РОТОРНЫЙ ПАРОГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК F02B53/00 F01C21/00 F01C11/00 

Изобретение относится к энергетике, в частности к силовым установкам, преимущественно для привода электрогенераторов, а также для привода различных машин и механизмов, установленных в непосредственной близости от источника воды.

Известен парогазовый двигатель, предназначенный для установки на торпеды (http://weapons-world.ru/books/item/f00/s00/z0000011/st004.shtml), содержащий водоохлаждаемый корпус, распылительно-зажигательное устройство, камеру сгорания и камеру смешения продуктов сгорания с водой. Парогазогенератор работает на жидком топливе, а именно на керосине, который сгорает в атмосфере сжатого воздуха. Сжатый воздух предварительно подогревается. Паровая машина (пневмодвигатель) здесь поршневая, двойного действия.

Недостатком такого двигателя является то, что он должен работать на воде, очищенной от растворенных солей. Потому что в случае использования неочищенной воды накипь, полученная в камере смешения, будет оседать в виде твердых абразивных частиц на масляной пленке на зеркале цилиндров, и оказывать негативное воздействие на трущиеся детали, вызывая интенсивный износ.

Известен также парогазовый двигатель (Патент РФ №2016211, 15.07.1994, F01K 21/04), содержащий котел, камеру сгорания, размещенную в котле, роторный компрессор и роторный двигатель (пневмодвигатель), соединенные с помощью ременной передачи. При этом котел соединен с двигателем магистралью для подвода парогазовой смеси, а компрессор с котлом магистралью для подвода сжатого воздуха. Внутри камеры сгорания установлены форсунка и электрод. После роторного двигателя отработанный парогаз подводится к радиатору, а от него к холодильнику. После конденсации паров вода из холодильника возвращается в котел, а газ выходит в окружающую среду.

В двигателе не вся вода после конденсации возвращается в котел: часть воды в виде пара уносится с выхлопными газами. Поэтому необходимо добавлять воду, обязательно очищенную от растворенных солей. Накипь здесь негативно влияет как на теплообмен, так и на износ деталей. Таким образом, недостатком такого двигателя является то, что он должен работать на воде, очищенной от растворенных солей во избежание отложения накипи на внутренних поверхностях котла.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является парогазовый двигатель (Патент US 5537974, 15.04.2001, F01C-011/00* F01C-021/06 F01C-021/18 F02B-053/00 F02G-003/00), содержащий камеру сгорания, роторные компрессор и детандер (пневмодвигатель), установленные на одном валу с шипованными лопастями. Компрессор выдает сжатый воздух в камеру сгорания, которая обеспечивает непрерывное горение смеси горючих газов. Детандер (пневмодвигатель) расширяет рабочий газ и совершает работу по вращению выходного вала двигателя. Система двигателя включает в себя канал для потока расширительной жидкости (воды), имеющий входное отверстие, в которой подается расширительная жидкость, и выходное отверстие, соединенное для объединения расширительной жидкости с газообразными продуктами сгорания в качестве расширяемого рабочего газа.

Путь потока расширяющейся жидкости находится в тепловом сообщении с корпусом расширителя, так что происходит передача тепловой энергии от корпуса к расширяющейся жидкости, тем самым увеличивая тепловую энергию расширяющейся жидкости, которая подается во входное отверстие и выводится из выходного отверстия для объединения с газом сгорания. Подсистема конденсации расширяющейся жидкости, соединенная по текучей среде с выпускным коллектором, включает в себя теплообменник и аккумулятор конденсата. Расширительная жидкость (вода), собранная в аккумуляторе конденсата, возвращается в расширитель.

В этом двигателе часть воды возвращается в работу в виде конденсата, но это не больше половины воды в исходном состоянии. Вторую половину нужно добавлять, причем эта вода должна быть очищена от растворенных в ней солей. Здесь накипь также негативно влияет как на теплообмен, так и на износ деталей. Таким образом, недостатком такого двигателя является то, что он должен работать на воде, очищенной от растворенных солей во избежание отложений накипи на внутренних поверхностях двигателя.

Задача изобретения - создание многотопливного роторного парогазового двигателя, работающего на неочищенной от растворенных солей воде без образования накипи и на любом нефтяном топливе и отходах нефтепереработки, включая сырую нефть и отработанные масла, без образования отложений на внутренних рабочих поверхностях, и при этом производящего самостоятельно требуемую для сжигания указанного топлива с эффектом паровой газификации углерода дистиллированную воду.

Получаемый технический результат:

1. увеличение ресурса работы парогазового двигателя за счет исключения образования накипи и уменьшения образования отложений на внутренних рабочих поверхностях;

2. универсальность по используемому топливу без уменьшения КПД по сравнению с другими типами двигателей внутреннего и внешнего сгорания и без негативного влияния на окружающую среду.

Предложен роторный парогазовый двигатель, который содержит функционально объединенные между собой:

1. парогазогенератор трехступенчатого горения,

2. роторную машину с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре,

3. пневмодвигатель, состоящий из двух функционально соединенных между собой роторных машин, где со стороны лопастей установлены коллекторы входа и выхода, причем выход из парогазогенератора соединен с крышкой коллектора входа, а на другой крышке этого коллектора установлен трубопровод с термостойким шаровым краном, предназначенным для пуска двигателя,

4. блок водоподготовки, который содержит два основных элемента, рекуператор и конденсатор, причем производительность конденсатора в 10 раз меньше, чем рекуператора.

Согласно изобретению, парогазогенератор трехступенчатого горения содержит распылительно-зажигательное устройство, камеру паровой газификации, в цилиндрическом корпусе которой на наружной цилиндрической поверхности трех внутренних труб выполнены спиральные каналы, камеру сжигания полученного водяного газа и камеру смешения распыленной балластной воды и раскаленных газов.

Согласно изобретению, роторная машина содержит корпус, цилиндр, две боковые крышки, коаксиальные валы, два ротора, секторные лопасти, закрепленные по одной на каждом роторе и размещенные в цилиндре с образованием кольцеобразной рабочей камеры, а также содержит механизм преобразования движения роторов, предназначенный для перевода равномерного вращения выходного вала в неравномерное вращение роторов с лопастями.

Согласно изобретению, роторы роторной машины выполнены из двух деталей, стального основания и пустотелой алюминиевой крышки с противовесом, а лопасти выполнены пустотелыми из алюминиевого сплава.

Согласно изобретению, пневмодвигатель состоит из двух роторных машин, соединенных между собой со стороны ведущих валов механизмом зубчатой передачи, а со стороны цилиндров двумя коллекторами, где механизм зубчатой передачи состоит из корпуса, установленного в него вала отбора мощности, с посаженным на него зубчатым колесом и входящих в зацепление с ним шестерней, насаженных на ведущие валы обеих роторных машин,

при этом ведущие валы повернуты относительно друг друга так, что окно входа рабочего тела в цилиндр одной роторной машины полностью закрыто, а окно входа рабочего тела в цилиндр другой роторной машины полностью открыто, причем окна входа и выхода объединены коллекторами входа и выхода.

Согласно изобретению, блок водоподготовки дополнительно содержит насос подачи балластной воды в рекуператор, фильтр очистки подаваемой насосом балластной воды, насос подачи балластной воды для охлаждения конденсатора, насос подачи конденсата в парогазогенератор, фильтр очистки конденсата, подаваемого в парогазогенератор, насос высокого давления подачи подогретой в рекуператоре балластной воды в распылительные форсунки камеры парогенерации, парогазогенератора трехступенчатого горения.

На Фиг. 1 схематично изображен парогазовый двигатель, где: 1 - парогазогенератор трехступенчатого горения; 2 -роторная машина; 3 - пневмодвигатель; 4 - блок водоподготовки; 5 - рекуператор; 6 - конденсатор; 7 - стапель; 8 - трубопровод; 9 - коллектор впуска паровой машины; 10 - клиноременной передачей; 11 - валу отбора мощности; 12 - насос подачи балластной воды в рекуператор; 13 - насос подачи балластной воды для охлаждения конденсатора; 14 - фильтр очистки подаваемой насосом балластной воды; 15 - насос подачи конденсата в парогазогенератор; 16 - фильтр очистки конденсата, подаваемого в парогазогенератор; 17 - насос высокого давления; 18 - распылительные форсунки; 19 - фланец; 20 - патрубка коллектора впуска; 21 - коллектор выпуска; 22 - фланец; 23 - водоохлаждаемые втулки.

Таким образом, основные составляющие заявленного устройства (роторного парогазового двигателя): парогазогенератор трехступенчатого горения, роторная машина с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре, пневмодвигатель и блок водоподготовки.

Парогазогенератор трехступенчатого горения выполнен по патенту РФ №2795361 на изобретение «Парогазогенератор». Парогазогенератор трехступенчатого горения содержит распылительно-зажигательное устройство, камеру паровой газификации, камеру сжигания полученного водяного газа и камеру смешения распыленной балластной воды и раскаленных газов. Охлаждаемый корпус камеры паровой газификации представляет собой четыре цилиндрические трубы, напрессованные друг на друга, на наружной цилиндрической поверхности трех внутренних труб выполнены спиральные каналы, в которых производится перегретый водяной пар и нагревается воздух, которые начинаются и заканчиваются кольцевыми каналами. С обоих торцов корпуса установлены крышки, левая и правая, с вмонтированными в них с внутренней стороны завихрительными форсунками, в левую крышку установлено распылительно-зажигательное устройство, а с обеих сторон правой крышки установлены стенки, левая и правая, с отверстиями по центру, где в левой стенке отверстие с диаметром меньшим, чем в правой стенке. Перегретый водяной пар осуществляет распыл жидкого топлива в распылительно-зажигательном устройстве, а также вихревую закрутку горящего сажного пламени в камере паровой газификации. Разогретый воздух производит сжигание водяного газа в камере сжигания. Камера смешения продуктов горения и балластной воды присоединена к правой крышке, в цилиндрический корпус которой вмонтированы водяные форсунки для подачи распыленной балластной воды. В камере смешения производится распыл балластной воды в поток раскаленных газов. Полученный парогаз истекает из сопла камеры смешения.

Роторная машина с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре выполнена по патенту РФ №2804175 на изобретение «Роторная машина». Роторная машина содержит корпус, цилиндр, две боковые крышки, коаксиальные валы, два ротора, механизм преобразования движения роторов. Роторы жестко закрепленные на коаксиальных валах и включают секторные лопасти, жестко закрепленные по одной на каждом роторе и размещенные в цилиндре с образованием кольцеобразной рабочей камеры. Каждый ротор выполнен из отдельных от коаксиальных валов стального основания и пустотелой алюминиевой крышки с противовесом, а лопасти выполнены пустотелыми из алюминиевого сплава. Основание представляет собой тонкостенный диск, выполненный заодно с односторонней втулкой и ребром жесткости, расположенным со стороны односторонней втулки вблизи внешнего диаметра диска. Крышка ротора выполнена заодно с противовесом для уравновешивания массы лопасти и установлена на основании со стороны односторонней втулки и ребра жесткости, а лопасть установлена с другой стороны основания. Основание, крышка с противовесом и лопасть соединены между собой винтами. Механизм преобразования движения роторов, предназначенный для перевода равномерного вращения выходного вала в неравномерное вращение роторов с лопастями, который представляет собой ведущий вал, расположенный эксцентрично с коаксиальными валами, ведущее звено, жестко посаженное на вал, два одноплечих рычага, жестко закрепленных по одному на коаксиальных валах и шарнирно соединенных при помощи тяг с ведущим звеном посредством шарнирных подшипников, установленных на ведущем звене в диаметрально противоположных местах и на одноплечих рычагах.

Пневмодвигатель выполнен по патенту РФ №2812717 на изобретение «Паровая роторная машина», которая состоит из двух роторных машин, выполненных по патенту РФ №2804175, соединенных между собой со стороны ведущих валов механизмом зубчатой передачи, а со стороны цилиндров двумя коллекторами, где механизм зубчатой передачи состоит из корпуса, установленного в него вала отбора мощности, с посаженным на него зубчатым колесом и входящих в зацепление с ним шестерней, насаженных на ведущие валы обеих роторных машин.

Кроме того, ведущие валы повернуты относительно друг друга так, что окно входа рабочего тела в цилиндр одной роторной машины полностью закрыто, а окно входа рабочего тела в цилиндр другой роторной машины полностью открыто.

Кроме того, окна входа рабочего тела и выхода отработанного рабочего тела выполнены в цилиндрах обеих роторных машин симметрично относительно вертикальной оси, проходящей через центры вращения лопастей и ведущего звена, и соединены трубопроводами с коллекторами, что позволяет устройству работать из любого углового положения роторов. При этом окна входа рабочего тела в цилиндры обеих роторных машин соединены с одним из коллекторов, а окна выхода отработанного рабочего тела из цилиндров обеих роторных машин соединены с другим коллектором.

Парогазогенератор трехступенчатого горения 1 соединен трубопроводом 8 с коллектором входа 9 пневмодвигателя 3. Пневмодвигатель 3 и роторная машина 2 установлены на стапеле 7. Роторная машина 2 соединена с пневмодвигателем 3 клиноременной передачей 10. К валу отбора мощности 11 может быть присоединен электрогенератор, либо любая другая машина или механизм.

Блок водоподготовки 4, обеспечивающий работу двигателя на неочищенной от солей балластной воде, содержит рекуператор 5 и конденсатор 6, насос 12 подачи балластной воды в рекуператор и насос 13 подачи балластной воды для охлаждения конденсатора, фильтра 14 очистки подаваемой насосом балластной воды, насос 15 подачи конденсата через фильтр 16 в парогазогенератор 1. Кроме того блок водоподготовки содержит насос 17 высокого давления для подачи подогретой в рекуператоре 5 балластной воды в распылительные форсунки 18 камеры парогенерации парогазогенератора трехступенчатого горения 1.

Производительность конденсатора в 10 раз меньше, чем рекуператора, причем для работы устройства достаточно произвести дистиллированной воды не более 10 % от всей массы паров воды, содержащихся в выхлопных газах, для процесса горения в парогазогенераторе нефтяного топливного сырья с эффектом паровой газификации углерода.

Устройство работает следующим образом.

Для пуска устройства используют газовое топливо и сжатый воздух от отдельного ресивера (на фигуре не показан). Парогазогенератор разогревается газом до нужной температуры корпуса. В это время балластную воду не подают. Полученные дымовые газы выпускают из термостойкого шарового крана (на фигуре не показан), установленного на фланце 19 патрубка 20 коллектора впуска 9. После достижения заданной температуры корпуса парогазогенератора 1, шаровый кран закрывают и двигатель начинает работать в штатном режиме. Задавать вращательный импульс не нужно. Пройдя рабочие камеры двигателя, парогаз выпускается из коллектора выпуска 21 и далее движется через соединение (на фигуре не показано), закрепленное на фланце 22. Далее отработанный парогаз движется по трубопроводу на вход рекуператора 5. В рекуператоре 5 навстречу парогазу движется балластная вода (в разных оболочках). Балластная вода забирается, например, из водоема насосом 12 и, пройдя через фильтр 14, проходит через рекуператор 5, отнимая тепловую энергию у отработанного парогаза. Далее подогретая до 80°С балластная вода подается насосом 17 высокого давления (~ 100 кг/см²) на распылительные водяные форсунки 18, установленные в водоохлаждаемые втулки 23.

Распыленная в высокотемпературный газовый поток балластная вода не откладывает накипи на внутренних стенках. Микрочастицы сухих нерастворимых в воде солей свободно проходят через рабочие камеры двигателя, поскольку уплотнения здесь бесконтактные. Небольшая доля твердых частиц в конденсате, который используется для горения в парогазогенераторе, тоже не задерживается внутри него.

Внутренний диаметр распылительных паровых форсунок - 0,6 мм, а размер частиц солей 1-3 мкм. На водяных распылительных форсунках накипь не откладывается, потому что водоохлаждаемые втулки не позволяют разогреться этим форсункам выше 80°С.

Конденсатор 6 охлаждается балластной водой от отдельного насоса 13. Конденсатор 6 конденсирует не более 10 % от всей массы воды, содержащейся в парах отработанного парогаза. Полученная таким образом вода очищена от примесей. Этого количества достаточно для работы распылительно-зажигательного устройства парогазогенератора с эффектом паровой газификации углерода, что дает двигателю возможность работать на любом нефтяном сырье. Такая величина получена методом оценки. Вода улучшает процесс горения топлива, снижая температуру в камере сгорания. Улучшенный процесс горения увеличивает полноту сгорания топлива, а снижение температуры горения в камере сгорания позволяет использовать менее термостойкие (а значит более дешевые) материалы.

КПД парогазовых двигателей сравним с другими типами двигателей внутреннего и внешнего сгорания, при этом настоящее изобретение, в отличие от аналогов, многотопливный роторный парогазовый двигатель, в нем сжигание горючего вещества осуществляется с эффектом паровой газификации углерода, что позволяет сжигать любое нефтяное топливо и отходы нефтепереработки, включая сырую нефть и отработанные масла. Многотопливность двигателю позволяет осуществить вода. В отличие от аналогов, где необходима дистиллированная вода, в изобретении возможно использовать неподготовленную воду из открытого водоема, так как дистиллированную воду двигатель производит сам. Использование балластной (неочищенной от растворенных в ней солей) воды решает проблему стационарных двигателей, приводящих в действие электрогенераторы, а также различные машины и механизмы, установленные в непосредственной близости от источника воды. А также проблему мобильных двигателей для привода маломерного речного транспорта.

В двигателе все блоки функционально дополняют друг друга и создают условия для использования неочищенной от солей балластной воды, а содержащиеся соли после испарения в парогазогенераторе не оказывают негативного влияния как на работу роторной паровой машины, так и на работу горелочного устройства парогазогенератора.

Изобретение относится к энергетике, в частности к силовым установкам. Роторный парогазовый двигатель содержит функционально объединённые между собой парогазогенератор (1) трёхступенчатого горения, роторную машину (2) с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре. Пневмодвигатель (3) состоит из двух функционально соединённых между собой роторных машин с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре, где со стороны лопастей установлены коллекторы входа (20) и выхода (21). Выход из парогазогенератора (1) соединён с крышкой коллектора (20) входа, а на другой крышке этого коллектора (20) установлен трубопровод с термостойким шаровым краном, предназначенным для пуска двигателя. Блок (4) водоподготовки содержит два основных элемента - рекуператор (5) и конденсатор (6). Производительность конденсатора (6) в 10 раз меньше, чем рекуператора (5). Технический результат заключается в увеличении ресурса работы парогазового двигателя за счет исключения образования накипи и уменьшения образования отложений на внутренних рабочих поверхностях и в универсальности по используемому топливу без уменьшения КПД по сравнению с другими типами двигателей внутреннего и внешнего сгорания и без негативного влияния на окружающую среду. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Роторный парогазовый двигатель, характеризующийся тем, что роторный парогазовый двигатель содержит функционально объединённые между собой парогазогенератор трёхступенчатого горения, роторную машину с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре, пневмодвигатель, состоящий из двух функционально соединённых между собой роторных машин с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре, где со стороны лопастей установлены коллекторы входа и выхода, причём выход из парогазогенератора соединён с крышкой коллектора входа, а на другой крышке этого коллектора установлен трубопровод с термостойким шаровым краном, предназначенным для пуска двигателя, блок водоподготовки, который содержит два основных элемента, рекуператор и конденсатор, причём производительность конденсатора в 10 раз меньше, чем рекуператора.

2. Роторный парогазовый двигатель по п.1, отличающийся тем, что парогазогенератор трёхступенчатого горения содержит распылительно-зажигательное устройство, камеру паровой газификации, в цилиндрическом корпусе которой на наружной цилиндрической поверхности трёх внутренних труб выполнены спиральные каналы, камеру сжигания полученного водяного газа и камеру смешения распылённой балластной воды и раскалённых газов.

3. Роторный парогазовый двигатель по п.1, отличающийся тем, что роторная машина содержит корпус, цилиндр, две боковые крышки, коаксиальные валы, два ротора, секторные лопасти, закреплённые по одной на каждом роторе и размещённые в цилиндре с образованием кольцеобразной рабочей камеры, а также содержит механизм преобразования движения роторов, предназначенный для перевода равномерного вращения выходного вала в неравномерное вращение роторов с лопастями.

4. Роторный парогазовый двигатель по п.3, отличающийся тем, что роторы роторной машины выполнены из двух деталей, стального основания и пустотелой алюминиевой крышки с противовесом.

5. Роторный парогазовый двигатель по п.3, отличающийся тем, что лопасти роторной машины выполнены пустотелыми из алюминиевого сплава.

6. Роторный парогазовый двигатель по п.1, отличающийся тем, что пневмодвигатель состоит из двух роторных машин с двумя секторными лопастями в рабочем цилиндре, соединённых между собой со стороны ведущих валов механизмом зубчатой передачи, а со стороны цилиндров двумя коллекторами, где механизм зубчатой передачи состоит из корпуса, установленного в него вала отбора мощности, с посаженным на него зубчатым колесом и входящих в зацепление с ним шестерней, насаженных на ведущие валы обеих роторных машин, при этом ведущие валы повёрнуты относительно друг друга так, что окно входа рабочего тела в цилиндр одной роторной машины полностью закрыто, а окно входа рабочего тела в цилиндр другой роторной машины полностью открыто, причём окна входа и выхода объединены коллекторами входа и выхода.

7. Роторный парогазовый двигатель по п.1, отличающийся тем, что блок водоподготовки дополнительно содержит насос подачи балластной воды в рекуператор, фильтр очистки подаваемой насосом балластной воды, насос подачи балластной воды для охлаждения конденсатора, насос подачи конденсата в парогазогенератор, фильтр очистки конденсата, подаваемого в парогазогенератор, насос высокого давления подачи подогретой в рекуператоре балластной воды в распылительные форсунки камеры парогенерации парогазогенератора трёхступенчатого горения.