СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В КИНЕТИЧЕСКУЮ И ДВИГАТЕЛЬ ТОРОИДАЛЬНО-РОТОРНЫЙ С МГД-ГЕНЕРАТОРОМ Российский патент 1998 года по МПК F01D1/36 H02K44/00 

Изобретение относится к энергетике, а именно к проблемам преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию вращающегося рабочего тела для получения механической в двигателях, использующих необъемное вытеснение, и электрической энергии в МГД-генераторах, использующих тороидальный канал движения рабочего тела.

Известны двигатель с фрикционным турбоприводом, описанный в патенте СССР N 1790685 [1] и способ получения электрической энергии и МГД-генератор для его реализации, описанный в патенте РФ N 2071163 [2].

Двигатель с фрикционным турбоприводом, относящийся к двигателям необъемного вытеснения, позволяет получить механическую энергию, используя кинетическую энергию рабочего тела трением о поверхность ротора, вовлекаемого во вращение. В рассматриваемом аналоге цилиндрический ротор установлен с зазором в цилиндрической расточке корпуса в виде двух гладких тонких цилиндрических колец. В корпусе выполнены впускные и выпускные каналы, ось первого из которых направлена под острым углом к плоскости, перпендикулярной к оси ротора, дополнительно ориентирована по касательной к диаметру, среднему между диаметром наружной поверхности цилиндрического ротора и диаметром внутренней поверхности наибольшего кольца.

Предлагаемое изобретение с аналогом объединяют следующие признаки: использование трения рабочего тела о ротор для передачи энергии; движение рабочего тела по окружности; контактирование рабочего тела с гладкой, круглой поверхностью; направление входного канала по касательной к окружности ротора.

Недостатком такого двигателя являются: необходимость внешнего источника рабочего тела; рабочее тело теряет часть кинетической энергии, тормозясь о неподвижные стенки камеры, в которой вращается ротор; на острых кромках тонких колец рабочее тело завихряется, создавая неравномерности в аэродинамике потока; сброс рабочего тела из двигателя осуществляется непрерывно без аккумулирования кинетической энергии вращения рабочего тела.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому способу и устройству преобразования энергии рабочего тела в электрическую является патент РФ [2]. В соответствии с этим способом тороидальный канал соединен с несколькими камерами сгорания и заполнен водородом. В камеры сгорания впрыскивают окислитель, и продукты реакции окисления в виде ударных волн поступают в тороидальный канал, создавая поток газа. В процессе движения изменяют знак объемных зарядов и организуют взаимодействие с обмотками возбуждения, расположенными на магнитопроводе, и с выходной обмотки снимают напряжение переменного тока.

Предлагаемое изобретение с аналогом объединяют следующие признаки: использование тороидального канала для движения рабочего тела; последовательность подачи продуктов реакции окисления в тороидальный канал для создания вращения рабочего тела; создание ионизированного газа методом ударной и тепловой ионизации.

Недостатки такого способа получения электроэнергии: сброс рабочего тела из тороидального канала непосредственно в атмосферу; тороидальный канал не является камерой сгорания и не реализует функцию ротора, вращающегося согласованно с вращением рабочего тела.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя следующим образом:
- повышением температуры газообразного рабочего тела до 2000^oС при использовании жаропрочных материалов;
- отказ от охлаждения элемента, испытывающего наибольшую температурную нагрузку, за счет изменения его формы поверхности, контактирующей с рабочим телом;
- использование части энергии для прямого преобразования тепловой энергии рабочего тела в электрическую, применив магнитогидродинамический (МГД) генератор;
- аккумулирование остаточной энергии рабочего тела и доведение температуры отходящих газов до 70^oС, благодаря чему термический коэффициент n cоставит
n = (2000 - 70)^oC/2000^oC = 0,965.

Указанные технические результаты достигаются за счет того, что способ преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию вращающегося рабочего тела, полученного в результате сгорания топливной смеси, содержащей легкоионизированные присадки, для получения механической энергии, вырабатываемой в двигателе необъемного вытеснения и электрической энергии в МГД-генераторе с тороидальным каналом, заключается в том, что предварительно раскрученная система тороидальных камер, последовательно уменьшающихся, расположенных соосно и соединенных жестко спиралевидными каналами, выходящими по касательной к окружности наибольшего радиуса вращения тора с внешней стороны и входящими по касательной к окружности наименьшего радиуса вращения тора с внутренней стороны, при этом первая тороидальная камера, являющаяся камерой сгорания, оборудована позиционной, импульсной системой впрыска и поджига, создает вращающееся рабочее тело, совпадающее по направлению с вращением системы тороидальных камер, при этом дополнительное раскручивание рабочего тела обеспечивают посредством подачи электрического напряжения на полярные электроды, контактирующие с рабочим телом, встроенным в первую тороидальную камеру МГД-генератора, выполняющего при раскрутке роль плазменного двигателя, при этом посредством датчиков измеряют и оценивают с помощью анализатора температуру, давление и скорость рабочего тела, а затем порциями, величина которых зависит от интенсивности впрыска топливной смеси, рабочее тело сбрасывают через управляемые клапаны по спиралевидным каналам в энергосберегающие тороидальные камеры, причем обеспечивают постоянное уменьшение температуры, давления и скорости рабочего тела от тороидальной камеры сгорания до последней тороидальной камеры, по достижению оптимальной скорости вращения системы тороидальных камер и рабочего тела осуществляют переключение полярных электродов МГД-генератора на выработку электроэнергии, подключают электрическую и механическую нагрузку, а устройство (двигатель) для преобразования тепловой энергии в двигателях, использующих рабочее тело, полученное в результате сгорания топливной смеси с легко ионизируемыми присадками, с получением механической энергии вращения и МГД-генератор с тороидальным каналом для получения электрической энергии, содержит систему тороидальных камер, установленных с возможностью вращения, расположенных соосно и параллельно друг другу, состоящих из последовательно уменьшающихся тороидальных камер - ступеней, соединенных жестко спиралевидными каналами, снабженными на выходе и входе клапанами, выходящими из тороидальной камеры по касательной к окружности максимального радиуса вращения тора с внешней стороны и входящими в следующую тороидальную камеру по касательной к окружности минимального радиуса вращения тора с внутренней стороны, выходящие из последней камеры-ступени спиралевидные каналы объединены вокруг оси вращения и проходят вдоль нее, при этом первая тороидальная камера-ступень является камерой сгорания, подача топлива и окислителя в которую осуществлена по цилиндрическим каналам, соосным с осью вращения системы тороидальных камер, жестко связанных с ней, на первой ступени каналы расходятся с охватом последней по радиусам через 90^o и образованием четырех позиций впрыска, разделенных в свою очередь через 45^o на восемь групп каждая, причем каждая группа выполнена со своим углом вхождения в полость тороидальной камеры сгорания 45^o, 51^o25'43", 57^o51'26", 64^o17'09", 70^o42'51", 77^o08'34", 83^o34'17", 90^o, а система поджига для каждой группы состоит из восьми свечей, установленных с возможностью их выдвижения на время раскрутки и расположенных в местах пересечения направления впрыска группы с противоположной поверхностью тороидальной камеры сгорания, электросистема МГД-генератора содержит две группы обмоток возбуждения магнитного поля, проложенных симметрично относительно плоскости вращения, делящей тор пополам, проложенных по окружностям на поверхности тороидальной камеры, обращенной к ее оси вращения, а полярные электроды расположены в средней части соответствующих обмоток возбуждения с возможностью контакта с рабочим телом, при этом радиус поверхности цилиндра, образованного воображаемой линией, соединяющей полярные электроды, ось которого соосна с осью тороидальной камеры, меньше радиуса средней окружности вращения тора, но больше наименьшего радиуса вращения тора, каждая тороидальная камера-ступень снабжена датчиками температуры, давления и скорости рабочего тела, а вся система тороидальных камер размещена в корпусе с разряженной газовой средой для уменьшения тепловых потерь и трения.

На фиг. 1 представлена схема двигателя необъемного вытеснения с использованием системы тороидальных камер и встроенным МГД-генератором; на фиг. 2 - схема системы тороидальных камер; на фиг. 3 - внешний вид рабочего объема камер и каналов семиступенчатой системы тороидальных камер со стороны оси У; на фиг. 4 - внешний вид рабочего объема камер и каналов семиступенчатой системы тороидальных камер в изометрии; на фиг. 5 - внешний вид рабочего объема камер и каналов семиступенчатой системы тороидальных камер со стороны оси z; на фиг. 6 - схема подачи топлива и окислителя в каналы низкого и высокого давления; на фиг. 7 - схема распределения топлива и окислителя в первой активной ступени; на фиг. 8 - схема расположения групп впрыска и свечей поджига в позиции активного тора; на фиг. 9 - схема каналов накачки и сброса энергосберегающей ступени; на фиг. 10 - схема расположения обмоток возбуждения магнитного поля и электродов для подачи и отвода электроэнергии по схеме плазменного двигателя и схеме МГД-генератора.

Предлагаемые способ и устройство преобразования энергии реализуется следующим образом.

Двигатель необъемного вытеснения с использованием системы тороидальных камер и встроенным МГД-генератором (фиг.1), состоит из турбокомпрессора с механическим редуктором 1, канала подачи воздуха высокого давления 2, топливного компрессора с механическим редуктором 3 (где 3.1 - неподвижная часть, развязывающая канал подачи топлива низкого давления с вращающейся частью 3.2); канала подачи топлива высокого давления 4; системы тороидальных камер 5; стартера с механическим редуктором 6; редуктора нагрузки 7; переключателя электросхемы 8; схемы плазменного двигателя с преобразователем напряжения 9; схемы МГД-генератора с каналом отбора электроэнергии 10; регулятора тока обмотки возбуждения магнитного поля 11; электро-аккумулятора 12; нагрузки 13; блока связи и управления 14; анализатора 15; оператора 16.

Система тороидальных камер 5 (фиг. 2) представляет собой систему жестко связанных между собой спиралевидными каналами и вращающихся вокруг одной оси тороидальных камер ступеней, которые представлены на фиг. 3-5. Первая активная ступень преобразователя представляет собой камеру сгорания, в которую впрыскивается топливо с легкоионизируемыми добавками и окислитель, например воздух, нагнетаемый компрессором (фиг. 6). Топливо и окислитель подаются по каналам цилиндрической формы. Эти каналы соосны и проходят один в другом, жестко связаны с преобразователем, соосно вращаются вместе с ним, что позволяет надежно выполнить соединения при наличии высокого давления в них. В активной ступени (фиг. 7) каналы расходятся радиально по четырем позициям (I, II, III, IV), каждая затем расходится на восемь (1-8) групп согласно схеме, представленной на фиг. 8, через эти группы осуществляется впрыск топлива и окислителя в полость активного тора. Причем каждая группа выполнена со своим углом вхождения в полость тороидальной камеры сгорания 45^o; 51^o25'43"; 57^o51'26"; 64^o17'09"; 70^o42'51"; 77^o08'34"; 83^o34'17"; 90^o, что обеспечивает возможность объемного распределения впрыска в полость тора в пределах позиции. Воспламенение смеси осуществляет система поджига с выдвигаемыми свечами. При достижении температуры самовоспламенения свечи убираются. Система впрыска и поджига получает команды от анализатора 15 через блок связи и управления 14, основываясь на показаниях датчиков Т, Р, V, установленных на каждой ступени. На активном торе смонтированы обмотки возбуждения магнитного поля и электроды для подвода и отвода электроэнергии (фиг. 10). Величину магнитного поля задает анализатор 15 через блок регулятора 11. Коммутация электродов осуществляется переключателем 8. При старте электросхема активного тора работает в режиме плазменного двигателя, способствуя разгону ионизированного газообразного потока. На электроды подается напряжение от преобразователя напряжения 9. После разгона (раскрутки) преобразователя по команде от анализатора 15 через переключатель 8 происходит переход на схему МГД-генератора 10. Вращение рабочего тела способствует созданию зоны (объема) в полости тора 1, расположенной от средней окружности радиуса вращения тора по направлению к оси его вращения, для создания работы МГД-генератора. Среднее время между столкновениями нейтральных и заряженных частиц значительно увеличивается, повышая вероятность плазменного состояния части рабочего тела, занимающей область тора, приближенную к оси вращения. В этой части тора встраиваются обмотки возбуждения управляемого магнитного поля и электроды для подачи и отвода электроэнергии. Начинает работать канал отбора электроэнергии в нагрузку. При достижении в торроидальной камере сгорания установленного уровня энергии Е1 производится сброс рабочего тела через систему спиралевидных каналов, перекрываемых управляемыми клапанами по командам от анализатора 15 через блок управления 14 в соседнюю тороидальную камеру, являющуюся энергосберегающей и имеющую меньшую энергоемкость Е2 по сравнению с камерой сгорания. Периодически сбрасываемые продукты сгорания накапливаются до определенного уровня энергии Е2, после чего также сбрасываются в следующую энергосберегающую камеру, имеющую энергоемкость Е3, меньшую чем Е2, и так далее до N-камеры с уровнем энергии Еn.

Работа двигателя необъемного вытеснения с использованием системы тороидальных камер и встроенным МГД-генератором начинается с раскрутки стартером 6, получающим энергию от электроаккумулятора, системы тороидальных камер 5, топливного компрессора 3, воздушного компрессора 1. Турбина воздушного компрессора 1 раскручивается через механический редуктор и нагнетает воздух в канал высокого давления, который соосен с осью вращения преобразователя и жестко с ним связан. Топливный компрессор 3 имеет неподвижную часть, соединенную с корпусом двигателя, через которую подается топливо. Механическим редуктором раскручивается его вращающаяся часть, создавая давление в топливном канале цилиндрической формы, расположенном вокруг воздушного канала (фиг. 6). Воздушный и топливный каналы жестко связаны между собой и вращаются с той же угловой скоростью, что и преобразователь (система торов).

На втором этапе включается система впрыска и поджига. Воздушно-топливная смесь с легкоионизируемыми посадками при сгорании образует высокотемпературный ионизированный газообразный поток (рабочее тело).

На третьем этапе на полярные электроды МГД-генератора, контактирующие с рабочим телом, подается высоковольтное постоянное напряжение. Обмотки возбуждения подключаются к источнику постоянного тока для создания магнитного поля, что соответствует схеме плазменного двигателя. Напряженность созданного электрического поля и направление магнитного потока таковы, что ускоряют ионизированные частицы газа в направлении вращения системы тороидальных камер.

На четвертом этапе, когда рабочее тело и системы тороидальных камер, согласно вращаясь, достигают оптимальных скоростей V потока опт., V преобразователя опт. во всех ступенях, через редуктор нагрузки 7 момент вращения передается в нагрузку 13, электросхема переключается на МГД-генератор, отключая полярные электроды от источника высоковольтного постоянного напряжения, и вырабатываемый ток подается в нагрузку 13 и для подзарядки электроаккумулятора 12. Анализатор 15 обеспечивает оптимальное управление системой тороидальных камер при уровне мощности, который задает оператор 16. Преобразователь помещен в корпус, изолирующий вращающийся ротор от внешней среды. Между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью ротора создается разряженная газовая среда для уменьшения тепловых потерь и трения.

Двигатель предназначен для получения механической и электрической энергии прямым преобразованием тепловой энергии рабочего тела. Увеличение рабочей температуры достигается за счет выполнения элемента, на который воздействует рабочее тело, в виде тора, создающего минимальное сопротивление вращающемуся рабочему телу, которое сбрасывается в энергосберегающую тороидальную камеру по спиралевидным каналам через управляемые клапаны. Двигатель содержит обмотки возбуждения магнитного поля и электроды для подачи и отвода электроэнергии. Подача электронапряжения на электроды, контактирующие с рабочим телом, преобразует электросхему в плазменный двигатель, что обеспечивает разгон рабочего тела в полости тора в стартовый период. При выходе на установившийся рабочий режим электросхема переключается на МГД-генератор для подачи электроэнергии в полезную нагрузку. 2 с.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию вращающегося рабочего тела, полученного в результате сгорания топливной смеси, содержащей легко ионизированные присадки, для получения механической энергии, вырабатываемой в двигателе, и электрической энергии в МГД-генераторе с тороидальным каналом, отличающийся тем, что предварительно раскрученная система тороидальных камер, последовательно уменьшающихся, расположенных соосно и соединенных жестко спиралевидными каналами, выходящими по касательной к окружности наибольшего радиуса вращения тора с внешней стороны и входящими по касательной к окружности наименьшего радиуса вращения тора с внутренней стороны, при этом первая тороидальная камера, являющаяся камерой сгорания, оборудована позиционной, импульсной системой впрыска и поджига, создает вращающееся рабочее тело, совпадающее по направлению с вращением системы тороидальных камер, при этом дополнительное раскручивание рабочего тела обеспечивают посредством подачи электрического напряжения на полярные электроды, контактирующие с рабочим телом, встроенного в первую тороидальную камеру МГД-генератора, выполняющего при раскрутке роль плазменного двигателя, при этом посредством датчиков измеряют и оценивают с помощью анализатора температуру, давление и скорость рабочего тела, а затем порциями, величина которых зависит от интенсивности впрыска топливной смеси, рабочее тело сбрасывают через управляемые клапаны по спиралевидным каналам в энергосберегающие тороидальные камеры, причем обеспечивают постоянное уменьшение температуры, давления и скорости рабочего тела от тороидальной камеры сгорания до последней тороидальной камеры, по достижению оптимальной скорости вращения системы тороидальных камер и рабочего тела осуществляют переключение полярных электродов МГД-генератора на выработку электроэнергии, подключают электрическую и механическую нагрузку. 2. Устройство для преобразования тепловой энергии в двигателях, использующих рабочее тело, полученное в результате сгорания топливной смеси с легко ионизируемыми присадками, с получением механической энергии вращения, и МГД-генератор с тороидальным каналом для получения электрической энергии, отличающееся тем, что содержит систему тороидальных камер, установленных с возможностью вращения, расположенных соосно и параллельно друг другу, состоящих из последовательно уменьшающихся тороидальных камер-ступеней, соединенных жестко спиралевидными каналами, снабженными на выходе и входе клапанами, выходящими из тороидальной камеры по касательной к окружности максимального радиуса вращения тора с внешней стороны и входящими в следующую тороидальную камеру по касательной к окружности минимального радиуса вращения тора с внутренней стороны, выходящие из последней камеры-ступени спиралевидные каналы объединены вокруг оси вращения и проходят вдоль нее, при этом первая тороидальная камера-ступень является камерой сгорания, подача топлива и окислителя в которую осуществлена по цилиндрическим каналам, соосным с осью вращения системы тороидальных камер, жестко связанных с ней, на первой ступени каналы расходятся с охватом последней по радиусам через 90^o и образованием четырех позиций впрыска, разделенных, в свою очередь, через 45^o на восемь групп каждая, причем каждая группа выполнена со своим углом вхождения в полость тороидальной камеры сгорания 45^o, 51^o25'43'', 57^o51'26'', 64^o17' 09'', 70^o42'51'', 77^o08'34'', 83^o34'17'', 90^o, а система поджига для каждой группы состоит из восьми свечей, установленных с возможностью их выдвижения на время раскрутки и расположенных в местах пересечения направления впрыска группы с противоположной поверхностью тороидальной камеры сгорания, электросистема МГД-генератора содержит две группы обмоток возбуждения магнитного поля, проложенных симметрично относительно плоскости вращения, делящей тор пополам, проложенных по окружностям на поверхности тороидальной камеры, обращенной к ее оси вращения, а полярные электроды расположены в средней части соответствующих обмоток возбуждения с возможностью контакта с рабочим телом, при этом радиус поверхности цилиндра, образованного воображаемой линией, соединяющей полярные электроды, ось которого соосна с осью тороидальной камеры, меньше радиуса средней окружности вращения тора, но больше наименьшего радиуса вращения тора, каждая тороидальная камера-ступень снабжена датчиками температуры, давления и скорости рабочего тела, а вся система тороидальных камер размещена в корпусе с разряженной газовой средой для уменьшения тепловых потерь и трения.