СИЛОВАЯ УСТАНОВКА С ВОЛНОВЫМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ Российский патент 1997 года по МПК F01K11/02 

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения, и может быть использовано на транспортных средствах, а также для передвижных электрических станций.

В предлагаемой силовой установке от внешнего источника тепла получается пар в котле и пароперегревателе с очень высокими параметрами. Современные жаропрочные материалы позволяют получить температуру пара до 1600^oС. Этот пар разгоняется до окружной скорости ротора и попадает на внутреннюю полость ротора и омывает теплоотводящие ребра. Ребра нагреваются до высокой температуры и находящаяся в каналах вода мгновенно испаряется и смешивается с паром. В результате резкого испарения образуется волна пара, которая перемещается к оси вращения ротора. При испарении температура резко падает и в каналах давление также падает. В этот момент подается следующая порция пара и образуется очередная волна, которая догоняет предыдущую и передает ей часть своего импульса. При движении образованных волн к оси они сглаживаются и через рабочие лопатки выходит пар постоянного давления. Далее пар попадает в низкотемпературный пароперегреватель, где подогревается более холодными газами. После подогрева пар обратно разгоняется до окружной скорости ротора и попадает в низкотемпературную часть ротора, где происходит его частичная конденсация. Пар сжимается центробежной силой и часть его энергии переходит в подогрев образовавшейся воды, а часть тепла отводится оребрением, которое обладает высокой теплопроводностью и высокой механической прочностью. Молекулы несконденсировавшегося пара движутся к оси вращения и отдают свою энергию в ротор за счет силы Кориолиса. Часть пара при движении к оси вращения конденсируется в воду и отбрасывается к периферии, а оставшаяся часть пара выходит к оси вращения и попадает в конденсатор. В конденсаторе пар конденсируется в воду за счет просасывания воздуха вентилятором. Вода из конденсатора подогревается теплом, которое отнимается от ротора и поступает в котел. Далее цикл повторяется.

Известен двигатель Стирлинга, работающий от внешнего источнка тепла и отводящий излишки тепла в систему охлаждения. (См. кн. авт. Г. Уокера "Машины работающие по циклу стирлинга" изд. Москва, Энергия, 1978 г. стр. 62, рис. 6 8).

Основным недостатком прототипа является небольшая площадь подвода тепла в цилиндр и невысокая температура горячей части цилиндра, не превышающая 900^oС. Недостатком является также сложная кинематика и недолговечность уплотнительных элементов, а также небольшая удельная мощность двигателя.

Цель изобретения упрощение конструкции, повышение удельной мощности установки, а также ее К.П.Д.

Указанная цель достигается тем, что в стационарном пароперегревателе достигается максимально возможная температура пара 1600^oC и затем с этим паром вводится огромная энергия в ротор, за счет которой происходит испарение основной массы пара. За счет огромного теплового потока происходит волнообразное движение пара, что позволяет снизить давление пара в паровом котле и уменьшить массу парового котла и пароперегревателя. Основная масса пара конденсируется под действием центробежных сил в роторе и часть тепла межфазового перехода используется для подогрева питательной воды. Оставшаяся часть пара выводится из ротора, при этом он совершает механическую работу и конденсируется в конденсаторе. Неиспользованная тепловая энергия сбрасывается в конденсаторе в просасываемый вентилятором воздух и рассеивается в окружающем пространстве. Для повышения удельной мощности обороты ротора увеличены до окружной скорости 800 1000 м/сек за счет бандажирования наружной части ротора тонкими сверхпрочными пластинами типа металлическое стекло.

На фиг. 1 изображен общий вид силовой установки.

На фиг. 2 изображен узел А в разрезе в увеличенном масштабе.

На фиг. 3 изображено сечение Б-Б холодной части ротора.

На фиг. 4 изображено сечение В-В горячей части ротора.

На фиг. 5 изображен узел Г наружной части ротора в увеличенном масштабе.

На фиг. 6 изображено сечение Д-Д и подвод пара через сопло в окно ротора горячей части.

На фиг. 7 изображено узел Е сечение, узел внутреннего оребрения горячей и холодной части ротора.

Силовая установка с волновым термодинамическим циклом состоит из неподвижного конденсатора 1, в который входят охлаждающие трубки конденсатора 2 и охлаждающие пластины конденсатора 3. В нижней части конденсатора установлен бак для сконденсировавшейся воды 4. В передней части конденсатора установлен обтекатель 5. Двигатель и конденсатор объединяет подвод пара в конденсатор 6. Вода из конденсатора подается в паровой котел водяным насосом 7. За конденсатором установлен вентилятор 8 и закрывается неподвижным кожухом вентилятора 9. Вентилятор приводится во вращение редуктором 10. За насосом установлен теплообменник 11, который соединяется с насосом трубой подвода воды 12, а по трубе отвода воды 13 она попадает в паровой котел. Труба подвода пара к охладителю 14 и труба отвода пара от охладителя 15 соединяют теплообменник с двигателем. Топка 16 расположена под паровым котлом 17, а над паровым котлом расположен высокотемпературный пароперегреватель 18 и газоход 19. Труба подачи высокотемпературного пара в двигатель 20 и разводящая труба 21 объединяют высокотемпературный пароперегреватель с двигателем. Низкотемпературный пароперегреватель 22 расположен над высокотемпературным пароперегревателем. Подводящий канал в пароперегреватель 23 подает пар из двигателя в пароперегреватель, из которого выходит выхлопная труба 24. Мощность двигателя снимается с шестерни отбора мощности 25. Труба подвода пара в двигатель 26 подает пар в двигатель 27. Двигатель состоит из неподвижного корпуса холодной части 28 и неподвижного корпуса горячей части 29, а между ними имеется теплоизолирующая проставка 30. В горячей части корпуса установлено сопло 31. В холодной части корпуса выполнен подводящий паровой канал 32, в котором установлен сверхзвуковой сопловой аппарат 33 по всей окружности статора. Подводящие каналы уплотняются с ротором лабиринтными уплотнениями 34. Двигатель крепится за лапы 35. Бандажные пластины прижаты к ограничителю бандажа холодной части ротора 36. Внутренняя холодная часть ротора 38 выполнена центробежным литьем и включает лопатки 37, а также окна подвода пара 39. На выходе пара из холодной части ротора установлены турбинные лопатки 40. Наружный корпус холодной части ротора 41 имеет внутреннее оребрение 42 и наружное оребрение 43. Ротор установлен на подшипниках качения 44. Вентилятор приводится во вращение от шестерни привода вентилятора 45. Ротор стягивается стяжным валом 46 и болтами 47. Бандажные пластины со стороны горячей части ротора стягиваются ограничителем 48. Внутренняя горячая часть ротора 50 выполнена центробежным литьем и включает в себя лопатки 49 и окна подвода пара 52. На выходе пара из ротора установлены турбинные лопатки 51. Трубки 53 соединяют холодную часть ротора с горячей. Между холодной и горячей частью ротора установлена теплоизолирующая проставка 54 и тонкие сверхпрочные теплоизолирующие пластины 55. Наружный корпус горячей части ротора 56 имеет внутреннее оребрение 57. Между неподвижным корпусом и холодной частью ротора имеется канал охлаждения ротора 58. Между охлаждающими пластинами установлены неподвижные пластины 59, препятствующие перетоку охлаждающего тела. Просочившийся пар через лабиринтные уплотнения отсасывается по каналу 60 и трубе 61 в полость конденсатора с пониженным давлением /труба не показана/. Сконденсировавшаяся вода к трубкам подводится по каналу 62, а по каналу 63 подводится вода к ребрам в горячей части ротора. Горячая часть ротора бандажируется сверхпрочными пластинами 64. Холодная часть ротора бандажируется сверхпрочными пластинами 65, 66, 69 и сверхпрочными пластинами 67 и 68 с теплопроводящим покрытием, например омеднение. Пластина 70 имеет теплопроводящее покрытие 68 с двух сторон. Пластины 67, 69 и 70 свариваются лазерным сварочным швом 71. Образованный сверхпрочный каркас заполняется теплопроводящим наполнителем 72, например медью. Рабочее тело (вода) в горячей и холодной части ротора показана поз. 73.

Силовая установка с волновым термодинамическим циклом работает следующим образом.

От внешнего источника энергии через шестерню отбора мощности 25 раскручивается ротор двигателя 27. Водяной насос 7 прокачивает воду из бачка 4 в паровой котел 17 и включается топка 16, которая может работать на любом топливе. Испарившаяся вода в котле 17 поступает в высокотемпературный пароперегреватель 18, где нагревается до максимально возможной температуры. Существующие жаропрочные материалы позволяют получить температуру пара 1600^oC. Перегретый пар по разводящей трубе 20 и 21 подается в сопла 31. Для уравновешивания ротора необходимо как минимум два сопла, расположенные симметрично по окружности. В соплах высокотемпературный пар разгоняется до скорости равной окружной скорости ротора порядка 800 м/сек и через окно 52 попадает на внутренние ребра 57 горячей части ротора. После разгона в сопле пар имеет температуру порядка 1200^o а ребра имеют температуру воды более 300^oC. В каждый сегмент ротора через окно 52 попадает определенная порция пара за время прохождения соответствующего окна через зону сопла 31. За полный оборот ротора в сегмент между лопатками 49 пар попадает как минимум два раза по количеству расположенных сопел. Так как окна 52 непрерывно проходят через зону сопла 31, то пар подается в сопла непрерывно. Попавшая порция пара на ребра 57 прижимается центробежной силой к поверхности воды 73. Возникает огромный тепловой поток от пара с температурой 1200^oC через ребра 57 и поверхность воды 73 в воду с температурой около 300^oC. Возникает пленочное кипение воды и выброс воды из каналов ребер 57. Неиспарившаяся вода как поршень выбрасывается из каналов, приобретая при этом кинетическую энергию. Выброшенные капли воды попадают в облако пара и происходит дальнейшее ее испарение. Быстрое испарение воды при смешивании с паром увеличивает объем пара в несколько раз и молекулы пара при этом разгоняются до огромных скоростей за счет возникающих при этом огромных давлений, таким образом пар получает огромный импульс к оси вращения ротора. При очень быстром испарении образуется ударная волна пара, которая силой кориолиса прижимается к лопатке 49 и выделяет свою энергию во вращающий момент ротора. При испарении воды температура пара резко падает с 1200^oC до 450^oC, а давление резко нарастает. Образовавшаяся ударная волна начинает по инерции продвигаться к оси вращения ротора и отрыв22ается от каналов, в которых начинает образовываться разряжение. По трубкам 53 поступает вода в канал 63 и распределяется в полостях между ребрами 57. Вновь поступающая вода из холодной части ротора частично подогревается и охлаждает ребра 57 до температуры порядка 340^oC и приближается к критической точке испарения, но испариться она не может, так как прижата к ротору огромной центробежной силой. Через 1/2 оборота ротора в образовавшееся разряженное пространство через окно 52 попадает новая порция высокотемпературного пара и начинается новое испарение и новая волна пара продвигается к оси вращения.

Предыдущая волна пара при движении по лопатке 49 к оси вращения постепенно затормаживается и расширяется, часть пара конденсируется и образовавшаяся вода силой кориолиса отбрасывается к обратной стенке лопатки и движется к периферии ротора. Вновь образовавшаяся волна с большой скоростью наталкивается на предыдущую и выталкивает ее к оси вращения ротора. Волны накатываются одна на другую и при выходе на ось вращения имеют постоянное давление. Часть кинетической энергии при движении пара по лопатке выделяется во вращающий момент ротора, а остальная часть энергии преобразуется в постоянное давление пара. При выходе пара через ось, он срабатывает свою оставшуюся скорость на лопатках 51 и выходит в трубопровод 23 без закрутки. Отсюда пар попадает в низкотемпературный пароперегреватель 22, где подогревается газами через газоход 19 и выходящими в выхлопную трубу 24. Подогретый пар по трубе 26 поступает в канал 32 и срабатывает свой теплоперепад на сверхзвуковом сопловом аппарате 33. Низкотемпературный пар при разгоне до окружной скорости ротора частично конденсируется и через окна 39 попадает в холодную часть ротора. Сконденсировавшаяся вода центробежной силой отбрасывается к периферии ротора, а пар центробежной силой прижимается к ребрам 42 и за счет отвода тепла конденсируется. Пар, обладающий высокой энергией, выдавливается к оси вращения ротора в зону высокого разряжения и выделяет свою энергию на лопатки 37. По мере движения пара к оси вращения, он теряет свою энергию и частично сжижается, а затем обратно отбрасывается к периферии ротора. Сконденсировавшаяся на ребрах 42 вода попадает в канал 62 и по трубкам 53 выдавливается в горячую часть ротора. В момент прохождения соответствующего сегмента через зону сопла там образуется огромное давление на очень короткий промежуток времени и происходит закупоривание трубки подвода воды. Затем образуется разряжение и вода поступает в горячую часть ротора. Несконденсировавшийся пар движется по лопаткам 37 и срабатывает свой оставшийся теплоперепад на лопатках 40, попадает в трубку 6 и попадает в конденсатор 1.

Вода конденсируется в трубках конденсатора 2 и собирается в бачке 4. Вентилятор 8 просасывает воздух через охлаждающие пластины 3 и выбрасывает его из кожуха 9 в атмосферу. Вентилятор приводится во вращение шестерней 45 через понижающий редуктор 10. Питательная вода из бака 4 прокачивается насосом 7 через трубу 12 и попадает в теплообменник 11, где подогревается паром. Пар из теплообменника 11 поступает по трубе 14 в канал 58 и за счет трения о ротор разгоняется при этом омывает ребра охлаждения ротора. Проходя по каналу 58 пар нагревается и отнимает межфазового перехода конденсирующейся воды в роторе. Нагретый пар по трубе 15 обратно попадает в теплообменник 11 и подогревает питательную воду. Подогретая вода поступает по трубе 13 и попадает в котел 17. Цикл повторяется.

Наружное оребрение ротора 43 выполнено из тонких сверхпрочных пластин, которые позволяют развивать окружную скорость ротора 800 1000 м/сек. Так как толщина пластин < 0,1 мм, то большого сопротивления потоку тепла они не окажут, а внутренняя полость бандажа заполнена теплопроводным материалом. Такой бандаж позволяет набрать огромную площадь оребрения, а теплопроводный наполнитель позволяет пропустить огромный тепловой поток от внутреннего оребрения ротора к наружному. Применение высокотемпературного пара позволяет в роторе получить обычного пара в три раза больше, что позволяет уменьшить паровой котел в три раза. Соответственно основная масса пара конденсируется в низкотемпературной части ротора, а в конденсатор отводится 1/3 часть пара, что также позволяет уменьшить конденсатор в три раза. Высокооборотистый ротор по сравнению с турбиной позволяет снять удаленную мощность в несколько раз большую, чем существующие паровые турбины. Все это позволит создать компактную и очень мощную силовую установку, пригодную для использования на транспортных средствах.

Использование: в двигателестроении. Сущность изобретения: подвод тепла к пару осуществляется в паровом котле и высокотемпературном пароперегревателе, затем пар нагревается и поступает в ротор, где образуется основная масса пара с параметрами, необходимыми для преобразования на лопатках ротора. Основная часть пара конденсируется в холодной части ротора за счет отвода тепла через оребренную поверхность. Отведенное тепло используется для нагревания питательной воды, поступающей в паровой котел. Оставшаяся часть пара отводится в конденсатор и охлаждается воздухом, просасываемым через конденсатор вентилятором. 7 ил.

Силовая установка с волновым термодинамическим циклом, содержащая неподвижный корпус, ротор с полостью расширения и полостью сжатия, внешний нагреватель и внешний охладитель, отличающаяся тем, что в горячей и холодной части ротора имеются окна, внутренние оребрения, лопатки и сверхпрочные бандажные пластины, между холодной и горячей частью ротора расположены теплоизолирующие пластины, в которых установлены трубки, бандаж холодной части ротора выполнен в виде ребер, во внутренней полости которых находится теплопроводный наполнитель, а теплоотводящая полость образована ребрами и неподвижным корпусом.