RU2362881C2 - Multicylinder cubical expansion turbine - Google Patents
Multicylinder cubical expansion turbine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2362881C2 RU2362881C2 RU2004132295/06A RU2004132295A RU2362881C2 RU 2362881 C2 RU2362881 C2 RU 2362881C2 RU 2004132295/06 A RU2004132295/06 A RU 2004132295/06A RU 2004132295 A RU2004132295 A RU 2004132295A RU 2362881 C2 RU2362881 C2 RU 2362881C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cavity
- expansion
- cylinders
- zone
- cylinder
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике и транспортному машиностроению и может быть использовано в качестве насосов, компрессоров, силовых установок с внешним и внутренним подводом теплоты для стационарных и мобильных объектов, для водного, автомобильного, железнодорожного, воздушного транспорта, для тепловых электростанций, а также в космической технике.The invention relates to a power system and transport engineering and can be used as pumps, compressors, power plants with external and internal heat supply for stationary and mobile facilities, for water, automobile, railway, air transport, for thermal power plants, as well as in space technology .
Наиболее близкими аналогами заявленной турбины по конструктивным признакам являются карусельно-лопастная роторная машина (Заявка RU №2001132702 - прототип) и двигатель с внешним подводом теплоты (Заявка RU №2002116338 - аналог), содержащие, по меньшей мере, один кольцевой цилиндр с эксцентрично установленным в нем ротором, выполненным в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, в продольных прорезях которого установлены лопасти, впускные и выпускные окна и перепускной канал.The closest analogues of the claimed turbine by design are rotary-vane rotor machine (Application RU No. 20021132702 - prototype) and an engine with external heat supply (Application RU No. 2002116338 - analogue) containing at least one annular cylinder with an eccentrically installed in rotor, made in the form of a faceplate with an annular cylindrical protrusion, in the longitudinal slots of which are installed blades, inlet and outlet windows and a bypass channel.
Основными недостатками указанных машины и двигателя является ограниченный диапазон использования избыточных параметров рабочего тела при расширении (давление, температура), что ограничивает термический и эффективный КПД.The main disadvantages of these machines and the engine is the limited range of use of excess parameters of the working fluid during expansion (pressure, temperature), which limits the thermal and effective efficiency.
Задача изобретения - создание турбины объемного расширения с увеличенным диапазоном изменения рабочих объемов, обеспечивающей эффективное использование всего избыточного давления и максимальное использование тепловой энергии для совершения полезной работы, а также снижение механических потерь.The objective of the invention is the creation of a volume expansion turbine with an increased range of variation in working volumes, ensuring the efficient use of all excess pressure and the maximum use of thermal energy to perform useful work, as well as reducing mechanical losses.
Задача решена тем, что турбина, содержащая, по меньшей мере, один кольцевой цилиндр с эксцентрично установленным в нем ротором, выполненным в виде планшайбы с кольцевым цилиндрическим выступом, в продольных прорезях которого установлены лопасти, впускные и выпускные окна и перепускной канал, согласно изобретению содержит два аксиальных цилиндра, между которыми установлена планшайба ротора и относительно каждого из которых выполнено, по меньшей мере, по одному коаксиальному цилиндру, при этом цилиндры, лежащие в одной диаметральной плоскости, последовательно соединены друг с другом перепускными каналами, сообщающими полости цилиндров в зоне уменьшения межлопастных объемов от максимальных до минимальных в одной и одновременного увеличения от минимальных до максимальных в другой, образуя, по меньшей мере, одну спиралеобразную проточную часть сжатия или расширения, при этом перепускные каналы проточной части в окружном направлении отделены друг от друга зонами, исключающими их сообщение друг с другом длиной не менее шага лопастей, а впускные и выпускные окна выполнены в первой и последней полостях проточной части.The problem is solved in that the turbine containing at least one annular cylinder with an eccentrically mounted rotor in it, made in the form of a face plate with an annular cylindrical protrusion, in the longitudinal slots of which are installed blades, inlet and outlet windows and an overflow channel, according to the invention contains two axial cylinders between which a rotor faceplate is mounted and with respect to each of which at least one coaxial cylinder is made, while cylinders lying in one diametrical plane spans are connected in series with each other bypass channels communicating the cavity of the cylinders in the zone of decrease in interlobed volumes from maximum to minimum in one and at the same time increase from minimum to maximum in another, forming at least one spiral-shaped flow part of compression or expansion, while the bypass channels of the flow part in the circumferential direction are separated from each other by zones that exclude their communication with each other with a length of at least the pitch of the blades, and the inlet and outlet windows are made in the first and last cavities of the flowing part.
Перепускные каналы, сообщающие цилиндры между собой, могут быть выполнены непосредственно в цилиндрических стенках, разделяющих их друг от друга.Bypass channels communicating the cylinders with each other can be made directly in the cylindrical walls separating them from each other.
Цилиндры лежащие в одной диаметральной плоскости и образующие одну проточную часть могут быть выполнены с последовательно увеличивающимися от цилиндра к цилиндру поперечными сечениями, образуя проточную часть расширения, или с последовательно уменьшающимися, образуя проточную часть сжатия.Cylinders lying in one diametrical plane and forming one flow part can be made with cross sections successively increasing from cylinder to cylinder, forming a flow part of the expansion, or with successively decreasing, forming a flow part of compression.
Изменение поперечных сечений обеспечивается увеличением или уменьшением длины цилиндров в осевом направлении от планшайбы, при этом выступы планшайбы, лопасти и опорные вкладыши выполняются с длиной, соответствующей ширине их цилиндров.The change in cross sections is provided by increasing or decreasing the length of the cylinders in the axial direction from the faceplate, while the protrusions of the faceplate, blades and support liners are made with a length corresponding to the width of their cylinders.
Проточные части расширения и сжатия могут выполняться как центробежными, так и внутреннего сгорания, могут содержать две проточные части, образованные сообщающимися цилиндрами, расположенными в одной диаметральной плоскости или две проточные части, образованные цилиндрами, расположенными в двух диаметральных плоскостях, при этом одна проточная часть выполняет функцию расширения, вторая сжатия, последняя полость которой в зоне минимальных межлопастных объемов сообщается перепускным каналом с первой полостью проточной части расширения в зоне ее минимальных межлопастных объемов, где также установлены свеча и форсунка или только форсунка (дизель). При внешнем смесеобразовании форсунка для впрыска топлива может быть установлена в стенке цилиндра проточной части сжатия. В первой полости проточной части сжатия в зоне максимальных межлопастных объемов выполнено впускное окно, а в последней полости проточной части расширения в зоне максимальных межлопастных объемов - выпускное окно.The flow parts of expansion and contraction can be performed both by centrifugal and internal combustion, may contain two flow parts formed by interconnecting cylinders located in one diametrical plane or two flow parts formed by cylinders located in two diametric planes, while one flow part performs expansion function, the second compression, the last cavity of which in the zone of minimal inter-blade volumes is communicated by the bypass channel with the first cavity of the flow part in the zone of its minimal inter-blade volumes, where a candle and a nozzle or only a nozzle (diesel) are also installed. With external mixture formation, an injector for fuel injection can be installed in the cylinder wall of the flow part of the compression. An inlet window is made in the first cavity of the flow passage of the compression in the zone of maximum interspersed volumes, and an outlet window is made in the last cavity of the flow passage of the expansion in the zone of maximum inter-blade volumes.
Кроме того, в турбодвигателе может быть реализован комбинированный цикл, состоящий из двух - рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания и рабочего цикла газопаровой турбины с внутренним подводом теплоты, для чего двигатель снабжен источником избыточного давления парообразующей жидкости (вода, водоспиртовая смесь и т.п.), который перепускным каналом сообщен с первой полостью проточной части расширения в зоне после расширения продуктов сгорания топлива. Поступая в газ с температурой 1200-1700°С и с давлением 5-12 кг/см2, жидкость, испарившись в высокотемпературном газе, образует с ним газопаровую рабочую смесь с более низкой температурой и с более высоким давлением, при этом первая половина первой полости выполняет функцию двигателя внутреннего сгорания и генератора газа для второй половины полости, которая выполняет функцию парогазогенератора смешивающего действия и генерирует газопаровую смесь для остальной проточной части расширения, при движении по которой она расширяется до атмосферного давления газов и до конденсации пара в жидкость.In addition, a combined cycle consisting of two - a duty cycle of an internal combustion engine and a duty cycle of a gas-steam turbine with internal heat supply can be implemented in a turbo engine, for which the engine is equipped with a source of excess pressure of a vaporizing liquid (water, water-alcohol mixture, etc.) , which bypass channel is in communication with the first cavity of the flow passage of the expansion in the zone after expansion of the combustion products of the fuel. Entering a gas with a temperature of 1200-1700 ° C and with a pressure of 5-12 kg / cm 2 , the liquid, evaporating in a high-temperature gas, forms a gas-vapor working mixture with it at a lower temperature and higher pressure, while the first half of the first cavity performs the function of an internal combustion engine and a gas generator for the second half of the cavity, which performs the function of a steam-gas generator of mixing action and generates a gas-vapor mixture for the rest of the flow part of the expansion, when moving along which it expands to atmospheric gas pressure and before condensation of the vapor in the liquid.
Жидкость до введения в проточную часть расширения может использоваться в качестве охлаждающей и пропускаться по системе охлаждения высокотемпературной зоны расширения продуктов сгорания топлива, при этом система охлаждения выполняет функцию рекуперативного теплообменника. Аккумулированное жидкостью тепло используется для совершения работы и соответственно повышает термический КПД.The liquid can be used as a cooling liquid before being introduced into the flow part of the expansion and passed through the cooling system of the high-temperature expansion zone of the fuel combustion products, while the cooling system performs the function of a regenerative heat exchanger. The heat accumulated by the liquid is used to carry out work and, accordingly, increases thermal efficiency.
При использовании турбины в качестве теплового двигателя с внешним подводом теплоты, работающего по термодинамическому циклу Стирлинга, она содержит внешний нагреватель, контактирующий со стенками цилиндров проточной части расширения, внешний охладитель, контактирующий со стенками цилиндров проточной части сжатия, рекуперативный теплообменник и два перепускных канала, один из которых сообщает последнюю полость проточной части сжатия в зоне минимальных межлопастных объемов с первой полостью проточной части расширения также в зоне минимальных межлопастных объемов и проходит через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель, а второй перепускной канал сообщает последшою полость проточной части расширения в зоне уменьшения ее межлопастных объемов от максимальных до минимальных с первой полостью проточной части сжатия в зоне увеличения от минимальных до максимальных ее межлопастных объемов и проходит через упомянутый рекуперативный теплообменник.When using a turbine as a heat engine with an external heat supply operating according to the Stirling thermodynamic cycle, it contains an external heater in contact with the cylinder walls of the expansion duct, an external cooler in contact with the cylinder walls of the compression duct, a recuperative heat exchanger, and two bypass channels, one of which the last cavity of the flow part of the compression in the zone of minimum inter-blade volumes reports with the first cavity of the flow part of the expansion also in the zone m of minimal interlobe volumes and passes through a recuperative heat exchanger and an external heater, and the second bypass channel informs the last cavity of the expansion flow section in the zone of reduction of its interlobe volumes from maximum to minimum with the first cavity of the compression flow section in the increase zone from its minimum to maximum interlobe volumes and passes through said recuperative heat exchanger.
Кроме того, для работы турбины в качестве двигателя с внешним подводом теплоты может использоваться одна проточная часть, полости которой, от первого до последнего цилиндра, используются как расширительные, а последняя полость последнего цилиндра как полость сжатия, при этом перепускной канал, сообщающий полости последнего цилиндра, проходит через рекуперативный теплообменник, а второй перепускной канал сообщает полость сжатия в зоне ее минимальных межлопастных объемов с первой полостью расширения также в зоне минимальных объемов и проходит через упомянутый рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель.In addition, to operate the turbine as an engine with an external supply of heat, one flow part can be used, the cavities of which, from the first to the last cylinder, are used as expansion ones, and the last cavity of the last cylinder as a compression cavity, while the bypass channel communicating the cavities of the last cylinder passes through a recuperative heat exchanger, and the second bypass channel communicates a compression cavity in the zone of its minimum inter-blade volumes with the first expansion cavity also in the zone of minimum volumes and ohodit through said regenerative heat exchanger and an external heater.
Кроме того, цилиндры, лежащие в одной диаметральной плоскости, могут функционировать в качестве самостоятельных ступеней расширения и сжатия и каждый содержать нагреватель, рекуперативный теплообменник и охладитель, при этом цилиндры с первого до последнего последовательно сообщаются друг с другом перепускными каналами, сообщающими выход из рекуперативного теплообменника одного цилиндра с входом полости расширения другого цилиндра и проходящими через нагреватель, а последняя полость последнего цилиндра в зоне уменьшения ее межлопастных объемов от максимальных до минимальных сообщается перепускным каналом, проходящим через рекуперативный теплообменник последнего цилиндра и внешний нагреватель, с рабочей полостью первого цилиндра также в зоне минимальных межлопастных объемов.In addition, cylinders lying in the same diametrical plane can function as independent expansion and compression stages and each contain a heater, a recuperative heat exchanger and a cooler, while the cylinders from the first to the last sequentially communicate with each other bypass channels communicating the output from the regenerative heat exchanger one cylinder with the entrance of the expansion cavity of another cylinder and passing through the heater, and the last cavity of the last cylinder in the zone of decrease of its intersection maximum to minimum volumes is communicated by a bypass channel passing through the recuperative heat exchanger of the last cylinder and an external heater, with the working cavity of the first cylinder also in the zone of minimal inter-blade volumes.
Кроме того, турбина может содержать несколько одноцилиндровых турбин и одну многоцилиндровую с общим валом роторов, которые с первой до последней работают в качестве расширительных высокого давления в режиме перегрева без рекуперации и внешних охладителей, при этом одна из двух проточных частей последней многоцилиндровой турбины используется как расширительная с продолженным расширением и содержит спиралеобразную многоцилиндровую проточную часть расширения, а ее другая проточная часть используется как компрессорная с большой степенью сжатия и содержит спиралеобразную проточную часть сжатия, снабженную внешним охладителем, при этом рекуперативный теплообменник устанавливается в последней турбине в канале, сообщающем последнюю полость проточной части расширения с первой полостью проточной части сжатия, последняя полость которой в зоне минимальных межлопастных объемов снабжена выпускным окном, сообщающимся перепускным каналом с впускным окном полости расширения любой из предыдущих турбин или со всеми одновременно, проходящим через рекуперативный теплообменник и внешний нагреватель.In addition, the turbine may contain several single-cylinder turbines and one multi-cylinder with a common rotor shaft, which from the first to the last operate as expansion high pressure in the overheating mode without recovery and external coolers, while one of the two flow parts of the last multi-cylinder turbine is used as an expansion with continued expansion and contains a spiral-shaped multi-cylinder flow part of the expansion, and its other flow part is used as a compressor with a large step compression and contains a spiral-shaped compression flow part equipped with an external cooler, while the recuperative heat exchanger is installed in the last turbine in the channel communicating the last expansion flow chamber cavity with the first compression flow chamber cavity, the last cavity of which in the zone of minimum inter-blade volumes is provided with an outlet window communicating the bypass channel with the inlet window of the expansion cavity of any of the previous turbines or with all simultaneously passing through the regenerative heat exchange ir and an external heater.
Турбина может быть использована в качестве паровой на водяном или масляном паре, при этом можно обеспечить более высокий термический КПД, чем в обычных паровых турбинах, работающих по циклу Ренкина и в которых невозможно осуществить изотермическое расширение пара из-за высокой скорости рабочего тела в проточной части и ее линейной длины.The turbine can be used as a steam in water or oil vapor, while it is possible to provide higher thermal efficiency than in conventional steam turbines operating according to the Rankine cycle and in which it is impossible to carry out isothermal expansion of steam due to the high speed of the working fluid in the flow part and its linear length.
Работа турбины на водяном паре осуществляется в комплексе с оборудованием, используемым для обычных паровых турбин необъемного расширения - котел, пароперегреватель, питательный насос, конденсатор. Турбина может работать в диапазоне влажного и перегретого пара без конденсации пара до состояния жидкости и соответственно без указанного выше оборудования, при этом тепловой и эффективный КПД будут ниже.The operation of the turbine on water vapor is carried out in conjunction with the equipment used for conventional steam turbines of non-voluminous expansion - a boiler, superheater, feed pump, condenser. The turbine can operate in the range of wet and superheated steam without steam condensation to a liquid state and, accordingly, without the above equipment, while the thermal and effective efficiency will be lower.
Кроме того, в турбодвигателе может быть реализован комбинированный цикл с внешним подводом теплоты на газопаровой смеси, для чего турбодвигатель снабжен внешним нагревателем воды, работающим на органическом или углеводородном топливе, питательным насосом, газовым насос-компрессором, парогазогенератором, экономайзером и перепускными каналами, один из которых последовательно сообщает выпускное окно дымовых газов внешнего нагревателя, экономайзер, газовый компрессор, парогазогенератор и первую полость проточной части расширения турбины, а второй последовательно сообщает выход питательного насоса с системой охлаждения газового компрессора, с экономайзером, внешним нагревателем и парогазогенератором.In addition, a combined cycle with an external supply of heat on a gas-vapor mixture can be realized in a turbo engine, for which the turbo engine is equipped with an external water heater operating on organic or hydrocarbon fuel, a feed pump, a gas pump-compressor, a steam and gas generator, an economizer and bypass channels, one of which are sequentially reported by the flue gas exhaust window of an external heater, an economizer, a gas compressor, a steam and gas generator, and a first cavity of the turbine expansion flow passage us, and the second output sequentially informs a feed pump with the cooling system of the gas compressor with an economizer, an external heater and the steam-gas generator.
В качестве газового компрессора используется проточная часть сжатия турбины, обеспечивающая отсос дымовых (выхлопных) газов и последующее их сжатие до рабочего давления парогенератора. На выхлопе турбодвигателя может быть выполнен сепаратор для отделения конденсата от остаточных газов центрифугированием. Конденсат циркулирует по замкнутому контуру и после очистки от растворенных осадков может поступать снова на вход питательного насоса. Осадки, содержащие токсичные вещества продуктов сгорания, легко утилизируются или нейтрализуются.As a gas compressor, the turbine compression duct is used, which ensures the exhaust of flue (exhaust) gases and their subsequent compression to the operating pressure of the steam generator. A separator can be made at the exhaust of the turbo engine to separate the condensate from the residual gases by centrifugation. Condensate circulates in a closed circuit and, after purification from dissolved sediments, can flow back to the inlet of the feed pump. Sludge containing toxic substances from combustion products is easily disposed of or neutralized.
Почти вся тепловая энергия сгорания топлива используется для подогрева воды и испарения в парогазогенераторе с образованием газопаровой смеси, которая за тем расширяется в проточной части турбины до атмосферного давления.Almost all of the thermal energy of fuel combustion is used to heat water and evaporate in a steam and gas generator with the formation of a gas-vapor mixture, which then expands in the flow part of the turbine to atmospheric pressure.
Работу турбины на масляном паре так же можно осуществить как на паре без конденсации, так и с конденсацией, для чего, кроме оборудования используемого в паровых турбинах или без него, необходимо рабочий контур выполнить герметичным и до запуска и включения нагревателей осуществлять вакуумирование вакуумным насосом рабочего контура турбины, заполненного маслом, например вакуумным, а после остановки турбины заполнять ее рабочие полости инертным газом до давления не ниже атмосферного, исключая окисление паров масла атмосферным кислородом. Использование в качестве рабочего тела масла в замкнутом контуре турбины решает задачу смазки поверхностей трения и соответственно снижения механических потерь.The operation of the turbine with oil vapor can also be carried out both with steam without condensation, and with condensation, for which, in addition to the equipment used in steam turbines or without it, it is necessary to carry out the work circuit tightly and to start and turn on the heaters, vacuum the work pump with a vacuum pump a turbine filled with oil, for example vacuum, and after stopping the turbine, fill its working cavities with inert gas to a pressure not lower than atmospheric, excluding the oxidation of oil vapors by atmospheric oxygen . The use of oil as a working fluid in a closed turbine circuit solves the problem of lubricating friction surfaces and, accordingly, reducing mechanical losses.
Изменение оборотов или форсирование по мощности всех типов турбин с внешним подводом теплоты можно осуществлять изменением подачи рабочего тела через впускное окно первой полости проточной части расширения, или последовательной подачей по зоне от минимальных межлопастных объемов до максимальных, или с обводом участка зоны расширения по аналогии с паровпуском обычных паровых турбин, или подачей и сбросом из контура рабочего тела.Changing revolutions or boosting the power of all types of turbines with an external heat input can be done by changing the supply of the working fluid through the inlet window of the first cavity of the expansion duct, or by sequential supply in the zone from minimum inter-blade volumes to maximum, or bypassing the section of the expansion zone by analogy with the steam inlet conventional steam turbines, or by supply and discharge from the circuit of the working fluid.
Для повышения термического КПД за счет интенсификации процессов подвода и отвода теплоты к рабочему телу и тем самым создания условий для изотермического протекания процессов расширения и сжатия выступающие за пределы цилиндров внутренняя, вблизи вала ротора, и наружная периферийная поверхности планшайбы ротора могут непосредственно контактировать с рабочими телами нагревателя в горячей зоне и охладителя в холодной зоне, при этом планшайба выполняет функцию дополнительного регенеративного теплообменника, повышая степень изотермичности процессов расширения и сжатия.To increase thermal efficiency due to the intensification of the processes of supplying and removing heat to the working fluid and thereby creating conditions for the isothermal flow of expansion and compression processes, the inner, near the rotor shaft, and outer peripheral surfaces of the rotor face plates protruding beyond the cylinders can directly contact the working bodies of the heater in the hot zone and the cooler in the cold zone, while the faceplate acts as an additional regenerative heat exchanger, increasing the degree of isothermal expansion and contraction processes.
В планшайбе ротора могут быть выполнены спиралеобразные от центра к периферии или радиальные каналы для подачи по ним нагревающей среды или охлаждающей за счет центробежных сил, что дополнительно обеспечит подвод тепла по всей длине проточной части расширения и отвод тепла по всей длине проточной часта сжатия в двигателях с внешним подводом теплоты, а в двигателях внутреннего сгорания для охлаждения или смазки пар трения за счет центробежных сил.The rotor faceplate can be made spiral-shaped from the center to the periphery or radial channels for supplying them with a heating medium or cooling due to centrifugal forces, which will additionally provide heat supply along the entire length of the expansion expansion part and heat removal along the entire length of the compression compression part in engines with external supply of heat, and in internal combustion engines for cooling or lubricating friction pairs due to centrifugal forces.
Для решения задачи снижения поверхностей трения, увеличения ресурса работы лопастей и снижения механических потерь по одному из вариантов лопасти могут опираться хвостовиками на опорное кольцо, установленное на внутренней цилиндрической стенке с возможностью окружного перемещения (на подшипниках качения или скольжения), и быть подпружинены хвостовиками относительно выступа планшайбы, что обеспечивает удержание лопастей у внутренней стенки цилиндра и возвратно-поступательное перемещение лопастей относительно друг друга в окружном направлении, а также перемещение по цилиндру с постоянным углом 90° к цилиндрическим стенкам.To solve the problem of reducing friction surfaces, increasing the service life of the blades and reducing mechanical losses according to one of the options, the blades can be supported by shanks on a support ring mounted on the inner cylindrical wall with the possibility of circumferential movement (on rolling or sliding bearings), and be spring-loaded with shanks relative to the protrusion faceplates, which ensures the retention of the blades at the inner wall of the cylinder and the reciprocating movement of the blades relative to each other in the circumferential direction, as well as moving along the cylinder with a constant angle of 90 ° to the cylindrical walls.
По второму варианту лопасти могут устанавливаться хвостовиками в соответствующие дугообразные продольные с радиусными стенками в окружном направлении пазы кольцевого сепаратора, установленного на внутренней цилиндрической стенке цилиндра с возможностью вращения относительно нее. Лопасти устанавливаются в пазах сепаратора с возможностью окружного возвратно-поступательного перемещения. Хвостовики лопастей могут быть подпружинены в пазах сепаратора в окружном направлении с обеих сторон для исключения вибрация при перекладке давлений рабочего тела на лопастях и для создания окружного усилия, облегчающего сближение и расхождение лопастей при перемещении их хвостовиков по пазам сепаратора.According to the second version, the blades can be installed with shanks in the corresponding arcuate longitudinal with radial walls in the circumferential direction of the grooves of the annular separator mounted on the inner cylindrical wall of the cylinder with the possibility of rotation relative to it. The blades are mounted in the grooves of the separator with the possibility of circumferential reciprocating movement. The shanks of the blades can be spring-loaded in the grooves of the separator in a circumferential direction on both sides to eliminate vibration when shifting the pressure of the working fluid on the blades and to create a peripheral force that facilitates the rapprochement and divergence of the blades when moving their shanks along the grooves of the separator.
По третьему варианту выступы планшайбы ротора перед каждой лопастью по направлению их рабочего перемещения могут быть снабжены подвижной частью, идентичной по сечению и профилю выступу и взаимодействующей с ним с возможностью окружного относительного перемещения, для чего в выступе или подвижной части выполнен по всей ширине продольный паз с дугообразными соосными ротору стенками, а в подвижной части или выступе соответствующий дугообразный продольный выступ, при этом подвижные части выступа подпружинены в окружном направлении относительно неподвижных выступов планшайбы ротора.According to the third variant, the protrusions of the rotor face plate in front of each blade in the direction of their working movement can be provided with a movable part that is identical in cross section and profile to the protrusion and interacts with it with the possibility of circumferential relative movement, for which a longitudinal groove is made along the entire width of the protrusion or moving part arched walls coaxial with the rotor, and in the movable part or protrusion a corresponding arched longitudinal protrusion, while the movable parts of the protrusion are spring-loaded relative to the circumferential direction itelno fixed protrusions rotor faceplate.
Кроме того, лопасти могут быть выполнены заодно или соединены неподвижным соединением с кольцом в виде рабочего колеса с лопастями (лопатками), установленного на внутренней стенке цилиндра с возможностью окружного перемещения (вращения), при этом выступы планшайбы ротора с каждой стороны в окружном направлении снабжены подвижными частями, идентичными по сечению выступам планшайбы, и взаимодействуют с ними пазами или выступами, для чего, аналогично ранее описанному варианту выполнения выступов планшайбы с подвижными частями, в выступах или подвижных частях выполнен по всей ширине выступа продольный дугообразный в окружном направлении паз или выступ, а в подвижных частях или выступах - соответствующие выступы или пазы, при этом подвижные части в окружном направлении подпружинены относительно выступов планшайбы.In addition, the blades can be made integral or connected by a fixed connection to the ring in the form of an impeller with blades (blades) mounted on the inner wall of the cylinder with the possibility of circumferential movement (rotation), while the protrusions of the rotor face plates on each side in the circumferential direction are equipped with movable parts identical in cross section to the protrusions of the faceplate and interact with them with grooves or protrusions, for which, similarly to the previously described embodiment of the protrusions of the faceplate with movable parts, in the protrusions or movable parts, a longitudinally arched groove or protrusion arched in the circumferential direction is made over the entire width of the protrusion, and corresponding protrusions or grooves are in the movable parts or protrusions, while the movable parts are circumferentially spring-loaded relative to the protrusions of the faceplate.
Во всех перечисленных вариантах противоположные концы лопастей выполняются без опорной поверхности и лопасти перемещаются, удерживаемые или пружинами или сепаратором, без контакта с противоположной цилиндрической стенкой цилиндра. На торцах лопастей могут быть выполнены лабиринтные уплотнения.In all of the above options, the opposite ends of the blades are made without a supporting surface and the blades move, held either by springs or a separator, without contact with the opposite cylindrical wall of the cylinder. At the ends of the blades, labyrinth seals can be made.
Указанные выше технические решения обеспечивают также автоматическое устранение зазоров при износе трущихся поверхностей лопастей с вкладышами и вкладышей с дугообразными пазами выступов и соответственно увеличивают ресурс работы турбины в целом.The above technical solutions also provide automatic elimination of gaps during wear of the friction surfaces of the blades with liners and liners with arched grooves of the protrusions and, accordingly, increase the life of the turbine as a whole.
Стыки планшайбы ротора с торцами цилиндрических стенок цилиндров уплотняются кольцевыми уплотнителями, а стыки выступов планшайбы с торцевыми стенками цилиндров за зоной перепускных каналов уплотняются полукольцами (не показаны).The joints of the rotor faceplate with the ends of the cylindrical walls of the cylinders are sealed with ring seals, and the joints of the protrusions of the faceplate with the end walls of the cylinders behind the bypass zone are sealed with half rings (not shown).
Максимальная степень расширения рабочего тела в проточной части расширения обеспечивается в первой половине первой полости первого цилиндра, являющейся полостью высокого давления, остальные полости проточной части выполняют функцию перепуска из одной в другую и дорасширения рабочего тела до атмосферного давления.The maximum degree of expansion of the working fluid in the flowing part of the expansion is provided in the first half of the first cavity of the first cylinder, which is a high-pressure cavity, the remaining cavities of the flowing part perform the function of bypassing from one to the other and expanding the working fluid to atmospheric pressure.
Потенциальная энергия рабочего тела в расширительных машинах (двигателях) преобразуется в механическую работу максимально в первой половине первой полости проточной части расширения и при дальнейшем его движении по проточной части дополнительно в зонах разобщения перепускных каналов друг от друга, в которых на лопастях создается перепад давления, при этом создаваемый крутящий момент, распределенный в окружном направлении, суммируется на валу ротора.The potential energy of the working fluid in expansion machines (engines) is converted into mechanical work as much as possible in the first half of the first cavity of the flow part of the expansion and with its further movement along the flow part additionally in the zones of separation of the bypass channels from each other, in which a pressure drop is created on the blades, at this creates the torque distributed in the circumferential direction, is summed up on the rotor shaft.
В проточной частя сжатия, наоборот, с первой рабочей полости до последней осуществляется постепенное сжатие рабочего тела, а во второй половине последней полости обеспечивается бесступенчатое с максимальной степенью сжатие, при этом проточная часть выполняет функцию многоступенчатого компрессора объемного сжатия.In the flowing part of the compression, on the contrary, from the first working cavity to the last, the working fluid is gradually compressed, and in the second half of the last cavity, compression is infinitely continuous with a maximum degree, while the flowing part performs the function of a multi-stage volume compression compressor.
В двигателях внутреннего сгорания часть сжатого в компрессоре воздуха может использоваться для продувки выпускного окна проточной части расширения.In internal combustion engines, part of the compressed air in the compressor can be used to purge the outlet window of the expansion duct.
На фиг.1 изображена принципиальная схема 4-цилиндровой турбины, поперечный разрез одного из блоков; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - линейная диаграмма изменения параметров по длине 3-цилиндровой проточной части расширения, где Р - давление, V - объем, R - радиус полости цилиндров, Мкр - крутящий момент, на фиг.4 - принципиальная схема 2-цилиндрового двигателя внутреннего сгорания (поперечный разрез по второму блоку за планшайбой ротора). На фиг.5 изображен вариант установки лопастей на опорном кольце, где 6 - выступ ротора, 18 - шарнир, 19 - лопасть, 20 - подвижное опорное кольцо, 21 - пружина. На фиг.6 изображен вариант с установкой лопастей в сепараторе, где 18 - шарнир, 19 - лопасть, 22 неподвижный выступ ротора, 23 - подвижный выступ ротора, 24 - сепаратор, 25 - пружина. На фиг.7 изображен вариант с рабочим колесом, где 25 - пружина, 26 - неподвижный выступ ротора 27, 28 - подвижные выступы ротора, 29 - рабочее колесо.Figure 1 shows a schematic diagram of a 4-cylinder turbine, a cross section of one of the blocks; figure 2 is a section aa in figure 1; figure 3 is a linear diagram of parameter changes along the length of the 3-cylinder flow part of the expansion, where P is the pressure, V is the volume, R is the radius of the cylinder cavity, M cr is the torque, figure 4 is a schematic diagram of a 2-cylinder engine internal combustion (cross section along the second block behind the rotor faceplate). Figure 5 shows the installation of the blades on the support ring, where 6 is the protrusion of the rotor, 18 is the hinge, 19 is the blade, 20 is the movable support ring, 21 is the spring. Figure 6 shows a variant with the installation of the blades in the separator, where 18 is the hinge, 19 is the blade, 22 the stationary protrusion of the rotor, 23 is the movable protrusion of the rotor, 24 is the separator, 25 is the spring. Figure 7 shows a variant with an impeller, where 25 is a spring, 26 is a stationary protrusion of the
На фиг.8 изображена принципиальная схема варианта турбодвигателя на масляном паре, где 30 - турбина, 31 - кипятильник, 32 - вакуумный насос для откачки атмосферного воздуха из рабочего контура, 33 - емкость с инертным газом, 34 - конденсатор, 35 - вентиль, сообщающий вакуумный насос и рабочий контур, 36 - вентиль, сообщающий емкость с инертным газом и рабочий контур, 37 - насос для подачи масла из конденсатора в кипятильник.On Fig shows a schematic diagram of a variant of a turbo engine in oil vapor, where 30 is a turbine, 31 is a boiler, 32 is a vacuum pump for pumping atmospheric air from the working circuit, 33 is an inert gas tank, 34 is a condenser, 35 is a valve communicating a vacuum pump and a working circuit, 36 is a valve communicating with an inert gas tank and a working circuit, 37 is a pump for supplying oil from a condenser to a boiler.
Турбина, фиг.1, 2, содержит два блока 1 и 2, состоящие каждый из двух цилиндров 3 и 4. Между блоками цилиндров установлен ротор с планшайбой 5. На планшайбе 5 для каждого из четырех цилиндров выполнены цилиндрические выступы 6. В продольных пазах выступов установлены лопасти 7. Полости цилиндра 3 сообщаются между собой перепускным каналом 8, полости цилиндра 4 сообщаются перепускным каналом 9, а смежные полости цилиндров в каждом из двух блоков сообщаются перепускными каналами 10, образуя с каждой стороны планшайбы ротора две спиралеобразные проточные части, в первой и последней полостях которых выполнены впускные или выпускные окна (не показаны).The turbine, FIGS. 1, 2, contains two
Двигатель, фиг.4, содержит в каждом блоке два цилиндра 3 и 4, полости которых последовательно сообщены перепускными каналами 8, 9 и 10. В цилиндре 4 выполнены выпускное окно 11, впускное окно 12 и дополнительное выпускное 13, сообщающееся перепускным каналом 14 с впускным окном 15 центральной полости цилиндра 3. После впускного окна 15 установлена свеча зажигания 16. В цилиндре 4 в зоне между впускным окном 12 и выпускным 13 установлена форсунка 17 для непрерывной подачи топлива.The engine, figure 4, contains in each block two
Работа многоцилиндровой турбины в качестве теплового двигателя поясняется на варианте двигателя внутреннего сгорания фиг.4.The operation of a multi-cylinder turbine as a heat engine is illustrated in the embodiment of the internal combustion engine of FIG. 4.
При запуске двигателя через впускное окно 12 поступает воздух и, сжимаясь в межлопастных объемах, перемещается к выпускному окну 13. Через форсунку 17 впрыскивается непрерывно топливо. Через выпускное окно 13 топливовоздушная смесь по перепускному каналу 14 поступает к впускному окну 15 и через него в зону минимальных межлопастных объемов первой полости центрального цилиндра 3, где она воспламеняется свечой зажигания 16. Продукты сгорания, продолжая движение и расширяясь в увеличивающихся межлопастных объемах, воздействуют на лопасти и приводят во вращение ротор.When the engine is started, air enters through the
Достигнув перепускного канала 8, газы по нему из уменьшающихся межлопастных объемов первой центральной полости цилиндра 3 поступают в увеличивающиеся межлопастные объемы второй его полости. Пройдя зону разобщения друг от друга межлопастных объемов и перепускных каналов, газы, достигнув перепускного канала 10, сообщающего смежные полости цилиндров 3 и 4, поступают из уменьшающихся межлопастных объемов второй полости цилиндра 3 в увеличивающиеся межлопастные объемы первой полости цилиндра 4. Через половину оборота ротора, пройдя очередную зону разобщения, газы через перепускной канал 9 поступают во вторую полость цилиндра 4 и затем, достигнув выпускного окна 11, выходят за пределы проточной части расширения.Having reached the
Работа паромасляного варианта турбодвигателя фиг.8 осуществляется следующим образом.The operation of the steam-oil version of the turbo engine of Fig. 8 is as follows.
Перед запуском двигателя открывается вентиль 35 и вакуумным насосом 32 производится откачка атмосферного воздуха из рабочего контура двигателя. После откачки воздуха вентиль 35 перекрывается и включается кипятильник 31. После образования масляного пара он под высоким давлением поступает из кипятильника в первые полости проточных частей турбодвигателя для расширения. После расширения масляный пар поступает в конденсатор 34 и конденсируется. После охлаждения масло насосом 37 подается в кипятильник 31.Before starting the engine, the
Перед остановкой турбодвигателя кипятильник масла 31 отключается. После охлаждения масла открывается вентиль 36, и рабочий контур двигателя заполняется инертным газом из емкости 33 до давления, несколько превышающего атмосферное давление.Before the turbo engine stops, the
При следующем пуске турбодвигателя, находившегося под избыточным давлением инертного газа, его удаление из рабочего контура путем откачки вакуумным насосом может не производиться.At the next start of the turbo engine, which was under overpressure of an inert gas, it may not be removed from the working circuit by pumping with a vacuum pump.
В зависимости от величины начальных параметров рабочего тела выбирается соответствующее количество цилиндров для проточной части расширения.Depending on the value of the initial parameters of the working fluid, the corresponding number of cylinders for the flow part of the expansion is selected.
При выборе количества и поперечных размеров цилиндров учитывается геометрический прирост объемов полостей цилиндров из-за увеличения их окружной длины, который зависит от величины эксцентриситета ротора, толщины выступов планшайбы, толщины цилиндрических стенок цилиндров, ширины (радиальной) цилиндров.When choosing the number and transverse dimensions of the cylinders, the geometric increase in the volume of the cylinder cavities is taken into account due to the increase in their circumferential length, which depends on the magnitude of the eccentricity of the rotor, the thickness of the protrusions of the faceplate, the thickness of the cylindrical walls of the cylinders, and the width (radial) of the cylinders.
Многоцилиндровая турбина объемного расширения обеспечивает возможность реализации более эффективных термодинамических циклов с преобразованием непосредственно потенциальной энергии рабочих тел в механическую энергию вращения с использованием для совершения полезной работы всего избыточного давления рабочего тела и почти всей теплоты, и является базовым модулем для создания на ее основе высокоэффективных, экономичных и экологически чистых тепловых двигателей.The multi-cylinder volume expansion turbine provides the possibility of implementing more efficient thermodynamic cycles with the conversion of the potential energy of the working fluid directly into mechanical rotational energy using all the excess pressure of the working fluid and almost all the heat to perform useful work, and is the basic module for creating highly efficient, economical and environmentally friendly heat engines.
Простота и технологичность конструкции с использованием максимально эффективного кинематического механизма, компактная спиралеобразная проточная часть с центробежным характером движения рабочего тела при расширении обеспечивают высокие показатели эффективности, экономичности и совершенства конструкции.The simplicity and manufacturability of the design using the most effective kinematic mechanism, the compact spiral-shaped flow part with the centrifugal nature of the movement of the working fluid during expansion provide high rates of efficiency, economy and design perfection.
Существенными факторами, обеспечивающими достижение турбодвигателем высоких показателей, является то, что, в отличие от известных двигателей внутреннего сгорания, паровых машин с кривошипно-шатунным механизмом и роторного двигателя Ванкеля, в которых снижающееся при расширении давление рабочего тела создает крутящие моменты через постоянные по величине площади и через появляющееся и исчезающее плечо (радиус кривошипа) и используется не полностью, обеспечивая эффективное давление лишь 20-25% от максимального давления, развиваемого продуктами сгорания, в турбодвигателе снижающееся от центра к периферии давление используется полностью, обеспечивая повышение эффективного давления до 50% от максимального, которое создает равномерно распределенные в окружном направлении крутящие моменты на постепенно увеличивающихся площадях и радиусах, обеспечивая и более эффективное его использование и, соответственно, выигрыш в силе и в общем крутящем моменте на валу ротора.Significant factors ensuring the achievement of a high performance by a turbo engine are that, in contrast to the well-known internal combustion engines, steam engines with a crank mechanism and a Wankel rotary engine, in which the pressure of the working fluid, which decreases with expansion, creates torques through constant areas and through the appearing and disappearing shoulder (crank radius) and is not fully used, providing an effective pressure of only 20-25% of the maximum pressure developed by the product using combustion chambers, the pressure in the turbo engine decreases from the center to the periphery and is fully used, providing an increase in the effective pressure up to 50% of the maximum, which creates torque evenly distributed in the circumferential direction on gradually increasing areas and radii, ensuring its more efficient use and, accordingly, gain in strength and overall torque on the rotor shaft.
Уравновешенность в осевом и окружном направлениях, отсутствие возвратно-поступательных перемещений рабочего тела и деталей и узлов в роторном механизме исключают вибрации турбины, а срабатывание избыточного давления рабочего тела до атмосферного давления обеспечивает бесшумный выхлоп.The balance in the axial and circumferential directions, the absence of reciprocating movements of the working fluid and parts and assemblies in the rotor mechanism exclude turbine vibrations, and the operation of the working fluid overpressure to atmospheric pressure ensures a silent exhaust.
Большой крутящий момент при минимальных оборотах и, соответственно, момент трогания (низкий скоростной коэффициент), пологие дроссельные характеристики обеспечивают бесступенчатое изменение выходной мощности на валу в широком диапазоне, исключая необходимость применения ступенчатой коробки передач в мобильных объектах.Large torque at minimum revolutions and, accordingly, the starting moment (low speed coefficient), gentle throttle characteristics provide stepless variation of the output power on the shaft in a wide range, eliminating the need for a step gearbox in mobile objects.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004132295/06A RU2362881C2 (en) | 2004-11-04 | 2004-11-04 | Multicylinder cubical expansion turbine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004132295/06A RU2362881C2 (en) | 2004-11-04 | 2004-11-04 | Multicylinder cubical expansion turbine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004132295A RU2004132295A (en) | 2006-04-10 |
RU2362881C2 true RU2362881C2 (en) | 2009-07-27 |
Family
ID=36458929
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004132295/06A RU2362881C2 (en) | 2004-11-04 | 2004-11-04 | Multicylinder cubical expansion turbine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2362881C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2587506C2 (en) * | 2013-06-19 | 2016-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Высокие технологии инжиниринг" | Method of operating rotary-vane machine (versions) and rotary-vane machine |
RU173050U1 (en) * | 2016-07-19 | 2017-08-08 | Владимир Анисимович Романов | Romanov's two-line radial turbine |
RU2715825C1 (en) * | 2019-06-17 | 2020-03-03 | Фарит Фаварисович Ахияров | Hydraulic transformer with controlled gear ratio |
-
2004
- 2004-11-04 RU RU2004132295/06A patent/RU2362881C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2587506C2 (en) * | 2013-06-19 | 2016-06-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Высокие технологии инжиниринг" | Method of operating rotary-vane machine (versions) and rotary-vane machine |
RU173050U1 (en) * | 2016-07-19 | 2017-08-08 | Владимир Анисимович Романов | Romanov's two-line radial turbine |
RU2715825C1 (en) * | 2019-06-17 | 2020-03-03 | Фарит Фаварисович Ахияров | Hydraulic transformer with controlled gear ratio |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004132295A (en) | 2006-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6216462B1 (en) | High efficiency, air bottoming engine | |
EP1492940B1 (en) | Scroll-type expander having heating structure and steam engine employing the expander | |
US6725662B2 (en) | Drive device | |
US10280806B2 (en) | Drive unit with its drive transmission system and connected operating heat cycles and functional configurations | |
CN107407228B (en) | transfer-expansion and regenerative heat engine | |
JP2013527355A (en) | Rotating piston steam engine with balanced rotary variable intake cutoff valve and second expansion with no back pressure in the first expansion | |
KR20020065541A (en) | Apparatus using oscillating rotating pistons | |
US4392351A (en) | Multi-cylinder stirling engine | |
US8056529B2 (en) | Rotary internal combustion engine for combusting low cetane fuels | |
RU2362881C2 (en) | Multicylinder cubical expansion turbine | |
JP7473119B2 (en) | THERMAL MACHINE CONFIGURED TO PERFORM A THERMAL CYCLE AND METHOD FOR PERFORMING A THERMAL CYCLE WITH SUCH A THERMAL MACHINE - Patent application | |
EP1147292B1 (en) | Lever-mechanism motor or pump | |
US3741694A (en) | Positive displacement rotary engine | |
RU2699864C1 (en) | Volumetric type rotary machine | |
GB2195400A (en) | Heat engine incorporating a rotary vane device | |
US3853434A (en) | Positive displacement rotary machine | |
RU2335636C2 (en) | Method of heat engine operation and romanov's gas-steam turbo-engine | |
RU2688050C1 (en) | Rotary engine | |
RU2364726C2 (en) | Turbo-piston engine | |
RU2146014C1 (en) | Heat engine; method of operation and design versions | |
RU2072434C1 (en) | Internal combustion engine and method of its operation | |
RU2326256C2 (en) | Heat machine "ilo" employing stirling closed cycle | |
RU2358113C2 (en) | Impeller machine | |
CA2421185A1 (en) | Rotary fluid machine | |
NO892012L (en) | ROTATION ENGINE WITH INTERNAL COMBUSTION. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090611 |