Двигатель внутреннего сгорания, способ работы двигателя и непрерывной подачи рабочего тела

Двигатель внутреннего сгорания, способ работы двигателя и непрерывной подачи рабочего тела

Реферат

 

Двигатель внутреннего сгорания, работающий под высоким давлением, в котором используется рабочее тело, состоящее из смеси сжатых неиспользованных при горении компонентов воздуха, продуктов сгорания топлива и пара и способ работы двигателя и непрерывной подачи рабочего тела используются в паровоздушных двигателях. Согласно изобретениям рабочее тело выдается при постоянном давлении и температуре. Воздух для горения подается адиабатически одной или несколькими ступенями сжатия. Топливо впрыскивают под нужным давлением. Сжигается по меньшей мере около 40% всего сжатого воздуха. Впрыскивается инертная жидкость под высоким давлением для образования пара и получения таким образом инертного пара-разбавителя с высокой удельной теплоемкостью, требующегося для внутреннего охлаждения турбины с внутренним сгоранием или системы другого типа. Активное применение впрыскивания жидкости препятствует образованию загрязнений, повышает КПД и мощность двигателя и уменьшает удельный расход топлива. 2 с. и 60 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к паровоздушному двигателю, который работает под высоким давлением и в котором используется рабочее тело, состоящее из смеси сжатого воздуха, продуктов сгорания топлива и пара. Кроме того, изобретение относится к процессам выработки электроэнергии в системе сжигания топлива, обладающей высоким КПД при низком удельном расходе топлива. Изобретение относится также к получению в процессе электроэнергии питьевой воды без значительного снижения КПД или повышения расхода топлива.

Двигатели внутреннего сгорания в целом подразделяются на двигатели с постоянным объемом или двигатели с постоянным давлением. Тактовые карбюраторные двигатели действуют на основе принципа взрывания летучего топлива в постоянном объеме сжатого воздуха возле верхней мертвой точки, в то время как в тактовых дизельных двигателях сгорание топлива происходит в более умеренных условиях, и для сгорания характерным является приблизительно постоянное давление.

Двигатели внешнего сгорания представлены паровыми двигателями и турбинами, а также некоторыми формами газовых турбин. Известно использование, в газовой турбине рабочего тела, нагретого и сжатого во внешнем источнике подачи рабочего тела, а также применение в различных движущихся устройствах энергии, накопленной в этом сжатом газе.

Известно также сжигание топлива в камере и выброс продуктов сгорания в рабочий цилиндр, иногда вместе с инжекцией воды или пара в соответствии с повышающейся температурой. Эти двигатели также могут быть отнесены к числу двигателей внешнего сгорания.

Предлагаются некоторые другие устройства, в которых камеры сгорания охлаждают путем добавления воды или пара вовнутрь вместо применения наружного охлаждения. Так, например, в патенте EP 209820 (D1) предложено добавление в камеру сгорания сочетания пара и воды, причем инжекцию воды понижают до значения расхода, позволяющего поддерживать установленную степень уменьшения выбросов Nox. Нет данных об использовании инжекции воды с целью повышения выработки энергии или того, что воду впрыскивали в количествах, позволяющих значительно увеличить объем рабочего тела, поступающего в турбину, с целью увеличения выработки электроэнергии. Кроме того, для увеличения выработки энергии используют инжекцию на выходе компрессора не воды, а пара. При наличии достаточного объема пара инжекция воды прекращается. В частности, в EP 209820 для инжекции в зону горения предпочитают пар, при его наличии, в качестве замены воды. В некоторых режимах работы расход воды полностью исключается. Другой вид устройства предложен для работы с использованием инжекции топлива в цилиндр сгорания при понижении температуры, при наличии средств, прекращающих инжекцию топлива, когда давление достигает нужной величины.

Каждый из этих предлагавшихся в прошлом двигателей имел недостатки, не допускавшие их широкого распространения в качестве источников энергии для первичных двигателей. Среди этих недостатков - неспособность такого двигателя удовлетворить внезапную потребность и/или поддержать постоянные рабочую температуру или давление, как может потребоваться для эффективной эксплуатации такого двигателя.

Кроме того, управление такими двигателями неэффективно, а способность газогенератора оставаться в состоянии незагруженного резерва совершенно неудовлетворительна. Во всех применяемых на практике конфигурациях двигателей потребность в охлаждении стенок, ограничивающих рабочие цилиндры, ведет к снижению КПД и ко множеству других недостатков, присущих двигателям внутреннего сгорания.

Настоящее изобретение позволяет преодолеть перечисленные выше недостатки. Во-первых, снижается потребность в воздушном или жидкостном наружном охлаждении за счет инжекции воды в процессе сгорания с целью контроля температуры полученного рабочего тела. Когда таким образом производится инжекция воды с превращением ее в пар, она сама становится частью рабочего тела, увеличивая объем рабочего тела без механического сжатия. Рабочее тело увеличивается при преобразовании избыточной температуры рабочего газа в давление пара.

В настоящем изобретении для согласования требований к рабочему двигателю используют независимый контроль температуры пламени горения и соотношения компонентов топливно-воздушной смеси. Контроль температуры пламени предупреждает также образование Nox и разложение CO₂, описанное ниже.

В настоящем изобретении используют также высокие степени сжатия в качестве средства повышения КПД и мощности при одновременном снижении удельного расхода топлива. При инжекции воды и ее превращении в пар в камере сгорания настоящего изобретения она воспринимает давление камеры сгорания. Следует отметить, что это давление камеры сгорания воспринимается паром вне зависимости от степени сжатия в двигателе. Таким образом, в двигателе можно получить более высокую степень сжатия без выполнения дополнительной работы по сжатию при инжекции дополнительного пара или воды. Поскольку согласно настоящему изобретению предусматривается инжекция большого количества воды, отпадает необходимость в сжатии разбавляющего воздуха, обычно применявшегося в предполагавшихся ранее системах для охлаждения. Отпадение этой потребности обеспечивает огромную экономию энергии в системе.

Поскольку согласно настоящему изобретению степень сжатия в устройстве возрастает при инжекции воды, очевидными становятся несколько преимуществ. Начнем с того, что не требуется никакой дополнительной работы для дополнительного сжатия воды или пара после того, как они были сжаты первоначально; иными словами, после сжатия пара до 2 атмосфер не требуется выполнять дополнительную работу по его дальнейшему сжатию до более высокого давления. В этом заключается отличие его, например, от воздуха, для повышения давления которого и получения таким образом дополнительной массы рабочего тела требуется выполнить дополнительную работу. Кроме того, при инжекции воды и превращении ее в пар согласно настоящему изобретению она воспринимает давление камеры сгорания без выполнения дополнительной работы. Этот пар также имеет постоянные энтропию и энтальпию.

В настоящем изобретении избыточное отходящее тепло горения превращается в давление пара и в дополнительную массу рабочего тела без механического участия. В отличие от этого в типичной циклической турбине Брайтона 66 - 75% механически сжатого воздуха используют для разбавления воздухом продуктов сгорания с целью понижения температуры рабочего тела в соответствии с требованиями к температуре на входе турбины.

Поскольку пар в два и более раза увеличивает образовавшееся при горении рабочее тело и на 15% и более увеличивает чистую мощность, воду можно рассматривать как топливо в новой термодинамической системе, поскольку она обеспечивает давление, мощность и эффективность настоящей системы.

Цикл согласно настоящему изобретению может быть открытым или замкнутым в отношении воздуха и воды по отдельности или вместе. Опреснение или очистка воды может оказаться побочным продуктом выработки электроэнергии на стационарных установках или на судах, причем цикл является открытым в отношении воздуха и замкнутым в отношении утилизации опресненной воды. Морские энергетические установки или системы очистки воды для ирригации приемлемы также с точки зрения охраны окружающей среды.

Настоящий цикл может также быть применен в фазе замкнутого цикла на подвижных объектах, т.е. легковых автомобилях, грузовиках, автобусах, пассажирском авиатранспорте и т.п.

Одной из задач настоящего изобретения является предложение нового, термодинамического энергетического цикла, который может быть открытым или замкнутым, и в котором происходит сжимание воздуха и стехиометрическое сжигание топлива и воздуха таким образом, чтобы обеспечить выработку эффективной, чистой энергии, с контролируемым загрязнением окружающей среды.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является также полный контроль температуры горения в двигателе за счет использования скрытой теплоты испарения воды без необходимости механического сжатия разбавляющего воздуха.

Еще одной задачей настоящего изобретения является уменьшение нагрузки воздушного компрессора относительно энергетической турбины, применяемой в двигателе, так чтобы можно было добиться медленного холостого хода и более быстрого разгона.

Еще одной задачей настоящего изобретения является возможность, в случае необходимости, отдельно контролировать температуру на входе турбины.

Другой задачей настоящего изобретения является варьирование в соответствии с необходимостью состава рабочего тела.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является обеспечение достаточной выдержки времени в миллисекундах, допускающей стехиометрическое горение, соединение и время для полного тушения и равновесного баланса.

Задачей настоящего изобретения является также такое горение и такое охлаждение продуктов горения, предупреждающие образование вызывающих смог компонентов, таких как Nox, NC-, CO-, мелкие частицы, продукты разложения CO₂ и т.п.

Задачей настоящего изобретения является также создание системы горения, обеспечивающей полное превращение химической энергии в тепловую.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является эксплуатация всей энергетической системы при как можно более низкой температуре, однако с хорошим термическим КПД.

Задачей настоящего изобретения является также обеспечение процесса конденсации при определенном разрежении с целью охлаждения, конденсации, отделения и утилизации пара в форме сконденсированной воды.

Задачей настоящего изобретения является также создание системы выработки электроэнергии, в которой в качестве охладителя используется морская вода и которая позволяет получить питьевую опресненную воду в качестве продукта выработки электроэнергии.

Задачей настоящего изобретения является также предложение нового цикла, который включает модифицированный цикл Брайтона в течение верхней части работы двигателя и паровоздушный паровой цикл в течение нижней части работы двигателя.

Задачей настоящего изобретения является также предложение турбинной системы выработки энергии, которая вырабатывает электроэнергию с более высоким КПД и при пониженном удельном расходе топлива по сравнению с существующими в настоящее время системами.

Задачей настоящего изобретения является также предложение системы выработки энергии, которая вырабатывает электроэнергию с общим КПД, значительно превышающим 40%.

В соответствии с одним из примеров реализации настоящего изобретения описан двигатель внутреннего сгорания. Этот двигатель включает компрессор, предназначенный для сжатия окружающего воздуха с получением сжатого воздуха, имеющего давление, превышающее или равное шести атмосферам, и повышенную температуру. Камера сгорания, соединенная с компрессором, конфигурирована таким образом, чтобы пропускать поступательный поток сжатого воздуха от компрессора. При инжекции топлива и воды соответственно в камеру сгорания требуется раздельный контроль инжекции топлива и воды. Количество впрыснутых сжатого воздуха, топлива и жидкости, а также температура вспрыскиваемой воды контролируются независимо друг от друга. Таким образом возникает возможность независимо контролировать среднюю температуру горения и соотношение топливовоздушной смеси. Впрыснутое топливо и контролируемая часть сжатого воздуха сгорают, а выделившееся тепло превращает впрыснутую жидкость в пар. Превращение впрыснутой жидкости в пар уменьшает температуру газов, понижая температуру горения за счет отбора тепла на испарение. Количество жидкости значительно превышает вес топлива, расходуемого при горении. Поэтому массовый расход образованного в процессе горения рабочего тела может увеличиваться при большинстве режимов работы в два и более раза.

Таким образом, в камере сгорания в процессе горения при определенной температуре горения образуется рабочее тело, состоящее из смеси сжатого топлива, продуктов сгорания топлива и пара. Это рабочее тело можно затем подать на один или несколько рабочих двигателей для выполнения полезной работы.

В более конкретных вариантах реализации настоящего изобретения для запуска двигателя применяется свеча зажигания. Двигатель может работать в открытом или замкнутом цикле; в последнем случае часть выбросов рабочего тела может утилизироваться. Температуру в камере сгорания определяют основываясь на информации, полученной от размещенных в ней температурных детекторов и термостатов.

При использовании настоящего изобретения температуру горения понижают за счет использования средства контроля горения, так что в рабочем теле достигаются стехиометрическое скрепление и равновесие. Вся химическая энергия впрыснутого топлива преобразуется в процессе горения в тепловую энергию, а испарение воды с образованием пара создает циклоническую турбулентность, способствующую молекулярному перемешиванию топлива с воздухом, что приводит к улучшению стехиометрического горения. Впрыснутая вода поглощает всю избыточную тепловую энергию, понижая температуру рабочего тела до максимальной рабочей температуры рабочего двигателя. Когда впрыснутая вода преобразуется в пар, она воспринимает давление камеры сгорания, без затрат дополнительной работы на сжатие и без дополнительной энтропии или энтальпии. Тщательный контроль температуры горения позволяет предупредить образование газов и соединений, вызывающих или способствующих образованию атмосферного смога.

В другом варианте реализации настоящего изобретения осуществляется выработка электроэнергии с использованием морской воды в качестве охладителя, в результате чего в качестве продукта выработки электроэнергии получается питьевая опресненная вода.

В третьем варианте реализация настоящего изобретения для двигателя описан новый процесс, так что когда двигатель работает со скорость вращения, превышающей первую заранее установленную скорость вращения, инжекция воды и часть сжатого воздуха, принимающего участие в горении, остаются постоянными при возрастании скорости вращения двигателя. Между первой и второй установленными скоростями вращения возрастает отношение вода/топливо, возрастает доля принимающего участие в горении топлива и варьируется количество воздуха для горения. Когда двигатель вращается со скоростью ниже второй установленной заранее скорости вращения, инжекция воды пропорциональна топливу и постоянна, в то время как доля сжатого воздуха, принимающего участие в горении, остается постоянной.

Использование такого процесса позволяет увеличить мощность, понизить скорость вращения, замедлить работу на холостом ходу, ускорить разгон и довести долю принимающего участие в горении сжатого воздуха до 95% при низкой скорости вращения.

Более полное понимание изобретения и другие его задачи и преимущества будут достигнуты при изучении прилагаемых рисунков и следующего подробного описания. Сущность настоящего изобретения изложена с подробностями в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 показана блок-схема паровоздушного паротурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показана блок-схема, характеризующая взаимозависимость давления и объема в термодинамическом процессе, применяемом в настоящем изобретении.

На фиг.3 показана схема, характеризующая взаимозависимость температуры и энтропии в термодинамическом процессе, применяемом в настоящем изобретении.

На фиг. 4 показана блок-схема паровоздушного паротурбинного двигателя, включающего средства для опреснения морской воды с целью получения питьевой воды в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 схематически показан один вариант реализации паровоздушного паротурбинного двигателя, показанного на блок-схеме на фиг.4.

На фиг. 6 схематически показан второй вариант реализации паровоздушного паротурбинного двигателя с возможностями опреснения, включающими особенности настоящего изобретения.

На фиг. 7 графически показано влияние степени сжатия на термический КПД паровоздушного паротурбинного двигателя с фиг.1.

На фиг. 8 графически показано влияние степени сжатия на термический КПД паровоздушного паротурбинного двигателя с фиг.1.

На фиг.9 графически показано влияние степени сжатия на мощность турбины паровоздушного паротурбинного двигателя с фиг.1.

На фиг. 10 графически показано влияние степени сжатия на полезную мощность паровоздушного паротурбинного двигателя с фиг.1.

Подробное описание изобретения A. Базовая конфигурация настоящей системы На фиг. 1 схематически показан газотурбинный двигатель, в котором реализованы положения настоящего изобретения. Окружающий воздух 6 сжимают компрессором 10 до нужной степени сжатия, получая сжатый воздух 11. В предпочтительном варианте реализации компрессор 10 является типичным хорошо известным трехступенчатым компрессором, а окружающий воздух сжимают до давления, превышающего четыре атмосферы, и предпочтительно 22 атмосферы, при температуре приблизительно 504,4^oC (1400^oF).

Сжатый воздух подается регулятором расхода воздуха 27 в камеру сгорания 25. Камеры сгорания хорошо известны в технике и, в настоящем изобретении, сжатый воздух 11 может подаваться ступенчатым, круговым способом регулятором расхода воздуха 27, подобным описанному в патенте США No 3651641 (Гинтер), который включен сюда в качестве аналога. Сжатый воздух 11 подается регулятором воздуха 27 ступенчато, чтобы поддерживать температуру пламени горения в камере сгорания на низком уровне.

Топливо 31 впрыскивают под давлением регулятором инжекции топлива 30. Регулятор инжекции топлива также хорошо известен специалистам в данной области, и регулятор инжекции топлива 30, применяемый в настоящем изобретении, может состоять из ряда обычных одноструйных или многоструйных топливных форсунок. Система подачи топлива под давлением (не показана) используется для подачи топлива, которым может быть любое подходящее углеводородное топливо, такое как дизельное топливо #2, топочный мазут, предпочтительно не содержащий серы, а также спирты, такие как этанол. Этанол может быть предпочтительным в некоторых сферах применения, поскольку он включает или может быть смешан по меньшей мере с некоторым количеством воды, которое может быть использовано для охлаждения продуктов сгорания, уменьшая таким образом потребности во вспрыскивании воды. Кроме того, смеси этанола с водой имеют гораздо более низкую точку замерзания, расширяя таким образом возможности использования двигателя в климатических условиях с температурами ниже 0^oC (32^oF).

Воду 41 вспрыскивают под давлением регулятором инжекции воды 40 и могут распылять через одно или несколько сопел до, в процессе и вслед за горением в камере сгорания 25, как дополнительно объясняется ниже.

Температуру в камере сгорания 25 регулируют регулятором горения 100, работающим совместно с другими элементами настоящего изобретения, перечисленными выше. Регулятор горения 100 может быть обычным образом запрограммирован микропроцессором с обеспечивающей разрядной логикой, микрокомпьютером или любым другим хорошо известным устройством, предназначенным для мониторинга и осуществления контроля в качестве реакции на сигналы обратной связи от мониторов, расположенных в камере сгорания 25 или связанных с другими компонентами настоящей системы.

Так, например, давление в камере сгорания 25 может регулироваться воздушным компрессором 10, реагирующим на изменения в скорости вращения двигателя. Датчики температуры и термостаты (не показаны) в камере сгорания 25 предоставляют регулятору горения информацию о температуре, на основании которой он дает команду регулятору инжекции воды 40 на вспрыскивание большего или меньшего количества воды. Аналогичным образом регулятор горения 100 контролирует массу рабочего тела путем варьирования смеси топлива, воды и воздуха, сгорающих в камере сгорания. 25.

Существуют некоторые хорошо известные практические ограничения, которые регулируют приемлемый верхний уровень температуры горения. Самым главным из этих соображений является максимальная температура на выходе турбины, которая может быть урегулирована в любой системе. Для реализации желательной максимальной температуры на выходе турбины регулятор инжекции воды 40 контролирует вспрыскивание воды в зависимости от потребностей рабочего тела с целью поддержания температуры горения в приемлемых границах. Впрыснутая вода поглощает значительную часть тепла пламени горения за счет затрат тепла на испарение воды при ее превращении в пар при давлении в камере сгорания 25.

Для возгорания топлива, впрыснутого в камеру сгорания 25, требуется степень сжатия более 12 : 1, необходимая для возгорания от самосжатия. Однако при более низких степенях сжатия возможно использование стандартной свечи зажигания (не показана).

Как упоминалось выше, регулятор горения 100 независимо контролирует количество сжатого воздуха для горения через посредство регулятора расхода воздуха 27, регулятор инжекции топлива 30 и регулятор инжекции воды 40, так чтобы сжигать впрыснутое топливо и расходовать часть сжатого воздуха. Для горения используется по меньшей мере 95% сжатого воздуха. Если при горении расходуется менее 100% O₂, то остается достаточно O₂ для завершения стехиометрического скрепления и для разгона. Если 100% воздуха расходуется в процессе горения, образуя CO₂, не остается кислорода для образования NOx. Теплота горения превращает также впрыснутую воду в пар, образуя таким образом рабочее тело 21, состоящее из смеси сжатых, негорючих компонентов воздуха, продуктов сгорания топлива и пара, образованного в камере сгорания. Компрессор 10 может обеспечить степень сжатия от 4 : 1 до 100 : 1. Температуры на выходе турбины могут варьироваться от 399^oC (750^oF) до 1260^oC (2300^oF) при том, что верхнее предельное значение определяется свойствами материалов.

Рабочий двигатель 50, обычно турбина, соединен с камерой сгорания 25 и получает из нее рабочее тело 51 для выполнения полезной работы (например, путем вращения вала 54) что, в свою очередь, приводит в действие генератор 56, который вырабатывает электроэнергию 58. В то время как в настоящем изобретении рассматривается использование в качестве рабочего двигателя турбины, специалистам в данной области должно быть ясно, что рабочее тело, создаваемое в соответствии с настоящим изобретением, может приводить в действие поршневые двигатели, двигатели Ванкеля, кулачковые двигатели или иные типы рабочих двигателей.

Рабочее тело расширяется, проходя через рабочий двигатель 50. После расширения рабочее тело 51 выпускается с использованием системы контроля выхлопов 60 при варьирующемся давлении (в пределах от 0,1 атмосферы и выше), в зависимости от того, используется ли замкнутый цикл с вакуумным насосом или открытый цикл. Система контроля выхлопов 60 может также включать теплообменник 63 и/или конденсатор 62 для конденсации пара 61 из рабочего тела 51, а также рекомпрессор 64 для выпуска рабочего тела 51. Пар, сконденсированный в конденсаторе 62, отводится как питьевая вода 65.

B. Термодинамический процесс, применяемый в настоящем цикле.

1. Общие объяснения.

Когда описанная выше камера сгорания используется в двигателе на практике, достигается множество термодинамических преимуществ. Они будут лучше всего понятны путем ссылки на термодинамические процессы цикла, используемые в настоящем изобретении, как схематически показано на диаграммах P - V и T - S на фиг.2 и 3. Настоящее изобретение, в котором вместе с рабочей турбиной используют пар, воздух и водяной пар, обозначают как цикл VAST; VAST - товарная марка, принадлежащая заявителю. При построении диаграмм, показанных на фиг.2 и 3, использовали следующие параметры: Степень сжатия = 22/1 3-ступенчатый компрессор Температура на входе турбины: 982^oC (1800^oF) Соотношение топлива и воздуха = 0,066 Расход 453 г (1 фунт) воздуха в секунду Температура воды на входе: 100^oC (212^oF) КПД компрессоров, используемых в компрессоре = 85% КПД рабочего двигателя (турбины) 50 = 85% Однако, как показано выше, эти рабочие параметры являются просто представительными характеристиками варианта реализации изобретения. Степень сжатия, температура на входе турбины и температура воды на входе могут варьироваться в зависимости от требований сферы применения, в которой используется цикл VAST. Кроме того, соотношение топлива и воздуха меняется в зависимости от типа применяемого топлива с целью обеспечения стехиометрических количеств, а применение более совершенных конструкций позволяет увеличить КПД компрессора и турбины. Кроме того, фиг.2 и 3 были рассчитаны исходя из расхода воздуха в один фунт в секунду. Повышение подачи воздуха при сохранении постоянного соотношения топлива/воздуха ведет к пропорциональному увеличению выработки энергии.

Цикл VAST является сочетанием рабочего цикла сжатого воздуха и парового цикла, поскольку и воздух, и пар присутствуют в качестве рабочего тела, в котором каждый создает часть суммарного давления, развиваемого в камере сгорания. В настоящем описании будет понятно, что термин "воздух" должен включать топливо, сгоревшее в подаваемом на вход воздухе наряду с любым избытком сжатого воздуха, который может присутствовать, и таким образом включает все продукты сгорания, в то время как термин "пар" относится к воде, которую впрыскивают в жидком виде, чтобы превратить ее в перегретый пар, но который также используется в рабочем цикле с изменением состояния, при котором часть пара становится жидкой водой. Новый цикл или процесс сгорания топлива допускает использование сочетания пара и воздуха в качестве рабочего тела, за исключением процесса сжатия, который касается только воздуха.

Ниже следует анализ термодинамических процессов цикла VAST. Как показано на фиг.2 и 3, процессы 1 - 2 и 2 - 3 показывают сжатие в компрессорах трехступенчатого компрессора 10. Условия на выходе компрессора 10 рассчитывают с использованием изэнтропических отношений для сжатия и реальные условия рассчитывают с использованием КПД компрессора 85%.

Как показано выше, сжатый воздух поступает в камеру сгорания 25 через регулятор расхода воздуха 27. Процесс, происходящий в камере сгорания, показан на фиг.2 и 3 как процессы 3 - 4.

В камере сгорания 25 топливо сжигается при постоянном давлении при условиях, также приближающихся к горению при постоянной температуре. Температура полностью контролируется, поскольку есть независимое регулирование топлива, воздуха и воды. Сжатый воздух, поступающий в камеру сгорания, после запуска, находится под постоянным давлением. Таким образом, сочетание подачи воздуха при постоянном давлении и фиксированном соотношении топливо/воздух с контролем температуры на выходе турбины путем впрыскивания воды обеспечивает постоянное давление в камере сгорания. Возгорание происходит в камере сгорания немедленно после впрыскивания топлива под высоким давлением и создает идеализированные условия возгорания для обеспечения эффективности и избежания загрязнений воздуха, причем рабочая смесь может первоначально быть богаче, чем смесь для полного сгорания, по мере продолжения горения добавляется дополнительный воздух, этот воздух добавляется по окружности вокруг горячего топлива и в количествах, которые как минимум равны количеству, необходимому для полного сгорания, стехиометрическому количеству, но могут в конечном счете превысить то, что необходимо для полного сгорания компонентов топлива. Как минимум 95% сжатого воздуха принимает участие в горении для того, чтобы оставить достаточно O₂ для завершения стехиометрического скрепления и для разгона.

Регулятор инжекции воды 40 впрыскивает воду под высоким давлением, которое может достигать 280 кг/кв.см (4000 фунт/кв.дюйм) или более. Благодаря высокой температуре в камере сгорания 25 впрыснутая вода немедленно превращается в пар и смешивается с газообразными продуктами горения. И в этом случае количество воды, которое добавляется в камеру сгорания 25, зависит от температуры на входе турбины и температуры воды непосредственно перед впрыскиванием. Часть тепла, выделяющегося при сгорании топлива, расходуется на повышение температуры сжатого воздуха от трехступенчатого компрессора до температуры на входе турбины. Остальное тепло сгорания расходуется на превращение воды в пар. Этот процесс представлен на фиг.2 и 3 частями этих диаграмм, обозначенных 3 - 4.

Общие разъяснения, приведенные ниже, основываются на одном комплексе условий эксплуатации системы с использованием дизельного топлива #2. В частности, указаны степень сжатия 22/1 температура на входе турбины 982^oC (1800^oF), давление на выходе турбины в 1 атмосферу и температура воды на входе 100^oC (212^oF). Кроме того, КПД компрессора и рабочего двигателя принято равным умеренному значению 85%. В результате полезная мощность двигателя составила 318,9 кВт (427,48 л.с.), удельный расход топлива - 0,098 г/БТЕ (0,556 фунт/л. с. час) (0,096 г/кВт) и КПД 0,241 (таблица данных). Примеры, рассчитанные в таблицах данных, демонстрируют результат варьирования степени сжатия в пределах от 10 до 50 при сохранении постоянных значений отношения топливо/воздух, температуры воды и температуры на входе турбины.

Аналогичным образом могут варьироваться и другие рабочие параметры. Так, например, возможно повышение температуры воды, при максимальной температуре не выше желательной температуры на входе турбины. Предпочтительно было бы, чтобы температуры воды повышалась до уровня, не менее чем на 50^oF (27^oC) ниже температуры на выходе турбины. Чем выше температура воды, тем больше объем воды, необходимый для понижения температуры горения до температуры на входе турбины, в результате чего увеличивается объем газов, поступающих на турбину и возрастает выработка электроэнергии. Аналогичным образом может быть повышена или понижена температура на входе турбины. Примеры 1 - 10 в таблице данных были рассчитаны для температуры на входе турбины, равной 982^oC (1300^oF). Это общепринятый максимум для турбин, в которых не используют жаропрочных сплавов или охлаждения полых лопаток воздухом или паром. Однако использование жаропрочных и/или коррозионностойких сплавов, жаропрочных композиционных материалов, керамических и иных материалов, предназначенных для использования при высоких температурах, таких как применяемые в турбореактивных двигателях, допускает работу при температуре, достигающей 1260^oC (2300^oF). Примеры 11 - 16 иллюстрируют работу при более высоких температурах.

Примеры 1 - 5 на таблице показывают, какое влияние на мощность, КПД и удельный расход топлива оказывает увеличение степени сжатия воздуха. В примерах 6 - 10 показан эффект повышения температуры воды на входе и уменьшения давления на выходе (рассчитанный для КПД турбины и КПД компрессора, равных 85%). В примерах 11 - 16 показано влияние степени сжатия воздуха на систему с температурой на входе турбины 1093^oC (2000^oF), давлением на выходе турбины 0,5 атм и температурой воды на входе от приблизительно 329,5^oC (625^oF) до приблизительно 371^oC (700^oF), рассчитанное для принятого значения КПД турбины, равного 90%. Следует отметить, что КПД турбины, равное 93%, считается достижимым в настоящее время для существующих осевых турбин со сжатием воздуха и расширительных линий силовых турбин.

В примерах от 1 до 16 в качестве топлива используется дизельное топливо # 2, соотношение топлива и воздуха в рабочей смеси равно 0,066, что является стехиометрическим соотношением для дизельного топлива #2. При других видах топлива для поддержания стехиометрических соотношений требуются другие соотношения топлива и воздуха. В примере 17 применяется метан, и отношение топлива и воздуха равно 0,058. В связи с тем, что метан горит более эффективно чем дизельное топливо, на единицу веса воздуха требуется меньше топлива и, в результате, добавляется меньше воды.

Пример 17 также рассчитан для КПД турбины 93% и температуры на входе турбины 1190^oC (2175^oF), что считается рабочими параметрами для поставляемых промышленностью турбин (в которых не принимается заявленное изобретение).

Влияние изменения степени сжатия воздуха на показатели системы, перечисленные в примерах 11 - 16, графически изображено фиг.7 - 10.

Камера сгорания, являющаяся предметом настоящего изобретения, отличается от применявшихся до сих пор устройств в принципе, поскольку объем рабочего тела может быть увеличен или при постоянном давлении, или при постоянной температуре, или при том и другом одновременно. Постоянная температура поддерживается регулятором горения 100 путем контролируемой инжекции воды регулятором инжекции воды 40 в ответ на показания мониторов температуры (термостатов) в камере сгорания 25. В камере сгорания 25 типичные температуры горения жидких углеводородных топлива достигают от приблизительно 1649 до 2093^oC (3000 - 3800^oF) при подаче компрессором 10 стехиометрического количества или некоторого избытка сжатого воздуха. Увеличение избытка воздуха приведет, конечно, к снижению температуры сгорания, но в небольшой степени повлияет на фактическую температуру горения или температуру зажигания.

Практический предел температуры выпуска из камеры сгорания 25 определяется в свою очередь прочностью материала вмещающих стенок при температуре выпуска, высокой устойчивостью к температуре стенок камеры сгорания, конструкционными материалами энергетической турбины и наличием раздельного охлаждения лопаток турбины, или наружного, или внутреннего. Эту температуру выпуска регулируют в подходящих пределах путем варьирования инжекции воды под высоким давлением, при мгновенном превращении которой в пар тепло испарения и перегрева сравнивается с теплом сгорания сжигаемого топлива. (Температура горящего топлива снижается до нужной температуры на входе турбины за счет затрат тепла на испарение и перегрев при испарении воды и ее последующем нагреве до температуры на входе турбины). Количество впрыснутой воды определяется, таким образом, нужной рабочей температурой, будучи меньше в случае сильного перегрева пара, но фактически поддерживая фиксированную рабочую температуру.

Рабочее давление поддерживается на постоянном уровне компрессором 10 в соответствии с требующимся для любой заданной частоты вращения двигателя.

Полученное в результате рабочее тело в форме смеси газообразных продуктов сгорания и пара пропускают затем в рабочий двигатель 50 (обычно турбину, как показано выше), в котором имеет место расширение парогазовой смеси. Выходные условия на выходе рабочего двигателя 50 рассчитывают, используя изэнтропические отношения и КПД турбины. Этот процесс показан на фиг.1 и 2 линией 4-5.

Выхлопные газы и пар из рабочего двигателя 50 пропуск