Комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом
COMBINED POWER PLANT WITH STEAM POWER UNIT

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к тепловым двигателям для производства механической энергии.
Известен паровоздушный двигатель внутреннего сгорания [1], содержащий поршневой двигатель внутреннего сгорания, барабан пара высокого давления, радиатор, винтовой паровой двигатель, жидкостный насос высокого давления, накопительный бак и термоизоляцию корпуса двигателя и барабана пара высокого давления от окружающей среды. Охлаждение и отвод теплоты от двигателя внутреннего сгорания осуществляется охлаждающей жидкостью с пониженной температурой кипения.
Недостатком данного технического решения является невозможность его работы в частичных режимах работы паровоздушного двигателя.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом [2], содержащая поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединённые последовательно утилизационный котёл, паровой двигатель, радиатор, накопительный бак и жидкостный насос высокого давления. При этом утилизационный котёл выполнен цилиндрическим с двумя концентрически расположенными каналами, причём центральный канал предназначен для движения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, а внутрь периферического канала подводится рабочая жидкость от жидкостного наоса высокого давления. Паровой двигатель кинематически связан с коленчатым валом поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Известно, что количество теплоты, которое можно утилизовать в дизельном двигателе внутреннего сгорания (ДВС), зависит от его нагрузки. В мощных двухтактных судовых малооборотных дизелях доля теплоты, отведенная с выпускными газами, составляет 33,8…42,0% [3, c. 56]. В тепловозных ДВС с отработавшими газами уходит 32,1…40,91% теплоты сгоревшего топлива [4, c. 30-31]. При этом КПД дизеля составляет около 40%, т.е. количество теплоты, содержащейся в отработавших газах, достигает значительной величины и сопоставимо с мощностью двигателя. Приведенные цифры отвода теплоты с отработавшими газами характеризуют работу двигателя в режиме номинальной мощности. В частичных режимах работы снижается температура отработавших газов и количество теплоты, уносимой отработавшими газами, в связи с чем необходимо регулировать количество подаваемой рабочей жидкости в зависимости от нагрузки.
Недостатком комбинированной силовой установки с паросиловым агрегатом является невозможность работы в частичных режимах работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, так как в установке не предусмотрено регулирование количества подаваемой рабочей жидкости в зависимости от нагрузки.
Техническая проблема заключается в возможности работы комбинированной силовой установки с паросиловым агрегатом как на номинальной мощности, так и в частичных режимах работы.
Технический результат заключается в обеспечении возможности регулирования количества подаваемой жидкости в зависимости от нагрузки.
Указанный технический результат достигается в комбинированной силовой установке с паросиловым агрегатом, содержащей поршневой двигатель внутреннего сгорания, соединённые последовательно утилизационный котёл, паровой двигатель, радиатор, накопительный бак и жидкостный насос высокого давления, при этом утилизационный котёл выполнен цилиндрическим с двумя концентрически расположенными каналами, причём центральный канал предназначен для перемещения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, а по периферийному подводится рабочая жидкость от жидкостного насоса высокого давления, и паровой двигатель кинематически связан с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания, на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания установлены датчики частоты вращения и крутящего момента, передающие на блок управления сигналы об изменении мощности двигателя внутреннего сгорания, при этом блок управления, содержит информацию о количестве теплоты, содержащейся в отработавших газах на номинальной мощности, а также частичных режимах работы и выполнен с возможностью регулирования количества подаваемой рабочей жидкости посредством передачи управляющих сигналов на электродвигатель привода жидкостного насоса высокого давления для изменения его частоты вращения и соответствующего изменения подачи рабочей жидкости в утилизационный котёл.
Новым в устройстве комбинированной силовой установки с паросиловым агрегатом является установка на коленчатый вал поршневого ДВС датчиков частоты вращения и крутящего момента, последовательно соединённых с блоком управления и электродвигателем привода жидкостного насоса высокого давления.
На фиг. 1 представлена комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом, которая содержит поршневой ДВС 1, утилизационный котёл 2, паровой двигатель 3, радиатор 4, накопительный бак 5, жидкостный насос высокого давления 6, обратный клапан 7, бак подпитки 8. Утилизационный котёл 2 выполнен цилиндрическим. По центральному каналу 9 (сечение А-А) утилизационного котла 2 движутся отработавшие газы поршневого ДВС 1. По периферийному каналу 10 от жидкостного насоса высокого давления 6 подводится рабочая жидкость. Паровой двигатель 3 кинематически связан с коленчатым валом 11 ДВС (на фиг. не показано). Коленчатый вал 11 снабжён датчиком частоты вращения 12 и датчиком крутящего момента 13, которые соединены с блоком управления 14 и электродвигателем 15 привода жидкостного насоса высокого давления 6.
Комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом работает следующим образом.
Во время работы поршневого ДВС 1 в режиме номинальной мощности отработавшие газы поступают в центральный канал 9 и нагревают утилизационный котёл 2. От жидкостного насоса высокого давления 6 рабочая жидкость поступает в периферическую полость 10 утилизационного котла 2, нагревается там от теплоты отработавших газов, превращается в пар, и поступает в паровой двигатель 3. В паровом двигателе 3 тепловая энергия пара превращается в механическую энергию, которая кинематически передаётся коленчатому валу поршневого ДВС, с которого производится отбор мощности потребителем. При расширении пара в паровом двигателе его температура снижается, пар конденсируется, поступает в радиатор 4 и в накопительный бак 5. Далее цикл повторяется, и с помощью жидкостного насоса высокого давления 6 рабочая жидкость вновь нагнетается в периферийную полость 10 утилизационного котла 2.
При работе поршневого ДВС в частичных режимах расходуется меньше топлива и снижается количество теплоты, содержащейся в отработавших газах.
кp
кр
-1
Согласно [2, c. 421] эффективная мощность двигателя определяется по формуле (кВт) Ne = M n/9550, где М - крутящий момент, развиваемый двигателем, n - частота вращения коленчатого вала, мин.
Таким образом, развиваемую двигателем мощность можно определить по датчику частоты вращения 12 и датчику крутящего момента 13. При изменении мощности двигателя указанные датчики, установленные на коленчатом валу 11, передают информацию в блок управления 14, из которого сигнал управления передаётся в электродвигатель 15 для изменения его частоты вращения и, соответственно, изменения подачи рабочей жидкости насосом высокого давления 6 в утилизационный котёл 2.
Перед началом эксплуатации комбинированной силовой установки на основе теплобалансовых испытаний [5, c. 235-243] ДВС определяется количество теплоты, содержащейся в отработавших газах на номинальной мощности и частичных режимах работы. Эта информация хранится в блоке управления 14. Для эксплуатации комбинированной силовой установки необходимо, чтобы количество подаваемой в утилизационный котёл 2 жидкости было таким, чтобы вся она нагрелась до температуры кипения, превратилась в пар, обеспечивая этим превращение тепловой энергии в механическую в паровом двигателе.
В случае возвращения ДВС в режим номинальной мощности, датчик частоты вращения 12 и датчик крутящего момента 13 передают соответствующую информацию в блок управления 14, а от него сигнал управления передаётся электродвигателю 15 для изменения его частоты вращения и соответствующего изменения подачи рабочей жидкости в утилизационный котёл 2. Далее цикл работы комбинированной силовой установки повторяется.
В качестве датчика крутящего момента может быть использован бесконтактный датчик, например, на основе тензометрического моста.
Датчиком частоты вращения коленчатого вала может быть, например, индуктивный или оптический датчик.
При использовании в качестве привода жидкостного насоса высокого давления 6 электродвигателя постоянного тока регулирование его частоты вращения может производиться, например, реостатом в цепи обмотки возбуждения или изменением напряжения электрической сети.
Использование предлагаемого технического решения позволяет использовать комбинированную силовую установку при её эксплуатации не только на номинальной мощности, но и в частичных режимах работы поршневого ДВС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пат. 2535413 Российская Федерация, МПК F02K 5/02, F01K 23/14, F02B 41/00. Паровоздушный двигатель внутреннего сгорания / Тараканов В.А.; заявитель и патентообладатель Тараканов В.А. - №2013103311/06; заявл. 24.01.2013; опубл. 27.07.2014, Бюл. №21. - 3 с.
2. Пат. 159659 на полезную модель Российская Федерация, МПК F01K 23/14. Комбинированная силовая установка с паросиловым агрегатом / Андрейкин А.Н., Фокин Ю.И.; заявитель и патентообладатель Брянский гос. техн. ун-т. - № 2015121930/06; заявл. 08.06.2015; опубл. 20.02.2016, Бюл. №5. - 6 с.
3. Дизели. Справочник. Под общ. Ред. В.А. Ваншейдта, Н.Н. Иванченко, Л.К. Коллерова. Л.: Машиностроение, 1977. - 480 с.
4. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов / А.Э. Симсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
5. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина. М.: Машиностроение, 1971. - 400 с.