УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F02K3/10 

Изобретение относится к конструкциям и эксплуатации тепловых двигателей: газотурбинных, пульсирующих воздушно-реактивных, поршневых двигателей внутреннего сгорания, имеющих возможность работы на всех известных видах жидкого углеводородного топлива.

Известны турбореактивные двигатели - одно или двухконтурные с форсажными камерами или без них. Ввиду невысокого эффективного КПД и трудностей с дальнейшим повышением температуры на турбине, их дальнейшее повышение технико-экономических показателей затруднено.

Известны пульсирующие воздушно-реактивные двигатели, имеющие низкий КПД и невысокую тягу. Из-за низких технико-экономических показателей эти двигатели в настоящее время не применяются.

Известны поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним и внутренним смесеобразованием.

Высокая стоимость искусственного топлива, главным образом бензина и дизельного, а также сравнительно невысокий КПД, их дальнейшее повышение технико-экономических показателей на этих видах топлива практически невозможно.

Целью изобретения является повышение термического и эффективного КПД тепловых двигателей: турбореактивных, пульсирующих ВРД, поршневых двигателей внутреннего сгорания, независимо от метода смесеобразования, а также возможность работы всех этих типов двигателей на нефти и тяжелых сортах топлива, имеющих в несколько раз меньшую стоимость по сравнению с искусственными видами углеводородных топлив.

Решение поставленной задачи в предлагаемом устройстве для повышения КПД теплового двигателя, содержащем диффузор, топливные форсунки и форсунки зажигания, камеру сгорания с соплом, генератор электрических импульсов с разрядником, обеспечивается тем, что в диффузоре смонтирована противодетанационная решетка с отверстиями по всей своей площади, в которых равномерно по окружности установлены шнеки с лопастями, а форсунки зажигания снабжены рабочей кольцевой камерой из диэлектрического материала, внутри которой расположена топливная форсунка, сообщающейся с патрубками для подачи концентрированного водного раствора сильного электролита, при этом патрубок с одной стороны соединен трубопроводом с вентилем и насосом, а с другой стороны расположен электрод с размещенным в нем шнеком. Форсунки выполнены изолированными от стенок рубашки охлаждения и камеры сгорания слоями электроизоляции.

Из научно-технической литературы и практики эксплуатации тепловых двигателей не известно об идентичных заявляемому технических решениях, что указывает на наличие его новизны.

Поставленная в изобретении цель реализуется за счет использования указанной в формуле изобретения совокупности существенных признаков. Все указанные в формуле изобретения существенные признаки в совокупности влияют на поставленную цель. Отсутствие хотя бы одного из таких признаков не обеспечивает реализации цели, поставленной изобретением. Таким образом, между целью изобретения и совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения существует причинно-следственная связь, что позволяет судить о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Поставленная в изобретении цель реализуется при осуществлении изобретения неоднократно. При этом при реализации обеспечивается получение конкретного положительного эффекта - значительное (на 25-30%) повышение КПД тепловых двигателей и существенное снижение стоимости эксплуатации тепловых двигателей в результате использования нефти и тяжелых сортов топлива. Исходя из этого можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость".

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, где
на фиг. 1 показана часть турбореактивного форсированного двигателя в продольном сечении;
на фиг. 2 показан пульсирующий воздушно-реактивный двигатель в продольном разрезе;
на фиг. 3 показана форсунка для впрыска паров топлива и это же устройство служит в качестве генератора ударных волн /с небольшими изменениями/ в продольном разрезе;
на фиг. 4 показан узел касания струи со стенкой и ее растекание в "диск";
на фиг. 5 показаны две струи, движущиеся под углом друг другу и соприкасающиеся в точке;
на фиг. 6 показаны две струи, движущиеся параллельно друг другу с точкой контакта их в месте образования их "шляпок".

На фиг. 1 показана часть турбореактивного форсированного двигателя, в котором процесс сгорания в форсажной камере протекает ни при непрерывном горении топлива, как это имеет место в известных ТДФ, а периодически с высокой частотой следования. Причем осуществляется детонационное сгорание топлива, впрыскиваемого в камеру за счет быстрого сжатия горючей смеси ударными волнами.

В этом случае достигается значительно более высокая температура продуктов сгорания и более высокое давление газов, чем это имеется в существующих двигателях.

В результате повышается эффективный и полный КПД ТРДФ или ТРДДФ, а вместе с этим и тяга двигателя, способствующая повышению скорости полета летательного аппарата.

При этом детонационное сгорание топлива осуществляется и на прямоточном воздушно-реактивном двигателе с периодическим характером рабочего процесса, показанным на фиг. 2.

Основным устройством, обеспечивающим детонационный процесс сгорания в этих двигателях, является устройство, показанное на фиг. 3, которое служит как в качестве форсунки, так и в качестве детонатора генерирующего ударные волны в горючей смеси.

Собственно форсунка 1 содержит камеру 2, выполненную из диэлектрического материала, внутри которой размещена топливная форсунка 3 с патрубком 4 и кольцевая полость 5, сообщающаяся с патрубком 6 для подачи концентрированного водного раствора сильного электролита.

Патрубок 6 с одной стороны соединен трубопроводом с вентилем 7 и насосом 8, а с другой его стороны расположен электрод 9 с размещенным на нем шнеком 10.

В свою очередь кольцевая полость 5 имеет каналы-сопла 11, расположенные равномерно по окружности на заданном расстоянии друг от друга, сообщающиеся с взрывной камерой 12.

Взрывная камера 12 имеет сопла 13, также расположенные равномерно по окружности, и днище 14, причем форсунка 1 изолирована от стенок рубашки охлаждения и камеры сгорания слоями электроизоляции 15 и 16. Струи электролита 17.

Форсунка 1 подключена на корпус и электрод 9 к генератору электрических импульсов, содержащему источник постоянного тока 18, ключ 19, конденсатор 20 /батарея конденсаторов/ и разрядник 21.

На фиг. 4 показан узел касания струй 17 электролита со стенкой взрывной камеры 12. Как известно при касании струй со стенкой они растекаются в диск, поз.22. /см. Г.И.Покровский "Гидродинамические механизмы", Знание, Физика, N 2 /1972 г., стр. 18/.

Работает устройство /форсунка 1/ следующим образом, - при открытом вентиле 7 насосом 8 через патрубок 6 и винтовые каналы, образованные лопастями шнека 10 подается под заданным давлением концентрированный водный раствор сильного электролита, а через форсунку 3 жидкое углеводородное топливо во взрывную камеру 12. Причем раствор электролита вытекает через сопла 11 в виде струй 17, которые при касании со стенками камеры растекаются в диски 22, образуя плотный электрический контакт.

В то же время ключ 19 генератора электрических импульсов /ГИ/ включен и конденсатор 20 заряжен. При образовании плотных контактов струй со стенками взрывной камеры 22 включается разрядник 21. В результате в цепи конденсатора и стенок камеры 12 через струи 17 проходит ток разряда, при этом энергия конденсатора за очень короткое время разряжается на струях, нагревая и испаряя их с достижением заданной температуры плазмы разряда.

Образовавшиеся пары электропроводной жидкости с высокой температурой, например, с T = 2000-2200^oC, соприкасаясь со струями жидкого топлива в камере 12, впрыснутые форсункой 3, мгновенно испаряют их с образованием смеси паров жидкостей, причем перегретых.

Таким образом, в камеры сгорания двигателей /любых - авиационный или поршневых/ поступают через сопла /отверстия/ 13 не струи жидкого топлива /как в существующих двигателях/, а струи паров этого топлива в смеси с парами водного раствора электролита. В результате достигается следующее:
- резко сокращается время на подготовку рабочей смеси в камерах сгорания двигателя; что приводит к быстрому сгоранию и интенсивному росту в камерах давления газов, обеспечивающее повышение температуры и термического КПД теплового двигателя;
- достигается более полное сгорание рабочей смеси в связи с качественным смешиванием паров топлива со сжатым воздухом или смесью его с продуктами сгорания. Эти компоненты находятся в одном и том же агрегатном состоянии /все являются газами/. В итоге достигается существенное снижение коэффициента избытка воздуха и как следствие - повышение КПД двигателя.

Как это выше отмечено форсунка 1 может также служить в качестве детонатора, генерирующего ударные волны в горючей смеси /рабочей смеси/.

В этом случае второе устройство отличается от первого лишь тем, что взрывная камера 12 выполняется без днища 14, а форсунка 3 или отключается, или заменяется сплошным стержнем /пробкой/, причем одновременно ГИ - поз. 18, 19, 20 заменяется на более мощный. Иными словами изменяются параметры устройства без принципиального изменения конструкции, показанной на фиг. 3.

Работает устройство /детонатор/ следующим образом:
- при открытом вентиле 7 насосом 8 через патрубок 6 и винтовые каналы, образованные лопастями шнека 10 подается под заданным давлением концентрированный водный раствор сильного электролита во взрывную камеру 12 в виде струй 17.

При достижении плотного контакта /поз.22/ струй 17 со стенками камеры 12 включается разрядник 21. В результате в цепи конденсатора и стенок камеры 12 через струи 17 проходит ток разряда. При этом энергия конденсатора за очень короткое время разряжается на струях 17, а разрядный ток нагревает, испаряет и перегревает материал струй, причем температура электрического взрыва жидких проводников может изменяться в широких пределах и достигать T = 20·10³ - 40·10^3oC и выше /см. Б.А.Артамонов, "Размерная электрическая обработка металлов", М. "Высшая школа", 1976 г., стр. 213-231, т. 1, а также т. 2, 1983 г. , стр. 71-103/.

Электрический взрыв жидких проводников, какими являются струи 17, обеспечивает образование достаточно мощной ударной волны на срезе ствола камеры 12 /на месте днища 14/. Воспламенение горючей /рабочей/ смеси в камерах сгорания тепловых двигателей с помощью электрического струйного детонатора по фиг. 3 обусловлено нагревом ее при сжатии ударной волной. При скорости ударной волны около 1700 м/с температура газов в зоне сжатия достигает 1700 K /см. С.С.Бартенев "Детонационные покрытия в машиностроении", Л. 1982 г., стр. 25-26/.

Этой температуры достаточно для воспламенения горючей смеси, даже имеющей низкую температуру, причем энергия ударных волн, генерируемая в устройстве по фиг. 3, регулируется путем изменения мощности генератора электрических импульсов 18, 19, 20, 21.

Турбореактивный двигатель.

Содержит известные элементы конструкции-камеры сгорания 23, турбина 24, конус 25, зона форсажной камеры, состоящей из расширяющейся части 26 и цилиндрической 27. Реактивное сопло 28. Внутри камеры 17 установлена "противодетонационная решетка" 28, в которой равномерно по окружности выполнены цилиндрические сквозные каналы с установленными в них винтовыми противоударными "затворами" 30, представляющими собой шнек с лопастями, от которых отражаются ударные волны, возбужденные при детонации горючей смеси в форсажной камере 31. Форсунки 1 расположены по кольцу за решеткой 30, причем эти же форсунки устанавливаются и в камерах сгорания 23.

Работает двигатель следующим образом:
- продукты сгорания с большим избытком воздуха α = 3-4 и высокой температурой превышающей 700^oC, проходят через винтовые затворы 30 и в виде вихрей поступают в камеру сгорания 31 форсажной камеры. После чего вытекают из реактивного сопла 28 с образованием реактивного усилия.

На режиме форсирования двигателя включаются форсунки 1, из которых в форсажную камеру /камеру сгорания 31/ "выстреливаются" пары топлива в смеси с парами раствора электролита, нагретые до высокой температуры.

Причем поступление струй паров топлива в камеру сопровождается распространением ударных волн, генерируемых во взрывных камерах 12 форсунок 1 электрическими взрывами струй 17 электропроводной жидкости. В качестве топлива для работы форсажной камеры в этом случае служит бензин, имеющий склонность к детонационному сгоранию в условиях высокой температуры продуктов сгорания и давления в форсажной камере, а также распространения ударных волн из форсунок 1, работающих с заданной частотой "впрыска" паров топлива.

В результате за решеткой 29 создаются, периодически следующие с заданной частотой, детонационные взрывы с одновременным ростом температуры и давления продуктов сгорания бензина, что приводит к резкому росту тяги двигателя на форсажном режиме его работы и скорости летательного аппарата. Для предотвращения распространения ударных волн от детонационных взрывов топлива в сторону турбины 24 служит решетка 29 с винтовыми противоударными затворами 30.

В целях интенсификации детонационного сгорания топлива в качестве примеров показаны устройства 32, 33 без днищ 14 и отверстий 13, что способствует генерации в камерах 31 более мощных ударных волн /мощность электрического взрыва жидких проводников - струй 17 электропроводной жидкости, в частности концентрированных водных растворов сильных электролитов, напрямую зависит от мощности источника тока - генератора электрических импульсов 18, 19, 20, 21/. Причем струи 17 могут быть направлены так, как это показано на фиг. 4, 5, 6, т.е. не только под некоторым углом к стенке камеры 12, но и под углом друг к другу или даже параллельно между собой /поз. 34 - поз. 35 показана выпуклая поверхность движущейся струи/.

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель с периодическим характером рабочего процесса, показанный на фиг. 2, включает те же элементы конструкций, что и форсажной камере ТРДДФ.

Он состоит из диффузора 36, "противодетонационной решетки" 29 с затворами 30, камеры сгорания 37, форсунок 1 и детонаторов 32 /форсунок 1 без днищ 14/.

Работает двигатель следующим образом:
- в камеру сгорания 37 из форсунок 1 впрыскиваются паровые струи топлива, например бензина, в смеси с парами раствора электролита и смешиваются с воздухом. Следом включаются устройства 32 - детонаторы с осуществлением электрических взрывов струй 17, которые создают интенсивные ударные волны в горючей смеси камеры сгорания 37, обеспечивающие высокую температуру в зонах сжатия смеси ударными волнами и детонационное сгорание топлива.

Детонационные волны и продукты сгорания отражаются от наклонных лопастей шнеков затворов 30 и вытекают через сопло 38 в атмосферу с образованием реактивного усилия. Физические процессы расширения газов в камере 37 и сопле 38 с последующим понижением давления, всасывания - поступления свежей порции воздуха через диффузор 36 и затворы 30 и дополнительным входом атмосферного воздуха через реактивное сопло 38 в камеру сгорания 37, практически не отличаются от процессов, происходящих в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях.

Причем винтовые затворы 30, представляющие собой шнек с наклонными лопастями, обеспечивает не только отражение ударных волн при детонационном взрыве, но и дополнительное гидравлическое сопротивление продуктам сгорания и способствует их истечению в сторону сопла 38.

После первого рабочего цикла и заполнения камеры сгорания вновь свежим воздухом, рабочие процессы повторяются с периодическим впрыском паров топлива, в частности бензина, и работой детонаторов 32, что в конечном итоге обеспечивает тягу двигателя.

Переход в тепловых двигателях на впрыск топлива в виде паровых струй, вместо струй жидкостей, обеспечивает более качественную организацию рабочего процесса в камерах сгорания как поршневых, так и в газотурбинных установках, какими являются турбореактивные, газотурбинные, а также безтурбинные - прямоточные /или пульсирующие/ воздушно-реактивные.

Следует отметить, что сжигание топлива в виде паровых струй полезно также и в парогенератора - на ТЭС, ТЭЦ, квартальных и пр. котельных.

Это обусловлено тем, что пары топлива вместе с парами раствора электролита находятся с воздухом в одном и том же агрегатном состоянии /все являются газами/, что позволяет существенно уменьшить во всех процессах горения коэффициент избытка воздуха α , а следовательно, снизить затраты энергии на нагрев избытка воздуха и увеличить КПД любого теплового двигателя. Например, в турбореактивном, показанном на фиг. 1, установка форсунок 1 в камерах сгорания 23 позволит уменьшить к-т α с 1,6-1,65 до значения близкого к теоретическому, т. е. до α₁ = 1,05-1,1. Вместе с тем при одной и той же производительности компрессора ТРДДФ снижение коэффициента α приведет к повышению мощности двигателя в 1,3-1,4 раза.

Тот же самый процесс произойдет и в форсажной камере ТРДДФ, которая станет более мощной даже при обычном медленном сгорании топлива /без детонационного сгорания/.

В поршневых двигателях дизель впрыск паров создаст условия не только для существенного повышения КПД за счет малого значения коэффициента избытка воздуха /вместо 1,7-2,2 до 1,05-1,1/, но при этом значительно увеличивается моторесурс двигателя /примерно на 40%/, так как его принцип работы станет подобный газовому двигателю со всеми вытекающими достоинствами работы их.

Важным условием является температура электрического взрыва струи 17.

Если при этом температура продуктов взрыва поддерживается на уровне T = 2000-2200^oC, то, во-первых, во взрывной камере 12 форсунки 1 могут испаряться любые виды жидких топлив, независимо от их температуры испарения /мазут, нефть, моторное топливо и пр./. Во-вторых, они /пары/ становятся перегретыми, что обуславливает их полное смешивание с зарядом воздуха в камерах сгорания, а также высокую химическую активность, обеспечивающую быстрое сгорание горючей /рабочей/ смеси в любом двигателе или парогенераторах ТЭС.

При более высокой температуре продуктов взрыва, например 5000-10000^oC, создаются условия для полного термического разложения /диссоциации/ водного раствора электролита струй 17 во взрывной камере 12 форсунки и, образование смеси "гремучего газа" /водорода и кислорода/ с испарившимся топливом, впрыснутым в камеру 12 из форсунки 3.

В результате в камеры сгорания двигателей станет "выстреливаться" с заданной частотой смесь гремучего газа и продуктов распада электролита, а также продукты распада топлива, что приведет к быстрому сгоранию этой смеси, причем при более высокой температуре, чем это достижимо в существующих условиях горения углеводородных топлив. В итоге еще большее повышение КПД теплового двигателя.

Детонационное сгорание.

Обеспечивает повышение температуры сгорания горючей смеси на 10-15% выше, чем при обычном горении /медленном/, а также мгновенное повышение давления и скорости истечения продуктов сгорания. Так для двигателя по фиг. 2 мгновенное возрастание давления достигнет 14-15 кг/см², а скорости до 1200-1300 м/с при нормальном атмосферном давлении в камере сгорания 37 /см. книгу А.И.Зверев "Детонационное напыление покрытий", Судостроение, Л., 1979 г., стр. 18-42, 178/.

В результате обеспечивается более высокий термический КПД, чем при медленном сгорании, повышенная тяга двигателя и работоспособность при большой скорости полета летательного аппарата, так как скорость детонации, в частности, бензина превышает 2000 м/с.

Кроме прямого назначения двигатели по фиг. 2 могут применяться в качестве подъемных двигателей на ранцевых вертолетах, на обычных самолетах, а также в качестве тормозных систем на тех же самолетах, парашютах и пр. Кроме того, они могут служить в качестве бурового инструмента.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к тепловым двигателям /поршневым двигателям внутреннего сгорания/, а также к газотурбинным и пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, имеющим широкий диапазон мощностей и возможность работы на любых известных видах углеводородного сырья. Цель изобретения - повышение КПД тепловых двигателей, а также осуществление возможности работы поршневых и газотурбинных двигателей на нефти и тяжелых сортах топлива. Устройство содержит диффузор, топливные форсунки и форсунки зажигания, камеру сгорания с соплом и генератор электрических импульсов с разрядником. Новым в изобретении является установка в диффузоре противодетонационной решетки с отверстиями по всей площади, в которых равномерно по окружности установлены шнеки с лопастями, а форсунки снабжены камерой из диэлектрического материала, внутри которой расположена топливная форсунка и кольцевая полость, сообщающаяся с патрубком для подачи концентрированного водного раствора сильного электролита. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для повышения КПД теплового двигателя, содержащее диффузор, топливные форсунки и форсунки зажигания, камеру сгорания с соплом, генератор электрических импульсов с разрядником, отличающееся тем, что в диффузоре смонтирована противодетанационная решетка с отверстиями по всей своей площади, в которых равномерно по окружности установлены шнеки с лопастями, а форсунки зажигания снабжены рабочей кольцевой камерой из диэлектрического материала, внутри которой расположена топливная форсунка, сообщающаяся с патрубком для подачи концентрированного водного раствора сильного электролита, при этом патрубок с одной стороны соединен трубопроводом с вентилем и насосом, а с другой стороны расположен электрод с размещенным в нем шнеком. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что форсунки выполнены изолированными от стенок рубашки охлаждения и камеры сгорания слоями электроизоляции.