ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности, к двигателям внешнего сгорания (ДВС).
Одной из основных проблем конструирования тепловых машин является проблема уменьшения их веса при сохранении или даже увеличении мощности, то есть повышения удельной мощности. Известны различные пути решения указанной проблемы, в частности:
- энергетически - повышая энергосодержание цикла путем повышения термодинамических показателей или увеличивая количество циклов в единицу времени, т.е. повышая скорость вращения двигателя;
- конструктивно - снижая размеры элементов конструкции, например, располагая цилиндры под углом друг к другу или по кругу звездообразно;
- технологически - применяя везде, где это возможно, легкие сплавы.
Однако даже в лучших конструкциях наиболее распространенных четырехтактных двигателей удельная мощность не превышает 1-2 кВт/кГ. Основным же препятствием, на наш взгляд, является использование цикла Карно и способ конструктивной его реализации: все составляющие цикла локализованы в пространстве и протекают последовательно во времени. Это означает, что каждый рабочий объем только часть времени использует для извлечения энергии из топлива, а остальное время занято вспомогательными процессами. Даже частичное изменение этого способа в двухтактных двигателях - попарное разнесение составляющих цикла в пространстве и их совмещение во времени дает существенный выигрыш в массе двигателя.
Наиболее полно пространственное разнесение составляющих цикла Карно и их совмещение во времени реализуется в газотурбинных двигателях (ГТД). Эти двигатели (без дополнительных агрегатов, прежде всего - редукторов) достигают значений удельной мощности до 5 кВт/кГ. Однако, принципиальной особенностью ГТД является необходимость преобразования потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую. Вследствие этого повышение энергоемкости рабочего тела означает увеличение скорости потока рабочего тела, следовательно, увеличения угловой скорости ротора, а это в свою очередь приводит к необходимости редукции скорости вращения выходного вала. Масса редуктора порой превышает массу самого двигателя и существенно ухудшает суммарные характеристики.
Удачной попыткой решения задачи повышения удельной мощности является роторный двигатель непрерывного горения (РДК) - свидетельство РФ на ПМ №9263. РДК представляет собой высокотехнологичный роторный ДВС, в котором процесс сгорания смеси осуществляется непрерывно, что обеспечивает более высокую удельную мощность ДВС.
В РДК камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что позволяет обеспечить непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность двигателя. РДК существенно превосходит существующие ДВС и по удельной мощности близок к ГТД.
Однако, слабым местом РДК является нестабильность горения в расположенной в теле двигателя камере сгорания. Кроме того, смена вида топлива (переход с одного топлива на другое) требует изменения конструкции двигателя, так как камера сгорания является его внутренней полостью.
Эта проблема решена в роторном герметичном двигателе (РГК), выбранном в качестве прототипа (патент РФ №2220308). РГК содержит статор с цилиндрической полостью, которая образована двумя одинакового радиуса полуцилиндрами с разнесенными вдоль общего диаметра центрами, ротор с осью вращения, параллельной образующей цилиндрической полости статора, установленный в полости с возможностью касания по дуге стенки полости, радиальную перегородку, разделяющую цилиндрическую полость на два последовательно расположенных объема, а поверхность ротора - на две части, при этом каждая часть ротора снабжена расположенными под углом 120° друг к другу лопастями, выполненными подпружиненными с возможностью перемещения в радиальном направлении и касания стенки полости статора, нагреватель рабочего тела, имеющий источник тепла, и холодильник.
Конструкция РГК в основных чертах совпадает с РДК, однако, в РГК демпферная камера и камера сгорания вынесены из статора двигателя и объединены в нагреватель, в котором топливо сгорает, не смешиваясь с нагреваемым рабочим телом, протекающим по рубашке нагревателя, а вывод механического вращения - через синхронную магнитную муфту. Благодаря этому процесс горения легко контролируем, переход с одного топлива на другое не затрагивает конструкцию самого двигателя и позволяет использовать любое, включая твердое, топливо. Нагреватель может иметь любую конструкцию, обеспечивающую максимально возможный для сжигания конкретного вида топлива нагрев рабочего тела.
Однако, РГК использует цикл Карно, что ограничивает возможности дальнейшего повышения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую.
Задачей заявляемой полезной модели является создание конструкции тепловой машины с повышенной по сравнению с РГК удельной мощностью и КПД.
Поставленная задача может быть решена путем реализации цикла Рейлиса. Для этого в предлагаемой тепловой машине (ТМК), в отличие от РГК, состоящего из отдельных узлов сжатия и расширения, процессы сжатия, нагрева, расширения и охлаждения совмещены в едином герметичном объеме, а зоны, в которых происходят указанные процессы, разделены лопастями ротора с возможностью перетекания рабочего тела из зоны в зону по мере вращения ротора. С этой целью рабочий объем статора разделен ротором на две изолированных полости - камеру сжатия и камеру расширения, периодически сообщающиеся между собой через нагреватель и холодильник. Это позволяет реализовывать изобарические и изохорические процессы, присущие циклу Рейлиса.
На фиг.1 представлена схема тепловой машины (показано упрощенное поперечное сечение ТМК в один из моментов его работы), на фиг.2 - четыре последовательные фазы процесса работы машины при повороте ротора на 0°, 30°, 60°, 90°.
Тепловая машина содержит ротор 1 в виде прямого кругового цилиндра с тремя лопастями 2, расположенными в пазах ротора под углами в 120° друг относительно друга и перемещающимися в них под воздействием упругих элементов до упора во внутренние поверхности статора 3. Ротор 1 показан сплошным с целью более наглядного представления рабочих полостей, тогда как в реальной машине ротор выполнен пустотелым для снижения общей массы машины. В качестве упругого элемента, учитывая жесткий температурный режим, наиболее удобна сжатая газовая подушка, хотя возможно применение и металлических пружин.
Статор 3 представляет собой полый цилиндр, который образован двумя круговыми полуцилиндрами одинакового радиуса, разнесенными в перпендикулярном оси вращения направлении, и сопрягающими эти полуцилиндры плоскостями.
Ротор 1 расположен в полости статора 3 таким образом, что он касается обоих плоских участков полости статора, а ось его смещена относительно оси статора к одному из образующих полость полуцилиндров (на фиг.1 - лево). При этом ротор 1 делит полость статора 3 на две криволинейные полости неравного объема: полость А (камеру сжатия) и полость Б (камеру расширения рабочего тела). С торцов статор 3 с расположенным в нем ротором 1 герметично закрыт щеками (на фиг.1 не показаны). В одной из щек размещена синхронная магнитная муфта для передачи вовне вращения ротора при сохранении полной герметичности внутренних полостей (на фиг.1 не показана).
Каждая из образованных ротором 1 и статором 3 криволинейных полостей А и Б соединена каналами 6 и 7 с нагревателем 4 и холодильником 5. При этом соединение с нагревателем 4 осуществляется для каждой полости через один канал 6, размещенный рядом с линией контакта ротора со статором. Соединение каждой полости (А и Б) с холодильником 5 выполнено через два канала 7, причем один из них расположен рядом с линией контакта ротора 1 со статором 3, а второй отнесен в сторону таким образом, чтобы угол между радиусом, проведенным из центра ротора 1 к каналу 7, и радиусом, проведенным к линии контакта ротора 1 со статором 3, составлял 30°.
Работа тепловой машины пояснена на фиг.2, где показаны различные фазы процесса. В фазе I лопасти 2 делят внутренний объем ТМК на два: верхний, состоящий из объема собственно нагревателя 4 и соединенных с ним каналами 6 частей полости А и полости Б, и нижний, состоящий из объема холодильника 5 и соединенных с ним каналами 7 частей полости А и полости Б. Давление в нагревателе 4 и сообщающихся с ним частях полостей А и Б выше давления в холодильнике 5 и сообщающихся с ним частях полостей А и Б. Поэтому поскольку площадь выходящей из ротора 1 в полость Б части лопасти 2 больше площади части лопасти 2, выходящей в полость А, ротор 1 приходит во вращение (по часовой стрелке). В фазе II лопасти 2 делят внутренний объем ТМК на три изолированных объема: объем, связанный с нагревателем 4, объем, связанный с холодильником 5, и третий, изолированный от первых двух. В фазе III ситуация аналогична фазе I, однако, наличие второго соединительного канала 7 обеспечивает перемещение рабочего тела в холодильник 5 без его сжатия, в фазе IV ситуация аналогична фазе II, но наличие второго соединительного канала 7 исключает расширение рабочего тела, вытекающего из холодильника 5. Далее процессы повторяются.
Основным условием оптимальной работы ТМК является равенство отношений объемов полостей Б (камеры расширения) и А (камеры сжатия) отношению температур нагревателя 4 и холодильника 5:
Б
A
Н
Х
У/V=Т/Т,
Б
A
Н
Х
где У и V - объемы полостей Б и А, выраженные в любых, но одинаковых единицах, а Т и Т - температуры соответственно нагревателя 4 и холодильника 5 в Кельвинах.
Именно при выполнении этого условия удается реализовать (в динамическом режиме) изохорические процессы, характерные для циклов Стирлинга и Рейлиса.
Благодаря такой организации в фазе I идут следующие процессы: в нагревателе 4 и связанных с ним объемах - нагрев рабочего тела (изохорический), в холодильнике 5 - охлаждение (изобарическое). В фазе II в нагревателе 4 происходит изобарическое расширение, в холодильнике 5 - изохорическое охлаждение, а вот в изолированном объеме, заключенном между двумя лопастями 2, внешней поверхностью ротора 1 и внутренней поверхностью статора 3, происходит политропное расширение. В фазе III идут изобарическое расширение в объемах нагревателя 4 и изохорическое охлаждение в объемах холодильника 5. Наконец, в фазе IV в объемах нагревателя 4 идет изобарическое расширение, в объемах холодильника 5 - изохорическое охлаждение, а в изолированном объеме - политропное сжатие. Далее процессы повторяются (по три одинаковых цикла на каждый оборот ротора).
Поскольку во всех процессах рабочее тело непрерывно перемещается из одной зоны в другую, использование классического термодинамического расчета исключено, так же, например, как и для двигателей Стирлинга.
Результат полуэмпирического расчета с использованием существующей (в виде макета РПС) конструкции приведен далее в таблице:
Сводная таблица результатов расчета и моделирования
Точки
1'
2
3
4
4'
5
6
1
Т (К)
320
642
1500
1500
1241
594
300
300
Р (кПа)
350
750
750
433
355
170
170
341
V (10<sup>~3</sup> м<sup>3</sup>)
6,4
6,4
15
26
26
26
13
6,4
Собственно термодинамический расчет приведен далее.
Термодинамический расчет
Участок 34 - изотерма,
T<sub>3</sub>=1500 К, Р<sub>3</sub>=750 кПа,
Из геометрии макета V<sub>4</sub>=1,73V<sub>3</sub>=26·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>=>Р<sub>4</sub>=P<sub>3</sub>V<sub>3</sub>/V<sub>4</sub>=433 кПа
Участок 34' - политропа,
Из макета Р'<sub>4</sub>=355 кПа, V'<sub>4</sub>=V<sub>4</sub>=26·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>, =>P<sub>3</sub>V<sub>3</sub>=Р'<sub>4</sub>(V'<sub>4</sub>)<sup>n</sup>=>n<sub>в</sub>=1,33
Т'<sub>4</sub>=Т<sub>3</sub>(Р'<sub>4</sub>/Р<sub>3</sub>)<sup>(n-1)/n</sup>=1500(0,47)<sup>0,25</sup>=1241 К
Участок 4'5 - изохора,
Участок 1'2 - изохора,
Из макета V<sub>3</sub>=V'<sub>4</sub>=26·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>, P<sub>5</sub>=170 кПа, Т'<sub>4</sub>=1241 К, =>Т<sub>5</sub>=594 K
Участок 56 - изобара,
Т'<sub>1</sub>=300 К, P'<sub>1</sub>=350 кПа, m=29 Г (10<sup>-3</sup> кмоль), =>V<sub>1</sub>=6,4·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>,
Р<sub>5</sub>=170 кПа, =>T<sub>5</sub>=594 K, V<sub>5</sub>=26·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>,
Из макета P<sub>2</sub>=750 кПа =>Т<sub>2</sub>=642 К, V<sub>2</sub>=6,4·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>
T<sub>6</sub>=300 K, V<sub>6</sub>=13·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>,
Участок 23 - изобара,
Участок 61 - изотерма,
Т<sub>2</sub>=642 К, Р<sub>2</sub>=Р<sub>3</sub>=750 кПа,
V<sub>6</sub>=13·10<sup>3</sup> м<sup>3</sup>, V<sub>1</sub>=6,4·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>, Р<sub>6</sub>=Р<sub>3</sub>=170 кПа, Р<sub>1</sub>=341 кПа
Из макета Т<sub>3</sub>=1500 К =>V<sub>3</sub>=15·10<sup>-3</sup> м<sup>3</sup>
Участок 61' - политропа,
Из макета T'<sub>1</sub>=300 К, P'<sub>1</sub>=350 кПа, =>n<sub>н</sub>=1,4
Иначе говоря, 61' - практически адиабата
По результатам расчета КПД получается равным 0,55%
Вполне очевидно, что опирающийся на другую конструкцию расчет даст несколько иные результаты. Приведенный конкретный пример осуществления предлагаемой конструкции двигателя и ее частей, допускает различные изменения и дополнения, которые очевидны специалистам в данной области техники. Поэтому конструкция двигателя не ограничивается описанным примером или отдельными элементами, и в нее могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят за пределы существа и объема, определенные формулой изобретения.
Таким образом, ТМК, являясь, как и ее прототип РГК, и двигатели Стерлинга, тепловой машиной внешнего сгорания, обладает следующими преимуществами:
Всеядность двигателя. Как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), ТМК может работать от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, паяльной лампы, дровяной печи и т.д.
Простота конструкции. В ТМК отсутствуют многие элементы привычных двигателей: система зажигания, свечи, карбюратор, клапаны, глушитель. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере.
Экологичность. ТМК может использовать в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их.
Бесшумность двигателя. Как и все машины внешнего сгорания ТМК не имеет выхлопа, а значит, - не шумит и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций.
Кроме того, использование наиболее эффективного из всех известных термодинамических циклов - цикла Рейлиса - не только обеспечивает высокий КПД, но и высокую удельную мощность. Так, даже конструкция с использованием модифицированного макета РГК может обеспечить удельную мощность не менее 15 кВт/кГ.