СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F02B19/02 F02K9/08 F41F1/00 

Изобретение относится к тепловым двигателям, а также может быть использовано в авиационной, автомобильной, строительной и других областях промышленности.

Известен способ работы теплового двигателя, например двигателя внутреннего сгорания (ДВС), заключающийся в снижении энергозатрат путем уменьшения потерь теплоты в окружающую среду с утилизацией тепловой энергии отработавших газов (1).

Недостатком известного способа является его малая эффективность.

Наиболее близким к изобретению является способ работы теплового двигателя путем подготовки рабочего тела в форкамере, снабженной соплом, создания в ней давления форсирования, открытия перепускной расходной магистрали в сопле между форкамерой и рабочей камерой, перепуска рабочего тела через магистраль в рабочую камеру, страгивания и последующего перемещения груза в рабочей камере с расширением рабочего тела в процессе движения груза (8).

Известен тепловой двигатель, выбранный в качестве прототипа, который содержит форкамеру с соплом, рабочую камеру, установленный в последней с возможностью перемещения груза, перепускную расходную магистраль в сопле между форкамерой и рабочей камерой, выступ груза, установленный в сопле, средства автоматического управления работой двигателя и топливную систему (8).

Недостатки известного способа и устройства заключаются в следующем: во-первых, относительно низкие значения температуры и давления газообразных продуктов сгорания в рабочей камере на рабочем ходе; во-вторых, малые значения количества движения перемещаемой массы в конце рабочего хода.

Цель изобретения повышение эффективности.

Цель достигается тем, что в способе работы теплового двигателя путем подготовки рабочего тела в форкамере, снабженной соплом, создания в ней давления форсирования, открытия перепускной расходной магистрали в сопле между форкамерой и рабочей камерой, перепуска рабочего тела через магистраль в рабочую камеру, страгивания и последующего перемещения груза в рабочей камере с расширением рабочего тела в процессе движения груза, рабочее тело перепускают со сверхзвуковой скоростью истечения его струи, при этом отношение давлений рабочего тела в форкамере и рабочей камере не менее (2/(k+1))^-k/(k-1), где k показатель адиабаты рабочего тела.

Усиление эффекта может быть достигнуто тем, что струю рабочего тела отклоняют относительно оси рабочей камеры,
Цель может быть достигнута тем, что в тепловом двигателе, содержащем форкамеру с соплом, рабочую камеру, установленный в последней с возможностью перемещения груз, перепускную расходную магистраль в сопле между форкамерой и рабочей камерой, выступ груза, установленный в сопле, средства автоматического управления работой двигателя и топливную систему, выступ установлен герметично в сопле и контактирующие посадочные поверхности выступа и сопла выполнены с равными диаметрами, а внутренний диаметр среза сопла равен 0,1 0,95 диаметра рабочей камеры.

Цель достигается также тем, что сопло форкамеры зафиксировано относительно выступа при помощи фиксатора, выполненного, например, в виде срезной шпильки.

Цель достигается также тем, что торцы рабочей камеры имеют поверхности в виде параболоидов вращения, а ось вращения совпадает с осью симметрии рабочей камеры.

Усиление эффекта может быть достигнуто тем, что сопло форкамеры снабжено устройством управления вектором тяги по направлению, выполненным, например, в виде соплового насадка с кососрезанным относительно оси торцом.

Именно вышеуказанные конструктивные исполнения обеспечивают, согласно способу, повышение эффективности.

Пример осуществления способа.

Известно, что существует три вида сжатия: изотермическое, адиабатное и ударное.

В существующих тепловых двигателях реализован процесс сгорания заряда (подачи газообразного тела под высоким давлением) в камере с последующим адиабатным расширением на рабочем ходе поршня.

Так как величину термодинамического коэффициента полезного действия в зависимости от степени сжатия (ε), степени предварительного расширения (r), степени повышения давления (l) и показателя адиабаты (k) можно представить по источнику (2) в виде

то увеличение степени повышения давления приводит к увеличению величины ηt.

Кроме того, известна следующая зависимость
Pt = P2/((k-1)(ε-1))•(λ-1+kλ(p-1))•ηt,
где Pt индикаторное давление,
P2 величина давления, соответствующая концу такта "сжатия" (применительно к двигателям внутреннего сгорания).

Анализ вышеуказанных формул позволяет сделать вывод, что повышение эффективности (увеличения ηt, Pt) можно достичь посредством увеличения величины λ.

В предлагаемом способе реализовано увеличение l путем ударного сжатия газа на рабочем ходе, т.е. адиабатный процесс расширения заменен на ряд высокочастотных пульсаций давления газов в рабочей камере теплового двигателя.

Ударный процесс сжатия качественно отличается от адиабатного или изотермического тем, что он необратимый и газ может быть сжат не более чем в 6-10 раз, причем сжатие реализуется на длине, равной нескольким пробегам молекул.

Анализ уравнения адиабаты Гюгонио ((3), формула 10) позволяет сделать вывод о том, что давление во фронте ударной волны может превышать на порядок и более величину номинального давления в рабочей камере.

При сжатии газ нагревается, т.е. температура и скорость звука существенно возрастают по сравнению с невозмущенным газом в рабочей камере.

Так, например, по источнику (4) при давлении в ударной волне 1000 атм воздух нагревается до 14000^oC.

Волна давления распространяется со скоростью, равной местной скорости звука.

Возникающее в процессе образования ударной волны уплотнение среды реализуется путем перемещения молекул газа из слоев, лежащих непосредственно за зоной сжатия, в связи с чем образуется волна разрежения, в которой давление меньше номинального.

Указанное уплотнение среды воздействует на груз (например, груз, выполненный в виде обтюратора-поршня) и толкает его с увеличенной силой по сравнению с идентичными тепловыми двигателями, в которых реализовано адиабатное расширение газа на рабочем ходе.

Причем амплитуда ударной волны по рабочему ходу поршня практически постоянна, т. е. индикаторное давление газов в рабочей камере на каждом из элементарных циклов ударно-волнового процесса практически соответствует индикаторному давлению газов за рабочий ход.

Учитывая, что по результатам испытаний выявлены низкие значения давлений в волне разрежения (примерно равные нулю), это дополнительно влечет за собой увеличение коэффициента полезного действия на каждом элементарном цикле высокочастотных пульсаций давления в рабочей камере, а следовательно, и всего процесса, реализованного на рабочем ходе теплового двигателя.

Кроме того, наличие давления в рабочей камере теплового двигателя приводит к увеличению коэффициента передачи энергии в волну, т.к.

η1 = 4/(k+1)²•ρOD_увV/mq
(см. например, (5)),
где ρO плотность среды, в которой распространяется ударная волна;
Дув скорость распространения ударной волны;
V объем рабочей камеры взрывного источника излучения;
m масса заряда;
q удельная энергия взрывчатого вещества.

Увеличение коэффициента η1 позволяет повысить эффективность процесса, а следовательно и теплового двигателя.

В предлагаемом изобретении ударно-волновой процесс реализован не за счет задействования взрывчатых веществ, имеющих низкие эксплуатационные характеристики, высокую степень взрывоопасности, например, игданита (см. например, (6)), а посредством создания в форкамере теплового двигателя высокого давления рабочего тела, которое может быть обеспечено посредством подачи сжатого газа или путем сгорания заряда (твердотопливного или топливно-воздушной смеси).

При давлении форсирования, обеспечивающего необратимость, полноту сгорания заряда (для тепловых двигателей со сгоранием заряда в форкамере), а также сверхкритический перепад между форкамерой и рабочей полостью теплового двигателя, реализуется страгивание груза (поршня-обтюратора), вскрытие расходной магистрали и переток из форкамеры в рабочую камеру теплового двигателя.

Взаимодействие сверхзвуковой струи с грузом (обтюратором-поршнем) и конструкцией рабочей камеры обеспечивает устойчивый ударно-волновой процесс (подтверждено испытаниями).

Для реализации сверхкритического перепада между форкамерой и рабочей камерой необходимо выполнить условие
Рфк/Ррк≥(2/(k+1))^-k/(k-1),
где К показатель адиабаты,
Рфк, Ррк давление газов в форкамере и рабочей камере соответственно.

При Pфк/Ррк<(2/k+1)^-k/(k-1) происходит проникновение ударной волны в критическое сечение сопла и его "запирание", приводящее к мощному всплеску давления в указанной зоне, который может привести к деформациям и даже разрушению сопла, что нежелательно.

Известно, что для авиационных поршневых двигателей средняя скорость поршня составляет 11 18 м/с (см. например, (7)).

С учетом класса автомобильных поршневых двигателей принимаем среднюю скорость движения поршня Vп=10 м/с.

Объемный расход рабочей камеры Vs^рк, равный произведению Vп на площадь поршня Sп при Vп=10 м/с равен
Vs^рк=Vп*Sп=10Sп.

Объемный расход газов, перетекающих из форкамеры через сверхзвуковое сопло в рабочую камеру Vs=Va*Sa,
где Va скорость газов на срезе сопла (принимаем Va≈ 1500 2000 м/с);
Sa рабочая площадь среза сопла (с безотрывным от стенок сопла течением газа).

Так как Vs должен быть не менее Vs^рк, записываем
Vs=Vs^рк или Va*Sa=Vп*Sп, отсюда dп/da≈12.

Принимаем da=0,1dп.

Учитывая, что диаметр среза сопла может быть увеличен из конструктивных соображений до 0,95 dп (например, для удобства фиксации), причем у сверхзвуковой части сопла, прилегающей к срезу, может наблюдаться отрыв газового потока от стенки, получаем, что величина внутреннего диаметра среза сопла может составлять: da=(0,1 0,95 )dк.

Применительно к тепловым двигателям с большой величиной рабочего хода реализации ударно-волнового процесса с поперечными ударными волнами приводит к относительно большому времени их пробега по цилиндру теплового двигателя (от обтюратора поршня до ответной части рабочей камеры двигателя), что снижает эффективность.

Создание эксцентриситета сверхзвуковой струи рабочего тела позволяет реализовать отражение ударных волн от стенки цилиндра (ствола) и тем самым интенсифицировать процесс, т.е. повысить эффективность.

Эксцентриситет сверхзвуковой струи может быть получен посредством кососрезанного соплового насадка, дефлектора и др.

Многократное отражение ударных волн от стенки может быть получено путем профилирования торцев рабочей камеры теплового двигателя.

Реализация ударно-волнового процесса в тепловом двигателе позволяет уменьшить массу топлива за цикл, т.е. улучшить экономичность теплового двигателя или при прочих равных условиях повысить мощность двигателя при его фиксированных массово-габаритных параметрах.

На фиг. 1 схематично представлен тепловой двигатель с перекрытием объема форкамеры по критическому сечению сопла в исходном положении; на фиг. 2 - тепловой двигатель с перекрытием объема форкамеры по наружному диаметру сверхзвуковой части сопла в исходном положении; на фиг. 3 узел крепления сопла со срезным элементом; на фиг. 4 узел крепления сопла с разрывным элементом; на фиг. 5 спрофилированный торец рабочей камеры теплового двигателя; на фиг. 6 рабочая камера теплового двигателя со спрофилированными торцами (выпуклым и вогнутым); на фиг. 7 рабочая камера теплового двигателя со спрофилированными торцами (вогнутым и выпуклым); на фиг. 8 тепловой двигатель с устройством управления вектором тяги по направлению в исходном положении; на фиг. 9 тепловой двигатель двигатель внутреннего сгорания; на фиг. 10 тепловой двигатель с неподвижной форкамерой при работе; на фиг. 11 - тепловой двигатель с подвижной форкамерой при работе; на фиг. 12 способ работы теплового двигателя; на фиг. 13 способ работы теплового двигателя с созданием эксцентриситета сверхзвуковой струи рабочего тела; на фиг. 14 - способ работы теплового двигателя с созданием эксцентриситета сверхзвуковой струи рабочего тела и профилированием торцев рабочей камеры.

Тепловой двигатель с использованием в качестве источника рабочего тела твердотопливного заряда, представленный на фиг. 1, состоит из рабочей камеры 1 с герметично размещенным в ней перемещаемым грузом (поршнем) 2, форкамеры 3 со сверхзвуковым соплом 4, элементов автоматики пускового пироснаряжения 5, твердотопливного заряда 6, размещенного в форкамере 3, и заглушки 7, в данном варианте жестко связанной с грузом 2 и выполненной в виде выступа последнего, причем заглушка 7 и сопло 4 снабжены контактирующими посадочными поверхностями 8 одного диаметра.

Форкамера 3 с твердотопливным зарядом 6 может быть размещена непосредственно в грузе 2 (фиг. 2).

Для одноразовых систем сопло 4 форкамеры 3 может быть скреплено с заглушкой 7 разрушаемым элементами 9 с тарированным усилием разрушения (фиг. 3, 4), причем на фиг. 3 разрушаемый элемент срезается, а на фиг. 4 - разрывается.

Торцы рабочей камеры могут иметь спрофилированные поверхности П, например параболоид вращения, причем ось вращения совпадает с осью симметрии рабочей камеры (фиг. 5 7).

Сопло 4 форкамеры 3 теплового двигателя может иметь устройство управления вектором тяги по направлению, например кососрезанный насадок 10 (фиг. 8).

Предлагаемый способ и устройство могут быть также применены в двигателях внутреннего сгорания.

Тепловой двигатель внутреннего сгорания состоит из рабочей камеры 1 с герметично размещенным в ней грузом, функцию которого выполняет поршень 2, форкамеры 3 с соплом 4, элементов автоматики 5 и топливной системы 6.

Форкамера 3 в исходном положении двигателя плотно перекрыта заглушкой 7, жестко связанной с грузом 2 (фиг. 9).

Для уменьшения сопротивления тракта при сжатии воздуха или топливо-воздушной смеси может быть дополнительно установлен обратный клапан.

Устройство работает следующим образом.

Тепловой двигатель с твердотопливным зарядом запускается путем подачи электрического импульса на элементы автоматики пусковое пироснаряжение 5. При достижении давления форсирования происходит страгивание перемещаемого груза (поршня) 2, заглушка 7 разгерметизируется и начинается переток газообразных продуктов сгорания из форкамеры 3 в рабочую камеру 1 через сопло 4 (фиг. 10, 11).

Взаимодействие сверхзвуковой струи со стенками рабочей камеры приводит к ударно-волновым процессам в камере.

Истечение газов из сопла 4 со сверхзвуковой скоростью при размещении форкамеры 3 непосредственно в грузе (поршне) 2 (фиг. 11) позволяет использовать реакцию истекающих их сопла газов на перемещение груза 2.

При профилировании торцев рабочей камеры, а также при создании эксцентриситета тяги путем введения в конструкцию устройства для управления вектором тяги по направлению позволяет реализовать многократное отражение ударных волн от стенок.

Применительно к тепловому двигателю внутреннего сгорания (фиг. 9) элементы автоматики 5 обеспечивают в соответствующий момент времени подачу воздуха и топлива.

На такте "рабочий ход" происходит воспламенение топлива. Так как форкамера 3 перекрыта от рабочей камеры заглушкой 7, то первоначально давление продуктов сгорания в форкамере 3 будет увеличиваться. Далее вследствие перемещения груза (поршня) 2 заглушка 7 освободит тракт сопла 4 и сверхзвуковой поток продуктов сгорания будет перетекать из форкамеры 3 в рабочую камеру 1.

В начальный период перетекания сверхзвуковой струи реализуется процесс, близкий к явлению "пересжатой волны", так как образованию волн разрежения препятствует массоподвод высокотемпературных продуктов сгорания из форкамеры 3 в указанную полость, сопровождающийся ростом давления. Необходимая для распространения волны энергия обеспечивается работой сжатия позади волны.

По мере перемещения груза (поршня) ударно-волновой процесс стабилизируется и реализуется перемещение груза (поршня) с многократно увеличенной силой по сравнению с тепловыми двигателями, в которых реализовано адиабатное расширение газа на рабочем ходе.

Таким образом, использование предлагаемого способа работы теплового двигателя и теплового двигателя позволяет по сравнению с существующим повысить эффективность теплового двигателя улучшить экономичность, так как полный коэффициент полезного действия применительно к тепловым двигателям с твердотопливными зарядами увеличивается ≈ до 2,5 и более раз, или при прочих равных условиях повысить мощность двигателя при фиксированных массово-габаритных параметрах. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8 ЫЫЫ10 ЫЫЫ12

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: способ работы теплового двигателя заключается в подготовке рабочего тела в форкамере, снабженной соплом, создании в форкамере давления форсирования, открытии перепускной расходной магистрали в сопле между форкамерой и рабочей камерой, перепуске рабочего тела через магистраль в рабочую камеру, страгивании и перемещении груза в рабочей камере с расширением рабочего тела в процессе движения груза, при этом рабочее тело перепускают со сверхзвуковой скоростью истечения его струи, а отношение давлений рабочего тела в форкамере и рабочей камере выбирают не менее (2/(k+1)^-k/(k-1), где k - показатель адиабаты рабочего тела. Тепловой двигатель для осуществления способа содержит форкамеру с соплом, рабочую камеру, установленный в рабочей камере с возможностью перемещения груз, перепускную расходную магистраль в сопле между форкамерой и рабочей камерой, установленный в сопле выступ груза, средства автоматического управления работой двигателя и топливную систему. Выступ установлен герметично в сопле. Контактирующие посадочные поверхности выступа и сопла выполнены с равными диаметрами. Внутренний диаметр сопла равен 0,1 - 0,95 диаметра рабочей камеры. Предусмотрены варианты осуществления способа и выполнения двигателя. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Способ работы теплового двигателя путем подготовки рабочего тела в форкамере, снабженной соплом, создания в ней давления форсирования, открытия перепускной расходной магистрали в сопле между форкамерой и рабочей камерой, перепуска рабочего тела через магистраль в рабочую камеру, страгивания и последующего перемещения груза в рабочей камере с расширением рабочего тела в процессе движения груза, отличающийся там, что рабочее тело перепускают со сверхзвуковой скоростью истечения его струи, при этом отношение давлений рабочего тела в форкамере и рабочей камере выбирают не менее

где К показатель адиабаты рабочего тала. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что струю рабочего тела отклоняют относительно оси рабочей камеры.

З. Тепловой двигатель, содержащий форкамеру с соплом, рабочую камеру, установленный в последней с возможностью перемещения груз, перепускную расходную магистраль в сопле между форкамерой и рабочей камерой, выступ груза установленный в сопле, средства автоматического управления работой двигателя и топливную систему, отличающийся тем, что выступ установлен герметично в сопле и контактирующие посадочные поверхности выступа и сопла выполнены с равными диаметрами, а внутренний диаметр сопла равен 0,1.0,95 диаметра рабочей камеры.