0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что относится к двигателям внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания

Владельцы патента RU 2258824:

Двигатель внешнего сгорания относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению. Двигатель внешнего сгорания содержит корпус, нагреватель и холодильник, сообщенные с камерой, в которой размещены рабочий вал и ротор с уплотнителями. Камера включает горячую и холодную камеры. Двигатель снабжен накопителем и нагнетателем, последний подает из накопителя смазочно-охлаждающую жидкость в холодную камеру. Нагреватель снабжен обратным клапаном, накопитель с одной стороны сообщен с нагревателем, а с другой стороны — с холодильником. В камере установлен кривошипный вал, ротор размещен в пазу рабочего вала. В центре ротора установлена ось, конец которой входит в отверстие, выполненное в кривошипном валу. Изобретение позволяет повысить эффективность работы двигателя. 3 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателестроению.

Известен двигатель внешнего сгорания, содержащий корпус, нагреватель и холодильник.

Известен также двигатель внешнего сгорания с роторно-эпитрохоидальным механизмом Ванкеля, который можно принять за аналог (Э.Л.Мышинский и др. «Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания». Судостроение, Ленинград, 1976, стр.10). Применение такого механизма позволяет значительно снизить массу и объем двигателя Стирлинга по сравнению с конструкциями, где в качестве привода использованы кривошипно-шатунные или иные механизмы. Конструктивно двигатель включает в себя корпус, выполненный в виде цилиндрической эпитрохоиды и снабженный рубашкой охлаждения. Внутри корпуса совершает планетарное движение трехгранный ротор, установленный на эксцентриковом валу и выполняющий функции поршня. Ротор снабжен радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами и образует герметичные камеры (полости расширения), расположенные между поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса. Вне корпуса двигателя размещены коллекторы, золотниковые клапаны, холодильник, регенераторы и нагреватель. Вершины ротора находятся в постоянном контакте с внутренней поверхностью корпуса, образуя отдельные седловидные камеры (горячая и холодная камеры). Эти камеры, перемещаясь по периметру рабочей поверхности корпуса при сложном вращательном движении ротора, периодически изменяют свой объем. Они изменяют его четыре раза за один оборот ротора. Благодаря этому осуществляется работа двигателя по четырехтактному циклу. Циклы рабочего процесса происходят одновременно во всех трех камерах, но со сдвигом на 120 градусов (Журнал «Катера и яхты», № 2, 1986).

Известен двигатель внешнего сгорания, содержащий корпус, нагреватель и холодильник, сообщенные с камерой, в которой размещены рабочий вал и ротор с уплотнителями, причем последняя включает горячую и холодную камеры (патент США № 4357800, МПК F 02 G 1/06, опубл.1982).

Данной конструкции присущ тот же недостаток, что и вышеуказанной конструкции: процесс охлаждения рабочего тела в холодильнике происходит не вполне эффективно. Между тем известно, что чем больше разница температур в смежных камерах (горячей и холодной), тем больше разница давлений в камерах и тем эффективнее работает двигатель.

Задача изобретения — повышение эффективности работы двигателя за счет увеличения разницы температур в горячей и холодной камерах. Поставленная задача решена тем, что в двигателе внешнего сгорания, содержащем корпус, нагреватель и холодильник, сообщенные с камерой, в которой размещены рабочий вал и ротор с уплотнителями, причем последняя включает горячую и холодную камеры, двигатель снабжен накопителем и нагнетателем, последний подает из накопителя смазочно-охлаждающую жидкость в холодную камеру, нагреватель снабжен обратным клапаном, накопитель с одной стороны сообщен с нагревателем, а с другой стороны соединен с холодильником, в камере установлен кривошипный вал, ротор размещен в пазу рабочего вала, а в центре ротора установлена ось, конец которой входит в отверстие, выполненное в кривошипном валу.

На фиг.1 приведена конструкция двигателя. На фиг.2 — разрез по А-А фиг.1. На фиг.3 приведена форма кривой, которая очерчивает внутреннюю поверхность рабочей камеры, и способ построения данной кривой.

Двигатель внешнего сгорания содержит: 1 — нагреватель, 2 — регенератор, 3 — холодильник, 4 — трубопровод, 5 — обратный клапан, 6 — накопитель, 7 — нагнетатель, 8 — форсунки, 9 — корпус, 10 — ротор, 11 — ось, 12 — кривошипный вал, 13 — рабочий вал, 14 — подшипники скольжения, 15 — уплотнитель. Позицией А обозначена горячая камера, позициями В, С — холодные камеры.

Двигатель внешнего сгорания работает следующим образом:

Нагретое рабочее тело из нагревателя 1 циклически по трубопроводам 4 поступает в горячую камеру А рабочей камеры. Давление в горячей камере повышается, и воздух в камере, расширившись, воздействует на поверхность ротора 10, поворачивая его вокруг своей оси. Ротор, размещенный в пазу D рабочего вала 13, скользит вдоль паза на подшипниках скольжения 14, поворачивает рабочий вал. Одновременно объем холодной камеры В уменьшается и вытесняет рабочее тело (воздух) из своей полости по трубопроводам в холодильник 3. При сжатии рабочего тела в холодной камере давление в ней преобладает над давлением в нагревателе, и остывшее в холодильнике рабочее тело по трубопроводам, пройдя накопитель 6 и обратный клапан 5, вновь поступает в нагреватель. Подача СОЖ осуществляется от горизонтального положения ротора до вертикального поворота ротора. На этом цикл завершается и повторяется в таком же порядке.

Для эффективного охлаждения рабочего тела в холодную камеру подается смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ), которая находится в накопителе. СОЖ подается в камеру нагнетателем 7 через форсунку 8, образуя в камере жидкостно-воздушную смесь. Центробежной силой вращающегося ротора эта смесь вытесняется в холодильник и, охладившись, вновь стекает в накопитель.

Известно, что с возрастанием частоты вращения ротора, возрастает и центробежная сила, прижимающая ротор к стенкам рабочей камеры корпуса 9. Это может привести к ее износу. Чтобы избежать этого, в рабочей камере размещается кривошипный вал 12. При этом возвратно-поступательное движение ротора, расположенного в пазу рабочего вала, передается кривошипному валу через ось 11. В данном случае, это ось, расположенная в центре ротора и жестко связанная с ним. Другой конец оси входит в отверстие, выполненное в кривошипном валу. Таким образом, кривошипный вал принимает на себя нагрузки центробежных сил ротора. То есть, вершины ротора не оказывают давление на стенки рабочей камеры, что уменьшает ее механический износ. Для придания герметичности полостям горячей и холодной камер ротор снабжен уплотнителями 15.

Применение описанного выше способа передачи движения от ротора к кривошипному валу способствует тому, что внутренняя поверхность рабочей камеры очерчивается кривыми линиями, построение которых описывается специальными формулами, выраженными в полярных координатах. Так, кривая АС(СВ) (фиг.3) описывается формулой

а кривая ВЕ(ЕА) описывается формулой

Двигатель внешнего сгорания, содержащий корпус, нагреватель и холодильник, сообщенные с камерой, в которой размещены рабочий вал и ротор с уплотнителями, причем последняя включает горячую и холодную камеры, отличающийся тем, что двигатель снабжен накопителем и нагнетателем, последний подает из накопителя смазочно-охлаждающую жидкость в холодную камеру, нагреватель снабжен обратным клапаном, накопитель с одной стороны сообщен с нагревателем, а с другой стороны соединен с холодильником, в камере установлен кривошипный вал, ротор размещен в пазу рабочего вала, а в центре ротора установлена ось, конец которой входит в отверстие, выполненное в кривошипном валу.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

Читать еще:  Двигатель ej204 расход топлива

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

Также советуем прочитать статью нашего специалиста, в которой он рассказывает о принципе работы и особенностях двигателя Ибадуллаева.

Дополнительно советуем внимательно изучить статью нашего автора, в которой подробно описывается роторно-поршневой двигатель Ванкеля.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.

Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.

Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Читать еще:  R20a двигатель расход масла

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

научная статья по теме ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ C ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Цена:

Авторы работы:

Научный журнал:

Год выхода:

Текст научной статьи на тему «ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ C ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ»

Цивинский С.В., кандидат физико-математических наук, академик Российской академии естественных наук

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ C ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОМ

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, спаренным с электрогенератором, и может быть использовано в качестве электрического привода на транспорте (речные и морские суда, тепловозы, мощные грузовики), а также как электростанция для автономного электроснабжения индивидуальных зданий и небольших поселков. Важной особенностью изобретения является его способность работать на самых разнообразных видах топлива: на сырой нефти, на угле, угольной пыли, на торфе , на дровах и на отходах предприятий лесообрабатывающей промышленности.

Известен двигатель внешнего сгорания [1, 2] (или двигатель с внешним подводом тепла), содержащий рабочий цилиндр с внешним подводом тепла, поршень со штоком, поршень-вытеснитель отработанного рабочего газа и тепловой регенератор газа. В качестве рабочего газа обычно используют водород или гелий при высоких давлениях 10-14 МПа.

Недостатком этого двигателя является сложность его конструкции. Поэтому этот двигатель с внешним подводом тепла не нашел практического применения.

Известны газотурбинные электростанции [3], в которых горящий природный или подобный ему газ с температурой 1300-1400 К через сопла направляют на лопатки газовой турбины (каскад турбин), вращающий электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Недостатком этих электростанций является использование дефицитного газообразного топлива и потому эти электростанции не могут быть основными производителями энергии на тепловых электростанциях.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является газотурбинная электростанция, принятая за прототип [4], работающая на жидком (нефть, мазут) или твердом топливе (уголь, торф, дрова), которая содержит топку котла с расположенными в ней трубами для нагрева сжатого рабочего газа , инертного по отношению к трубам котла (воздух, азот, аргон, гелий), сопла для подачи сжатого горячего газа на лопатки газовой турбины, спаренной с электрогенератором, вырабатывающем электроэнергию, направляемую потребителям в электросеть.

Недостатком этой электростанции является ее неприспособленность работать в качестве источника энергии для мощных движетелей транспорта, питание энергией которых в настоящее время обычно выполняют работающие на дефицитном жидком топливе мощные дизельные двигатели, спаренные с электрогенераторами.

Главная цель настоящего изобретения повысить коэффициент полезного действия и усовершенствовать электростанцию — прототип [4], работающую на дешевом жидком топливе(сырая нефть, мазут) или твердом топливе (уголь, торф), которая могла бы снабжать электроэнергией движетели-электродвигатели крупнотоннажного транспорта, превращая речные и морские суда в электроходы, дизельные тепловозы в электровозы, а мощные грузовики в электромобили.

Побочной целью изобретения является создание в отдаленных районах компактных, автономных, локальных газотурбинных электростанций, работающих на местном топливе (угле, торфе, дровах, отходах лесозаготовок), что значительно ускорит их экономическое развитие и улучшить жизнь местного населения.

Указанная цель достигается благодаря тому, что газотурбинный двигатель внешнего сгорания, для выработки электроэнергии для транспорта и производственных и бытовых нужд, содержащий топку паротрубного котла с расположенными в ней трубами для нагрева рабочего газа (воздуха, азота,аргона, гелия), газовую турбину (или каскад турбин), работающую на этом газе, электрогенератор, присоединенный к газовой турбине, компрессор для подачи

рабочего газа в трубы топки котла и теплоизолированные трубопроводы, отличается тем, что устройство содержит теплообменник, подогревающий рабочий газ, газообразными продуктами горения топлива, направляемый в трубы топки котла, и теплообменник-радиатор (для воздушно-водяного охлаждения рабочего газа до температуры окружающей среды), который соединен с компрессором, работающим от электродвигателя, питаемым электроэнергией при запуске от аккумулятора, а в рабочем режиме от электрогенератора, спаренным с газовой турбиной.

Устройство отличается тем, что при использовании его в качестве двигателя для транспорта , газовая турбина спарена с электрогенератором постоянного тока, который приводит в действие электродвигатель постоянного тока с управляемой скоростью вращения,, вращающий движитель транспорта (гребной винт на судах, колесы для земного транспорта) и двигатель постоянного тока, присоединенный к компрессору, и подзаряжает аккумулятор.

Устройство отличается тем, что при его использовании в качестве автономной электростанции, газовая турбина спарена с трехфазным электрогенератором переменного тока, который питает трехфазный двигатель асинхронный двигатель для привода компрессора и снабжает потребителей электроэнергии трехфазным переменным током, а запуск компрессора осуществляется дополнительным двигателем постоянного тока, подключенного к аккумулятору, подзаряжаемому через полупроводниковый выпрямитель от трехфазного электрогенератора.

Устройство отличается тем, что запуск электростанции осуществляется путем временного подключения асинхронного двигателя компрессора к уже существующей местной электросети трехфазного переменного тока, а после запуска в стационарном режиме этот двигатель может для работы использовать часть энергии трехфазного переменного тока , вырабатываемого электростанцией и направляемой в электросеть.

Способ работы газотурбинного двигателя, вырабатывающего электроэнергию путем первоначального впуска рабочего газа под давлением при его запуске 0,2-5 МПА, адиабатического сжатия в компрессоре до давления 0,4-25 МПа, нагрева газа в трубах топки котла до 800-1400К, направления газа в сопла газовой турбины (каскад турбин), вырабатывающей электроэнергию, отличающийся тем, что отработанный в газовой турбине газ поступает в теплообменник, подогревающий рабочий газ, направляемый в трубы котла, повышая коэффициент полезного действия электростанции, а затем в теплообменник-радиатор воздушно-водяного охлаждения рабочего газа до температуры окружающей среды, после чего газ поступает в компрессор.

Сущность изобретения заключается в том, что газотурбинная электростанция-прототип преобразована в газотурбинный двигатель внешнего сгорания, который может быть использован на крупнотоннажном транспорте (речных и морских судах, тепловозах, мощных грузовиках) используя дешевое топливо (прежде всего, сырую нефть и мазут) и он может заменить дизельные двигатели, использующие дефицитное и более дорогое топливо.

Читать еще:  Электрический топливный насос низкого давления дизельного двигателя 24v

Предлагаемый газотурбинный двигатель внешнего сгорания может также использоваться как автономная, локальная электростанция, работающая на местном дешевом жидком или твердом топливе, заменив используемые для этой цели более дорогие дизельные электростанции.

На рис. 1 изображена схема устройства предлагаемого газотурбинного двигателя внешнего сгорания, используемого для основного применения — источника энергии для крупнотоннажного транспорта.

Устройство содержит кран 1 для впуска рабочего газа в систему, кран 2 для выпуска воздуха или рабочего газа из системы, компрессор 3 для прокачки рабочего газа, паротрубный котел 4 для нагрева рабочего глаза с форсунками 5 для подачи и сгорания жидкого топлива и трубой 6 для отвода газообразных продуктов горения, сопло 7 газовой турбины 8 (каскада турбин), электрогенератор 9 для выработки электроэнергии для потребителей 10, которыми

применительно к транспорту являются электродвигатели, обеспечивающие работу движете-лей (гребные винты для речных и морских судов и колеса для наземного транспорта), аккумулятор 11 для питания двигателя постоянного тока 12, вращающий компрессор 3 при запуске устройства, теплообменник 13, подогревающий рабочий газ теплом отработанного газа, теплообменник-радиатор 14 для воздушного или водяного охлаждения для снижения температуры отработанного рабочего газа приблизительно до комнатной, теплоизолированные газопроводы 15, 16,17, 18, 19, 20, по которым циркулирует рабочий газ.

Работа устройства происходит следующим образом.

Первоначально через открытый кран 1 из баллона впускают рабочий газ (сухой воздух, азот, аргон ) и через открытый кран выпускают воздух ,имеющийся в системе. Далее кран 2 закрывают и далее впускают газ, повышая его давление в системе до значения Р. Затем включают электродвигатель 12,питаемый аккумулятором 11 и запускают компрессор 3 который адиабатически сжимает рабочий и подает газ в топку котла 4. При адиабатическом сжатии давление газа возрастает от Р1 до Р2, а температура от Т1 до Т2. Газ в трубах котла нагревается до температуры Т3 и расширяется при постоянном давлении Р2.. Далее газ через сопло 7 попадает на лопатки газовой турбины (каскад турбин), которая вращает электрогенератор 9, направляющий электроэнергию потребителям 10, которыми в рассматриваемом варианте являются электродвигатели, приводящие в действие движители транспортных устройств (гребные винты кораблей или колеса наземного транспорта).

В газовой турбине рабочий газ адиабатически расширяется, совершая механическую работу , в результате чего давление газа и температура снижаются от Р2 и Т3 до Р3, Т4. Далее горячий газ поступает в теплообменник 13, в котором тепло отработанного газа используют для нагрева очередной порции рабочего газа поступающего в трубы прямоточного котла, что повышает коэффициент полезного действия устройства.

Частично охлажденный рабочий газ из теплообменника 13 поступает в теплообменник-радиатор с водно-воздушным охлаждением, тепло которого можно использовать для отопления здания или для получения горячей воды для бытовых нужд, если предлагаемое устройство используют на корабле или в качестве стационарной электростанции в городе или поселке.

Затем охлажденный рабочий газ с давлением Р1 температурой Т1 из теплообменника-радиатора поступает в компрессор 3, и тепловой цикл первой порции рабочего газа завершается, и аккумулятор 11 от электродвигателя 12 отключают и двигатель

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

Двигатели внешнего сгорания

Важным элементом реализации программы энергосбережения является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла небольших жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инновационные установки для генерации электроэнергии и тепла на основе двигателей внешнего сгорания. В качестве топлива может использоваться как традиционные виды топлива, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.

На протяжении последних 10 лет отмечались повышения цен на ископаемое топливо, повышенное внимание к выбросам СО2, а также растущее желание перестать зависеть от ископаемого топлива и полностью обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития огромного рынка технологий, способных производить энергию из биомассы.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 18-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 18-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 18-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector