Способ работы теплового двигателя и газопаровой турбодвигатель романова

Способ работы теплового двигателя и газопаровой турбодвигатель романова

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплоэнергетике и двигателестроению и может быть использовано для любых стационарных и мобильных объектов в качестве силовой установки вместо паровых, газовых турбин и поршневых двигателей внутреннего и внешнего сгорания, а так же в качестве автономного теплоэлектрогенератора.

Создание изобретения продиктовано необходимостью использования для жизнедеятельности человечества более эффективных, экономичных и экологически чистых тепловых двигателей в связи с сокращением не возобновляемых запасов углеводородного топлива и ростом его мировых цен, а также необходимостью ограничения выбросов тепла и токсичных продуктов сгорания в атмосферу, что подтверждается Киотским протоколом.

Паровые и газовые турбины обеспечивают срабатывание всего избыточного давления пара (газов), но характеризуются большими потерями тепла и соответственно низкими термическим и эффективным КПД.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания характеризуются высокими начальными параметрами рабочих газов (давление, температура), но не обеспечивают их полного срабатывания из-за низкой степени расширения, обусловленной несовершенством кривошипно-шатунного кинематического механизма, используемого для преобразования потенциальной энергии в механическую. Степени сжатия и расширения равны, но после воспламенения сжатой топливовоздушной смеси давление продуктов сгорания повышается еще в несколько раз, при этом не обеспечивается их расширение до атмосферного давления и они, имея высокое давление и температуру, выпускаются в атмосферу, нанося вред окружающей среде.

Известно использование в тепловых двигателях комбинированных рабочих циклов путем объединения в один из двух независимо используемых в тепловых двигателях, а так же использование в одном рабочем цикле двух рабочих тел - газообразного и паро-образующего жидкого, с целью более полного использования теплоты продуктов сгорания и снижения токсичности выхлопных газов.

Так, известно введение парообразующей присадки в компрессор двигателя, в камеру сгорания, впрыск в камеру сгорания дизельных двигателей водотопливной эмульсии, однако эффективность использования потенциальной энергии пара с продуктами сгорания так же низка из-за ограниченной степени расширения.

Известен способ использования в газовой турбине теплоты выхлопных газов для генерации пара с последующим расширением его с продуктами сгорания в проточной части турбины ("Промышленная тепловая энергетика". Москва, Энергия, 1979 г., стр.136 - прототип).

Основными недостатками известного способа являются ограниченный диапазон избыточного давления и температуры, генерация пара в отдельном рекуперативном теплообменнике, что усложняет конструкцию турбины и снижает эффективность передачи тепла для нагрева воды и генерации пара, а так же потери тепла и пара с выхлопными газами.

Известен роторный двигатель внутреннего непрерывного сгорания с объемным расширением, содержащий кольцевой цилиндр, эксцентрично установленный относительно него ротор, выполненный в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, расположенным в полости цилиндра и делящим его полость на две эксцентрические полости переменного окружного сечения, в продольных прорезях выступа установлены лопасти, взаимодействующие с ним через кинематические механизмы. Лопасти делят полости цилиндра на множество, изменяющихся по величине, межлопастных объемов. Полости снабжены впускными и выпускными окнами и сообщаются перепускным каналом (патент России №2247837 - прототип).

Недостатком прототипа является ограниченная степень расширения, не обеспечивающая использование всего избыточного давления рабочих газов и теплоты продуктов сгорания и, соответственно, исключающая возможность достижения более высоких термического и эффективного КПД.

Предложен термодинамический цикл, в котором используются два рабочих тела - газообразное и жидкое, при этом теплота сжатия газообразного рабочего тела (воздух или топливовоздушная смесь) и избыточная теплота сгорания топлива после воспламенения и в процессе основного расширения продуктов сгорания, отводится парообразующей жидкости для ее нагревания, затем жидкость вводится в расширившиеся продукты сгорания, испаряется за счет теплоты продуктов сгорания и образует с ними газопаровую смесь с более высоким давлением и пониженной температурой, расширение которой продолжается до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкость, с возвратом теплоты конденсации газообразным продуктам сгорания. После охлаждения конденсат снова поступает для нагрева, испарения и расширения с газами, непрерывно совершая замкнутый рабочий цикл.

Парообразующая жидкость может вводиться в проточную часть расширения без предварительного нагрева, при этом теплота, отводимая системой охлаждения, будет теряться и термический КПД будет ниже.

Теплота конденсата может использоваться для потребителей тепла, после чего охлажденный конденсат возвращается в рабочий цикл двигателя так же для нагревания, испарения и расширения.

Способ работы теплового двигателя в соответствии с предложенным термодинамическим циклом включает непрерывное бесступенчатое объемное сжатие воздуха, непрерывную подачу топлива, непрерывное горение и непрерывное бесступенчатое объемное расширение продуктов сгорания, при этом теплота сжатия и избыточная теплота продуктов сгорания при горении и в процессе расширения отводится через рекуперативный теплообменник для нагревания проходящей по нему парообразующей жидкости, после чего она впрыскивается в расширившиеся продукты сгорания и испарившись образует с ними газопаровую смесь, расширение которой продолжается до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкое состояние, после чего газы выпускаются в атмосферу, а конденсат после охлаждения и удаления из него токсичных осадков снова подается в рекуперативный теплообменник.

Турбодвигатель, реализующий предложенные термодинамический цикл и способ работы, выполнен в виде модуля, содержащего два блока кольцевых цилиндров между которыми установлена планшайба ротора, при этом, по меньшей мере, один центральный цилиндр в каждом из блоков выполнен эксцентрично ротору, а остальные, включая последний периферийный, выполнены коаксиально ротору, для эксцентрических ротору цилиндров на планшайбе ротора выполнены кольцевые цилиндрические выступы, в продольных прорезях выступов установлены лопасти или лопатки рабочего колеса, взаимодействующие с выступами через кинематические механизмы, для коаксиальных ротору цилиндров на планшайбе выполнены лопатки, располагающиеся в полостях цилиндров без контакта с их стенками, при этом полости цилиндров в каждом из двух блоков, по меньшей мере, начиная с первой полости первого цилиндра до последней, последовательно от центра к периферии соединены перепускными каналами, образуя спиралеобразную проточную часть расширения, каналы сообщают полости цилиндров, эксцентрических ротору, в зоне уменьшения от максимальных до минимальных межлопастных объемов одной полости и пропорционального увеличения от минимальных до максимальных другой, последняя из которых сообщается с полостью цилиндра, коаксиального ротору, так же в зоне уменьшения ее межлопастных объемов от максимальных до минимальных, при этом все перепускные каналы, сообщающие полости проточной части, в окружном направлении отделены друг от друга зонами, длиной не менее шага лопастей или лопаток, исключающими их сообщение между собой, в первой полости проточной части в зоне минимальных межлопастных объемов выполнено впускное окно, а в последней полости выпускное окно в зоне после перепускного канала на расстоянии не менее шага лопаток.

Перепускные каналы, сообщающие цилиндры между собой, могут быть выполнены непосредственно в цилиндрических стенках, разделяющих их друг от друга.

Цилиндры, образующие проточную часть расширения, выполняются с последовательно увеличивающимися от цилиндра к цилиндру поперечными сечениями, при этом изменение поперечных сечений эксцентрических ротору цилиндров, обеспечивается увеличением длины цилиндров в осевом направлении, а коаксиальных цилиндров в осевом, радиальном или в радиально-осевом.

Турбодвигатель с принудительным воспламенением содержит один цилиндр, выполненный эксцентрично ротору, а остальные коаксиально ротору, при этом впускное окно в первой полости (полости сжатия) первого цилиндра выполнено в зоне максимальных межлопастных объемов, а выпускное окно в зоне минимальных, которое сообщается перепускным каналом с впускным окном второй полости первого цилиндра, являющейся первой полостью проточной части расширения, так же выполненным в зоне ее минимальных межлопастных объемов. В первой полости первого цилиндра, в зоне после впускного окна на расстоянии не менее шага лопастей, установлена форсунка для подачи топлива, а во второй полости первого цилиндра после впускного окна, на расстоянии не менее шага лопастей, установлена свеча зажигания.

Турбодвигатель с воспламенением от сжатия (дизель) содержит два цилиндра, выполненных эксцентрично ротору, а остальные коаксиально, при этом две полости первого цилиндра используются как полости сжатия воздуха (компрессор) и сообщаются перепускным каналом, сообщающим выпускное окно первой, расположенное в зоне ее минимальных межлопастных объемов, с дополнительным впускным окном второй полости, выполненным после ее основного впускного окна на расстоянии не менее шага лопастей в сторону вращения ротора, выпускное окно которой, выполненное в зоне ее минимальных межлопастных объемов, сообщается перепускным каналом с впускным окном первой полости второго цилиндра, являющейся первой полостью проточной части расширения, после впускного окна которой, на расстоянии не менее шага лопастей, установлена форсунка для подачи дизельного топлива.

В турбодвигателе может быть реализован комбинированный рабочий цикл, включающий два непрерывно осуществляющихся один за другим рабочих цикла - двигателя внутреннего непрерывного сгорания с объемным расширением и цикла газопарового ступенчатого объемного расширения с внутренним подводом теплоты продуктов сгорания к жидкому парообразующему рабочему телу (вода, водо-спиртовая смесь), путем непосредственного смешивания в проточной части расширения, для чего турбодвигатель снабжен источником избыточного давления парообразующей жидкости, который перепускным каналом сообщен с форсункой, установленной в первой полости проточной части расширения в зоне после максимальных межлопастных объемов, т.е. в зоне после основного расширения продуктов сгорания, при этом указанная часть полости выполняет функцию газопарогенератора.

Парообразующая жидкость до поступления в проточную часть расширения может пропускаться по системе охлаждения полостей сжатия и высокотемпературной зоны расширения газообразных продуктов сгорания, при этом система охлаждения выполняет функцию рекуперативного теплообменника, отводящего теплоту сжатия и избыточную теплоту продуктов сгорания жидкому рабочему телу для его предварительного нагревания.

Расширение газопаровой смеси осуществляется до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкое состояние.

В первой полости проточной части расширения осуществляется бесступенчатое объемное расширение газообразных продуктов сгорания, а в остальных полостях ступенчатое объемное расширение газов или газопаровой смеси. На лопастях и лопатках в зонах разобщения перепускных каналов проточной части расширения друг от друга, создаются перепады давления и крутящие моменты.

Кроме того, в турбодвигателе может быть реализован комбинированный рабочий цикл с внешним подводом теплоты и с расширением в нем рабочего тела подводимого извне (пар или газ), или газопаровой смеси, генерация которой осуществляется в проточной части турбодвигателя в первой полости первого цилиндра, с подачей в нее сжатых охлажденных выхлопных газов внешнего нагревателя и парообразующей жидкости, нагретой теплотой внешнего нагревателя до состояния насыщения, для чего турбодвигатель снабжен внешним нагревателем воды, работающим на органическом или углеводородном топливе, питательным насосом, газовым насос-компрессором, экономайзером и сборником конденсата, сообщающимся с питательным насосом.

Вода (парообразующая жидкость) питательным насосом подается в систему охлаждения газового компрессора, в экономайзер, внешний нагреватель и затем в первую полость проточной части турбодвигателя. Выхлопные (дымовые) газы внешнего нагревателя после охлаждения в экономайзере, газовым насос-компрессором под давлением так же подаются в первую полость проточной части турбодвигателя, где образуют с водой газопаровую смесь. В качестве газового объемного компрессора используются полости турбодвигателя, обеспечивающие отсос выхлопных (дымовых) газов и последующее сжатие их до давления не ниже давления газопаровой смеси.

В газопаровых турбодвигателях конденсат после очистки от растворенных в нем токсичных газообразных и твердых продуктов сгорания, вновь питательным насосом подается в турбодвигатель или поступает потребителям тепла, а затем снова в турбодвигатель, совершая замкнутый круговой цикл.

Для исключения потерь тепла в атмосферу и обеспечения адиабатности рабочего процесса газопаровой турбодвигатель может быть полностью покрыт теплоизоляцией.

Для расширения эксплуатационных возможностей турбодвигатель может содержать два ротора, каждый из которых обеспечивает работу одного из двух блоков турбодвигателя, при этом между ними (в стыке между планшайбами роторов) устанавливается упорно-осевой подшипник, соответственно каждый блок турбодвигателя снабжается собственными системами подачи топлива (для газового), или парообразующей жидкости (воды) и топлива (для газопарового), обеспечивающими независимую регулировку их подачи и соответственно получение различной мощности в блоках турбодвигателя.

В планшайбе ротора могут быть выполнены радиальные или спиралеобразные каналы для подачи по ним за счет центробежных сил охлаждающей среды, парообразующей жидкости или смазки.

В последнем цилиндре проточной части в его внешней цилиндрической стенке может быть выполнен сепаратор в виде перфорации для отделения конденсата от газов центрифугированием, и сборник конденсата.

Кинематические механизмы, обеспечивающие взаимодействие лопастей или лопаток рабочего колеса с выступами планшайбы ротора, выполнены в виде подвижных в окружном направлении частей выступов относительно неподвижных и подпружинены относительно последних. Для лопастей выполняется одна подвижная часть на каждом из отдельных выступов, для лопаток рабочего колеса две подвижные части (не показаны).

Заявленное комплексное изобретение, включающее термодинамический цикл, способ работы и турбодвигатель, направлено на решение задачи полного использования избыточного давления рабочего тела и теплоты сгорания топлива и обеспечения экологической чистоты выхлопных газов, с достижением максимально возможных термического и эффективного КПД и соответственно экономичности.

Задача решена объединением в один непрерывный рабочий цикл двух рабочих циклов - высокоэнергетического цикла непрерывного внутреннего сгорания и газопарового цикла с использованием теплоты предварительно отработавших газов для генерации пара и образования газопаровой смеси и последующим расширением ее до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкость.

Турбодвигатель обеспечивает срабатывание всего избыточного давления газов и использование почти всей теплоты сгорания топлива, при этом все твердые и газообразные токсичные вещества продуктов сгорания при прохождении по проточной части растворяются в паре, а после его конденсации выпадают в осадок и легко утилизируются, обеспечивая экологически чистый выхлоп.

После основного объемного бесступенчатого расширения газообразные продукты сгорания имеют высокую скорость, поэтому при дальнейшем ступенчатом центробежном расширении газов или парогазовой смеси, используется, по существу, их потенциально-кинетическая энергия, что повышает эффективность преобразования энергии рабочего тела в механическую работу.

Газопаровая смесь при расширении обеспечивает более высокий крутящий момент и, соответственно, более высокую мощность, чем газы при основном расширении, так как после впрыска парообразующей жидкости в высокотемпературные газы давление газопаровой смеси возрастает, и, кроме того, снижающееся от центра к периферии давление газопаровой смеси создает усилие на постепенно увеличивающихся радиусах и площадях, при этом общая мощность составляет сумму мощностей развиваемых газами и газопаровой смесью.

На фиг.1 изображен термодинамический цикл газопарового турбодвигателя в координатах P-V, где Q_т - теплота сгорания топлива, q_сж - теплота сжатия, q_ит - избыточная теплота сгорания, q_к - теплота конденсации, q_пг - потери теплоты с выхлопными газами; на фиг.2 - линейная диаграмма изменения параметров 3-х цилиндрового блока турбодвигателя с принудительным воспламенением, где Р_сж - давление сжатия в компрессоре; на фиг.3 - диаграмма изменения параметров 3-х цилиндрового блока турбодвигателя с самовоспламенением (дизель); на фиг.4 - диаграмма изменения параметров 4-х цилиндрового блока газопарового турбодвигателя, где Р_г - давление газов, Р_гп - давление газопаровой смеси; на фиг.5 - принципиальная схема турбодвигателя с самовоспламенением, поперечный разрез по второму блоку; на фиг.6 - сечение А-А фиг.5; на фиг.7 - турбодвигатель с принудительным воспламенением; на фиг.8 - турбодвигатель, содержащий только проточные части расширения для срабатывания пара или газа, подводимого извне, или для расширения газопаровой смеси, генерируемой в первой полости центрального цилиндра.

Объединение двух рабочих циклов в один непрерывный, простая и технологичная конструкция турбодвигателя с использованием для непрерывного преобразования потенциальной энергии непосредственно в механическую максимально эффективного роторного кинематического механизма, компактная спиралеобразная проточная часть, обеспечивающая центробежный характер движения рабочего тела при расширении, обеспечивают сверхвысокие показатели эффективности, экономичности и совершенства конструкции.

Уравновешенность в осевом и окружном направлениях, а так же отсутствие возвратно-поступательных перемещений деталей и рабочего тела, исключают вибрации турбодвигателя, а срабатывание давления до атмосферного обеспечивает бесшумный выхлоп. Кроме того, использование пара обеспечивает эффективную нейтрализацию токсичных газообразных и твердых соединений продуктов сгорания, возможность их утилизации и соответственно экологическую чистоту выхлопных газов.

В отличие от поршневых двигателей внутреннего и внешнего сгорания (Стир-линга), паровых и газовых турбин, у которых потери тепла через систему охлаждения и с выхлопными газами составляют более 50%, а эффективный КПД не превышает у лучших образцов - 50%, газопаровой турбодвигатель может обеспечить эффективный КПД до 75%, термический до 85%, а при использовании теплоты конденсата потребителями тепла термический КПД может достигать 90%. Удельный расход топлива в несколько раз ниже удельного расхода двигателей внутреннего сгорания и может составлять не более 40 г/кВт.час.

1. Способ работы теплового двигателя, включающий непрерывное сжатие воздуха, непрерывную подачу топлива, непрерывное сгорание топливовоздушной смеси и непрерывное расширение продуктов сгорания с паром, для генерации которого используют часть теплоты продуктов сгорания, отличающийся тем, что осуществляют бесступенчатое объемное сжатие и бесступенчатое предварительное объемное расширение газообразных продуктов сгорания, после чего в них вводят под давлением парообразующую жидкость, затем продолжают ступенчатое объемное расширение образовавшейся газопаровой смеси до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкое состояние.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газы выпускают в атмосферу, а конденсат после охлаждения и удаления из него осадков, снова используют в рабочем цикле.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что парообразующую жидкость до введения в проточную часть расширения нагревают, пропуская через рекуперативный теплообменник, отводящий от двигателя теплоту сжатия и избыточную теплоту продуктов сгорания при их предварительном расширении.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что парообразующую жидкость до введения в проточную часть расширения нагревают, пропуская через рекуперативный теплообменник, отводящий от двигателя теплоту сжатия и избыточную теплоту продуктов сгорания при их предварительном расширении.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что теплоту горячего конденсата используют для потребителей тепловой энергии.

6. Турбодвигатель, содержащий кольцевые цилиндры, эксцентрично установленный между ними ротор, выполненный в виде планшайбы с кольцевыми цилиндрическими выступами, расположенными в полостях цилиндров и делящими полости каждого на две эксцентрические полости переменного окружного сечения, в продольных прорезях выступа установлены лопасти, взаимодействующие с выступами через кинематические механизмы и делящие полости цилиндра на множество, изменяющихся по величине, межлопастных объемов, полости сообщаются перепускным каналом и снабжены впускными и выпускными окнами, отличающийся тем, что содержит два блока кольцевых цилиндров, между которыми установлена планшайба ротора, при этом, по меньшей мере, один центральный цилиндр в каждом из блоков выполнен эксцентрично ротору, а остальные, включая последний периферийный, выполнены коаксиально ротору, для эксцентрических ротору цилиндров на планшайбе ротора выполнены кольцевые цилиндрические выступы, в продольных прорезях выступов установлены или лопасти, или лопатки рабочего колеса, взаимодействующие с выступами через кинематические механизмы, для коаксиальных ротору цилиндров на планшайбе выполнены лопатки, располагающиеся в полостях цилиндров без контакта с их стенками, при этом все полости цилиндров в каждом из блоков, по меньшей мере, начиная с первой до последней последовательно, от центра к периферии соединены перепускными каналами, образуя спиралеобразную проточную часть расширения, перепускные каналы сообщают полости эксцентрических ротору цилиндров в зоне уменьшения от максимальных до минимальных межлопастных объемов одной полости и пропорционального увеличения от минимальных до максимальных другой, последняя из которых сообщается с полостью коаксиального ротору цилиндра также в зоне уменьшения ее межлопастных объемов от максимальных до минимальных, при этом все перепускные каналы проточной части расширения отделены друг от друга в окружном направлении зонами, длиной не менее шага лопастей и лопаток, исключающими их сообщение между собой, впускное окно выполнено в первой полости проточной части расширения в зоне минимальных межлопастных объемов, а выпускное окно в последней полости после перепускного канала на расстоянии не менее шага лопаток.

7. Турбодвигатель по п.6, отличающийся тем, что содержит один центральный цилиндр, выполненный эксцентрично ротору, а остальные выполненные коаксиально ротору, при этом впускное окно в первой полости первого цилиндра выполнено в зоне максимальных межлопастных объемов, а выпускное окно в зоне минимальных, которое сообщается перепускным каналом с впускным окном второй полости первого цилиндра, являющейся первой полостью проточной части расширения, при этом в первой полости первого цилиндра, в зоне после впускного окна, на расстоянии не менее шага лопастей установлена форсунка для подачи топлива, а во второй полости первого цилиндра, в зоне минимальных межлопастных объемов после впускного окна, на расстоянии не менее шага лопастей установлена свеча зажигания.

8. Турбодвигатель по п.6, отличающийся тем, что содержит два центральных цилиндра, выполненных эксцентрично ротору, а остальные коаксиально ротору, при этом впускные окна в первой и второй полостях первого цилиндра выполнены в зонах максимальных межлопастных объемов, а выпускные окна в зоне минимальных, при этом выпускное окно первой полости сообщается перепускным каналом с дополнительным впускным окном второй полости, выполненным после ее основного впускного окна, на расстоянии не менее шага лопастей в сторону вращения ротора, выпускное окно которой сообщается перепускным каналом с впускным окном первой полости второго цилиндра, являющейся первой полостью проточной части расширения, в которой на расстоянии не менее шага лопастей после впускного окна установлена форсунка для подачи дизельного топлива.

9. Турбодвигатель по п.6, отличающийся тем, что содержит внешний нагреватель, питательный насос, газовый насос-компрессор, экономайзер, сборник конденсата и два перепускных канала, один из которых сообщает последовательно питательный насос, систему охлаждения газового компрессора, экономайзер, внешний нагреватель, впускное окно проточной части расширения, сборник конденсата и питательный насос, а другой сообщает последовательно выхлоп внешнего нагревателя, газовый насос-компрессор и дополнительное впускное окно, выполненное в первой полости проточной части расширения.

10. Турбодвигатель по п.7, отличающийся тем, что снабжен источником избыточного давления парообразующей жидкости, который перепускным каналом сообщен с форсункой, установленной в первой полости проточной части расширения в зоне после максимальных межлопастных объемов.

11. Турбодвигатель по п.8, отличающийся тем, что снабжен источником избыточного давления парообразующей жидкости, который перепускным каналом сообщен с форсункой, установленной в первой полости проточной части расширения в зоне после максимальных межлопастных объемов.

12. Турбодвигатель по п.10, отличающийся тем, что перепускной канал до сообщения с форсункой проходит через рекуперативный теплообменник, отводящий от двигателя теплоту сжатия и избыточную теплоту продуктов сгорания при их предварительном расширении.

13. Турбодвигатель по п.11, отличающийся тем, что перепускной канал до сообщения с форсункой проходит через рекуперативный теплообменник, отводящий от двигателя теплоту сжатия и избыточную теплоту продуктов сгорания при их предварительном расширении.

14. Турбодвигатель по любому из пп.6-13, отличающийся тем, что содержит два ротора, каждый из которых выполнен с собственным валом, планшайбой с выступами и лопатками для одного блока цилиндров, при этом в стыке между планшайбами роторов установлен упорно-осевой подшипник.