Способ увеличения температурного перепада в тепловом двигателе и устройство для его осуществления

Способ увеличения температурного перепада в тепловом двигателе и устройство для его осуществления

Реферат

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках. Оно позволяет повысить КПД и долговечность силовых установок, снизить токсичность выхлопных газов. Способ увеличения температурного перепада в тепловом двигателе включает сжатие заряда воздуха в раздельных камерах головки цилиндра, введение струй топлива, смешивание их с воздухом и сгорание рабочей смеси. При этом струи топлива вводят и их сгорание проходит в одной из камер, расширение продуктов сгорания происходит совместно со сжатым воздухом другой камеры с образованием газовоздушной смеси, а топливо вводят в виде паровых струй. Устройство для увеличения температурного перепада в тепловом двигателе содержит цилиндрово-поршневую группу, головку цилиндра с топливной форсункой и камеры сжатия и сгорания в головке цилиндра. Камера сгорания дополнительно снабжена форсункой для впрыска паров воды, при этом внешняя поверхность камеры сгорания снабжена рубашкой охлаждения, а камеры сжатия - слоем теплоизоляции. Дополнительно размещенная в камере сгорания форсунка содержит распылитель с каналом, внутренняя поверхность которого снабжена бугорками и соплами. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно к поршневым двигателям внутреннего сгорания и газотурбинным установкам.

Уровень техники Известны поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним и внутренним смесеобразованием, рабочий цикл которых осуществляется при постоянном объеме и со смешанным сгоранием.

Общим основным недостатком поршневых двигателей всех известных типов является сравнительно низкий термический КПД, не превышающий 20-40%, высокая токсичность выхлопных газов и достаточно ограниченный моторесурс.

Известны газотурбинные силовые установки стационарные и транспортные, имеющие тот же основной недостаток - низкий термический КПД, не превышающий 30-36%.

Кроме того, из-за высоких температур на лопатках турбины проточная часть ГТУ и сами турбины изготовляются из дорогих и труднообрабатываемых сплавов, имеющих ограниченный срок службы.

Вторым недостатком быстроходных турбин является невозможность работы их на твердом топливе из-за высоких температур продуктов сгорания несущих с собой еще и частицы золы, являющиеся абразивными частицами, разрушающие лопатки и проточную часть турбин /эрозия лопаток и направляющего аппарата ГТУ/.

Сущность изобретения В целях существенного повышения термического КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания, снижения токсичности выхлопных газов, а также увеличения долговечности двигателя осуществляется следующее.

Сжатие заряда воздуха производится в раздельных камерах головки цилиндра с подачей топлива с помощью форсунки только в одну из камер, а расширение продуктов сгорания осуществляется в цилиндре совместно со сжатым воздухом выходящим из другой камеры сжатия. В результате смешивания газов с температурой T=2200 K и выше с воздухом из другой камеры, имеющим температуру T_в = 300-700^oC /в зависимости от степени сжатия в цилиндре/, значительно снижается средняя температура газов в цилиндре и температура выхлопных газов T₂ = 200-250^oC и менее, что целиком зависит от отношения объемов сжатого воздуха в камере сжатия к объему воздуха в камере сгорания.

Вместе с этим разделение сжатого воздуха на два объема /равных или с превышением одного объема над другим в несколько раз/ позволяет добиться наименьшего коэффициента избытка воздуха при горении горючей смеси в одной из камер - камере сгорания, с приближением до теоретически необходимого количества воздуха в процессе сгорания.

Этот процесс со сгоранием при минимальном _min = 1,01-1,05 /1,015/ обеспечивается за счет ввода топлива в камеру сгорания в виде паровых струй, причем перегретых паров топлива, что способствует значительному уменьшению периода индукции до воспламенения смеси, быстрому и качественному смешиванию двух газообразных веществ - воздуха и паров топлива /находящихся по сути в одном агрегатном состоянии/, и равномерному сгоранию горючей смеси /а не в отдельных локальных зонах как в дизеле/ с наибольшим тепловыделением в верхней зоне движения поршня в цилиндре на угле поворота коленчатого вала в 35-45^o, и существенному повышению давления продуктов сгорания на поршень. В результате резко возрастает параметр форсировки рабочего цикла по удельной работе газов /в кгсм на 1 кг заряда воздуха/ где _i - индикаторный КПД, - примерно в 2 раза по сравнению с дизелем, а следовательно, и общий эффективный КПД _э, таким образом, если рабочий цикл, выполняемый со смешиванием раскаленных продуктов сгорания с нагретым воздухом, приводит к снижению средней температуры рабочего процесса и температуры выхлопных газов T₂, то ввод в камеру сгорания вместо струй жидкого топлива паровых струй позволяет осуществить сгорание топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха, близком к единице, и достичь высокого показателя качества протекания рабочего процесса, превышающего тот же показатель в существующих дизелях более чем в два раза.

В этом принципиальное отличие нового класса двигателей с воспламенением от сжатия и от искры и внутренним смесеобразованием от всех известных типов поршневых двигателей и превышением их по коэффициенту полезного действия более чем в два раза.

В новом типе форсунок подача топлива в них осуществляется в виде жидкости, а истечение из сопел форсунки - в виде паровых струй. Сущность процесса преобразования кинетической энергии струи жидкого топлива в тепловую состоит в интенсификации турбулиизации пограничного слоя движущейся жидкости, приводящее к парообразованию, а ускорение этого процесса осуществляется путем интенсивного подвода тепла к распылителю форсунки из зоны камеры сгорания и применением наиболее теплопроводных материалов, в частности меди, для изготовления распылителя.

Газотурбинные силовые установки /ГТУ/ Повышение коэффициента полезного действия в новых газотурбинных установках осуществляется путем перехода к использованию больших объемов рабочего тела, многократно превышающих расходы газов через современные ГТУ при одной и той же мощности силовой установки.

Для достижения этой цели выполнена подача в топку сжатого воздуха от вентилятора с большим расходом воздуха при давлении до 1500 мм вод.ст. с протеканием продуктов сгорания через многоструйный эжектор, обеспечивающий засасывание больших объемов атмосферного воздуха и смешивание продуктов сгорания с ним.

В результате, как и в поршневом двигателе, достигается достаточно низкая температура смеси газов в смесительной камере многоструйного эжектора с большим объемным расходом рабочего тела через проточную часть турбины - 2-3-ступенчатой, выполненной большого диаметра /метры и до 18-22 м/.

Низкие скорости течения газов V = 10-12 и до 20-24 м/с через проточную часть турбин с повышением скорости потока газов в первой ступени направляющего аппарата и турбины на 100%, обеспечивают высокий внутренний КПД турбин, превышающий 90%, а высокая температура продуктов сгорания в топке газотурбинной установки - T₁ = 1800-2000^oC и низкая температура газов на выходе из корпуса турбомашины T₂ = 1...210^{2 o}C создают условия для получения высокого термического КПД, превышающего известные более чем в два раза.

Таким образом, высокая температура и высокие давления газов на лопатках турбины в современных ГТУ, при которых должен получаться максимальный КПД, компенсируются в описываемой ГТУ с большим диаметром турбин большими объемными расходами смеси продуктов сгорания и атмосферного воздуха при умеренных температурах и давлениях газов. Сжигание жидкого топлива также осуществляется с помощью форсунки, описанной выше /прототипом этой форсунки с сильно турбулизированным пограничным слоем за счет искусственной шероховатости в канале для протекания топлива служит "Устройство для снижения расхода топлива в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания" - Свидетельство на полезную модель N 4343 с приоритетом от 13.03.1996 г. по заявке N 96105115 - автора/, обеспечивающей поступление в топку перегретых паров топлива и достижение наименьшего коэффициента избытка воздуха при высокой температуре продуктов сгорания.

Низкая температура газов на лопатках турбины позволяет изготовлять турбины из обычных конструкционных сталей ниже стоимостью, чем жаропрочных сплавов, существенно повысить моторесурс ГТУ и осуществить работу ГТУ на твердом топливе.

В результате обеспечивается переход от паровых турбин к газовым на ТЭЦ или ТЭС, позволяющим существенно снизить стоимость одного киловатт-часа.

В описываемом способе увеличения температурного перепада большую роль приобретают вопросы подогрева воздуха и топливных паров для жидкого и газового природного топлива CH₄, позволяющий существенно повысить температуру сгорания в топке газотурбинной установки и соответственно КПД ГТУ.

Парообразование и перегрев паров в форсунке для жидкого топлива происходят так, как описано в материалах заявки, и зависят от степени искусственной шероховатости канала распылителя, давления топлива в форсунке, материала и тепловой инерции распылителя, степени сжатия и температуры газов в камере сгорания, контактирующих с поверхностью распылителя форсунки.

Высокая теплопроводность меди распылителя обеспечивает интенсивный подвод тепла из камеры сгорания в канал форсунки и, совместно с усиленной в нем турбулизацией струи жидкости, взрывное испарение топлива и перегрев паров до заданной температуры с истечением их с большой скоростью в камеру сгорания.

Перегрев паров топлива с температурой T = 600-700^oC позволяет вводить в камеру сгорания практически газ с термически разложившимися молекулами топлива, находящимися на атомарном уровне. В результате горючая смесь реагирует с огромными скоростями без задержки воспламенения /в данном процессе нет саморазгона химической реакции/, что в конечном итоге значительно повышает температуру сгорания T₁ и КПД ГТУ и ДВС.

Причем и при сгорании природного газа CH₄ в целях повышения температуры продуктов сгорания также необходим высокий нагрев с термической диссоциацией метана на углерод и водород с подогревом воздуха.

Комбинированная газотурбинная установка с большим объемным расходом рабочего тела может работать как на углеводородном топливе, так и на энергии ветра.

Она состоит из башни, выполняющей одновременно функции эжектора, подсоединенного с одной стороны к топке, а с другой по мере необходимости в работе турбин на природном топливе /в периоды отсутствия ветра/ - к двум турбомашинам.

Поворот машин осуществляется системой автоматики с плотным контактом их с отверстиями /окнами/ в башне для протекания через них продуктов сгорания. В те периоды времени, когда дует ветер со скоростью от 8 м/с и более, турбины работают в режиме ветродвигателей, а их ориентация на ветер осуществляется путем поворота несущей турбомашины балки системой автоматики.

Если описанная выше форсунка является теплогенератором, в которой механическая энергия топливного насоса преобразуется в тепловую в канале распылителя с парообразованием жидкости, то в нижеописываемом теплогенераторе механическая энергия двигателя: электрического, теплового, ветродвигателя и гидродвигателя преобразуется также в тепловую с передачей тепла жидкости в корпусе второго рода теплогенератора.

Он содержит ротор, установленный эксцентрично по отношению к оси корпуса, в котором в цилиндрах, расположенных по радиусам, движутся плунжеры, имеющие на концах башмаки, трущиеся о внутреннюю поверхность корпуса. В последнем залита жидкость, например вода, которая во время вращения ротора и трения башмаков о корпус нагревается. Устройство работает также в режиме поршневого ротационного насоса, обеспечивая циркуляцию горячей воды в контуре: отопления, парообразования, подачи горячей воды, а также в режиме компрессора.

Перечень чертежей На фиг. 1 показан в поперечном сечении поршневой двигатель с 2-мя камерами, из которых одна камера сгорания.

На фиг. 2 и 3 также в поперечном сечении с вырывом на первой фигуре изображена форсунка и распылитель к ней.

На фиг. 4 показана схема обтекания потоком бугорков на внутренней поверхности канала форсунки.

На фиг. 5 приведена принципиальная схема газотурбинной установки с турбинами большого диаметра и многоструйным эжектором и топкой.

На фиг. 6 показан в продольном сечении часть многострйуного эжектора с топкой и вентилятором.

На фиг. 7 приведена принципиальная схема комбинированной газотурбинной установки, работающей от двух источников энергии: продуктов сгорания углеводородного топлива и воздушного потока, генерируемого ветром.

На фиг. 8 - продольный разрез по теплогенератору.

На фиг. 9 - узел сопряжения коллектора с ротором.

На фиг. 10 приведена принципиальная схема подключения теплогенератора к различным потребителям тепловой энергии.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения 1. Поршневой двигатель, показанный на фиг. 1, содержит головку цилиндров /крышку/ с водоохлаждаемой камерой сгорания 1 и камеру сжатия /ресивер/ 2. Камера сгорания имеет рубашку 3 и форсунку 4, а камера сжатия снаружи покрыта теплоизоляцией 5.

Блок цилиндров 6 также имеет рубашку 7 для пропуска охлаждающей воды и поршня 8. Вспомогательная форсунка 9. Форсунка 4, показанная на фиг.2, может быть как насос-форсункой, так и просто форсункой закрытого типа с упорной иглой. В данном примере приведена насос-форсунка, содержащая прижимной колпак 10, с помощью которого к корпусу 11 крепятся детали форсунки, в том числе распылитель 12, внутри которого установлены известные детали: пружина 13, клапан 14 и штифт 15. В отличие от существующих распылитель имеет длинный и узкий канал 16 с внутренней шероховатостью, выполненной в виде, например, резьбы с зубцами 17 в виде трапеции /фиг. 4/. В конце распылителя устроены сопла 18 для истечения в камеру сгорания перегретых /или насыщенных/ паров топлива /см. Кудрявцев В.М. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. - М.: Высшая школа, 1983, с. 433-437, [1], а также "Свидетельства" на полезную модель от 26.06.1996 - автора, по заявке N 96105115/20 от 13 марта 1996/.

Сущность работы двигателя В отличие от известных типов двигателей со смешением и сгоранием порций топлива в объеме одной камеры сгорания - неразделенной или разделенной на две полости и догоранием топлива в последней и использованием в рабочем процессе всего объема сжатого воздуха в цилиндре в данном поршневом двигателе участвует в горении только часть объема воздуха, а остальной объем сжатого воздуха, накопленный в камере 2 при такте сжатия, используется лишь для смешения его с продуктами сгорания, вытекающими из камеры сгорания 1, в результате чего существенно снижается средняя температура газов в рабочем процессе и температура их при выпуске в атмосферу, т.е. температура выхлопных газов. Причем в зависимости от соотношения объемов воздуха, участвующего в горении топлива и поступающего в камеру сжатия 2, для использования при рабочем ходе поршня в процессе смешения его с продуктами сгорания и понижения температуры рабочего тела в цилиндре изменяется температурный перепад в рабочем цикле двигателя от наивысшей температуры газов при сгорании топлива Т₁ до наинизшей температуры выхлопных газов Т₂.

Способ позволяет значительно уменьшить низшую температуру Т₂ в цикле при наименьшем соотношении объемов воздуха U₁, участвующего в горении, и накапливаемого в камере сжатия U₂ /при полном объеме цилиндра U₀/, а также увеличить температуру горения T₁. Иными словами, чем меньше объем воздуха, участвующего за один рабочий цикл в горении, и чем больше объем воздуха при этом накапливается в камере сжатия 2, тем выше коэффициент полезного действия разбираемого цикла, намного превышающий КПД существующих двигателей внутреннего сгорания из уравнения /см. Сушков В.В. Техническая термодинамика. - М., Л., 1960, Госэнергоиздат, 95-110 [2]/.

Например, при T₁ = 2200 K и T₂ = /100-200^oC + 273/ = 373-474 K В этом рабочем процессе большое значение для повышения термического КПД цикла имеет то, что унос тепла с водой охлаждения крышки и блока цилиндров значительно меньше, чем в обычных двигателях, за счет существенно меньшей площади охлаждения поверхности камеры сгорания при устройстве теплоизоляции поверхности камеры сжатия и меньшего температурного градиента в самом цилиндре двигателя за счет смешения более холодного воздуха, вытекающего из камеры сжатия 2 с продуктами сгорания, поступающими в цилиндр из камеры сгорания 1.

Как известно, температура газов в выпускной трубе четырехтактного дизеля при полной нагрузке равна T₂ = 350-450^oC, а у карбюраторного - эта температура превышает 500-600^oC /см. Григорьев С.П. Тепловые двигатели и компрессоры. - М. : Трансжелдориздат, 1959, с. 123, 124 [3]/, в то время как температура продуктов сгорания в дизелях не превышает /ограничивается/ T₁ = T₂ = 1750-1800 K для малооборотных двухтактных и свыше 1900-1950 K - для среднеоборотных четырехтактных дизелей /см. Возницкий И.В. Рабочие процессы судовых дизелей. - М.: Транспорт, 1979, с. 32-34 [4]/, что в среднем дает около 0,63-0,65 /0,60/.

В результате термический КПД нового рабочего цикла на 15-20% выше, чем у существующих, а с учетом значительно меньших потерь тепла с охлаждением двигателей КПД возрастает еще более, примерно еще на 10-15%. Это является первым отличием силовой установки от существующих поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Вторым отличием двигателя от существующих является процесс подготовки топлива к сгоранию, смесеобразование и сгорание топлива с достижением наиболее высокой температуры T₁ = 2200-2250 K и более в связи с низким значением коэффициента избытка воздуха при сгорании, до 1,01-1,05 вместо 1,65-2,2 /см. [4], с. 38-49/.

Форсунка обеспечивает впрыск в камеру сгорания не струй жидкого топлива, как у существующих систем, а подачу паровых струй топлива под высоким давлением и качественное смешение паров с зарядом сжатого воздуха.

В этой форсунке наиболее ответственным элементом является распылитель, носок которого выступает в камеру сгорания и нагревается, что обеспечивает подвод тепла в зону канала 16. Испарение и перегрев паров топлива осуществляется за счет следующего: под давлением жидкость /топливо/ входит в канал 16, где за счет выполненной на внутренней стенке канала искусственной шероховатости происходит интенсивная турбулизация пограничного слоя жидкости. Искусственная шероховатость осуществляется образованием на поверхности стенки канала/ов/ чередующихся невысоких выступов - бугорков, которые могут иметь различную форму, в том числе и такую, как на фиг. 4.

При обтекании потоком таких бугорков возникают местные отрывные течения с образованием местных вихревых зон. Эти местные особенности течения обычно не затрагивают весь поток, а воздействуют в основном только на пограничный слой. Последний сильно турбулизируется, а главное, в нем периодически происходит разрушение ламинарного подслоя. Благодаря этому термическое сопротивление пограничного слоя на участке снижается и соответственно интенсифицируется теплообмен между стенкой канала 16 и газами в камере сгорания. Подбирая опытным путем рациональные параметры шероховатости, можно в значительной мере интенсифицировать теплообмен при относительно умеренном повышении гидравлического сопротивления. Как показывает опыт, с ростом величины S/h среднее значение коэффициента теплоотдачи на участке сначала растет и достигает максимального значения при (S/h)_max = 12-14, где S - расстояние между бугорками /или шаг резьбы для примера по фиг. 4/; h - высота бугорков.

Влияние искусственной шероховатости на усиление теплообмена в канале 16 можно учитывать коэффициентом эффективности шероховатости _ш= g_ш/g_гл, где g_ш, g_гл - тепловой поток при шероховатости поверхности и при гладкой стенке.

При оптимальном относительном шаге бугорков S/h = 13 имеет место максимальное значение коэффициента эффективности шероховатости.

_max = 2,34.

При этом высота бугорков должна быть примерно равной десятикратной толщине ламинарного подслоя: h10_л, где где - коэффициент гидравлического сопротивления гладкого канала.

Опыт показывает, что при рационально выбранной шероховатости интенсивность теплообмена можно увеличить в 2-2,5 раза, а гидравлическое сопротивление при этом возрастет в 1,3-1,5 раза /см. [1], с. 433-437/.

Для описываемой форсунки жидкое топливо при входе на зубцы 17 внутренней стенки канала 16 обтекает их с большой скоростью с образованием вихревых зон, заполняемых пузырьками паров топлива. Вместе с этим резко возрастает гидравлическое сопротивление движению жидкости в канале, способствующее преобразованию кинетической энергии движущейся жидкости в тепловую, которая увеличивается по мере движения жидкости, и при заданном значении длины канала 16 силы трения жидкости о стенки обеспечат полное испарение ее.

Однако в данном устройстве носок распылителя 12 подвержен воздействию высоких температур со стороны газов в камере сгорания, в результате чего обеспечивается интенсивный приток тепла в канал с взрывообразным испарением жидкого топлива, а также его перегревом и истечением в виде паровых струй через сопла 18 в камеру сгорания двигателя. Причем достигается не только испарение, но и охлаждение носка распылителя, способствующее надежности работы форсунки.

Таким образом, наряду с интенсификацией теплообмена искусственная шероховатость поверхности канала/ов/ позволяет резко увеличить коэффициент трения жидкости о твердые стенки за счет отрывных течений и местного вихреобразования, также позволяющее интенсифицировать процесс преобразования кинетической энергии жидкости в тепловую /или механической энергии топливного насоса в тепловую энергию/.

Истечение из сопел 18 форсунки паров топлива /вместо жидких струй/ позволяет не только улучшить рабочий процесс в двигателе, но и коренным образом повысить все его основные технические характеристики, еще более повышающиеся при использовании вместо единой камеры сгорания - 2-х камер, показанных на фиг. 1.

Первое. Процесс образования горючей смеси при истечении паровых струй топлива из сопел форсунки сокращается до минимума по времени, затрачиваемому лишь на смешивание паров топлива с воздухом, т.е. резко сокращается период задержки воспламенения или период индукции.

Второе. Сокращение периода задержки воспламенения обуславливает повышение скорости сгорания и давления газов, а также интенсивное тепловыделение в верхней зоне движения поршня на угле поворота коленчатого вала до 35-45^o.

Третье. Газообразное топливо /пары/ полностью смешивается с воздухом, так что при его сжигании требуется лишь очень небольшой избыток воздуха по сравнению с теоретической величиной. В результате снижаются потери теплоты на нагрев избытка воздуха и существенно повышается температура продуктов сгорания, т.е. температура верхнего источника цикла становится наибольшей - Т₁ может превышать 2200 K, с существенным ростом термического КПД.

Четвертое. Исчезают процессы пиролиза жидких капель топлива, образование жидкого кокса и дымление двигателя за счет выделения сажи.

Совокупное действие этих особенностей рабочего процесса обеспечивает существенное увеличение термического, индикаторного и эффективного КПД поршневого двигателя, а также его моторесурса.

Однако в двигателе применяется разделение общего объема сжатого при рабочем ходе поршня воздуха на две части, одна из которых обеспечивает сгорание топлива в камере сгорания 1, а вторая часть объема воздуха сосредотачивается в камере сжатия 2 и используется для снижения средней температуры газов в цилиндре, что в свою очередь существенно уменьшает теплонапряженность деталей двигателя и температуру выхлопных газов Т₂.

В результате резко возрастает температурный перепад и как следствие повышается коэффициент полезного действия двигателя в целом, т.е. эффективный КПД.

Одновременно снижается механическая напряженность двигателя за счет уменьшения среднего эффективного давления газов в цилиндре.

Поршневой двигатель с двумя камерами на один цилиндр является по существу наиболее совершенной машиной из всех существующих, в связи с высоким показателем качества протекания рабочего процесса _i/, где _i - индикаторный КПД; - коэффициент избытка воздуха при сгорании.

_i/ = (0,6-0,65)/(1,01-1,05) = 0,57-0,60, вместо 0,3 /см. [4], с. 43-49/.

Индикаторный КПД _i - показатель совершенства преобразования тепла топлива в индикаторную работу газов в цилиндре наиболее высок потому, что высок термический КПД 0,80 /см. выше/, а также потому, что низки потери тепла с охлаждающей водой из-за небольших цикловых подач топлива в камеру сгорания, имеющую равный или значительно меньший объем по сравнению с объемом камеры сжатия 2, несмотря на то, что описываемый двигатель работает преимущественно с наддувом для достижения приемлемых характеристик по весу, геометрическим размерам цилиндров и мощности, что также способствует еще большему повышению КПД.

Таким образом, снижение литровой мощности за счет разделения сжатого воздуха на два объема при сжатии его в цилиндре, компенсируется высоким давлением наддува, которое в данной силовой установке можно значительно повысить, по сравнению с существующими дизельными двигателями, для повышения среднего эффективного давления газов и мощности двигателя, не опасаясь высокой теплонапряженности двигателя за счет более низкой температуры смеси продуктов сгорания и сжатого воздуха в цилиндре, с применением 2- и 3-ступенчатого наддува.

Важной особенностью двигателя при этом становится увеличение коэффициента избытка воздуха ₁ в камере сжатия 2 до значений 1:1 или равных 2-4 и более при сохранении в камере сгорания до = 1,01-1,05. Т.е. объем воздуха в камере сжатия по сравнению с камерой сгорания от 1:1 до в 2-4 и более раз больше, что и обеспечивает достижение наибольшего термического и индикаторного КПД, а также способствует повышению КПД турбокомпрессора за счет протекания через его проточную часть больших объемов нагретых газов /повышается высота лопаток турбины/.

Степень сжатия - конструктивный параметр и принимается таким же, как и у существующих дизелей с наддувом, до 13-14 /16/.

Двигатели с впрыском легкого топлива и с зажиганием от искры В этом типе двигателя кроме форсунки 4 и электрической свечи /не показанной на чертеже/ устанавливается еще одна форсунка 9, выполненная по типу форсунки 4, однако служит для "впрыска" в камеру сгорания паров воды.

"Точно установлено, что вода позволяет: увеличить детонационную стойкость низкооктановых моторных топлив; экономить топливо; снизить концентрацию особо токсичных составляющих в выхлопных газах; повысить надежность и долговечность двигателя при работе на низкооктановых бензинах.

Все это объясняется тем, что вода снижает температуру горения и скорость горения топливовоздушной смеси; ускоряет превращение вредной окиси углерода в нейтральную двуокись; уменьшает содержание в выхлопных газах окислов азота; тормозит развитие цепных реакций предпламенного окисления углеводородов, повышает коэффициент наполнения цилиндра." /см. Чириков К. Двигатель. Знание, Техника, N 2, 1983, с. 40-46 [5]/.

Подача под давлением воды в форсунку 9 завершается ее протеканием и поступлением в канал 16 с искусственной шероховатостью, где она испаряется и в виде паровых струй из сопел 18 с большой скоростью поступает в камеру сгорания 1, где смешивается с топливовоздушной смесью. У этой форсунки так же, как и у топливной, носок распылителя 12 подвержен воздействию высоких температур, что обеспечивает интенсивное испарение воды и ее перегрев в канале 16 распылителя, а также его охлаждение.

По оценкам требуется подавать около 10% воды. Однако для увеличения октанового числа бензина на 10 единиц нужна водотопливная смесь, содержащая 30-50% воды /см. ту же брошюру К. Чирикова/. Впрыск топлива позволяет перейти на 2-тактный процесс работы двигателя и повысить его мощность в 1,7-1,8 раза по сравнению с 4-тактным, а применение в этом процессе более высокой степени сжатия /более 10,5/, точного выдерживания состава горючей смеси и небольшого коэффициента избытка воздух /1,01-1,05/, а также введение воды обеспечивает значительное повышение экономичности двигателя, которая еще больше повышается за счет перехода на работу с двумя замерами в крышке цилиндров: камерой сгорания 1 и камерой сжатия 2.

В результате в двигателях на тяжелых или легких сортах топлива достигается эффективный КПД, превышающий 51% _e= _iохлм, _i - термический КПД; _охл - КПД с учетом потерь тепла на охлаждение двигателя; _м - механический КПД; _e= 0,83 х 0,85 х 0,85 = 0,59 /см. Алексеев В.П. Двигатели внутреннего сгорания. - М.: Машгиз, 1960, с. 40-42 [6]/.

В принципе поршневой двигатель с двумя камерами на каждый цилиндр и большим отношением объемов камеры сжатия 2 к камере сгорания 1 - V_сж/V_к.сг >> 2 - может достичь КПД _e более 80% за счет низкой температуры выхлопных газов, однако при больших геометрических размерах цилиндров и большем весе.

Учитывая непрерывный рост стоимости углеводородного топлива, применение двигателей большого веса, но с высокой топливной экономичностью вполне становится оправданным на водном транспорте, тепловозах и стационарных силовых установках.

Более легкие двигатели, но с несколько меньшим КПД _e предназначены для применения в качестве автотракторных двигателей.

Для уменьшения длины канала 16 в форсунках 4, 9 в носке распылителя 12 выполняются несколько каналов с искусственной шероховатостью стенок, параллельно друг к другу или под углом к вертикальной оси форсунки. Такие форсунки необходимы для работы мощных силовых установок, а также могут применяться: - в различных технологических процессах в качестве непрерывных или импульсных парогенераторов /для испарения воды/, например при производстве железобетонных и бетонных изделий, пенополистирольных, для работы автоклавов различного назначения и многих других, а также для получения пара и горячей воды при работе насоса высокого давления от электродвигателя; - в движительных судовых установках для создания давления в потоке воды паром из форсунок, вместо винтового движителя. В этих случаях нагрев и испарение воды осуществляется только за счет сил трения между жидкостью и шероховатой поверхностью внутренних стенок каналов 16 форсунки, в результате высокого гидравлического сопротивления и наличия местных вихреобразований на зубцах 17 /фиг. 4/.

2. Газотурбинная силовая установка /ГТУ/. На фиг. 5 показана газотурбинная установка /ГТУ/ 19 с топкой 20 и многоструйным эжектором 21, обеспечивающим смешивание продуктов сгорания с небольшим коэффициентом избытка воздуха при горении топлива с большим объемом вторичного воздуха и выравниванием температуры газов в смесительной камере 22, имеющей при входе направляющие лопатки 23.

Многоступенчатая турбина 24 выполняется большого диаметра и работает на низких параметрах рабочего тела /смеси газов и воздуха/. Направляющий и спрямляющий аппараты 25, 26, компрессор 27. Многоструйный эжектор 21 состоит из нескольких суживающихся сопел 28, 29, 30, установленных в корпусе эжектора 21, в котором для входа атмосферного воздуха выполнены окна, размещенные по периметру корпуса на заданном расстоянии друг от друга и снабжены дверцами 31 для регулирования расхода всасываемого в эжектор воздуха /или поворотными заслонками/.

Сущность работы газотурбинной установки с большим диаметром турбин.

Известно, что удовлетворительного КПД ГТУ можно достигнуть только при очень высокой температуре t₁ газа перед турбиной, достигающей 700-900^oC и до 1330^oC на самолетных турбореактивных двигателях /см. Югов О.К. Согласование характеристик самолета и двигателя. - М.: Машиностроение, 1980, с. 48-50 и Кириллов И. И. Газовые турбины и газотурбинные установки. - М. Машиностроение, 1956, с. 7-57, 284-294 [7]/ при КПД несколько выше 30%.

Дальнейшее увеличение температуры газов перед турбиной на настоящем уровне развития материаловедения практически невозможно /нет еще таких жаропрочных материалов для изготовления лопаток и ротора турбин/.

В описываемой ГТУ используется, практически, тот же способ преобразования энергии углеводородного топлива, что и в вышерассмотренных поршневых двигателях, позволяющий значительно увеличить коэффициент полезного действия турбомашины при низкой теплонапряженности турбины путем протекания через нее больших объемных расходов рабочего тела, но с низкой температурой /t₁=250-300^oC до t₂ =70-120^oC или несколько отличающееся/.

Для получения больших объемов рабочего тела на фиг. 6 показан многоструйный эжектор 21, установленный над топкой 32 /колосниковая решетка 33, поддувало 34, топочный фронтон 35/. Для сжигания газового или жидкого топлива форсунки устанавливаются в топочном фронтоне 35.

Воздух под давлением R от компрессора 27 поступает к форсунке с жидким или газообразным топливом, смешивается с ним с образованием горючей смеси сгорающей в топке 32.

Продукты сгорания с температурой t'₁ = 2000-2200 K под давлением вытекают из сопла 28, засасывая через окна в корпусе 21, сечение которых регулируется нижними дверцами 31, вторичный воздух, после чего смесь газов с более низкой температурой и скоростью поступает в сопло 29 с всасыванием еще большего количества воздуха через окна в корпусе 21, с поступлением смеси газов в сопло 30 и с последующим выходом смеси воздуха и продуктов сгорания, с более низкой температурой и скоростью движения, но со значительно большим объемом в камеру смешения 22. Диаметр сопел 28, 29, 30 /и более/ различный и увеличивается от выхода из топки продуктов сгорания к входу в смесительную камеру /прототипом этому устройству может служить многостадийный эжектор шведской фирмы "Пиаб", см. ИР N 1/87 г., с. 27/.

Многоструйный эжектор позволяет существенно увеличить коэффициент инжекции и обеспечивает подачу больших объемов газа с низкой температурой t₁ = 200-300^oC на лопатки турбин.

Термический же КПД _i по аналогии с поршневыми двигателями определяют по уравнению Таким образом, в смесительной камере 22 течет большой объем газов со скоростью V до 14-18 /20/ м/с, т.е. скорость значительно ниже, чем в существующих ГТУ, а на лопатки турбины за счет суживающихся сопел направляющего аппарата