СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК F02C3/04 

Изобретение относится к области оздоровления окружающей среды (к экологии), конкретно к области тепловых двигателей, работающих за счет теплоты промышленных газов, газов отопительных систем. Оно может быть применено при создании теплосиловых установок и в качестве привода различных машин.

Известны тепловые двигатели (газотурбинные двигатели), работающие за счет теплоты сжигаемого топлива. Процесс расширения рабочего тела у них осуществляется в сопловых аппаратах. Механическую же энергию получают путем срабатывания скоростного напора струи на лопатках рабочего колеса осевых или центростремительных турбин, преобразуя в работу лишь часть подводимого тепла.

Способ работы газотурбинного двигателя с подводом тепла при постоянном давлении составляют следующие приемы: рабочее тело сжимают по адиабате, затем нагревают по изобаре, после чего расширяют по адиабате и потом рабочее тело охлаждают (точнее заменяют охлажденным) по изобаре.

Недостатком способа является то, что охлаждение рабочего тела осуществляют после процесса расширения и тепло отводят в холодильник. Это резко снижает эффективность тепловых двигателей и не позволяет использовать имеющиеся источники тепла (газы отопительных систем, промышленные газы, подогретый воздух и др.).

Задачей изобретения является создание способа работы теплового двигателя, а также самого двигателя, в котором тепло от рабочего тела отводилось бы не после его расширения, но во время протекания процесса расширения, причем тепло отводилось бы не в холодильник, как у всех известных тепловых двигателей, а преобразовывалось бы во вращательное движение самого рабочего тела. Иначе говоря, задачей является создать рабочему телу такие условия движения, при которых часть его теплоты самопроизвольно (спонтанно) генерировала бы приращение вращательного движения самого рабочего тела.

Для решения задачи предлагается способ работы теплового двигателя, основанный на подаче рабочего тела на лопатки направляющего аппарата, расширении его в разгонной камере между лопатками направляющего аппарата и рабочими лопатками турбины, срабатывании скоростного напора на лопатках турбины, сжатии рабочего тела и подводе к нему тепла, отличающийся тем, что рабочее тело сжимают не после его охлаждения, как у известных газотурбинных двигателей, а непосредственно после срабатывания скоростного напора на лопатках турбины. Тепло же от рабочего тела отводят при расширении во время движения в разгонной камере на пути от соплового аппарата до рабочих лопаток турбины. При этом тепло отводят не в холодильник, как у известных тепловых двигателей, а преобразуют во вращательное движение, для чего на всем пути в разгонной камере увеличивают радиальную скорость потока обратно пропорционально радиусу вращения, увеличивают высоту потока обратно пропорционально плотности, выдерживают перепад давления в разгонной камере между входным и выходным сечениями равным тангенциальной составляющей скоростного напора потока и выдерживают угол вращения меньше 40^o. При определенных условиях работы двигателя оптимальный угол вращения выдерживают равным 31^o40'.

Во время движения рабочего тела в разгонной камере, при выполнении перечисленных приемов, кроме процесса обычного расширения и одновременно с этим процессом протекает процесс перехода части теплового движения каждой отдельной молекулы газа, как и всего газа, во вращательное движение, то есть происходит спонтанный процесс непосредственного перехода теплоты рабочего тела во вращательное движение (см Л.П.Козлов, Центростремительное стягивание. Издательство института Горного дела им. А.А.Скочинского, М., 1991 г. Иначе говоря, расширение и отвод тепла (но не в холодильник) протекают одновременно. В результате, после расширения рабочего тела и затем срабатывания скоростного напора на лопатках турбины, отпадает надобность отвода тепла в теплообменник, без которого не могут работать известные тепловые двигатели. В результате предлагаемый способ (термодинамический цикл) составляют не 4, а только 3 следующих приема:
рабочее тело сжимают по адиабате;
подводят к нему тепло по изобаре;
рабочее тело расширяют по генерате.

Как показано выше, расширение в разгонной камере происходит с одновременным спонтанным переходом части теплоты газа во вращательное его движение. Теплота генерирует (производит, рождает) вращательное движение молекул газа и всего рабочего тела. Поэтому этот прием расширения газа можно назвать: рабочее тело расширяют по генерате.

Осуществление описанных приемов создает условия для самопроизвольного перехода теплового движения газа в его вращательное движение во время процесса расширения. Кроме того, одновременно с переходом теплоты во вращательное движение, в разгонной камере совершается также обычное (с увеличением удельного объема) преобразование теплоты в работу, обусловленное отводом тепла при расширении рабочего тела.

На фиг. 1 представлено графическое изображение в координатах PV (P-давление; V-объем) термодинамического цикла теплового двигателя, при котором рабочее тело расширяют в разгонной камере (линия 2-3) с отводом от него тепла и преобразованием этого тепла во вращательное движение (расширяют по генерате), затем сжимают по адиабате (линия 3-1), после чего подводят к нему тепло (линия 1-2), снова расширяют и т.д.

На фиг. 2 термодинамический цикл предлагаемого способа вписан (с целью наглядности) в графическое изображение термодинамического цикла газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении. Из графика на фиг. 2 видно, что если расширение производить по адиабате (линия 2-4), осуществляя цикл газотурбинной установки, то после расширения требовалось бы отводить тепло в холодильник в количестве, соответствующем линии 4-3. В случае же предлагаемого способа, это тепло преобразуют во вращательное движение рабочего тела. Таким образом, в предлагаемом способе все подводимое тепло преобразуют в скоростной напор рабочего тела.

Описанный способ работы теплового двигателя положен в основу создания двигателя, предназначенного для преобразования в механическую энергию теплоты газов отопительных систем, а также других возобновляемых источников тепла.

На фиг. 3, 4, 5, 6 и 7 изображены схемы вариантов исполнения теплового двигателя.

Основными его частями (см. фиг. 3 и 4) являются: разгонная камера 1 с направляющим аппаратом 2, осевая газовая турбина с рабочими лопатками 3 на ее колесах, осевой компрессор с рабочими лопатками 4. Колеса турбины и компрессора посажены на вал 5, вращающийся в подшипниках, смонтированных в опорах 6. Через вал полезная мощность передается потребителю 7. Кроме того, для запуска смонтирован стартер 8 (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель и т.д.) с обгонной муфтой 9.

Во время работы теплового двигателя газ поступает через направляющий аппарат 2 в разгонную камеру 1 под углом к направлению вращения. Закрученный в направляющем аппарате поток, вращаясь, движется в разогретой камере к оси вращения, имея составляющие своей скорости U движения - тангенциальную U_ε и радиальную U_R. Под действием радиального градиента давления, а также за счет производства (генерации) вращательного движения рабочего тела из его теплоты, эти составляющие возрастают по мере приближения к оси вращения каждой единичной массы. При этом U_ε возрастает в соответствии с известным законом сохранения момента импульса, а U_R увеличивается в соответствии с уравнением расхода. На некотором расчетном расстоянии от оси вращения поток поворачивается на 90^o, причем во время поворота его скорость и упомянутые составляющие этой скорости продолжают возрастать. С максимальной скоростью поток рабочего тела входит на рабочие лопатки 3 колеса турбины, где происходит преобразование кинетической энергии газа, накопленной в разгонной камере 1, в энергию вращения вала 5. Через вал 5 мощность передается компрессору 4, а также потребителю энергии 7. Пройдя через рабочие лопатки 3 турбины, отработавший, разреженный и охлажденный газ поступает на лопатки 4 осевого компрессора, где сжимается до атмосферного давления и затем выбрасывается наружу.

Тепловой двигатель запускается с помощью двигателя внутреннего сгорания 8 (либо с помощью электродвигателя, или другим способом) с обгонной муфтой 9. После запуска стартовый двигатель отключается.

Во время запуска компрессор 4 всасывает нагретый газ через разгонную камеру и выталкивает его наружу. При этом по мере набора оборотов валом 5 будет возрастать скорость потока U и уменьшаться давление перед газовой турбиной. Как только расход рабочего тела и, следовательно, скорость потока достигнет такой величины, на которую рассчитаны лопатки турбины и компрессора, тепловой двигатель станет самостоятельно набирать оптимальные обороты, после чего стартер 8 отключается и включается потребитель энергии 7. Начинается работа теплового двигателя в заданном режиме.

Второй вариант теплового двигателя показан на фиг. 5. Он отличается от описанного только тем, что здесь вместо осевой турбины смонтировано колесо центростремительной турбины 3. В этом случае разгонная камера 1 становится плоской, так как поворот потока с вертикального на осевое направление происходит в центростремительной турбине 3. В остальном же как устройство, так и его работа не отличаются от устройства и работы варианта на фиг. 3 и 4. Здесь и в выше описанном случае нагретый газ течет через направляющий аппарат 2 в разгонную камеру 1, в которой разгоняется и охлаждается. Из разгонной камеры рабочее тело поступает на колесо центростремительной турбины 3, где скоростной напор преобразуется в работу вращения вала 5. С колеса турбины отработавший газ захватывается рабочими лопатками осевого компрессора 4, сжимается и выбрасывается в атмосферу. С вала 5 часть мощности передается компрессору 4, а другая часть поступает к потребителю 7.

Вариант теплового двигателя, изображенный на фиг. 6 и 7, отличается тем, что компрессор установлен перед разгонной камерой. Благодаря этому в разгонную камеру поступает сжатый и подогретый газ, а из разгонной камеры выходит поток, имеющий статическое давление, равное атмосферному давлению. В этом случае компрессор более компактен, так как сжимает более плотный газ. Кроме того, здесь отсутствует влияние низкой температуры на прочность частей компрессора. Недостатком же является более высокая затрата мощности на сжатие в одинаковое число раз единицы массы рабочего тела, из-за более высокой начальной температуры, то есть температуры перед сжатием.

Тепловой двигатель предназначен для работы за счет теплоты промышленных газов и газов отопительных систем и может быть использован при создании теплосиловых установок и в качестве привода различных машин. Газ подают через направляющий аппарат в разгонную камеру под углом к направлению вращения, где одновременно с расширением отводят от него тепло (охлаждают). Отводимое тепло преобразуют во вращательное движение, для этого на всем пути в разгонной камере увеличивают радиальную скорость потока обратно пропорционально радиусу вращения, увеличивают высоту потока обратно пропорционально уменьшению плотности. При этом выдерживают угол вращения меньше 40^o и разность давления между входным и выходным сечениями, равным или меньшим тангенциальной составляющей динамического давления потока. После расширения и срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают. Затем рабочее тело нагревают и снова расширяют с отводом тепла. Осуществляют способ с помощью теплового двигателя, выполненного в виде кольцевой разгонной камеры, образованной между двумя кольцевыми плоскостями, переходящими в осевое направление на выходе. На входе в камеру установлен направляющий аппарат. На выходе из разгонной камеры установлена газовая турбина, пройдя которую, поток попадает в осевой компрессор, сжимается и выбрасывается наружу, при этом мощность через вал турбины передается потребителю энергии и компрессору. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ работы теплового двигателя, работающего за счет теплоты промышленных газов, газов отопительных систем, включающий подачу рабочего тела через сопловой аппарат, сработывание скоростного напора на лопатках турбины, сжатие рабочего тела и его подогрев, а также отвод тепла от рабочего тела, отличающийся тем, что тепло от рабочего тела отводят при расширении в разгонной камере и во время отвода преобразуют все отводимое тепло во вращательное движение рабочего тела, за счет того что выдерживают разность давлений между входным и выходным сечениями разгонной камеры равной или меньшей тангенциальной составляющей скоростного напора потока, выдерживают угол вращения на всем пути разгонной камеры меньше 40^o, а высоту потока увеличивают обратно пропорционально плотности рабочего тела. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол вращения потока на всем пути в разгонной камере выдерживают равным 31^o 40'. 3. Тепловой двигатель, содержащий корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, размещенные в корпусе сопловой аппарат, рабочее колесо газовой турбины и компрессор, отличающийся тем, что между сопловым аппаратом и колесом турбины образована разгонная камера с увеличивающейся высотой от входа к выходу, причем угол вращения рабочего тела на всем пути разгонной камеры меньше 40^o. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при выполнении рабочего колеса турбины осевого типа разгонная камера выполнена радиально-осевой. 5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при выполнении рабочего колеса турбины центростремительного типа разгонная камера выполнена радиальной. 6. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела до давления ниже атмосферного компрессор устанавливается за турбиной. 7. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что при расширении рабочего тела от давления выше атмосферного до атмосферного давления компрессор устанавливается перед турбиной.