16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/teploenergetika/3/57.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 03 (03) ноябрь 2012

Тепловые двигатели ХХI века: адиабатный газопаровой турбодвигатель полного объемного расширения

Оборудование и технологии Владимир РОМАНОВ, инженер-изобретатель

Газопаровой турбодвигатель является гибридным устройством, включающим роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, к которому для обеспечения непрерывного рабочего газопарового цикла и полного расширения газопаровой смеси пристроена соответствующая расходу его рабочего тела турбина объемного расширения.

Турбодвигатель содержит два зеркально-идентичных блока кольцевых цилиндров, в каждом из которых центральный цилиндр роторно-лопастного двигателя выполнен эксцентрично, а остальные – турбинные – концентрично.

Между блоками концентрично установлен ротор. На боковых его поверхностях для эксцентричных цилиндров находятся кольцевые выступы с цилиндрическими каналами, в которых на шарнирах устанавливаются лопасти. Для концентричных кольцевых цилиндров в роторе выполнены цилиндрические выступы с перепускными каналами, аналогичные выступам ротора турбины объемного расширения.

Эксцентричный цилиндр блока сообщается перепускными каналами с кольцевой полостью-ресивером, выполняющим функцию газопарогенератора. Ресивер сообщается впускными окнами с турбинной частью турбодвигателя.

В кольцевой стенке, разделяющей эксцентричный цилиндр и ресивер, выполнена рекуператорная полость, вход которой сообщается с источником испаряющейся жидкости, а выход – с полостью по меньшей мере одного перепускного канала, сообщающего эксцентричный цилиндр с ресивером. (Рекуперация – возвращение части материала или энергии, расходуемых в технологическом процессе, для повторного использования).



Составляющие конструкции

Турбоэлектрогенератор содержит два блока кольцевых цилиндров, между которыми концентрично установлен ротор.

В каждом блоке, в центре, находится эксцентричный кольцевой цилиндр. За ним, в радиальном направлении, – кольцевой ресивер (сосуд для скапливания газа или пара). Цилиндр и ресивер сообщаются между собой перепускными каналами. В блоке созданы кольцевые выступы и между ними перепускные каналы. В ресивере также расположен экран.

В цилиндрической стенке ресивера созданы впускные окна. В торцевой стенке блоков также находятся впускные окна, канал для подачи топлива, канал для подачи воды в полость рекуператора, камера сгорания и резьбовой канал для свечи зажигания.

Ротор содержит концентричные кольцевые выступы, между которыми расположены сквозные цилиндрические каналы для шарниров. В продольных пазах шарниров установлены лопасти, подпружиненные относительно внутренней кольцевой стенки выступа пружинами (показаны частично). Лопасти перемещаются по цилиндру без контакта с внешней цилиндрической стенкой. Возможно выполнение внутренней цилиндрической стенки подвижной – в виде кольца, установленного на подшипнике качения или скольжения.

Кольцевые выступы последних ступеней ротора созданы в виде постоянных магнитов, при этом в торцевых стенках статоров, аксиально (аксиальный – осевой) магнитам ротора, установлены обмотки индуктивности, образуя два электрогенератора.

Обмотки индуктивности статора могут быть выполнены во внешней цилиндрической стенке статоров, также образуя два электрогенератора радиального типа (как вариант).

Электрогенератор может быть использован в качестве стартера турбодвигателя с питанием от аккумулятора небольшой мощности.

В цилиндрической стенке последнего цилиндра статоров находятся выпускные окна, сообщающие проточные части турбодвигателя с выпускным коллектором, и выпускные окна, сообщающие коллектор с атмосферой и сборником конденсата (на рисунке не показан).

Для многократного использования в рабочем цикле воды (конденсата) турбодвигатель содержит питательный насос, сообщающий сборник конденсата с ресивером через каналы блоков и приводимый непосредственно турбодвигателем (не показан).



Особенности расположения элементов

После сборки турбодвигателя кольцевые выступы ротора с лопастями располагаются в эксцентричных цилиндрах статоров, образуя в каждом две полости неравномерного поперечного сечения с впускными окнами – компрессорную, первую от центра, и вторую, основную, полость сжатия. Полости сообщаются между собой перепускным каналом, выполненным на внутренней торцевой стенке цилиндра.

Как и в турбине, остальные ряды кольцевых выступов ротора располагаются между рядами кольцевых выступов блоков, и, соответственно, ряды кольцевых выступов блоков располагаются между кольцевыми рядами выступов ротора. Чередуясь, они образуют ступени объемного расширения.

В блоках могут быть установлены клапаны, обеспечивающие открытие, закрытие или регулировку проходного сечения впускных окон в стенках ресивера с целью изменения режимов работы турбодвигателя или оптимизации работы его двигательной и турбинной частей.

В перепускных каналах цилиндрических выступов блоков и ротора для повышения эффективности реактивных импульсов могут быть выполнены, по меньшей мере, одна или несколько плоских тонкостенных лопаток, равномерно расположенных по их поперечному сечению и параллельно их стенкам.

Ротор турбодвигателя устанавливается в статорах на двух радиально-упорных шариковых подшипниках или, при повышенном рабочем давлении, на двух радиальных и двух упорно-осевых.

Для обеспечения работы только турбинной части двигателя от внешнего источника рабочего тела ротор может быть сделан из двух частей – двигательной и турбинной, взаимодействующих друг с другом посредством блокируемой обгонной муфты. При этом в торцевых стенках блоков создаются каналы для подачи рабочего тела в ресиверы и клапаны-задвижки, перекрывающие перепускные каналы между эксцентричными полостями блоков и ресиверами. При работе турбинной части турбодвигателя от внешнего источника рабочего тела (газа или пара) его двигательная часть остается неподвижной.

Для исключения потерь тепла в окружающую среду и обеспечения относительно нее полной адиабатности газопарового рабочего цикла вся поверхность турбоэлектрогенератора покрывается теплоизоляционным чехлом (адиабатность – термодинамический процесс, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством).



Три этапа рекуперации

В адиабатном газопаровом турбодвигателе при гибридизации газового цикла с паровым обеспечивается три этапа прямой рекуперации. Две неконтактные, с передачей тепла воде через рекуператор от топливовоздушной смеси при сжатии и избыточного тепла после воспламенения, высокотемпературного горения и частичного расширения воды для ее предварительного нагрева перед впрыском в предварительно расширившиеся газы. И контактная рекуперация – после впрыска предварительно нагретой воды в горячие газы с образованием пара за счет теплоты газов и газопаровой смеси.

При избыточном переливе воды в газы начало конденсации пара может произойти в проточной турбинной части турбодвигателя, при этом теплота конденсации пара возвращается газу, повышая его парциальное давление и работоспособность (обратная рекуперация).

На рис. 2 ротор изображен в положении заполнения рабочим телом перепускных каналов первого ряда ротора и создания во всех остальных сообщенных перепускных каналах ротора и блоков рабочих импульсов – заряды блоков толкают ротор.

На рис. 3 ротор изображен в положении создания во всех сообщенных перепускных каналах ротора и блоков рабочих импульсов – отталкивания выбрасываемыми из его перепускных каналов зарядами от блоков. В последней ступени ротора при этом осуществляется выхлоп рабочего тела из перепускных каналов последней ступени ротора через выхлопные окна в выхлопной коллектор.



Принцип работы

Работа турбодвигателя осуществляется следующим образом.

При запуске турбодвигателя в начальный период вращения ротора лопасти, проходящие мимо впускных окон компрессорной полости и полости сжатия, отсекают атмосферный воздух и начинают его сжимать в уменьшающихся межлопастных объемах. После прохождения лопастями впускного окна полости сжатия в межлопастные объемы из компрессорной полости перепускается воздух по перепускному каналу цилиндра, и непрерывно, через форсунку впрыскивается топливо.

При достижении камеры сгорания топливовоздушная смесь воспламеняется калильной свечей зажигания, установленной в резьбовом канале. При дальнейшем движении ротора осуществляется объемное бесступенчатое расширение газов с созданием вращающего момента. При достижении лопастями перепускных каналов между цилиндром и ресивером газы через них поступают в ресивер. Одновременно в газы, проходящие по этим каналам, впрыскивается нагретая вода, прошедшая предварительно по рекуператору. При этом за счет теплоты высокотемпературных газов в ресивере образуется газопаровая смесь.

Из ресивера образовавшаяся газопаровая смесь поступает через впускные окна в турбинную часть турбодвигателя, работа которой описана выше.

При пуске холодного турбодвигателя его выход на рабочий режим газового цикла от начала впуска воздуха и прохождения газов по двигательной и турбинной проточным частям до выпускных окон (выхлопа) составляет не более 2 оборотов ротора. После прогрева и поступления в газы воды турбодвигатель выходит на газопаровой режим работы с максимальной эффективностью рабочего цикла.



Количество импульсов

Общее количество рабочих импульсов турбо­двигателя за один оборот ротора будет равно произведению количества перепускных каналов в роторе на количество перепускных каналов блоков и на количество ступеней в двух блоках.

Изображенный на рисунках вариант турбо­двигателя содержит два блока с восемью перепускными каналами в каждом и ротор с восемью перепускными каналами с каждой стороны, с тремя ступенями отталкивания ротора и с тремя ступенями толкания ротора в двух блоках. Таким образом, общее количество (n) рабочих импульсов только за один оборот ротора составит:
n = 2 х 8 х 8 х 6 = 768 импульсов.

Регулировка мощности турбоэлектрогенератора, в зависимости от вырабатываемых им видов энергии, может осуществляться изменением расхода топлива и расхода воды. С обеспечением, в зависимости от теплотворной способности топлива, генерации для турбинной части газопаровой смеси с минимальной влажностью – для достижения максимальной механической и, соответственно, электрической мощностей, или с максимальным переувлажнением газопаровой смеси – для максимальной выработки тепловой энергии в виде горячего конденсата.



Синергетические эффекты

Гибридное конструктивное исполнение турбодвигателя и реализуемый им непрерывный гибридный газопаровой термодинамический цикл полного объемного расширения обеспечат несколько синергетических эффектов:

1. Снижение количества деталей: один ротор, подшипники и два статора одновременно используются для 3 двигателей: двигателя внутреннего сгорания, турбины и электрогенераторов.

2. Выступы последней ступени ротора, выполненные в виде постоянных магнитов, выполняют одновременно две функции – ступени расширения турбины, обеспечивающей создание крутящего момента и магнитов электрогенератора.

3. Резкое улучшение габаритно-массовых характеристик по сравнению с комбинированными энергетическими установками, состоящими из комбинации отдельных типов двигателей – теплового двигателя и электрогенератора или двух турбин – газовой и паровой, и отдельного парогенератора в когенерационных парогазовых установках, реализующих последовательно два разных цикла – газовый и паровой.

Реализуемый турбодвигателем адиабатный (без отвода тепла) газопаровой цикл с максимально возможным температурным диапазоном рабочего тела от Т = 3000 °С после воспламенения топливовоздушной смеси и до Т = 50‑70 °С газопаровой смеси на выхлопе обеспечит максимально возможный для тепловых двигателей термический КПД – до 98 % и эффективный – не менее 90%.



Использование давления

Генерация в гибридном газопаровом цикле дополнительного давления пара за счет не используемой в известных типах двигателей внутреннего сгорания теплоты газов и наиболее рациональное радиальное расширение рабочего тела с ростом радиуса и площади, воспринимающей давление рабочего тела, а также полное, до атмосферного, использование давления обеспечат максимально возможный эффективный КПД (не менее 90 процентов).

Это происходит с учетом того, что механические потери и связанный с ними отрицательный момент для трех двигателей (ДВС, турбина, электрогенераторы) будут иметь место только в двигательной части турбодвигателя на малых радиусах. Это подшипники ротора, стыки лопастей с вкладышами и с опорной цилиндрической поверхностью цилиндра, два стыка торцевых уплотнителей ротора с блоками и в подшипниках качения или скольжения, на которых установлен ротор турбодвигателя.

Совпадение моментных характеристик газопарового турбодвигателя и синхронно работающего с ним электрогенератора обеспечит с минимальных оборотов турбоэлектрогенератора большой крутящий момент, что, при его использовании в качестве силовой установки в транспортных средствах, исключит необходимость использования тяжелых дорогостоящих аккумуляторов.

Большой крутящий момент турбодвигателя дает эквивалентную известным тепловым двигателям мощность при значительно меньшем числе оборотов, что следует из формулы мощности.

Если известные поршневые и роторно-поршневые двигатели обеспечивают среднее эффективное давление лишь 20  процентов от начального, то турбодвигатель полного расширения обеспечит до 50 процентов, то есть в два с половиной раза больше.



От авто до вертолетов

В комбинации с многотопливным парогенератором и подачей пара в турбинную часть турбоэлектрогенератора (вариант) обеспечивается генерация механической, электрической и тепловой энергии с использованием твердых органических видов топлива – без использования жидкого и газообразного углеводородного топлива, – или биотоплива, что повышает универсальность использования турбодвигателя.

Максимально возможное использование в рабочем цикле теплоты для генерации давления, полное, до атмосферного, его использование и рациональная кинематическая схема его преобразования в крутящий момент обеспечат минимальный удельный расход топлива, – и, соответственно, – высокие показатели по эмиссии газов и тепла, превосходящие установленные стандартами Евро для современных тепловых двигателей.

Уступят место газопаровому турбодвигателю и так называемые ошибочно «гибридными» дорогостоящие, габаритные и низкоэффективные силовые установки для автомобилей, резко усложненные по конструкции для продолжения бессмысленной реанимации коленвала из XVIII века. Вместо четырех основных компонентов – поршневой ДВС, электрогенератор, электромоторы, аккумулятор, которые входят в состав автомобильных «гибридов», достаточно одного турбоэлектрогенератора объемного расширения, обладающего пусковыми и тяговыми характеристиками электродвигателя и небольшого, обычного нетягового, аккумулятора для пуска электрогенератором, работающим в режиме стартера.

Резко улучшит летные и технические характеристики использование турбодвигателя на вертолетах. В авторском патенте защищен вариант турбодвигателя с независимо работающими роторами, что требуется для вертолета с двухвинтовой схемой. Увеличится дальность полета без дозаправки и полезная нагрузка.

Дискоообразная форма турбодвигателя позволяет установить его в кардановом подвесе, как устанавливаются камеры ракетных двигателей и практически к центру масс с изменением направления тяги винтов непосредственно поворотом самого двигателя, что резко бы повысило маневренность.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 03 (03) ноябрь 2012: