WO2009100514A1 - Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель - Google Patents

Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель Download PDF

Info

Publication number
WO2009100514A1
WO2009100514A1 PCT/BY2009/000001 BY2009000001W WO2009100514A1 WO 2009100514 A1 WO2009100514 A1 WO 2009100514A1 BY 2009000001 W BY2009000001 W BY 2009000001W WO 2009100514 A1 WO2009100514 A1 WO 2009100514A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
air
tank
blades
energy
Prior art date
Application number
PCT/BY2009/000001
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Igor Vladimirovich Prus
Original Assignee
Igor Vladimirovich Prus
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Igor Vladimirovich Prus filed Critical Igor Vladimirovich Prus
Publication of WO2009100514A1 publication Critical patent/WO2009100514A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C7/00—Rotary-piston machines or engines with fluid ring or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/17—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing energy in pressurised fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/24—Fluid mixed, e.g. two-phase fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/131—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines by means of vertical structures, i.e. chimneys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to machines and engines operating on liquids and the like working media, and can be used, in particular, for converting the kinetic energy of air flows, including wind and compressed air, including output from various technological processes, into other types of energy (mechanical, electrical, thermal) with its subsequent use for various purposes. More specifically, the invention relates to a pneumohydrostation, as well as a pneumohydro ring engine from a pneumohydrostation.
  • hydropower plants especially large ones, as a rule, are located at a considerable distance from consumers, which requires the creation of branched electric networks of a very large total length with the corresponding energy, switching, distribution, equipment. All this leads to significant losses of electricity during its transmission to large distances, as well as a significant increase in the cost of creating networks and maintaining their performance.
  • the negative impact of hydroelectric power plants on the environment has long been known.
  • Air is also a fluid like water, and any air flow has a certain kinetic energy.
  • any air flow has a certain kinetic energy.
  • an insufficient number of device designs have been developed for the highly efficient conversion of wind energy into other types of energy.
  • Attempts to use the energy of natural air currents (wind) also do not lead to the achievement of the desired results for several reasons.
  • this is due to the instability of the air flow parameters (direction, speed, pressure, etc.), their dependence on the time of day, season, geographical location of the wind power plant, as well as the practical lack of effective means of concentration and accumulation of wind energy with the possibility of it further dosed use.
  • an air stream (compressed air) is used as a working medium, and various compressors are used to form an air stream with the necessary characteristics.
  • various compressors are used to form an air stream with the necessary characteristics.
  • these plants do not use the kinetic energy of natural air flows, but artificially created using various compressors.
  • a device for implementing a method for extracting energy stored in a liquid and gas and converting it into mechanical energy, which is made in the form of a pneumatic hydraulic motor [2].
  • the pneumatic motor contains a rotor equipped with bucket floats and immersed in the liquid supplied from the outlet water channel of the TPP or the river bypass channel. Under the bucket floats, gas is compressed by the compressor. Bucket floats with gas float under the action of the force of Archimedes, while the liquid transfers its heat to the expanding gas. The movement of the float bucket is converted by the transmission into the rotation of the shaft of the electric generator.
  • the described device of the pneumatic hydraulic motor provides the ability to convert the energy of gas pressure and thermal energy of the liquid into mechanical and electrical energy and can be used, for example, in hydro and thermal power for the recovery of heat of liquid media.
  • the described construction has a number of disadvantages that significantly reduce its effectiveness. First of all, to create a gas flow with given characteristics, it is necessary to expend energy (for pumping gas, such as air, into the compressor), which significantly reduces the yield of useful energy. In addition, variable and unstable parameters of a fluid aqueous medium can also negatively affect the yield of useful energy.
  • an energy-extracting pneumohydraulic turbine which is designed to convert the energy of compressed air, water, as well as the energy of the sun and heat stored in air and water [3].
  • the impeller of an axial propeller hydraulic turbine is installed in a housing with a guide and a suction device, a cylindrical housing is connected to the solar collector and a source of compressed air.
  • the turbine does not require a high-level reservoir and operates in the energy pump mode.
  • the buoyancy force of air is converted into the energy of the water stream, which is supplied to the impeller from below due to the flow of water when it is displaced from the working part by the volume of compressed air supplied above and below the working elements.
  • the volume of compressed air during the ascent takes away the heat stored in the water and converts its mechanical work.
  • the described construction does not require a high-level reservoir, since the upward flow acting on the impeller is created as a result of the replacement and overflow of the displaced water by the expanding air volume cooled by the heat-insulated expansion system.
  • the turbine design allows the use of solar energy and heat energy stored in water and air.
  • the design of the turbine is very complex, and the yield of useful energy depends on many variables and unstable parameters of various media.
  • the device contains a container filled with liquid, in the upper and lower parts of which drive wheels are placed, covered by an endless working body, on which bell-shaped floats are fixed.
  • a source of compressed gas is connected to the bottom of the tank with the possibility of filling the internal cavity of each float with gas.
  • the basis of his development (by analogy with the use of the energy of water flows, for example, in hydroelectric power plants with reservoirs, which act as the “kinetic energy” of water, which is supplied from the “hydronic power” to the working bodies of the hydroelectric power station), the author laid down the assertion that to ensure permanent air flow characteristics in pneumatic power plants should also be provided with “air storage”, i.e.
  • the “predictor” of the kinetic energy of air flows is a reservoir or a plurality of interconnected reservoirs in which the air will be contained in the required quantities, and from which it will be dosed and with the given flow characteristics supplied to the working elements of the working bodies.
  • the objective of the invention is to create the design of a pneumohydrostation, as well as a pneumohydro ring engine from its composition, which would be in the conversion of energy of any air flows (natural in the form of wind, utilized from technological processes in the form of compressed air, etc.) into other types of energy , in particular, into electric energy, regardless of the variable characteristics of air flows at any time, it provided electric energy with constant characteristics when the maximum possible value of efficiency.
  • the design of the pneumohydrostation and pneumohydro ring engine should be as simple and reliable as possible and provide the ability to minimize the distance to the consumer.
  • the operability of the pneumohydrostation and pneumohydro-ring engine in a wide range of sizes of the working bodies should be ensured.
  • the stability of the characteristics of the media used in the pneumohydrostation and pneumohydro-ring engine should also be ensured.
  • the problem is solved by the claimed pneumohydrostation, containing a connected primary energy source and power equipment, containing a means of forming a working fluid in the form of an air stream with constant characteristics of the force and speed of the flow, a working body equipped with working elements made with the possibility of impact on them of the working fluid, a reservoir with liquid, in which the working body is placed, and a generator.
  • the means of forming the working fluid in the form of an air flow with constant characteristics of the force and velocity of the flow is made in the form of a pneumatic accumulator, if necessary associated with a compressor, the primary energy source is equipped with a means of concentration of flows air associated with a pneumatic accumulator, the working body is made in the form of a pneumohydro-ring engine, including a rotor with a horizontally oriented axis of rotation, connected to a generator, and working elements in the form of blades installed in a cylindrical tank with a liquid, with the axis of the tank coinciding with the axis of rotation rotor, blades mounted on the rotor radially with the smallest possible clearance with respect to the inner surface of the tank wall, in the bottom zone of the tank at least one inlet for supplying air stream, and in the upper zone of the tank is provided with means for removing waste air, wherein the reservoir is hermetically connected with the pneumatic accumulator, with an adjustable supply
  • the author first of all, radically changed the sequence of arrangement of the main functional blocks, as well as the connections between them, in comparison with the known schemes for organizing wind power stations. So, in particular, the author proposed to accumulate not secondary (useful), but primary energy (kinetic energy of air flows), for which, as a pre-accumulator, he included a pneumatic accumulator in the design of the claimed pneumohydrostation, if necessary, connected with a compressor.
  • the design and operation of pneumatic accumulators is much simpler compared to electric accumulators.
  • the inventive pneumohydrostation is operable for any characteristics of the initial air flow - from the calm to the hurricane wind.
  • a significant advantage of the claimed pneumohydrostation is the possibility of highly efficient use of the energy of natural air currents as the primary energy source - wind.
  • an amount of compressed air sufficient to ensure uninterrupted operation of power equipment can be obtained by installing means in a pneumohydrostation
  • Concentrations of natural air flows of suitable design The author has developed an original and highly efficient design of such a means of air flow concentration, which is the subject of a separate application and will not be considered in detail in the framework of this invention.
  • compressed gaseous medium of any origin for example, as mentioned above, usually not recyclable (“collected” into the atmosphere) compressed air from various technological processes (pneumatic presses, devices for blowing various products, etc. .d).
  • Such types of pneumohydrostations will significantly reduce the energy intensity of the mentioned technological processes due to a sharp reduction (up to zero values) of the cost of electricity consumption from outside to the compression of gaseous working media.
  • the air passage system does not have to be closed.
  • the amount of energy generated by the inventive pneumohydrostation is quite enough for air compression in the air (ax) (closed system) and the energy consumption for air compression can reduce the efficiency only slightly.
  • the inventive pneumohydrostation passes, in fact, three stages.
  • the first stage in the pneumatic (ax), if necessary, by means of a compressor, enough compressed air is accumulated for the calculated supply to the tank.
  • the second stage when compressed air enters the liquid (water) located in the tank, the rotor begins to rotate. However, until the specified speed is reached, the generated energy is still not enough to start the generator.
  • the acceleration of the rotor rotation occurs both in one half of the tank due to the “pushing out” of the blades by means of air supplied continuously at this stage to the tank, and due to the rotation of the liquid (water) and its “fall” down onto the blades in the second half of the tank.
  • a pneumohydro-ring engine including a rotor with a horizontally oriented axis of rotation, connected to a generator, and working elements in the form of blades installed in a cylindrical tank with a liquid with the formation of a hydro-ring, the axis of the tank coinciding with the axis of rotation of the rotor, the blades mounted radially on the rotor with the smallest possible clearance with respect to the inner surface of the tank wall, at least one inlet opening is made in the bottom zone of the tank air supply, and in the upper zone the tank is equipped with exhaust air removal means, while the tank is hermetically connected to the pneumatic accumulator with the possibility of adjustable directional air flow to the surface of the rotor blades located in the inlet zone.
  • water will mean any suitable liquid, including water with various additives that change its physical, chemical, biological, etc. properties.
  • the volume of water in the tank does not remain static, and is also rotated by the rotor blades.
  • water in the second half “falls” down in the direction of rotation of the rotor and, thereby, as well as being an inertial body (similar to the “maximum”), presses on the blades, accelerating their rotation.
  • the processes of energy release arise due to friction between water flows moving at different speeds, in particular, in the zone of the inner surface of the tank, as well as due to vortex processes (due to the relatively small number of rotor revolutions that are not so pronounced, but still have place) - at the surfaces of the blades, etc.
  • the claimed technical results are achieved regardless of the form of execution of the rotor blades.
  • the blades may have a shape curved in the direction of rotation of the rotor.
  • FIG. 1 is a diagram of a pneumohydrostation with a pneumohydro-ring engine in one embodiment
  • FIG. 2 is a diagram of a pneumohydro-ring engine in one embodiment
  • FIG. 3 is a schematic representation of the appearance of a pneumohydro ring engine in one embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram of a pneumohydrostation with a pneumatic ring motor in one embodiment, which depicts a primary energy source with air flow concentration means 1, in which a turbine 2 is installed, connected to a pneumatic ring motor as follows.
  • the turbine 2 is connected with a compressor 3, which, in turn, is connected through a pressure distributor 4 with pneumatic accumulators made in the form of receivers 5.
  • the outputs of the receivers 5 through a pressure distributor 6 are connected to a compressed air pipe 7.
  • Each receiver 5 is equipped with a safety valve 8 and a pressure gauge (not indicated in the drawing).
  • a check valve 9 is provided between the compressor 3 and each receiver 5.
  • the compressed air pipe 7 is provided with valves 10, a flow meter 11, a control valve 12, and a check valve 13.
  • An air injection nozzle 14 is installed at the outlet of the compressed air pipe 7.
  • the pneumohydro-ring engine also includes a horizontally oriented cylindrical tank 15 with water 16, in which a rotor 17 with blades 18 is located. The axis of the tank 15 coincides with the axis of rotation of the rotor 17.
  • the blades 18 of the rotor 17 are installed with the smallest possible clearance 20 with respect to the inner surface 21 of the walls of the tank 15 and, in fact, divide the volume of the tank into separate sectors, moving in a circle during the rotation of the rotor 17.
  • the nozzle 14 for air injection is hermetically connected with the cavity of the tank 15 in its bottom zone.
  • An outlet 23 is made in the upper zone of the reservoir 15 to exhaust the exhaust air from the air-water mixture 22.
  • the pulley 24 of the rotor 17 is connected to the pulley 26 of the generator 27, in this embodiment, a V-belt transmission 25.
  • the transmission of torque from the pulley 24 rotor 17 on the pulley 26 of the generator can be carried out by any other type of transmission.
  • the generator 27 is equipped with a tachometer 28, a load sensor 29, a voltage regulator 30, and an electrical wiring 32 is connected to it through a switching protective device 31, designed to supply electricity to the consumer.
  • a means of 1 concentration of air flows of a special design developed by the author, which is the subject of a separate application for the invention and shown here only schematically.
  • the means of concentration of air flows 1 comprises a base 33 on which rails 34 and a roof 35 with an outlet 36 are mounted.
  • the arrows in the drawing indicate the directions of movement of air flows for means 1 of concentration of air flows and the direction of rotation of turbine 17.
  • 1 embodiment of the inventive pneumohydrostation can be used to convert, in particular, wind energy or energy derived from technological processes of compressed air into electrical energy.
  • wind energy or the energy of compressed air extracted from technological processes can be converted into mechanical or thermal energy.
  • the presented scheme does not provide energy costs for maintaining pressure in the receivers and in this respect is open, i.e. the energy produced by the pneumohydrostation is not spent on maintaining the plant's operating parameters, in particular pressure, but is fully transmitted to the consumer.
  • such schemes are preferable in the presence of a primary energy source in the form of natural air currents (wind) or compressed air removed from technological processes.
  • FIG. 2 shows a diagram of a pneumohydro-ring engine made in a closed circuit in one of the possible forms of execution.
  • the pneumohydro-ring engine includes a pneumatic accumulator (receiver 37) connected to each other, a compressor 38, a rotor 17 with a horizontally oriented axis of rotation 19, equipped with working elements in the form of radially arranged blades 18, and mounted in a cylinder-shaped tank 15 with water 16.
  • the axis of the cylindrical tank 15 coincides with the axis of rotation 19 of the rotor 17, and the generator 27.
  • the receiver 37 is equipped with a pressure gauge 39 and a safety valve 40. Between the compressor 38 and the receiver 37 there is a check valve 41. In the pipe 42 with atogo provided air control valve 43, tee 44, check valve 45, flow meter 46. At the outlet conduit 42 of compressed air nozzle 47 is installed air injection.
  • the nozzle 47 for air injection is hermetically connected with the cavity of the reservoir 15 in its bottom zone.
  • An outlet 23 is made in the upper zone of the reservoir 15 to exhaust the exhaust air from the air-water mixture 22.
  • the pulley 24 of the rotor 17 is connected by a V-belt drive 25 to the pulley 26 of the generator 27.
  • the generator 27 is equipped with a tachometer 28.
  • the electric circuit at the output of the generator 27 contains electrical measuring instruments 48 (A is an ammeter, V is a voltmeter), a battery 49, a power supply switch 50 of the compressor 38 connected to the electric drive 51 of the compressor 38, as well as a load switching unit 52 connected to the electric load 53.
  • the blades 18 of the rotor 17 are installed with the smallest possible gap 20 with respect to the inner surface 21 of the wall of the tank 15.
  • the described scheme of the pneumohydro ring engine is a closed system, the maintenance of which is carried out due to a small part produced by the pneumohydro ring engine electrical energy.
  • a set of tools is provided for regulating the consumption of electric energy for air compression.
  • FIG. 3 schematically shows the appearance of a pneumohydro-ring engine in one form of execution.
  • the inventive pneumohydro ring engine is mounted on the frame 54 and contains a pneumohydro ring drive 55, a generator 56, a receiver 57, a compressor 58, a battery 59, a control station 60 with control valves 61.
  • the pneumohydro ring drive includes a cylindrical tank (housing 62), in the cavity of which is coaxial with the housing 62 a rotor 63 is installed, equipped with radially arranged blades 64.
  • the pulley 65 of the rotor 63 is connected to the pulley 66 of the generator 56 by a V-belt drive 67.
  • a pneumohydro ring drive 55 is mounted on the frame 54 by means of supports 68 Eden. In the upper zone of the housing 62, an overpressure compensator 69 is provided.
  • the receiver 57 is hermetically connected to the cavity of the pneumohydrodrive actuator 55 by means of injection nozzles 70.
  • the generator 56 is connected to an electrical load 71.
  • Each receiver 5 is equipped with a pressure gauge for monitoring pressure and a safety valve 8 for relieving excess pressure.
  • the non-return valve 9 between the compressor 3 and each receiver 5 is used to shut off the air flow into the receiver 5 when the set pressure in this receiver 5 is reached.
  • valves 10, a flow meter 11, a control valve 12 and a non-return valve 13 are provided in the compressed air pipe 7. a predetermined quantity through the nozzle 14, the air injection installed in the bottom zone of the cylindrical tank enters the water 16.
  • the air rising upward, “escapes” the surface of the first lope STI 18 (in this embodiment, the surface of the blade 18 to the right of the air injection nozzle 14) and begins to "vytalkivat” it, causing turbine 17 to rotate as a whole.
  • the first blade 18 is rotated by the turbine 17 and, thus, the second and subsequent blades 18 are moved into the compressed air supply zone 18.
  • the blades 18 are placed radially on the turbine 17 so that they form practically separate sectors of the reservoir 15 (except for the smallest possible gap 20 between the blades 18 and the inner surface 21 of the wall of the cylindrical tank 15).
  • the rotor 17 rotates around the axis of rotation 19. From the pulley 24 of the rotor 17 through, for example, a V-belt transmission 25, the rotation is transmitted to the pulley 26 of the generator 27 and the generation of useful energy begins.
  • the generator 27 provides a tachometer 28, a load sensor 29, a voltage regulator 30.
  • a switching protective device 31 with an electrical wiring 32 connected to it is provided.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)
  • Jet Pumps And Other Pumps (AREA)

Abstract

Пневмогидростанция содержит связанные между собой первичный источник энергии, снабженный средством концентрации потоков воздуха, и энергетическое оборудование, содержащее средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха с постоянными характеристиками силы и скорости потока, выполненное в виде пневмоаккумулятора, связанного со средством концентрации потоков воздуха и, при необходимости, связанного с компрессором, рабочий орган, выполненный в виде пневмогидрокольцевого двигателя, и генератор. Пневмогидрокольцевой двигатель включает установленные в резервуаре цилиндрической формы с жидкостью с формированием гидрокольца ротор с горизонтально ориентированной осью вращения, связанный с генератором, и рабочие элементы в виде лопастей, причем ось резервуара совпадает с осью вращения ротора, а лопасти установлены на роторе радиально с минимально возможным зазором по отношению к внутренней поверхности стенки резервуара, при этом резервуар в своей донной зоне посредством по меньшей мере одного впускного отверстия герметично связан с пневмоаккумулятором с возможностью непрерывной направленной подачи потока воздуха на поверхность лопастей ротора, находящихся в зоне впускного отверстия, а в верхней зоне снабжен средством отвода отработанного воздуха.

Description

Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель
Изобретение относится к машинам и двигателям, работающим на жидкостях и тому подобных рабочих средах, и может быть использовано, в частности, для преобразования кинетической энергии воздушных потоков, в том числе ветра и сжатого воздуха, включая выводимый из различных технологических процессов, в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую) с последующим ее использованием по различным назначениям. Более конкретно, изобретение касается пневмогидростанции, а также пневмогидрокольцевого двигателя из состава пневмогидростанции .
Получение полезной энергии всех видов с использованием традиционных источников энергии - ископаемых энергоносителей, таких как уголь, нефть, газ, торф, горючие сланцы и т.д., урановая руда, тесно связано с вопросами сохранения экологии окружающей среды, а также с вопросами обеспечения безопасности. Кроме того, запасы ископаемых энергоносителей ограничены. Возникающие вопросы частично могут решить возобновляемые энергоносители, среди которых наиболее активно используют природные водные запасы. Хотя использование природных запасов воды для получения энергии в промышленных масштабах также не позволяет в полной мере решить вопросы, связанные с экологией, оно получило достаточно широкое распространение в виде гидроэлектростанций.
Однако, гидроэлектростанции, особенно крупные, как правило, находятся на значительном расстоянии от потребителей, что требует создания разветвленных электрических сетей очень большой суммарной протяженности с соответствующим энергетическим, коммутационным, распределительным, оборудованием. Все это приводит к значительным потерям электроэнергии при ее передаче на большие расстояния, а также к значительному повышению затрат на создание сетей и поддержание их работоспособности. Кроме того, давно известно негативное влияние гидроэлектростанций на окружающую среду.
Воздух является также как вода текучей средой, при этом любой поток воздуха обладает определенной кинетической энергией. Однако, несмотря на тысячелетние попытки человека эффективно использовать энергию воздушных потоков, прежде всего энергию ветра, разработано все еще недостаточное количество конструкций устройств по высокоэффективному преобразованию энергии ветра в другие виды энергии. Предпринимаемые попытки использовать энергию естественных воздушных потоков (ветра) также не приводят к достижению желаемых результатов по ряду причин. Прежде всего, это связано с нестабильностью параметров воздушных потоков (направление, скорость, давление и т.д.), их зависимостью от времени суток, времени года, географическим расположением ветроэнергоустановки, а также практическим отсутствием эффективных средств концентрации и накопления энергии ветра с возможностью ее дальнейшего дозированного использования. Таким образом, основной причиной низкой эффективности, а иногда и низкой надежности известных устройств для преобразования энергии ветра является сложность обеспечения постоянных характеристик потока воздуха. В известных установках вопросы минимизации расстояния от места выработки энергии до потребителя также не рассматриваются. С учетом упомянутых выше проблем, в настоящее время основные усилия разработчики ветрэлектроустановок затрачивают на увеличение эффективной площади рабочих элементов, контактирующих с потоками ветра, а также на создание электроаккумуляторов большой емкости, которые бы позволили «xpaнить» излишки электрической энергии, выработанной в период, когда ветер несет в себе большое количество кинетической энергии, для использования этих излишков в периоды, когда кинетической энергии воздушных потоков не достаточно для выработки электроэнергии. Для «xpaнeния» электрической энергии разрабатываются аккумуляторы большой электрической емкости, геометрические размеры которых также значительно увеличиваются. Однако такой подход к решению проблемы равномерного распределения кинетической энергии воздушных потоков по времени не всегда позволяет получить электрический ток с требуемыми постоянными характеристиками. Кроме того, это приводит к значительному снижению эффективности ветроэнергоустановок, многократно повышает их стоимость и, более того, такой подход небезопасен для окружающей среды, поскольку известные типы аккумуляторов имеют крайне небольшой срок эксплуатации (как правило, 1-2 года), содержат в себе кислоты, щелочи, тяжелые металлы и т.д. и требуют соблюдения специальных требований по их обслуживанию, утилизации и т.п.
Также, по не понятным причинам, практически не существует решений по полезному использованию сжатого воздуха (или иной сжатой газообразной среды), выводимого из различных технологических процессов путем выброса в атмосферу (при необходимости, с предварительной очисткой), для преобразования накопленной в нем энергии в другие виды энергии.
В устройствах преобразования энергии потока воды в другие виды энергии, как правило, вода, находясь в воздушной среде, под действием силы тяжести «пaдaeт» вниз на рабочие элементы рабочих органов и, контактируя с рабочими элементами рабочих органов, приводит последние в движение, например вращение. По такому принципу традиционно работают не только промышленных масштабов гидроэлектростанции, но и относительно небольшие устройства преобразования энергии потока воды в другие виды энергии с небольшой выходной мощностью.
Так, известно устройство для преобразования энергии малых потоков воды с небольшими расходами и напорами в электроэнергию, которое содержит водяное колесо с лопатками специальной конструкции, соединенное механической передачей посредством редуктора с электрогенератором, а также водоподводящую и водоотводяшую системы [1]. Предложенные особенности конструкции устройства, как указано в описании, позволяют повысить коэффициент полезного действия, надежность и удобство эксплуатации устройства, упростить его конструкцию в целом. Однако не всегда и далеко не повсеместно доступны потоки воды даже с минимально необходимыми характеристиками потока для целесообразного и эффективного преобразования их энергии в другие виды энергии.
В некоторых известных конструкциях энергетических установок в качестве рабочего тела используют поток воздуха (сжатый воздух), причем для формирования потока воздуха с необходимыми характеристиками используют различные компрессоры. Однако, следует учесть, что эти установки используют кинетическую энергию не природных воздушных потоков, а искусственно созданных с помощью различных компрессоров.
Так, в частности, известно устройство для реализации способа извлечения запасенной в жидкости и газе энергии и преобразования ее в механическую, которое выполнено в виде пневмогидродвигателя [2]. Пневмоrидродвигатель содержит ротор, снабженный поплавками-ковшами и погруженный в жидкость, подаваемую из отводящего водяного канала ТЭС или обводного канала рек. Под поплавки-ковши подают сжатый компрессором газ. Поплавки-ковши с газом всплывают под действием силы Архимеда, при этом жидкость передает свое тепло расширяющемуся газу. Перемещение поплавков- ковшей преобразуется трансмиссией во вращение вала электрического генератора. Описанное устройство пневмогидродвигателя обеспечивает возможность преобразования энергии давления газа и тепловой энергии жидкости в механическую и электрическую энергию и может быть использовано, например, в гидро- и теплоэнергетике для утилизации тепла жидких сред. Однако описанная конструкция имеет ряд недостатков, которые значительно снижают ее эффективность. Прежде всего, для создания потока газа с заданными характеристиками необходимо расходовать энергию (для нагнетания газа, например воздуха, в компрессор), что значительно снижает выход полезной энергии. Кроме того, на выход полезной энергии могут оказывать негативное влияния также и переменные и нестабильные параметры текучей водной среды. Известно также более сложное техническое решение энергоизвлекающей пневмогидравлической турбины, которая предназначена для преобразования энергии сжатого воздуха, воды, а также энергии солнца и тепла, запасенной в воздухе и воде [3]. Рабочее колесо осевой пропеллерной гидравлической турбины установлено в корпусе с направляющим и отсасывающим аппаратом, цилиндрический корпус соединен с солнечным коллектором и источником сжатого воздуха. Турбина не требует высокоуровневого резервуара и работает в режиме энергетического насоса. Сила плавучести воздуха преобразуется в энергию водного потока, который подается на рабочее колесо снизу за счет перетока воды при вытеснении ее из рабочей части объемом сжатого воздуха, подведенным выше и ниже рабочих элементов. Объем сжатого воздуха при всплытии отбирает запасенную в воде теплоту и преобразует ее механическую работу. Описанная конструкция не требует высокоуровневого резервуара, так как восходящий поток, действующий на рабочее колесо, создается в результате замещения и перетока вытесненной воды охлажденным в теплоизолированной расширительной системе расширяющимся объемом воздуха. При этом конструкция турбины позволяет использовать энергию Солнца и энергию тепла, запасенную в воде и воздухе. В тоже время конструкция турбины очень сложна, а выход полезной энергии зависит от многих переменных и нестабильных параметров различных сред.
Известен также энергоизвлекающий пневмогидродвигатель, предназначенный для преобразования энергии сжатого воздуха в механическую энергию [4]. Устройство содержит заполненную жидкостью емкость, в верхней и нижней частях которой размещены приводные колеса, охваченные бесконечным рабочим органом, на котором закреплены колоколообразные поплавки. К нижней части емкости подключен источник сжатого газа с возможностью заполнения газом внутренней полости каждого поплавка. Хотя описанная конструкция двигателя, по утверждению ее авторов, позволяет повысить КПД, она все же достаточно громоздка и сложна. Выполняющие функцию рабочих элементов колоколообразные поплавки также имеют специальную достаточно сложную конструкцию. Наличие двух приводных колес, выполняющих функцию рабочего органа, во избежание остановок двигателя или его поломок, требует согласования в режимах их вращения. Также справедливыми остаются указанные выше недостатки, касающиеся расхода энергии на нагнетание воздуха в источник сжатого воздуха и связанного с этим снижения выхода полезной энергии.
Технических решений энергетических установок, в которых в качестве рабочего тела использовались бы и вода (или вода с различными добавками, корректирующими ее физические, химические и др. свойства, или любая другая подходящая жидкость) и воздух, не известно, поэтому описанное выше техническое решение по совокупности своих существенных признаков может рассматриваться как наиболее близкое к заявляемому.
В основу своих разработок (по аналогии с использованием энергии потоков воды, например в гидроэлектростанциях с водохранилищами, которые выступают в роли «пpeдaккyмyлятopa» кинетической энергии воды, которая из «пpeдaккyмyлятopa» дозировано подается на рабочие органы гидроэлектростанции) автор заложил утверждение, что для обеспечения постоянных характеристик потока воздуха в пневмоэнергетических установках также следует предусмотреть «вoздyxoxpaнилищe», т.е. «пpeдaккyмyлятop» кинетической энергии воздушных потоков - некий резервуар или множество связанных между собой резервуаров, в кoтopoм(ыx) воздух будет содержаться в необходимых количествах, и из которого он будет дозировано и с заданными характеристиками потока подаваться на рабочие элементы рабочих органов.
Таким образом, задачей изобретения является создание конструкции пневмогидростанции, а также пневмогидрокольцевого двигателя из ее состава, которые бы при преобразовании энергии любых воздушных потоков (естественных в виде ветра, утилизируемых из технологических процессов в виде сжатого воздуха и т.д.) в другие виды энергии, в частности в электрическую энергию, не зависимо от переменных характеристик воздушных потоков в любой момент времени обеспечивала получение электрической энергии с постоянными характеристиками при достижении максимально возможного значения КПД. Конструкция пневмогидростанции и пневмогидрокольцевого двигателя должна быть максимально просты и надежны и обеспечивать возможность минимизации расстояния до потребителя. Кроме того, должна обеспечиваться работоспособность пневмогидростанции и пневмогидрокольцевого двигателя в широком диапазоне размеров рабочих органов. При этом должна также обеспечиваться стабильность характеристик сред, используемых в пневмогидростанции и пневмогидрокольцевом двигателе.
Поставленная задача решается заявляемой пневмогидростанцией, содержащей связанные между собой первичный источник энергии и энергетическое оборудование, содержащее средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха с постоянными характеристиками силы и скорости потока, рабочий орган, снабженный рабочими элементами, выполненными с возможностью воздействия на них рабочего тела, резервуар с жидкостью, в котором размещен рабочий орган, и генератор. Поставленная задача решается за счет того, что средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха с постоянными характеристиками силы и скорости потока выполнено в виде пневмоаккумулятора, при необходимости, связанного с компрессором, первичный источник энергии снабжен средством концентрации потоков воздуха, связанным с пневмоаккумулятором, рабочий орган выполнен в виде пневмогидрокольцевого двигателя, включающего установленные в резервуаре цилиндрической формы с жидкостью с формированием гидрокольца ротор с горизонтально ориентированной осью вращения, связанный с генератором, и рабочие элементы в виде лопастей, причем ось резервуара совпадает с осью вращения ротора, лопасти установлены на роторе радиально с минимально возможным зазором по отношению к внутренней поверхности стенки резервуара, в донной зоне резервуара выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи потока воздуха, а в верхней зоне резервуар снабжен средством отвода отработанного воздуха, при этом резервуар герметично связан с пневмоаккумулятором с возможностью регулируемой направленной подачи потока воздуха из пневмоаккумулятора на поверхность лопастей ротора, находящихся в зоне впускного отверстия.
В заявленной пневмогидростанции автор, прежде всего, кардинально по сравнению с известными схемами организации ветроэнергостанций изменил последовательность расположения основных функциональных блоков, а также связи между ними. Так, в частности, автор предложил накапливать не вторичную (полезную), а первичную энергию (кинетическую энергию воздушных потоков), для чего в качестве предаккумулятора включил в конструкцию заявляемой пневмогидростанции пневмоаккумулятор, при необходимости, связанный с компрессором. Конструкция и управление пневмоаккумуляторами значительно более просты по сравнению с электроаккумуляторами. При этом они безопасны для окружающей среды, т.к. не содержат опасных веществ, максимально долговечны, просты по своей конструкции и обслуживанию и имеют незначительную стоимость, что при наличии соответствующих средств коммутации обеспечивает возможность использования в пневмогидростанции ряда дополнительных резервных пневмоаккумуляторов (для случаев значительного усиления ветра вплоть до ураганного). Это решение на несколько порядков повышает надежность системы в целом, исключая «пepeгpyзкy» энергетического оборудования, и, как следствие, его поломку, а также ее эффективность т.к. практически исключает зависимость выработки полезной энергии с заданными постоянными характеристиками от переменных характеристик воздушных потоков, прежде всего ветра. Заявляемая пневмогидростанция работоспособна при любых характеристиках исходных воздушных потоков - от полного штиля до ураганного ветра. Это может быть обеспечено, в том числе, благодаря предложенной автором оригинальной конструкции связанного с пневмоаккумулятором средства концентрации потоков воздуха, которая более подробно рассмотрена в материалах отдельной заявки на изобретение. Заявленная конструкция, прежде всего конструкция энергетического оборудования в целом и, в частности, рабочего органа, выполненного в виде пневмогидрокольцевого двигателя до сих пор не известного, названного автором пневмогидрокольцевой двигатель, обеспечивает настолько эффективное использование сочетания всех естественных процессов, которые протекают при взаимодействии воздушной и жидкой, в частности водной, сред, в частности при подаче воздуха в жидкость (воду), при взаимодействии жидкости с вращающимися в ней твердыми телами, в частности лопартями ротора, и т.д., что удалось получить неожиданно очень высокие значения КПД. Высокое значение КПД достигается, в том числе, благодаря высвобождающейся энергии непрерывно с инерцией вращающейся по кольцу жидкости (гидрокольцо) по сравнению со статичным объемом жидкости во всех известных конструкциях.
Существенным преимуществом заявляемой пневмогидростанции является возможность высокоэффективного использования в качестве первичного источника энергии энергии естественных воздушных потоков - ветра. В этом случае достаточное для обеспечения бесперебойной работы энергетического оборудования количество сжатого воздуха можно получить при установке в пневмогидростанции средства концентрации естественных потоков воздуха подходящей конструкции. Автором разработана оригинальная и высокоэффективная конструкция такого средства концентрации воздушных потоков, которая является предметом отдельной заявки и в рамках данного изобретения подробно рассматриваться не будет. При этом также возможно использование в качестве первичного источника энергии сжатой газообразной среды любого происхождения, например, как уже было упомянуто выше, обычно не утилизируемого («cбpacывaeмoгo» в атмосферу) сжатого воздуха из различных технологических процессов (пневмопрессы, устройства для выдува различных изделий и т.д). Такие типы пневмогидростанций позволят значительно снизить энергоемкость упомянутых технологических процессов за счет резкого снижения (вплоть до нулевых значений) затрат на потребление электроэнергии из вне на компрессию газообразных рабочих сред.
Важным является также то, что в заявляемой пневмогидростанций система прохождения воздуха не обязательно должна быть замкнутой. Хотя количества энергии, вырабатываемой заявляемой пневмогидростанцией вполне достаточно на компрессию воздуха в пнeвмoaккyмyлятope(ax) (замкнутая система) и расход энергии на компрессию воздуха может снижать КПД лишь незначительно.
Для запуска в рабочий режим заявляемая пневмогидростанция проходит, фактически, три ступени. На первой ступени, в пнeвмoaккyмyлятope(ax), при необходимости, посредством компрессора, накапливается достаточное для расчетной подачи в резервуар количество сжатого воздуха. На второй ступени, при поступлении сжатого воздуха в жидкость (воду), находящуюся в резервуаре, ротор начинает вращаться. Однако, до достижения заданной частоты вращения, вырабатываемой энергии еще недостаточно для запуска генератора. Ускорение вращения ротора происходит как, в одной половине резервуара, за счет «вытaлкивaния» лопастей посредством воздуха, подаваемого, на данной ступени непрерывно, в резервуар, так и за счет вращения жидкости (воды) и ее «пaдeния» вниз на лопасти, во второй половине резервуара. И, наконец, на третьей ступени, при достижении необходимой скорости вращения ротора происходит запуск генератора и начинается выработка электроэнергии. Более подробно эти процессу будут рассмотрены ниже. Таким образом, автор определил условное наименование предложенной им конструкции пневмогидростанции, исходя из принципа ее работы - поступенчатая аэрорегулируемая гидроускорительная энергостанция, сокращенно - «Пapгyэc».
Поставленная задача решается также пневмогидрокольцевым двигателем, включающим установленные в резервуаре цилиндрической формы с жидкостью с формированием гидрокольца ротор с горизонтально ориентированной осью вращения, связанный с генератором, и рабочие элементы в виде лопастей, причем ось резервуара совпадает с осью вращения ротора, лопасти установлены на роторе радиально с минимально возможным зазором по отношению к внутренней поверхности стенки резервуара, в донной зоне резервуара выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи потока воздуха, а в верхней зоне резервуар снабжен средством отвода отработанного воздуха, при этом резервуар герметично связан с пневмоаккумулятором с возможностью регулируемой направленной подачи потока воздуха на поверхность лопастей ротора, находящихся в зоне впускного отверстия.
Далее по тексту (для упрощения изложения) под термином «вoдa» будет иметься в виду любая подходящая жидкость, в том числе и вода с различными добавками, изменяющими ее физические, химические, биологические и т.п. свойства.
При дозированной подаче воздуха из пневмоаккумулятора в цилиндрический резервуар, воздух, контактируя с лопастями ротора, приводит ротор во вращение, а, достигая выпускного отверстия, выходит за пределы резервуара. Таким образом, создается ситуация, при которой в одной половине резервуара от впycкнoгo(ыx) oтвepcтия(й) до выпускного отверстия (в направлении вращения ротора) в воде под лопастями содержатся и перемещаются по направлению вверх к выпускному отверстию пузырьки воздуха, а во второй половине от выпускного отверстии к впycкнoмy(ым) oтвepcтию(ям) (в направлении вращения ротора) находится только вода. Известно, что воздух легче воды, таким образом, с учетом описанной выше конструкции, вода с воздухом, находящиеся в первой половине резервуара (в направлении вращения ротора) легче воды, находящейся во второй половину. Кроме того, также с учетом описанной выше конструкции, объем воды в резервуаре не остается статичным, а также приводится лопастями ротора во вращение. Ввиду этого, вода во второй половине «пaдaeт» вниз в направлении вращения ротора и, тем самым, а также являясь инерционным телом (по аналогии с «мaxoвикoм») давит на лопасти, ускоряя их вращение. Более того, процессы выделения энергии возникают вследствие трения между потоками воды, перемещающимися с разными скоростями, в частности, в зоне внутренней поверхности резервуара, а также вследствие вихревых процессов (из- за сравнительно небольшого числа оборотов ротора не так ярко выраженных, но все же имеющих место) - у поверхностей лопастей и т.д. Упомянутые виды дополнительной энергии могут также использоваться в своем первоначальном виде - в виде тепловой энергии, например, на нагрев проточной воды путем теплообмена для ее дальнейшего использования на отопление и т.п. Возможны и другие варианты преобразования этой энергии в полезную. В принципе, процессы, возникающие в каждом из описанных выше случаев, изучены еще достаточно не полно. Тем более нет теоретических исследований взаимовлияния этих процессов. Все приведенные выше сведения и данные были получены автором по результатам математических расчетов по известным формулам и скорректированы по результатам испытаний моделей и опытных образцов. Благодаря оригинальности своей конструкции заявляемый пневмогидрокольцевой двигатель продемонстрировал по сравнению с другими, известными из уровня техники пневмогидродвигателями, ряд существенных преимуществ, среди которых можно упомянуть следующие:
- для работы не требуется наличия проточной водной среды. Вода, находящаяся в цилиндрическом резервуаре используется многократно и долговременно, причем в значительно меньших количествах. При этом, наряду с воздухом, вода выполняет функцию рабочего тела;
- рабочий орган - ротор с лопастями в цилиндрическом резервуаре с водой имеет максимально простую конструкцию и не содержит элементов требующих согласования их работы, не содержит дополнительных передаточных звеньев, не содержит элементов с низкой надежностью и т.п.;
- не требуется изменений в конструкции (за исключением размеров элементов) для получения выходной мощности в широком диапазоне значений.
В принципе, все заявленные технические результаты достигаются безотносительно формы выполнения лопастей ротора. Однако, в некоторых предпочтительных формах выполнения лопасти могут иметь выгнутую в направлении вращения ротора форму.
Упомянутые выше и другие достоинства и преимущества заявляемого изобретения будут рассмотрены более подробно на примере возможных предпочтительных, но не ограничивающих форм выполнения пневмогидростанции и пневмогидрокольцевого двигателя в ее составе со ссылками на позиции чертежей, на которых представлены:
Фиг. 1 - схема пневмогидростанции с пневмогидрокольцевым двигателем в одной из форм выполнения;
Фиг. 2 - схема пневмогидрокольцевого двигателя в одной из форм выполнения; Фиг. 3 - схематичное изображение внешнего вида пневмогидрокольцевого двигателя в одной из форм выполнения. На Фиг. 1 представлена схема пневмогидростанции с пневмогидрокольцевым двигателем в одной из форм выполнения, на которой изображены первичный источник энергии со средством 1 концентрации потоков воздуха, в котором установлена турбина 2, связанная с пневмогидрокольцевым двигателем следующим образом. Турбина 2 связана с компрессором 3, связанным, в свою очередь, через распределитель 4 давления с пневмоаккумуляторами, выполненными в виде ресиверов 5. Выходы ресиверов 5 через распределитель 6 давления связаны с трубопроводом 7 сжатого воздуха. Каждый ресивер 5 снабжен предохранительным клапаном 8 и манометром (на чертеже позицией не обозначен). Между компрессором 3 и каждым ресивером 5 предусмотрен обратный клапан 9. Трубопровод 7 сжатого воздуха снабжен вентилями 10, расходомером 11, регулирующим вентилем 12 и обратным клапаном 13. На выходе трубопровода 7 сжатого воздуха установлена форсунка 14 впрыска воздуха. В состав пневмогидрокольцевого двигателя входит также горизонтально ориентированный цилиндрический резервуар 15 с водой 16, в котором размещен ротор 17 с лопастями 18. Ось резервуара 15 совпадает с осью 19 вращения ротора 17. Лопасти 18 ротора 17 установлены с минимально возможным зазором 20 по отношению к внутренней поверхности 21 стенки резервуара 15 и, фактически, делят объем резервуара на отдельные сектора, перемещающиеся по кругу в процессе вращения ротора 17. Форсунка 14 для впрыска воздуха герметично связана с полостью резервуара 15 в его донной зоне. В верхней зоне резервуара 15 выполнено выпускное отверстие 23 для отвода отработанного воздуха из воздушно-водяной смеси 22. Шкив 24 ротора 17 связан со шкивом 26 генератора 27, в данной форме реализации, клиноременной передачей 25. В общем случае, передача крутящего момента со шкива 24 ротора 17 на шкив 26 генератора может осуществляться любым другим видом передачи. Генератор 27 снабжен тахометром 28, датчиком нагрузки 29, регулятором напряжения 30, и через коммутирующий защитный аппарат 31 к нему подключена электропроводка 32, предназначенная для подачи электроэнергии потребителю. В представленной на Фиг. 1 форме выполнения заявляемой пневмогидростанции предусмотрено средство 1 концентрации потоков воздуха специальной конструкции, разработанной автором, являющееся объектом отдельной заявки на изобретение и изображенное здесь только схематично. В частности, средство 1 концентрации потоков воздуха содержит основание 33, на котором смонтированы направляющие 34 и крыша 35 с выпускным отверстием 36. Стрелками на чертеже обозначены направления перемещения потоков воздуха для средства 1 концентрации потоков воздуха и направление вращения турбины 17. Представленная на Фиг. 1 форма выполнения заявляемой пневмогидростанции может быть использована для преобразования, в частности, энергии ветра или энергии выводимого из технологических процессов сжатого воздуха в электрическую энергию. В тоже время, при соответствующем изменении схемы после генератора 27 энергия ветра или энергия выводимого из технологических процессов сжатого воздуха может быть преобразована в механическую или тепловую энергию. Представленная схема не предусматривает затрат энергии на поддержание давления в ресиверах и в этом отношении является разомкнутой, т.е. производимая пневмогидростанцией энергия не расходуется на поддержание рабочих параметров станции, в частности, давления, а в полном объеме передается потребителю. Как уже было упомянуто, такие схемы предпочтительны при наличии первичного источника энергии в виде естественных воздушных потоков (ветра) или выводимого из технологических процессов сжатого воздуха.
В тоже время, возможна замкнутая схема, в которой в качестве первичного источника энергии используется обычный воздух, нагнетаемый в пневмоаккумулятор посредством компрессора, работающего на энергии, вырабатываемой пневмогидрокольцевым двигателем. Так, на Фиг. 2 представлена схема пневмогидрокольцевого двигателя, выполненного по замкнутой схеме, в одной из возможных форм выполнения.
Пневмогидрокольцевой двигатель включает связанные между собой пневмоаккумулятор (ресивер 37), компрессор 38, ротор 17 с горизонтально ориентированной осью 19 вращения, снабженный рабочими элементами в виде радиально расположенных лопастей 18, и установленный в выполненном в форме цилиндра резервуаре 15 с водой 16. Ось цилиндрического резервуара 15 совпадает с осью 19 вращения ротора 17, и генератор 27. Ресивер 37 снабжен манометром 39 и предохранительным клапаном 40. Между компрессором 38 и ресивером 37 предусмотрен обратный клапан 41. В трубопроводе 42 сжатого воздуха предусмотрены регулирующий вентиль 43, тройник 44, обратный клапан 45, расходомер 46. На выходе трубопровода 42 сжатого воздуха установлена форсунка 47 впрыска воздуха.
Форсунка 47 для впрыска воздуха герметично связана с полостью резервуара 15 в его донной зоне. В верхней зоне резервуара 15 выполнено выпускное отверстие 23 для отвода отработанного воздуха из воздушно-водяной смеси 22. Шкив 24 ротора 17 связан клиноременной передачей 25 со шкивом 26 генератора 27. Генератор 27 снабжен тахометром 28. Электрическая цепь на выходе генератора 27 содержит электроизмерительные приборы 48 (А - амперметр, V - вольтметр), аккумулятор 49, переключатель 50 режима питания компрессора 38, связанный с электроприводом 51 компрессора 38, а также блок 52 переключения нагрузки, связанный с электрической нагрузкой 53.
Лопасти 18 ротора 17 установлены с минимально возможным зазором 20 по отношению к внутренней поверхности 21 стенки резервуара 15.
Описанная схема пневмогидрокольцевого двигателя представляет замкнутую систему, поддержание работоспособности которой осуществляется за счет незначительной части вырабатываемой пневмогидрокольцевым двигателем электрической энергии. Кроме того, предусмотрен комплекс средств для регулирования потребления электрической энергии на компрессию воздуха.
На Фиг. 3 схематично изображен внешний вид пневмогидрокольцевого двигателя в одной из форм выполнения. Заявляемый пневмогидрокольцевой двигатель установлен на раме 54 и содержит пневмогидрокольцевой привод 55, генератор 56, ресивер 57, компрессор 58, аккумулятор 59, станцию управления 60 с регулировочными вентилями 61. Пневмогидрокольцевой привод включает цилиндрический резервуар (корпус 62), в полости которого соосно с корпусом 62 установлен ротор 63, снабженный радиально расположенными лопастями 64. Шкив 65 ротора 63 связан со шкивом 66 генератора 56 клиноременной передачей 67. Пневмогидрокольцевой привод 55 установлен на раме 54 посредством опор 68 крепления. В верхней зоне корпуса 62 предусмотрен компенсатор 69 избыточного давления. Ресивер 57 герметично связан с полостью пневмогидрокольцевого привода 55 посредством форсунок 70 впрыска. Генератор 56 связан с электрической нагрузкой 71.
Работа заявляемого пневмогидрокольцевого двигателя в составе заявляемой пневмогидростанции будет более подробно рассмотрена на примере одной из возможных, но не ограничивающих форм выполнения со ссылкой на позиции Фиг. 1 чертежей. Особенности конструкции средства 1 концентрации воздушных потоков (ветра) в соответствии с представленной на Фиг. 1 и рассматриваемой формой выполнения обеспечивают постоянное наличие перемещающихся по направляющим 34 от основания 33 к крыше 35 с выпускным отверстием 36 воздушных потоков (в направлениях, обозначенных стрелками), вследствие чего обеспечивается постоянное вращение ротора 2, а, следовательно, компрессия воздуха в компрессоре 3. Распределитель 4 давления, в зависимости от давления воздуха в компрессоре 3 и в ресиверах 5 распределяет воздух по ресиверам 5. В принципе, в заявляемой пневмогидростанции можно предусмотреть любое необходимое количество ресиверов 5. Каждый ресивер 5 снабжен манометром для контроля давления и предохранительным клапаном 8 для сброса избыточного давления. Обратный клапан 9 между компрессором 3 и каждым ресивером 5 используется для перекрытия поступления воздуха в ресивер 5 при достижении заданного давления в данном ресивере 5. С выхода ресивера 5 через распределитель 6 давления сжатый воздух поступает в трубопровод 7 сжатого воздуха. Для регулирования параметров потока воздуха, дозированного подаваемого через форсунку 14 впрыска воздуха в воду 16, находящуюся в цилиндрическом резервуаре 15, в данной форме выполнения в трубопроводе 7 сжатого воздуха предусмотрены вентили 10, расходомер 11, регулирующий вентиль 12 и обратный клапан 13. Сжатый воздух в заданном количестве через форсунку 14 впрыска воздуха, установленную в донной зоне цилиндрического резервуара, поступает в воду 16. По закону Архимеда, будучи легче воды, воздух, поднимаясь вверх, «yдapяeтcя» о поверхность первой лопасти 18 (в данной форме выполнения о поверхность лопасти 18, расположенной справа от форсунки 14 впрыска воздуха) и начинает «вытaлкивaть» ее, приводя во вращение турбину 17 в целом. Первая лопасть 18 поворачивается турбиной 17 и, таким образом, в зону подачи сжатого воздуха перемещается вторая и последующие лопасти 18. Лопасти 18 размещены на турбине 17 радиально так, что формируют практически отдельные сектора резервуара 15 (за исключением минимально возможного зазора 20 между лопастями 18 и внутренней поверхностью 21 стенки цилиндрического резервуара 15). Таким образом, в рабочем состоянии (за исключением периода вхождения в рабочее состояние) в половине секторов резервуара 15 будет находиться воздушно-водяная смесь 22, а во второй половине - вода 16. Для данной формы выполнения, соответственно, в правой и левой половине. В каждом секторе правой половины воздух из воздушно-водяной смеси буде стремиться подняться вверх, толкая соответствующие лопасти 18. Достигнув верхней зоны резервуара 15, в которой расположено выпускное отверстие 23 для отвода отработанного воздуха, воздух выделяется из воздушно- водяной смеси 22 и выводиться из устройства. При необходимости, могут быть предусмотрены дополнительные средства очистки воздуха (фильтры и т.п.). Таким образом, в левой половине цилиндрического резервуара 15 содержится только вода 16 без воздуха. С учетом того, что при одинаковых объемах вода тяжелее воздушно- водяной смеси, в левой половине в каждом секторе вода 16 будет стремиться упасть вниз, создавая давление на соответствующие лопасти 18 и ускоряя тем самым их вращение. В принципе, в пневмогидравлическом приводе описываемой конструкции будут иметь место и другие, уже упомянутые выше процессы. Причем испытания показали, что неучтенные при расчете процессы, протекающие при взаимодействии между элементами пневмогидрокольцевого двигателя, расположенными в цилиндрическом резервуаре 15, оказывают положительное влияние на работу пневмогидрокольцевого двигателя в целом, увеличивая выход полезной энергии.
Под действием описанных процессов ротор 17 вращается вокруг оси 19 вращения. Со шкива 24 ротора 17 посредством, например, клиноременной передачи 25 вращение передается на шкив 26 генератора 27 и начинается выработка полезной энергии. Для управления процессом в частности, генератором 27) предусмотрены тахометр 28, датчик нагрузки 29, регулятор напряжения 30. Для подачи электроэнергии потребителю предусмотрены коммутирующий защитный аппарат 31 с подключенной к нему электропроводкой 32.
Результаты расчетов и испытаний пневмогидрокольцевых двигателей заявляемой конструкции различных типоразмеров (диаметр колеса 1 м, 1,5 м, 2 м и 3 м) и вариантов приведены в Таблице 1 - Таблице 4. Таблица 1 о
Figure imgf000022_0001
Таблица 2
с
Figure imgf000023_0001
Таблица 3
(
с
Figure imgf000024_0001
Таблица 4
Figure imgf000025_0001
Литература.
1. Патент RU Xs 2306453 Cl, опубл. 20.09.2007.
2. Патент RU JVb 2059110 Cl, опубл. 27.04.1996. 3. Патент RU JN° 2120058 Cl, опубл. 10.10.1998.
4. Патент RU ЛЬ 2160381 C2, опубл. 10.12.2000.

Claims

Формула изобретения
1. Пневмогидростанция, содержащая связанные между собой первичный источник энергии и энергетическое оборудование, содержащее средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха с постоянными характеристиками силы и скорости потока, рабочий орган, снабженный рабочими элементами, выполненными с возможностью воздействия на них рабочего тела, резервуар с жидкостью, в котором размещен рабочий орган, и генератор, отличающаяся тем, что средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха с постоянными характеристиками силы и скорости потока выполнено в виде пневмоаккумулятора, при необходимости, связанного с компрессором, первичный источник энергии снабжен средством концентрации потоков воздуха, связанным с пневмоаккумулятором, рабочий орган выполнен в виде пневмогидрокольцевого двигателя, включающего установленные в резервуаре цилиндрической формы с жидкостью с формированием гидрокольца ротор с горизонтально ориентированной осью вращения, связанный с генератором, и рабочие элементы в виде лопастей, причем ось резервуара совпадает с осью вращения ротора, лопасти установлены на роторе радиально с минимально возможным зазором по отношению к внутренней поверхности стенки резервуара, в донной зоне резервуара выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи потока воздуха, а в верхней зоне резервуар снабжен средством отвода отработанного воздуха, при этом резервуар герметично связан с пневмоаккумулятором с возможностью регулируемой направленной подачи потока воздуха из пневмоаккумулятора на поверхность лопастей ротора, находящихся в зоне впускного отверстия.
2. Пневмогидрокольцевой двигатель, включающий установленные в резервуаре цилиндрической формы с жидкостю с формированием гидрокольца ротор с горизонтально ориентированной осью вращения, связанный с генератором, и рабочие элементы в виде лопастей, причем ось резервуара совпадает с осью вращения ротора, лопасти установлены на роторе радиально с минимально возможным зазором по отношению к внутренней поверхности стенки резервуара, в донной зоне резервуара выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие для подачи потока воздуха, а в верхней зоне резервуар снабжен средством отвода отработанного воздуха, при этом резервуар герметично связан с пневмоаккумулятором с возможностью регулируемой направленной подачи потока воздуха на поверхность лопастей ротора, находящихся в зоне впускного отверстия.
3. Пневмогидрокольцевой двигатель по п. 2, отличающийся тем, что лопасти имеют выгнутую в направлении вращения ротора форму.
PCT/BY2009/000001 2008-02-11 2009-02-11 Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель WO2009100514A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA200800797 2008-02-11
EA200800797A EA200800797A1 (ru) 2008-02-11 2008-02-11 Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009100514A1 true WO2009100514A1 (ru) 2009-08-20

Family

ID=40956575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/BY2009/000001 WO2009100514A1 (ru) 2008-02-11 2009-02-11 Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель

Country Status (2)

Country Link
EA (1) EA200800797A1 (ru)
WO (1) WO2009100514A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106438173A (zh) * 2016-11-23 2017-02-22 宋亚力 气动压缩式水轮机及发电机

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2059110C1 (ru) * 1989-09-27 1996-04-27 Василий Фотеевич Маркелов Способ извлечения запасенной в жидкости и газе энергии и преобразования ее в механическую работу
RU2084697C1 (ru) * 1995-08-15 1997-07-20 Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия Ветроэнергетическая установка
RU2176030C1 (ru) * 2000-07-25 2001-11-20 Московский энергетический институт (Технический университет) Ветроэнергетическая установка
RU2271453C2 (ru) * 2004-03-19 2006-03-10 Александр Павлович Волков Жидкостно-кольцевая машина
US20070114796A1 (en) * 2005-11-18 2007-05-24 Garces Luis J System and method for integrating wind and hydroelectric generation and pumped hydro energy storage systems
JP2007231760A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Norio Hosoda 気泡ポンプ揚水式複合水力発電装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2160381C2 (ru) * 1998-12-18 2000-12-10 Маркелов Василий Фотеевич Энергоизвлекающий пневмогидродвигатель
RU2269016C1 (ru) * 2004-08-09 2006-01-27 Владимир Абрамович Намиот Способ роторного преобразования энергии внутреннего сгорания в электрическую и устройство для его осуществления
US20060033341A1 (en) * 2004-08-13 2006-02-16 Kaufman Michael J Waterwheel powered air delivery device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2059110C1 (ru) * 1989-09-27 1996-04-27 Василий Фотеевич Маркелов Способ извлечения запасенной в жидкости и газе энергии и преобразования ее в механическую работу
RU2084697C1 (ru) * 1995-08-15 1997-07-20 Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия Ветроэнергетическая установка
RU2176030C1 (ru) * 2000-07-25 2001-11-20 Московский энергетический институт (Технический университет) Ветроэнергетическая установка
RU2271453C2 (ru) * 2004-03-19 2006-03-10 Александр Павлович Волков Жидкостно-кольцевая машина
US20070114796A1 (en) * 2005-11-18 2007-05-24 Garces Luis J System and method for integrating wind and hydroelectric generation and pumped hydro energy storage systems
JP2007231760A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Norio Hosoda 気泡ポンプ揚水式複合水力発電装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106438173A (zh) * 2016-11-23 2017-02-22 宋亚力 气动压缩式水轮机及发电机

Also Published As

Publication number Publication date
EA012536B1 (ru) 2009-10-30
EA200800797A1 (ru) 2009-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Agarwal Review of pump as turbine (PAT) for micro-hydropower
CN101482083B (zh) 一种超低比转速混流式水轮机
CN201843122U (zh) 水力发电站尾水余能处理装置
Sharma et al. Run off river plant: status and prospects
CN103343725A (zh) 基于微型水斗与pvdf膜压电技术的复合雨水发电装置
JP7191232B2 (ja) 高機能の重力モーメント水力発電システム
CN201606189U (zh) 一种垂直轴风力发电机
Krupa Development of horizontal bulb hydroturbines for high heads with a wide range of reliable operation modes
CN1834451A (zh) 风力抽水蓄能发电调峰技术装置
Arifin et al. The Design and Fabrication of Waterwheels with System Floating Pontoon
WO2009100514A1 (ru) Пневмогидростанция и пневмогидрокольцевой двигатель
CN213116530U (zh) 一种液压式梯式水轮发电装置
CN200961561Y (zh) 风力抽水蓄能发电调峰技术装置
Lillahulhaq et al. Experimental study of small hydro turbine propeller performance with a variety of blade angles of attack
Nugraha et al. An experimental study of the effect of variation of impact levels on working efficiency of archimedes screw turbine on micro-hydro power plant
CN102226443A (zh) 风力储能发电装置与方法
CN111502890A (zh) 一种多级发电系统及其运行方法
Ibrahim et al. Experimental Studies of Pelton Hydropower Using Waste Water
CN102322381A (zh) 一种冲击式发电装置
CN1108737A (zh) 真空抽吸水力发电机组装置
CN202325979U (zh) 一种螺旋式动力输出装置
Ejiko et al. Hydroelectric Power Plant Design: A Case Study of Agric Livestock Investigation Centre Dam In Erinfun, Ekiti State
Rudi Cahyono AN EXPERIMENTAL STUDY OF THE EFFECT OF VARIATION OF IMPACT LEVELS ON WORKING EFFICIENCY OF ARCHIMEDES SCREW TURBINE ON MICRO-HYDRO POWER PLANT
CN211737350U (zh) 明渠流水循环聚能水体发电系统
KR101162429B1 (ko) 풍,수력 공기압 에너지 생산장치

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09709695

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09709695

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1