Багатороторний суперкавітаційний генератор енергії і. м. федоткіна

1. Багатороторний суперкавітаційний генератор енергії (далі - енергогенератор), що містить конічний ротор із гвинтовими канавками та соплами I-го ступеня, насос із електромотором, вал ротора енергогенератора сполучено з валом електромотора та насоса за допомогою муфт, коаксіально з ротором I-го ступеня на рівні сопел встановлено зубчасті вінця з зазором, меншим за 1 мм, сопла утоплено в циліндричні камери або укріплено на більших торцевих поверхнях конічних роторів, крім ротора I-го ступеня, який через турбовал трубопроводом з'єднано з нагнітальним патрубком насоса, встановлено ротори ІІ-го та ІІІго ступенів, всмоктуючі патрубки яких занурено в рідину, що збирається в нижній частині резервуара енергогенератора, який відрізняється тим, що на нижньому патрубку ротора ІІІ-го (останнього) ступеня встановлено суперкавітуючу крильчатку, а на днищі резервуара закріплено коаксіально з суперкавітуючою крильчаткою циліндричну обичайку з зазором між її внутрішньою поверхнею та краями крильчатки, не більшим за 1 мм. 2. Енергогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що суперкавітуюча крильчатка, встановлена на патрубку ротора останнього ступеня, розраховується по необхідному для роторів ІІ-го та ІІІ-го (останнього) ступенів напору за формулами: осьова швидкість, м/с: 2 3 37600 4 приводу в обертальний рух і вироблення електроПоставлена задача вирішується тим, що на енергії. всмоктуючому патрубку ротора ІІІ-го (останнього) Відомі роторні теплогенератори з використанступеня встановлено суперкавітуючу крильчатку, а ням гідродинамічної кавітації описані в роботах [2, на днищі резервуару закріплено коаксіально з су3]. перкавітуючою крильчаткою циліндричну обечайку В патентах [5-16] пропонуються роторні теплоз зазором між внутрішньою її поверхнею та краями генератори з роторами різної конструкції з привокрильчатки, не більшим 1мм, суперкавітуюча кридом від електромотора. Спільних ознак у конструльчатка встановлена на всмоктую чому патрубку кціях роторів із заявляємим генератором немає. ротора останнього ступеня, розраховується по Їх основний недолік у тому, що всі вони лише необхідному для роторів ІІ-го та ІІІ-го (останнього) потребують обертальної енергії, а не виробляють ступеня напору зп формулами: її. Осьова швидкість, м/с: Аналогами заявляемого генератора є двигун Voc = 2gH Ричарда Клема [1, 2, 3], прототипом якого був асде Н- необхідний напір, м. вод. cт. фальтовий насос по патенту США №3697190 [4] та Колова швидкість, м/с: енергогенератор по заявці [23]. Vокр = 2p r0,6n Прототипом заявляемого генератора є енергогенератори по заявці [22]. де r0,6 - радіус СК-крильчатки (суперкавітаційСпільними ознаками заявляемого генератора r ної) на r = 0,6 , n – число обертів, с-1 . з прототипом [22] являються: R - Конічна форма ротора. Відносна абсолютна швидкість: - Наявність гвинтових канавок у роторі. - Наявність сопел. - Наявність зубчатих вінців, розміщених коаксіально з ротором із зазором 1мм. - Розміщення електродвигуна з насосом на одному валі з ротором генератора. - Наявність багатозаходних шнекових гвинтових спіральних суцільних лопаток всередині порожнього ротора. - Наявність відбійних площадок з затопленими соплами для відбивання затоплених струменів, які виходять із гвинтових шнекових лопатей всередині ротора. - Наявність роторів ІІ-го, ІІІ-го і т. д. ступеня, які працюють на внутрішній циркуляції без використання напору насоса. - Наявність вмонтованого в резервуар змійовика для відбору тепла з метою зменшення опору в контурі циркуляції. - Виконання багатозаходних спіральних гвинтових лопатей всередині ротора за формулою h tg j = , pD де h = const - крок гвинтової лінії, D - змінний по висоті діаметр конічного ротора, j - кут на хилу лопаті. - Різний кут входу і виходу гвинтови х лопатей: - на вході в ротор j=30-40°, - на виході з ротора j=10-12°. - В роторах ІІ-го і ІІІ-го ступеня виконуються конічні шнекові насоси з забором робочої рідини з резервуару та викидом через сопла в резервуар. Відмінною ознакою є установка суперкавітаційної крильчатки на всмоктуючому патрубку ротора останнього ступеня та закріплення циліндричної обечайки на днищі резервуару коаксіально з крильчаткою з зазором, меншим 1мм. Недоліком прототипу [22] є недостатність напору на роторах ІІ-го, ІІІ-го (останнього) ступеня і пов'язана з цим недостатня ефективність цих роторів і генератора. Задачею заявляемого генератора є збільшення ефективності роботи та кількості енергії, що виробляється. 2 2 w0 = Voc + Voкк Число кавітації по відносній швидкості: pрк - pd s= pw2 / 2 0 де ррк - тиск у резервуарі енергогенератора, кПа, рd - тиск насиченої пари, наприклад, 4 кПа при температурі tp=20°C і місткості газів a г=1%. Продуктивність СК-крильчатки: Q=VocF, де F - площа СК-крильчатки. Кут атаки: a=b-b 0 де b - кут установки лопастей на r =0,6 ; H b = arctg , pD × 0,6 H=const - крок гвинта, D - діаметр СКкрильчатки. b 0 - напрямок відносної швидкості: V b 0 = arctg ос Vокр При цьому вся поверхня СК-крильчатки профілюється зі змінним уздовж лопаті кутом її на хилу H до горизонту b = arctg лопаті виконуються по 2p r профілю багатозаходного гвинта з числом заходів від 2-х до 5 і відповідним відношенням підйому H гвинтової лінії = 0,5 ¸ 3,5 . D Приклади розрахунку і конструювання суперкавітуючих крильчаток наведено в монографіях заявника [17, 21]. Там же приводяться результати випробувань СК- крильчаток. Розрахунки оптимального СК- насосу проводяться за формулами та методикою заявника, наведених у [17]. На першому етапі розрахунку визначаються допоміжні величини: K e, K m, l 0, V0 , Vокр , c, СН , С c . 5 37600 2 FS R = к 2 - відносний зазор між крильFmp Rmp чаткою та стінкою труби, FS - площа диску СК- насоса, Fmp - площа труби. F -F Km = S к , де Fк - площа, зайнята кавернаFS ми. V Відносний поступ l 0 = 0 у визначається як Vокр відношення осьової складової абсолютної швидкості потоку на вході в СК- колесо до окружної r складової при r = 1, де r = - відносний радіус R колеса. 4Q V0 = , 2 p Dк - dcm2 Кe = ( ) Vокр = 2 pnR , де R = Dк 2 Кe . Для r = 1 tgb0 = l 0 , l0 . 2 Величина c - число кавітації, характеризує кавітаційний режим СК- насоса: p -р c = вх 2 d , rV0 / 2 Для r ¹ 0 tg b0 = де pв х - статичний тиск рідини перед входом у СК- насос, рd - тиск насиченої пари рідини при її температурі. Cн - коефіцієнт навантаження по статичному напору: р -р Cн = ¥ 2 0 , V r 0 2 p¥ - p0 C де = Hcm, Cc = H - кавітаційний коr c +1 ефіцієнт навантаження по статичному напору. Коефіцієнт швидкохідності: nS = 3,65n Q . H3 4 Виходячи з припущення, що 6 яка дозволяє перейти від індуктивного поступу некавітуючого насоса l in до індуктивного поступу кавітуючого насоса: lik l in = . KK (при r = 1) Поправка на скінченність числа лопатей для некавітуючого насоса ведеться за методикою Копеєцького: c H = c ¥ + Dc , де z 1 + l ik (1- r ) , a 2 l ik r = 1 і DCH = CH - CH(прийняте ) ; якщо DСН ~0, то перерахунок не знадобиться, в протилежному випадку приймаємо нове значення СН . На другому етапі визначаються викликані швидкості w*s, w* s, : t a w*s = L t 1 tgbi , 2 2tgbi + K e + 1 é æ é (K + 1)ù ö ù ç ê l i lnê1 + e 2 ú ÷ ú ç K li 1 ê 1 ê ú ÷ú * ë û÷ e w fs = Lê -ç ú 2 2 2 ê tg b i + K e + 1 ç Ke + 1 ÷ú (K e + 1) ç ÷ú ê ç ÷ ê è øú ë û li = [0,85 - (1- К m )](r 2 - rcm2 ) + 0,16(r 3 - rcm3 ) , c= застосовується формула dCH 4L (1 - etg b i )c Kr = . dr tg 2b i + (Ke + 1) Вираховуємо коефіцієнт навантаження при l i - індуктивний поступ Kк = r arccos e - c , p Dc - задається. Для кавітуючого насоса: K cK = K cH і z = 3 . r Стала Лагранжа для r = 1: æl ö 2 ç i - 1÷ çl ÷ è 0 ø L= é é 1 ùù 2 ê Ke l i ln ê1 + (K e + 1) 2 ú ú 2 ê Ke ê li ú ú 1+ li ë û ê ú 2 2 Ke + 1 li + K e + 1 ê (Ke + 1) ú ê ú ê ú ë û . Для визначення оптимального розподілу навантаження вздовж радіуса лопаті з врахуванням кінцевого числа лопатей і профільного опору при коефіцієнті оберненої якості C e= H Cj w* W = V V0 l i (r = 1) l (r = 1) і tg bi = i . r r Використовуючи теорему про рівність викликаних швидкостей на нескінченності для некавітуючого й еквівалентного йому кавітуючого насоса, знаходимо поправку: c¥ = . Відомо, що dCH w b = 2 i2 Ke Cy K eKm (r )r , dr t V0 7 37600 8 крильчатки, і руху потоків робочої рідини в енергоì wr - w t¥ = cos b i генераторі. ï ï Vi Енергогенератор (Фіг.1, 2) складається з резе, íV + w t¥ рвуару 1, у якого вертикально розміщено конічний ï 0 = sinb i ï Vi ротор 2 з роторами ІІ-го (3) і ІІІ-го (4) ступеня, вал î ротора з'єднано муфтою 5 з валом електромотора Звідки 6, який у свою чергу сполучено з валом насоса 7. wr - w t¥ Vi = . З нижнього днища резервуару 1 трубопроводом 8 cos bi робоча рідина подається на всмоктуючий патрубок Підставивши, маємо: насоса 7, а з нагнітального патрубка насоса 7 ріdCH wr (wr - w t¥ ) b дина трубопроводом 9 подається в трубчату час=2 Cy K eK mr . тину тр убовала 10, якою надходить у нижню часdr V0 V0 cos b i t тину ротора 2, піднімається гвинтовими лопатями Приймаючи до уваги, що 11 у вер хню частину ротора 2, виходить із гвинтоV0 V вих каналів 12 у циліндричну камеру 13 ротора 2. l0 = = 0 , 2pnrк w rк При виході з гвинтових каналів, як із затоплених сопел, струмені робочої рідини вдаряються в пло2wts * wt¥ = щадки 14, на яких розташовані сопла 15. Виходячи V0 з сопел 15, перегріта робоча рідина закипає, і її отримаємо струмені вдаряються в зубці 16 з убчатого вінця 17, b l 0 2 cos b i dCH розміщеного коаксіально з ротором 2 з зазором до Cy = 2 . 1мм. t 2r K mK e (r - 2l 0w ts ) dr До ротора 2 коаксіально прикріплено ротор 3 b другого ступеня, а до ротора 3 коаксіально прикріВеличина - це відношення хорди лопаті до плено ротор 4 ІІІ-го ступеня. Ротори 3 і 4 виконано t подібно ротору 2, в конічній їх частині розміщено кроку лопатей. гвинтові лопаті, а в циліндричній -сопла. В ротор 3 Суперкавітуючі крильчатки збуджують ви хорі під дією відцентрової кавітації всмоктується роболанцюгів кавітаційних пухирців і генерують інтенча рідина з резервуару 1 через трубовал 18, а до сивну гідродинамічну кавітацію. Це спричиняє ротора 4 - через трубовал 19. швидке нагрівання робочої рідини та вироблення Гвинтові лопаті роторів 3 і 4 діють як шнекові великої кількості тепла. насоси та нагнітають робочу рідину в сопла, здійсОдночасно дуже важливим для підвищення нюючи локальну циркуляцію рідини: з резервуару ефективності кавітаційного процесу є дія гідроди1 у ротор, з ротора в сопла, з сопел знову в резернамічної кавітації на величину внутрішнього тепла вуар 1. випаровування Lv, яке під дією кавітації значно Засмоктування рідини в ротори 3 і 4 відбувазменшується, що дуже сприяє підвищенню ефекється під дією відцентрової кавітації. тивності паротурбінного кавітаційного циклу, який В нижній частині резервуару 1 розміщено змівиникає в цьому енергогенераторі при значному йовик 20 з вхідним (21) і вихідним (22) трубопроперегріві робочої рідини. водами для відбору тепла на технологічні потреби Оцінити механізм дії кавітації на величину внуабо для опалення приміщень. трішньої теплоти Ln можна так [17-21]: Трубопроводи 8 і 9 з'єднуються між собою пеL n = (1 - p )DUS + pWH - (1 - p )2 RT - n nid - nnp , ремичкою 23 з вентилем 24, а на трубопроводах 8 і 9 встановлено вентилі 25 і 26. де (1- p)DUS - енергія Н- зв'язків між найближНа резервуарі 1 у його нижній частині встаночими молекулами води, влено покажчик 27 рівня рідини. = DUH + WH 1164ккал/ моль, DUS Ln (°C) + LМ D US= , = Багатоступеневий ротор 2, 3, 4 (Фіг.3) встано- сума енергій Н- зв'язків і енергій ван-дервлено коаксіально з зубчатими вінцями 17, 28, 29. В найвищій точці контуру встановлено воронку ваальсової взаємодії (-0,8ккал/моль), pWH - енер30 з вентилем 31 для заповнення ротора 2 рідигія ван-дер-ваальсової взаємодії вільних Н- зв'язною. ків, WH=3,64ккал/моль, (p)RT - величина тепловміНа Фіг.3 зображено трьохступеневий ротор гесту міжмолекулярних степенів свободи, р нератора енергії з насосом: кількість Н- зв'язків. - Видаткова продуктивність Q=10м 3/год; На Фіг.1 зображено схему енергогенератора - Потужність електродвигуна N=5,5КВт; без суперкавітуючої крильчатки, на Фіг.2 - вигляд - Напір насоса Н=160м вод. cт.; зверху за відсутності вер хньої кришки резервуару, - Число обертів n =2960об/хв; на Фіг.3 подано багатоступеневий ротор генерато- Число ступеней 12; ра та показано циркуляційні потоки, а саме - в ро- Діаметр робочих коліс D=80мм. тор 1-го ступеня робоча рідина поступає зверху від Для забезпечення центрування ротора 2, 3, 4 насоса по трубчатому валу і викидається в резервідносно зубчати х вінців 17, 28, 29, до зубча тих вуар через сопла, в ротори ІІ-го і ІІІ-го (останнього) вінців прикріплено по три ролики 32, 33, 34, які ступеня робоча рідина самозасмоктується і також кінематично змикаються з ободами 34 під циліндвикидається через сопла в резервуар, а з резерричною камерою кожного ротора. Ролики 32, 33, вуар у - знову всередину ротора. Саме це самоза34 дозволяють витримати мінімальний зазор між смоктування і є вузьким місцем, тому на Фіг.4 посоплами 15 і зубцями 16 зубчатих вінців 17, 28, 29. казано приклад конструювання суперкавітуючої ( ) 9 37600 10 Генератор працює наступним чином: циркуляції стає відцентрова кавітація та створюПеред пуском заливають робочу рідину в реваний нею вакуум. зервуар 1 і через воронку 30 з вентилем 31-у роВідбір тепла здійснюється через змійовик 20, тор 2. Періодично пускаючи насос і доливаючи що розміщується всередині резервуару 1. Ніяких рідину, встановлюють її нормальний рівень по теплообмінників у тракті циркуляції не використопокажчику рівня 27. вується. Це дає можливість без втрат на подоланПісля встановлення нормального рівня робоня опору теплообмінників максимально використачої рідини в резервуарі, запускають насос 7, вклюти як напір насоса, так і напір ротора в режимі чаючи електромотор 6. розгону. Одночасно з насосом починає обертатися роНа відміну від прототипу [22, 23] робоча рідина тор 2, 3, 4 генератора. не самозасмоктується в порожнини роторів ІІ-го і Під дією напору насоса 7 всередині ротора 2 ІІІ-го ступеня, а нагнітається в них суперкавітуюпочинається гвинтовий рух рідини по лопатях 11 чою крильчаткою 39 (Фіг.4) через обечайку 37 із або всередині канавок у другій версії ротора. розтрубом 38. Під дією відцентрової сили всередині ротора 2 Джерела інформації: рідина відкидається до стінок, у центрі ротора 1. Роберт Кунц. Мотор Ричарда Клема и кониутворюється кавітаційна порожнината починаєтьческий насос. «Новая энергетика», №2, 2003г., ся засмоктування рідини всередину ротора, що с.61-64. зменшує навантаження на насосі. 2. Фоминский Л. П. Роторные генераторы даРідина з великою швидкістю викидається з рового тепла. Черкассы, «ОКО-Плюс», 2003г. гвинтових лопаток 11 через виходи 12, утворю346с ються затоплені струмені, їх реакція передається 3. Фоминский Л. П. Сверхединичные теплогеротору та прискорює його обертання. Удари цих нераторы против Римского клуба. Черкассы, струменів у площадки 14 спричиняють зворотні «ОКО-Плюс», 2003г. - 424с. реакції і далі підсилюють обертання ротора. З со4. Патент США №3697190 от 10.10.1972г. Аспел 15 починають витікати струмені рідини, утвофальтовый насос. рюючи реактивний рух ротора в протилежному до 5. Патент США №5188090 кл. 126/247 // Griggs витікання напрямку. Рідина перегрівається та J. L. // от 23.02.93. вскипає при виході з сопел 15, підсилюючи реак6. Патент СССР №1329629 МПК F 24 J 3/00. тивний рух ротора. Удари цих струменів, що витіНасос нагреватель текучей среды / Махмет Р. Геккають із сопел 15 по зубцях 16 спричиняють звосен // Бюл. №29, 1987. ротну реакцію, яка підсилює реактивний рух 7. Патент РФ №2054604 МПК F 24 J 3/00. Споротора. соб получения энергии / Кладов А. Ф. // приор, от Оскільки ротор 2 конічний, то утворюється ра02.07.93. діальна складова швидкості вихрового руху, яка 8. Патент РФ №2085273 МПК В 01 Р 7/00 / створює силу Коріоліса, що набуває значної велиКладов А. Ф. Бюл. №21, 1997г. чини у зв'язку з тим, що кутова швидкість 9. Патент РФ №2116583 МПК F 24 J 3/00. Спо-1 соб нагрева жидкости / Порсев Е. Г. // приор, от w = 2 pn = 2 × 3,14 × 50 = 314 c - це значна величина. 29.06.96. Внесен в Госреестр 27.07.98. Напрям сили Коріоліса співпадає з напрямком 10. Патент РФ №2061195 МПК F 24 J 3/00 / кутової швидкості та створює значний момент Способ тепловыделения в жидкости / Душкин А. П. обертання. и др. // Приор, от 21.06.95. Внесен в Госреестр В цей же час вступають у дію ротори 3, 4 II-го 27.05.96. та ІІІ-го ступеня. В результаті відцентрової кавіта11. Патент РФ №2142604 МПК F 24 J 3/00. ції всередині цих роторів створюється кавітаційна Способ получения энергии и резонансный насоспорожнина, утворюється вакуум, дією якого роботеплогенератор / Петраков А. Д. // Бюлл. №34, ча рідина засмоктується з резервуару і викидаєть1998. ся знову в резервуар через сопла 15. В ротор 3 12. Патент РФ №2159901 МПК F 24 J 3/00. Розасмоктування рідини з резервуару йде по труботорный насос-теплогенератор / Петраков А. Д. // валу 18, а в ротор 4 - по тр убовалу 19. Бюлл. №33, 2000. Інтенсивний розігрів робочої рідини в роторах 13. Патент України №50608А МПК F 24 J 3/00. 2, 3, 4 спричиняється відцентровою кавітацією, Нагрівач рідини / Потапов Ю. С, Фомінський Л. П., ударами затоплених стр уменів, що ви ходять із Потапов С. Ю. // Бюл. №6, 2000. гвинтових каналів 12, ударами струменів, які вихо14. Патент України №47535 МПК F 24 J 3/00. дять з сопел 15 по зубцях 16, зовнішніми ребрами Спосіб одержання тепла / Потапов Ю. С, Фомінсь36 (Фіг.4) на бічній поверхні ротора 4. кий Л. П. // Бюл. №7, 2002, пріор, від 18.05.2000. Перегрів рідини в резервуарі та в порожнинах 15. Патент РФ №2165054 МПК F 24 J 3/00. роторів призводить до її вскипания у соплах, що Способ получения тепла / Потапов Ю. С, Фоминсдає додаткові імпульси обертального руху. кий Л. П., Талмачев Г. Ф. // Бюл. №10, 2001. В решті решт, у результаті описаних явищ ро16. Патент України №50605А. Спосіб і пристрій тори не тільки не потребують енергії для їх обердля нагрівання рідини. / Фомінський Л. П., Потапов тання, а прискорюють рух. Тоді закривають вентиЮ. С, Потапов С. Ю. // Бюл. №10, 2002. лі 25 і 26 та відкривають вентиль 24. Робочу 17. Федоткин И. М., Г улый И. С. Кави тация, рідину з насосу випускають. Генератор набуває кавитационная техника и технология, их использосамостійного руху. А рідина циркулює через перевание в промышленности (теория, расчеты и консмичку 23, минаючи насос. Рушійною силою для її 11 37600 12 трукции КА) - К.: «Полиграфкнига», 1997 - 840 с, 20. Ткаченко А. Н., Федоткин И. М., Тарасов В. Часть I. А. Производство избыточной энергии. - К.: «Те хні18. Федоткин И. М., Г улый И. С. Кави тация, ка», 2002. - 329с. кавитационная техника и технология (теоретичес21. Ткаченко А. Н., Федоткин И. М., Тарасов В. кие основы производства избыточной энергии, А. Кавитационная техника и технология. - К.: расчет и конструирование кавитационных тепло«Техніка», 2001г. - 462с. генераторов). - К.: АО «ОКО», 2000г. - 898с, Часть 22. Заявка а 200713837 від 10.12.2007р. (Укр.) П. Багатоступеневий генератор тепла і обертового 19. Федоткин И. М., Боровский В. В. Избыточруху. /І. М. Федоткін. ная энергия и физический вакуум. Винница, 2004г. 23. Заявка а 200800925 від 25.01.2008р. Енер- 352с. гогенератор І. М. Федоткіна. 13 37600 14 15 Комп’ютерна в ерстка А. Крижанівський 37600 Підписне 16 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601