Спосіб перетворення енергії згоряння пального на механічну енергію та тепловий двигун татієвського для його здійснення

Группа изобретений относится к способам преобразования энергии сгорания топлива в механическую энергию и тепловым двигателям с разделением термодинамического цикла на высокои низкотемпературный этапы с независимыми параметрами одного этапа от параметров другого и может быть использована в энергетике, транспорте, двигателестроении. Известен способ преобразования энергии сгорания топлива в механическую энергию, включающий сжигание топлива в камере сгорания и преобразование энергии продуктов сгорания в механическую энергию на выходном валу двигателя. Обеспечение высокого КПД преобразования энергии требует высокой температуры продуктов сгорания, а высокие механические нагрузки на элементы преобразования энергии продуктов сгорания в механическую энергию обуславливают противоположное требование из соображений прочности. Непосредственное же использование продуктов сгорания в качестве рабочего тела в преобразователе их энергии в механическую обуславливает однозначную зависимость параметров этапа сжигания топлива и параметров этапа преобразования энергии продуктов сгорания в механическую, что исключает возможность обеспечения оптимальных параметров обеих этапов. В основу изобретения поставлена задача создания способа преобразования энергии сгорания топлива в механическую энергию, в котором путем смешивания продуктов сгорания с веществом подавления температуры и преобразования энергии смеси в механическую энергию на выходном валу двигателя достигнуто разделение цикла на высокотемпературный и низкотемпературный этапы с обеспечением большой степени независимости параметров одного цикла от другого, что позволит осуществить каждый из этапов цикла при оптимальных для него параметрах. Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования энергии сгорания топлива в механическую энергию, включающем сжигание топлива в камере сгорания и получения механической энергии, согласно изобретению, полученные в результате сгорания топлива продукты сгорания смешиваются с веществом подавления температуры с получением смеси с массовым соотношением между веществом подавления температуры и продуктов сгорания в диапазоне 1 - 7, а механическую энергию получают путем преобразования в нее энергии указанной смеси. Смесь вещества подавления температуры с продуктами сгорания топлива в вышеуказанном массовом соотношении представляет собой промежуточное рабочее тело, отличающееся от рабочего тела в виде продуктов сгорания большей массой и меньшей температурой и скоростью движения, но имеющее то же количество энергии и то же давление. При этом, изменяя массовое соотношение между обоими указанными компонентами смеси, можно в широких пределах варьировать температурой и скоростью движения промежуточного рабочего тела. Это позволяет разделить термодинамический цикл двигателя на два этапа: высоко- и низкотемпературный с большей степенью независимости параметров одного цикла от параметров другого и, следовательно, осуществить каждый из циклов при оптимальных для него параметрах. Известен тепловой двигатель, содержащий камеру сгорания, например, в виде надпоршневого пространства в цилиндре или кольцевой камеры газотурбинного двигателя, с системами подачи топлива и воздуха, зажигания и выпуска продуктов сгорания, а также преобразователь энергии продуктов сгорания в механическую в виде, например, связанного с коленвалом поршня или турбины. В подобного вида двигателях продукты сгорания непосредственно используются для получения механической энергии, что обусловливает высокие тепловые нагрузки на подвижные элементы преобразователя энергии продуктов сгорания в механическую, например на поршень, маслосъемные и уплотнительные кольца, лопатки турбины. Это, в свою очередь, обусловливает необходимость снижения температуры в камере сгорания или работу механически нагруженных элементов преобразователя энергии продуктов сгорания в механическую энергию при высоких термических нагрузках. В основу изобретения поставлена задача создания теплового двигателя, в котором за счет введения между камерой сгорания и преобразователем энергии продуктов сгорания в механическую энергию, камеры подавления температуры, обеспечивается возможность сочетания в двигателе камеры сгорания, элементы которой не нагружены механически и низкотемпературного преобразователя энергии продуктов сгорания в механическую, элементы которой не нагружены термически. Поставленная задача решается тем, что тепловой двигатель, содержащий камеру сгорания, а также преобразователь энергии продуктов сгорания в механическую энергию, согласно изобретению, снабжен камерой подавления температуры, установленной между камерой сгорания и преобразователем энергии продуктов сгорания в механическую энергию и соединенной с ними через клапаны перепада давления, а указанный преобразователь выполнен в виде одного или нескольких вторичных двигателей. Введение в двигатель камеры подавления температуры с системой подачи в нее вещества подавления температуры, соединенной вышеуказанным образом с камерой сгорания и преобразователем энергии продуктов сгорания в механическую, позволяет образовать промежуточное рабочее тело с теми же давлением и количеством энергии, что и продукты сгорания, но с меньшими температурой и скоростью движения, причем последние параметры можно изменять в широких пределах, изменяя массовое соотношение между веществом подавления температуры и продуктами сгорания. Это обеспечивает разделение, термодинамического цикла двигателя на высоко- и низкотемпературный этапы с большей степенью независимости параметров одного этапа от параметров другого, что, в свою очередь, обеспечивает возможность сочетания в двигателе высокотемпературной камеры сгорания, элементы которой не нагружены механически, и низкотемпературного преобразователя энергии продуктов сгорания в механическую, элементы которого не нагружены термически. Камера сгорания может быть помещена в камеру подавления температуры, а клапан перепада давления между этими камерами может быть выполнен с радиальными соплами, выходящими на боковую поверхность клапана, и осевым каналом с открытым концом, соединенным с системой подачи вещества подавления температуры, а другим концом - с радиальными соплами. При этом на входе камеры сгорания может быть расположена соединенная с системой подачи воздуха воздушная камера, соединенная с камерой сгорания расширяющейся в сторону последней каналом, в котором установлен подпружиненный в сторону от камеры сгорания клапан с радиальными выходящими на боковую поверхность клапана соплами и осевым каналом, соединенным открытым концом с системой подачи топлива, а другим - с радиальными соплами, система подачи вещества подавления температуры может быть снабжена емкостью для этого вещества, нижней частью соединенной с осевым каналом вышеуказанного клапана и снабженной горловиной, соединенной с системой подачи воздуха, в указанную емкость может быть помещен соединенный с осевым каналом клапана между воздушной камерой и камерой сгорания топливный бак с открытой горловиной, выступающей над поверхностью вещества подавления температуры. Выходящие из камеры сгорания продукты сгорания проходят через кольцевую щель между клапаном и седлом, эжектируя в щель через радиальные сопла вещество подавления температуры, поступающее в осевой канал клапана. Это ускоряет процесс смешивания. Кроме того улучшается теплообмен между продуктами сгорания и веществом подавления температуры, что, с одной стороны, обеспечивает охлаждение камеры сгорания, а с другой повышает потенциальную энергию смеси продуктов сгорания с веществом подавления температуры за счет использования тепла, отнятого от камеры сгорания. Подаваемый в емкость для вещества подавления температуры воздух создает давление на вещество в емкости и на топливо в баке, обеспечивающее их подачу в камеру подавления температуры и в камеру сгорания соответственно. Это, а также параллельная подача того же воздуха непосредственно в камеру сгорания обеспечивает единую систему подачи всех трех сред: топлива, воздуха и вещества подавления температуры, что упрощает конструкцию двигателя и делает его более компактным и надежным в работе. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема теплового двигателя, продольный разрез; на фиг.2 - схема двигателя в предпочтительном варианте выполнения; на фиг.3 - схема теплового двигателя с преобразователем энергии продуктов сгорания в механическую энергию, соединенного с воздушным насосом через редуктор; на фиг.4 схема теплового двигателя с преобразователем энергии продуктов сгорания в механическую энергию в виде нескольких параллельно подключенных преобразователей; на фиг.5 схема теплового двигателя с параллельнопоследовательным подключением преобразователей энергии продуктов сгорания в механическую энергию. Способ преобразования энергии сгорания топлива в механическую энергию включают сжигание топлива в камере сгорания постоянного объема, смешивание полученных в результате сжигания топлива продуктов сгорания с веществом подавления температуры с получением смеси с массовым соотношением между веществом подавления температуры и продуктов сгорания в диапазоне 1 - 7 и преобразование энергии смеси в механическую энергию. Продукты сгорания выходят из камеры сгорания с температурой 500 - 900°C, давление до 10атм. и скоростью 10 - 35м/с. Полученная смесь имеет то же давление, но температуру 200 - 300°C. Тепловой двигатель Татиевского (фиг.1) содержит камеру сгорания 1, камеру подавления температуры 2 и преобразователь 3 энергии продуктов сгорания в механическую энергию, последовательно соединенных через разделительные клапана 4, 5 и регулируемый дроссель 6. Клапаны 4, 5, прижаты к седлам 7, 8 пружинами 9, 10. Камера сгорания снабжена системами подачи воздуха с регулируемым дросселем 11, клапаном 4, топлива с регулируемым дросселем 12, форсункой 13, зажигания со свечей накаливания 14 и выпуска продуктов сгорания с разделительным клапаном 5. Камера 2 подавления температуры снабжена системой подачи вещества подавления температуры с регулируемым дросселем 15, форсункой 16 и выпуска рабочего тела с регулируемым дросселем 6. Преобразователь 3 энергии рабочего тела в механическую энергию выполнен в виде вторичного двигателя, например, поршневого или роторного. Перед началом работы двигателя разделительные клапана 4, 5 прижаты к седлам 7, 8, а регулируемый дроссель 6 открыт на заданный расход. В камеру сгорания 1 подается воздух через заслонку 11 под определенным давлением. Давление отжимает клапан 4 от седла 7 и воздух поступает в камеру сгорания 1 через регулируемый дроссель 12, через форсунку 13 в камеру сгорания 1 поступает топливо. Топливовоздушная смесь поджигается свечой 14. Продукты сгорания с высокой температурой и определенном давлении отжимают клапан 5 от седла 8 и поступают в камеру подавления температуры. Через регулируемый дроссель 15, форсунку 16 вещество подавления температуры поступает в камеру 2, где смешивается с продуктами сгорания, образуя смесь с низкой температурой и с тем же давлением. Эта смесь поступает через регулируемый дроссель 6 в преобразователь 3, где ее давление преобразуется в механическую энергию вала. В предпочтительном варианте выполнения тепловой двигатель Татиевского (фиг.2) содержит камеру сгорания 1, помещенную а камеру подавления температуры 2 и преобразователь 3 энергии продуктов сгорания в механическую энергию, на валу которого установлены роторы воздушного насоса 17 и стартера 18. Воздушный насос патрубком 19 через разделительный клапан 4 соединен с камерой сгорания 1, которая через разделительный клапан 5 соединена с камерой 2 подавления температуры, а камера 2 патрубком через кран 6 соединена с преобразователем 3. Система подачи топлива содержит топливный бак 20, соединенный топливной магистралью с трубкой 21 с регулируемым дросселем 12 помещенный внутрь емкости 22 для вещества подавления температуры, например, воды, которая соединена трубкой 23 с регулируемым дросселем 15, а трубкой 24 с нагнетательным патрубком 19 воздушного насоса. Топливный бак 20 имеет открытую горловину 25, выступающую над поверхностью воды в емкости 22 и входящую в закрытую горловину 26 емкости 22. В камеру сгорания 1 установлена свеча накаливания 14 и термосберегающий элемент 27. Разделительные клапана 4,5 выполнены с конусными головками, установленными в седла 7, 8 камеры сгорания 1. На стержне разделительного клапана 4 закреплена упорная шайба 28. Между шайбой 28 и стенкой камеры сгорания 1 расположена пружина сжатия 9. Между разделительным клапаном 5 и стенкой камеры 2 подавления температуры расположена пружина сжатия 10. В стержнях клапанов 4, 5 выполнены осевые каналы 29, 30, соединенные с одной стороны с регулируемыми дросселями 12, 15, с другой стороны с радиальными соплами 13, 16, выходящими на боковую поверхность головок клапанов 4, 5. Двигатель работает следующим образом. В топливный бак 20 через горловину 25 при открытой горловине 26 емкости 22 заливают топливо, а в емкость 22 вещество подавления температуры, например, воду. Запускают стартер 18, который раскручивает воздушный насос 17. Насос 17 подает под давлением воздух в патрубок 19 и через трубку 24 в емкость 22. Под давлением воздуха в емкости 22 и соответственно в баке 20, топливо поступает по трубке 21 через регулируемый дроссель 12 в осевой канал 29 клапана 4, а вода по трубке 23 через регулируемый дроссель 15 в осевой канал 30 клапана 5. Воздух поступивший по патрубку 19 отжимает клапан 4 и через образовавшуюся кольцевую щель между головкой клапана 4 и седлом 7 поступает в камеру сгорания 1, одновременно эжектируя в нее топливо из осевого канала 29 через радиальные сопла 13. Свеча накаливания 14 воспламеняет топливовоздушную смесь. Продукты сгорания под давлением, равным давлению воздуха с воздушного насоса 17, отжимают клапан 5 от седла 8 и через образовавшуюся кольцевую щель поступают в камеру подавления температуры 2, эжектируя из осевого канала 30 через радиальные сопла 16 воду. Образовавшаяся смесь продуктов сгорания и воды, имеющая давление продуктов сгорания, но большую массу и низкую температуру, поступает через регулируемый дроссель 6 в преобразователь 3, заставляя вращаться его вал. Через время необходимое для возбуждения устойчивого горения топливовоздушной смеси стартер 18 отключают, после чего преобразователь 3 отдает часть энергии на вращение воздушного насоса 17, который продолжает подавать воздух по патрубку 19, и в емкость 22, обесточивая питание теплового двигателя топливом, воздухом и водой. Для выключения двигателя достаточно закрыть кран 6, который прерывает подачу смеси в преобразователь 3 и следовательно прекращается вращение вала преобразователя. Повышение давления в камерах 1, 2 вызывает закрытие клапанов 4, 5. Вал преобразователя уже не вращает насос 17, прекращается подача воздуха, топлива и воды. Термосберегающий элемент 27, установленный в камере сгорания 1, способствует стабильному режиму горения топливовоздушной смеси при различных режимах работы двигателя, а также дает возможность осуществления запуска двигателя без предварительного запуска стартером и включения свечи накаливания 14, при кратковременной остановке. Регулирование работы двигателя. Регулирующими элементами двигателя являются: воздушная заслонка 11, регулируемые дроссели 12, 15, кран 6. Воздушной заслонкой 11 и регулируемым дросселем 12 подбираются оптимальные режимы горения топливной смеси при различных нагрузках на двигатель. Регулируемым дросселем 15 подбирается температура смеси, поступающей на преобразователь 3. Кран 6, предназначенный для выбора необходимой мощности двигателя, а также для кратковременной остановки и пуска двигателя. Предложенный двигатель может легко трансформироваться в различные варианты построения в зависимости от необходимости использования в различных механизмах и получения конкретных параметров. При этом камера подавления температуры с помещенной в нее камерой сгорания и принадлежащие им регулирующие элементы остаются неизменными. Так при необходимости иметь преобразователь меньших габаритов и увеличении оборотов вала преобразователя, а также если есть необходимость в использовании стандартных роторов насоса и преобразователя, в этих случаях между валом насоса и валом преобразователя устанавливается соответствующий редуктор (см. фиг.3). При необходимости передачи вращения на значительные расстояния от места установки двигателя, причем на несколько независимых объектов, может быть использована схема параллельного, последовательного или смешанного подключения преобразователей через краны управления к камере подавления температуры, как показано на фиг.4 и 5.