ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЛАВРЕНТЬЕВА Российский патент 2020 года по МПК F01B29/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[001] Данное техническое решение, в общем, относится к области тепловых двигателей, а в частности к двигателям внешнего сгорания.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[002] Исторически изобретенный тепловой двигатель или двигатель внешнего сгорания известен как двигатель Стерлинга. Это поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением, который использует тот факт, что газы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, превращая тепло в кинетическую энергию. В этой конструкции используется внешний источник тепла, который нагревает и расширяет воздух внутри таким образом, что толкает силовой поршень, который включает один коленчатый вал с поршнем компрессора, который выталкивает горячий воздух на холодную сторону, снова охлаждая его и толкая его назад к горячей стороне двигателя.

[003] Данный тип двигателя невероятно прост и зачастую более эффективен, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Однако он все еще является неэффективным поршневым двигателем. При более высокой скорости необходимо преодолеть большое изменение сил инерции из-за наличия возвратно-поступательных масс, причем при увеличении скорости работы трение возрастает, поскольку поршневые кольца с большей скоростью протирают стенки цилиндров. Это проблематично, поскольку эффективность двигателей, работающих на принципе разницы температур, зависит от скорости рассеивания тепла. Поэтому там, где двигатель наиболее эффективен (при высоких оборотах), эти недостатки наблюдаются чаще всего.

[004] Другая проблема с двигателем Стерлинга заключается в том, что тепло, которое двигатель превращается в кинетическую энергию, может проходить только через корпус двигателя. А поскольку тепло находится за пределами двигателя, трудно сфокусировать тепло на поверхности на корпусе двигателя, и большая часть его теряется в окружающей среде.

[005] Из уровня техники известен двухконтурный турбореактивный двигатель, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор с отбором воздуха для охлаждения турбины привода вентилятора и компрессора, камера сгорания, турбина привода вентилятора и компрессора, выходное устройство внутреннего контура; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник, внутри которого циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора, и воздух, поступающий из теплообменника, выходное устройство внешнего контура (патент RU 2617026 С1, 2017).

[006] Известны газотурбинные двигатели, в которых используется свободная турбина (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.4).

[007] Известны газотурбинные двигатели, у которых за турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. 2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).

[008] Известны газотурбинные двигатели с регенерацией тепла (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.3).

[009] Основным недостатком данных технических решений является низкая скорость превращения тепловой энергии в полезную механическую работу, которую решает заявляемое техническое решение.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.

[0011]Технической задачей или проблемой, решаемой в данном техническом решении, является создание двигателя, работающего по принципу разницы температур, в форме конфигурации вращающегося вентилятора / турбины, чтобы избавиться от проблем использования поршневого двигателя с возвратно-поступательным движением при больших скоростях вращения, а также имеющего теплообменный процесс в двигателе внутри, а не на его поверхности.

[0012] Техническим результатом, достигающимся при решении вышеуказанной технической проблемы или задачи, является повышение скорости превращения тепловой энергии в полезную механическую работу с минимальными потерями тепла / энергии.

[0013] Указанный технический результат достигается благодаря осуществлению газотурбинного двигателя Лаврентьева, который содержит в своем корпусе по меньшей мере, один приточный вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель; по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора; по меньшей мере, один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения.

[0014] В некоторых вариантах реализации технического решения двигатель содержит уменьшающийся внутренний объем после силовой турбины, который действует как выпускное сопло.

[0015] В некоторых вариантах реализации технического решения теплопроводный материалы выполнен из алюминия или его сплава.

[0016] В некоторых вариантах реализации технического решения приточный вентилятор содержит внутри подшипники.

[0017] В некоторых вариантах реализации технического решения в теплообменник поступают выхлопные газы и/или жидкость радиатора автотранспортного средства.

[0018] В некоторых вариантах реализации технического решения давление приточного вентилятора ниже, чем давление на турбине двигателя.

[0019] В некоторых вариантах реализации технического решения теплообменник является полым и проводящим.

[0020] В некоторых вариантах реализации технического решения теплообменник имеет полую обтекаемую форму.

[0021] В некоторых вариантах реализации технического решения крылья турбины связаны с крыльями приточного вентилятора посредством единого вала.

[0022] В некоторых вариантах реализации технического решения к турбине подключен генератор, а к приточному вентилятору холодного воздуха подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом.

[0023] В некоторых вариантах реализации технического решения площадь поверхности теплообменника увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.

[0024] В некоторых вариантах реализации технического решения угол лопастей приточного вентилятора меньше угла лопастей турбины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0025] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:

[0026] На Фиг. 1 показан схематичный пример реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (общий вид на 3/4).

[0027] На Фиг. 2 показаны схематичные примеры реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (два вида формы двигателя), в котором показано через теплообменник проходит воздух.

[0028] На Фиг. 3 показан схематичный пример реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (вид сбоку).

ПОДРОБНОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0029] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании технического решения.

[0030] Тепловой двигатель - любой двигатель, который превращает тепловую энергию (обычно сжигаемого топлива) в полезную механическую энергию.

[0031] Теплообменник - аппарат для передачи теплоты от среды с более высокой температурой (греющее тело теплоноситель) к среде с более низкой температурой (нагреваемое тело).

[0032] Аэродинамический профиль - форма поперечного сечения крыла, лопасти (пропеллера, ротора или турбины), паруса или другой гидроаэродинамической конструкции.

[0033] Силовая турбина (СТ) - соединенная с коленчатым валом двигателя газовая турбина.

[0034] Статор (англ. stator, от лат. sto - стою) - неподвижная часть электрической, лопаточной и другой машины, взаимодействующая с подвижной частью - ротором.

[0035] Из-за характера охлаждения двигателя в него можно включить любой радиатор, конденсатор или любой другой теплообменник 110, как показано на Фиг. 1.

[0036] Например, в автомобильном радиаторе обычно добавляется вентилятор, чтобы повысить эффективность охлаждения, достаточную для двигателя. Этот вентилятор приводится в действие либо от двигателя автомобиля, либо от электричества генератора переменного тока, вырабатываемого двигателем. Таким образом, не только 100% тепловой энергии от радиатора тратится впустую, дополнительная входная энергия также используется для перехода этой тепловой энергии в атмосферу. Данное же техническое решение уменьшает или вообще исключает потребность в любой потребляемой энергии, необходимой для охлаждения, а также извлекает механическую работу из существующей энергии отходящего тепла.

[0037]Аналогично горячие выхлопные газы, например, двигателя внутреннего сгорания, могут направляться через теплообменник 110 в двигатель 100 Лаврентьева и тем самым превращаться в полезную работу. Это устройство дает возможность превращать поступающее тепло в крутящий момент/движение.

[0038] С точки зрения фундаментальной физики данное техническое решение 100 может быть реализовано в замкнутой системе: камера, например, в форме конуса, хотя не ограничиваясь формой, заполненная воздухом, в которой все стенки конуса выполнены из прочного материала, например, из стали, кроме его полого основания, в котором располагается свободно вращающийся вентилятор / турбина.

[0039] Если в конус будет добавлен источник тепла для нагрева внутреннего воздуха, объем этого воздуха должен увеличиться. В качестве источника тепла могут использоваться, не ограничиваясь, выхлопные газы или радиатор автотранспортного средства, жидкость, охлаждающий или компьютерный сервер, причем источник тепла поступает в теплообменник 110 через полые трубы 110.1. В некоторых вариантах реализации один из теплоносителей протекает по трубам, а другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Наиболее распространенный способ размещения труб в трубных решетках - по вершинам правильных шестиугольников. Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник является одноходовым, т.е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой - по межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, в данном техническом решении могут использовать многоходовый теплообменник. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое. Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.

[0040] В некоторых вариантах реализации теплообменник может быть теплообменником с плавающей головкой, элементным теплообменником, двухтрубным теплообменником, змеевиковым теплообменником, пластинчатым теплообменником и т.д., не ограничиваясь.

[0041] Применяются и другие способы размещения труб. В данном техническом решении важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в устройстве. В некоторых вариантах реализации полые трубы, по которым протекает теплоноситель, выполнены в форме аэродинамического крыла (или другого аэродинамического обтекаемого профиля) таким образом, чтобы поток воздуха или газа, двигающийся от приточного вентилятора 120 через теплообменник к силовой турбине не образовывал вихрей.

[0042] В результате этого появляется давление на стенки устройства 100 и вентилятор/турбину 130, заставляя их вращаться. В некоторых вариантах реализации камера может быть выполнена не в форме конуса, а другой формы, не ограничиваясь, однако в форме конуса техническое решение работает эффективнее. Дополнительно стоит отметить, что камера может быть заполнена в некоторых вариантах реализации любым другим газом, например, дымом и т.п., не ограничиваясь.

[0043] Для того чтобы этот процесс был непрерывным, а не единичным событием, необходимо впускное отверстие для подачи свежего холодного воздуха в эту систему, и необходим постоянный источник тепла для расширения этого свежего воздуха через вентилятор турбины 130, которым может быть приточный вентилятор 120. В некоторых вариантах реализации приточный вентилятор 120 может внутри содержать подшипники.

[0044] Ниже будет подробно раскрыта передняя секция (фронтальная часть двигателя), показанная на Фиг. 1 как секция А.

[0045] Приточный вентилятор 120, состоящий из вращающихся лопастей 120.1 в передней части двигателя А на впуске, подает холодный воздух (который должен быть холоднее жидкости радиатора) во фронтальную часть двигателя А. В некоторых вариантах реализации приточный вентилятор может иметь водяной или электрический калорифер для нагревания, в случае необходимости. Также в некоторых вариантах реализации приточный вентилятор 120 состоит из устройств подачи воздуха; фильтров очищающих воздух; охладителя (фреоновый или водяной); нагревателя (гликолевый, водяной, электрический), воздухоприемного устройства; система автоматики (реле, датчики); звукоизоляционных материалов; корпуса; камеры увлажнения (при необходимости).

[0046] Передняя секция А, как показано на Фиг. 1, имеет уменьшенный внутренний объем в поперечном сечении. При этом задняя секция В технического решения определяется как часть двигателя, из которой выходит воздух, причем уже нагретый и прошедший через теплообменник 110. Давление приточного вентилятора 120 ниже, чем давление на турбине 130 двигателя. Этого можно добиться, например, если угол лопастей приточного вентилятора 120 меньше угла лопастей турбины 130.

[0047] Поскольку воздух течет из большого объема поперечного сечения в небольшой объем поперечного сечения, его скорость увеличивается в соответствии с принципом Бернулли. Это отрицательно сказывается на эффективности двигателя: так как между поверхностями теплообменника находится место, как показано на Фиг. 2, где сопротивление пограничного слоя является максимальным, и поступающий холодный воздух должен оставаться в контакте с горячей поверхностью теплообменника 110 как можно дольше, чтобы эффективно проводить тепло в t, т.е. чтобы максимальное количество тепла прошло через турбину. Пограничный слой становится больше при повышении объема воздуха.

[0048] Решением этой проблемы является осуществление внутренней площади поперечного сечения между плоскостями с полым проводящим теплообменником 110, где появляется эффект диффузии, который замедляет и распрямляет воздух и помогает ему оставаться в контакте с горячими проводящими поверхностями теплообменника 110 дольше, чтобы улучшить объемный КПД двигателя 100.

[0049] Ниже будет подробно раскрыт теплообменник 110.

[0050] Реализованная обтекаемая форма теплообменника 110 помогает уменьшить след в потоке, когда холодный воздух проходит через него, и, следовательно, повышает аэродинамическую эффективность, а также исключает возможные вихри, как показано на Фиг. 2. Аналогично, передний край аэродинамического наконечника прикреплен к передней части полых трубок 110.1 теплообменника 110, например, с помощью любой операции сочленения, такой как склейка, спайка, сварка и т.п., чтобы уменьшить сопротивление входящего воздуха.

[0051] Когда воздух проходит через теплообменник 110, внутренняя площадь поперечного сечения увеличивается, и воздух начинает диффундировать. Эта диффузия уменьшает скорость воздушного потока, которая увеличивает давление воздуха при его движении к силовой турбине 130.

[0052] Также на этой стадии воздух контактирует с поверхностями теплообменника 110, например, выполненного из алюминия, тем самым охлаждая теплообменник 110 и нагревая воздух, тем самым расширяя его объем.

[0053] Хотя на Фиг. 1 теплообменник 110 встроен в задний край лопастей 110.2, посредством операции сочленения, например, такой как склейка, спайка и т.п., причем эти лопасти 110.2 являются возможными примерами реализации. Они иллюстрируются для того, чтобы показать, что большая часть теплообмена в идеале должна происходить в средней части двигателя или за ней, причем диффузия горячего воздуха происходит только перед силовой турбиной 130. Поэтому теплообменник 130 должен находиться в задней части двигателя для большей эффективности.

[0054] Поскольку воздух до турбины 130 (в секции В) поглощает тепло из теплообменника 110, он увеличивается в объеме. Этот горячий воздух течет по движущимся крыльям 130.1 выхлопной турбины 130 и прилагает к ним силу, заставляя их двигаться / вращаться. Крылья турбины 130.1 могут быть связаны с крыльями приточного вентилятора 120 посредством единого вала. В некоторых вариантах реализации к турбине 130 может подключен генератор, а к приточному вентилятору 120 (или фену) холодного воздуха может быть подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом. Например, если приточному вентилятору 120 для работы необходимо 80 кВт, а на турбине 130 генерируется 100 кВт, то лишние 20 кВт могут идти от батареи. Таким образом, турбина 130 вращается и лопасти, еще раз подталкивая свежий холодный воздух в двигатель и повторяя процесс, т.е. система является замкнутой, потому что входит только энергия в форме тепла, а выходит только энергия в форме вращения турбины 130. Это можно сделать с помощью взаимного вала или электрической муфты между силовой турбиной 130 и приточным вентилятором 120 (или феном).

[0055] Поскольку воздух, проходящий через силовую турбину 130, добавляет к ней тепла, он больше по объему, чем воздух, всасываемый приточным вентилятором 120, в связи с чем создается больше энергии, чем используется. Это предполагает минимальные потери на трение и соответствующую геометрию крыла.

[0056] Статоры, которые удерживают задний кожух двигателя до силовой турбины 130 вокруг вала, могут иметь элероны на задней кромке. Это позволяет создать эффект сопла, чтобы ускорить и замедлить поток воздуха на турбину 130, и перенаправить поток воздуха под напряжением на турбину 130, позволяя использовать его в качестве реактивной и импульсной турбины 130 в зависимости от количества подаваемой энергии. Лопатки статора могут использоваться после приточного вентилятора 120, чтобы вентилятор 120 не мог циклонировать воздушный поток.

[0057] Для более эффективной передачи тепла воздуху площадь поверхности теплообменника может быть увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.

[0058] Чем быстрее вращаются вентиляторы двигателя (120 и 130), тем больше начинается теплообмен, что делает двигатель более эффективным, пока сопротивление аэродинамическому сопротивлению и трению не достигнет критического уровня. В таком случае энергия вращения всех масс будет больше, чем энергия проходящего воздуха, и вращение замедляется.

[0059] Также следует отметить, что передняя часть А двигателя не обязательно должна иметь форму суживающегося сопла: внутреннее поперечное сечение не обязательно должно уменьшаться. Это сделано для того, чтобы поддерживать одинаковый впускной и выпускной диаметры вентилятора 120 и турбины 130, используя эффект диффузии.

[0060] Следовательно, примерный вариант реализации двигателя состоит из: приточного вентилятора, соединенного с турбиной с теплообменником между ними, заключенные в один единый корпус.

[0061] Хотя формы лопасти обычно бывают двояковыпуклыми, было бы целесообразно, чтобы задняя кромка содержала вогнутую форму, чтобы образовался вихрь, который придает проходящему воздуху эффект завихрения. Это способствует большей передаче тепла от проводящей поверхности к проходящему воздуху и тем самым увеличивает скорость механической работы, выполняемой на единицу массы воздуха на турбине.

[0062] Форма / геометрия двигателя должны иметь форму сходящегося и расходящегося сопла. Такая форма может быть достигнута между аэродинамическими поверхностями, когда они уложены друг на друга. В качестве альтернативы, эта форма также может быть достигнута просто путем формирования внутреннего кожуха двигателя таким образом, или любой комбинации обоих. Фиг. 1 иллюстрирует использование комбинации сходящихся-расходящихся сопел и аэродинамических поверхностей, действующих в качестве аэродинамических теплообменников в средней части, идущей в обратном направлении.

[0063] Таким образом, выше было показано, что все элементы устройства находятся в конструктивной и функциональной связи.

[0064] Настоящее подробное описание составлено с приведением различных не имеющих ограничительного и исчерпывающего характера вариантов осуществления. В то же время, специалистам, имеющим средний уровень компетентности в рассматриваемой области техники, очевидно, что различные замены, модификации или сочетания любых раскрытых здесь вариантов осуществления (в том числе частично) могут быть воспроизведены в пределах объема настоящего технического решения. Таким образом, подразумевается и понимается, что настоящее описание технического решения включает дополнительные варианты осуществления, суть которых не изложена здесь в явно выраженной форме. Такие варианты осуществления могут быть получены путем, например, сочетания, модификации или преобразования каких-либо действий, компонентов, элементов, свойств, аспектов, характеристик, ограничений и пр., относящихся к приведенным здесь и не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления.

Данное изобретение представляет собой тепловой разностный двигатель, который использует внутренний теплообменник, чтобы использовать отходящую теплоту от внешнего источника тепла на входе и производить механическую работу на выходе, в отличие от обычных газотурбинных двигателей, таких как реактивные турбины, двигатели внутреннего сгорания. Газотурбинный двигатель Лаврентьева содержит в своем корпусе по меньшей мере один вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель; по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора; по меньшей мере один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения. Технический результат - повышение скорости превращения тепловой энергии в полезную механическую работу с минимальными потерями тепла/энергии. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий в своем корпусе:

по меньшей мере один приточный вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель;

по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора, причем в теплообменник осуществляется поступление жидкости радиатора автотранспортного средства;

по меньшей мере один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что содержит уменьшающийся внутренний объем после силовой турбины, который действует как выпускное сопло.

3. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что теплопроводный материал выполнен из алюминия или его сплава.

4. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что приточный вентилятор содержит внутри подшипники.

5. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что диаметр приточного вентилятора больше, чем диаметр турбины двигателя.

6. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что теплообменник является полым и проводящим.

7. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что теплообменник имеет полую обтекаемую форму.

8. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что крылья турбины связаны с крыльями приточного вентилятора посредством единого вала.

9. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что к турбине подключен генератор, а к приточному вентилятору холодного воздуха подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом.

10. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что площадь поверхности теплообменника увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.

11. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что угол лопастей приточного вентилятора меньше угла лопастей турбины.