ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02C1/10 F02C3/05 

Изобретение относится к области тепловых двигателей, в частности, к тепловым двигателям с теплоносителем в замкнутом контуре.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий радиальную турбину на общем роторе с центробежным компрессором, открытый контур с участками сжатия в центробежном компрессоре подвода тепла, выполненным в виде камеры сгорания, расширения в радиальной турбине [1]
Рабочие колеса центробежного компрессора и центросмесительной турбины имеют лопатки. Недостатком двигателя является малая эффективность преобразования внутренней энергии газового потока в механический момент и как следствие этого, низкий коэффициент полезного действия. В качестве рабочего газа в двигателе используются продукты сгорания органического топлива в воздухе, вследствие малой молекулярной массы газовой смеси практически невозможно достичь высокой степени сжатия с помощью центробежного компрессора описанного в патенте и использовать энергию газа более полно, кроме того, расположение выходного отверстия из камеры сгорания больше по радиусу, чем входные отверстия в нее, требует применения дополнительного входного компрессора газа без которого невозможна циркуляция газа в указанном направлении. Это также снижает эффективность работы двигателя.

Известна тепловая электромашина принятая за прототип, содержащая замкнутый контур с теплоносителем с участками сжатия в компрессоре подвода тепла, расширения в турбине, отвода тепла устройство для подвода тепла и устройство для отвода тепла контура компрессор и турбина помещены на общем валу комплект лопаток статора. Устройство для герметизации лопаток статора в общем замкнутом контуре с теплоносителем контур на участке подвода тепла наклонен к оси ротора [2]
Недостатком этого устройства является наличие комплекта лопаток статора для перевода движения газа в контуре в момент двигателя и система герметизации ротора и комплекта лопаток статора. Известно, что способ преобразования внутренней энергии газового потока в механический момент с помощью неподвижных поперечных лопаток малоэффективен, так как в такой конструкции невозможно создать большой перепад давления, кроме того часть энергии теряется на возмущения потока газа. Система герметизации ротора и комплекта лопаток статора оказывает сопротивление движению ротора и поглощает часть энергии. Таким образом, указанные конструкционные недостатками снижают эффективность преобразования внутренней энергии газового потока в механический момент и поэтому данная тепловая машина имеет малый коэффициент полезного действия.

Задача, которая решается разработанной конструкцией теплового двигателя, заключается в повышении коэффициента полезного действия и технологическом упрощении теплового двигателя.

Решение задачи обусловлено следующими техническими результатами:
устранением возмущения потока газа в контуре;
повышением эффективности преобразования внутренней энергии газа в момент вращения ротора.

Указанные технические результаты достигаются и тем, что в известном тепловом двигателе, содержащем турбину и компрессор на общем валу, замкнутый контур с теплоносителем с участками отвода тепла и подвода тепла, устройство для подвода тепла и устройство для отвода тепла контура, контур целиком размещен на общем роторе, участок подвода тепла контура расположен от оси ротора дальше, чем участок отвода тепла, контур на участке подвода тепла наклонен к оси ротора, согласно изобретения, контур изогнут тангенциально по спирали в направлении противоположном направлению вращения ротора и, по меньшей мере, один раз охватывает ось ротора.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда контур на участке отвода тепла наклонен к оси ротора.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда контур профилирован в поперечном сечении и после участка подвода тепла, содержит сопло Лаваля.

Возможно выполнение и теплового двигателя, когда он содержит более чем один замкнутый контур, которые осесимметрично закрепленным на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда устройство подвода тепла выполнено в виде закрепленной на роторе камеры сгорания, с компрессором воздуха, устройством подачи топлива и устройством зажигания топлива.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда устройство подвода тепла выполнено в виде дополнительного внешнего контура, который содержит компрессор воздуха, рекуператор и камеру сгорания.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда теплоносителем замкнутого контура служит газообразное вещество или смесь веществ, молекулярная масса которых больше 50.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда замкнутый контур заполнен газообразным веществом, которое конденсируется при температуре участка охлаждения контура.

Возможно выполнение теплового двигателя, когда замкнутый контур заполнен газообразным веществом, которое диссоциирует при температуре участка нагрева контура.

На фиг. 1 и 2 изображен тепловой двигатель.

Предлагаемый тепловой двигатель содержит ротор-1, вал-2 которого закреплен на опорах вращения-3 в защитном корпусе-4, устройства теплообмена-5. На роторе размещен контур-6 с теплоносителем. В контуре имеются: участок сжатия газа 7, участок нагрева газа 8, участок расширения газа 9, участок охлаждения газа 10. Устройство для подвода тепла может быть выполнено в виде камеры сгорания 11, снабженной устройством подачи топлива 12 и устройством зажигания 13 и компрессором воздуха 14. Устройство для отвода тепла контура может быть выполнено в виде вентилятора 15, помешенного на общем роторе.

Тепловой двигатель работает следующим образом.

При вращающемся роторе теплоноситель, например, ксенон циркулирует в замкнутом контуре. Попадая на участок контура 7, холодильный теплоноситель с большой плотностью адиабатически сжимается за счет центробежной силы. За счет трубчатой и жесткой герметичной конструкции двигателя степень сжатия может достигать величины более 50, что резко повышает эффективность использования внутренней энергии газа, то есть, увеличивает коэффициент полезного действия двигателя, а чем тяжелее используется в качестве рабочего тела газ, тем при меньших оборотах ротора достигаются заданные величины сжатия газа. При этом газ нагревается и попадает на участок контура 8. На этом участке теплоноситель нагревают устройством подвода тепла 5, например, внешним теплообменным устройством, контур наклонен также и к оси. Профиль и радиус с участка контура 8 выбраны таким образом, чтобы газ, расширялся в нем по заданной политропе, то есть, подвод тепла на участке нагрева теплоносителя, сбалансирован с изменением давления газа на нем, что позволяет оптимизировать режим работы двигателя. Участок нагрева имеет тангенциальный наклон противоположный направлению вращения ротора, поэтому энергия, которая передается на участке от устройства нагрева к газу вызывает ускорение рабочего газа вдоль контура и частично переходит во вращательный момент ротора в направлении его вращения, на этом участке газ расширяется, "всплывает" в центробежном поле и попадает на участок расширения газа контура 9.

Момент вращения вала формируется также за счет кориоллисовой силы при разности радиальных скоростей теплоносителя в контуре при его движении от оси и к оси и от оси ротора 1. На участке 9 газ, двигаясь против центробежного поля на вращающемся роторе 1 двигателя, посредством тангенциально направленной силы кориоллиса отдает энергию, вращающемуся ротору 1. Внутренняя энергия газа преобразуется в момент вращения ротора. Газ в процессе своего радиального движения вверх от оси ротора на участке сжатия 7 и вниз к оси ротора 1 на участке расширения 9 создает в целом положительный момент вращения за счет действия силы кориоллиса, если скорость движения газа к оси ротора двигателя больше скорости движения газа от оси двигателя, что достигается выбором наклона каналов в контуре и площади их сечения вдоль длины контура. Для увеличения эффекта участок расширения 9 может содержать на входе сопло Лаваля, так как движущийся со сверхзвуковой скоростью газ, в процессе своего движения против центробежного поля, ускоряется. Участок расширения 9 может быть также изогнут в направлении против вращения ротора 1 для перевода в момент вращения ротора азимутальной составляющей ускорения потока газа в канале.

Затем газ поступает через осевую часть контура на участок охлаждения 10, где происходит его охлаждение устройством для отвода тепла контура, например через внешний теплообменник. На участке теплоноситель охлаждают устройством отвода тепла 15, например, внешним теплообменным устройством. Профиль и радиус участка контура 10 выбраны таким образом, чтобы газ, сжимался в нем по заданной политропе. Отвод тепла участка сбалансирован с изменением давления газа на нем, что позволяет оптимизировать режим работы двигателя. Контур участка 10 отклонен от оси ротора, газ охлаждаясь сжимается, "тонет" в центробежном поле и попадает на участок сжатия 7 газа контура.

Цикл работы, например, цикл Карно, повторяется.

Поскольку, в устройстве момент движения масс сохраняется, а контур один раз охватывает ось ротора, то момент который формируется движением теплоносителя контура против направления вращения вала, переходит в момент движения ротора в обратную сторону.

Отметим также способность данной конструкции работать с малыми расходами газа без снижения ее рабочих характеристик, что позволяет создать устройства малой единичной мощности, это важно, когда установка работает как турбовальный двигатель.

Выполнение устройства, когда оно содержит более чем один замкнутый контур, которые осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол, позволяет повысить мощностные характеристики устройства и улучшить его удельные весовые характеристики.

Устройство подвода тепла может выполнено в виде закрепленной на роторе камеры сгорания 1, с компрессором воздуха 14, устройством подачи топлива 12 и устройством зажигания топлива 13.

Устройство для отвода тепла контура может быть выполнено в виде вентилятора 15, помещенного на общем роторе.

Замкнутый контур может быть заполнен газообразным веществом, которое конденсируется при температуре участка охлаждения контура, например, фреон, это позволяет повысить эффективность теплопередачи, а, следовательно и мощностные характеристики двигателя и упростить конструкцию устройства для отвода тепла.

Замкнутый контур может быть заполнен газообразным веществом, которое диссоциирует при температуре участка нагрева контура, например, N₂O₄. Это повышает эффективность нагрева теплоносителя, мощностные характеристики двигателя и упрощает конструкцию устройства для подвода тепла.

Пример. Было проведено моделирование работы предлагаемого газотурбинного двигателя. Газотурбинный двигатель с максимальным радиусом контура на участке нагрева равным 35 см имеет 5 каналов постоянного сечения 2 кв. см для движения газа вдоль его длины, общим сечением 10 кв. см. В качестве теплоносителя был использован ксенон. При скорости вращения ротора 10000 об/мин, величине центробежного ускорения на радиусе 35 см равной 3,8•10⁷ см/сек, 3,9•10⁴Go, он развивает мощность 63 кВт, имеет КПД 0,5, максимальное давление газа в контуре 32 атм, минимальное 3,5 атм.

Настоящее изобретение может быть использовано в автомобилях, вертолетах, малогабаритных энергоустановках, стационарных энергетических установках, судовых двигателях, иных устройствах получения и использования механической энергии.

Использование: в энергетике, в частности, в газотурбинных установках. Сущность изобретения: тепловой двигатель содержит турбину и компрессор на общем валу, замкнутый контур с теплоносителем с участками отвода тепла и подвода тепла, устройство для подвода тепла и устройство для отвода тепла контура. Контур целиком размещен на общем роторе, участок подвода тепла контура расположен от оси ротора дальше, чем участок отвода тепла, контур на участке подвода тепла наклонен к оси ротора, и изогнут тангенциально по спирали в направлении противоположном направлении вращения ротора и один раз охватывает ось ротора. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Тепловой двигатель, содержащий турбину и компрессор на общем валу, замкнутый контур с теплоносителем с участками отвода тепла и подвода тепла, устройство для подвода тепла и устройство для отвода тепла контура, контур целиком размещен на общем роторе, участок подвода тепла контура расположен от оси ротора дальше, чем участок отвода тепла, контур на участке подвода тепла наклонен к оси ротора, отличающийся тем, что контур изогнут тангенциально по спирали в направлении, противоположном направлению вращения ротора, и по меньшей мере один раз охватывает ось ротора. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что контур на участке отвода тепла наклонен от оси ротора. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что контур в поперечном сечении выполнен профилированным и после участка подвода тепла содержит сопло Лаваля. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит более чем один замкнутый контур, которые осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство подвода тепла выполнено в виде закрепленной на роторе камеры сгорания с компрессором воздуха, устройством подачи топлива и устройством зажигания топлива. 6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что устройство для подвода тепла выполнено в виде дополнительного внешнего контура, который содержит компрессор воздуха, рекуператор и камеру сгорания. 7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что замкнутый контур заполнен газообразным веществом с атомной или молекулярной массой больше 50. 8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что замкнутый контур заполнен газообразным веществом, которое конденсируется при температуре участка охлаждения контура. 9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что замкнутый контур заполнен газообразным веществом, которое диссоциирует при температуре участка нагрева контура.