Адиабатный процесс
Адиабатный процесс.
Процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, называют адиабатным.
Первое начало термодинамики для адиабатного процесса имеет вид: dU+A=0.
При адиабатном процессе работа совершается только за счёт изменения внутренней энергии газа, т.е. pdV= -CVdT, откуда dT=-pdV/CV.
pV =const – уравнение Пуассона. Оно связывает параметры состояния газа при адиабатном процессе.
Тепловые двигатели и холодильные машины.
Тепловой двигатель представляет собой устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую. Энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, путём теплообмена передаётся газу. Газ, расширяясь, совершает работу против внешних сил, приводя в движение механизм.
Любой тепловой двигатель состоит из трёх основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника. По окончании цикла рабочее тело возвращается в свое первоначальное состояние, его внутренняя энергия
принимает начальное значение.
Реальные тепловые двигатели работают по разомкнутому циклу, т.е. после расширения газ выбрасывается, а в машину вводится и сжимается новая порция газа.
Величина =A/Q=(Q1-Q2)/Q1 называется термическим коэффициентом полезного действия для кругового процесса.
Обратимые и необратимые процессы.
Рабочим телом называют термодинамическую систему, совершающую процесс преобразования одной формы энергии в другую.
Процесс называю обратимым, если при завершении его система возвращается в первоначальное состояние, при этом в первоначальное состояние возвращаются все взаимодействовавшие с ней тела.
Процесс, в котором термодинамическая система в конце процесса приходит в первоначальное состояние и параметры, определяющие это состояние, принимают первоначальные значения называют замкнутым (круговым).
Цикл Карно для идеального газа и его кпд.
Равновесным называют процесс, в котором газ проходит ряд следующих друг за другом равновесных состояний.
Цикл Карно это обратимый круговой процесс, состоящий из двух равновесных изотермических и двух равновесных адиабатных процессов, чередующихся между собой.
Второе начало термодинамики.
Второе начало термодинамики определяет направление процессов, происходящих в природе и связанных с превращением энергии.
Превращение теплоты в работу возможно только при наличии нагревателя и холодильника; во всех тепловых машинах полезно используется только часть энергии, передаваемая от нагревателя к холодильнику.
Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может дать КПД, равный единице.
В природе невозможен процесс, единственным результатом которого был бы переход теплоты полностью в работу.
Вечный двигатель второго рода.
Второй закон отрицает возможность использования запасов внутренней энергии какого-либо источника без перевода её на более низкий температурный уровень, т.е. без холодильника. Таким образом, второе начало термодинамики утверждает невозможность построения вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, работающего за счёт охлаждения какого-либо одного тела.
Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Адиабатный двигатель
Адиабатные двигатели являются многотопливными. Объясняется это тем, что при повышении рабочих температур стенок камеры сгорания с 470 до 700 — 1200 С резко снижаются периоды задержки воспламенения и требования к цетановому числу топлива. Иными словами, в адиабатном двигателе можно использовать топливо не нефтяного происхождения-сжиженный уголь, спирты, сжиженные сланцы и т.п., что устраняет зависимость от дефицитной нефти. В экономическом отношении адиабатный двигатель более выгоден не только из-за снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, но и из-за уменьшения уровня шума двигателя в связи с тем, что при высоких температурах снижается жесткость работы. [1]
Кроме того, в адиабатном двигателе возможно применение многих видов топлив, уменьшается выделение вредных составляющих газов и др. Однако отсутствие охлаждения приводит к чрезмерно высокой температуре деталей, образующих камеру сгорания, что затрудняет создание надежной конструкции адиабатного двигателя. [2]
Основные проблемы при создании и широком распространении адиабатных двигателей связаны с преодолением повышенной хрупкости керамики, ее низкой сопротивляемости усталостному разрушению, плохой обрабатываемости. Керамика хорошо работает на сжатие, но слабо сопротивляется растягивающим напряжениям изгиба. Последнее определяет сложность конструирования комбинированных деталей адиабатного двигателя, состоящего из керамического элемента и сопрягаемой с ним металлической основы детали. Проблема сопряжения керамики с металлом детали усугубляется разностью их коэффициентов термического расширения, значения которых у керамики в 3 — 7 раз меньше, чем у металлов. Проблематичной остается пока задача обеспечения смазки трущихся поверхностей цилиндропоршневой группы при повышенных ( 400 — 700 С) температурах стенок: требуется разработка специальных синтетических масел или применение других видов смазки керамических поверхностей, например газовой. [3]
Нитрид кремния также является перспективным материалом для изготовления деталей так называемых адиабатных двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. [4]
Так как расчетные результаты были получены в предположении отсутствия теплообмена ( для условий адиабатного двигателя ), не удалось определить границу между работой в режиме самовоспламенения и появлением пропусков воспламенения. При моделировании в адиабатных условиях установлено, что двигатель имеет склонность к появлению пропусков воспламенения при повышенных частотах вращения коленчатого вала, так как в этом случае сокращается время, необходимое для того, чтобы смесь прореагировала. [5]
Кроме того, в адиабатном двигателе возможно применение многих видов топлив, уменьшается выделение вредных составляющих газов и др. Однако отсутствие охлаждения приводит к чрезмерно высокой температуре деталей, образующих камеру сгорания, что затрудняет создание надежной конструкции адиабатного двигателя . [6]
Адиабатные двигатели являются многотопливными. Объясняется это тем, что при повышении рабочих температур стенок камеры сгорания с 470 до 700 — 1200 С резко снижаются периоды задержки воспламенения и требования к цетановому числу топлива. Иными словами, в адиабатном двигателе можно использовать топливо не нефтяного происхождения-сжиженный уголь, спирты, сжиженные сланцы и т.п., что устраняет зависимость от дефицитной нефти. В экономическом отношении адиабатный двигатель более выгоден не только из-за снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, но и из-за уменьшения уровня шума двигателя в связи с тем, что при высоких температурах снижается жесткость работы. [7]
Основные проблемы при создании и широком распространении адиабатных двигателей связаны с преодолением повышенной хрупкости керамики, ее низкой сопротивляемости усталостному разрушению, плохой обрабатываемости. Керамика хорошо работает на сжатие, но слабо сопротивляется растягивающим напряжениям изгиба. Последнее определяет сложность конструирования комбинированных деталей адиабатного двигателя , состоящего из керамического элемента и сопрягаемой с ним металлической основы детали. Проблема сопряжения керамики с металлом детали усугубляется разностью их коэффициентов термического расширения, значения которых у керамики в 3 — 7 раз меньше, чем у металлов. Проблематичной остается пока задача обеспечения смазки трущихся поверхностей цилиндропоршневой группы при повышенных ( 400 — 700 С) температурах стенок: требуется разработка специальных синтетических масел или применение других видов смазки керамических поверхностей, например газовой. [8]
Адиабатные двигатели являются многотопливными. Объясняется это тем, что при повышении рабочих температур стенок камеры сгорания с 470 до 700 — 1200 С резко снижаются периоды задержки воспламенения и требования к цетановому числу топлива. Иными словами, в адиабатном двигателе можно использовать топливо не нефтяного происхождения-сжиженный уголь, спирты, сжиженные сланцы и т.п., что устраняет зависимость от дефицитной нефти. В экономическом отношении адиабатный двигатель более выгоден не только из-за снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, но и из-за уменьшения уровня шума двигателя в связи с тем, что при высоких температурах снижается жесткость работы. [9]
Экономное расходование топлива имеет очень важное народнохозяйственное значение. На улучшение экономичности ДВС направлено совершенствование рабочего процесса, уменьшение механических потерь и потерь теплоты. В связи с этим получают распространение теплоизолирующие покрытия поверхностей деталей, образующих камеру сгорания. Поскольку в ДВС до 30 % теплоты, введенной с топливом, отводится в охлаждающую среду, актуальной задачей является создание адиабатного двигателя . [10]
Адиабатный двигатель казанцева
Владельцы патента RU 2256809:
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Адиабатный двигатель Казанцева повышает абсолютный КПД на 15-25% за счет увеличения количества тепла, преобразуемого в механическую работу. В адиабатном двигателе на картере 1 смонтирован цилиндр 2, охлаждаемый водой 3, циркулирующей в водяной рубашке 4. Через теплоизоляционную прокладку 5 на цилиндре 2 закреплен фальшцилиндр 6 с впускным 7 и выпускным 9 клапанами и форсункой 8. Фальшцилиндр 6 с фальшпоршнем 10 имеют низкую теплопроводность и совместно образуют горячую камеру переменного объема 11. Между цилиндром 2 и фальшпоршнем 10 имеется компенсационный зазор 12. Теплоизоляционная прокладка 14 изолирует горячий фальшпоршень 10 от холодного поршня 15, несущего компрессионные кольцы 16. Холодный поршень 15 взаимодействует с холодным цилиндром 2 и с помощью компрессионных колец 16 обеспечивает компрессию в камере 11. Поршень 15 передает механическую работу потребителю посредством шатуна 17 и коленчатого вала 18. Низкая теплопередача фальшцилиндра 6 и фальшпоршня 10, а также отсутствие их охлаждения обуславливают термический процесс расширения рабочего тела в камере 11 адиабатным. Изобретение обеспечивает повышение КПД за счет более полного преобразования тепловой энергии в механическую работу. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, который состоит из оребренного снаружи цилиндра, поршня, взаимодействующего с коленчатым валом через шатун, головки цилиндров с клапанами, управляющими впуском и выпуском рабочего тела, вентилятора, отнимающего часть тепла от рабочего тела через обдуваемую им оребренную поверхность цилиндра.
Поршень снабжен компрессионными кольцами и взаимодействует в работе с цилиндром посредством бокового трения на всей длине рабочей (горячей) камеры. Недостаток этого двигателя состоит в том, что вентилятор, обдувая цилиндр в районе рабочей камеры, отнимает у нее около 25-35 процентов тепла, произведенного рабочим телом. Это охлаждение необходимо для предотвращения перегрева и заклинивания поршня внутри цилиндра, в районе рабочей камеры (Е.В.Михайловский и др. Автомобили. М.: Машиностроение, 1968, с.88, 89 “Воздушное охлаждение”).
Известен двигатель внутреннего сгорания (прототип), который состоит из цилиндра, омываемого снаружи охлаждающей водой, поршня, взаимодействующего с коленчатым валом через шатун, головки цилиндра с клапанами, управляющими впуском и выпуском рабочего тела. Этот двигатель позволяет более стабильно удерживать тепловой режим стенок трущихся пар в районе рабочей камеры. Недостаток такого двигателя состоит в том, что вода, омывающая стенки вокруг рабочей камеры, отнимает у нее те же 25-35 процентов тепла, произведенного рабочим телом (то же, с.70-74 “Жидкостная система охлаждения”, рис.58).
Известен двигатель внутреннего сгорания, стенки рабочей камеры которого изнутри выстланы пористыми вставками. Через пористые вставки внутрь рабочей камеры подается вода. Под действием высокой температуры сгорания рабочего тела вода испаряется и образует паровую рубашку внутри рабочей камеры. Такое устройство двигателя позволяет, благодаря паровой рубашке внутри цилиндра, осуществить низкотемпературный тепловой режим работы пар трения без применения водяного или воздушного наружного охлаждения. Термодинамический процесс расширения рабочего тела в этом двигателе является адиабатным.
Недостаток этого двигателя состоит в том, что пар продолжает поступать в рабочую камеру и во время такта наполнения. Это уменьшает объем всасываемого рабочего тела, а следовательно, мощность и КПД двигателя (патент США 4281626, F 02 M 25/02, 1981).
Целью изобретения является повышение КПД за счет более полного преобразования тепловой энергии в механическую работу.
Эта цель достигается благодаря тому, что адиабатный двигатель включает возвратно-поступающий поршень, взаимодействующий с цилиндром, рабочую камеру переменного объема, систему впуска и выпуска рабочего тела, при этом поршень и цилиндр надстроены соответственно фальшпоршнем и фальшцилиндром, при этом фальшпоршень выполнен так, что в работе он не соприкасается ни с фальшцилиндром, ни с цилиндром. Кроме того, фальшцилиндр снаружи имеет тепловую изоляцию, предотвращающую перенос тепла через его стенки охладителю (атмосфере). Фальшцилиндр через теплоизоляционную прокладку смонтирован на цилиндре. Фальшпоршень через теплоизоляционную прокладку смонтирован на поршне.
Такое устройство двигателя позволяет обойтись без охлаждения стенок рабочей камеры, т.к. в ее пределах нет трущихся деталей, которые могли бы заклиниться от перегрева. Это сохраняет и превращает в механическую работу дополнительно около 20 процентов тепла. Подобного решения в известных двигателях не обнаружено. Таким образом предложенное техническое решение соответствует критерию “Новизна”. Анализ известных технических решений в области поршневых двигателей возвратно-поступательного действия позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение на 15-25 процентов сокращает потери тепла через стенки рабочей камеры и, соответственно, уменьшает мощность системы охлаждения. Это повышает КПД двигателя на 15-25 процентов, в сравнении с прототипом и упрощает систему охлаждения. Это представляет собой определенный шаг в развитии техники, т.е. обуславливает предложенному решению соответствие критерию “Изобретательский уровень”.
На чертеже изображена схема поршневого двигателя внутреннего сгорания возвратно-поступательного действия.
Двигатель содержит картер 1, смонтированный на нем цилиндр 2, омываемый охлаждающей его водой 3, циркулирующей в водяной рубашке 4. На цилиндре 2 смонтирован через теплоизоляционную прокладку 5 фальшцилиндр 6, который имеет низкую теплопроводность и несет на себе впускной клапан 7, форсунку 8 и выпускной клапан 9. Внутри цилиндра 2 размещен фальшпоршень 10, который совместно с фальшцилиндром 6 образует рабочую камеру изменяемого объема 11. Фальшпоршень 10 имеет низкую теплопроводность. При этом в работе он не контактирует ни с цилиндром 2, ни с фальшцилиндром 6, что достигнуто благодаря образованному между ними тепловому зазору 12.
Фальшпоршень 10 через теплоизоляционную прокладку 14 смонтирован на поршне 15,который несет на себе компрессионные кольцы 16 и через шатун 17 взаимодействует с коленчатым валом 18.
Работа двигателя осуществляется следующим образом.
Коленчатый вал 18 вращается по часовой стрелке и приближается к нижней мертвой точке. Выпускной клапан 9 открывается и через него из рабочей камеры 11 выпускаются продукты сгорания. Давление в камере 11 падает. Коленчатый вал продолжает вращаться. Поршень 15 поднимает фальшпоршень в положение, близкое к верхней мертвой точке. Открывается впускной клапан 7. Продолжая вращаться, коленчатый вал 18 опускает поршень 15 совместно с фальшпоршнем 10. В камере 11 создается разряжение. Выпускной клапан 9 закрывается. Свежий воздух заполняет камеру 11 через впускной клапан 7. Пройдя нижнюю мертвую точку, коленчатый вал 18 поднимает вверх поршень 15 с фальшпоршнем 10. Впускной клапан 7 закрывается. Объем воздуха в камере 11 уменьшается, а давление и температура увеличиваются. В конце сжатия давление воздуха поднимается до 5-8 МПа, а температура до 600-800 градусов по Цельсию. Через форсунку 8 в сильно нагретый воздух впрыскивается топливо, которое нагревается, воспламеняется и сгорает. Давление в камере 11 увеличивается до 8-15 МПа, а температура-до 2000 — 2700 градусов и выше. Продукты сгорания давят на фальшпоршень 10, перемещают его к нижней мертвой точке, а он через посредство поршня 15 и шатуна 17 перемещает к нижней мертвой точке коленчатый вал 18. Осуществляется рабочий ход. После чего цикл повторяется. Компрессия в камере 11 достигается благодаря взаимодействию поршня 15 с цилиндром 2 через посредство компрессионных колец 16. В процессе рабочего хода фальшцилиндр 6 и фальшпоршень 10 сильно нагреваются и расширяются.
Фальшпоршень 10 имеет диаметр несколько меньше, чем диаметр поршня 15, что образует между фальшпоршнем 10 и цилиндром 2 и фальшцилиндром 6 тепловой зазор 12, который компенсирует тепловое расширение фальшпоршня 10 и фальшцилиндра 6. Таким образом, предотвращается их заклинивание при высоких температурах в камере 11, т.к. отсутствует трение между ними. Цилиндр 2 отнесен от зоны высоких температур фальшцилиндром 6, как и поршень 15 от горячей камеры 11 — фальшпоршнем 10. Кроме того, фальшпоршень 10 и фальшцилиндр 6 выполнены из материала, имеющего низкую теплопроводность, а соединение их с поршнем и цилиндром соответственно осуществлены через теплоизоляционные прокладки 14 и 5. В районе трения поршня 15 цилиндр 2 снабжен водяной рубашкой 4 и охлаждается водой 3, что позволяет двигателю регулировать тепловой режим в зоне трения поршня 15. Тепловой зазор 12 зависит от диаметра цилиндра, температуры и коэффициента линейного расширения материала фальшпоршня и составляет менее одного процента от объема камеры 11. Следовательно, этим видом нагрева цилиндра 2 можно пренебречь, контактная передача тепла цилиндру 2 через теплоизоляционные прокладки 5 и 14 и от уже охлажденного маслом поршня 15 так же мала. Следовательно, потребная мощность водяного охлаждения составляет не более пятой доли от мощности водяного охлаждения у прототипа. С целью сокращения потери тепла через стенки фальшцилиндра 6 и обеспечения требований техники безопасности он снаружи имеет тепловую изоляцию 19. Таким образом процесс сгорания и расширения рабочего тела в предлагаемом двигателе происходит практически без отвода тепла холодильнику, что переводит работу двигателя с политропного процесса расширения на адиабатный. При этом количество тепла, превращаемого в механическую работу, увеличивается на 15-25 процентов. КПД двигателя увеличивается на эти же 15-25% абсолютных.
1. Адиабатный двигатель, включающий возвратно-поступающий поршень, взаимодействующий с цилиндром, рабочую камеру переменного объема, систему впуска и выпуска рабочего тела, отличающийся тем, что поршень и цилиндр надстроены соответственно фальшпоршнем и фальшцилиндром, при этом фальшпоршень выполнен так, что в работе он не соприкасается ни с фальшцилиндром, ни с цилиндром.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фальшцилиндр снаружи имеет тепловую изоляцию.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что фальшцилиндр через теплоизоляционную прокладку смонтирован на цилиндре.
4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что фальшпоршень через теплоизоляционную прокладку смонтирован на поршне.
Тепловые двигатели ХХI века: адиабатный газопаровой турбодвигатель полного объемного расширения
Газопаровой турбодвигатель является гибридным устройством, включающим роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, к которому для обеспечения непрерывного рабочего газопарового цикла и полного расширения газопаровой смеси пристроена соответствующая расходу его рабочего тела турбина объемного расширения.
Между блоками концентрично установлен ротор. На боковых его поверхностях для эксцентричных цилиндров находятся кольцевые выступы с цилиндрическими каналами, в которых на шарнирах устанавливаются лопасти. Для концентричных кольцевых цилиндров в роторе выполнены цилиндрические выступы с перепускными каналами, аналогичные выступам ротора турбины объемного расширения.
Эксцентричный цилиндр блока сообщается перепускными каналами с кольцевой полостью-ресивером, выполняющим функцию газопарогенератора. Ресивер сообщается впускными окнами с турбинной частью турбодвигателя.
В кольцевой стенке, разделяющей эксцентричный цилиндр и ресивер, выполнена рекуператорная полость, вход которой сообщается с источником испаряющейся жидкости, а выход – с полостью по меньшей мере одного перепускного канала, сообщающего эксцентричный цилиндр с ресивером. (Рекуперация – возвращение части материала или энергии, расходуемых в технологическом процессе, для повторного использования).
Составляющие конструкции
Турбоэлектрогенератор содержит два блока кольцевых цилиндров, между которыми концентрично установлен ротор.
В каждом блоке, в центре, находится эксцентричный кольцевой цилиндр. За ним, в радиальном направлении, – кольцевой ресивер (сосуд для скапливания газа или пара). Цилиндр и ресивер сообщаются между собой перепускными каналами. В блоке созданы кольцевые выступы и между ними перепускные каналы. В ресивере также расположен экран.
В цилиндрической стенке ресивера созданы впускные окна. В торцевой стенке блоков также находятся впускные окна, канал для подачи топлива, канал для подачи воды в полость рекуператора, камера сгорания и резьбовой канал для свечи зажигания.
Ротор содержит концентричные кольцевые выступы, между которыми расположены сквозные цилиндрические каналы для шарниров. В продольных пазах шарниров установлены лопасти, подпружиненные относительно внутренней кольцевой стенки выступа пружинами (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.
Кольцевые выступы последних ступеней ротора созданы в виде постоянных магнитов, при этом в торцевых стенках статоров, аксиально (аксиальный – осевой) магнитам ротора, установлены обмотки индуктивности, образуя два электрогенератора.
Обмотки индуктивности статора могут быть выполнены во внешней цилиндрической стенке статоров, также образуя два электрогенератора радиального типа (как вариант).
Электрогенератор может быть использован в качестве стартера турбодвигателя с питанием от аккумулятора небольшой мощности.
В цилиндрической стенке последнего цилиндра статоров находятся выпускные окна, сообщающие проточные части турбодвигателя с выпускным коллектором, и выпускные окна, сообщающие коллектор с атмосферой и сборником конденсата (на рисунке не показан).
Для многократного использования в рабочем цикле воды (конденсата) турбодвигатель содержит питательный насос, сообщающий сборник конденсата с ресивером через каналы блоков и приводимый непосредственно турбодвигателем (не показан).
Особенности расположения элементов
После сборки турбодвигателя кольцевые выступы ротора с лопастями располагаются в эксцентричных цилиндрах статоров, образуя в каждом две полости неравномерного поперечного сечения с впускными окнами – компрессорную, первую от центра, и вторую, основную, полость сжатия. Полости сообщаются между собой перепускным каналом, выполненным на внутренней торцевой стенке цилиндра.
Как и в турбине, остальные ряды кольцевых выступов ротора располагаются между рядами кольцевых выступов блоков, и, соответственно, ряды кольцевых выступов блоков располагаются между кольцевыми рядами выступов ротора. Чередуясь, они образуют ступени объемного расширения.
В блоках могут быть установлены клапаны, обеспечивающие открытие, закрытие или регулировку проходного сечения впускных окон в стенках ресивера с целью изменения режимов работы турбодвигателя или оптимизации работы его двигательной и турбинной частей.
В перепускных каналах цилиндрических выступов блоков и ротора для повышения эффективности реактивных импульсов могут быть выполнены, по меньшей мере, одна или несколько плоских тонкостенных лопаток, равномерно расположенных по их поперечному сечению и параллельно их стенкам.
Ротор турбодвигателя устанавливается в статорах на двух радиально-упорных шариковых подшипниках или, при повышенном рабочем давлении, на двух радиальных и двух упорно-осевых.
Для обеспечения работы только турбинной части двигателя от внешнего источника рабочего тела ротор может быть сделан из двух частей – двигательной и турбинной, взаимодействующих друг с другом посредством блокируемой обгонной муфты. При этом в торцевых стенках блоков создаются каналы для подачи рабочего тела в ресиверы и клапаны-задвижки, перекрывающие перепускные каналы между эксцентричными полостями блоков и ресиверами. При работе турбинной части турбодвигателя от внешнего источника рабочего тела (газа или пара) его двигательная часть остается неподвижной.
Для исключения потерь тепла в окружающую среду и обеспечения относительно нее полной адиабатности газопарового рабочего цикла вся поверхность турбоэлектрогенератора покрывается теплоизоляционным чехлом (адиабатность – термодинамический процесс, при котором система не обменивается тепловой энергией с окружающим пространством).
Три этапа рекуперации
В адиабатном газопаровом турбодвигателе при гибридизации газового цикла с паровым обеспечивается три этапа прямой рекуперации. Две неконтактные, с передачей тепла воде через рекуператор от топливовоздушной смеси при сжатии и избыточного тепла после воспламенения, высокотемпературного горения и частичного расширения воды 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 избыточном переливе воды в газы начало конденсации пара может произойти в проточной турбинной части турбодвигателя, при этом теплота конденсации пара возвращается газу, повышая его парциальное давление и работоспособность (обратная рекуперация).
На рис. 2 ротор изображен в положении заполнения рабочим телом перепускных каналов первого ряда ротора и создания во всех остальных сообщенных перепускных каналах ротора и блоков рабочих импульсов – заряды блоков толкают ротор.
На рис. 3 ротор изображен в положении создания во всех сообщенных перепускных каналах ротора и блоков рабочих импульсов – отталкивания выбрасываемыми из его перепускных каналов зарядами от блоков. В последней ступени ротора при этом осуществляется выхлоп рабочего тела из перепускных каналов последней ступени ротора через выхлопные окна в выхлопной коллектор.
Принцип работы
Работа турбодвигателя осуществляется следующим образом.
При запуске турбодвигателя в начальный период вращения ротора лопасти, проходящие мимо впускных окон компрессорной полости и полости сжатия, отсекают атмосферный воздух и начинают его сжимать в уменьшающихся межлопастных объемах. После прохождения лопастями впускного окна полости сжатия в межлопастные объемы из компрессорной полости перепускается воздух по перепускному каналу цилиндра, и непрерывно, через форсунку впрыскивается топливо.
При достижении камеры сгорания топливовоздушная смесь воспламеняется калильной свечей зажигания, установленной в резьбовом канале. При дальнейшем движении ротора осуществляется объемное бесступенчатое расширение газов с созданием вращающего момента. При достижении лопастями перепускных каналов между цилиндром и ресивером газы через них поступают в ресивер. Одновременно в газы, проходящие по этим каналам, впрыскивается нагретая вода, прошедшая предварительно по рекуператору. При этом за счет теплоты высокотемпературных газов в ресивере образуется газопаровая смесь.
Из ресивера образовавшаяся газопаровая смесь поступает через впускные окна в турбинную часть турбодвигателя, работа которой описана выше.
При пуске холодного турбодвигателя его выход на рабочий режим газового цикла от начала впуска воздуха и прохождения газов по двигательной и турбинной проточным частям до выпускных окон (выхлопа) составляет не более 2 оборотов ротора. После прогрева и поступления в газы воды турбодвигатель выходит на газопаровой режим работы с максимальной эффективностью рабочего цикла.
Количество импульсов
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 в двух блоках.
Изображенный на рисунках вариант турбодвигателя содержит два блока с восемью перепускными каналами в каждом и ротор с восемью перепускными каналами с каждой стороны, с тремя ступенями отталкивания ротора и с тремя ступенями толкания ротора в двух блоках. Таким образом, общее количество (n) рабочих импульсов только за один оборот ротора составит:
n = 2 х 8 х 8 х 6 = 768 импульсов.
Регулировка мощности турбоэлектрогенератора, в зависимости от вырабатываемых им видов энергии, может осуществляться изменением расхода топлива и расхода воды. С обеспечением, в зависимости от теплотворной способности топлива, генерации для турбинной части газопаровой смеси с минимальной влажностью – для достижения максимальной механической и, соответственно, электрической мощностей, или с максимальным переувлажнением газопаровой смеси – для максимальной выработки тепловой энергии в виде горячего конденсата.
Синергетические эффекты
Гибридное конструктивное исполнение турбодвигателя и реализуемый им непрерывный гибридный газопаровой термодинамический цикл полного объемного расширения обеспечат несколько синергетических эффектов:
1. Снижение количества деталей: один ротор, подшипники и два статора одновременно используются для 3 двигателей: двигателя внутреннего сгорания, турбины и электрогенераторов.
2. Выступы последней ступени ротора, выполненные в виде постоянных магнитов, выполняют одновременно две функции – ступени расширения турбины, обеспечивающей создание крутящего момента и магнитов электрогенератора.
3. 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 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 % и эффективный – не менее 90%.
Использование давления
Генерация в гибридном газопаровом цикле дополнительного давления пара за счет не используемой в известных типах двигателей внутреннего сгорания теплоты газов и наиболее рациональное радиальное расширение рабочего тела с ростом радиуса и площади, воспринимающей давление рабочего тела, а также полное, до атмосферного, использование давления обеспечат максимально возможный эффективный КПД (не менее 90 процентов).
Это происходит с учетом того, что механические потери и связанный с ними отрицательный момент для трех двигателей (ДВС, турбина, электрогенераторы) будут иметь место только в двигательной части турбодвигателя на малых радиусах. Это 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.
Совпадение моментных характеристик газопарового турбодвигателя и синхронно работающего с ним электрогенератора обеспечит с минимальных оборотов турбоэлектрогенератора большой крутящий момент, что, при его использовании в качестве силовой установки в транспортных средствах, исключит необходимость использования тяжелых дорогостоящих аккумуляторов.
Большой крутящий момент турбодвигателя дает эквивалентную известным тепловым двигателям мощность при значительно меньшем числе оборотов, что следует из формулы мощности.
Если известные поршневые и роторно-поршневые двигатели обеспечивают среднее эффективное давление лишь 20 процентов от начального, то турбодвигатель полного расширения обеспечит до 50 процентов, то есть в два с половиной раза больше.
От авто до вертолетов
В комбинации с многотопливным парогенератором и подачей пара в турбинную часть турбоэлектрогенератора (вариант) обеспечивается генерация механической, электрической и тепловой энергии с использованием твердых органических видов топлива – без использования жидкого и газообразного углеводородного топлива, – или биотоплива, что повышает универсальность использования турбодвигателя.
Максимально возможное использование в рабочем цикле теплоты для генерации давления, полное, до атмосферного, его использование 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.
Уступят место газопаровому турбодвигателю и так называемые ошибочно «гибридными» дорогостоящие, габаритные и низкоэффективные силовые установки для автомобилей, резко усложненные по конструкции для продолжения бессмысленной реанимации коленвала из XVIII века. Вместо четырех основных компонентов – поршневой ДВС, электрогенератор, электромоторы, аккумулятор, которые входят в состав автомобильных «гибридов», достаточно одного турбоэлектрогенератора объемного расширения, обладающего пусковыми и тяговыми характеристиками электродвигателя и небольшого, обычного нетягового, аккумулятора для пуска электрогенератором, работающим в режиме стартера.
Резко улучшит летные и технические характеристики использование турбодвигателя на вертолетах. В авторском патенте защищен вариант турбодвигателя с независимо работающими роторами, что требуется для вертолета с двухвинтовой схемой. Увеличится дальность полета без дозаправки и полезная нагрузка.
Дискоообразная форма турбодвигателя позволяет установить его в кардановом подвесе, как устанавливаются камеры ракетных двигателей и практически к центру масс с изменением направления тяги винтов непосредственно поворотом самого двигателя, что резко бы повысило маневренность.
