АДИАБАТНЫЙ ГАЗОПАРОВОЙ ТУРБОДВИГАТЕЛЬ РОМАНОВА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и двигателестроению и может быть использована для любых стационарных и мобильных объектов в качестве универсальной энергетической установки, генерирующей механическую энергию и тепловую, в виде газопаровой смеси или горячего конденсата или одновременно механическую энергию, электрическую и тепловую.
Известен газопаровой турбодвигатель полного объемного расширения, содержащий два зеркально идентичных блока кольцевых цилиндров, один, в каждом из которых, выполнен эксцентрично, а остальные концентрично с тонкими разделительными стенкам, в каждой из которых выполнено по одному перепускному окну. Между блоками концентрично установлен ротор с кольцевыми выступами, в которых установлены на шарнирах лопасти для эксцентричных цилиндров, а для концентричных цилиндров выполнены тонкостенные лопатки (патент РФ №2335636 - прототип).
Недостатком турбодвигателя является низкая эффективность турбинной части, ступени расширения которой, кроме первой, не обеспечивают создания вращающего момента при одновременном ступенчатом снижение давления и росте объемов, работая в режиме дросселирования, что, так же, не позволяет ее использовать в качестве расширительной с внешним подводом рабочего тела, вместо известных паровых и газовых турбин необъемного расширения.
Известна турбина радиального, реактивно-импульсного, ступенчатого объемного расширения, содержащая два зеркально-идентичных блока кольцевых цилиндров, образованных чередующимися неподвижными кольцевыми выступами с перепускными каналами, и концентрично установленный между ними ротор, выполненный так же с цилиндрическими выступами и с перепускными каналами. В центральной части турбины выполнены кольцевые полости - ресиверы, в которые от внешнего источника поступает готовое для расширения рабочее тело - газ или пар. В ресиверах выполнены впускные окна, равномерно расположенные в окружном направлении, через которые рабочее тело поступает в проточные части турбины для расширения (заявка на полезную модель РФ №2012111392 - прототип).
Техническими задачами при создании полезной модели являлись - обеспечение максимальной генерации теплотой сгорания топлива давления рабочего тела и максимальной эффективности объемного преобразования давления рабочего тела во вращательное усилие вала и возможность генерации электроэнергии непосредственно, без отдельного электрогенератора.
Первая задача решена тем, что в турбодвигателе, содержащем два зеркально-идентичных блока кольцевых цилиндров, один из которых выполнен эксцентричным, а остальные концентричными, концентрично установленный между ними ротор, перепускные каналы, сообщающие эксцентричный цилиндр с концентричными цилиндрами, концентричные цилиндры блоков и ротора образованны чередующимися неподвижными кольцевыми выступами, в каждом из которых выполнен, по меньшей мере, один перепускной канал с плоскопараллельными стенками, при этом, стенки перепускных каналов блоков и ротора расположены под углом к диаметрально-осевой плоскости турбодвигателя, с обеспечением при их сообщении расположения их стенок относительно друг друга под углом примерно 90°, кроме того, после эксцентричного цилиндра блоков выполнена кольцевая ресиверная полость, в цилиндрических стенках которой выполнены перепускные каналы, сообщающие ее с эксцентричным цилиндром и с турбинной проточной частью турбодвигателя, а в кольцевых стенках блоков, разделяющих эксцентричные цилиндры и ресиверы, выполнены рекуператорные полости, вход которых сообщается с источником испаряющейся жидкости, а выходы сообщается с полостью, по меньшей мере, одного перепускного канала, сообщающего эксцентричный цилиндр с кольцевой ресиверной полостью, кроме того, в цилиндрических стенках ресиверной полости в стыках с ротором установлены торцевые кольцевые уплотнители в виде подпружиненных колец или пневмодинамических импеллерных уплотнений, выполненных в виде спиральных канавок выполненных совпадающими с направлением вращения ротора.
Для повышения эффективности реактивных импульсов, за счет «деления» их на части, в каждом перепускном канале могут быть выполнены одна или несколько, равномерно расположенных по поперечному сечению тонкостенных плоских лопаток, расположенных параллельно стенкам канала.
Кроме того, для повышения эффективности использования реактивных импульсов при выходе режима работы двигателя из оптимального в режим недорасширения при повышенной подаче топлива или парообразующей жидкости, в выпускных окнах могут быть выполнены, одна или несколько, равномерно расположенных по поперечному сечению, тонкостенных плоских лопаток под углом 90° к каналам ротора.
Кроме того, с целью обеспечения генерации электроэнергии непосредственно турбодвигателем, последние от центра кольцевые выступы ротора выполнены в виде постоянных магнитов, при этом, в блоках, в торцевых стенках, расположенных аксиально относительно последних выступов ротора, или во внешней стенке последнего цилиндра (вариант), коаксиально магнитам ротора размещены обмотки индуктивности, образуя два электрогенератора.
Кроме того, с целью обеспечения работы только турбинной части турбоэлектрогенератора от внешнего источника рабочего тела, ротор может быть выполнен из двух частей - двигательной, содержащей кольцевые выступы с установленными в них лопастями, и турбинной, содержащей кольцевые выступы с перепускными каналами, взаимодействующих друг с другом посредством блокируемой обгонной муфты, при этом, в торцевых стенках блоков выполняются каналы для подачи рабочего тела в кольцевые полости (ресиверы) блоков и клапаны-задвижки, перекрывающие перепускные каналы между эксцентричными полостями блоков и кольцевыми полостями ресиверов. При работе турбинной части турбоэлектрогенератора от внешнего источника рабочего тела (газа или пара) его двигательная часть остается неподвижной.
На фиг.1 изображен разнесенный вид основных узлов турбодвигателя; на фиг.2 - поперечный разрез фиг.1; на фиг.3 выносной элемент А фиг.2; на фиг.4 - принципиальная схема энергетической установки с турбоэлектрогенератором для транспортных средств; на фиг.5 - принципиальная схема стационарной многофункциональной энергетической установки.
Турбоэлектрогенератор (фиг.1, 2, 3), содержит два зеркально идентичных блока 1, 2, между которыми концентрично установлен общий ротор 3.
В каждом блоке, в центре, выполнен эксцентричный кольцевой цилиндр 4. За ним, в радиальном направлении, выполнена концентричная кольцевая полость 5 (ресивер). Цилиндр 4 и ресивер 5 сообщаются между собой перепускными каналами 6. За ресивером 5 выполнены кольцевые выступы 7, с перепускными каналами 8. В ресивере так же выполнен экран 9.
В цилиндрической стенке ресивера 5 выполнены впускные окна 10. В торцевой стенке статоров выполнены впускные окна 11, 12, канал 13 для подачи топлива, канал 14 для подачи воды в полость рекуператора 15, камера сгорания 16, и резьбовой канал 17 для свечи зажигания.
Ротор 3 содержит концентричные кольцевые выступы 18, между которыми выполнены сквозные цилиндрические каналы 19 для шарниров 20. В продольных пазах шарниров 20 установлены лопасти 21, подпружиненные относительно внутренней кольцевой стенки выступа 18 пружинами 19, (вариант, 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.
В роторе, за кольцевым выступом 18 выполнены кольцевые выступы 22, в которых выполнены перепускные каналы 23.
Кольцевые выступы последних ступеней ротора (фиг.1, 2) выполнены в виде постоянных магнитов 24, при этом, в торцевых стенках блоков, аксиально магнитам ротора установлены обмотки индуктивности 25, образуя два электрогенератора.
Обмотки индуктивности могут быть выполнены во внешней цилиндрической стенке блоков коаксиально ротору, так же образуя два электрогенератора радиального типа (вариант).
Электрогенератор может быть использован в качестве стартера турбодвигателя с питанием от аккумулятора небольшой мощности.
В цилиндрической стенке последнего цилиндра блоков выполнены выпускные окна 27, сообщающие проточные части турбодвигателя с выпускным коллектором 28, и выпускные окна 29, сообщающие коллектор с атмосферой и сборником конденсата (не показан).
Для многократного использования в рабочем цикле воды (конденсата) турбодвигатель содержит питательный насос, сообщающий сборник конденсата с каналами 14 блоков, приводимый непосредственно турбодвигателем (не показан).
После сборки турбодвигателя кольцевые выступы 18 ротора с лопастями 21 располагаются в эксцентричных цилиндрах блоков, образуя в каждом две полости неравномерного поперечного сечения - компрессорную, первую от центра полость с впускным окном 11, и вторую, основную полость сжатия с впускным окном 12. Полости сообщаются между собой перепускным каналом 26, выполненным на внутренней торцевой стенке цилиндра.
Остальные ряды кольцевых выступов 22 ротора располагаются между рядами кольцевых выступов 7 блоков, соответственно, ряды кольцевых выступов блоков располагаются между кольцевыми рядами выступов ротора, и, чередуясь, образуют ступени объемного расширения.
В блоках могут быть установлены клапаны, обеспечивающие открытие, закрытие или регулировку проходного сечения впускных окон 10 с целью оптимизации работы двигательной и турбинной части турбоэлектрогенератора.
В перепускных каналах цилиндрических выступов блоков и ротора могут быть выполнены, по меньшей мере, одна или несколько плоских тонкостенных лопаток, равномерно расположенных по их поперечному сечению и параллельно их стенкам (не показаны).
Ротор турбодвигателя устанавливается в статорах на двух радиально-упорных шариковых подшипниках, или, при повышенном рабочем давлении, на двух радиальных и двух упорно-осевых.
Для исключения потерь тепла в окружающую среду и обеспечения относительно нее полной адиабатности газопарового рабочего цикла вся поверхность турбоэлектрогенератора покрывается теплоизоляционным чехлом (не показан).
В адиабатном газопаровом турбодвигателе при гибридизации газового цикла с паровым обеспечивается три вида рекуперации постоянно: два неконтактные с передачей тепла воде через рекуператор от топливовоздушной смеси при сжатии и избыточного тепла после воспламенения и высокотемпературного горения и частичного расширения 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 переливе воды в газы может наступать четвертый вид рекуперации - конденсация паров воды в поточной части, при этом, теплота конденсации воды может возвращаться газам, повышая их давление и работоспособность перед выхлопом.
При избыточном переливе воды в газы начало конденсации пара может начинаться в проточной турбинной части турбодвигателя, при этом теплота конденсации пара возвращается газу, повышая его парциальное давление и работоспособность.
На фиг.2 ротор изображен в положении заполнения рабочим телом перепускных каналов первого ряда выступов ротора и создания во всех сообщенных перепускных каналах ротора и блоков рабочих импульсов (рабочих тактов) - заряды рабочего тела, вылетающие из перепускных каналов блоков, толкают ротор.
На фиг.3 ротор 2 изображен в положении создания во всех сообщенных перепускных каналах ротора и блоков рабочих импульсов (рабочих тактов) - ротор отталкивается выбрасываемыми из его перепускных каналов зарядами рабочего тела от блоков, и выхлопа рабочего тела из перепускных каналов последней ступени ротора через выпускные окна 27 в выхлопной коллектор 28.
Работа турбодвигателя осуществляется следующим образом.
При запуске турбодвигателя в начальный период вращения ротора 3 лопасти 21, проходящие мимо впускных окон 11, 12, отсекают атмосферный воздух и начинают его сжимать в уменьшающихся межлопастных объемах. После прохождения лопастями впускного окна 12 в межлопастные объемы перепускается воздух из компрессорной полости по каналу 26, поступивший через впускное окно 11 и непрерывно, через форсунку впрыскивается топливо. При достижении камеры сгорания 16 топливовоздушная смесь воспламеняется калильной свечей зажигания, установленной в резьбовом канале 17. При дальнейшем движении ротора осуществляется объемное бесступенчатое расширение газов с созданием вращающего момента. При достижении лопастями перепускных каналов 6, газы через них поступают в ресивер 5 (газопарогенератор). Одновременно в газы, проходящие по перепускному каналу 6, впрыскивается нагретая вода, прошедшая предварительно по рекуператору 15, при этом, за счет теплоты высокотемпературных газов в рекуператоре образуется газопаровая смесь.
Из ресивера 5 газопаровая смесь поступает через впускные окна 10 в турбинную часть турбодвигателя, заполняя перепускные каналы 23 ротора 3.
В целом общий рабочий цикл турбинной части состоит из множества отдельных рабочих циклов, совершаемых газопаровой смесью при движении после впуска одновременно по нескольким проточным частям с перепуском по перепускным каналам ротора и блоков.
Рабочий цикл каждого перепускного канала ротора и блоков состоит из четырех тактов.
Первый такт - «заполнение» перепускных каналов первого ряда ротора газопаровой смесью. При дальнейшем вращении ротора и разобщении его перепускных каналов с впускными окнами выполняется второй такт - «отсечка», за тем выполняется третий такт - «рабочий» при сообщении с неподвижным каналами блоков и, за тем, четвертый такт - снова «отсечка».
При дальнейшем движении ротора в окружном направлении каждый его канал вновь сообщается со следующим впускным окном, дополняется газопаровой смесью до первоначального давления из ресивера и далее циклы повторяются в описанном выше порядке. Аналогичные такты выполняются перепускными каналами последующих рядов ротора при сообщении с перепускными каналами блоков.
После запуска турбодвигателя и заполнения газами или газопаровой смесью из ресивера перепускных каналов ротора первого от центра ряда, при его дальнейшем движении первыми взаимодействуют пары каналов ротора и статора первой ступени, при этом, ротор отталкивается в направлении вращения реактивными струями от плоских поверхностей каналов неподвижных блоков, при этом давление в перепускных каналах ротора падает, а в перепускных каналах блоков возрастает. Происходит частичный резкий выброс газопаровой смеси (рабочий реактивный импульс) из каналов ротора, находящейся под более высоким давлением в каналы блоков, находящиеся при пуске при атмосферном давлении, а после поворота на шаг между впускными окнами - под меньшим давлением. При этом давление в обоих каналах становится примерно равным.
При дальнейшем движении ротора его каналы, расположенные в следующем от центра ряду, сообщаются с каналами блоков, ранее сообщавшихся с каналами первых ступеней ротора и находящихся под поступившим из них давлением газопаровой смеси, при этом газопаровая смесь, резко вылетающая из каналов неподвижных блоков, толкает реактивными струями ротор. Осуществляется рабочие циклы в сообщенных перепускных каналах блоков и ротора второй ступени после поступления заряда в проточную часть турбины. За тем, полости разобщаются. Далее, и в окружном, и в радиальном направлении от центра к периферии до выпускных окон 27 совершаются аналогичные рабочие циклы объемного, ступенчатого, реактивно-импульсного расширения газопаровой смеси.
В зависимости от расхода рабочего тела, габаритов и мощности турбодвигателя количество впускных окон 10 может быть выполнено различным. Количество перепускных каналов ротора и блоков выполняется равным, и может не соответствовать количеству впускных окон, при этом их окружной размер и окружное расстояние между ними должно обеспечивать выполнение одного или несколько полных рабочих циклов до повторного сообщения с впускными окнами 10.
Эффективности перепуска рабочего по ступеням проточных частей и силе реактивных импульсов способствуют так же центробежные силы.
При пуске холодного турбодвигателя его выход на рабочий режим газового цикла с появлением крутящего момента от начала впуска воздуха, прохождения газов по центральной и турбинной проточным частям до выпускных окон (выхлопа) составляет не более 2-х оборотов ротора. После прогрева и поступления в газы воды турбодвигатель выходит на газопаровой режим работы с максимальной эффективностью рабочего цикла.
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 «ротор-блок» и «блок-ротор».
Так, в изображенном на фигурах 1, 2, 3 варианте турбодвигателя, содержащем: 2 блока с 8-ю перепускными каналами в каждом, ротор с 8-ю перепускными каналами с каждой стороны, с тремя ступенями отталкивания ротора и с тремя ступенями толкания ротора в двух блоках, общее количество (n) рабочих импульсов за один оборот ротора составит:
n=2×8×8×6=768 импульсов
Регулировка мощности турбоэлектрогенератора, в зависимости от вырабатываемых им видов энергии, может осуществляться изменением расхода топлива, или расхода воды, или топлива и воды одновременно с обеспечением, в зависимости от теплотворной способности топлива, генерации для турбинной части газопаровой смеси с минимальной влажностью с целью достижения максимальной механической и, соответственно, электрической мощностей, или с максимальным переувлажнением газопаровой смеси водой для максимальной выработки тепловой энергии в виде горячего конденсата.
Чисто гибридное конструктивное исполнение турбодвигателя и реализуемый им непрерывный, гибридный, газопаровой термодинамический цикл полного объемного расширения обеспечивает несколько синергетических эффектов:
1. Снижение количества деталей; один ротор, подшипники и два блока одновременно используются для 3-х двигателей: двигателя внутреннего сгорания, для турбины и для двух электрогенераторов.
2. 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 отдельных и 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%.
Генерация в гибридном газопаровом цикле дополнительного давления пара за счет неиспользуемой теплоты газов в известных типах двигателей внутреннего сгорания и наиболее рациональное объемное радиальное расширение рабочего тела с ростом радиуса и площади, воспринимающей давление рабочего тела, и полное использование давления до атмосферного, обеспечат максимально возможный эффективный КПД до 90%, с учетом того, что механические потери и, связанный с ними, отрицательный момент для 3-х двигателей (ДВС, турбина, электрогенераторы), будут иметь место только в двигательной части турбодвигателя на малых радиусах - 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.
В газопаровом адиабатном турбодвигателе возможно более глубокое использование теплоты продуктов сгорания для генерации дополнительного давления и повышение показателей эффективности цикла при использовании в нем дополнительно, кроме воды, низкокипящих жидкостей с более низкой температурой кипения, чем вода, например, аммиака.
Совпадение моментных характеристик газопарового турбодвигателя и синхронно работающего с ним электрогенератора, обеспечат с минимальных оборотов турбоэлектрогенератора большой крутящий момент, что, при его использовании в транспортных средствах в качестве силовой установки, исключит необходимость использования отдельного электрогенератора и тяжелых дорогостоящих аккумуляторов.
В сравнении с известными поршневыми и роторными двигателями внутреннего сгорания газопаровой турбодвигатель будет развивать эквивалентную им мощность при значительно меньшем числе оборотов, что снизит удельные механические потери и увеличит ресурс его работы.
В комбинации с многотопливным парогенератором и подачей пара в турбинную часть турбоэлектрогенератора он обеспечит генерацию механической, электрической и тепловой энергии с использованием различных твердых органических видов топлива (дрова, уголь, пеллеты), что повышает универсальность при его использовании.
Максимально возможное использование в рабочем цикле теплоты для генерации давления, наиболее эффективное объемное расширение 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.