ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F01K21/04 

Изобретение относится к преобразователям тепловой энергии в механическую, в частности к парогазовым установкам, и может быть использовано в качестве двигателя для передвижных теплоэлектростанций и транспортных средств.

Известна парогазовая установка, выбранная в качестве прототипа, содержащая котел, камеру сгорания, размещенную в котле, двигатель и компрессор, соединенные друг с другом с помощью механической передачи, при этом котел с двигателем и компрессор с камерой сгорания соединены между собой посредством магистралей соответственно для подвода парогазовой смеси и сжатого воздуха.

Недостатком прототипа является невысокая энергетическая эффективность установка, обусловленная использованием только одного твердого топлива, низкий КПД преобразования тепловой энергии в механическую, сложность эксплуатации.

Изобретение решает задачу повышения энергетических и эксплуатационных характеристик установки.

Это достигается тем, что в парогазовой установке, содержащей котел, камеру сгорания, расположенную в котле, двигатель и компрессор, соединенные друг с другом с помощью механической передачи, при этом котел с двигателем и компрессор с камерой сгорания соединены посредством магистралей соответственно для подвода парогазовой смеси и сжатого воздуха, в камере сгорания установлены форсунка и электрод, причем выход камеры расположен в верхней части котла, двигатель и компрессор выполнены в виде роторного двигателя, а механическая передача между ними - в виде ременной передачи, снабженной устройством натяжения ремня, при этом установка дополнительно снабжена емкостью высокого давления для сжатого газа, установленной в магистрали с арматурой между компрессором и камерой сгорания, емкостями для газообразного и жидкого топлива, соединенными соответствующими магистралями с арматурой с форсункой, радиатором, выполненным из трубок и снабженным вентилятором, и холодильником, выполненным с возможностью конденсации паров воды и выброса в атмосферу отработанных газов, при этом радиатор с помощью магистралей для отработанной парогазовой смеси соединен с выходом двигателя и входом в холодильник. Последний посредством магистрали для подачи сконденсированной воды с установленным в ней насосом соединен с котлом, причем поверхности котла, двигателя и магистрали между котлом и двигателем и между двигателем и радиатором покрыты теплоизоляцией, ввод магистрали для подвода парогазовой смеси в радиатор и ввод в котел магистрали подвода сжатого воздуха в камеру сгорания снабжены теплоизоляционными шайбами, а в магистрали для отвода воды из холодильника в котел установлен теплоизолирующий кран.

Роторный двигатель выполнен с ротором, ось вращения которого смещена относительно внутренней цилиндрической поверхности корпуса двигателя, при этом ротор снабжен сквозными прорезями, в которых размещены две рабочие лопатки с пластинами, установленными на их торцах, полукольцами, закрепленными на торцах ротора, четырьмя дополнительными лопатками с пластинами, установленными на их торцах и расположенными на роторе под углом 60^о относительно рабочих лопаток, причем в виде ротора выполнен канал для подвода сжатого воздуха к рабочим и дополнительным лопаткам с пластинами и полукольцам для их поджатия, который через штуцер, выполненный из теплоизолирующего материала, с помощью магистрали, снабженной редуктором, соединен с емкостью высокого давления для сжатого воздуха.

Устройство натяжения ремня выполнено в виде ролика, закрепленного на штоке исполнительного механизма, электрически связанного с электроконтактным манометром, соединенным с емкостью высокого давления.

На фиг.1 показана схема парогазовой установки; на фиг.2,3 - сечение А-А на фиг.1.

Установка (фиг. 1) состоит из емкости 1 для газообразного топлива, например метана, емкости высокого давления 2 для сжатого воздуха, снабженной заправочной трубой 3 и клапаном 4, емкости 5 для хранения жидкого топлива. На магистралях подачи газообразного и жидкого топлива и воздуха из указанных емкостей установлены соответственно краны 6, 7, 8. Эти краны предназначены для регулирования соотношения объемов воздуха и метана или жидкого топлива и воздуха, поступающих в камеру сгорания. Установка также содержит заслонку 9, установленную на воздушной магистрали, топливный насос 10 для подачи жидкого топлива, электроконтактные манометры 11, 12, расходную емкость 13, соединенную с емкостью 1 посредством крана 14. Газообразное или жидкое топливо из емкостей 1,5 подводится к форсунке 15, установленной внутри магистрали подвода сжатого воздуха, ввод которой в котел снабжен теплоизоляционной шайбой 16. В камере сгорания 17 установлен электрод 18, электрически соединенный с устройством 19 зажигания. Камера сгорания 17, выход которой размещен в верхней части котла (парогазовой полости), установлена внутри котла 20, наружная поверхность, которого покрыта теплоизоляцией 21. Котел 20 с помощью магистрали, наружная поверхность которой также покрыта теплоизоляцией, соединен с роторным двигателем 22. Последний содержит ротор 23, ось вращения которого смещена относительно внутренней цилиндрической поверхности корпуса роторного двигателя 22, две рабочие лопатки 24, четыре пластины 25, установленные на торцах рабочих лопаток, четыре полукольца 26, предназначенные для устранения зазора между внутренней поверхностью роторного двигателя и крышками 27 (фиг.2). В роторе 23 установлены четыре дополнительные лопатки 28 с восемью пластинами 29, предназначенными для устранения зазоров между ротором 23 и внутренней цилиндрической поверхностью роторного двигателя 23 и его крышками 27 при прохождении рабочими лопатками 24 горизонтального положения. В вале роторного двигателя выполнен канал, по которому в середину ротора от емкости высокого давления 2 через редуктор 30 подводится сжатый воздух для прижатия лопаток и полуколец к внутренней поверхности двигателя и крышкам. В состав редуктора входят пружина 31, поршень 32, шток 33 с выемкой и муфта 34. Сжатый воздух попадает внутрь ротора через штуцер 35, выполненный из теплоизоляционного материала. Выход роторного двигателя через теплоизоляционную шайбу 36 соединен с трубчатым радиатором 37, обдуваемым воздухом при помощи вентилятора 38, соединенного с холодильником 39. Последний трубой 40 соединен с окружающей средой. Вода, образовавшаяся в холодильнике 39, возвращается обратно в котел 20 при помощи насоса 41 через магистраль с теплоизолирующим краном 42.

Для уменьшения потерь тепловой энергии, полученной от сгорания топлива, и, следовательно, для увеличения КПД преобразования тепловой энергии в механическую поверхности кольца 20, магистрали, отходящей от него к роторному двигателю 22, роторного двигателя и его вала и магистрали, отходящей от него к трубчатому радиатору 37, покрыты теплоизоляцией 21. На валу роторного двигателя 22 закреплен шкив 43 для передачи посредством ремня 44 вращающего момента на шкив 45, закрепленный на валу роторного компрессора 46, аналогичного по устройству роторному двигателю 22 и служащего для подачи воздуха через клапан 47 в емкость 2 для сжатого воздуха. Натяжение ремня 44 производится при помощи ролика 48, закрепленного на штоке 49 исполнительного механизма 50. Устройство также содержит емкость 51 для смазочного масла, масляный насос 52 для возврата масла из отстойника 53 в бак 51 и масляный насос 54 для подачи смазочного масла в роторный двигатель 22 через теплоизоляционную шайбу 55, а также для подачи смазочного масла в роторный компрессор 46.

Парогазовая установка работает следующим образом.

В емкость 1 предварительно закачивают под высоким давлением газ метан, а в емкость 2 - воздух под рабочим давлением через трубу 3 и клапан 4. В емкость 5 заливают жидкое топливо. Установка может работать как на газе метане, так и на жидком топливе. При работе на газе метане открывают краны 6 и 8 таким образом, чтобы соотношения объемов воздуха и газа метана, проходящих через них, были оптимальными для полного сгорания газа метана в воздухе. Аналогично при работе на жидком топливе устанавливают оптимальное соотношение кранами 7 и 8 для полного сгорания жидкого топлива в воздухе. Устанавливают интервалы рабочих давлений на электроконтактных манометрах 11,12. Открывают электрокран 14 и газ метан поступает из емкости 1 в емкость 13 и через кран 6 в форсунку 15. Открывают заслонку 9 для подачи воздуха в форсунку 15 через кран 8 и включают устройство зажигания 19, которое подает высокое напряжение на электрод 18, в результате чего возникает искра между ним и корпусом форсунки 15. Газ метан загорается и нагревает стенки камеры сгорания 17 и воду в котле 20.

При работе устройства на жидком топливе из емкости 5 насосом 10 через кран 7 жидкое топливо подается в форсунку 15, причем форсунка разогревается предварительно от горения в ней газа метана. Жидкое топливо, попадая в нагретую форсунку, испаряется и пары его горят в воздухе, нагревая камеру сгорания 17. Газ, образованный в результате горения, выходит через отверстия в верхней части камеры сгорания 17 в котел 20, где совместно с образованным паром поступает по трубе на роторный двигатель 22 и вращает ротор 23 посредством давления на рабочие лопатки 24. Пар и газ, образованный в результате горения, из роторного двигателя 22 поступает по трубе через отстойник для смазочного масла и через теплоизоляционную шайбу 36 в трубчатый радиатор 37, в котором они охлаждаются до температуры окружающей среды при помощи вентилятора 38, обдувающего его. Из трубчатого радиатора 37 пар и газ поступают в холодильник 39, где пар конденсируется в воду, а газ через трубу 40 выходит в окружающую среду. Вода из холодильника 39 насосом 41 возвращается через теплоизолирующий кран 42 обратно в котел 20.

Вращательное движение вала роторного двигателя 22 через шкив 43 (фиг.2) передается посредством ремня 44 на шкив 45 роторного компрессора 46, аналогичного по устройству роторному двигателю 22. Роторный компрессор 46 нагнетает воздух из окружающей среды по трубам через клапан 47 в емкость 2, откуда он поступает в форсунку 15. Давление подводимых в форсунку 15 воздуха и газа или жидкого топлива выше давления газа, образованного в результате горения в камере сгорания 17. При повышении давления воздуха в баке 2 выше установленной нормы электроконтактный манометр 11 срабатывает и подает команду исполнительному механизму 50 на втягивание штока 49 и ролика 48, закрепленного на нем. В результате ослабевает натяжение ремня 43 и таким образом происходит отключение роторного компрессора 46 от роторного двигателя 22. Для прижима рабочих лопаток 24 и дополнительных лопаток 28 к внутренней поверхности роторного двигателя 22, а также пластин 25, дополнительных пластин 29 и полуколец 26 к его крышкам 27 (фиг.1,2) сжатый воздух от редуктора давления 30 через штуцер 35 и канал, выполненный посередине вала роторного двигателя 22, подается внутрь ротора 23.

Редуктор давления работает следующим образом.

При уменьшении в нем давления воздуха шток 33 под действием пружины 31, воздействующей на поршень 32, перемещается вниз и выходит из муфты 34, воздух из бака 2 по выемке в штоке 33 подается внутрь редуктора давления 30, поддерживая таким образом в нем постоянное давление. Масляный насос 54 подает смазочное масло из емкости 51 для хранения смазочного масла через теплоизоляционную шайбу 55 в роторный двигатель 22, а также в роторный компрессор 46. Отработанное смазочное масло может возвращаться из отстойника 53 масляным насосом 52 обратно в емкость 51. КПД предлагаемой установки для преобразования тепловой энергии в механическую достигает 65%, что при равнозначной массе и мощности значительно выше КПД современного дизельного двигателя, у которого около половины тепловой энергии, полученной от сгорания топлива, идет не в полезную механическую работу, а теряется в охладительной рубашке и через радиатор выводится в окружающую среду для ее нагрева.

Изобретение относится к преобразователям тепловой энергии в механическую, в частности к парогазовым установкам, и может быть использовано в качестве двигателя для передвижных теплоэлектростанций и транспортных средств. Установка состоит из котла, камеры сгорания, размещенной в котле, двигателя, компрессора, соединенных с помощью ременной передачи. При этом котел соединен с двигателем магистралью для подвода парогазовой смеси, а компрессор с котлом - магистралью для подвода сжатого воздуха. Внутри камеры сгорания установлены форсунка и электрод. Двигатель и компрессор выполнены роторными. Котел может работать как на газообразном, так и на жидком топливе. С этой целью он снабжен соответствующими емкостями, которые через магистрали с арматурой соединены с форсункой. Сжатый воздух в камеру сгорания подводится от емкости, соединенной с компрессором. После роторного двигателя отработанный парогаз подводится к радиатору, а от него к холодильнику. После конденсации паров вода из холодильника возвращается в котел насосом по магистрали с краном. Изобретение позволяет повысить КПД преобразования тепловой энергии в механическую и улучшить эксплуатационные характеристики двигателя. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА, содержащая котел, камеру сгорания, размещенную в котле, двигатель и компрессор, соединенные друг с другом с помощью механической передачи, при этом котел с двигателем и компрессор с камерой сгорания соединены между собой посредством магистралей соответственно для подвода парогазовой смеси и сжатого воздуха, отличающаяся тем, что в камере сгорания установлены форсунка и электрод, причем выход камеры расположен в верхней части котла, двигатель и компрессор выполнены в виде роторного двигателя, а механическая передача между ними - в виде ременной передачи, снабженной устройством натяжения ремня, при этом установка дополнительно снабжена емкостью высокого давления для сжатого газа, установленной в магистрали с арматурой между компрессором и камерой сгорания, емкостями для газообразного и жидкого топлива, соединенными соответствующими магистралями с арматурой с форсункой, радиатором, выполненным из трубок и снабженным вентилятором, и холодильником, выполненным с возможностью конденсации паров воды и выброса в атмосферу отработанных газов, при этом радиатор с помощью магистралей для отработанной парогазовой смеси соединен с выходом двигателя и входом холодильника, последний посредством магистрали для подачи сконденсированной воды с установленным в ней насосом соединен с котлом, причем поверхности котла, двигателя и магистралей между котлом и двигателем и между двигателем и радиатором покрыты теплоизоляцией, ввод магистрали подвода отработанной парогазовой смеси в радиатор и ввод в котел магистрали подвода сжатого воздуха в камеру сгорания снабжены теплоизоляционными шайбами, а в магистрали для отвода воды из холодильника в котел установлен теплоизолирующий кран. 2.Установка по п.1, отличающаяся тем, что роторный двигатель выполнен с ротором, ось вращения которого смещена относительно внутренней цилиндрической поверхности корпуса двигателя, при этом ротор снабжен сквозными прорезями, в которых размещены две рабочие лопатки с пластинами, установленными на их торцах, полукольцами, закрепленными на торцах ротора, четырьмя дополнительными лопатками с пластинами, установленными на их торцах и расположенными на роторе под углом 60^o относительно рабочих лопаток, причем в вале ротора выполнен канал для подвода сжатого воздуха к рабочим и дополнительным лопаткам с пластинами и полукольцам для их поджатия, который через штуцер, выполненный из теплоизоляционного материала, с помощью магистрали, снабженной редуктором, соединен с емкостью высокого давления для сжатого воздуха. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что устройство натяжения ремня выполнено в виде ролика, закрепленного на штоке исполнительного механизма, электрически связанного с электроконтактным манометром, соединенным с емкостью высокого давления.