SK9092000A3 - Kogeneračné energetické zariadenie s motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami - Google Patents

Abstract

Zariadenie pozostáva z motora (19) s rotujúcimi spaľovacími komorami (2), na ktorého výstup je cez prevodovku (20) pripojený alternátor alebo generátor (21) na výrobu elektrickej energie, ktorého výstup je elektrickou rozvodnou sieťou (22) pripojený k sústave elektrických odporových vykurovacích telies (23) a/alebo k sústave klimatizačných jednotiek (24). Motor (19) s rotujúcimi spaľovacími komorami (2) pozostáva z aspoň jedného rotora (1) s význačným rozmerom v radiálnom smere, ktorý je spoločným hriadeľom (16) spriahnutý so združeným kompresorom (3).

Description

Kogeneračné energetické zariadenie s motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami

Oblasť techniky

Predstavovaný vynález sa týka kogeneračného energetického zariadenia s motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami určeného na vykurovanie bytových alebo priemyselných priestorov a na ich klimatizáciu.

Doterajší stav techniky

Doteraz známe kogeneračné energetické zariadenia sú väčšinou poháňané klasickými piestovými spaľovacími motormi, ktoré sú pomerne hlučné, konštrukčné zložité, majú stále veľkú spotrebu paliva. Opotrebovanie motora je značné, pretože obsahuje veľa trecích plôch.

V leteckom priemysle sú zasa zaužívané reaktívne motory. Turboreaktívny motor nazývaný aj prúdový motor. V ňom sa pri dostatočne rýchlom lete vháňa vzduch pod zvýšeným tlakom a v spaľovacej komore potom horí palivo so vzduchom. Vznikajúci plyn sa vypúšťa dýzami, čím poháňa letúň dopredu. Turboreaktívny motor nepracuje dobre pri rýchlostiach nižších ako 450 km za hodinu, pretože pri rýchlostiach pod touto hranicou sa do spaľovacej komory nedostáva dosť vzduchu pod dostatočným tlakom. Pri rýchlosti 2000, km za hodinu je jeho efektívnosť zrovnateľná s piestovými motormi. Turboreaktívny motor sa používa v letectve tam, kde je dôležité prudké zrýchlenie a vysoké rýchlosti a na pohon riadených striel.

Druhým typom reaktívneho motora je náporový reaktívny motor. Podobný je turboreaktívnemu motoru. Aj do neho sa vháňa vzduch pôsobením vysokej rýchlosti. Palivo sa však nespai’uje so vzduchom. Keď sa dosiahne dostatočný tlak, pri ktorom sa palivo zapáli, automaticky sa uzavrú špeciálne ventily, cez ktoré prúdi vzduch. Pohon umožňujú zhorené plyny, prúdiace veľkou rýchlosťou zadnými dýzami. Na prvý zápal sa používa elektrická sviečka, potom už horenie prebieha automaticky. Použité boli v raketových strelách.

Tretím typom reaktívneho motora je turbokompresorový motor. V tomto motore sa vzduch stláča mechanicky. Používa sa na to otočný kompresor, ktorý poháňa plynová turbína umiestnená v prúde výfukových plynov. Vzduch sa vháňa do čelnej časti motora a tam sa stláča. V ňom potom horí palivo, zvyčajne letecký benzín. Prúd zhorených plynov poháňa turbínu kompresora a uniká veľkou rýchlosťou z dýzy. Aby turbokompresorový motor mohol pracovať maximálnou silou, musí byť horúci. Tieto motory sú veľmi hlučné, kde zdrojom hluku je práve turbína.

Štvrtým typom reaktívneho motora je turbovrtuľový motor. V turbokompresorovom motore sa turbína používa iba na pohon kompresora. Turbína však môže poháňať aj vrtuľu. Takáto hnacia jednotka sa nazýva turbovrtuľová. Využíva však aj reaktívny pohon, ale najviac energie produkuje turbína. Hluk týchto motorov okrem turbíny znásobuje ešte vrtuľa.

Plynové turbíny sa nepoužívajú iba v letectve. Plynovým turbínovým motorom sú poháňané aj autá a rôzne vozidlá. Aj niektoré elektrárne a lode sú poháňané plynovým turbínovým motorom.

Ani jeden zo štyroch vyššie opísaných reaktívnych motorov a ani plynové turbíny nie sú vhodné pre osadenie do kogeneračných energetických zariadení.

Preto vznikla požiadavka na takú konštrukciu kogeneračného energetického zariadenia s vhodným motorom, ktorý by bol jednoduchej konštrukcie s nízkou spotrebou paliva a tichým chodom. Výsledkom tohto úsilia je ďalej popisované technické riešenie vo forme vynálezu.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky v podstatnej miere odstraňuje kogeneračné energetické zariadenie podľa tohto vynálezu, a ktorého podstata spočíva v tom, že pozostáva z motora s rotujúcimi spaľovacími komorami, ktorého ' výstup je cez prevodovku pripojený na alternátor alebo generátor na výrobu elektrickej energie. Výstup alternátora alebo generátora je elektrickou rozvodnou pripojený k sústave elektrických a/alebo k sústave klimatizačných sieťou telies odporových vykurovacích jednotiek. Motor s rotujúcimi spaľovacími komorami pozostáva aspoň z jedného rotora s významným rozmerom v radiálnom smere. Rotor je krátkej axiálnej konštrukcie, takže je tvaru disku. Rotor obsahuje aspoň dve spaľovacie komory. Rotor je upevnený spolu so združeným kompresorom na spoločnom hriadeli. Pritom je rotor spriahnutý so združeným kompresorom cez vzduchový plniaci kanál zasahujúci až do spaľovacej komory. Rotor plní zároveň funkciu zotrvačníka. Spaľovacie komory sú uložené tangenciálne na obvode rotora orientované jedným smerom. Výfuky jednotlivých spaľovacích komôr vyúsťujú do prstencového výfukového kanála s aspoň jedným vonkajším výfukom spalín. Nad prstencovým výfukovým kanálom je umiestnený prstencový chladiaci kanál len v blízkosti rotora alebo na jednej strane zasahuje až nad kompresor a na druhej strane zasahuje až nad vonkajší výfuk spalín. Do spaľovacích komôr je ešte zavedený palivový prívod.

Podstatou motora s rotujúcimi spaľovacími komorami osadeného v kogeneračnom energetickom zariadení podľa vynálezu je taktiež nasávacia mriežka, ktorou je prekrytý združený kompresor. Prvá časť združeného kompresora je axiálna a druhá časť združeného kompresora je radiálna. Nasávacia mriežka plní aj funkciu čističa vzduchu.

Jedným podstatným znakom vynálezu a to z hľadiska zapaľovania zápalnej zmesi je konštrukčné umiestnenie sústavy zapaľovacích permanentných magnetov, ktoré môžu byť umiestnené na telese výfukového kanála alebo na telese krytu rotora alebo na telese prstencového chladiaceho kanála alebo na nasávacej mriežke.

Ďalším znakom vynálezu je umiestnenie zapaľovacej cievky v každej spaľovacej komore. Každá spaľovacia komora pritom obsahuje zapaľovaciu elektródu. Spaľovacie komory sú prepojené prešľahovými kanálmi.

Dôležité je taktiež riešenie radiálneho palivového prívodu do spaľovacej komory cez axiálny otvor v hriadeli, čo je podstatou predstaveného vynálezu. Prívod vzduchu môže byť pritom radiálny alebo axiálny.

Za účelom regulácie výkonu motora s rotujúcimi spaľovacími komorami sú spaľovacie komory opatrené protitlakovými klapkami, ktoré fungujú automaticky čo je taktiež podstatou vynálezu.

Napokon podstatou motora s rotujúcimi spaľovacími komorami podľa vynálezu je také zoskupenie na zvýšenie výkonu, kde na jednom hriadeli sú oproti sebe orientované dva združené kompresory. Medzi nimi je umiestnený jeden alebo dva rotory so spaľovacími komorami.

Výhody kogeneračného energetického zariadenia osadeného motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami podľa opísaného vynálezu spočívajú najmä v tom, že motor je jednoduchej konštrukcie so združeným kompresorom, ktorého prvá axiálna časť zabezpečuje nasávanie vzduchu, čiže zabezpečuje dostatok množstva vzduchu. Druhá radiálna časť združeného kompresora zabezpečuje dostatočný tlak vzduchu vháňaného do spaľovacích komôr. Vďaka svojej jednoduchej konštrukcii má motor dlhú životnosť a je spoľahlivý v prevádzke. Trecie plochy sú len vo valivých ložiskách, ktoré nesú celú tiaž skeletu motora, pretože dve najhmotnejšie časti motora t.j. kompresor a rotor so spaľovacími komorami sú upevnené priamo na hriadeli. Mazanie ložísk je zabezpečené olejovým okruhom pozostávajúcim z čerpadla oleja, chladiča oleja, olejovej nádrže, čističa oleja a snímača tlaku oleja. Tým, že motor nemá žiadne trecie plochy, vyznačuje sa nízkou spotrebou paliva a účinnosťou. Motor je funkčný aj pri plynnom a aj pri tekutom palive aj pri super chudobných zmesiach. Motor podľa vynálezu patrí medzi reaktívne motory, kde vďaka orientácii spaľovacích komôr je celý rotačný cyklus motora pracovný, takže nedochádza k výbuchom. Tým je chod motora aj tichý. Veľkou mierou k tichému chodu motora prispieva aj ten fakt, že neobsahuje turbínu. Jednoduchým spôsobom je vyriešené aj automatické zapaľovanie palivovej zmesi. Motor sa vyznačuje jednoduchou reguláciou výkonu a to natáčaním protitlakových klapiek v spaľovacích komorách alebo reguláciou prietoku vzduchu alebo paliva. Výkonnostný regulátor udržuje otáčky motora na požadovanej veľkosti. Keďže výfukové plyny vystupujúce zo spaľovacích komôr prúdia veľkou rýchlosťou, sú vhodné na pohon prídavnej plynovej turbíny. Tepelnú energiu odoberanú chladiacim médiom z horúcich spalín je ďalej možné využiť na ohrev úžitkovej vody, keď sa chladiaci systém doplní o vodné čerpadlo, chladič, nádrž a termostat. Kogeneračné energetické zariadenie s motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami je veľmi výkonné oproti existujúcim kogeneračným jednotkám.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Kogeneračné energetické zariadenie s motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami podľa vynálezu bude bližšie ozrejmené pomocou výkresov, na ktorých obr. 1 znázorňuje jej blokovú schému usporiadania. Obr. 2 znázorňuje konštrukciu motora so združeným kompresorom. Obr. 3 zobrazuje konštrukciu spaľovacej komory.

Príklad uskutočnenia vynálezu

V tomto príklade konkrétneho uskutočnenia je popísaná základná konštrukcia kogeneračného energetického zariadenia osadeného motorom 19 s rotujúcimi spaľovacími komorami 2 podľa opísaného vynálezu. Z obr. 1 je zrejmá bloková schéma zapojenia kogeneračného energetického zariadenia. Pozostáva z motora 19 so štyrmi rotujúcimi spaľovacími komorami 2, na ktorého výstup je cez prevodovku 20 pripojený alternátor alebo generátor 21 na výrobu elektrickej energie, ktorého výstup je elektrickou rozvodnou sieťou pripojený k sústave elektrických odporových vykurovacích telies a/alebo k sústave klimatizačných jednotiek 24. Motor 19.

s rotujúcimi spaľovacími komorami 2 znázornený na obr. 2 pozostáva z jedného rotora 1_ s význačným rozmerom v radiálnom smere so štyrmi tangenciálne umiestnenými spaľovacími komorami 2. Rotor 1 je krátkej axiálnej konštrukcie s výrazným rozmerom v radiálnom smere, takže nadobúda tvar plného disku a je spoločným hriadeľom 16 spriahnutý so združeným kompresorom 3 cez vzduchový plniaci kanál 4 zasahujúci až do spaľovacích komôr 2. Orientácia spaľovacích komôr 2 dáva motoru pravotočivú alebo ľavotočivú orientáciu rotora 1. Spaľovacie komory 2 sú vyrobené z teplovzdušného materiálu alebo keramického materiálu. Združený kompresor 3 je vyrobený zo zušľachteného hliníka. Spaľovacie komory 2 je možné mierne axiálne natáčať a tak eliminovať namáhanie ložísk. Výfuky 5 spaľovacích komôr 2 vyúsťujú do výfukového kanála 6 s aspoň jedným vonkajším výfukom 7 spalín, pričom aspoň nad výfukovým kanálom 6 je umiestnený prstencový chladiaci kanál 8. Palivový prívod 9 je zavedený priamo do jednotlivých spaľovacích komôr 2.

Štyri zapaľovacie cievky 12 sú umiestnené v telesách spaľovacích komôr 2 a vyúsťujú na zapaľovacie elektródy 13 ako je to znázornené na obr. 3. Rotáciou rotora 1 dochádza k indukcii prúdu v zapaľovacích cievkach 12 a k preskoku iskry na zapaľovacích elektródach 13. Vo vnútornom priestore spaľovacích komôr 2 sa nachádzajú protitlakové klapky 15 pracujúce na princípe odstredivej sily. Do spaľovacích komôr 2 ústí palivový prívod 9 vedený radiálnymi kanálmi v rotore 1 a axiálnym kanálom v spoločnom hriadeli 16. Výfuky 5 spaľovacích komôr 2 sú vedené mimo vzduchový plniaci kanál 4 a ústia do prstencového výfukového kanála 6 s jedným vonkajším výfukom 7 spalín.

Prstencový výfukový kanál 6 je obklopený prstencovým chladiacim kanálom 8 so vstupom chladiaceho média a s výstupom chladiaceho média. Za rotorom 1 sa nachádzajú staticky rozmiestnené zapaľovacie permanentné magnety 11. Prstencový chladiaci kanál 8 je z jednej strany kotvený vonkajším telesom motora 19 uloženým v prvom ložisku osadenom na spoločnom hriadeli 16. Prstencový chladiaci kanál 8 je z druhej strany kotvený o nasávaciu mriežku 10. ktorá plní aj funkciu čističa vzduchu. Nasávacia mriežka 10 je uložená v druhom ložisku opäť na spoločnom hriadeli 16. Obe ložiská 17 sú k sebe v axiálnom smere dotláčané dvoma sťahovacími maticami 18. Motor 19 má okrem už opísaných častí aj vlastný mazací okruh na mazanie valivých ložísk vysokootáčkovým olejom. Na zvýšenie výkonu motora 19 sa môžu radiť dva motory 19 oproti sebe ako je to vidno z obr. 1.

Funkcia kogeneračného energetického zariadenia s motorom 19 s rotujúcimi spaľovacími komorami 2 z príkladu je nasledujúca. Motor 19 zabezpečuje cez prevodovku . 20 pohon alternátora 21. Vyrobená elektrická energia je samostatnou elektrickou rozvodnou sieťou 22 vedená k sústavám elektrických odporových vykurovacích telies 23 a/alebo k sústavám klimatizačných jednotiek 24, ktoré buď vykurujú alebo ochladzujú miestnosti alebo haly. Prepínanie δ

klimatizácie sa uskutočňuje ručne - prepínaním prepínača alebo automaticky - elektronicky nastaviteľným termostatom. Samotný motor 19 pracuje na princípe reaktívnej sily, t.j. celý rotačný cyklus je pracovný. Dosahovaný krútiaci moment je odvodený od priemeru rotora 1_, na ktorého obvode sú upevnené spaľovacie komory 2. Rotor 1 spolu so spaľovacími komorami 2 plní zároveň aj funkciu zotrvačníka. Motor 19 je s výhodou vysokootáčkový. Štartovanie motora 19 je možno vykonávať pneumaticky stlačeným vzduchom zo vzduchového zásobníka alebo mechanicky štartérom z batérie. Na štartovanie je možné použiť aj iné zdroje, napríklad pri pohone elektrických zariadení od štartovacieho vinutia. Motor 19 podľa technického riešenia je funkčný aj s tekutým ľahko zápalným palivom a aj s plynným palivom. Pri použití tekutého paliva sa zaraďuje elektronický splynovač. Výkonnostný regulátor, ktorého zaradenie si vyžaduje prevádzka motora zabezpečuje optimálny pomer vzduchu - paliva. Pritom chudobná zmes nie je na závadu pre dosiahnutie požadovaného výkonu. Výkonnostný regulátor teda ovláda množstvo paliva do spaľovacích komôr 2 za podmienky dodania dostatočného množstva vzduchu a to mechanicky - kontrolou množstva vzduchu prívodom tlaku vzduchu z výtlaku združeného kompresora 3 a vstupu do spaľovacích komôr 2 za membránou, pneumaticky, elektronicky programom alebo kombinovane. Účinnosť motora 19 je možné ovplyvňovať automatickým privieraním a otváraním prívodu prúdenia vzduchu zo združeného kompresora 3 do spaľovacej komory 2. Motor 19 je možné ovládať mechanicky a to pridávaním paliva alebo pomocou výkonnostného regulátora, kde je možné udržiavať otáčky - výkon za pomoci programovateľného regulátora. Množstvo paliva je možné ovládať elektronicky. Zastavenie motora 19 sa uskutočňuje uzavretím prívodu paliva, mechanicky, elektronicky alebo automatickým stopom v prípade požiaru. Chod motora je bezpečný, pretože prívod paliva do spaľovacích komôr 2 je otvorený až po nabehnutí zapaľovacích iskier. Nemôže sa teda stať, že pri štarte by sa palivom zahltili spaľovacie komory 2 a až potom by iskra zapálila výbušnú zmes. Prebehlo by nekontrolované vzplanutie výbušnej zmesi a následne zničenie motora 19. Bezpečnosť prevádzky motora 19 je preto zabezpečená nepretržitým preskokom zapaľovacích iskier pri otáčaní rotora 1_. Druhý stupeň bezpečnosti zabezpečujú prešľahové kanály medzi spaľovacími komorami 2.

Motor s rotujúcimi spaľovacími komorami osadený v kogeneračnom. energetickom zariadení hoci obsahuje prúdové spaľovacie komory sa nevyznačuje ťahom motora, čo je charakteristická veličina pre prúdové motory, ale sa vyznačuje krútiacim momentom, čo je charakteristická veličina pre piestové motory.

Priemyselná využiteľnosť

Kogeneračné energetické zariadenie s motorom s rotujúcimi spaľovacími komorami podľa predstavovaného vynálezu je využiteľné predovšetkým na vykurovanie a klimatizáciu obytných aj priemyselných priestorov .

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kogeneračné energetické zariadenie, vyznačujúce sa tým, že pozostáva z motora (19) s rotujúcimi spaľovacími komorami (2), na ktorého výstup je cez prevodovku (20) pripojený alternátor alebo generátor (21) na výrobu elektrickej energie, ktorého výstup je elektrickou rozvodnou sieťou (22) pripojený k sústave elektrických odporových vykurovacích telies (23) a/alebo k sústave klimatizačných jednotiek (24), kde motor (19) s rotujúcimi spaľovacími komorami (2) pozostáva z aspoň jedného rotora (1) s význačným rozmerom v radiálnom smere s aspoň dvoma spaľovacími komorami (2), pričom rotor (1) je spoločným hriadeľom (16) spriahnutý so združeným kompresorom (3) cez vzduchový plniaci kanál (4) zasahujúci až do spaľovacej komory (2), výfuky (5) spaľovacích komôr (2) vyúsťujú do výfukového kanála (6) s aspoň jedným vonkajším výfukom (7) spalín, pričom aspoň nad výfukovým kanálom (6) je umiestnený prstencový chladiaci kanál (8), palivový prívod (9) je zavedený priamo do jednotlivých spaľovacích komôr (2).
2. 2. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že združený kompresor (3) obsahuje prvú axiálnu časť (3.1) na ktorú nadväzuje radiálna časť (3.2) a je prekrytý nasávacou mriežkou (10) s čističom vzduchu.
3. 3. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1 až 2, vyznačujúce sa tým, že výfukový kanál (6) alebo prstencový chladiaci kanál (8) alebo kryt rotora (1) alebo nasávacia mriežka (10) obsahuje sústavu zapaľovacích permanentných magnetov (11).
4. 4. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1 až 3, vyznačujúce sa tým, že medzi spaľovacími komorami (2) sú umiestnené prešľahové kanály.
5. 5. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1 až 4, vyznačujúce sa tým, že spaľovacia komora (2) je opatrená zapaľovacou cievkou (12) a zapaľovacou elektródou (13).

   M
6. 6. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1 až 5, vyznačujúce sa tým, že spaľovacia komora (2) obsahuje radiálny palivový prívod (9) vedený dutým hriadeľom a radiálny alebo axiálny vzduchový prívod (14).
7. 7. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1 až 6, vyznačujúce sa tým, že spaľovacia komora (2) obsahuje protitlakové klapky (15).
8. 8. Kogeneračné energetické zariadenie podľa nároku 1 až 7, vyznačujúce sa tým, že pozostáva z dvoch oproti sebe orientovaných združených kompresorov (3) a medzi nimi umiestneného jedného alebo dvoch rotorov (1) so spaľovacími komorami (2).