Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано для утилизации энергии выпускных газов, теплоты, передаваемой от продуктов сгорания теплоносителю через охлаждаемые стенки, а также выделяющейся при трении поршня(ей) о цилиндр(ы).
Известен способ работы парогенератора (а.с. SU №1002623, кл. F 01 N 3/04, опубликовано 07.03.83. Бюл.№9), где производится снижение шума двигателя путем охлаждения продуктов сгорания в парогенераторе, который содержит емкость с водой, патрубок с краном для регулирования подачи воды, трубку, распылитель и теплообменник, выполненный в виде змеевика и расположенный в выпускном газопроводе. При работе двигателя продукты сгорания поступают в выпускной газопровод. Давление газов в этом газопроводе передается емкости с водой через патрубок при открытом кране. В результате вода из этой емкости подводится через трубку в змеевик, где она нагревается теплотой продуктов сгорания. Подогретая вода или образовавшийся пар поступает через распылитель в газовый поток. Благодаря образованию пара в продуктах сгорания, их перемешиванию и химическому взаимодействию, а также снижению температуры смеси происходит эффективное глушение шума и очистка отработавших газов.
Недостатками этого парогенератора и способа его работы являются низкая температура и давление получаемого пара, а также недостаточная эффективность использования теплоты выпускных газов.
Известно устройство для комплексной утилизации тепла двигателей внутреннего сгорания (а.с. SU №1687834 А1, кл. F 02 G 5/00, 30.10.91. Бюл. №40), состоящее из первого контура жидкостного охлаждения, в который входят рубашка охлаждения, первый водо-водяной теплообменник и водопроводы. Это устройство включает второй замкнутый контур циркуляции промежуточного теплоносителя, который состоит из первого газоводяного теплообменника, расположенного в выпускном газопроводе, отопительных приборов, органа перекрытия, циркуляционного насоса, второго водо-водяного теплообменника и водопроводов. Устройство этого аналога еще содержит третий незамкнутый контур горячего водоснабжения, куда входят второй газоводяной теплообменник, расположенный в выпускном газопроводе за первым, второй водо-водяной теплообменник и водопроводы. Эти контуры обмениваются теплом в водо-водяных теплообменниках. Применение трех контуров для циркуляции теплоносителей позволяет получать тепло и горячую воду для потребителей.
Недостатками приведенного аналога являются потребность в большом количестве холодной воды для надежной работы двигателя в теплый период года, когда потребность в теплоте для обогрева помещений отсутствует, возможность применения только для стационарных двигателей и необходимость применения коррозионно-стойких материалов для изготовления газоводяных теплообменников.
Наиболее близким к заявленным способу работы и устройству парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания является изобретение способа работы и устройства парогенератора, изложенное в книге (А.В. Квасников. Малые турбины комбинированных авиадвигателей. -М.: Изд-во "Оборонгиз", 1953, с.294). Установка совместной утилизации теплоты отходящих газов и охлаждающей воды при двух сортах пара содержит питательный насос, экономайзер, испаритель, рубашку охлаждения, пароперегреватель, конденсатор и паровые турбины 1 и 2. Эти турбины соединены механической связью с компрессором и поршневым двигателем. При работе двигателя продукты сгорания совершают работу в цилиндрах и отдают там тепло охлаждающему теплоносителю, циркулирующему в рубашке охлаждения, затем их направляют в выпускной газопровод, где они охлаждаются паром в пароперегревателе, затем водой в испарителе и экономайзере. При этом вода из конденсатора подается питательным насосом в экономайзер, а из него параллельно в испаритель и рубашку охлаждения. Образовавшийся пар в испарителе поступает в паровую турбину 1, а из нее в конденсатор. Генерированный пар в рубашке охлаждения отделяют от капель воды в сепараторе и подводят в паровую турбину 2, а из нее в конденсатор. Работа турбин 1 и 2 передается компрессору и коленчатому валу двигателя. Принят за прототип.
К недостаткам этого способа работы и его устройства, принятого за прототип, относятся:
- наличие трех рабочих тел, которыми являются продукты сгорания и два сорта пара, что приводит к усложнению конструкции двигателя и увеличению его размеров и массы;
- образование на частичных нагрузках насыщенного пара как в испарителе, так и в пароперегревателе из-за низкой температуры выпускных газов, который, поступая на лопатки турбины, будет вызывать каплеударные нагрузки и тем самым снижать надежность их работы;
- перегрев двигателя на нагрузках, близких к максимальным, из-за уменьшения теплоотдачи в результате интенсивного образования пара на стенках рубашки охлаждения.
Технический результат - создание прямоточного парогенератора, который укладывался в размеры выпускного газопровода, и получение пара в большом количестве с высокими давлением и температурой, не увеличивая сопротивления выпускной системы и не снижая надежности и экономичности двигателя.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретения по объекту - способу достигается тем, что в известном способе работы парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающем сжигание топлива в камерах сгорания, подачу воды питательным насосом из конденсатора в экономайзер, а из него в испаритель и рубашку охлаждения, передачу теплоты от продуктов сгорания охлаждающей воде через стенки камер сгорания и питательной воде через стенки экономайзера и испарителя, нагрев воды в рубашке охлаждения и экономайзере и образование пара в испарителе, особенностью является то, что пар из испарителя подводят в аккумулятор пара, а воду из рубашки охлаждения направляют в этот аккумулятор через регулятор давления, где она превращается в пар при снижении ее давления, при этом регулируют температуру пара в испарителе по температуре пара в аккумуляторе или температуре газов перед конденсатором изменением регулятором количества подаваемой воды в испаритель и давление воды в рубашке охлаждения по давлению пара в этом аккумуляторе или температуру деталей камеры сгорания, определяющую надежность двигателя, изменением регулятором количества воды, проходящей через этот регулятор в аккумулятор пара и превращающейся в пар, причем пар из испарителя подают в пароперегреватели, расположенные в выпускных патрубках, а затем в аккумулятор пара по паропроводам, при этом регулируют температуру пара в пароперегревателях по температуре пара в аккумуляторе, кроме того, в двигателях с отдельными выпускными коллекторами для двух рядов цилиндров и более, соединяющимися с общим выпускным газопроводом посредством соединительных газопроводов, воду подают из основного экономайзера, расположенного в общем выпускном газопроводе в дополнительные экономайзеры, находящиеся в соединительных газопроводах, а из них ее направляют последовательно в испарители в выпускных коллекторах по водопроводам, а затем в пароперегреватели в выпускных патрубках каждого ряда цилиндров по паропроводам, при этом подводят воду в рубашки охлаждения из основного экономайзера, регулируют температуру пара в пароперегревателях по температуре пара в аккумуляторе или температуре газов перед конденсатором изменением регуляторами количества пара, поступающего в пароперегреватели, и давление воды в рубашках охлаждения по давлению пара в аккумуляторе или температуру деталей камеры сгорания, определяющую надежность двигателя, изменением регулятором количества воды, проходящей через этот регулятор в аккумулятор пара и превращающейся в пар, при этом поддерживают температуру газов в камерах сгорания, определяющую надежность работы двигателя, в допустимых пределах изменением количества подаваемой воды или пара в камеры сгорания, причем газы направляют из цилиндров по трубкам пароперегревателя(ей), расположенным в прямых выпускных патрубках под тупым углом к направлению движения газов в выпускном(ых) коллекторе(ах), затем их движут поступательно в выпускном(ых) коллекторе(ах) в межтрубном пространстве испарителя(ей) вдоль трубок с продольным наружным оребрением, при этом продукты сгорания охлаждают водой, движущейся противотоком по трубкам испарителя(ей) и превращающейся в пар, а образовавшийся пар подают в межтрубное пространство пароперегревателей, где он перегревается газами, делая два хода и более при перекрестном движении теплоносителей, при этом продукты сгорания направляют из цилиндра(ов) в канал(ы) выпускного(ых) патрубка(ов), в котором(ых) их охлаждают паром, а пар перегревают, который поступает из испарителя в кольцевое(ые) пространство(а) между наружной поверхностью прямого(ых) выпускного(ых) патрубка(ов) и внутренней поверхностью охватывающего(их) его (их) цилиндра(ов) с боковыми стенками и совершает в этом(их) пространстве(ах) пароперегревателя(ей) два перекрестных хода не менее. Кроме того, газы направляют из цилиндра(ов) в выпускной(ые) патрубок(ки) вдоль трубок пароперегревателя(ей) с продольным наружным оребрением, затем эти газы подводят тангенциально в выпускной(ые) коллектор(ы), завихряют и движут как вращательно, так и поступательно относительно трубок испарителя(ей) со спирально-поперечным наружным оребрением, при этом продукты сгорания охлаждают водой, движущейся противотоком по этим трубкам испарителя(ей) и превращающейся в них в пар, затем этот пар подают по распределительному(ым) паропроводу(ам) в пароперегреватель(и) в выпускном(ых) патрубке(ах), где его перегревают газами, движущимися противотоком, причем газы охлаждают в выпускном(ых) патрубке(ах), искривленном(ых) по радиусу, паром, движущимся по спиральной(ым) охваты вающей(им) трубке(ам), залитой(ым) в стенке(ах) этого(их) выпускного(ых) патрубка(ов) вокруг газопроходного(ых) канала(ов), при этом воду движут в рубашке(ах) охлаждения цилиндра(ов) по спиральному(ым) каналу(ам), расположенному(ым) в блоке(ах) или гильзе(ах) цилиндра(ов), при этом воду направляют из блока(ов) в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов) через патрубок(ки), а также воду движут по спиральной(ым) трубке(ам), залитой(ым) в теле блока(ов) цилиндра(ов) вокруг цилиндра(ов) под давлением, равным критическому (22,13 МПа) или большем давлении, затем подают в рубашку(и) охлаждения крышки(ек) (головки(ок)) цилиндра(ов) через соединительную(ые) трубку(и), причем в двигателях, содержащих по одному впускному и выпускному клапану на цилиндр, воду подают по подводящим общему(им) и соединительным трубкам параллельно в кольцевые трубки под давлением 22,13 МПа и выше, залитые в теле крышки(ек) (головки(ок) цилиндра(ов) вокруг гнезд впускного(ых) и выпускного(ых) клапанов и форсунки(ок), а также вокруг стенки(ок) впускного(ых) и выпускного(ых) каналов, при этом отводят воду от этих трубок по общему(им) и соединительным трубкам. Кроме того, в двигателях с двумя впускными и выпускными клапанами на цилиндр воду подают по подводящему(и) общему(им) соединительным и распределительным трубкам под давлением 22,13 МПа и выше в кольцевые трубки вокруг гнезд выпускных клапанов и форсунки(ок), а также в охватывающие трубки вокруг впускного(ых) и выпускного(ых) каналов, а затем из кольцевых трубок вокруг гнезд выпускных клапанов эту воду направляют в кольцевые трубки вокруг гнезд впускных клапанов через соединительные трубки, при этом отводят воду из этих кольцевых трубок, кольцевой(ых) трубки(ок) вокруг гнезда форсунок(ки) и охватывающих трубок вокруг впускного(ых) канала(ов) по соединительным, приемным и общей(им) отводящей(им) трубкам в аккумулятор пара.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в известном устройстве парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащем камеры сгорания в цилиндрах, экономайзер и испаритель в выпускном тракте, а также питательный насос между конденсатором и экономайзером, особенностью является то, что оно содержит пароперегреватели в выпускных патрубках, подключенные к испарителю и аккумулятору пара паропроводами, при этом соединены последовательно экономайзер с испарителем водопроводом, а испаритель с пароперегревателями паропроводами, на этом водопроводе установлен регулятор температуры пара в пароперегревателях по температуре пара в аккумуляторе или газов за экономайзером, рубашка охлаждения соединена водопроводами подводящим - с экономайзером, а отводящим - с аккумулятором пара, на котором установлен регулятор давления воды в этой рубашке по давлению пара в этом аккумуляторе или температуры деталей камеры сгорания, определяющей надежность двигателя, причем в двигателях с отдельными выпускными коллекторами для двух рядов цилиндров и более содержит общий выпускной газопровод, который соединен с выпускными коллекторами соединительными газопроводами, при этом установлены основной экономайзер в общем газопроводе, а дополнительные, меньших размеров, в соединительных газопроводах и подключены водопроводами к основному экономайзеру, испарители соединены подводящими водопроводами с дополнительными экономайзерами, а отводящими паропроводами с пароперегревателями, на которых установлены регуляторы температуры пара в пароперегревателях по температуре пара в аккумуляторе или температуры газов за основным экономайзером, рубашки охлаждения соединены с основным экономайзером подводящими, а с аккумулятором пара отводящими водопроводами, на отводящем общем водопроводе установлен регулятор давления пара в рубашке охлаждения по давлению пара в аккумуляторе или температуры деталей камеры сгорания, определяющей надежность двигателя, при этом устройство содержит в основном и дополнительном(ых) экономайзерах по трубке или в каждом экономайзере трубки с продольным наружным оребрением, которые при одной трубке в каждом из экономайзеров соединяются между собой с подводящим и отводящим водопроводами, при двух и более трубках в каждом из экономайзеров их концы соединяются коллекторами, а коллекторы этих экономайзеров между собой и с подводящим и отводящим водопроводами. Кроме того, особенность заключается в том, что устройство содержит в приемной(ых) цилиндрической(их) трубе(ах) выпускного(ых) коллектора(ов) испаритель(и), а также в выпускных патрубках этого(их) коллектора(ов) пароперегреватели, расположенные под тупым углом к этому(им) испарителю(ям) для снижения газодинамических потерь, при этом две трубные доски, установленные перпендикулярно в конце приемной цилиндрической трубы, соединенные трубками для прохода через них продуктов сгорания, образуют распределительную водяную камеру со штуцером для подвода воды, трубная доска этой водяной камеры возле последнего выпускного патрубка и трубная доска перед первым выпускным патрубком, расположенная под таким же тупым углом, как и выпускные патрубки, соединены трубками с продольным наружным оребрением и образуют газовую камеру для прохода между ними газов, поступающих из выпускных патрубков, трубная доска перед первым выпускным патрубком и торцовая стенка приемной цилиндрической трубы, установленная параллельно этой трубной доске, образуют приемную паровую камеру со штуцером для отвода пара из этой камеры, трубные доски, установленные с обеих концов выпускных патрубков параллельно приемной цилиндрической трубе и соединенные трубками для прохода через них выпускных газов из цилиндров, образуют между ними паровые камеры с перегородкой(ами) для перекрестного прохода пара в два и более ходов и имеют трубки для отвода и подвода пара, причем устройство содержит в выпускных патрубках кольцевое пространство между наружной поверхностью прямого выпускного патрубка и внутренней поверхностью охватывающего его цилиндра с боковыми стенками, разделенное перегородкой(ами) для перекрестного прохода пара в два хода и более, при этом устройство содержит в испарителе трубки со спирально-поперечным наружным оребрением, которое по концам соединены распределительным и приемным коллекторами, в пароперегревателях трубки с продольным наружным оребрением, которые по концам соединены распределительными приемными коллекторами, при этом распределительный коллектор испарителя соединен водопроводом с основным или дополнительным экономайзером, а его приемный коллектор связан паропроводами с распределительными коллекторами пароперегревателей, а их приемные коллекторы соединены паропроводами с аккумулятором пара, выпускные патрубки расположены тангенциально относительно приемной цилиндрической трубы для организации в ней вращательного движения газов относительно трубок со спирально-поперечным наружным оребрением, при этом в двигателях с общим выпускным коллектором для двух рядов цилиндров содержит выпускные патрубки одного ряда цилиндров, расположенные тангенциально вверху, а другого ряда внизу или, наоборот, по отношению к приемной цилиндрической трубе для организации вихревого движения газов относительно трубок со спирально-поперечным наружным оребрением, причем устройство содержит в искривленных по радиусу выпускных патрубках охватывающие спиральные трубки, отлитые вместе с этими патрубками и расположенные равномерно вокруг газопроходных каналов, при этом крайние витки содержат отверстия для подвода и отвода пара. Кроме того, устройство содержит в блоке(ах) или гильзе(ах) цилиндра(ов) спиральные каналы вокруг цилиндра(ов), при этом крайний(е) канал(ы) внизу цилиндра(ов) имеет(ют) боковое(ые) отверстие(я) для подвода воды, а канал(ы) вверху цилиндра(ов) содержит(ат) верхнее(ие) отверстие(ия) для отвода воды в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов), а также устройство содержит в рубашке(ах) охлаждения блока(ов) цилиндра(ов) спиральные трубки вокруг цилиндров, выдерживающие давление не менее 22,13 МПа и более, отлитые вместе с этим(и) блоком(ами), при этом крайние витки имеют боковые отверстия для подвода и отвода охлаждающей жидкости, причем в двигателях с одним впускным и выпускным клапанами на цилиндр содержит в крышке(ах) (головке(ах)) цилиндра(ов) кольцевые трубки вокруг гнезд клапанов, форсунок, а также охватывающие трубки вокруг впускных и выпускных газовых каналов, при этом общие подводящие и отводящие воду трубки связаны соединительными трубками с кольцевыми и охватывающими трубками, которые с этими общими и соединительными трубками выдерживают давление 22,13 МПа и более и отлиты вместе с крышкой(ами) (головкой(ами)) цилиндра(ов), при этом в двигателях с двумя впускными и выпускными клапанами содержит в крышке(ах) (головке(ах)) цилиндра(ов) трубки, соединяющие кольцевые трубки гнезд впускного и выпускного клапанов, выдерживающие давление 22,13 МПа и более и отлитые вместе с крышкой(ами) (головкой(ами)) цилиндра(ов). Кроме того, устройство содержит проходное сечение выпускного(ых) патрубка(ов) не меньше проходного сечения выпускного(ых) клапана(ов) каждого цилиндра при максимальном его(их) подъеме, а также имеет проходное сечение приемной цилиндрической трубы выпускного коллектора не меньше максимального проходного сечения выпускных клапанов всех цилиндров при одновременном их подъеме и выпуске газов в эту трубу, а также содержит на наружных поверхностях газопроводов, водопроводов и паропроводов, отдающих тепло окружающей среде, теплоизоляцию или теплоизолирующее покрытие или состоит из теплопроводов, изготовленных из материалов с низкой теплопроводностью.
На фиг.1 и 2 показаны устройство и работа прямоточного парогенератора, который реализован на поршневых двигателях внутреннего сгорания с однорядным и двухрядным расположением цилиндров. На фиг.3 и 5 представлены конструкции испарителей и пароперегревателей, расположенные в выпускном коллекторе, с указанием направления движения в них теплоносителей. На фиг.4а,б изображены устройства выпускных патрубков и расположение в них каналов для прохода пара. На фиг 6 и 7 показаны конструкции каналов для охлаждения цилиндров и схема движения в них теплоносителя. На фиг.8, 9 и 10 представлены устройства каналов для прохода воды и их расположение в крышке (головке) цилиндра, а также схема движения в них теплоносителя в двигателях с одними впускным и выпускным и с двумя впускными и выпускными клапанами на цилиндр.
Устройство прямоточного парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 (фиг.1) с однорядным расположением цилиндров содержит камеры сгорания 2, рубашку охлаждения 3, а также расположенный в выпускном газопроводе 4 экономайзер 5, испаритель 6 и пароперегреватели 7. Экономайзер 5, установленный за испарителем 6, содержит трубки с продольным наружным оребрением 8, которые по концам соединены распределительным 9 и приемным 10 коллекторами. Распределительный коллектор 9 подключен к конденсатору 11 водопроводом 12, на котором установлен питательный насос 13. Приемный коллектор 10 соединен с испарителем 6, расположенным в выпускном коллекторе 14, водопроводом 15, на котором установлен регулятор температуры пара в пароперегревателях 16 по температуре пара в аккумуляторе 17, а также подключен к рубашке охлаждения 3 водопроводами общим 18 и распределительными 19. Рубашка охлаждения 3 соединена с аккумулятором пара 17 отводящими водопроводами 20 и общим 21, на котором установлен регулятор давления воды 22 в этой рубашке по давлению пара в аккумуляторе 17 или температуры деталей камеры сгорания, определяющей надежность двигателя. Пароперегреватели 7 соединены с испарителем 6 паропроводами общим подводящим 23 и подводящими к пароперегревателям 24, а также подключены к аккумулятору пара 17 паропроводами отводящими от пароперегревателей 25 и общим отводящим 26. Наружные поверхности выпускного газопровода 4, выпускного коллектора 14, аккумулятора пара 17, а также водопроводы и паропроводы 12, 18, 19, 20, 21, 23, 24, 25 и 26 покрыты теплоизоляцией или имеют теплоизоляционное покрытие или изготовлены из материалов, имеющих низкую теплопроводность.
Устройство прямоточного парогенератора для двигателя с отдельными выпускными коллекторами 14 (фиг.2) для каждого ряда цилиндров содержит испаритель 6 и пароперегреватели 7, установленные в этих коллекторах. При наличии общего выпускного коллектора для двух и более ряда цилиндров устанавливается один испаритель в этом коллекторе и пароперегреватели в каждом выпускном патрубке. В двигателях с индивидуальными выпускными коллекторами 14 для каждого ряда цилиндров эти коллекторы соединяются с общим выпускным газопроводом 4 соединительными газопроводами 27, в которых устанавливаются дополнительные экономайзеры 28. При этом в общем выпускном газопроводе располагается основной экономайзер 5. Экономайзеры основной 5 и дополнительные 28 содержат в каждом из них трубку или трубки с продольным наружным оребрением, в зависимости от размеров выпускных газопроводов, и соединяются между собой водопроводами 29 и 30. Основной экономайзер 5 связан с конденсатором 11 водопроводом 12, на котором установлен питательный насос 13. Дополнительные экономайзеры 28 соединены с испарителями 6 водопроводами 31. Водопроводы 29, 30 и 31 проложены внутри газопроводов общего 4 и соединительных 27 и передают тепло от продуктов сгорания теплоносителю. Пароперегреватели 7 соединены с испарителями 6 паропроводами общими подводящими 23 и подводящими к пароперегревателям 24, при этом на общих подводящих паропроводах 23 установлены регуляторы температуры пара в пароперегревателях 16 по температуре пара в аккумуляторе 17 или температуры газов за основным экономайзером 5. Отводящие паропроводы от пароперегревателей 25 и отводящие общие паропроводы 26 соединяют пароперегреватели 7 с аккумулятором пара 17. С этим аккумулятором еще соединены рубашки охлаждения 3 каждого ряда цилиндров посредством водопроводов 32 и общего водопровода 33, на котором установлен регулятор давления воды в рубашках охлаждения 22 по давлению пара в аккумуляторе или температуры деталей камеры сгорания, определяющей надежность двигателя. При этом рубашки охлаждения соединены с основным экономайзером 5 общим водопроводом 34 и распределительными водопроводами 35. Наружные поверхности выпускного газопровода 4, выпускных коллекторов 14, соединительных газопроводов 27, а также водопроводы и паропроводы 12, 23, 24, 25, 26, 32, 33 и 35 покрыты теплоизоляцией или имеют теплоизоляционное покрытие или изготовлены из материалов, имеющих низкую теплопроводность.
Испаритель (фиг.3) и пароперегреватели совмещены конструктивно с выпускным коллектором 14. Испаритель располагается в приемной цилиндрической трубе 36, а пароперегреватели - в прямых цилиндрических выпускных патрубках 37 и 38 под тупым углом ϕ к этому испарителю для снижения газодинамических потерь. Две трубные доски 39 и 40, установленные перпендикулярно в конце приемной цилиндрической трубы 36 за выпускным патрубком 37, соединенные трубками 41 для прохода через них газов, образуют распределительную водяную камеру 42 со штуцером 43 для подвода воды. Трубки 41 имеют сечение для прохода газов не менее максимального проходного сечения выпускных клапанов всех цилиндров при одновременном их подъеме и выпуске газов. Трубная доска 40 водяной камеры 42 и трубная доска 44 перед первым выпускным патрубком 38, расположенная под таким же тупым углом ϕ, как и выпускные патрубки 37 и 38, соединены трубками с продольным наружным оребрением 45 и образуют газовую камеру 46 для прохода газов, поступающих из выпускных патрубков. Эта газовая камера имеет сечение для прохода газов не менее максимального проходного сечения выпускных клапанов всех цилиндров при одновременном их подъеме и выпуске газов. Трубная доска 44 перед первым выпускным патрубком 38 и торцевая стенка 47 приемной цилиндрической трубы 36, установленная параллельно этой трубной доске, образуют приемную паровую камеру 48 со штуцером 49 для отвода пара из этой камеры. Трубные доски 50 и 51, установленные с обоих концов выпускных патрубков 37 и 38 параллельно приемной цилиндрической трубе 36 и соединенные трубками 52 для прохода через них выпускных газов из цилиндров, образуют паровые камеры 53 с перегородками 54 для перекрестного прохода пара в два и более ходов и содержат трубки 55 и 56 для подвода и отвода пара. Соединительные трубки 52 для прохода через них газов имеют сечение не менее проходного сечения выпускного(ых) клапана(ов) каждого цилиндра при максимальном его (их) подъеме. Присоединяется выпускной коллектор 14 вместе с испарителем и пароперегревателями к блоку цилиндров фланцами 57, а к выпускному газопроводу фланцем 58.
Для уменьшения газодинамических потерь выпускной патрубок 59 (фиг.4а) содержит кольцевое пространство 60 между наружной поверхностью 61 прямого выпускного патрубка 59 и внутренней поверхностью 62 охватывающего его цилиндра 63 с боковыми стенками 64. Это кольцевое пространство разделено перегородкой 65 для перекрестного прохода пара в два хода и содержит трубки 66 и 67, подводящие и отводящие пар. Кольцевое пространство 60 может иметь не один, а несколько перегородок для перекрестного прохода пара в три и более ходов. Выпускной патрубок 59 снабжен фланцем 68 для его крепления к блоку.
Для повышения интенсивности процесса теплообмена в испарителе и снижения газодинамических потерь в выпускной системе испаритель содержит трубки со спирально-поперечным наружным оребрением 69 (фиг.5 а и б), которые по концам соединены коллекторами распределительным 70 (фиг.5а) и приемным 71. При этом проходное сечение испарителя больше максимального проходного сечения выпускных клапанов всех цилиндров при одновременном их подъеме и выпуске газов. Пароперегреватели в выпускных патрубках 72 состоят из трубок 73 с продольным наружным оребрением, которые по концам соединены коллекторами распределительным 74 и приемным 75. При этом проходное сечение пароперегревателя не меньше проходного сечения выпускного(ых) клапана(ов) каждого цилиндра при максимальном его (их) подъеме. Распределительный коллектор испарителя 70 соединен с основным или дополнительным экономайзером водопроводом 76, а его приемный коллектор 71 связан паропроводами 77 и 78 (фиг.5а и б) с распределительными коллекторами пароперегревателей 74. При этом приемные коллекторы 75 (фиг.5а) этих пароперегревателей соединены паропроводами 79 с аккумулятором пара. Выпускные патрубки 72 (фиг.5б) расположены тангенциально относительно приемной цилиндрической трубы 80 для организации в ней вращательного движения газов относительно трубок со спирально-поперечным наружным оребрением 69. Присоединяется испаритель и пароперегреватели, совмещенные с выпускным коллектором, к блоку цилиндров фланцами 81 (фиг.5а) и к выпускному газопроводу фланцем 82.
В двигателях с общим выпускным коллектором для двух рядов цилиндров выпускные патрубки одного ряда цилиндров расположены тангенциально вверху, а другого ряда - внизу или, наоборот, по отношению к приемной цилиндрической трубе для организации вихревого движения газов относительно трубок со спирально-поперечным наружным оребрением.
Для уменьшения габаритных размеров двигателя, особенно двухрядных и многорядных, и уменьшения газодинамических потерь в выпускной системе выпускной(ые) коллектор(ы) содержит(ат) патрубки 83 (фиг.4б), искривленные по радиусу R. В этих патрубках расположены равномерно вокруг каналов 84 охватывающие спиральные трубки 85, которые отлиты вместе со стенками 86 патрубков 83. Крайние витки этих трубок 87 и 88 соединены с трубками 89 и 90 для подвода и отвода пара.
Для повышения интенсивности охлаждения продуктов сгорания и получения высокопотенциальной теплоты рубашка охлаждения содержит в блоке(ах) цилиндров 91 (фиг.6а) или гильзе(ах) цилиндра(ов) 92 (фиг.6б) спиральный(е) канал(ы) 93 (фиг.6а и б) вокруг цилиндра(ов) 94. Крайний канал внизу цилиндра(ов) 95 имеет боковое отверстие с трубкой(ами) 96 для подвода воды, а канал вверху цилиндра(ов) содержит верхнее(ие) отверстие(я) 97 для отвода воды в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов).
Для нагрева воды в рубашке охлаждения до критического состояния в блоке(ах) цилиндра(ов) 98 (фиг.7) содержатся спиральные трубки 99 вокруг цилиндра(ов) 100, выдерживающие давление 22,13 МПа и более, отлитые вместе с этим(и) блоком(ами), при этом крайние витки имеют боковые отверстия с трубками 101 и 102 для подвода и отвода теплоносителя.
Для нагрева воды в рубашке(ах) охлаждения до критического состояния в двигателях с одними впускным и выпускным клапанами на цилиндр крышка(и) (головка(и)) цилиндра(ов) содержит(ат) кольцевые трубки 103, 104 и 105 (фиг.8) вокруг гнезд клапанов впускного 106, выпускного 107 и форсунки 108 соответственно, а также охватывающие трубки 109 (фиг.8 и фиг.9а) и 110 (фиг.8) вокруг стенок 111 (фиг.9а) впускного и выпускного каналов. Для подвода и отвода теплоносителя крышка(и) (головка(и)) цилиндра(ов) имеет(ют) общие трубки подводящие 112 (фиг.8 и фиг.9а) и отводящие 113. Эти трубки соединены с кольцевыми трубками 103, 104 и 105 (фиг.8) соединительными трубками подводящими 114, 115 и 116 и отводящими 117, 118 и 119, а также с охватывающими трубками 109 (фиг.8 и фиг.9а) и 110 (фиг.8) вокруг стенок 111 (фиг.9а) впускного и выпускного каналов соединительными трубками подводящими 120 (фиг.8 и фиг.9а) и 121 (фиг.8) отводящими 122 (фиг.8 и фиг.9а) и 123 (фиг.8). Все залитые в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов) трубки выдерживают давление не менее 22,13 МПа. На фиг.8 позицией 124 обозначены внутренние предполагаемые контуры цилиндра, а поз. 125 - наружные предполагаемые контуры крышки цилиндров, а на фиг.9а позицией 126 указаны предполагаемые контуры крышки цилиндров, а поз. 127 - контуры выпускного канала.
Для нагрева воды в рубашке охлаждения в двигателях с двумя впускными и выпускными клапанами крышка(и) (головка(и)) цилиндра(ов) содержит(ат) кольцевые трубки 128 и 129 (фиг.10) вокруг гнезд впускных клапанов 130 и 131, 132 и 133 вокруг гнезд выпускных клапанов 134 и 135, кольцевую трубку 136 вокруг гнезда форсунки 137 и охватывающие трубки 138, 139 и 140. 141 (фиг.9б и фиг.10) вокруг стенок 142 (фиг.9б) впускного и выпускного каналов. Кольцевые трубки 128 и 132 (фиг.10), а также 129 и 133 вокруг гнезд впускных 130 и 131 и выпускных 134 и 135 клапанов связаны попарно соединительными трубками 143 и 144 для прохода теплоносителя. Распределительная трубка 145 соединена с кольцевыми трубками 132 и 133, а также 136 вокруг гнезд выпускных клапанов 134 и 135, а также форсунки 137, соединительными трубками 146 и 147, а также с охватывающими трубками 140 и 141 (фиг.9б и фиг.10) вокруг выпускного канала 148 (фиг.9б). Приемная трубка 149 (фиг.10) соединена с кольцевыми трубками 128 и 129, а также 136 вокруг гнезд впускных клапанов 130 и 131, а также форсунки 137 соединительными трубками 150 и 151, а также с охватывающими трубками 138 и 139 вокруг впускного канала. Для подвода и отвода воды в рубашку охлаждения содержится(атся) трубка(и) общая(ие), подводящая(ие) 152 (фиг.9б и фиг.10) и общая(ие), отводящая(ие) 153 (фиг.10), которые связаны соединительными трубками 140 (фиг.9б и фиг.10) и 138 (фиг.10) с распределительной трубкой 145 (фиг.9б и фиг.10) и приемной трубкой 149 (фиг.10) через распределительную(ые) трубку(и) 154 (фиг.9б и фиг.10) и приемную(ые) трубку(и) 155 (фиг.10) соответственно. Для подвода воды в охватывающие трубки впускного канала 139 из охватывающих трубок выпускного канала 141 эти трубки связаны соединительной трубкой 156 (фиг.9б и фиг.10). Все залитые в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов) трубки выдерживают давление не менее 22,13 МПа. На фиг.9б позицией 157 обозначены внутренние контуры выпускного канала, а позицией 158 - наружные контуры крышки цилиндров. На фиг.10 позицией 159 обозначены внутренние контуры цилиндра, поз. 160 - наружные контуры крышки (головки) цилиндров.
Способ работы парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 (фиг.1) с однорядным расположением цилиндров осуществляют следующим образом.
Топливо сжигают в камерах сгорания 2. Продукты сгорания выпускают при открытых выпускных клапанах через выпускные каналы в выпускной коллектор 14, совмещенный с испарителем 6 и пароперегревателями 7. Далее продукты сгорания движутся по выпускному газопроводу 4, проходят экономайзер 5 и через конденсатор 11 выбрасываются в атмосферу. Воду подают питательным насосом 13 из конденсатора 11 в экономайзер 5 по водопроводу 15 в испаритель 6, где она превращается в пар и затем поступает в пароперегреватели 7 по паропроводам подводящему общему 23 и подводящим к пароперегревателям 24.
Перегретый пар отводят в аккумулятор пара 17 по паропроводам отводящим от пароперегревателей 25 и отводящему общему 26. При этом регулируют температуру пара в пароперегревателях 7 регулятором 16 по температуре пара в аккумуляторе 17 или температуре газов перед конденсатором 11 изменением количества воды, подаваемой в испаритель 6. Воду из экономайзера 5 еще подают в рубашку охлаждения 3 по водопроводам общему 18 и распределительным 19. Из рубашки охлаждения 3 воду направляют в аккумулятор пара 17 по водопроводам отводящим 20 и общему 21 через регулятор 22. В этом регуляторе давление воды снижают и она превращается в пар. При этом регулируют давление воды в рубашке охлаждения 3 по давлению пара в аккумуляторе 17 или температуру деталей камеры сгорания, определяющую надежность двигателя, регулятором 22 путем изменения количества воды, проходящей через этот регулятор в аккумулятор пара 17 и превращающейся в пар.
Для сохранения надежности двигателя при нагреве воды в рубашке охлаждения до критического состояния поддерживают в камерах сгорания температуру газов, определяющую надежность работы двигателя в допустимых пределах изменением количества подаваемой воды или пара в камеры сгорания.
Способ работы парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 (фиг.2) с отдельными выпускными коллекторами для двух рядов цилиндров и более осуществляют следующим образом.
Топливо сжигают в камерах сгорания 2 в соответствии с порядком работы двигателя. Продукты сгорания выпускают в выпускные коллекторы 14 каждого ряда цилиндров, совмещенные конструктивно с испарителями 6 и пароперегревателями 7. Газы движут из этих коллекторов 14 по соединительным газопроводам 27, через расположенные в них дополнительные экономайзеры 28. Далее, продукты сгорания попадают в общий выпускной газопровод 4 и проходят через основной экономайзер 5, затем через конденсатор 11 выбрасываются в атмосферу. Воду подают питательным насосом 13 в основной экономайзер 5. В этом экономайзере воду подогревают теплотой продуктов сгорания и подают в дополнительные экономайзеры 28 по водопроводам 29 и 30, при этом происходит повторный нагрев воды до температуры кипения. Нагретую воду направляют в испарители 6 по водопроводам 31 для получения пара, где она нагревается и превращается в пар. Полученный пар перегревают в пароперегревателях 7, куда его подводят из испарителей по паропроводам общим 23 и подводящим к пароперегревателям 24. Перегретый пар направляют в аккумулятор пара 17 по паропроводам отводящим от пароперегревателей 25 и общему отводящему 26. При этом регулируют температуру пара в пароперегревателях 7 по температуре пара в аккумуляторе 17 или температуру газов перед конденсатором 11 изменением регуляторами 16 количества пара, поступающего в пароперегреватели 7. Воду из основного экономайзера 5 еще подают в рубашку охлаждения 3 по водопроводам общему 34 и распределительным 35. Из рубашек охлаждения 3 воду направляют в аккумулятор пара 17 по водопроводам отводящим 32 и общему 33 через регулятор 22. В этом регуляторе давление воды снижают, и она превращается в пар. При этом регулируют давление воды в рубашках охлаждения 3 по давлению пара в аккумуляторе 17 или температуру деталей камеры сгорания, определяющую надежность двигателя, изменением регулятором 22 количества воды, проходящей через этот регулятор в аккумулятор пара 17 и превращающейся в пар. Для сохранения надежности двигателя при нагреве воды в рубашке охлаждения до критического состояния поддерживают температуру газов в камерах сгорания, определяющую надежность работы двигателя в допустимых пределах изменением количества подаваемой воды или пара в камеры сгорания.
Для получения высокопотенциальной теплоты продукты сгорания охлаждают в пароперегревателях и испарителе, совмещенных с выпускным коллектором 14 (фиг.3). Газы из цилиндров поступают по трубкам 52 пароперегревателей в газовую камеру 46 испарителя под тупым углом к тепловоспринимающим поверхностям трубок 45 с продольным наружным оребрением. Газы при взаимодействии со стенками этих трубок поворачиваются и движутся вдоль них, обтекая теплопередающие поверхности. При этом происходит передача теплоты от одного теплоносителя к другому как в трубках пароперегревателей, так и испарителя. Из газовой камеры 46 продукты сгорания попадают в выпускной газопровод через трубки 41 распределительной камеры 42. Воду в эту камеру подают через штуцер 43 из экономайзера, в которой она нагревается теплотой продуктов сгорания, передаваемой через стенки трубки 41. Далее вода в этой камере распределяется по трубкам 45 с продольным наружным оребрением испарителя и движется внутри этих трубок, нагреваясь и превращаясь в пар. Образовавшийся пар выходит в приемную паровую камеру 48, оттуда его направляют через штуцер 49 и трубку 55 в паровую камеру 53 пароперегревателей, где он совершает не менее двух перекрестных ходов, перегревается и далее через трубку 56 следует в аккумулятор пара.
Размещение трубок в каналах выпускных патрубков для прохода газов и получения перегретого пара уменьшает проходное сечение этих патрубков и повышает их гидравлическое сопротивление. Поэтому для получения перегретого пара продукты сгорания направляют в каналы выпускных патрубков 59 (фиг.4а) без трубок, а пар для перегрева подают из испарителя по трубке 66 в кольцевое пространство 60 между наружной поверхностью 61 прямого выпускного патрубка 59 и внутренней поверхностью 62 охватывающего его цилиндра 63 с боковыми стенками 64. Пар в этом пространстве движется, совершает два перекрестных хода не менее и перегревается, затем через трубку 67 направляется в аккумулятор пара.
Для повышения интенсивности охлаждения продуктов сгорания и снижения газодинамических потерь газы направляют из цилиндров в выпускные патрубки 72 (фиг.5а и 56) через расположенные в них трубки 73 с продольным наружным оребрением пароперегревателей. Газы в этих патрубках отдают свое тепло через тепловоспринимающие стенки трубок 73 пару, движущемуся по этим трубкам. Затем они поступают тангенциально в приемную цилиндрическую трубу 80 и там завихряются. При этом обтекают трубки 69 со спирально-поперечным наружным оребрением, движутся относительно них не только вращательно, но и поступательно и выходят в выпускной газопровод. Воду подают из экономайзера по водопроводу 76 (фиг 5а) в трубки испарителя 69 (фиг.5а и 5б) со спирально-поперечным наружным оребрением. Благодаря вихревому движению газов вода в этих трубках быстро нагревается и испаряется, а затем поступает в трубки 73 с продольным наружным оребрением пароперегревателей по паропроводу 77. В этих трубках пар перегревается и направляется в аккумулятор пара по паропроводу 79.
Для уменьшения габаритных размеров двигателя и снижения газодинамических потерь газы охлаждают в выпускных патрубках, искривленных по радиусу R (фиг.4б), паром, движущимся по спиральным охватывающим трубкам 85. При этом пар подают в нижние витки охватывающих трубок 87 по паропроводам 89, перегревают этот пар при его движении по спиральным трубкам 85 и отводят перегретый пар из верхних витков охватывающих трубок 88 по паропроводам 90 в аккумулятор пара.
С целью улучшения охлаждения цилиндра(ов) и получения высокопотенциальной теплоты воду движут в рубашке(ах) охлаждения цилиндра(ов) по спиральному(ым) каналу(ам) 93 (фиг.6а и 6б), расположенному(ым) в блоке(ах) 91 (фиг.6а) или гильзе(ах) цилиндра(ов) 92 (фиг.6б), при этом происходит теплопередача через стенки цилиндра(ов) охлаждающей воде. Этой воде передается еще теплота, которая выделяется при трении поршня(ей) о цилиндр(ы). Воду для охлаждения подводят в нижний виток(ки) спирального(ый) канала(ов) 95 (фиг.6а и 6б) по трубке(ам) 96, а отводят эту воду в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов) через патрубок(ки) 97.
При нагреве воды в рубашке(ах) охлаждения до критического состояния ее движут по спиральной(ым) трубке(ам) 99 (фиг.7), залитой(ым) в теле блока цилиндра(ов) 98 вокруг цилиндра(ов) 100, под давлением, равным критическому (Ркр=22,13 МПа) или выше. В этом случае, температуру нагреваемой воды целесообразно тоже повышать до критической (Ткр=374,15°С), так как с увеличением давления и температуры воды до критического состояния резко растут ее теплоемкость и теплосодержание. Воду для нагрева подводят в нижний(е) виток(и) спиральной(ых) трубки(ок) цилиндра(ов) по трубопроводу(ам) 101, а отводят ее из верхнего(их) витка(ов) трубки(ок) по трубопроводу(ам) 102 в крышку(и) (головку(и)) цилиндра(ов).
При нагреве воды в рубашке(ах) охлаждения до критического состояния в двигателях, содержащих по одному впускному и выпускному клапану на цилиндр, воду подают по трубкам подводящим общим 112 (фиг.8) и соединительным 114, 115 и 116, а также 120 и 121 под давлением, равным критическому (Ркр=22,13 МПа) и выше, в кольцевые трубки 103, 104 и 108, а также в охватывающие трубки 109 и 110, залитые вокруг гнезд впускного(ых) и выпускного(ых) клапанов и форсунки(ок) 106, 107 и 108, а также вокруг стенок 111 (фиг.9а) впускного(ых) и выпускного(ых) каналов соответственно. Отводят воду от кольцевых трубок 103, 104 и 108, а также охватывающих 109 и 110 по отводящим соединительным трубкам 117, 118 и 119, а также 122 и 123 и общему отводящему 113 в аккумулятор пара. Количество проходящей воды по этим трубкам регулируют так, чтобы давление и температура воды приближались к критическим значениям (Ркр=22.13 МПа и Ткр=374,15°С), а надежность работы крышки не снижалась.
В двигателях с двумя впускными и выпускными клапанами на цилиндр воду подают в крышку(и) цилиндра(ов) по трубкам подводящему(им) общему(им) 152 (фиг.10 и фиг.9б), распределительному(ым) 154, охватывающим 140, распределительному(ым) 145 и соединительным 146 и 147 (фиг.10) в кольцевые трубки 132, 133 и 136 вокруг гнезд выпускных клапанов 134, 135 и форсунки 137, затем эту воду направляют по соединительным трубкам 143 и 144 в кольцевые трубки 128 и 129 вокруг гнезд впускных клапанов 130 и 131, отводят воду от кольцевых трубок 128, 129 и 136 через соединительные трубки 150, 151 в приемную(ые) трубку(и) 149, а из него(них) в общую(ие) отводящую(ие) трубку (и) 153 через охватывающие и приемную(ые) трубки 138 и 155. Вода в охватывающие трубки 139 впускного(ых) канала(ов) поступает из распределительной(ых) трубки(ок) 145 через охватывающие трубки выпускного канала 141 и соединительную(ые) трубку(и) 156 (фиг.9б и фиг.10). Количество проходящего теплоносителя по трубкам крышки регулируют так, чтобы давление и температура воды приближались к критическим значениям (Ркр=22.13 МПа и Ткр=374,15°С), а надежность работы крышки не снижалась.
Преимущества разработанных способа работы и устройства парогенератора поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем: уменьшаются непроизводительные теплопотери с выпускными газами и в систему охлаждения и используется теплота, которая выделяется при трении поршня(ей) о цилиндр(ы); разработанная конструкция парогенератора укладывается в размеры выпускного(ых) коллектора(ов) и газопровода(ов); производится высокопотенциальный пар с параметрами, приближающимися к критическим или равным им (Ркр=22,13 МПа и Ткр=374,15°С), энергия которого может быть эффективно превращена в работу; упрощается конструкция системы охлаждения двигателя.
Изобретение относится к области машиностроения и позволяет повысить эффективность утилизации энергии выпускных газов двигателя внутреннего сгорания и теплоты, передаваемой от продуктов сгорания теплоносителю через охлаждаемые стенки, а также выделяющейся при трении поршней о цилиндры. Парогенератор содержит экономайзер и испаритель в выпускном тракте, питательный насос между конденсатором и экономайзером, пароперегреватели в выпускных патрубках, подключенные к испарителю и аккумулятору пара паропроводами. При этом соединены последовательно экономайзер с испарителем водопроводом, а испаритель с пароперегревателями паропроводами, на этом водопроводе установлен регулятор температуры пара в пароперегревателях по температуре пара в аккумуляторе или газов за экономайзером, рубашка охлаждения соединена водопроводами подводящим - с экономайзером, а отводящим - с аккумулятором пара, на котором установлен регулятор давления воды в рубашке по давлению пара в аккумуляторе или температуре деталей камеры сгорания, определяющей надежность двигателя. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 10 ил.
| КВАСНИКОВ А.В | |||
| Малые турбины комбинированных авиадвигателей | |||
| – М.: Оборонгиз, 1953, с | |||
| ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТЕРМИОННАЯ ЛАМПА | 1920 |
|
SU294A1 |
