PL180015B1

PL180015B1 - Sposób i urzadzenie do wytwarzania energii, zwlaszcza elektrycznej PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL180015B1
Application number: PL96323857A
Authority: PL
Inventors: Shawn P Lawlor
Original assignee: Shawn P Lawlor
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 2000-11-30
Also published as: AU6104796A; AU696828B2; EP0830500A4; PL323857A1; EP0830500A1; CA2255904A1; CA2255904C; CN1319718A; RU2199019C2; US5709076A; WO1996041073A1

Abstract

1. Sposób wytwarzania energii zw laszcza elektrycznej z wyko- rzystaniem sily gazów spalinowych w urzadzeniu stanowiacym czesc zespolu energetycznego, znam ienny tym , ze doprow adza sie strum ien (122) pow ietrza w lotow ego do m odulów (118) silnika strum ieniow ego, a ponadto m inim um do jednego modulu (118) sil- nika strumieniowego doprowadza sie paliwo dla uzyskania gazów spalinowych (210) dla uzyskania predkosci obwodowej okolo 300 m/s obrotów wirnika (110) celem obrotu walu zdawczego (108), z którego odbiera sie energie mechaniczna, przy czym paliwo wtry- skuje sie do strum ienia (122) pow ietrza wlotowego miedzy zewne- trznym i wewnetrznym korpusem (104) urzadzenia w miejscu poprzedzajacym modul (118) silnika strumieniowego, w którym mieszanka paliwa z powietrzem wchodzac do kazdego modulu sil- nika strumieniowego jest sprezana wewnatrz nieruchomej sciany obwodowej (106) i gdzie sprzega sie wal zdawczy (108) zw alem (402) generatora elektrycznego (404) i wytw arza sie energie ele- ktryczna, zas celem uzyskania energii cieplnej z gazów spalino- wych (210) stosuje sie pomocniczy czynnik roboczy. 12. Urzadzenie do wytwarzania energii zw laszcza elektrycznej, wykorzystujace do dzialania sily gazów spalinowych, stanowiace czesc zespolu energetycznego, znam ienne tym , ze jest wyposazo- ne w komore strumienia (122) powietrza wlotowego, w wirnik (110) o osi obrotu (CL), obracajacy sie dookola tej osi obrotu (C L), nieruchoma, cylindryczna sciane obw odow a (106), usytuowana promieniowo na zewnatrz obwodu wirnika (110), w modul (118), wzglednie moduly (118) silnika strum ieniowego, rozmieszczone na obwodzie wirnika (110), zaopatrzone w komore sprezania (120), przy czym powierzchnia wewnetrzna (105), wspólpracujacej z modulami (118) silnika strumieniowego, czesci sciany obwodowej (106) je s t usytuowana w bezposredniej bliskosci m odulów .............. FIG 2 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej i urządzenie do wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej, którego zasadą działania jest wykorzystanie siły odrzutu gazów spalinowych, stanowiącego część zespołu energetycznego, wytwarzającego zwłaszcza energię elektryczną.

Znane sposoby i urządzenia podobnego typu, wykazująsprawność większą od sprawności użytkowanych obecnie innych sposobów i urządzeń energetycznych.

Istnieje stałe zapotrzebowanie na proste, wydajne i tanie sposoby i urządzenia energetyczne, wytwarzające energię elektryczną oraz ewentualnie mechaniczną.

Znane są obecnie sposoby i urządzenia energetyczne średniej mocy do wytwarzania energii elektrycznej ewentualnie mechanicznej otrzymywanej zwykle urządzeniem w postaci turbiny, która stanowi zasadnicze usprawnienie w stosunku do starszych rozwiązań. Tego typu sposoby i urządzenia energetyczne średniej mocy 10 MW do 100 MW są wykorzystywane przemysłowo w lokomotywach kolejowych, w siatkach, w samolotach i w stacjonarnych zespołach energetycznych. Sposoby i urządzenia energetyczne średniej mocy stosuje się w przemyśle i w gospodarce komunalnej do równoczesnego produkowania-wytwarzania energii cieplnej i energii elektrycznej.

Znane sąsposoby i urządzenia energetyczne produkujące - wytwarzające równocześnie różne rodzaje energii. Urządzenia te są wyposażone: a) w turbiny gazowe napędzane gazem naturalnym, olejem napędowym, względnie innymi paliwami, z równoczesnym wykorzystaniem energii cieplnej i kinetycznej gazów spalinowych; b) w turbiny parowe napędzane parą wytwarzaną w kotłach opalanych węglem, gazem naturalnym, odpadami stałymi względnie innymi paliwami; c) w silniki o ruchu posuwisto - zwrotnym, zwłaszcza w silniki wysokoprężne napędzane olejem napędowym.

Ze znanych i stosowanych sposobów i urządzeń energetycznych najwyższą sprawność wykazują silniki wysokoprężne i nowoczesne turbiny. Ich sprawność, mierzona stosunkiem pracy neno na waie zdawczym do wartości energetycznej paliwa, wynosi 25% do 40%. Niestety

180 015 w silnikach wysokoprężnych o mocy powyżej 1 MW wymiary tłoków i innych ruchowych elementów są zbyt duże i dlatego silniki takie nie znalazły szerszego zastosowania.

Znane turbiny gazowe sąpewniejsze w działaniu od silników wysokoprężnych i dlatego są stosowane w urządzeniach energetycznych większej mocy. Ponieważ sprawność turbin gazowych podczas wytwarzania tylko energii elektrycznej jest ograniczona, to turbiny gazowe są wykorzystywane bardziej efektywnie w zespołach energetycznych wytwarzających równocześnie energię elektryczna i cieplną. Wówczas sprawność samej turbiny gazowej jest podwyższona wzrostem ogólnej sprawności całego zespołu energetycznego.

Znane turbiny parowe wykorzystujące energię chemicznąpaliw kopalnych, wytwarzające energię elektryczną, mająrównież dość niską sprawność rzędu 30% do 40%. Zespoły energetyczne, w których są zastosowane takie turbiny parowe, są wykorzystywane w urządzeniach komunalnych i przemysłowych, zwłaszcza do wytwarzania energii elektrycznej. Jest to spowodowane wysoką pewnością działania turbin. Jednakże, podobnie jak w zespołach energetycznych z turbinami gazowymi, zespoły energetyczne z turbinami parowymi są stosowane korzystniej w przypadku równoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej, gdyż wówczas większa jest sprawność ogólna zespołu energetycznego.

Ze względu na ograniczoną sprawność zamiany energii chemicznej paliwa na energię elektryczną, najszerzej stosowane są zespoły energetyczne z turbinami gazowymi i turbinami parowymi, współpracujące z ogólnym przemysłowym systemem energetycznym, przy równoczesnym wytwarzaniu różnych rodzajów energii. Osiąga się wówczas stosunkowo niskie koszty wytwarzania energii elektrycznej. Zawsze jednak pożądane jest zmniejszenie kosztów wytwarzania energii elektrycznej przez powiększanie ogólnej sprawności urządzenia energetycznego.

Celem wynalazku jest opracowanie takiego sposobu i urządzenia do wytwarzania energii elektrycznej, które eliminują niedogodność znanych dotychczas sposobów i urządzeń, zwłaszcza sposobów i urządzeń o powiększonej względem znanych sposobów i urządzeń energetycznych sprawności.

Cel ten zrealizowano przez opracowanie sposobu i konstrukcji urządzenia energetycznego.

Sposób wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej z wykorzystaniem siły gazów spalinowych w urządzeniu stanowiącym część zespołu energetycznego, charakteryzuje się tym, że doprowadza się strumień powietrza wlotowego do modułów silnika strumieniowego, a ponadto minimum do jednego modułu silnika strumieniowego doprowadza się paliwo dla uzyskania gazów spalinowych dla uzyskania prędkości obwodowej około 300 m/s obrotów wirnika celem obrotu wału zdawczego, z którego odbiera się energię mechaniczną, przy czym paliwo wtryskuje się do strumienia powietrza wlotowego między zewnętrznym i wewnętrznym korpusem urządzenia w miejscu poprzedzającym moduł silnika strumieniowego, w którym mieszanka paliwa z powietrzem wchodząc do każdego modułu silnika strumieniowego jest sprężana wewnątrz nieruchomej ściany obwodowej i gdzie sprzęga się wał zdawczy z wałem generatora elektrycznego i wytwarza się energię elektryczną, zaś celem uzyskania energii cieplnej z gazów spalinowych stosuje się pomocniczy czynnik roboczy.

Korzystnym jest, gdy modułowi silnika strumieniowego nadaje się prędkość obwodowąco najmniej 1020 m/s.

Korzystnym jest, gdy modułowi silnika strumieniowego nadaje się prędkość obwodową od 1020 m/s do 2060 m/s.

Korzystnym jest, gdy modułowi silnika strumieniowego nadaje się prędkość obwodową około 1190 m/s.

Korzystnym jest, gdy jako pomocniczy czynnik roboczy stosuje się wodę.

Korzystnym jest, gdy wodę ogrzewa się gazami spalinowymi w wymienniku ciepła, w którym wytwarza się parę wodną.

Korzystnym jest, gdy parę wodną kieruje się do turbiny parowej, za pomocąktórej wytwarza się energię mechaniczną.

180 015

Korzystnym jest, gdy energią mechaniczną zasila się generator elektryczny i wytwarza się energię elektryczną.

Korzystnym jest, gdy reguluje się warstwę przyścienną podczas obrotu wirnika z prędkością obwodową ponad 340 m/s.

Korzystnym jest, gdy warstwę przyścienną reguluje się strumieniem powietrza stycznie do obwodu wirnika.

Korzystnym jest, gdy utlenianie paliwa przeprowadza się w czasie nie dłuższym niż 0,24 mikrosekundy.

Urządzenie do wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej, wykorzystujące do działania siły gazów spalinowych, stanowiące część zespołu energetycznego, według wynalazku charakteryzuj e się tym, że j est wyposażone w komorę strumienia powietrza wlotowego, w wirnik o osi obrotu, obracający się dookoła tej osi obrotu, nieruchomą cylindryczną ścianę obwodową usytuowaną promieniowo na zewnątrz obwodu wirnika, w moduł, względnie moduły silnika strumieniowego, rozmieszczone na obwodzie wirnika, zaopatrzone w komorę sprężania, przy czym powierzchnia wewnętrzna, współpracującej z modułami silnika strumieniowego, części ściany obwodowej jest usytuowana w bezpośredniej bliskości modułów silnika strumieniowego, stanowiąc zewnętrzną ścianę jego komory sprężania, i w kanał wylotowy gazów spalinowych, stanowiący przedłużenie komory strumienia powietrza wlotowego i przylegający do ściany obwodowej.

Korzystnym jest, gdy obwodowy kanał zbiorczy gazów spalinowych jest zaopatrzony w separator ostrzowy, oddzielający wymieszane z częścią powietrza zimnego gazy spalinowe wypływające z modułu, silnika strumieniowego, od pozostałej, znaczącej części powietrza zimnego.

Korzystnym jest, gdy kanał upustowy powietrza jest usytuowany w ścianie obwodowej tworząc wylot części powietrza sprężonego w komorze sprężania modułu silnika strumieniowego.

Również korzystnie jest, gdy każdy moduł silnika strumieniowego jest wyposażony w komorę sprężania, której zewnętrzną powierzchnię stanowi część powierzchni wewnętrznej ściany obwodowej.

W korzystnym rozwiązaniu według wynalazku moduł silnika strumieniowego jest wyposażony w dyszę wylotową gazów spalinowych, której zewnętrzna powierzchnia stanowi część powierzchni wewnętrznej ściany obwodowej.

Korzystnym jest, gdy komora spalania modułu silnika strumieniowego jest wykonana z węglika krzemu.

Również korzystnie jest wykonać komorę spalania modułu silnika strumieniowego jako wymienny odlewany element monolityczny z węglika krzemu.

W korzystnym rozwiązaniu zawór zasuwowy jest usytuowany przynajmniej na części obwodu ściany obwodowej, w jej rejonie, w którym następuje sprężanie strumienia powietrza wlotowego przez komorę sprężania modułu silnika strumieniowego.

W rozwiązaniu energetycznym według wynalazku jako pierwotny zespół napędowy zastosowano moduł silnika strumieniowego. Dzięki takiemu rozwiązaniu urządzenie jest proste, zwarte, stosunkowo tanie, łatwe do montażu i obsługi eksploatacyjnej i przewyższa swymi zaletami znane urządzenia energetyczne.

Urządzenie według wynalazku jest wyposażone w wirnik o małym oporze aerodynamicznym. Wimik ma postać tarczy, wykonanej z materiałów kompozytowych o wysokiej wytrzymałości. Może pracować z prędkością obwodową która spowodowałaby zbyt duże naprężenia rozciągające i ściskające w elementach o podobnym kształcie i wykonanych ze stosowanych zwykle materiałów na przykład ze stali lub ze stopów tytanu.

Konstrukcja urządzenia energetycznego według wynalazku rozwiązuje dwa ważne problemy. Po pierwsze urządzenie energetyczne według wynalazku pracuje w warunkach prędkości naddźwiękowych, a jego rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia znaczne zmniejszenie oporu aerodynamicznego wirnika. Wynikiem tego jest zmniejszenie zużycia paliwa i powiększenie sprawności urządzenia. Po drugie zastosowanie odpowiednich materiałów konstrukcyjnych za

180 015 pewnia wystarczającą wytrzymałość wirnika na rozciąganie i ściskanie, uniemożliwiające jego uszkodzenie pod działaniem sił odśrodkowych i dośrodkowych.

Na obwodzie wirnika są do niego przymocowane i poruszają się wraz z nim wewnętrzne części modułów silnika strumieniowego. Funkcję zewnętrznych części modułów silnika strumieniowego pełni nieruchoma cylindryczna ściana obwodowa. Wewnętrznie części modułów silnika strumieniowego są tak usytuowane, że podczas obrotu wirnika ich komory sprężania powodują sprężanie powietrza przepływowego między obwodem wirnika i nieruchomą cylindryczną ścianą obwodową. W rozwiązaniu według wynalazku laminamy strumień powietrza napotyka na silnik strumieniowy przemieszczający się prostopadle do kierunku przepływu strumienia powietrza.

Paliwo jest wtryskiwane do powietrza, które jest już sprężone przez komorę sprężania modułu silnika strumieniowego.

Paliwo jest doprowadzane w zwykły sposób przez kanały paliwowe łączące źródło paliwa z korpusem wewnętrznym urządzenia. Wtryskiwacze umożliwiąjąmieszanie się paliwa z powietrzem tuż przed komorą spalania modułu silnika strumieniowego. Gazy spalinowe powstające wskutek utleniania paliwa wydostają się w kierunku do tyłu z dyszy modułu silnika strumieniowego, wytwarzając siłę ciągu styczną do obwodu wirnika i obracającą wirnik i wał zdawczy. Energia obracającego się wału może zostać wykorzystana bezpośrednio jako energia mechaniczna lub może zostać wykorzystana do napędu generatora elektrycznego.

Konstrukcja wirnika i modułu silnika strumieniowego umożliwia pracę urządzenia według wynalazku z prędkością naddźwiękową, znacznie większą od prędkości z jaką pracują znane urządzenia energetyczne. Ruch modułów silnika strumieniowego odbywa się z prędkościąponad 340 m/s, korzystnie z prędkościąponad 680 m/s. Celem uzyskania dużej sprawności urządzenia ruch modułów silnika strumieniowego odbywa się z prędkością od około 680 m/s do około 1430 m/s. Korzystnie ruch silnika strumieniowego powinien odbywać się z prędkościąprzynajmniej 1020 m/s do 1430 m/s, a najkorzystniej 1090 m/s.

Gazy spalinowe z modułów silnika strumieniowego sąoddzielone od strumienia powietrza zimnego. W urządzeniu według wynalazku, wytwarzającym różne rodzaje energii, przewód gazów spalinowych prowadzi strumień tych gazów do wymiennika ciepła, gdzie są one chłodzone innym czynnikiem, na przykład wodą, co umożliwia wytwarzanie wody gorącej lub pary. Czynnik ten może zostać wykorzystany do wytwarzania energii mechanicznej, na przykład napędzając turbinę parową.

Ostatecznie gazy spalinowe są wydalane do atmosfery. Urządzenie według wynalazku umożliwia zminimalizowanie ilości wytwarzanych tlenów azotu i obniżenie ich ilości do poziomu nie osiąganego w znanych energetycznych urządzeniach przemysłowych.

Urządzenie energetyczne według wynalazku poza tym wykazuje następujące zalety.

Jest ono wyposażone w minimalną ilość części mechanicznych, zajmuje mniej miejsca niż znane urządzenia energetyczne, jest łatwe w wykonawstwie, w uruchamianiu i w eksploatacji, ma wysoką sprawność cieplną wytwarza tańszą energię, częściej spala paliwa kopalne, w mniej szym stopniu zanieczyszcza atmosferę, jest wyposażone w wirnik wytrzymujący naprężenia powstające w wyniku jego obrotu z bardzo dużąprędkością umożliwia zminimalizowanie oporów aerodynamicznych.

Ponadto ważnącechą wynalazku jest zastosowanie wirnika wykonanego z bardzo wytrzymałego materiału.

Wynalazek jest przykładowo wyjaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie według wynalazku z wirnikiem osadzonym na wale zdawczym, przy czym wirnik jest wyposażony w piastę, tarczę stożkową i moduł silnika strumieniowego, oraz z przewodem wylotowym gazów spalinowych i z komorą wylotowąpowietrza zimnego, w widoku perspektywicznym i w częściowym przekroju, fig. 2 - urządzenie według fig. 1 w widoku z góry i w częściowym przekroju, fig. 3 - fragment wirnika uwidaczniający usytuowanie modułu silnika strumieniowego, piastę wirnika i część wału zdawczego w widoku perspektywicznym i w przekroju, fig. 4 - układ doprowadzania strumienia powietrza, umożliwiający zmniejszenie oporu

180 015 warstwy przyściennej, w przekroju, fig. 5 - fragment układu doprowadzania strumienia powietrza, umożliwiającego równoczesne chłodzenie wirnika i zmniejszanie oporu warstwy przyściennej, fig. 6 - wirnik, mający postać niekołowej tarczy, z modułem silnika strumieniowego, ze ścianą obwodową tworzącą zewnętrzną część komory spalania, w przekroju i w widoku z boku, fig. 7 - wirnik z dwoma modułami silnika strumieniowego i z wieńcem chłodzonym, w widoku z boku, fig. 8 - chłodzony moduł silnika strumieniowego w widoku perspektywicznym, fig. 9 moduł silnika strumieniowego według fig. 8, w widoku z góry, fig. 10 - chłodzony wieniec wirnika, w widoku perspektywicznym, fig. 11 - zespół uruchamiania zaworu zasuwowego w położeniu zamkniętym, w widoku i w częściowym przekroju, fig. 12 - zawór zasuwowy według fig. 11, w położeniu otwartym, w przekroju, fig. 13 - zespół energetyczny z zastosowaniem urządzenia według wynalazku, współpracującego ze znanym generatorem elektrycznym i ze znaną turbiną parową, w widoku, z boku, a fig. 14 - zespół energetyczny według fig. 13 w widoku z góry.

Sposób wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej z wykorzystaniem siły odrzutu gazów spalinowych w urządzeniu stanowiącym część zespołu energetycznego 100 przebiega następująco i wynika z fig. 2.

Doprowadza się strumień 122 powietrza wlotowego do modułów 118 silnika strumieniowego, gdzie następujące utlenienie paliwa dostarczanego do niego i tworzy się strumień gazów spalinowych 210. Moduły 118 silnika strumieniowego wykorzystują tlen ze strumienia 182 powietrza wlotowego. Strumień 182 powietrza wlotowego dostarcza się do modułu 118 silnika strumieniowego za pomocą szybkoobrotowego wentylatora F napędzanego silnikiem M. Strumień 182 powietrza wlotowego czyści się w filtrze AF. Nie wykorzystana w module 118 silnika strumieniowego część strumienia 182 powietrza wlotowego stanowi strumień powietrza zimnego opuszczającego urządzenie przez komorę 350 powietrza zimnego A. Moduły 118 silnika strumieniowego są umieszczone na zewnętrznym obwodzie wirnika 110, a wytworzony przez nie ciąg wykorzystuje się do nadania obrotu zespołowi 102 wirnika względem ściany obwodowej 106.

Zespół 102 wirnika (fig. 2, fig. 4) jest umieszczony w nieruchomym korpusie wewnętrznym 104 i obraca się go z bardzo dużą prędkością obrotową, wynoszącą na przykład 10.000 do 20.000 obrotów na minutę względnie jeszcze więcej. Z tego powodu łożyska 220,222,224,226 na wlocie urządzenia i łożyska 230,232,234,236 na wylocie urządzenia muszą zapewnić skuteczne osadzenie obrotowe zespołu 102 wirnika ze względu na bardzo duże jego obroty i na dużą siłę ciągu. Łożyskowanie i smarowanie zespołu 102 wirnika wykonuje się w znany sposób i nie będą dalej omawiane.

Powierzchnia wlotowa 300 korpusu wewnętrznego 104 zapewnia laminamy przepływ strumienia 182 powietrza wlotowego podczas jego zbliżania się do modułów 181 silnika strumieniowego. Powierzchnia wylotowa 302 korpusu wewnętrznego 104 zapewnia laminamy przepływ strumienia 182 powietrza wlotowego podczas j ego zbliżania się do modułów 118 silnika strumieniowego. Powierzchnia wylotowa 302 korpusu wewnętrznego 104 zapewnia laminarny przepływ powietrza wylotowego. Po stronie wlotu osłona 310 wirnika jest zaopatrzona w powierzchnię boczną 312, a po stronie wylotu osłona 314 wirnika jest zaopatrzona w powierzchnię boczną 316. Powierzchnie boczne 240 wirnika 110 wirują bardzo blisko powierzchni bocznych 312 i316 osłon.

Strumień 250 powietrza regulującego warstwę przyścienną doprowadza się przez otwory 252 w części zewnętrznej 254 powierzchni bocznej 312 osłony 310 i w części zewnętrznej 256 powierzchni bocznej 316 osłony 310. Strumień 250powietrza uderza o powierzchnie boczną240 wirnika i płynie na zewnątrz, chłodząc segmenty 116 wieńca wirnika i moduły 118 silnika strumieniowego.

Figura 13 i figura 14 przedstawiająrównież sposób wykorzystania gazów spalinowych 210 z modułów 118 silnika strumieniowego w układzie wytwarzania różnych rodzajów energii. Gazy spalinowe gromadzi się zwykle w przewodzie 430 połączonym z komorą350 powietrza zimnego. Gazy spalinowe 210 kieruje się na zewnątrz w kierunku ściany bocznej 432 osłony dzięki obrotowi modułów 118 silnika strumieniowego i kierunkowi wektora siły ciągu, oraz gromadzi się je w przewodzie 430 gazów spalinowych bez ich chłodzenia. Gazy spalinowe przesyła się przez przewód 430 do wymiennika ciepła 440, przez który przepływa czynnik chłodzący, na przykład woda. Wodę można ogrzewać aż do stanu pary o wysokim ciśnieniu i można następnie j ązastosować do napędzania turbiny parowej wykonującej pracę mechaniczną lub napędzającej generator elektryczny, względnie może być wykorzystana jako czynnik energetyki cieplnej. Powoduje się przepływ gorących gazów spalinowych 210 z modułów 118 silnika strumieniowego przez wymiennik ciepła 440 ogrzewając czynnik chłodzący 442. Może być korzystne użycie wymiennika ciepła 440 jako parownika, w którym czynnik chłodzący zmienia swój stan i zmienia się w parę. W tym przypadku strumień czynnika chłodzącego ma postać pary nadającej się do ogrzewania, lub dla wykorzystania mechanicznego jako czynnik napędzający turbinę parową 410 wykonującąpracę mechaniczną a następnie płynącej do skraplacza 452 i z powrotem przez przewód R do wymiennika ciepła za pomocą pompy 454. Wał 460 turbiny parowej 410 napędza wówczas generator elektryczny 404 przez przekładnię 462.

Na fig. 1 przedstawione jest urządzenie energetyczne 100 według wynalazku. Zespół 102 wirnika obraca się dookoła osi obrotu CL bardzo blisko nieruchomego korpusu wewnętrznego 104 i powierzchni wewnętrznej 105 cylindrycznej, nieruchomej ściany obwodowej 106. Zespół 102 wirnika jest wyposażony w wał zdawczy 108, na którym wirnik 110 jest osadzony swąpiastą 112.

Wirnik 110 (fig. 6 i fig. 7) składa się z piasty 112, tarczy stożkowej, segmentów 116 wieńca i modułu 118 silnika strumieniowego. Odciążone, względnie częściowo odciążone, moduły 118 silnika strumieniowego współpracują z powierzchnią wewnętrzną 105 ściany obwodowej 106, powodując sprężanie strumienia 122 powietrza wlotowego. Jest to widoczne zwłaszcza na fig. 6 i fig. 8, uwidaczniających wlot do modułów 118 silnika strumieniowego zaopatrzony w pochyłość wlotową 120, powodującą sprężanie strumienia 122 powietrza wlotowego.

Dwie ścianki boczne 130 modułu 118 silnika strumieniowego, zaopatrzone sąw powierzchnię nachyloną 132, ograniczającąz boków komorę sprężania. W dalszej swej części zewnętrznej 134 moduł 118 silnika strumieniowego jest zaopatrzony w ścianki boczne 136 i 138, przy czym tylne części 140 i 142 ścianek bocznych współpracują z powierzchnią wewnętrzną 105 ściany obwodowej 106 i z powierzchnią wewnętrzną 144 zaworu zasuwowego 146 jako powierzchnią zewnętrzną komory sprężania modułu 118 silnika strumieniowego.

Konstrukcja i materiał wirnika 110 muszą być wystarczające dla sprostania siłom odśrodkowym wynikającym z bardzo dużej prędkości obrotowej wirnika. Wirnik 110 w rozwiązaniu według wynalazku obraca się z prędkością 10.000 do 20.000 obrotów na minutę. Najnowsze materiały konstrukcyjne mają wytrzymałość wystarczającą do sprostania powstającym wówczas siłom odśrodkowym. Współczynnik bezpieczeństwa takich materiałów może zostać jeszcze powiększony przez sprężenie wstępne, na przykład kompozytowych materiałów z włóknem węglowym. Celem zmniejszenia siły odśrodkowej wirnik jest wykonany z wysokowytrzymałego ale lekkiego materiału i ma odpowiedni kształt. W miarę powiększania się promienia wirnik jest coraz cieńszy. Zmniejszenie wielkości obracającej się masy wirnika powoduje również zmniejszenie się naprężeń w jego środkowej części.

Na fig. 13 i fig. 14 przedstawiony jest zespół energetyczny, w którym zastosowane jest urządzenie energetyczne według wynalazku. Strumień 182 powietrza wlotowego dopływa przez ścianę W pomieszczenia i wentylator F, a paliwo spala się w module 118 silnika strumieniowego, wytwarzając siłę ciągu poruszającą wał zdawczy 108. Wał zdawczy 108 przenosi w znany sposób moment obrotowy do przekładni 400, która zmniejsza obroty wału zdawczego 108 do poziomu odpowiedniego dla dalszych urządzeń. Na fig. 13 i fig. 14 przedstawiona jest przekładnia 400 połączona za pomocą wału 402 z generatorem elektrycznym 404, przekazującym prąd do sieci lub do innego obciążenia elektrycznego. Wał 402 może zostać użyty bezpośrednio do wytworzenia energii mechanicznej.

Kolejna przekładnia 462 łączy turbinę parową410 z generatorem elektrycznym 404 za pomocą wału 406. Fig. 11 i fig. 12 uwidaczniają ścianę obwodową 106, stanowiącą powierzchnię zewnętrzną modułu 118 silnika strumieniowego, dla stanu startowego urządzenia, w którym przepływ powietrza musi być albo przyśpieszony do liczby 340 m/s większej od eksploatacyjnej, a następnie zmniejszony do eksploatacyjnej, albo musi być chwilowo powiększony do momentu przejścia urządzenia przez warunki stanu startowego.

W rozwiązaniu według wynalazku zmienna geometria kanału powietrza umożliwia zmniejszenie przepływu powietrza przez moduł 118 silnika strumieniowego umożliwiając osiągnięcie stanu startowego przy niższej liczbie Macha. Szczegóły mogąbyć określone w znany sposób, należy jednak podkreślić, że muszą one być bazowane na założeniach uwzględniających wielkość modułu silnika strumieniowego, charakterystykę strumienia powietrza i rodzaj paliwa. Również dane dotyczące osiągów eksploatacyjnych muszą być określone w zależności od wyników prób lub danych teoretycznych i technicznych wlotu, sprężania, komory spalania i dyszy wylotowej.

Nafig. 11 i fig. 12 uwidocznione są różne położenia zaworu zasuwowego 146 usytuowanego na ścianie obwodowej 106. Dla uzyskania stanu startowego otwiera się zawory zasuwowe 146 w kierunku 602 (fig. 12) tworząc szczelinę 603, przez którą część powietrza wlotowego, sprężonego na powierzchni wewnętrznej 105 ściany obwodowej 106, może przepłynąć na zewnątrz w kierunku 604 i 606. Odciążony moduł 118 silnika strumieniowego umożliwia odpływ powietrza obejściowego w tym kierunku. Po przejściu modułów 118 silnika strumieniowego przez warunki stanu startowego zawory zasuwowe 146 zamyka się za pomocą siłowników hydraulicznych 610 (fig. 11). Siłownik hydrauliczny 610 jest wyposażony w trzon 612 i jest przymocowany do wspornika 614. Może być w tym celu zastosowane również inne urządzenie uruchamiające, mechaniczne względnie elektryczne.

Ponieważ ciąg silnika strumieniowego określa moc urządzenia energetycznego, to jest on ważnym czynnikiem dla określenia mocy całego zespołu energetycznego. Wielkość ciągu silnika strumieniowego i moc całego zespołu energetycznego wzrasta proporcjonalnie do ilości powietrza i ilości paliwa spalanego w modułach silnika strumieniowego. Podwajając powierzchnię wlotu powietrza i ilość paliwa uzyskuje się podwojenie ciągu i mocy zespołu energetycznego.

Temperatura spalania jest ważnym czynnikiem i zmienia się w zależności od zasilania modułów silnika strumieniowego. Musi być ona zgodna z warunkami zasilania i materiałem komory spalania. Celem zapewnienia odpowiedniej równowagi termicznej zastosowano komorę spalania z lanego węglika krzemu (fig. 8 i fig. 9). Taka komora spalania ma wysoką wytrzymałość cieplną, wyższą od wykonanej z izostatycznie prasowanego tlenku glinu, azotku krzemu, stopu berylowego, względnie węglika krzemu. Najkorzystniej komora spalania modułu 118 silnika strumieniowego jest wykonana jako monolityczny odlew z węglika krzemu.

Nawet w przypadku stwierdzenia wysokiej temperatury spalania, konstrukcja według wynalazku umożliwia zmniejszenie ilości wydalanego tlenku azotu w stosunku do znanych urządzeń energetycznych. Jest to spowodowane krótkim czasem przebywania paliwa w komorze spalania, podczas trwania wysokiej temperatury spalania, oraz bardzo dobrym wymieszaniem paliwa z powietrzem. Czas przepływu paliwa przez moduł silnika strumieniowego jest określony różnymi warunkami eksploatacyjnymi, ale jak to sprawdzono uzyskuje się czas przepływu paliwa wynoszący 0,24 mikrosekund, nawet przy stosunkowo małej wielkości przepływu. Wtryskiwane paliwo jest dokładnie wymieszane z powietrzem na czole fali zapłonu i dobrze wymieszana mieszanka palna wpływa do komory spalania modułu 118 silnika strumieniowego. Technika ta umożliwia osiągnięcie niskiej emisji tlenków azotu. Emisja dwutlenku azotu jest ograniczona dzięki ograniczeniu wielkości niezrównoważonych aerodynamicznie rejonów komory spalania. Emisja NOx jest mniejsza od 5 ppm, względnie El jest mniejsze od 0,5 gramów dwutlenku azotu na kilogram paliwa.

Omówiony powyżej sposób wytwarzania energii mechanicznej, elektrycznej i cieplnej umożliwia skonstruowanie zespołu energetycznego, nowoczesnego, zwartego, łatwego w wykonawstwie i taniego. Moc takiego zespołu energetycznego może być dostosowana do istniejącego układu dostarczania energii, a równocześnie zapewnia zmniejszenie emisji zanieczyszczeń dzięki czystszemu spalaniu paliwa. Ze względu na wysoką sprawność zużycia się znacznie mniej paliwa na jednostkę produkowanej energii elektrycznej, mechanicznej, względnie cieplnej, niż w znanvch urządzeniach energetycznych.

180 015

Należy zaznaczyć, że omówione osiągi urządzenia energetycznego według wynalazku zostały rzeczywiście uzyskane. Wynalazek został przedstawiony tylko przykładowo, a jako chronione należy uważać również wszelkie odmiany i modyfikacje rozwiązania, mieszczące się w ramach idei wynalazku i zastrzeżeń patentowych. Na przykład zamiast zastosowanej tarczy stożkowej wirnika możliwy jest wirnik o innym kształcie, może to być na przykład tarcza potrójna, względnie poczwórna. Wirnik nie musi być symetryczny, może mieć zmienny promień, a moduły 118 silnika strumieniowego mogą być umieszczone w różnych odległościach od osi obrotu wirnika.

180 015

CO

180 015

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 70 egz.

Cena 4,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej z wykorzystaniem siły gazów spalinowych w urządzeniu stanowiącym część zespołu energetycznego, znamienny tym, że doprowadza się strumień (122) powietrza wlotowego do modułów (118) silnika strumieniowego, a ponadto minimum do jednego modułu (118) silnika strumieniowego doprowadza się paliwo dla uzyskania gazów spalinowych (210) dla uzyskania prędkości obwodowej około 300 m/s obrotów wirnika (110) celem obrotu wału zdawczego (108), z którego odbiera się energię mechaniczną przy czym paliwo wtryskuje się do strumienia (122) powietrza wlotowego między zewnętrznym i wewnętrznym korpusem (104) urządzenia w miejscu poprzedzającym moduł (118) silnika strumieniowego, w którym mieszanka paliwa z powietrzem wchodząc do każdego modułu silnika strumieniowego jest sprężana wewnątrz nieruchomej ściany obwodowej (106) i gdzie sprzęga się wał zdawczy (108) z wałem (402) generatora elektrycznego (404) i wytwarza się energię elektryczną zaś celem uzyskania energii cieplnej z gazów spalinowych (210) stosuje się pomocniczy czynnik roboczy.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że modułowi (118) silnika strumieniowego nadaje się prędkość obwodową co najmniej 1020 m/s.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że modułowi (118) silnika strumieniowego nadaje się prędkość obwodową od 1020 m/s do 2060 m/s.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że modułowi (118) silnika strumieniowego nadaje się prędkość obwodową około 1190 m/s.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako pomocniczy czynnik roboczy stosuje się wodę.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wodę ogrzewa się gazami spalinowymi (210) w wymienniku ciepła (410), w którym wytwarza się parę wodną.
7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że parę wodną kieruje się do turbiny parowej (410), za pomocą której wytwarza się energię mechaniczną.
8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że energią mechaniczną zasila się generator elektryczny (404) i wytwarza się energię elektryczną.
9. Sposób według zastrz. 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że reguluje się warstwę przyścienną podczas obrotu wirnika (110) z prędkością obwodową ponad 340 m/s.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że warstwę przyścienną reguluje się strumieniem (250) powietrza stycznie do obwodu wirnika (110).
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że utlenianie paliwa przeprowadza się w czasie nie dłuższym niż 0,24 miokrosekundy.
12. Urządzenie do wytwarzania energii zwłaszcza elektrycznej, wykorzystujące do działania siły gazów spalinowych, stanowiące część zespołu energetycznego, znamienne tym, że jest wyposażone w komorę strumienia (122) powietrza wlotowego, w wirnik (110) o osi obrotu (CL), obracający się dookoła tej osi obrotu (CL), nieruchomą cylindryczną ścianę obwodową (106), usytuowaną promieniowo na zewnątrz obwodu wirnika (110), w moduł (118), względnie moduły (118) silnika strumieniowego, rozmieszczone na obwodzie wirnika (110), zaopatrzone w komorę sprężania (120), przy czym powierzchnia wewnętrzna (105), współpracującej z modułami (118) silnika strumieniowego, części ściany obwodowej (106) jest usytuowana w bezpośredniej bliskości modułów (118) silnika strumieniowego, stanowiąc zewnętrzną ścianę jego komory sprężania (120), i w kanał wylotowy gazów spalinowych (210), stanowiący przedłużenie komory strumienia (122) powietrza wlotowego i przylegający do ściany obwodowej (106).

180 015
13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że obwodowy kanał zbiorczy gazów spalinowych (210) jest zaopatrzony w separator ostrzowy, oddzielający wymieszane z częścią powietrza zimnego gazy spalinowe (210) wypływające z modułu (118), silnika strumieniowego, od pozostałej, znaczącej części powietrza zimnego.
14. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że kanał upustowy (603) powietrza jest usytuowany w ścianie obwodowej (106) tworząc wylot części powietrza sprężonego w komorze sprężania (120) modułu (118) silnika strumieniowego.
15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że każdy moduł (118) silnika strumieniowego jest wyposażony w komorę sprężania (120), której zewnętrzną powierzchnię stanowi część powierzchni wewnętrznej (105) ściany obwodowej (106).
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że moduł (118) silnika strumieniowego jest wyposażony w dyszę wylotową (140,142), gazów spalinowych (210), której zewnętrzna powierzchnia stanowi część powierzchni wewnętrznej (105) ściany obwodowej (106).
17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że komora spalania modułu (118) silnika strumieniowego jest wykonana z węglika krzemu.
18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że komora spalania modułu (118) silnika strumieniowego jest wykonana jako wymienny odlewany element monolityczny z węglika krzemu.
19. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że zawór zasuwowy (146) jest usytuowany przynajmniej na części obwodu ściany obwodowej (106), w jej rejonie, w którym następuje sprężanie strumienia (122) powietrza wlotowego przez komorę sprężania (120) modułu (118) silnika strumieniowego.

* * *