СПОСОБ РАБОТЫ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК B63H11/09 

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для привода в движение речных и морских судов, выработки электроэнергии, а в аварийных случаях для откачки забортной воды из корпуса судна.

Известен газоводореактивный движитель (Муслин E. Машины 20 века.- M.: Машиностроение, 1971, с. 206), который представляет собой обычный турбореактивный двигатель с газовой турбиной, реактивная струя которого по специально спрофилированному каналу направляется под днище судна. Смешиваясь с водой, струя газа увлекает образовавшуюся эмульсию и отбрасывает ее назад, образуя реактивную тягу.

Недостатком данного реактивного двигателя является низкий эффективный КПД порядка 10-14% (так как КПД движителя составляет примерно 0,5, а КПД собственно турбореактивного двигателя-газотурбинного двигателя без регенерации - 20-28% (см. Цкович A.M. Основы теплотехники.- М.: Высшая школа, 1975, с. 321), т.е. эффективный КПД будет равен (20-28%)·0,5 = 10-14%.

Известна парогaзовая установка подводного аппарата (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника.- М.: Высшая школа, 1980, с. 353, 471), в которой в парогазовом котле при давлении 25-30 бар сгорает смесь керосина с воздухом, а в зону за фронтом пламени через специальные трубки-форсунки подается вода. Образовавшийся парогаз поступает через золотниковое распределение в поршневую расширительную машину двойного действия, которая вращает гребной винт.

Недостатком данной установки является низкий эффективный КПД порядка 10-15% (там же, с. 471), так как основная часть энергии горячего газа идет на превращение воды в пар. Кроме того, из-за высокого давления и температуры парогаза необходимо большое количество вспомогательного оборудования (компрессоры, топливные насосы, золотниковые распределители поршневой расширительной машины), что также увеличивает потери парогаза.

Цель изобретения - повышение эффективности КПД судовой энергетической установки.

Поставленная цель достигается тем, что в профилированный рабочий цилиндр, заканчивающийся соплом, через специальные распределительные устройства поступают горячий газ и забортная вода, а из сопла вылетает газоводяная смесь, создавая реактивную тягу.

По одному из вариантов горячий газ поступает в рабочий цилиндр, например из камеры сгорания, по другому варианту горячий газ поступает в силовую турбину, а затем в рабочий цилиндр.

В зависимости от конкретного исполнения забортная вода и горячий газ могут подаваться в рабочий цилиндр поочередно через вращающийся золотник или через гидравлический пульсатор, или непрерывно через эжектор, причем эжектирующей средой является забортная вода.

Сущность изобретения состоит в том, что забортная вода поступает в профилированный рабочий цилиндр, заканчивающийся соплом, в котором находится разряженная газоводяная смесь, движется в сторону меньшего давления к соплу, освобождая за собой свободный объем рабочего цилиндра, куда поступает горячий газ, который расширяется, одновременно сжимая и выталкивая предыдущую газоводяную смесь через сопло, создавая реактивную тягу, затем горячий газ смешивается с оставшейся забортной водой, образуя газоводяную смесь, охлаждается, создавая разряжение, необходимое для поступления в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа.

Параметры рабочего процесса судовой энергетической установки (мощность, расход топлива и т.д.) определяются соотношением горячего газа и забортной воды в рабочем цилиндре, а также профилем рабочего цилиндра и его размерами.

На чертеже изображен термодинамический цикл работы судовой энергетической установки по предлагаемому способу.

Процесс 1-2 - подвод тепла при постоянном давлении (это возможно при сгорании топлива в камере сгорания).

Процесс 2-2'-3 - расширение горячего газа, например, адиабатное после камеры сгорания. Возможны варианты: сразу в рабочем цилиндре или предварительно в силовой турбине, а затем в рабочем цилиндре.

Процесс 3-4 - охлаждение газа в рабочем цилиндре, например изобарное.

Процесс 4-1 - сжатие газа до атмосферного давления с отводом тепла, например изотермический.

Температура окружающей среды:
T₁ = 300 K (27^oC)
Давление окружающей среды:
P₁ = 1 бар
Максимальная температура цикла:
T₂ = 1500 K (1227^oC)
Давление, например, в камере сгорания постоянно и равно атмосферному:
P₂=P₁ = 1 бар
Температура конца адиабатного расширения:
T₃ = 600 K (327^oC)
Давление конца адиабатного расширения:
P₃ = 0,04 бар
(из уравнения адиабаты при K =1,4" - показатели адиабаты)
Температура охлаждения газа равна (теоретически) температуре окружающей среды:
T₄ = T₁ = 300 K (27^oC)
Давление охлаждения газа:
P₃ = P₄ = 0,04 бар
(из уравнения изобарного процесса)
Термодинамический КПД цикла
,
где q₁ = C_p (t₂-t₁) - кол-во подведенного тепла;
C_р = 1,13 кДпс/кг·^oC - теплоемкость при постоянном давлении в диапазоне 30^oC ≤ t ≤ 1200^oC;
q₂ = C_p (t₃ - t₄) + RT₄ln·P₁/P₄ - количество отведенного тепла;
- газовая постоянная воздуха, тогда


или 54%.

Для оценки эффективного КПД учтем тепловые гидравлические потери, например, в камере сгорания η_к,с= 0,95-0,98 , принимаем 0,96 (см. Нигматуллин И.Н. Тепловые двигатели.- М.: Высшая школа, 1974, с. 197).

КПД движителя можно принять по аналогии с гидрореактивным двигателем η_ч.д= 0,6-0,7 , берем η_ч.д= 0,65 (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника.- M.: Высшая школа, 1980, с. 532).

КПД газовой турбины η_г.т= 0,65-0,8 , берем η_г.т= 0,75 (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника.- М.: Высшая школа, 1980, с. 452).

Тогда эффективный КПД судовой энергетической установки
а) по п. 1 η1у

Использование предлагаемого способа работы судовой энергетической установки по сравнению с существующими обеспечивает следующие преимущества:
1) более высокий эффективный КПД, что позволяет снизить эксплуатационные расходы (топливо, масла и т.д.), увеличить радиус действия судна;
2) более простую конструкцию (нет необходимости в компрессорах, топливных насосах, поршневых расширительных машинах), а следовательно, более низкую себестоимость;
3) большую жизнестойкость судна (так как установка работает при атмосферном давлении, в случае аварийной ситуации она может работать в режиме откачивающего насоса и генератора для выработки электроэнергии).

Изобретение относится к энергомашиностроению и касается технологии работы газогидрореактивных движителей судов, выработки электроэнергии и технологии работы устройств для откачки забортной воды в аварийных ситуациях. Способ состоит в подаче в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа. Рабочий цилиндр является профилированным и заканчивается соплом. Вода поступает в цилиндр, когда в нем находится разреженная газоводяная смесь. Вода движется в сторону меньшего давления к соплу, освобождая за собой свободный объем рабочего цилиндра. В этот объем поступает горячий газ. Горячий газ расширяется, одновременно сжимая и выталкивая предыдущую газоводяную смесь через сопло, создавая реактивную тягу. Затем горячий газ смешивается с оставшейся забортной водой, образуя газоводяную смесь, охлаждаясь и создавая необходимое разрежение для поступления в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа. Газ может предварительно адиабатно расширяться в силовой турбине. Забортная вода и горячий газ могут поступать в цилиндр поочередно через вращающийся золотник. Забортная вода может через гидравлический пульсатор поступать в рабочий цилиндр и захватывать горячий газ. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективного КПД судовой энергетической установки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы судовой энергетической установки путем подачи забортной воды и горячего газа в рабочий цилиндр, отличающийся тем, что с целью повышения эффективного к.п.д. забортная вода поступает в профилированный рабочий цилиндр, заканчивающийся соплом, в котором находится разреженная газоводяная смесь, движется в сторону меньшего давления к соплу, освобождая за собой свободный объем рабочего цилиндра, куда поступает горячий газ, который расширяется, одновременно сжимая и выталкивая предыдущую газоводяную смесь через сопло, создавая реактивную тягу, затем горячий газ смешивается с оставшейся забортной водой, образуя газоводяную смесь, охлаждается, создавая необходимое разрежение для поступления в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячий газ предварительно адиабатно расширяется в силовой турбине, а затем поступает в рабочий цилиндр. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что забортная вода и горячий газ поступают в рабочий цилиндр поочередно через вращающийся золотник. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что забортная вода поступает в рабочий цилиндр через гидравлический пульсатор и захватывает горячий газ. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что забортная вода и горячий газ поступают в рабочий цилиндр непрерывно через эжектор, причем эжектирующей средой является забортная вода.