СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В ЭНЕРГИЮ ДВИЖЕНИЯ ПОТОКА ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F01D1/06 

Изобретение относится к энергетике и может быть применено в качестве генератора струй газа для привода газовых турбин и для других целей.

Изобретение не имеет близкого аналога и прототипа.

Известен способ преобразования теплоты в работу (в механическую работу, в кинетическую энергию газа), заключающийся в том, что рабочее тело сжимают, затем нагревают, после чего расширяют и охлаждают, причем при расширении получают работу, большую, чем затрачивают на сжатие. Величину избыточной работы оценивают термическим КПД.

Известен ряд разновидностей (термических циклов) такого способа, например теоретический цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении. При совершении этого цикла рабочее тело сжимают по адиабате, подводят к нему тепло по изобаре, затем расширяют по адиабате и отводят тепло по изобаре [1] .

Недостатком известных способов является то, что при их осуществлении сравнительно большая часть теплоты, подводимая к рабочему телу от нагревателя, отводится в теплоприемник (холодильник).

Целью изобретения является создание способа преобразования теплоты в энергию движения газа с более полным использованием внутренней энергии газа при его расширении и получение за счет этого добавочного динамического напора струй. Целью также является создание разгонного устройства для преобразования теплоты рабочего тела в энергию потока газа, основанного на предлагаемом способе. Достижение этой цели позволит создать двигатели, работающие за счет охлаждения окружающей среды или за счет охлаждения промышленных отходов газов, дыма отопительных систем.

Для этого предлагаемый способ преобразования теплоты в энергию движения потока газа, заключающийся в том, что к рабочему телу подводят тепло по одному из известных способов, например по изобаре, и предварительно закручивают его вокруг центра вращения, затем рабочее тело расширяют до заданного давления и при расширении отводят тепло во вращательное движение, для чего предварительно закрученный поток пропускают через кольцевую камеру в направлении центра вращения под разностью давлений с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения. Выходящий из кольцевой камеры поток газа сжимают до начального давления. Кольцевая камера имеет плоскопараллельную форму, переходящую со стороны оси вращения в воронкообразную форму.

Новым в предлагаемом способе является то, что предварительно закрученное рабочее тело расширяют до заданного давления и одновременно с расширением отводят от него тепло во вращательное движение, для чего закрученный поток рабочего тела пропускают под давлением через кольцевую камеру в направлении центра вращения с окружной скоростью, обратно пропорциональной радиусу вращения.

Новые приемы способа можно назвать генеративным процессом или расширением по генерате, поскольку в этом обобщенном процессе приращение вращательного движения частично генерируют непосредственно из теплоты. В этом случае все перечисленные приемы предварительно способа запишутся в такой формулировке: к рабочему телу подводят тепло, например, по изобаре, предварительно закручивают его и затем полностью расширяют по генерате, после чего сжимают по адиабате до начального давления.

Во время расширения по генерате производят расширение предварительно закрученного рабочего тела с одновременным преобразованием теплоты в приращение скорости вращательного движения, т. е. генерируют вращательное движение из той части теплоты, которую при совершении известных способов (термодинамических циклов) отводят в теплоприемник. Условия для такой генерации вращательного движения из теплоты существуют при движении закрученного газа к центру вращения под действием центростремительной силы. Последнюю создают тем, что рабочее тело постоянно расширяют во время движения его от входного сечения разгонной камеры к выходному ее сечению, образуя радиальный градиент давления.

На фиг. 1 изображено устройство для преобразования теплоты в энергию движения; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1.

Устройство имеет разгонную камеру 1, снабженную на входе направляющим аппаратом 2 и на выходе лопаточно-поворотным аппаратом 3. За последним размещен кольцевой диффузор 4. Кроме того, установлена емкость 5 с горючим в ней для подогрева столба воздуха, заполняющего проточную полость. Разгонная камера 1 состоит из плоскопараллельного и воронкообразного участков.

Во время работы устройства рабочее тело всасывается в направляющий аппарат 2, откуда течет в разгонную камеру 1 под углом к направлению вращения, имея две составляющие своей скорости: тангенциальную U_r и радиальную U_R. Из плоскопараллельного участка разгонной камеры рабочее тело поступает в воронкообразную ее часть, где появляется и все возрастает осевая составляющая (U_о.с) скорости потока газа, благодаря чему приращение радиальной скорости все уменьшается. С некоторого расстояния это приращение становится отрицательным и потому U_R убывает. После полного поворота потока на 90^о U_о.с становится максимальной, а U_R равна нулю. Имея максимальную скорость на выходе из разгонной камеры 1, поток входит на лопатки лопаточно-поворотного аппарата 3, где изменяет направление движения на осевое (вертикальное) и одновременно частично тормозится, при этом давление увеличивается. Далее газ течет в диффузор 4, в котором скорость потока также уменьшается за счет торможения. С оставшейся скоростью струя истекает из диффузора и используется в практических целях, например направляется на колесо газовой турбины для выработки механической работы или электрической энергии. (56) 1. Емин О. Н. и Зарицкий С. П. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами. М. : Машиностроение, 1975, с. 9, рис. 11.

Изобретение относится к энергетике и может быть применено в качестве генератора струй газа для привода газотурбинных двигателей, генераторов электрического тока, а также для различных других целей. Способ состоит в том, что к газу подводят тепло, например, по изобаре, предварительно закручивают его вокруг центра вращения и расширяют, при этом дополнительное закручивание и вращение происходит за счет радиального градиента давления с окружной скоростью, изменяющейся обратно пропорционально радиусу вращения, после чего сжимают до начального давления. Способ осуществляют с помощью устройства, выполненного в виде разгонной камеры, имеющей плоскопараллельный кольцевой участок, переходящий в воронкообразную форму со стороны оси вращения. На входе в разгонную камеру установлен направляющий аппарат. На выходе из нее смонтирован лопаточно-поворотный аппарат, в котором поток газа тормозится и изменяется направление своего движения на осевое. За лопаточно-поворотным аппаратом смонтирован кольцевой диффузор, в котором поток притормаживается до нужного давления, после чего поступает либо на лопатки колеса газовой турбины, либо используется для других целей. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ преобразования теплоты в энергию движения потока газа, заключающийся в предварительном нагреве газа и его расширении при полном переходе располагаемого перепада давления в скоростной напор, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, газ при расширении дополнительно закручивают и вращают радиальным градиентом давления с окружной скоростью, изменяющейся обратно пропорционально радиусу вращения. 2. Устройство для преобразования теплоты в энергию движения потока газа, содержащее корпус с размещенными на его входе сопловым аппаратом, подключенным к камере сгорания, а на выходе - диффузором, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным источником тепла, расположенным внутри разгонного устройства по его оси, корпус выполнен в виде кольца плоскопараллельной формы с входом по периферии кольца и выходом, расположенным параллельно оси устройства.