленные чертежи являются лишь принципиальными схемами, показывающими основные компоненты, и что корпус на фиг. 1-2 и 5-8 показан без необходимых концевых крышек.

На разных чертежах одинаковые или соответствующие компоненты обозначены одними и теми же позициями. Поэтому уже описанные признаки не будут описываться повторно при рассмотрении каждого чертежа.

Для того чтобы упростить описание чертежей, иногда для обозначения местоположения будет использоваться принцип циферблата часов, при этом двенадцать часов означает верх. При использовании понятий выше по течению и ниже по течению подразумевается, что лопаточное колесо вращается по часовой стрелке, как показано стрелкой на чертежах.

На чертежах позицией 1 обозначено устройство согласно настоящему изобретению. Устройство 1 включает по меньшей мере один корпус 3, который вмещает лопаточное колесо 5, причем лопаточное колесо 5 расположено в корпусе 3 с возможностью вращения. Корпус 3 снабжен по меньшей мере одним впуском 7 для газа. По меньшей мере один по меньшей мере из одного корпуса 3 снабжен одним или более выпуском 9 для газа.

Г аз, который подается в устройство 1 через его впуск 7 для газа, может подаваться непрерывно или периодически. Периодическая подача осуществляется с помощью, по существу, известного клапана 61 (см. фиг. 5 и 6), который управляется, по существу, известными устройствами, которые должны быть хорошо известны специалисту в данной области.

Лопаточное колесо 5 включает вал 51, который охвачен барабаном 53. По меньшей мере две лопатки 55 с возможностью перемещения установлены на барабан 53. Концы 57 лопаток 55 предназначены для перемещения к внутренней поверхности 31 корпуса 3 таким образом, что барабан 53, внутренняя поверхность 31 корпуса 3 и лопатки 55, когда они выдвинуты, по меньшей мере частично, из барабана 53, определяют объемы камеры 59, предназначенные для вмещения газа, например пара. Газ поступает в устройство через впуск 7 для газа.

На фиг. 1 и 2 корпус 3 имеет два отверстия. Отверстия в корпусе 3 представляют собой впуск 7 для газа, который расположен в верхней части корпуса 3 приблизительно на двенадцать часов, и выпуск 9 для газа, который проходит приблизительно между семью часами и девятью часами.

Выпуск 9 для газа соединен с конденсатором 11, который снабжен охлаждающим устройством в форме витой трубы 13, по существу, известного типа. По витой трубе 13 может течь текучая среда. Альтернативно или дополнительно, в витой трубе 13 конденсатор 11 может быть снабжен создающим водяной туман устройством (не показано) или другими устройствами, подходящими для обеспечения охлаждения в конденсаторе.

Газ, который сконденсировался в конденсаторе 11, выкачивается из последнего в трубопровод 14 для конденсата с помощью насоса 15. Для настоящего изобретения важно, чтобы конденсатор был непроницаемым, с тем чтобы в нем мог быть создан вакуум. Насос 15 поэтому снабжен не показанным регулировочным устройством, которое регулирует уровень 12 жидкости в конденсаторе 11 для образования уплотнения в нижней части конденсатора 11.

Единственным отличием между фиг. 1 и 2 является количество лопаток: фиг. 1 показывает вариант осуществления с тремя лопатками 55, в то время как фиг. 2 показывает вариант осуществления с двенадцатью лопатками 55. В показанных вариантах осуществления лопатки 55 расположены с равными интервалами.

Лопатки 55 предназначены для их перемещения в пазы 54 и из пазов 54 в барабане 53 с помощью не показанного управляющего устройства. В одном варианте осуществления управляющее устройство может быть представлено смещающим элементом, таким как пружина (не показана), который предназначен для прижатия или перемещения лопаток 55 к внутренней поверхности 31 корпуса 3. В альтернативном варианте осуществления управляющее устройство представлено кулачковым управляющим устройством, которое предназначено для прижатия или перемещения лопаток 55 к внутренней поверхности 31 корпуса

3. В других альтернативных вариантах осуществления лопатки могут управляться пневматически или гидравлически. Однако способ, которым осуществляется управление лопатками 55, не важен для настоящего изобретения.

На фиг. 1 и 2 расстояние между барабаном 53 и внутренней поверхностью 31 корпуса 3 непрерывно увеличивается от области выше по течению впуска 7 для газа (приблизительно 11 ч на чертежах) к области выше по течению выпуска 9 для газа (приблизительно 7 ч на чертежах).

В альтернативном варианте осуществления расстояние между барабаном 53 и внутренней поверхностью корпуса 3 увеличивается ступенчато от области выше по течению впуска 7 для газа к области выше по течению выпуска 9 для газа. Это означает, что на одном (см. фиг. 5) или более участке между впуском 7 для газа и выпуском 9 для газа расстояние от центра вала 51 до внутренней поверхности 31 корпуса 3 остается постоянным.

Когда лопаточное колесо 5 вращается, газ (например, пар) заданной температуры и заданного давления, который поступает внутрь устройства 1 согласно фиг. 1, 2, 6-8 через его впуск 7 для газа, расши- 4 020597 ряется. Это обусловлено тем, что объемы камер 59, которые определены внутренней поверхностью 31 корпуса 3, наружной поверхностью барабана 53 и двумя последовательными лопатками 55, увеличиваются.

Непрерывное увеличение объемов камер 59 приводит к тому, что давление газа в каждой из камер 59 (которые при этом являются герметичными) непрерывно уменьшается при переносе газа от впуска 7 для газа к выпуску 9 для газа. Вследствие этого возникает разность давлений между двумя последовательными камерами.

Часть лопатки 55, которая выдвинута из барабана 53 и определяет две последовательные камеры, имеет практически одинаковую площадь на обеих сторонах. Результирующее усилие, которое действует на каждую из лопаток 55, находящихся между впуском 7 для газа и выпуском 9 для газа, вследствие этого способствует вращению барабана 53 по часовой стрелке. Этому также может быть дано следующее объяснение.

Ввиду того что эффективные площади лопаток 55, определяющих любую камеру 59 между впуском 7 для газа и выпуском 9 для газа, являются разными в варианте осуществления, показанном, например, на фиг. 2, а также ввиду того, что давление газа является одинаковым на всех поверхностях внутри одной камеры 59, усилия, действующие на две лопатки 55 камеры 59, будут разными. Иными словами, имеется разность усилий, вызывающая вращение по часовой стрелке лопаточного колеса 5 относительно корпуса 3.

Однако наибольшее результирующее усилие, способствующее вращению барабана 53, возникает в момент, когда лопатка 55 проходит над выпуском 9 для газа, который соединен с конденсатором 11. Газ, находящийся в камере 59, которая проходит над выпуском 9 для газа и в результате этого становится открытой, немедленно коллапсирует. В результате этого значительная разность давлений возникает между открытой камерой и следующей камерой.

Скорость вращения регулируется посредством нагрузки (не показана), которая присоединена к валу 51 лопаточного колеса 5. Нагрузка может представлять собой, например, электрогенератор.

Для повторения цикла расширения между впуском 7 для газа и выпуском 9 для газа лопатки 55 перемещаются из наиболее выдвинутого положения, которое они занимают на находящейся выше по течению стороне выпуска 9 для газа, в наиболее вдвинутое положение, которое они занимают на находящейся выше по течению стороне впуска 7 для газа. Это изменение положения обеспечивается посредством направляющей решетки 17, проходящей через выпуск 9 для газа, и за счет непрерывного уменьшения расстояния между внутренней поверхностью 31 корпуса 3 и центральной осью вала 51 на участке между выпуском 9 для газа и впуском 7 для газа.

В показанных вариантах осуществления устройства 1 расстояние между наружной поверхностью барабана 53 и внутренней поверхностью 31 корпуса 3 близко к нулю на участке непосредственно выше по течению впуска 7 для газа. Лопатка 55 при прохождении через этот участок практически полностью вдвинута внутрь паза 54 в барабане 53.

Фиг. 3 показывает вид устройства из фиг. 2 справа. Как видно на фиг. 3, в показанном варианте осуществления впуск 7 для газа и выпуск для газа, который соединен с конденсатором 11, имеют значительную протяженность, соответствующую ширине лопаточного колеса 5. Лопатки 55 и вал 51 барабана 53 показаны пунктирными линиями. Угловое положение барабана 53 относительно корпуса 3 соответствует его угловому положению на фиг. 2. Витая труба конденсатора 11 не показана на фиг. 3.

Фиг. 4 показывает в более крупном масштабе направляющую решетку 17, как она видна в разрезе А-А, плоскость которого показана на фиг. 2. Направляющая решетка 17 включает множество параллельных элементов 19, проходящих через отверстие 4 в корпусе 3 и расположенных с такими интервалами, что имеется возможность прохождения текучей среды через отверстие 4 корпуса 3. Направляющая решетка 17 также служит для направления лопаток 55 таким образом, чтобы они переходили из выдвинутого положения, которое они занимают на находящейся выше по течению стороне выпуска 9 для газа, по существу, в вдвинутое положение, которое они занимают на находящейся ниже по течению стороне выпуска 9 для газа, как показано, например, на фиг. 1. Во избежание неравномерного износа концов 57 лопаток 55 параллельные элементы 19 направляющей решетки 17 расположены наклонно по отношению к направлению перемещения лопаток 55. Соответствующая направляющая решетка 17' расположена у впуска 7 для газа устройства 1. Однако направляющая решетка 17' показана лишь на фиг. 1, 2, 5-8.

Необходимо отметить, что направляющие решетки 17, 17' не являются обязательными, если устройство 1 снабжено кулачковым управляющим устройством (не показано), регулирующим степень выдвижения лопаток 55 способом, отличным от прижатия к внутренней поверхности 31 корпуса 3.

Фиг. 5 показывает альтернативный вариант осуществления устройства 1, который похож на вариант осуществления, показанный на фиг. 1, но имеет существенное отличие: между расположенной ниже по течению стороной впуска 7 для газа и расположенной выше по течению стороной выпуска 9 для газа внутренняя поверхность 31 корпуса 3 находится на неизменном расстоянии от центральной оси лопаточного колеса 5. Выгоды, обеспечиваемые непрерывным увеличением объема камер 59, как описано выше, отсутствуют в данном варианте осуществления. За счет регулируемого клапана 61 запуска устройство 1 может использоваться в качестве двигателя.

- 5 020597

Фиг. 6 показывает другой альтернативный вариант осуществления устройства 1, показанного на фиг. 1, 2 и 5. Устройство 1, показанное на фиг. 6, имеет два впуска 7, 7' для газа и два выпуска 9, 9' для газа. В этом варианте осуществления впуски 7, 7' для газа снабжены регулируемыми клапанами 61 запуска. В остальном этот вариант осуществления устройства 1 имеет такую же конструкцию, что и устройства, показанные на фиг. 1 и 2, но имеет шесть лопаток 55.

Фиг. 7 показывает еще один альтернативный вариант осуществления устройства 1 согласно настоящему изобретению. На фиг. 7 первый корпус 3 соединен со вторым корпусом 3' таким образом, что выпуск 9 для газа первого корпуса 3 соединен с впуском 7' для газа второго корпуса 3'. Выпуск 9' для газа второго корпуса 3' соединен с конденсатором 11 такого типа, что описан выше. В этом варианте осуществления каждый из корпусов 3, 3' и каждое из лопаточных колес 5 соответствует корпусу 3 и лопаточному колесу 5, показанным на фиг. 2, но устройства соединены последовательно. Поэтому, с тем чтобы не затемнять чертеж, не все элементы на фиг. 7 обозначены позициями.

В альтернативных вариантах осуществления (не показаны) более двух корпусов 3, 3' могут быть соединены последовательно и/или параллельно, при этом последний корпус или последние корпусы 3, 3' последовательности предпочтительно соединен или соединены с конденсатором 11.

Для возможности регулировки температуры газа, который переносится, например, между двумя корпусами 3, 3', как показано на фиг. 7, выпуск 9 для газа первого корпуса 3 может быть снабжен изменяющим температуру элементом (не показан). Задачей этого изменяющего температуру элемента является оптимизация температуры газа, который поступает из первого корпуса 3 во второй корпус 3'. Благодаря этому является возможным, с одной стороны, предотвратить конденсацию газа до достижения им выпуска для газа второго корпуса 3' и, с другой стороны, предотвратить чрезмерно высокую температуру газа, поступающего из второго корпуса 3' внутрь конденсатора 11, что требовало бы проведения дополнительного количества охлаждающей среды по витой трубе 13.

Необходимо понимать, что в последовательном и/или параллельном соединении может быть использовано любое сочетание корпусов и лопаточных колес, например, таких, что изображены на оставшихся чертежах.

Фиг. 8 показывает устройство 1 согласно настоящему изобретению, которое снабжено лопатками 55, выполненными согласно альтернативному варианту осуществления. Лопатки 55, вместо вдвижения в пазы 54 барабана 53 и выдвижения из пазов 54 барабана 53, как показано на некоторых предшествующих чертежах, шарнирно соединены с барабаном 53. Свободные концы 57 лопаток 55 предназначены для перемещения к внутренней поверхности 31 корпуса 3, например, посредством смещающего элемента в форме пружины (не показана) или управляющего устройства, по существу, известного типа, упоминавшегося при описании фиг. 1 и 2.

В рассматриваемом варианте осуществления поверхность барабана 53 снабжена углублениями 56. Углубления 56 имеют такую форму, чтобы принимать и вмещать лопатки 55 так, что их эффективная площадь равна приблизительно нулю на находящейся выше по течению стороне впуска 7 для газа.

Проведенные вычисления показали, что устройство согласно настоящему изобретению по сравнению с уровнем техники имеет гораздо более высокий КПД использования энергии текучей среды в газовой фазе, поступающей в это устройство. Это обеспечивается за счет того, что непрерывно увеличивающийся объем камер создает результирующее усилие, действующее на каждую лопатку между впуском для газа и выпуском для газа и способствующее вращению лопаточного колеса, а также за счет того, что устройство снабжено одним или более барьером между впуском 7 для газа и выпуском 9 для газа, и этот барьер обеспечивает возможность оптимизации пониженного давления в конденсаторе и тянущих усилий, создаваемых этим пониженным давлением, при этом, в то же самое время, устройство может быть оптимизировано для расходования минимального количества энергии на охлаждение в конденсаторе.

Claims (22)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство (1) для преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу, содержащее по меньшей мере один корпус (3, 3'), снабженный по меньшей мере одним впуском (7, 7') и по меньшей мере одним выпуском (9, 9') для газа, при этом каждый корпус (3, 3') содержит лопаточное колесо (5), установленное с возможностью вращения в корпусе (3, 3') и имеющее вал (51), охваченный барабаном (53), по меньшей мере две лопатки (55), установленные подвижно на барабане (53) таким образом, что концы (57) лопаток (55) могут перемещаться к внутренней поверхности (31) корпуса (3, 3'), в результате чего барабан (53), внутренняя поверхность (31) корпуса (3, 3') и лопатки (55) образуют камеры (59) для вмещения газа, причем эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за выпуском (9, 9'), больше, чем эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за впуском (7, 7'), лопаточное колесо (5) образует барьер между впуском (7, 7') и выпуском (9, 9'), а выпуск (9, 9') по меньшей мере одного корпуса (3, 3') снабжен конденсатором (11) для конденсации газа, поступающего на выпуск (9, 9').
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эффективная площадь лопатки (55), расположенной по потоку сразу за впуском (7, 7'), равна или приблизительно равна нулю.

   - 6 020597
3. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что впуск (7, 7') снабжен направляющей решеткой для направления лопаток (55) таким образом, что эффективная площадь лопатки (55) постепенно увеличивается при прохождении через впуск (7, 7').
4. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпуск (9, 9') снабжен направляющей решеткой (17) для направления лопатки (55) таким образом, что эффективная площадь лопатки (55) постепенно уменьшается при прохождении через выпуск (9, 9').
5. 5. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что эффективная площадь лопаток (55) максимальна, когда лопатки (55) расположены по потоку сразу за выпуском (9, 9'), и минимальна, когда лопатки (55) расположены на участке между находящейся ниже по потоку стороной выпуска (9, 9') и впуском (7, 7').
6. 6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что эффективная площадь лопаток (55) увеличивается непрерывно от области, расположенной по потоку сразу за впуском (7, 7'), к области, расположенной по потоку сразу за выпуском (9, 9').
7. 7. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что эффективная площадь лопаток (55) увеличивается ступенчато от области, расположенной по потоку сразу за впуском (7, 7'), к области, расположенной по потоку сразу за выпуском (9, 9').
8. 8. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что лопатки (55) смещены к корпусу (3, 3') и направляющим решеткам (17).
9. 9. Устройство по одному из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что часть внутренней поверхности (31) корпуса (3) снабжена сливным приспособлением, которое сообщается с выпуском (9, 9') таким образом, что любая текучая среда, увлекаемая лопаткой (55) от выпуска (9, 9') к впуску (7, 7'), сливается обратно в выпуск (9, 9').
10. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено регулировочным приспособлением для регулировки скорости вращения лопаточного колеса (5), так что расход газа через устройство (1) может быть настроен в соответствии с рабочими характеристиками конденсатора (11).
11. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что скорость вращения регулируется посредством нагрузки, которая присоединена к валу (51) лопаточного колеса (5).
12. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено регулировочным приспособлением для настройки давления газа, подаваемого в устройство (1) через впуск (7, 7').
13. 13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором температуры для регулировки температуры газа, подаваемого в устройство (1).
14. 14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором для регулировки охлаждающей способности конденсатора (11).
15. 15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором для управления выходом из конденсатора (11) с целью регулировки уровня (12) жидкости в конденсаторе (11) и тем самым поддержания в нем вакуума.
16. 16. Способ преобразования части энергии текучей среды в газовой фазе в механическую работу, осуществляемый с использованием устройства по п.1, в котором обеспечивают подачу газа в устройство (I) через впуск (7, 7') для газа; обеспечивают, по существу, непроницаемый для текучей среды вращающийся барьер между впуском (7, 7') и выпуском (9, 9') для газа и регулируют, по меньшей мере, пониженное давление на выпуске (9, 9') устройства (1).
17. 17. Способ по п.16, отличающийся тем, что пониженное давление на выпуске (9, 9') устройства (1) регулируют посредством скорости вращения вращающегося барьера, чтобы тем самым отрегулировать расход газа через устройство (1) в соответствии с рабочими характеристиками конденсатора (11), предусмотренного для выпуска (9, 9').
18. 18. Способ по п.16 или 17, отличающийся тем, что дополнительно регулируют давление газа, подаваемого в устройство (1) через впуск (7, 7').
19. 19. Способ по п.17, отличающийся тем, что регулируют скорость вращения вращающегося барьера посредством нагрузки.
20. 20. Способ по одному из пп.16-18, отличающийся тем, что дополнительно регулируют температуру газа, подаваемого в устройство (1), таким образом, что температура газа, который поступает в конденсатор (11), близка к температуре конденсации, в результате чего в конденсаторе (11) на теплообмен расходуется минимально возможное количество энергии.
21. 21. Способ по одному из пп.16-20, отличающийся тем, что дополнительно регулируют охлаждающую способность конденсатора (11).
22. 22. Способ по п.16, отличающийся тем, что дополнительно управляют выходом из конденсатора (II) для регулировки уровня (12) жидкости в конденсаторе (11) с целью поддержания в нем вакуума.