СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ В ТЕПЛОВОЙ МАШИНЕ И ТЕПЛОВАЯ МАШИНА Российский патент 1997 года по МПК F01K27/00 F02C3/04 

Изобретение относится к энергетике и может быть применено прежде всего в сельском хозяйстве в качестве теплового двигателя для привода различных машин (например, электрических генераторов).

Расширение рабочего тела (газа) производится при совершении любого из известных термодинамических циклов. Например, цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении составляют термодинамические процессы:
1. Рабочее тело сжимают по адиабате;
2. Подводит к нему тепло по изобаре;
3. Рабочее тело расширяют по адиабате;
4. От рабочего тела отводят тепло /охлаждают/ по изобаре.

Наиболее близкими к изобретению по технической сущности являются способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в тепловой машине, заключающийся в том, что сжатое в камере сгорания рабочее тело подают на лопатки направляющего аппарата, закручивают в нем, закрученный поток рабочего тела под углом к направлению вращения подают на лопатки центростремительной турбины, где расширяют с получением механической работы на ее вращающемся валу, и тепловая машина, содержащая корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, расположенные внутри корпуса лопатки направляющего аппарата и колесо центростремительной турбины, связанное с выходным валом (Митрохин В. Т. Выбор параметров расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М. Машиностроение, 1974, с.7, 32 35).

Недостатком известного изобретения является то, что оно не позволяет осуществлять термодинамический цикл без отвода тепла в теплоприемник (в холодный "источник"), что резко уменьшает эффективность преобразователя тепловой энергии (газовых и паровых турбин) в энергию механическую, т.е. в работу.

Задачей изобретения является осуществления такого способа преобразования, при котором тепловое движение молекул газа трансформировалось бы в их вращательное движение.

Кроме того, задачей является и создание компактной эффективной тепловой машины для осуществления данного способа преобразования.

Указанные задачи решаются за счет того, что рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения менее 35^o, перед подачей на лопатки турбины рабочее тело направляют в кольцевую разгонную полость, где его охлаждают во время расширения, отводимое при охлаждении тело преобразуют в работу, увеличивают высоту потока рабочего тела обратно пропорционально уменьшению полости, причем радиальный градиент давления на каждом участке радиуса вращения выдерживают достаточным для приращения на этом участке окружной скорости, после же срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают. Для этого тепловая машина снабжена кольцевой разгонной полостью, расположенной между лопатками направляющего аппарата и колеса турбины. Причем диаметр входа кольцевой разгонной полости превышает диаметр выхода из нее более чем в 1,2 раза, а выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 28-35^o к направлению вращения, например, под углом 31^o40^'.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 дано графическое изображение в координатах PV (P давление, V объем) термодинамического цикла, включающего процесс расширения (линия 2-3); на фиг. 2 процессы цикла с предложенным способом расширения газа, вписаны (с целью наглядного сравнения) в графическое изображение цикла газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении; на фиг. 3 и 4 изображена принципиальная схема тепловой машины двигателя плосковихревого.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу осуществляется в тепловой машине следующим образом.

Рабочее тело закручивают по спирали под оптимальным углом, равным 31^o40^', к направлению вращения, направляют в разгонную полость и выдерживают этот угол неизменным на всем пути потока газа к оси вращения.

Во время движения рабочего тела по спирали, его расширяют не в направлении возрастающей скорости, как в известных случаях, а в направлении, перпендикулярном направлению возрастающей окружной скорости, причем радиальный градиент давления на каждом участке радиуса выдерживают соответствующим приращению на этом участке окружной скорости, которую изменяют обратно пропорционально радиусу вращения каждой единичной массы газа, при этом, необходимое изменение плотности газа обеспечивают за счет изменения высоты разгонной полости. Осуществление описанных приемов создает условия для самопроизвольного перехода теплового движения каждой отдельно взятой молекулы газа в ее вращательное движение во время процесса расширения. При этом одновременно также совершается обычное (с увеличением объема) преобразование теплоты в работу, обусловленное отводом тепла при расширении рабочего тела.

Из графика на фиг. 2 видно, что если расширение производить по адиабате /линия 2-4/, осуществляя цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении, то после расширения требовалось бы отводить тепло в количестве, соответствующем линии 4-3. В случае же предлагаемого способа, из этого тепла генерирует вращательное движение, поскольку расширение ведут с самопроизвольным переходом теплоты /отводимой по изобаре 4-3/ во вращательное движение. Таким образом в предлагаемом способе расширения газа практически все подводимое тепло преобразуют в движение потока.

Тепловая машина, в которой осуществляется описываемый способ двигатель плосковихревой (фиг. 3 и 4) имеет разгонную полость 1, ограниченную сверху и снизу двумя кольцевыми поверхностями и снабженную на входе направляющим аппаратом 2, к которому сжатый газ поступает через заборную емкость 3, сообщающуюся с источником газа или пара, например с камерой сгорания (на чертеже не показана). За разгонной полостью 1 установлено колесо активной газовой турбины, лопатки 4 которой закреплены на держателе 5, смонтированном на валу 6. Держатель имеет окна 7 для выхода наружу отработавшего рабочего тела.

Работа двигателя начинается как только из источника газа или пара (из камеры сгорания, из парового котла и т.д.) начнет поступать рабочее тело через заборную емкость 3 в направляющий аппарат 2. С помощью последнего газ закручивается и под оптимальным углом (31^o40^') к направлению вращения, входит в разгонную полость 1; имея составляющие своей скорости (U) движения тангенциальную U_Σ и радиальную U_R. Под действием радиального градиента давления эти составляющие возрастают по мере приближения каждой единичной массы к оси вращения, причем U_Σ возрастает частично за счет перехода теплоты в движение и в соответствии с законом сохранения момента импульса, а U_R возрастает в соответствии с уравнением расхода и за счет расширения газа. Имея максимальную скорость, поток входит на лопатки 4 колеса турбины, где происходит преобразование кинетической энергии газа в энергию вращения вала 6. Через вал 6 мощность передается на вал компрессора нагнетающего воздух в камеру сгорания и к потребителю энергии (потребитель энергии и компрессор на рисунке не показаны). По выходе из турбины отработавший газ выбрасывается наружу через окна 7 в держателе 5.

Во время движения в разгонной полости каждой единичной массы ее скорость постоянно возрастает, причем частично за счет непосредственного (т.е. без увеличения объема рабочего тела) перехода теплового движения во вращательное движение.

Использование: в энергомашиностроении. Сущность изобретения: способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в тепловой машине заключается в том, что сжатое в камере сгорания рабочее тело подают на лопатки направляющего аппарата, закручивают в нем, закрученный поток рабочего тела под углом к направлению вращения подают на лопатки центростремительной турбины, где расширяют с получением механической работы на ее вращающемся валу. Причем рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения менее 35^o, перед подачей на лопатки турбины рабочее тело направляют в кольцевую разгонную полость, где его охлаждают во время расширения. Для осуществления этого способа тепловая машина, содержащая корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, расположенные внутри корпуса лопатки направляющего аппарата и колесо центростремительной турбины, связанное с выходным валом, снабжена кольцевой разгонной полостью, расположенной между лопатками направляющего аппарата и колеса турбины. Причем диаметр входа кольцевой разгонной полости превышает диаметр выхода из нее более чем в 1,2 раза, а выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 28-35^o к направлению вращения. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в тепловой машине, заключающийся в том, что сжатое в камере сгорания рабочее тело подают на лопатки направляющего аппарата, закручивают в нем, закрученный поток рабочего тела под углом к направлению вращения подают на лопатки центростремительной турбины, где расширяют с получением механической работы на ее вращающемся валу, отличающийся тем, что рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения менее 35^o, перед подачей на лопатки турбины рабочее тело направляют в кольцевую разгонную полость, где его охлаждают во время расширения, отводимое при охлаждении тепло преобразуют в работу, увеличивают высоту потока рабочего тела обратно пропорционально уменьшению плотности, причем радиальный градиент давления на каждом участке радиуса вращения выдерживают достаточным для приращения на этом участке окружной скорости, после же срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело, после срабатывания скоростного напора на лопатках турбины, дополнительно охлаждают или заменяют охлажденной порцией. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения 31^o40'. 4. Тепловая машина, содержащая корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, расположенные внутри корпуса лопатки направляющего аппарата и колесо центростремительной турбины, связанное с выходным валом, отличающаяся тем, что она снабжена увеличивающейся по высоте кольцевой разгонной полостью, расположенной между лопатками направляющего аппарата и колеса турбины. 5. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что диаметр входа кольцевой разгонной полости превышает диаметр выхода из нее более чем в 1,2 раза. 6. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 28 35^o к направлению вращения. 7. Машина по п. 6, отличающаяся тем, что выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 31^o40' к направлению вращения.