Способ возврата тепловых потерь в «Роторном двигателе Карфидова» для дополнительной работы
Изобретение
относится к области машиностроения, к двигателе- и компрессоростроению.
Известен
«Роторный двигатель Карфидова»…, См. RU 2189470, 20.09.2002 г., Бюл. №26. Это решение принято за
прототип.
Недостатком
данного технического решения является небольшая величина дополнительного
расширения в рабочем роторе продуктов сгорания, которые в поршневых двигателях
в конце расширения имеют высокую температуру (порядка 1000-1700 К) и низкое
давление (от 0,25 до 0,60 МПа). Доработка такого давления в рабочем роторе
незначительна по сравнению с общей долей низкотемпературных и
высокотемпературных тепловых потерь в двигателе.
Технический
результат от использования изобретения :
возврат низкотемпературных и высокотемпературных потерь в двигателе для
полезной работы, что также обеспечивает охлаждение двигателя, позволяет
равномерно распределять тепловую нагрузку на детали, образующие рабочие объемы,
повышает эффективный КПД двигателя на величину возвращенных в работу тепловых
потерь, которые в ДВС в общем составляют 50-60%. Увеличивает крутящий момент и
повышает удельную мощность более чем в два раза, обеспечивает экологичность и
бесшумность работы, причем при понижении атмосферного давления КПД и мощность
двигателя не снижаются. Благодаря присутствию высокотемпературных катализаторов
в камерах сгорания двигатель может работать на больших высотах (порядка 20000
метров и более).
Указанный
технический результат достигается за счет того, что способ возврата тепловых
потерь в «Роторном двигателе Карфидова» для дополнительной работы, по которым
воду через вращающееся соединение подают в центральный канал перемычки, в
мембранные насосы компрессора, последние сначала прокачивают воду по каналам
конусов компрессора, где ее предварительно нагревают, а затем подают в
мембранные насосы высокого давления рабочего ротора, которыми как до, так и
после открытия жиклеров в объемах расширения, путем нагнетания нагретой воды вытесняет
перегретую воду из каналов конусов рабочего ротора, и впрыскиваю последнюю
указанными жиклерами в объемы расширения рабочего ротора, где давление
продуктов сгорания и водяного пара дорабатывают до температуры и давления
конденсации воды, причем излишки воды от сгорания топлива удаляют, а остальную воду подают
обратно в двигатель.
Способ
возврата тепловых потерь в «Роторном двигателе Карфидова» для дополнительной
работы позволяет повысить эффективность работы двигателя за счет
двухступенчатого цикла работы. Во время первой ступени цикла работу совершают
продукты сгорания, а когда давление снижается, начинается вторая ступень цикла
с впрыска
перегретой от 140 до 240 - 250° С воды
в объемы расширения рабочего ротора. Расширение продолжается до давления ниже,
чем атмосферное за счет действия
турбоотдува, понижающего давление перед выпускным коллектором примерно до 0,06
- 0,08 МПа, причем в выпускном коллекторе давление уже атмосферное. В
коллекторе собирается вода и вновь
направляется в двигатель. Эффективность второй ступени цикла выше, чем первой
из-за более высокой энергоемкости и использования высшей теплоты сгорания
топлива. Воду через вращающееся соединение подают в центральный канал
перемычки, в мембранные насосы компрессора, последние сначала прокачивают воду
по каналам конусов компрессора, где ее предварительно нагревают, что позволяет
использовать два мембранных насоса, емкостью каждого не более 0,5 см (на 1000
см3 объема рабочего ротора и 500 см3 компрессора). Насосы
расположены непосредственно в напорных площадках, каждый из которых приводится
в действие через окно в напорной площадке, которое совмещается то с объемом
сжатия топлива, то с объемом заполнения топлива. Таким образом, качая мембрану,
вода направляется в каналы конусов, а нагретая вода из этих каналов
направляется в насосы рабочего ротора. Привод мембранных насосов позволяет
устранить некоторую избыточность объемов топлива по отношению к объемам воздуха
в компрессоре. Это уменьшает насосные потери, при этом циркуляция воды по каналам
конусов уменьшает рабочую температуру компрессора и снижает механические потери
на его привод. Затем воду подают в мембранные насосы высокого давления рабочего
ротора, которыми как до, так и после открытия жиклеров в объемах расширения
путем нагнетания нагретой воды вытесняют перегретую воду из каналов конусов
рабочего ротора и впрыскивают последнюю указанными жиклерами в объемы
расширения рабочего ротора. Что позволяет использовать высокое давление первой
ступени цикла для привода насосов как непосредственно, так и за счет запертого
давления в них, т. е. после подачи давления на мембранные насосы оно
сохраняется там и после открытия жиклеров, так как перегретая вода от140 до
240-250° С, истекая из жиклеров, понижает давление и температуру в каналах конусов.
Далее открывается клапан и нагретая вода устремляется в каналы конусов рабочего ротора, вытесняемая из
насоса запертым в нем давлением, затем после некоторого снижения давления в
первой ступени цикла открываются жиклеры и производится впрыск перегретой воды.
После впрыска жиклерами перегретой воды в объемы расширения давление в
последних значительно повышается, а температура несколько снижается. При этом
площадь лопаток, на которую действует давление, значительно возрастает по
сравнению с первой ступенью цикла, что значительно повышает крутящий момент и
эффективность работы второй ступени цикла. По окончании работы второй ступени
цикла и падения давления в объемах расширения до давления ниже, чем атмосферное
за счет действия турбоотдува, где давление перед выпускным коллектором
составляет примерно 0,06-0,08 МПа. Окна насосов в напорных площадках
совмещаются с окнами в шаровой опоре, запертое в насосах давление
освобождается, за счет чего насосы рабочего ротора заполняются нагретой водой
из насосов компрессора. Четыре насоса высокого давления емкостью по 0,25 см3
расположены в двух напорных площадках рабочего ротора. При уменьшении
подачи топлива в камеры сгорания уменьшается и давление в объемах расширения,
соответственно уменьшается и объем прокачиваемой воды по каналам конусов и
наоборот, при увеличении подачи топлива растут объем и температура
прокачиваемой воды. Давление продуктов сгорания и водяного пара дорабатывают до
давления и температуры конденсации воды, причем излишки воды от сгоревшего топлива
удаляют, а остальную воду подают обратно в двигатель, что позволяет
использовать данный способ возврата тепловых потерь в качестве системы
охлаждения, и использовать двигатель в экстремальных климатических условиях, в
режиме предельных нагрузок. Расход топлива на единицу мощности может составить
величину вдвое меньшую по сравнению с аналогичной характеристикой существующих
дизельных двигателей, а удельная мощность - выше, чем у лучших авиационных
двигателей.
В. Н. Карфидов