Авторские Изобретения РОТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ
РОТОРНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО
СГОРАНИЯ
©
Чантурия И.Г. Чантурия О.Г.
Контакт с автором:
chirog@rambler.ru
Первые тепловые
машины созданные человечеством были
машинами внешнего сгорания. Как правило,
основой преобразования энергии газа во
вращательное движение была кинематика
поршневого двигателя с кривошипно-шатунным
механизмом. После создания двигателей
внутреннего сгорания, сфера применения
двигателей с внешним подводом тепла
значительно сократилась. В последнее время
в связи с развитием технологии, появлением
новых материалов появились перспективы
реализовать потенциальные возможности
двигателей внешнего сгорания.
_____________________________________________________________________
В сущности, пока
есть нефть и газ, двигатели внешнего
сгорания для транспортных средств будут
экзотикой. И не надо строить иллюзий, что
что-то изменится в ближайшие годы. Дай Бог,
если к концу нефтяной эры (лет так через
50-70) появится, хоть какая-то альтернатива
ДВС, сопоставимая с ним по эффективности. А
пока авторы считают, что надо действовать
по принципу — готовь сани летом, и выносят на
рассмотрение следующие варианты
двигателей внешнего сгорания.
Предлагается
следующая схема
преобразования энергии газов во
вращательное движение рис.1. рис. 2 (патент РФ
№ 2387850), когда в неподвижном корпусе
имеющего полости, расположен ротор с
выдвигающими посредством выдвижного
устройства (ВУ), лопатками.
Рис.2
Преобразование
энергии рабочего тела во вращательное
движение происходит следующим образом.
Рабочее тело через впускное окно поступает
в полость перед выдвинутой частью лопатки
ротора, соответствующая поверхность
которой, воспринимая давление перемещает
его, чем осуществляется вращательное
движение ротора. А передняя
грань лопатки выталкивает отработанное
рабочее тело предыдущего такта через
выпускное окно. Процессы происходящие в
других полостях аналогичны и синхронны.
В двигателях, где
предусмотрено изменение агрегатного
состояния рабочего тела (паровая машина),
данный преобразователь является
исполнительной силовой частью.
Исполнительная силовая часть (расширительная
машина), получив нагретое и уже
газообразное рабочее тело, из нагревателя (парогенератора),
через впускные окна, имеющие золотники,
направляет его в рабочую полость и,
преобразовав энергию, отсылает в
конденсатор (холодильник).
В этом случае
можно получить значительные удельные
характеристики.
Так, к примеру, у
двигателя с шестью лопатками, с
максимальным выдвижением последних 50 мм
и высотой в 300мм, при эффективном
давлении 0,3 Мпа и 300 об/мин,(очень
скромные значения) мощность будет около 180
Квт., (245 л.с.), а крутящий момент – 2000 н*м.
А как иначе, если
суммарная максимальная площадь лопаток (элемент
воспринимающий давление) 900 кв.см., что
соответствует поршню диаметром почти 340
мм., при шести рабочих ходов на оборот?
Сам преобразователь- машина расширения (силовая
часть) представляет собою цилиндр
диаметром 600 мм и высотой 550 мм.
А теперь
представьте поршневого собрата, со штоком,
крейцкопфом (двойного действия однако), с
соответствующим кривошипом с
противовесами, и все это должно работать с
частотой 900 об/мин. Сравнить можно и с
шестицилиндровым (диаметр поршня 140 мм)
двойного или двенадцатицилиндровым
простого действия (по крутящему моменту и
приведенной мощности при равных оборотах).
Естественно
парогенератор, а также конденсатор
значительно увеличивают габаритно-весовые
показатели, но это общая беда (или просто
особенность) двигателей внешнего сгорания.
Весомый
недостаток представленных схем двигателей
— это кратно большие линии контакта
сопряженных элементов, и, отсюда, большие
потери на трение.
Для решения этой
проблемы (пока не будут созданы доступные
эффективные антифрикционные материалы)
возможно размещение в торцах лопаток и
перегородках полостей роликов. Замена
трения скольжения на трение качения, с
учетом невысоких значений давления, что
понижает требования к уплотнениям, и при
незначительных оборотах возможно и этим
самым значительно уменьшаются
вышеописанные потери.
И тогда
недостатки могут стать преимуществом –
значительное увеличение площади стенок
рабочих полостей. А
организовать их нагрев, как со стороны
корпуса, так и со стороны ротора, несложно.
Тем самым можно избавиться от отдельного
парогенератора. В начале полостей можно
установить форсунки. В результате вращения
ротора, валики создают разряжение и через
впускные окна, при открытых клапанах (золотниках),
в полости поступают горячие газы (продукты
сгорания топлива, нагревающие стенки
рабочих полостей). Форсунки через
определенное время подают (впрыскивают)
жидкое рабочее тело в полости, при этом
клапана перекрывают впускные окна. В
следствии контакта с горячими стенками
полостей и продуктами сгорания рабочее
тело переходит в газообразное состояние и
совершает работу. А сам двигатель
дополнительно еще выполняет роль
нагнетателя воздуха к горелкам, и при этом
более эффектно используются продукты
горения, участвуя в парообразовании.
Если избавится от
конденсатора (правда уже с потерей КПД),
тогда двигатель “усыхает” до
преобразователя (его габариты мы уже
рассматривали) и устройства обеспечивающее
его нагрев. Ну и емкости с топливом и
рабочим телом.
Такую схему
предпочтительно применить в качестве
двигателя на водонитратном
топливе,
где в переходах (перегородках) или вне
корпуса расположить реактор. Такой
двигатель будет иметь важное преимущество
перед поршневым – иметь возможность
выдерживать значительно большую скорость
увеличения давления. И действительно, газы,
даже ударно воздействуя на обод ротора во
всех полостях, взаимно нейтрализуют
радиальную составляющую на вал ротора.
Отсюда нагрузки ограничиваются не
прочностью конструкции, а прочностью
материала из которого она изготовлена. И
это более чем на порядок выше. А также,
постепенно выдвигающая (отсюда и
постепенно нагружающаяся) лопатка
испытывает максимальную силу давления в
2,5 – 3 раза меньше, чем поршень – при
прочих равных условиях. Ну, а про удельные
характеристики мы говорили выше. Такие
движки можно сходу ставить на торпеды.
Сколь значительный ресурс не нужен, форма
исключительно благоприятная, а удельные
характеристики превосходят двигатели
любой другой конфигурации.
Двигатели,
использующие на всех этапах цикла только
газообразное рабочее тело, (заявка № 2010134547)
составлены из последовательно
расположенных на одном валу преобразователей
(секций — модулей) Si (где i = 1,2…k), каждый
из которых имеет N полостей. Количество
секций — k , соотношение объемов их полостей,
а также расположение зон нагрева и
охлаждения определяет по какому
термодинамическому циклу будет работать
двигатель (Карно, Стирлинга и др.). Процессы,
происходящие в одной из определенной
секции Si, соответствуют только
определенному такту цикла. Все такты цикла
происходят одновременно в своих секциях S, и
за 1/N оборота двигателя. Тем самым
количество секций может быть от трех до
бесконечности. Но с точки зрения здравого
смысла самое привлекательное и
энергетически выгодное, это работа по циклу
Стирлинга – четыре объема с регенераторами.
В качестве
преобразователя (модуля) может служить и
давно известная расширительная машина (рис.3,
рис.4). Работа этого преобразователя с
валиками функционально похожа на
предыдущий (лопаточный) вариант. При этом
валики вращаются без проскальзывания
благодаря зубчатой передачи синхронизации.
Достигнув разделительной перегородки,
валик проходит ее в следующую смежную
полость за счет углубления. А в данную
полость входит последующий валик ротора,
который начинает свое преобразование,
выталкивая своей передней выступающей
поверхностью отработанное рабочее тело
предыдущего такта через выпускное окно.
Такие важные
значения величин, как объем рабочих
полостей, площадь поверхности валика,
воспринимающая давление (также их длина),
зависят от ширины кольца определенной
секции. При этом не меняется общий диаметр
ротора и всех параметров связанных с ним (толщина
полостей, выступ валиков и т.д.), поэтому они
для всех секций одинаковы. Выпускные окна
полостей одной секции S i последовательно
соединены трубопроводами с впускными
окнами другой S i+1 (последующей по циклу). Так,
как в сущности безразлично из какой полости
одной секции S i рабочее тело перейдет в
какую-то конкретную полость последующей (по
циклу) секции S i+1, можно все выходы одной
секции и все входы последующей свести в
единый коллектор кольцевого типа,
охватывающий двигатель. Тем самым можно
уменьшить газодинамическое сопротивление,
а также между определенными секциями
коллектор будет исполнять роль
теплообменника и значительная площадь его
поверхности будет этому способствовать. При
прохождении валиком разделительной
перегородки, он практически одновременно
последовательно перекрывает выпускное и
впускное окна, поэтому в данном варианте
исполнения отпадает необходимость в
клапанном устройстве. Двигатель в
варианте с лопатками более сложен, но он
обеспечивает более высокие (в 2-3 раза)
удельные характеристики, при крайне
незначительном увеличении габаритов.
На рис. 4, рис. 5,
рис.6, представлены общий вид и
функциональная схема
двигателя (вариант с валиками) внешнего
сгорания, реализующий цикл Стирлинга. Он
состоит из двух отделов. Один из отделов
подвергается нагреванию (горячий) — Dh , а
другой охлаждению (холодный) — Dc. Участки
корпуса и ротора, принадлежащие к разным
отделам, должны быть теплоизолированы друг
от друга. Каждый отдел включает в себя по
две секции S с разным объемом полостей (большим
и меньшим). Причем объемы V2 и V3 (рис.4) больших
полостей секций горячего Dh и холодного Dc
отделов и секций с меньшим объемом V1, V4
разных отделов равны между собой
соответственно.
Рис.6
Имеется N
вращающихся кассет Rg
барабанного типа, свободно посаженых на ось
и вставленных, каждая в разрыв двух
трубопроводов: одного идущего от холодного
отдела Dc к горячему Dh; другого — от горячего
к холодному (движение рабочего тела
согласно циклу). Кассеты имеют вставки с
веществом, обеспечивающие процесс
регенерации (регенератор), разделенные
радиальными теплоизоляционными пластинами.
Трубопроводы различных направлений, в
разрез которых вставлена кассета,
диаметрально разнесены относительно ее оси
(или около этого). Тем самым вещество
регенератора нагревается, охлаждая рабочее
тело тракта горячий — холодный отдел и
охлаждается, нагревая рабочее тело тракта
направления холодный — горячий отдел
корпуса, так как в предыдущем такте
соответствующие участки регенератора
находились в разрыве трактов
противоположного направления.
Положительная
работа в данном двигателе совершается в
процессе расширения в горячем отделе под
воздействием результирующей силы,
образованной в зависимости от разности
приведенных площадей (площадей
воспринимающих давление рабочего тела),
выступающих частей валиков или
выдвигающихся лопаток, соответствующих
смежных секций. Отрицательная работа
сжатия в холодном отделе, механические и
газодинамические потери — существенно
меньше.
Выполнение
двигателя (использующего газообразное
рабочее тело во всех фазах цикла), как
комбинацию нескольких преобразователей,
размещенных на одном валу, позволяет задать
термодинамический цикл его работы в
зависимости от количества секций, объемов
их полостей и расположением зон нагрева и
охлаждения (с учетом параметров рабочего
тела, конструкционных материалов, и
используемого топлива). Это показывает
уникальную гибкость системы, способную
реализовывать любые термодинамические
циклы.
Схема позволяет
осуществить однонаправленное движение
рабочего тела, а также обеспечить надежную
герметизацию полостей секций.
Также схему (рис.1,
и рис.2.) можно использовать в виде насоса.
Представленные
схемы и способы преобразования тепловой
энергии позволяют создать двигатели
внешнего сгорания с простой кинематикой и
высокими удельными показателями.
Дата публикации: 17 декабря 2011
Сделать запрос по интересующему вас изобретению
Назад
Источник: //www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11625.html