СУДОВАЯ ДВИГАТЕЛЬНО-ДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1996 года по МПК B63H11/04 B63H11/12 B63H11/00 

Изобретение относится к судостроению, а именно к водореактивным движителям, и может быть использовано в качестве привода для судов различного назначения, а также в качестве двигателя-насоса для циркуляционных контуров.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является водометный движитель для судов, содержащий жидкопоршневой двигатель, состоящий из последовательно соединенных испарителя с внешним подводом теплоты, выполненного в виде канала, заглушенного со стороны верхнего торца, парожидкостного канала, холодильника и нагнетательно-всасывающей трубы, заполненных рабочей жидкостью, при этом испаритель и парожидкостной канал установлены вертикально, а холодильник и нагнетательно-всасывающая труба установлены ниже ватерлинии судна. Данный движитель имеет ограничение на единичную мощность, что обусловлено большим разбросом площади контакта жидкости с теплообменной поверхностью при входе ее в испаритель из-за расплескивания жидкости в канале движителя на границе раздела фаз при увеличении канала и качке судна. Это также приводит к неустойчивости работы движителя и, как следствие, снижению надежности его работы. Кроме того, недостатком данного двигателя являются сильные рывки при работе, обусловленные редкими, но мощными выбросами воды из нагнетательно-всасывающей трубы.

Целью изобретения является повышение КПД, единичной мощности, устойчивости и надежности работы водометного движителя.

Поставленная цель достигается тем, что водометный движитель, содержащий жидкопоршневой двигатель, состоящий из последовательно соединенных испарителя с внешним подводом теплоты, выполненного в виде канала, заглушенного со стороны верхнего торца, парожидкостного канала, холодильника и нагнетательно-всасывающей трубы, заполненных рабочей жидкостью, при этом испаритель и парожидкостной канал установлены вертикально, а холодильник и нагнетательно-всасывающая труба установлены ниже ватерлинии судна, дополнительно снабжен струйным преобразователем с водореактивным каналом, содержащим заборный и нагнетательный патрубки, и вторым жидкопоршневым двигателем, идентичным первому, нагнетательно-всасывающие трубы каждого из которых подсоединены к водореактивной трубе симметрично относительно оси последнего и под острым к нему, испаритель каждого двигателя выполнен в виде канала с установленными на его наружной поверхности двумя продольными ребрами, расположенными под углом друг к другу, внутренняя полость каждого из которых сообщена с каналом испарителя, причем испарители обоих двигателей соединены между собой по боковым граням ребер с образованием полости камеры сгорания, в нижней части которой размещена горелка, причем одинаковые части объемов каждого испарителя заполнены газом, неконденсирующимся в диапазоне рабочих температур, камера сгорания с испарителя размещена в теплоизоляционной оболочке, выполненной в виде перевернутого стакана и установлена с зазором по отношению к наружной поверхности испарителя, вокруг оболочки размещена с зазором полая обечайка, выполняющая роль регенеративного воздухоподогревателя, с возбухозаборным патрубком в верхней ее части и воздухоподводящим патрубком, размещенным под горелкой, а в верхней части обечайки установлена тяговая труба, участок каждого парожидкостного канала, примыкающий к испарителю, имеет коническую форму, меньшее основание которого подключено к испарителю, в каждом парожидкостном канале установлена вставка с продольными каналами одинакового сечения и формы, нижний торец которой примыкает к соответствующему холодильнику, выполненному в виде пучка продольных труб, концы которых герметично закреплены в трубные доски, причем каналы вставки сопряжены с каналами труб холодильника, а отверстия в трубной доске, примыкающей к вставке, имеют плавный переход от формы и размеров сечения каналов вставки к форме и размерам каналов труб холодильника, в каждой нагнетательно-всасывающей трубе герметично установлена тонкая эластичная поперечная перегородка, отделяющая рабочую жидкость от перекачиваемой забортной воды, на каждом жидкопоршневом двигателе установлен байпасный канал с обратным клапаном, перекрывающим канал во время рабочего хода, верхний патрубок которого подключен к участку парожидкостного канала конической формы, а нижний патрубок к нагнетательно-всасывающей трубе на участке с рабочей жидкостью между холодильником и эластичной перегородкой. Эластичная перегородка может быть выполнена в виде сильфона из эластичного материала, например термовлагостойкой резины. На заборном патрубке может быть установлен фильтр в виде сетки, а на торце верхнего патрубка байпасного канала установлен распылитель в виде сетки или аэрозольной форсунки.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого водометного движителя; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 сечение В-В на фиг.1.

Водометный движитель содержит два жидкопоршневых двигателя, каждый из которых содержит последовательно соединенные испаритель 1, парожидкостной канал 2, холодильник 3 и нагнетательно-всасывающую трубу 4. Испаритель 1 каждого жидкопоршневого двигателя выполнен в виде канала 5 с установленными на его наружной поверхности двумя продольными полыми ребрами 6, расположенными под углом друг к другу, внутренняя полость каждого из которых сообщена с каналом 5 испарителя 1. Испарители 1 обеих двигателей соединены между собой по боковым граням ребер 6 с образованием полости камеры 7 сгорания, в нижней части которой размещена горелка 8 с топливоподводом 9. Камера 7 сгорания с испарителями 1 размещена в теплоизоляционной оболочке 10, выполненной в виде перевернутого стакана, и установлена с зазором по отношению к наружной поверхности испарителя 1. Вокруг оболочки 10 размещена с зазором полая обечайка 11, выполняющая роль регенеративного воздухоподогревателя с воздухозаборным патрубком 12 в верхней его части и воздухоподводящим патрубком 13, размещенным под горелкой 8, а в верхней части обечайки 11 установлена тяговая труба 14. Участок каждого парожидкостного канала 2, примыкающий к испарителю 1 имеет коническую форму, меньшее основание которого подключено к испарителю 1. В каждом парожидкостном канале установлена вставка 15 с продольными каналами 16 одинакового сечения и формы, нижний торец которой примыкает к соответствующему холодильнику 3, выполненному в виде продольных труб 17, концы которых герметично закреплены в трубные доски 18 и 19. Каналы 16 вставки 15 сопряжены с каналами труб 17 холодильника 3, а отверстия в трубной доске 18, примыкающей к вставке 15, имеют плавный переход от формы и размеров сечения каналов 16 вставки 15 к форме и размерам каналов труб 17 холодильника 3. В каждой нагнетательно-всасывающей трубе 4 герметично установлена эластичная поперечная перегородка, отделяющая рабочую жидкость от перекачиваемой забортной воды, выполненная, например, в виде резинового сильфона 20. На каждом двигателе установлен байпасный канал 21 с обратным клапаном 22, перекачивающим байпасный канал 21 во время рабочего хода. Верхний патрубок 23 байпасного канала 21 подключен к участку парожидкостного канала конической формы, а нижний патрубок 24 подключен к нагнетательно-всасывающей трубе 4 на участке с рабочей жидкостью между холодильником 3 и сильфоном 20. На торце верхнего патрубка 23 байпасного канала 21 установлен распылитель в виде перфорированной заглушки 25. Нагнетательно-всасывающие трубы 4 каждого двигателя подсоединены к струйному преобразователю 26 с водореактивным каналом 27, содержащим заборный 28 и нагнетательный 29 патрубки. На заборном патрубке 28 установлен фильтр 30 в виде сетки. Струйный преобразователь 26 представляет собой устройство, в котором возвратно-поступательное движение жидкости в жидкопоршневых двигателях преобразуется в направленное движение жидкости. Участок водореактивного канала 27 в месте подключения к нему нагнетательно-всасывающих труб представляет собой камеру смешения 31. На оси 39, установленной в водореактивном канале 27 на входе в смесительную камеру 32 подвижно закреплена перегородка 33, которая под действием потоков жидкости из нагнетательно-всасывающих труб жидкопоршневых двигателей отклоняется периодически то к одной стенке водореактивного канала, то к другой. Жидкопоршневые двигатели в рабочем положении устанавливаются вертикально, а холодильники 3 и нагнетательно-всасывающие трубы 4 и струйный преобразователь 26 размещаются ниже ватерлинии судна. Водореактивный канал 27 в рабочем положении занимает горизонтальное положение.

Водометный движитель работает следующим образом.

Перед началом работы жидкопоршневые двигатели заполняются рабочей жидкостью, а нагнетательно-всасывающие трубы 4 и струйный преобразователь 26 заправляются забортной водой. Затем в каждый испаритель 1 вводятся одинаковые порции газа, неконденсирующегося в диапазоне рабочих температур. После подготовки водометного движителя к работе, к рабочему телу в каждом испарителе 1 подводится, а в холодильниках 3 от него отводится теплота. Теплота нагревающей среды в камере 7 сгорания передается рабочему телу. В качестве рабочего тела в жидкопоршневых двигателях используется парогазовая смесь и рабочая жидкость. Жидкость рабочего тела в испарителях 1 нагревается и испаряется, а образующийся пар нагревается вместе с газом, что приводит к увеличению в нем давления парогазовой смеси. Под действием давления парогазовой смеси рабочая жидкость перемещается по парогазожидкостному адиабатическому каналу 2, холодильнику 3 и нагнетательно-всасывающей трубе 4, из-под которой давлением рабочей жидкости 34 через эластичную перегородку забортная вода 35 перемещается в струйный преобразователь 26. В струйном преобразователе 26 часть забортной воды из нагнетательно-всасывающей трубы 4 жидкопоршневого двигателя поступает в нагнетательный патрубок 29 водореактивного канала 27 вместе с эжектируемой забортной водой из забортного патрубка 28, другая часть поступает в нагнетательно-всасывающую трубу 4 спаренного жидкопоршневого движителя вместе с забортной жидкостью из заборного патрубка 28. В случае использования в смесительной камере 31 подвижно закрепленной перегородки 33 забортная вода из нагнетательно-всасывающей трубы 4 жидкопоршневого двигателя поступает вместе с эжектируемой забортной водой из заборного патрубка 28 в нагнетательный патрубок 29 водореактивного канала 27, а одновременно из заборного патрубка 28 водореактивного канала забортная вода поступает в нагнетательно-всасывающую трубу 4 спаренного жидкопоршневого двигателя, где рабочая жидкость совершает обратный ход, то есть жидкопоршневые двигатели работают в противофазе.

Процесс расширения парогазовой смеси над жидкостью в парожидкостном адиабатическом канале 2 протекает по принципу затопленных парогазовых струй с образованием в жидкости в конце рабочего хода парогазовых пузырьков и образованием значительного прогиба поверхности с увеличением площади этой поверхности. Это позволяет интенсифицировать процесс конденсации отработанного пара в конце рабочего хода за счет увеличения теплообменной поверхности между паром и жидкостью при образовании конуса конденсации и парогазовых пузырьков. Интенсификация процесса конденсации отработанного пара ускоряет этот процесс и обеспечивает более полную его конденсацию. Унос парогазовых пузырьков из водометного движителя предотвращается путем установки в нагнетательно-всасывающей трубе 4 эластичной перегородки 20. Эластичная перегородка 20 также отделяет рабочую жидкость от перекачиваемой забортной воды, что позволяет использовать в качестве рабочей жидкости не только воду, но также и другие жидкости, которые обеспечивают наибольшую термодинамическую эффективность в рабочем диапазоне температур.

После конденсации отработанного пара, охлаждения неконденсирующегося газа и отвода тепла от рабочей жидкости в холодильнике 3 завершаются процессы рабочего хода. Как только давление парогазовой смеси в рабочем объеме за счет конденсации отработанного пара и перехода части газа в жидкость в виде пузырьков станет ниже давления в рабочем объеме спаренного жидкопоршневого двигателя, начнется обратное движение жидкости в сторону испарителя 1. Введение вставки 15 в парожидкостной канал 2 позволяет увеличить количество парогазовых пузырьков в рабочей жидкости в конце рабочего хода. Во время рабочего хода обратный клапан 22 на байпасном канале 21 закрыт. Закрытие обратного клапана 21 происходит в момент завершения обратного хода и начала рабочего хода, то есть в момент повышения давления в рабочем объеме двигателя. В момент закрытия обратного клапана 22 рабочая жидкость полностью заполняет байпасный канал 21, которая остается в нем вплоть до завершения рабочего хода, то есть к моменту завершения рабочего хода холодная рабочая жидкость в байпасном канале 21 находится на уровне верхнего патрубка 23. Оставшиеся к этому моменту в рабочем объеме отработанный пар и неконденсирующийся газ, после конденсации пара и охлаждения газа в холодильнике, ограничивают снижение давления в рабочем объеме до минимально возможного значения. Установка же байпасного канала 21 с обратным клапаном 22 позволяет во время обратного хода жидкого поршня ввести в рабочий объем распыленную холодную рабочую жидкость, которая впрыскивается в рабочий объем через пеpфоpиpованную заглушку 25 при открытом обратном клапане 22, после снижения давления парогазовой смеси в результате ее охлаждения в холодильнике 3 и при движении рабочей жидкости в обратном направлении через холодильник 3 и парожидкостный канал 2 к испарителю 1. Впрыск холодной рабочей жидкости в рабочий объем позволяет существенно снизить минимальное давление в рабочем объеме. Это увеличивает перепад давления в термодинамическом цикле, в результате чего повышается КПД термодинамического цикла.

Процессы рабочего хода включают расширение рабочего тела с подводом тепла и совершением работы; конденсацию пара из парогазовой смеси в конце рабочего хода на поверхности жидкости, инжектируемой из пристенного слоя в зону конденсации; образование газовых пузырьков в основном потоке жидкости; понижение давления в рабочем объеме ниже давления насыщения жидкости, инжектируемой в основной поток; отвод в холодильнике части отработанного тепла.

После остановки жидкого поршня, под действие разницы давлений, образовавшейся в конце рабочего хода, начинается ускоренное движение рабочей жидкости вместе с парогазовыми пузырьками и перекачиваемой жидкости в обратную сторону к испарителю 1. Как указывалось выше в процессе обратного хода в рабочий объем двигателя впрыскивается холодная рабочая жидкость из байпасного канала 21, обеспечивающая конденсацию оставшегося в рабочем объеме отработанного пара и охлаждения неконденсирующегося газа.

При понижении давления рабочей жидкости пузырьки неконденсирующегося газа являются очагами испарения в них окружающей рабочей жидкости и аккумулируют ее тепловую энергию. Испарение рабочей жидкости в объеме пузырьков сопровождается ее охлаждением, в результате чего уменьшается количество тепла передаваемого от рабочей жидкости окружающей среде в холодильнике 3. При ускоренном движении двухфазного потока парогазовые пузырьки, имеющие значительно меньшую присоединенную массу, должны приобрести большее ускорение по сравнению с жидкостью, что приведет к концентрации их у границы раздела фаз. По мере приближения к поверхности раздела фаз пузырьки будут попадать в область более низкого давления и их размеры будут увеличиваться, а давление понижаться. Понижение давления в пузырьках приведет к дальнейшему испарению в них жидкости и, следовательно, к дальнейшему ее охлаждению. Пузырьки, достигшие границы с рабочим объемом, разрываются с выбросом парогазовой смеси в рабочий объем и образованием над жидкой фазой мелких капель, которые будут попадать в испаритель 1 и испаряться на теплообменных поверхностях испарителя 1, повышая давление в рабочем объеме двигателя. Повышение давления в рабочем объеме приведет к дальнейшей концентрации пузырьков у границы раздела фаз приближении рабочей жидкости к испарителю 1 и их несимметричному схлопыванию с образованием высокоскоростных струй из окружающей пузырьки жидкости, нагреваемой в процессе их схлопывания. Эти струи практически мгновенно попадают в испаритель 1 на его теплообменные поверхности. Возможно также, что при движении рабочей жидкости к испарителю 1 часть ее, насыщенная парогазовыми пузырьками, в виде пены войдет в испаритель 1. Однако, в обеих случаях в испаритель 1 попадает ограниченное дозированное количество жидкости, которая полностью испаряется на теплообменных поверхностях испарителя 1. Жидкость при обратном ходе останавливается у входа в испаритель 1 из-за резкого увеличения давления в рабочем объеме в результате описанных выше процессов, что существенно уменьшает необратимые потери на нагревание жидкости и последующего отвода теплоты без совершения работы. Перед входом в испаритель 1 пузырьки сжимаются с повышением термодинамического потенциала их содержимого, которое выбрасывается из рабочей жидкости в испаритель 1 с образованием брызг и струй, возвращая тем самым в зону нагрева парогазовую смесь повышенного потенциала для повторного использования. Жидкость, попавшая в испаритель 1 при дозированном впрыске, испаряется, а образовавшийся пар перегревается вместе с нагреванием неконденсирующегося газа. Перегрев пара и нагрев газа до температур, превышающих температуру насыщенного пара, позволяет увеличить перепад температур в термодинамическом цикле, что вместе с регенеративным возвратом тепла в испаритель обеспечивает существенное повышение КПД термодинамического цикла предложенного водометного движителя. На этом завершаются процессы обратного хода, после чего цикл повторяется в указанной последовательности.

Использование: судостроение, в качестве привода для судов различного назначения как надводных, так и подводных, а также в качестве двигателя-насоса для различных циркуляционных контуров. Сущность изобретения: двигательно-движительная установка содержит два жидкопоршневых двигателя с испарителями, парожидкостными каналами, холодильниками и нагнетательно-всасывающими трубами, заполненными рабочей жидкостью, струйными преобразователями с водореактивными каналами, содержащими заборный и нагревательный патрубки. Нагнетательно-всасывающие трубы каждой установки подсоединены к водореактивной трубе. Испарители двигателей соединены между собой с образованием полости камеры сгорания. В каждой нагнетательно-всасывающей трубе герметично установлена эластичная перегородка, отделяющая рабочую жидкость от перекачиваемой забортной воды, на каждом двигателе установлен байпасный канал с обратным клапаном, перекрывающем канал во время рабочего хода. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. СУДОВАЯ ДВИГАТЕЛЬНО-ДВИЖИТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая водореактивный канал и жидкопоршневой двигатель, включающий в себя последовательно соединенные испаритель с внешним подводом тепла, выполненный в виде клапана с заглушенным верхним торцом, парожидкостный канал и холодильник, соединенный с нагнетательно-всасывающей трубой, при этом испаритель и парожидкостный канал установлены вертикально, а холодильник и нагнетательно-всасывающая труба установлены ниже ватерлинии судна, отличающаяся тем, что установка дополнительно снабжена вторым жидкопоршневым двигателем, идентичным первому, соединенным с водореактивным каналом, и выполнена с заборным и нагнетательным патрубками, между которыми размещен водореактивный канал, к которому симметрично относительно его оси и под острым углом к нему подсоединен нагнетательно-всасывающие трубы, образуя струйный преобразователь, испаритель каждого двигателя выполнен в виде канала с размещенными на его наружной поверхности двумя продольными полыми ребрами, расположенными под углом друг к другу, внутренняя полость каждого из которых сообщена с каналом испарителя, а сами испарители соединены между собой по боковым граням ребер с образованием полости камеры сгорания, в нижней части которой установлена горелка, камера сгорания с испарителем размещена в теплоизоляционной оболочке, выполненной в виде перевернутого стакана, и установлена с зазором по отношению к наружной поверхности испарителя, вокруг оболочки размещена с зазором полая обечайка с воздухозаборным патрубком в верхней его части и воздухоподводящим патрубком, размещенными под горелкой, а в верхней части обечайки установлена тяговая труба, участок каждого парожидкостного канала, примыкающий к испарителю, выполнен в форме усеченного конуса, меньшее основание которого соединено с испарителем, в каждом парожидкостном канале установлена вставка с продольными каналами одинакового сечения и формы, нижний торец которого примыкает к соответствующему холодильнику, выполненному в виде пучка продольных труб, установленных с зазором между ними, концы которых герметично закреплены в трубные доски, при этом каналы вставки сопряжены с каналами труб холодильника, а отверстия в трубной доске, примыкающей к вставке, имеют плавный переход к форме и размерам каналов труб холодильника, в каждой нагнетательно-всасывающей трубе герметично установлена эластичная перегородка, на каждом двигателе установлен байпасный канал с обратным клапаном, верхний патрубок которого подключен к участку парожидкостного канала конической формы, а нижний патрубок к нагнетательно-всасывающей трубе на участке между холодильником и эластичной перегородкой. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что эластичная перегородка выполнена в виде сильфона из эластичного материала. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что эластичная перегородка выполнена из термовлагостойкой резины. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на заборном патрубке установлен сетчатый фильтр. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на торце верхнего патрубка байпасного канала установлен распылитель в виде перфорированной заглушки или аэрозольной форсунки.