Роторно-поршнева турбіна з випарним охолодженням ротора

Реферат: Роторно-поршнева турбіна складається з нерухомого циліндричного корпусу, в якому встановлені ротор з рухомими перегородками, бічні і торцеві поверхні між статором і ротором рухливі і ущільнені, на бічних поверхнях статора є канали для підведення відпрацьованих газів (ВГ) з двигуна внутрішнього згоряння і відводу продуктів вихлопу в атмосферу, вихідні канали розміщені перед перегородками, а вхідні відповідно встановлені після них, в усіх каналах впускних патрубків встановлені електрокеровані заслінки-дозатори, які мають можливість подавати ВГ на кожному циклі турбіни одночасно в усі камери протягом 40° по куту повороту ротора, відлік градусів починається з моменту появи зазору між рухомою заслінкою та задньою поверхнею рухомого кулачка; керується дозатор електронним блоком за допомогою крокового двигуна. У валу ротора турбіни є три канали, один канал виконаний для підводу рідини у внутрішній простір трикулачкової шайби ротора, а два П-подібних канали застосовуються для відводу вологої пари, крізь вхідний кінець каналу підводу здійснюється підвід рідини (води) у внутрішню порожнину пустотілого ротора, на протилежному кінці цього каналу встановлено декілька форсунок, крізь отвори останніх рідина під тиском впорскується на внутрішні поверхні трикулачкової шайби ротора, де перетворюється у пару. Волога пара забирає на себе частину тепла від поверхонь ротора та виходить крізь П-подібні канали у атмосферу. UA 113119 U (12) UA 113119 U UA 113119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до двигунобудування, зокрема до турбобудування, а саме до двигунів зовнішнього згоряння, і може бути застосована в комбінованих двигунах, при турбонаддуві, в приводах машин різного призначення. Аналіз розглянутих технічних рішень з роторно-поршневим перетворювачем дозволив виділити найбільш близькі рішення щодо здійснення перетворення енергії робочого тіла (газу, пара) в роботу обертання ротора машини. У відомому винаході [1] розглядається роторно-поршневий двигун внутрішнього згоряння з перетворювачем у вигляді однокулачкової шайби з двома рухомими перегородками, що розділяють кільцеву порожнину ротора на дві камери - розширення і стиснення. Ці порожнини розташовані по різні сторони перегородки, тобто стисла свіжа суміш знаходиться перед заслінкою, а робоча - після неї. Переміщення суміші з камери стиснення в камеру згоряння здійснюється за допомогою каналів, виконаних у шайбі на стику з нерухомою стінкою статора. По цьому каналу суміш подається в форкамеру, в якій вона підпалюється свічкою запалювання. Запалена палаюча суміш перетікає в основну камеру згоряння (вона ж камера розширення), де повільно догорає. Туди ж впорскується порція води, щоб отримати пар як робоче тіло (РТ) для здійснення роботи розширення. Недоліком винаходу є розтягнутість такого процесу в часі з втратою тиску і витоком стисненого газу, а також втратою значної частини об'єму робочої камери, призначеної для розширення газів, через що різко знижуються ефективність робочого процесу і коефіцієнта корисної дії (ККД) теплової машини. Вприскування води в кінці згоряння палива тільки погіршує робочий процес. Тому теплота пароутворення (як в паровозі) вилітає в атмосферу, та й отримання пара всередині робочої камери призведе до зниження температури робочого тіла, що ніяк не покращує ефективність роботи машини. У винаході [2] описується двигун зовнішнього згоряння з висувними лопатками ротора і спеціальним висувним пристроєм. Висунута частина лопатки ротора сприймає тиск газів, що надходять в робочу порожнину, і здійснює роботу розширення. Машина за принципом роботи схожа більше на активну турбіну, в якій лише першу чверть оберту ротора відпрацьовані гази (ВГ) частково здійснюють розширювальну роботу. Надалі йде перетворення тільки частини кінетичної енергії потоку газів в обертання ротора. Як відомо, ККД такого двигуна нижче, ніж у реактивної турбіни, або в роторно-поршневої машини (наприклад двигун Ванкеля). Недоліками цього пристрою, є, по-перше, те, що інші три чверті обороту ротора перетворення енергії потоку ВГ йде не раціонально. При обертанні ротора, і, по мірі збільшення об'єму камери розширення (КР), збільшується площа зіткнення бічної поверхні камери з сумішшю. Через бічну поверхню камери йде інтенсивний відвід тепла від робочого тіла, що знаходиться в КР. Відведення тепла з бічної поверхні пристрою, неминуче призводить до зниження температури робочого тіла і, відповідно, до зменшення об'єму займаного газом в камері і, як наслідок в сукупності, це призведе до зниження тиску РТ в камері розширення. Для стабілізації тиску в камеру вузла необхідно подавати додаткову порцію ВГ. Додаткова порція ВГ у пристрої виконує (компенсує) не роботу розширення, а здійснює роботу проштовхування, ефективність якої значно нижче першої. По-друге, оснащення ротора пристроєм для висування лопаток, тобто вузлом з рухомими елементами (зокрема швидкодіючими) ускладнюють конструкцію ротора і знижують надійність його роботи. Найбільш близькою за способом перетворення розташованої роботи енергії газів в обертальний рух ротора можна вважати винахід [3], вибраний за найближчий аналог, в якому описується роторно-поршнева машина, ротором турбіни є шайба з трьома кулачками. Рухома перегородка утворює задню стінку робочої (розширювальної) камери, і являє собою пластину прямокутної форми з прямокутним прорізом (отвором), рівним по ширині товщині шайби, а по висоті - відстані між западиною і протилежною вершиною кулачка. Бічні стінки перегородки втоплені в пази, виконані в бокових стінках статора. Кількість перегородок відповідає кількості кулачків на шайбі, при обертанні ротора перегородки мають можливість здійснювати зворотнопоступальний рух, безвідривно ковзаючи двома внутрішніми поверхнями по зовнішніх поверхнях кулачків ротора. В усіх каналах впускних патрубків встановлені електрокеровані заслінки-дозатори, які мають можливість подавати ВГ на кожному циклі турбіни одночасно в усі камери протягом 40° по куту повороту ротора. Керується дозатор електронним блоком за допомогою крокового двигуна. Основними недоліками цього пристрою, вибраного за найближчий аналог, є, по-перше, відсутність охолодження поверхні 3-кулачкової шайби ротора роторно-поршневої (РП) турбіни. Кулачки при роботі постійно контактують в зоні обмеженого змащування з рухомими перегородками та відпрацьованими газами двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), температура 1 UA 113119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 останніх складає понад 650-850 °C. Високотемпературний режим роботи несприятливо впливає на міцності характеристики матеріалу, з якого виготовлена деталь (ротор), зокрема на торцевих поверхнях кулачків ротора з'являються сліди підвищеного зносу, за рахунок чого появляються підвищені зазори, а це зменшує ККД та знижує моторесурс вузла у цілому. По-друге, високі температурні умови роботи ротора не дозволяють додатково підняти тиск газів на вході у турбіну вище, ніж у найближчого аналога, а також додатково підвищити температуру робочого тіла на 100-150 °C. Тепло-напруженість ротора у цілому обмежує подальше підвищення технікоекономічних і екологічних показників робочого процесу РП турбіни. В основу заявленої корисної моделі поставлена задача підвищити надійність і ефективність роботи ротора роторно-поршневої турбіни за рахунок забезпечення випарного охолодження стінок ротора, а при необхідності і корпуса статора. Пропонована авторами теплова роторно-поршнева турбіна з випарним охолодженням може бути використана замість газової або парової турбіни або працювати спільно з ДВЗ. Можливий варіант комбінованого двигуна з віддачею надлишкової потужності від роторно-поршневої турбіни колінчастому валу ДВЗ. Порівняння технічного рішення, що заявляється, із найближчим аналогом, дозволяє зробити висновок, що заявлена роторно-поршнева турбіна з випарним охолодженням ротора відрізняється тим, що у вала ротора турбіни є три канали, один канал виконаний для підводу рідини у внутрішній простір 3-кулачкової шайби ротора, а два П-подібних канали застосовуються для відводу вологої пари, крізь вхідний кінець каналу підводу здійснюється підвід рідини (води) у внутрішню порожнину пустотілого ротора, на протилежному кінці цього каналу встановлено декілька форсунок (наприклад, три форсунки-розпилювачі), крізь отвори останніх рідина під тиском впорскується на внутрішні поверхні 3-кулачкової шайби ротора, де за рахунок високої температури стінок ротора рідина випаровується та перетворюється у пару, пара забирає на себе частину тепла від поверхонь ротора, витрата води крізь жиклери обмежується ступенем сухості отриманої пари в межах х=0,6+0,8, розширена нагріта пара під тиском виходить з внутрішнього простору ротора у атмосферу крізь два П-подібних вихідних канали, виконані у валу ротора. Суть корисної моделі, що заявляється, поясняється кресленням, де представлений повздовжній розріз ротора з випарним охолодженням та з частиною роторно-поршневої турбіни. Конструкція роторно-поршневої турбіни схематично наведена на кресленні, складається з наступних вузлів і деталей, а саме з: 3-кулачкової шайби ротора 1; корпуса статора 2 з пазами 3; вала 4 ротора; каналу для підводу рідини 5; жиклерів-розпилювачів 6; двох П-подібних каналів 7 для відводу пари з вузла, трьох рухомих перегородок 8; центрувальної втулкизаглушки 9 з кільцевими трапецеподібним та прямокутним пазами і отвором 10 для відводу вологої пари; ущільнюючого гумового сальника 11; двох заглушок 12; оливки 13; двох гумових ущільнюючих кілець 14, торцевої кришки-заглушки 15 та двох ущільнюючих прокладок 16. Для забезпечення надійності роботи роторно-поршневої машини ротор виконують пустотілим, по-перше, це дозволяє встановити у внутрішню порожнину ротора декілька рідинних жиклерів-розпилювачів з без перервною (або пульсуючою) подачею води на нагріті внутрішні поверхні ротора для забезпечення високоефективного випарного охолодження з метою зниження температури поверхонь ротора, які контактують з робочим тілом (відпрацьованими газами). Привідний кінець вала 4 ротора турбіни (див. креслення) кінематично зв'язаний з валом ДВЗ. А у другому, непривідному кінці вала ротора виконано три канали, які проходять паралельно осі 4 ротора 1. Через один канал 5 здійснюється підвід рідини, він виконаний з малим діаметром отвору. Вихідний кінець каналу 5 підводу рідини з'єднаний з трьома жиклерами-розпилювачами 6, які встановлені під прямим кутом до каналу 5 підводу рідини. Через отвори жиклерів 6 здійснюється впорскування рідини у внутрішній простір шайби ротора 1 турбіни. До вхідного каналу 5 через оливку 13 під тиском подається рідина. За допомогою оливки 13 канал 5 з'єднаний з автономною рідинною ємністю (або з промисловим стаціонарним магістральним трубопроводом підводу рідини). Магістральний трубопровід та рідинна ємність на кресленні не показані. В транспортний засобах система охолодження турбіни замикається на систему охолодження двигуна. Прохідні перетини жиклерів-розпилювачів підбираються дослідним шляхом, або визначаються розрахунком, розмір прохідного перетину жиклера обмежується так, щоб на мінімальних обертах холостого ходу ступінь сухості пари була не нижче ніж х0,6, а на режимі максимальній потужності не перевищує х0,9. Паралельно каналу 5 у валу 4 ротора зроблено два П-подібних канали 7 з значно більшим (ніж для підводу рідини) діаметром отвору для відводу вологої пари з внутрішнього простору 2 UA 113119 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 шайби ротора 1. З одного кінця П-подібного каналу 7 пара під тиском потрапляє до нього, а з другого кінця каналу 7 вона направляється у прямокутний кільцевий паз втулки 9. Аналогічно робота здійснюється у другому П-подібному каналі 7. У корпусі втулки 9 є отвір 8, один кінець отвору з'єднаний з кільцевим пазом втулки 9, а другий - з атмосферою. Пара з кільцевого паза втулки 9 потрапляє в отвір 8, а далі має можливість під невеликим тиском надходити у атмосферу. Гумові ущільнюючі кільця 15 та сальник 11 забезпечують надійне ущільнення між рухомим валом 4 і нерухомою установочною втулкою 9 корпуса статора 2. Суть корисної моделі, наведеної на кресленні, полягає в тому, що для зменшення теплонапруженості торцевої поверхні кулачків ротора роторно-поршневої турбіни, рідина під тиском з каналу підводу 5 потрапляє крізь отвори жиклерів-розпилювачів 6 у внутрішній простір 3-кулачкової фасонної шайби ротора 1 турбіни. Краплі рідині змочують усі внутрішні нагріті торцеві поверхні шайби та під дією відцентрової сили створюється плівка води, яка сповзає до вершин кулаків, одночасно випаровуючись з поверхонь охолодження. Здійснюється так зване випарне охолодження, котре в п'ять і більш разів ефективніше, ніж просте рідинне охолодження. Такий спосіб охолодження широко використовується у металургії, а роз'яснюється цей ефект (у любому курсі термодинаміки, розділ пароутворення, або фазові переходи) тим, що теплота пароутворення при тисках, близьких до атмосферного у п'ять, п'ять з половиною разів більше, ніж теплонагріву води, так при тиску 0,1 МПа ентальпія нагріву води і′ = 415,31 кДж/кг, а ентальпія насиченої сухої пари i″ = 2674,65 кДж/кг, тобто скрита теплота пароутворення дорівнює r = 2259,34 кДж/кг. В підсумку r роз'єднаємо на i″, тоді отримаємо число 6,44 - у стільки разів підвищується ефективність випарного охолодження. Реально пара утворюється вологою зі степенем сухості х = 0,6-0,8, тому ефективність знижується до 5,0-5,5 разів. Цей виграш можна використовувати по різному: по-перше зменшити витрату охолоджуючої рідини у 5 разів; по-друге - знизити температуру охолоджувальної поверхні у 5 разів, або, по-третє, - знизити витрати води і температуру рідини до оптимальної пропорції. Прийняте технічне вирішення дозволяє збільшити кут попереднього відкриття випускних клапанів ДВЗ з тим, щоб потенціал газів, що надходять на РП турбіну, додатково підвищити на 0,3-0,5 МПа (ніж у найближчому аналогу), що значно підвищить ефективність роботи РП турбіни і при наддуві поліпшує наповнення циліндрів ДВЗ на усіх режимах роботи. Перевагами пропонованої роторно-поршневої турбіни з примусовим охолодженням ротора є те, що: 1. В ній більш корисніше використовуються теплотехнічні властивості ВГ, які можна брати з циліндра ДВЗ з більш високим тиском і подавати в робочу зону турбіни з більшим тиском, який складає 3-5 бар та з температурою, на 100-150 °C вищою, ніж у найближчого аналога. Їх сукупний вплив дозволяє отримати додаткову корисну роботу у вигляді приросту сумарного крутячого моменту і додаткової ефективної потужності для наддування, як на мінімальних, так і на максимальних частотах обертання колінчастого вала двигуна внутрішнього згоряння. 2. Випарне охолодження внутрішнього простору ротора РП турбіни забезпечує підвищену надійність роботи турбіни і його ККД. 3. Підвищення тиску температури робочого газу сприяє підвищенню ККД РП турбіни. Використання роторно-поршневої турбіни з випарним охолодженням ротора дозволяє отримати новий технічний результат, який полягає у додатковому прирості потужності та крутячого моменту на валу ДВЗ, а також у підвищенні техніко-економічних і поліпшенні екологічних показників двигуна, ніж у найближчого аналога, та одночасно забезпечує підвищену надійність роботи головного вузла турбіни - 3-кулачкової шайби ротора, яка має можливість при здійсненні робочого процесу примусово охолоджуватись. Джерела інформації: 1. "Изобретатель и рационализатор", № 11, 2005, - С.32. 2. Патент РФ № 2387850. Роторные преобразователи энергии. 3. Заявка на винахід (корисну модель) № u 2015 12872. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 60 Роторно-поршнева турбіна, що складається з нерухомого циліндричного корпусу, в якому встановлені ротор з рухомими перегородками, бічні і торцеві поверхні між статором і ротором рухливі і ущільнені, на бічних поверхнях статора є канали для підведення відпрацьованих газів (ВГ) з двигуна внутрішнього згорання і відводу продуктів вихлопу в атмосферу, вихідні канали розміщені перед перегородками, а вхідні відповідно встановлені після них, в усіх каналах впускних патрубків встановлені електрокеровані заслінки-дозатори, які мають можливість 3 UA 113119 U 5 10 подавати ВГ на кожному циклі турбіни одночасно в усі камери протягом 40° по куту повороту ротора, відлік градусів починається з моменту появи зазору між рухомою заслінкою та задньою поверхнею рухомого кулачка; керується дозатор електронним блоком за допомогою крокового двигуна, яка відрізняється тим, що у вала ротора турбіни є три канали, один канал виконаний для підводу рідини у внутрішній простір 3-кулачкової шайби ротора, а два П-подібних канали застосовуються для відводу вологої пари, крізь вхідний кінець каналу підводу здійснюється підвід рідини (води) у внутрішню порожнину пустотілого ротора, на протилежному кінці цього каналу встановлено декілька форсунок (наприклад, три форсунки-розпилювачі), крізь отвори останніх рідина під тиском впорскується на внутрішні поверхні 3-кулачкової шайби ротора, де за рахунок високої температури стінок ротора рідина випаровується та перетворюється у пару, пара забирає на себе частину тепла від поверхонь ротора, витрата води крізь жиклери обмежується ступенем сухості отриманої пари в межах х=0,60,8, розширена нагріта пара під тиском виходить з внутрішнього простору ротора у атмосферу крізь два П-подібних вихідних канали, виконані у валу ротора. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4