МНОГОЦИЛИНДРОВАЯ ТУРБИНА ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ
MULTICYLINDER CUBICAL EXPANSION TURBINE

Изобретение относится к теплоэнергетике и транспортному машиностроению и может быть использовано в качестве насосов, компрессоров, силовых установок с внешним и внутренним подводом теплоты для стационарных и мобильных объектов, для водного, автомобильного, железнодорожного, воздушного транспорта, для тепловых электростанций, а также в космической технике.
Наиболее близкими аналогами заявленной турбины по конструктивным признакам являются карусельно-лопастная роторная машина (Заявка RU №2001132702 - прототип) и двигатель с внешним подводом теплоты (Заявка RU №2002116338 - аналог), содержащие, по меньшей мере, один кольцевой цилиндр с эксцентрично установленным в нем ротором, выполненным в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, в продольных прорезях которого установлены лопасти, впускные и выпускные окна и перепускной канал.
Основными недостатками указанных машины и двигателя является ограниченный диапазон использования избыточных параметров рабочего тела при расширении (давление, температура), что ограничивает термический и эффективный КПД.
Задача изобретения - создание турбины объемного расширения с увеличенным диапазоном изменения рабочих объемов, обеспечивающей эффективное использование всего избыточного давления и максимальное использование тепловой энергии для совершения полезной работы, а также снижение механических потерь.
Задача решена тем, что турбина, содержащая, по меньшей мере, один кольцевой цилиндр с эксцентрично установленным в нем ротором, выполненным в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, в продольных прорезях которого установлены лопасти, впускные и выпускные окна и перепускной канал, согласно изобретению содержит два аксиальных цилиндра, между которыми установлена планшайба ротора и относительно каждого из которых выполнено, по меньшей мере, по одному коаксиальному цилиндру, при этом цилиндры, лежащие в одной диаметральной плоскости, последовательно соединены друг с другом перепускными каналами, сообщающими полости цилиндров в зоне уменьшения межлопастных объемов от максимальных до минимальных в одной и одновременного увеличения от минимальных до максимальных в другой, образуя, по меньшей мере, одну спиралеобразную проточную часть сжатия или расширения, при этом перепускные каналы проточной части в окружном направлении отделены друг от друга зонами, исключающими их сообщение друг с другом длиной не менее шага лопастей, а впускные и выпускные окна выполнены в первой и последней полостях проточной части.
Перепускные каналы, сообщающие цилиндры между собой, могут быть выполнены непосредственно в цилиндрических стенках, разделяющих их друг от друга.
Цилиндры лежащие в одной диаметральной плоскости и образующие одну проточную часть могут быть выполнены с последовательно увеличивающимися от цилиндра к цилиндру поперечными сечениями, образуя проточную часть расширения, или с последовательно уменьшающимися, образуя проточную часть сжатия.
Изменение поперечных сечений обеспечивается увеличением или уменьшением длины цилиндров в осевом направлении от планшайбы, при этом выступы планшайбы, лопасти и опорные вкладыши выполняются с длиной, соответствующей ширине их цилиндров.
Проточные части расширения и сжатия могут выполняться как центробежными, так и внутреннего сгорания, могут содержать две проточные части, образованные сообщающимися цилиндрами, расположенными в одной диаметральной плоскости или две проточные части, образованные цилиндрами, расположенными в двух диаметральных плоскостях, при этом одна проточная часть выполняет функцию расширения, вторая сжатия, последняя полость которой в зоне минимальных межлопастных объемов сообщается перепускным каналом с первой полостью проточной части расширения в зоне ее минимальных межлопастных объемов, где также установлены свеча и форсунка или только форсунка (дизель). При внешнем смесеобразовании форсунка для впрыска топлива может быть установлена в стенке цилиндра проточной части сжатия. В первой полости проточной части сжатия в зоне максимальных межлопастных объемов выполнено впускное окно, а в последней полости проточной части расширения в зоне максимальных межлопастных объемов - выпускное окно.
2
Кроме того, в турбодвигателе может быть реализован комбинированный цикл, состоящий из двух - рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания и рабочего цикла газопаровой турбины с внутренним подводом теплоты, для чего двигатель снабжен источником избыточного давления парообразующей жидкости (вода, водоспиртовая смесь и т.п.), который перепускным каналом сообщен с первой полостью проточной части расширения в зоне после расширения продуктов сгорания топлива. Поступая в газ с температурой 1200-1700°С и с давлением 5-12 кг/см, жидкость, испарившись в высокотемпературном газе, образует с ним газопаровую рабочую смесь с более низкой температурой и с более высоким давлением, при этом первая половина первой полости выполняет функцию двигателя внутреннего сгорания и генератора газа для второй половины полости, которая выполняет функцию парогазогенератора смешивающего действия и генерирует газопаровую смесь для остальной проточной части расширения, при движении по которой она расширяется до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкость.
Жидкость до введения в проточную часть расширения может использоваться в качестве охлаждающей и пропускаться по системе охлаждения высокотемпературной зоны расширения продуктов сгорания топлива, при этом система охлаждения выполняет функцию рекуперативного теплообменника. Аккумулированное жидкостью тепло используется для совершения работы и соответственно повышает термический КПД.
При использовании турбины в качестве теплового двигателя с внешним подводом теплоты, работающего по термодинамическому циклу Стирлинга, она содержит внешний нагреватель, контактирующий со стенками цилиндров проточной части расширения, внешний охладитель, контактирующий со стенками цилиндров проточной части сжатия, рекуперативный теплообменник и два перепускных канала, один из которых сообщает последнюю полость проточной части сжатия в зоне минимальных межлопастных объемов с первой полостью проточной части расширения также в зоне минимальных межлопастных объемов и проходит через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель, а второй перепускной канал сообщает последшою полость проточной части расширения в зоне уменьшения ее межлопастных объемов от максимальных до минимальных с первой полостью проточной части сжатия в зоне увеличения от минимальных до максимальных ее межлопастных объемов и проходит через упомянутый рекуперативный теплообменник.
Кроме того, для работы турбины в качестве двигателя с внешним подводом теплоты может использоваться одна проточная часть, полости которой, от первого до последнего цилиндра, используются как расширительные, а последняя полость последнего цилиндра как полость сжатия, при этом перепускной канал, сообщающий полости последнего цилиндра, проходит через рекуперативный теплообменник, а второй перепускной канал сообщает полость сжатия в зоне ее минимальных межлопастных объемов с первой полостью расширения также в зоне минимальных объемов и проходит через упомянутый рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель.
Кроме того, цилиндры, лежащие в одной диаметральной плоскости, могут функционировать в качестве самостоятельных ступеней расширения и сжатия и каждый содержать нагреватель, рекуперативный теплообменник и охладитель, при этом цилиндры с первого до последнего последовательно сообщаются друг с другом перепускными каналами, сообщающими выход из рекуперативного теплообменника одного цилиндра с входом полости расширения другого цилиндра и проходящими через нагреватель, а последняя полость последнего цилиндра в зоне уменьшения ее межлопастных объемов от максимальных до минимальных сообщается перепускным каналом, проходящим через рекуперативный теплообменник последнего цилиндра и внешний нагреватель, с рабочей полостью первого цилиндра также в зоне минимальных межлопастных объемов.
Кроме того, турбина может содержать несколько одноцилиндровых турбин и одну многоцилиндровую с общим валом роторов, которые с первой до последней работают в качестве расширительных высокого давления в режиме перегрева без рекуперации и внешних охладителей, при этом одна из двух проточных частей последней многоцилиндровой турбины используется как расширительная с продолженным расширением и содержит спиралеобразную многоцилиндровую проточную часть расширения, а ее другая проточная часть используется как компрессорная с большой степенью сжатия и содержит спиралеобразную проточную часть сжатия, снабженную внешним охладителем, при этом рекуперативный теплообменник устанавливается в последней турбине в канале, сообщающем последнюю полость проточной части расширения с первой полостью проточной части сжатия, последняя полость которой в зоне минимальных межлопастных объемов снабжена выпускным окном, сообщающимся перепускным каналом с впускным окном полости расширения любой из предыдущих турбин или со всеми одновременно, проходящим через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель.
Турбина может быть использована в качестве паровой на водяном или масляном паре, при этом можно обеспечить более высокий термический КПД, чем в обычных паровых турбинах, работающих по циклу Ренкина и в которых невозможно осуществить изотермическое расширение пара из-за высокой скорости рабочего тела в проточной части и ее линейной длины.
Работа турбины на водяном паре осуществляется в комплексе с оборудованием, используемым для обычных паровых турбин необъемного расширения - котел, пароперегреватель, питательный насос, конденсатор. Турбина может работать в диапазоне влажного и перегретого пара без конденсации пара до состояния жидкости и соответственно без указанного выше оборудования, при этом тепловой и эффективный КПД будут ниже.
Кроме того, в турбодвигателе может быть реализован комбинированный цикл с внешним подводом теплоты на газопаровой смеси, для чего турбодвигатель снабжен внешним нагревателем воды, работающим на органическом или углеводородном топливе, питательным насосом, газовым насос-компрессором, парогазогенератором, экономайзером и перепускными каналами, один из которых последовательно сообщает выпускное окно дымовых газов внешнего нагревателя, экономайзер, газовый компрессор, парогазогенератор и первую полость проточной части расширения турбины, а второй последовательно сообщает выход питательного насоса с системой охлаждения газового компрессора, с экономайзером, внешним нагревателем и парогазогенератором.
В качестве газового компрессора используется проточная часть сжатия турбины, обеспечивающая отсос дымовых (выхлопных) газов и последующее их сжатие до рабочего давления парогенератора. На выхлопе турбодвигателя может быть выполнен сепаратор для отделения конденсата от остаточных газов центрифугированием. Конденсат циркулирует по замкнутому контуру и после очистки от растворенных осадков может поступать снова на вход питательного насоса. Осадки, содержащие токсичные вещества продуктов сгорания, легко утилизируются или нейтрализуются.
Почти вся тепловая энергия сгорания топлива используется для подогрева воды и испарения в парогазогенераторе с образованием газопаровой смеси, которая за тем расширяется в проточной части турбины до атмосферного давления.
Работу турбины на масляном паре так же можно осуществить как на паре без конденсации, так и с конденсацией, для чего, кроме оборудования используемого в паровых турбинах или без него, необходимо рабочий контур выполнить герметичным и до запуска и включения нагревателей осуществлять вакуумирование вакуумным насосом рабочего контура турбины, заполненного маслом, например вакуумным, а после остановки турбины заполнять ее рабочие полости инертным газом до давления не ниже атмосферного, исключая окисление паров масла атмосферным кислородом. Использование в качестве рабочего тела масла в замкнутом контуре турбины решает задачу смазки поверхностей трения и соответственно снижения механических потерь.
Изменение оборотов или форсирование по мощности всех типов турбин с внешним подводом теплоты можно осуществлять изменением подачи рабочего тела через впускное окно первой полости проточной части расширения, или последовательной подачей по зоне от минимальных межлопастных объемов до максимальных, или с обводом участка зоны расширения по аналогии с паровпуском обычных паровых турбин, или подачей и сбросом из контура рабочего тела.
Для повышения термического КПД за счет интенсификации процессов подвода и отвода теплоты к рабочему телу и тем самым создания условий для изотермического протекания процессов расширения и сжатия выступающие за пределы цилиндров внутренняя, вблизи вала ротора, и наружная периферийная поверхности планшайбы ротора могут непосредственно контактировать с рабочими телами нагревателя в горячей зоне и охладителя в холодной зоне, при этом планшайба выполняет функцию дополнительного регенеративного теплообменника, повышая степень изотермичности процессов расширения и сжатия.
В планшайбе ротора могут быть выполнены спиралеобразные от центра к периферии или радиальные каналы для подачи по ним нагревающей среды или охлаждающей за счет центробежных сил, что дополнительно обеспечит подвод тепла по всей длине проточной части расширения и отвод тепла по всей длине проточной часта сжатия в двигателях с внешним подводом теплоты, а в двигателях внутреннего сгорания для охлаждения или смазки пар трения за счет центробежных сил.
Для решения задачи снижения поверхностей трения, увеличения ресурса работы лопастей и снижения механических потерь по одному из вариантов лопасти могут опираться хвостовиками на опорное кольцо, установленное на внутренней цилиндрической стенке с возможностью окружного перемещения (на подшипниках качения или скольжения), и быть подпружинены хвостовиками относительно выступа планшайбы, что обеспечивает удержание лопастей у внутренней стенки цилиндра и возвратно-поступательное перемещение лопастей относительно друг друга в окружном направлении, а также перемещение по цилиндру с постоянным углом 90° к цилиндрическим стенкам.
По второму варианту лопасти могут устанавливаться хвостовиками в соответствующие дугообразные продольные с радиусными стенками в окружном направлении пазы кольцевого сепаратора, установленного на внутренней цилиндрической стенке цилиндра с возможностью вращения относительно нее. Лопасти устанавливаются в пазах сепаратора с возможностью окружного возвратно-поступательного перемещения. Хвостовики лопастей могут быть подпружинены в пазах сепаратора в окружном направлении с обеих сторон для исключения вибрация при перекладке давлений рабочего тела на лопастях и для создания окружного усилия, облегчающего сближение и расхождение лопастей при перемещении их хвостовиков по пазам сепаратора.
По третьему варианту выступы планшайбы ротора перед каждой лопастью по направлению их рабочего перемещения могут быть снабжены подвижной частью, идентичной по сечению и профилю выступу и взаимодействующей с ним с возможностью окружного относительного перемещения, для чего в выступе или подвижной части выполнен по всей ширине продольный паз с дугообразными соосными ротору стенками, а в подвижной части или выступе соответствующий дугообразный продольный выступ, при этом подвижные части выступа подпружинены в окружном направлении относительно неподвижных выступов планшайбы ротора.
Кроме того, лопасти могут быть выполнены заодно или соединены неподвижным соединением с кольцом в виде рабочего колеса с лопастями (лопатками), установленного на внутренней стенке цилиндра с возможностью окружного перемещения (вращения), при этом выступы планшайбы ротора с каждой стороны в окружном направлении снабжены подвижными частями, идентичными по сечению выступам планшайбы, и взаимодействуют с ними пазами или выступами, для чего, аналогично ранее описанному варианту выполнения выступов планшайбы с подвижными частями, в выступах или подвижных частях выполнен по всей ширине выступа продольный дугообразный в окружном направлении паз или выступ, а в подвижных частях или выступах - соответствующие выступы или пазы, при этом подвижные части в окружном направлении подпружинены относительно выступов планшайбы.
Во всех перечисленных вариантах противоположные концы лопастей выполняются без опорной поверхности и лопасти перемещаются, удерживаемые или пружинами или сепаратором, без контакта с противоположной цилиндрической стенкой цилиндра. На торцах лопастей могут быть выполнены лабиринтные уплотнения.
Указанные выше технические решения обеспечивают также автоматическое устранение зазоров при износе трущихся поверхностей лопастей с вкладышами и вкладышей с дугообразными пазами выступов и соответственно увеличивают ресурс работы турбины в целом.
Стыки планшайбы ротора с торцами цилиндрических стенок цилиндров уплотняются кольцевыми уплотнителями, а стыки выступов планшайбы с торцевыми стенками цилиндров за зоной перепускных каналов уплотняются полукольцами (не показаны).
Максимальная степень расширения рабочего тела в проточной части расширения обеспечивается в первой половине первой полости первого цилиндра, являющейся полостью высокого давления, остальные полости проточной части выполняют функцию перепуска из одной в другую и дорасширения рабочего тела до атмосферного давления.
Потенциальная энергия рабочего тела в расширительных машинах (двигателях) преобразуется в механическую работу максимально в первой половине первой полости проточной части расширения и при дальнейшем его движении по проточной части дополнительно в зонах разобщения перепускных каналов друг от друга, в которых на лопастях создается перепад давления, при этом создаваемый крутящий момент, распределенный в окружном направлении, суммируется на валу ротора.
В проточной частя сжатия, наоборот, с первой рабочей полости до последней осуществляется постепенное сжатие рабочего тела, а во второй половине последней полости обеспечивается бесступенчатое с максимальной степенью сжатие, при этом проточная часть выполняет функцию многоступенчатого компрессора объемного сжатия.
В двигателях внутреннего сгорания часть сжатого в компрессоре воздуха может использоваться для продувки выпускного окна проточной части расширения.
кр
На фиг.1 изображена принципиальная схема 4-цилиндровой турбины, поперечный разрез одного из блоков; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - линейная диаграмма изменения параметров по длине 3-цилиндровой проточной части расширения, где Р - давление, V - объем, R - радиус полости цилиндров, М - крутящий момент, на фиг.4 - принципиальная схема 2-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания (поперечный разрез по второму блоку за планшайбой ротора). На фиг.5 изображен вариант установки лопастей на опорном кольце, где 6 - выступ ротора, 18 - шарнир, 19 - лопасть, 20 - подвижное опорное кольцо, 21 - пружина. На фиг.6 изображен вариант с установкой лопастей в сепараторе, где 18 - шарнир, 19 - лопасть, 22 неподвижный выступ ротора, 23 - подвижный выступ ротора, 24 - сепаратор, 25 - пружина. На фиг.7 изображен вариант с рабочим колесом, где 25 - пружина, 26 - неподвижный выступ ротора 27, 28 - подвижные выступы ротора, 29 - рабочее колесо.
На фиг.8 изображена принципиальная схема варианта турбодвигателя на масляном паре, где 30 - турбина, 31 - кипятильник, 32 - вакуумный насос для откачки атмосферного воздуха из рабочего контура, 33 - емкость с инертным газом, 34 - конденсатор, 35 - вентиль, сообщающий вакуумный насос и рабочий контур, 36 - вентиль, сообщающий емкость с инертным газом и рабочий контур, 37 - насос для подачи масла из конденсатора в кипятильник.
Турбина, фиг.1, 2, содержит два блока 1 и 2, состоящие каждый из двух цилиндров 3 и 4. Между блоками цилиндров установлен ротор с планшайбой 5. На планшайбе 5 для каждого из четырех цилиндров выполнены цилиндрические выступы 6. В продольных пазах выступов установлены лопасти 7. Полости цилиндра 3 сообщаются между собой перепускным каналом 8, полости цилиндра 4 сообщаются перепускным каналом 9, а смежные полости цилиндров в каждом из двух блоков сообщаются перепускными каналами 10, образуя с каждой стороны планшайбы ротора две спиралеобразные проточные части, в первой и последней полостях которых выполнены впускные или выпускные окна (не показаны).
Двигатель, фиг.4, содержит в каждом блоке два цилиндра 3 и 4, полости которых последовательно сообщены перепускными каналами 8, 9 и 10. В цилиндре 4 выполнены выпускное окно 11, впускное окно 12 и дополнительное выпускное 13, сообщающееся перепускным каналом 14 с впускным окном 15 центральной полости цилиндра 3. После впускного окна 15 установлена свеча зажигания 16. В цилиндре 4 в зоне между впускным окном 12 и выпускным 13 установлена форсунка 17 для непрерывной подачи топлива.
Работа многоцилиндровой турбины в качестве теплового двигателя поясняется на варианте двигателя внутреннего сгорания фиг.4.
При запуске двигателя через впускное окно 12 поступает воздух и, сжимаясь в межлопастных объемах, перемещается к выпускному окну 13. Через форсунку 17 впрыскивается непрерывно топливо. Через выпускное окно 13 топливовоздушная смесь по перепускному каналу 14 поступает к впускному окну 15 и через него в зону минимальных межлопастных объемов первой полости центрального цилиндра 3, где она воспламеняется свечой зажигания 16. Продукты сгорания, продолжая движение и расширяясь в увеличивающихся межлопастных объемах, воздействуют на лопасти и приводят во вращение ротор.
Достигнув перепускного канала 8, газы по нему из уменьшающихся межлопастных объемов первой центральной полости цилиндра 3 поступают в увеличивающиеся межлопастные объемы второй его полости. Пройдя зону разобщения друг от друга межлопастных объемов и перепускных каналов, газы, достигнув перепускного канала 10, сообщающего смежные полости цилиндров 3 и 4, поступают из уменьшающихся межлопастных объемов второй полости цилиндра 3 в увеличивающиеся межлопастные объемы первой полости цилиндра 4. Через половину оборота ротора, пройдя очередную зону разобщения, газы через перепускной канал 9 поступают во вторую полость цилиндра 4 и затем, достигнув выпускного окна 11, выходят за пределы проточной части расширения.
Работа паромасляного варианта турбодвигателя фиг.8 осуществляется следующим образом.
Перед запуском двигателя открывается вентиль 35 и вакуумным насосом 32 производится откачка атмосферного воздуха из рабочего контура двигателя. После откачки воздуха вентиль 35 перекрывается и включается кипятильник 31. После образования масляного пара он под высоким давлением поступает из кипятильника в первые полости проточных частей турбодвигателя для расширения. После расширения масляный пар поступает в конденсатор 34 и конденсируется. После охлаждения масло насосом 37 подается в кипятильник 31.
Перед остановкой турбодвигателя кипятильник масла 31 отключается. После охлаждения масла открывается вентиль 36, и рабочий контур двигателя заполняется инертным газом из емкости 33 до давления, несколько превышающего атмосферное давление.
При следующем пуске турбодвигателя, находившегося под избыточным давлением инертного газа, его удаление из рабочего контура путем откачки вакуумным насосом может не производиться.
В зависимости от величины начальных параметров рабочего тела выбирается соответствующее количество цилиндров для проточной части расширения.
При выборе количества и поперечных размеров цилиндров учитывается геометрический прирост объемов полостей цилиндров из-за увеличения их окружной длины, который зависит от величины эксцентриситета ротора, толщины выступов планшайбы, толщины цилиндрических стенок цилиндров, ширины (радиальной) цилиндров.
Многоцилиндровая турбина объемного расширения обеспечивает возможность реализации более эффективных термодинамических циклов с преобразованием непосредственно потенциальной энергии рабочих тел в механическую энергию вращения с использованием для совершения полезной работы всего избыточного давления рабочего тела и почти всей теплоты, и является базовым модулем для создания на ее основе высокоэффективных, экономичных и экологически чистых тепловых двигателей.
Простота и технологичность конструкции с использованием максимально эффективного кинематического механизма, компактная спиралеобразная проточная часть с центробежным характером движения рабочего тела при расширении обеспечивают высокие показатели эффективности, экономичности и совершенства конструкции.
Существенными факторами, обеспечивающими достижение турбодвигателем высоких показателей, является то, что, в отличие от известных двигателей внутреннего сгорания, паровых машин с кривошипно-шатунным механизмом и роторного двигателя Ванкеля, в которых снижающееся при расширении давление рабочего тела создает крутящие моменты через постоянные по величине площади и через появляющееся и исчезающее плечо (радиус кривошипа) и используется не полностью, обеспечивая эффективное давление лишь 20-25% от максимального давления, развиваемого продуктами сгорания, в турбодвигателе снижающееся от центра к периферии давление используется полностью, обеспечивая повышение эффективного давления до 50% от максимального, которое создает равномерно распределенные в окружном направлении крутящие моменты на постепенно увеличивающихся площадях и радиусах, обеспечивая и более эффективное его использование и, соответственно, выигрыш в силе и в общем крутящем моменте на валу ротора.
Уравновешенность в осевом и окружном направлениях, отсутствие возвратно-поступательных перемещений рабочего тела и деталей и узлов в роторном механизме исключают вибрации турбины, а срабатывание избыточного давления рабочего тела до атмосферного давления обеспечивает бесшумный выхлоп.
Большой крутящий момент при минимальных оборотах и, соответственно, момент трогания (низкий скоростной коэффициент), пологие дроссельные характеристики обеспечивают бесступенчатое изменение выходной мощности на валу в широком диапазоне, исключая необходимость применения ступенчатой коробки передач в мобильных объектах.