ПОЛЕВАЯ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ПУСТЫНЦЕВА Российский патент 1998 года по МПК F02G1/43 

Изобретение относится к области энергетики, а именно к полевым теплоэнергетическим источникам, и может быть использовано на транспорте и в качестве транспортабельных теплоэнергетических установок, где это необходимо.

Известен двигатель Стирлинга двойного действия с гидропередачей на гидромотор, вращающий ротор электрогенератора (см. книгу Г.Уокера. "Двигатели Стирлинга". М.: Машиностроение, 1985, с. 284).

Недостатком электрогенераторного блока является сложная конструкция, заключающаяся в том, что для вращения ротора электрогенератора используется двигатель двойного действия и гидромотор.

Известен также электрогенераторный блок с одноцилиндровым воздушнотепловым двигателем одностороннего действия Стирлинга фирмы "Филипс" (см. книгу Г.Уокера "Двигатель Стирлинга". М.: Машиностроение, 1985, с. 178, 231), выбранный автором в качестве прототипа, состоящий из одноцилиндрового двигателя Стирлинга одностороннего действия, вытеснительного типа, с кривошипно-шатунным механизмом привода (Мейер, 1969 г.), соединенный с электрическим генератором в единый блок.

Недостатком данного электрогенераторного блока является то, что возвратно-поступательное движение рабочего поршня и вытеснителя преобразуется во вращательное движение рабочего вала с помощью сложного кривошипно-шатунного механизма (Мейер) и низкого КПД.

Изобретение обеспечивает создание многофункциональных теплоэнергетических установок с внешним подводом теплоты с использованием любых топлив, включая дрова, уголь, мазут и т.д.

Указанный результат достигается тем, что в двигателе внешнего сгорания (полевой теплоэнергетической установки) рабочим телом является воздушно-водяная смесь. Двигатель может работать по открытому и замкнутому циклам. Управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Возвратно-поступательное движение поршня в цилиндре, расположенном соосно с выходным рабочим валом, через шток, в преобразующем аппарате, выполненном в пустотелом маховике, превращается во вращательное движение пустотелого маховика (ротора электрического генератора) и вала отбора мощности.

При работе ДВПТ по открытому циклу отработавшее рабочее тело, пройдя через генератор и охладитель разделяется, пар конденсируется и конденсат стекает в нижнюю часть промежуточного охлаждаемого резервуара, а отработавший воздух выбрасывается в атмосферу.

При работе по замкнутому циклу отработавшее рабочее тело перед тем, как быть выброшенным в промежуточный охлаждаемый резервуар, объем которого больше объема цилиндра, проходит через генератор и охладитель отдает свое тепло, причем часть рабочего тела конденсируется и, пройдя выпускную трубу, может смешиваться с охлажденным конденсатом, продолжая охлаждаться, разделяется в промежуточном резервуаре на воду и воздух. Сжатый же холодный воздух, проходя через диффузор, смешивается с распыленной водой, рабочая смесь пропускается через регенератор, получает это тепло обратно перед тем, как попасть в рабочий цилиндр.

ДВПТ состоит из внутреннего рабочего контура, в котором теплота преобразуется в полезную работу, внешнего контура подвода теплоты, системы отвода теплоты (охлаждения), преобразователя и вспомогательных подсистем.

В основе рабочего процесса во внутреннем контуре заложен принцип получения полезной работы за счет расширения смешанного рабочего тела при высокой температуре и разделения его путем охлаждения на воду и воздух и сжатия воздуха (второго компонента) при более низкой температуре.

Внутренний контур ДВПТ включает в себя холодную и горячую полости, нагреватель, регенератор, холодильник, промежуточные охлаждаемые резервуары, регулируемый распылитель воды.

Внешний контур двигателя включает в себя камеру сгорания и нагреватель. Для утилизации отработавших газов в полевой теплоэнергетической установке с двигателем внешнего сгорания (ПТУДВС) установлены трубчатые нагреватели воды, предварительно очищенной в фильтре
Необходимый закон изменения функциональных объемов обеспечивается за счет согласованного движения рабочего поршня и перепускных клапанов и золотника.

Основными преимуществами (ПТУДВС) являются сравнительно небольшая масса, малошумность, простота преобразующего механизма в ДВПТ, хорошая уравновешенность, применение смешанного рабочего тела, состоящего из воздуха и воды, дает возможность получения высокой удельной мощности, а наличие процессов испарения и конденсации связано с улучшением условий теплообмена и разрешения проблемы уплотнений для узлов с возвратно-поступательным движением.

Установка может работать на жидких, твердых и других источниках тепла, экологически чистая.

Полевая теплоэнергетическая установка с двигателем внешнего сгорания представлена на чертежах.

Фиг. 1 - схема установки, основной вариант.

Фиг. 2 - схема установки, второй вариант.

Фиг. 3 - схема установки с горизонтальным расположением вала отбора мощности и рабочего цилиндра.

Фиг. 4 - корпус двигателя.

Фиг. 5 - схема преобразующего механизма с криволинейным направляющим пазом.

Фиг. 6 - схема движения газов во внешнем контуре двигателя полевой теплоэнергетической установки.

Фиг. 7 - перепускной золотник.

Фиг. 8 - фронтон веерного типа.

Фиг. 9 - внешний вид установки в сборе с зонтом.

Фиг. 10 - схема многоцилиндровой установки.

ПТУДВС состоит из корпуса 1, в верхней торцовой части которого закреплен рабочий цилиндр 2, головка которого выполнена оребренной, а к нижней торцевой части корпуса 1 закреплен кожух ротора электрогенератора (пустотелого маховика) 3. В рабочем цилиндре 2 размещен с образованием надпоршневой рабочей 4 и подпоршневой компрессорной 5 полостей переменного объема, пустотелый рабочий поршень 6, соединенный с пустотелым штоком 7, на нижнем конце штока 7 перпендикулярно его оси закреплен палец 8, на выступающих концах которого размещены по два подшипника (ролика) 9 и 10, при этом шток 7 свободно размещен в отверстии 11 корпуса 1. Подшипники 9, закрепленные на пальце непосредственно у штока 7, контактируют со сквозным прямолинейным направляющим пазом 12, выполненным в нижней части корпуса 1, а подшипники 10, закрепленные на концах пальца, контактируют с вогнуто-выпуклым криволинейным направляющим пазом 13, выполненным на внутренней цилиндрической поверхности маховика 14, на наружной боковой поверхности которого вмонтированы секции постоянных магнитов 15. При этом один оборот маховика 14 соответствует четырем ходам рабочего поршня 6. Это первый вариант.

Во втором варианте рабочий поршень 6 сообщен со штоком 7 и пальцем 8, один конец которого закреплен перпендикулярно оси штока 7, а на противоположном конце пальца 8 закреплены два подшипника 9 и 10. Подшипник 9 контактирует с прямолинейным направляющим пазом 12 в нижней части корпуса 1, подшипник 10 контактирует с кольцевым криволинейным направляющим пазом 13, выполненным во внутренней цилиндрической поверхности маховика 14. При этом один оборот маховика 14 соответствует двум ходам рабочего поршня 6. Пустотелый маховик 14, снабженный валом 16 отбора мощности, размещен в кожухе 3 соосно с рабочим цилиндром 2 и покоится на двух подшипниках 17 и 18. Внутренняя обойма подшипника 17 закреплена на корпусе 1, а подшипник 18 размещен в нижней торцовой части кожуха 3 с отверстием для вала отбора мощности 16, сообщающимся с водяным насосом 19, размещенным в емкости 20.

Оребренная головка рабочего цилиндра 2 снабжена тепловой трубкой 21 и сообщается с помощью каналов 22 с регенератором 23, размещенным в одном корпусе 24 с охладителем 25, сообщающимся выпускной трубой 26 с первым промежуточным охлаждаемым резервуаром 27, объем которого больше объема рабочего цилиндра 2, в свою очередь сообщающегося трубой 28 с всасывающим каналом 29 с размещенным в нем всасывающим клапаном 30, сообщенным с компрессорной полостью 5 рабочего цилиндра 2. Охладитель 25 также сообщается впускным каналом 31 с размещенным в нем управляемым жиклером (распылителем воды) 32 и перепускным золотником 33, причем последний установлен с возможностью перекрытия попеременно выпускной трубы 26 и впускного канала 31 и управляется кулачковой шайбой 34, размещенной на верхней торцовой части маховика 14, с вторым промежуточным охлаждаемым резервуаром 35, частично заполненным дистиллированной водой, сообщенным трубой 36 с компрессорной полостью 5 через нагнетательный канал 37, с управляемым нагнетательным клапаном 38 и регулируемым подрывным клапаном 39. Рабочий поршень 6 выполнен пустотелым с глухим отверстием 40 в головке. Для уменьшения конвективных тепловых потерь внутренний объем поршня 6 заполнен асбестом. Первый промежуточный охлаждаемый резервуар 27 и второй промежуточный охлаждаемый резервуар 35 снабжены патрубками с запорными клапанами 41 для подачи и выпуска дистиллата.

Первый промежуточный охлаждаемый резервуар 27 снабжен также патрубком с воздушным клапаном 42. Через оба промежуточных охлаждаемых резервуара проходит нагнетательная труба 43 от водяного насоса 19 и сообщается с охладителем 25, сообщенным патрубком 44 с рубашкой водяного охлаждения 45 рабочего цилиндра 2. Рубашка водяного охлаждения 45 сообщается трубой 46 с емкостью 20.

Кожух 47 камеры сгорания 48 снабжен впускным патрубком 49 для закрепления на нем фронтона веерного типа 50 с форсункой подачи жидкого топлива 51 с регулируемыми отверстиями подачи воздуха 52, или закрепления телескопического секционного газохода 53 от зонта 54, и выпускным патрубком 55 для закрепления телескопического секционного дымохода 56 со змеевиком для нагрева воды отработавшими газами (трубчатым подогревателем) 57 в нижней секции 58. Зонт, секции газохода, дымохода и кожух камеры сгорания покрыты слоем термоизоляции.

В кожухе ротора электрогенератора (пустотелого маховика) 3 с наружной стороны по периметру вмонтированы сердечники 59 катушек возбуждения 60.

В начальный период работы двигателя воздух через клапан 42, первый охлаждаемый резервуар 27, трубу 28, канал 29 и всасывающий клапан 30 попадает в компрессорную полость 5 рабочего цилиндра 2, сжимается и через нагнетательный клапан 38, канал 37, трубу 36 нагнетается в промежуточный резервуар 35. В это время золотник 33 перекрывает выпускную трубу 26 и открывает впускной канал 31, и при прохождении с большой скоростью через (диффузор) канала 31 сжатого воздуха создается разрежение, под действием которого дистиллированная вода, которой частично заполнен второй промежуточный резервуар 35, всасывается через жиклер (распылитель воды) 32, распыляется, смешиваясь с воздухом, пройдя охладитель 25, воздушно-водяная смесь, проходя через регенератор 23, превращается в рабочую паровоздушную смесь и через каналы 22 в оребренной головке рабочего цилиндра 2, нагревается теплотой, выделяемой при сжигании топлива, рабочее тело (парогаз) попадает в надпоршневую рабочую полость 4 рабочего цилиндра 2. Здесь рабочее тело расширяется, совершая полезную работу, которая частично запасается в маховике 14, частично идет на сжатие холодного воздуха в компрессорной полости 5 и его перепуск по трубе 36 во второй охлаждаемый промежуточный резервуар 35. Остальное - полезная работа.

При движении рабочего поршня 6 за счет отдаваемой энергии пустотелым маховиком 14 к верхней мертвой точке рабочий поршень 6 выталкивает отработавшее рабочее тело через регенератор 23, при открытой золотником 33 выпускной трубе 26 и закрытом впускном канале 31, в охладитель 25, пар конденсируется и по выпускной трубе 26 вместе с охлажденным воздухом попадает в первый промежуточный охлаждаемый резервуар 27, где рабочее тело окончательно разделяется на воздух и воду, скапливающуюся на дне резервуара 27, а охлажденный холодный воздух через трубу 28, всасывающий канал 29 и открывшийся всасывающий клапан 30 засасывается в компрессорную полость 5.

После того как раскручивающийся маховик 14 сможет осуществить повторение цикла, а давление во втором промежуточном охлаждаемом резервуаре 35 будет достаточным, воздушный клапан 42 в первом промежуточном охлаждаемом резервуаре 27, через который атмосферный воздух попадал в резервуар 27, может быть закрыт и холодный воздух будет засасываться в компрессорную полость 5 непосредственно из резервуара 27, объем которого больше объема рабочего цилиндра 2, таким образом двигатель будет работать по замкнутому циклу.

В двигателе вращательное движение пустотелого маховика (ротора генератора) 14 преобразуется в электрическую энергию. Вал отбора мощности 16 кинематически связан с водяным насосом 19, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей воды в системе охлаждения и одновременно ее перекачку из внешних источников при необходимости через фильтр и трубчатый подогреватель 54 потребителю. С помощью трубчатого подогревателя 57 можно получить дистиллированную воду, а также использовать установку для зарядки аккумуляторов.

Использование: транспортабельные системы комплексного энергоснабжения и жизнеобеспечения. Сущность изобретения: возвратно-поступательное движение поршня через шток и палец с подшипниками, воздействующего на вогнуто-выпуклый кольцевой направляющий паз, выполненный на внутренней поверхности пустотелого маховика, преобразуется во вращательное движение ротора электрогенератора (маховика), а отработавшие газы используются для нагревания воды. Установка состоит из корпуса 1, в верхней торцевой части которого закреплен цилиндр 2 с рабочим поршнем 6, сообщаемый нагревателем 22 с регенератором 23 и охладителем 25, сообщающимся трубой 26 и каналом 31 с промежуточными резервуарами 27 и 35. 3 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Полевая теплоэнергетическая установка с двигателем внешнего сгорания, содержащая корпус с рабочим цилиндром, пустотелый рабочий поршень со штоком, размещенный в рабочем цилиндре с образованием надпоршневой рабочей и подпоршневой компрессорной полостей переменного объема, камеру сгорания, нагреватель, охладитель, регенератор, преобразующий механизм и генератор электроэнергии, причем надпоршневая рабочая полость сообщается через нагреватель с регенератором и охладителем, размещенными в одном корпусе, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена пустотелым маховиком, размещенным в кожухе соосно с рабочим цилиндром, первым промежуточным охлаждаемым резервуаром, объем которого больше объема рабочего цилиндра, и вторым промежуточным охлаждаемым резервуаром, частично заполненным дистиллятом, головка рабочего цилиндра выполнена оребренной и снабжена тепловой трубкой, а в головке рабочего поршня выполнено глухое отверстие, на нижнем конце штока перпендикулярно его оси закреплен палец, на выступающих концах которого размещены по два подшипника, подшипники, закрепленные на концах пальца, контактируют с вогнуто-выпуклым криволинейным направляющим пазом, выполненным на внутренней цилиндрической поверхности маховика, а подшипники, закрепленные на пальцах непосредственно у штока, контактируют со сквозным прямолинейным направляющим пазом, выполненным в нижней части корпуса, охладитель выпускной трубой сообщается с первым промежуточным охлаждаемым резервуаром, а впускным каналом - с вторым промежуточным охаждаемым резервуаром, первый промежуточный охлаждаемый резервуар, в свою очередь, сообщен всасывающим каналом с компрессорной полостью, а второй промежуточный охлаждаемый резервуар сообщен нагнетательным каналом с управляемым нагнетательным клапаном с компрессорной полостью, во впускном канале размещены жиклер и перепускной золотник, причем последний установлен с возможностью перекрытия попеременно выпускной трубы и впускного канала и управляется кулачковой шайбой, размещенной на верхней торцевой части маховика. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что на наружной боковой поверхности маховика вмонтированы секции постоянных магнитов, а в кожух маховика с наружной стороны по периметру вмонтированы сердечники катушек возбуждения. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нагнетательный канал компрессора сообщается с регулируемым подрывным клапаном. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, она дополнительно снабжена трубчатым нагревателем воды, размещенным в секции телескопического дымохода, закрепляемой на выпускном патрубке кожуха камеры сгорания.