Тепловой двигатель с высоким кпд - RU2006139622A

Реферат

1. Тепловой двигатель, содержащий

два независимых ротора (3, 4, 4'), предпочтительно коаксиальных (XX), каждый из которых установлен соответственно в одном из двух картеров (5, 6, 6'), при этом первый ротор (3) входит в состав ступени (1) низкого давления, а второй ротор (4, 4') входит в состав ступени (2, 2') высокого давления, при этом каждая ступень (1, 2, 2'), оборудованная своим ротором (3, 4, 4') и соответствующими неподвижными органами (9, 10, 13, 14, 89, 91, 92, 93) подготовки текучей среды в комбинации со средствами сжатия газов, называемыми компрессором (15, 16, 90), и средствами расширения газов, называемыми детандером (17, 18, 90); и

по меньшей мере, одну камеру (19, 20) сгорания,

отличающийся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера сгорания расположена в центральном по существу цилиндрическом объеме, ограниченном

по своим основаниям двумя роторами (3, 4, 4') и их картерами (5, 6, 6'), и

по своей боковой поверхности первой стенкой (22), по существу цилиндрической и в радиальном внутреннем положении,

при этом указанная первая стенка является по существу коаксиальной со второй стенкой (23), по существу цилиндрической и в радиальном промежуточном положении, при этом указанные первая и вторая стенки ограничивают между собой первый канал (26), соединяющий выход компрессора (16, 90) ступени высокого давления с входом первой камеры (19) сгорания,

и указанная вторая стенка (23) является по существу коаксиальной с третьей стенкой (24), по существу цилиндрической и в радиальном наружном положении, при этом указанные вторая и третья стенки ограничивают между собой второй канал (25), наружный по отношению к первому каналу (26) и соединяющий выход компрессора (15) ступени (1) низкого давления с входом компрессора (16, 90) ступени (2, 2') высокого давления,

при этом выход первой камеры (19) сгорания питает детандер (18, 90) ступени (2, 2') высокого давления газами сгорания, направляемыми от выхода детандера (18, 90) ступени (2, 2') высокого давления к входу детандера (17) ступени (1) низкого давления, выход которого сообщается с наружным пространством картера (24, 27, 31) двигателя, по меньшей мере, через одно отверстие (41) выпуска отработавших газов.

2. Тепловой двигатель по п.1, в котором оба независимых картера (3, 4, 4') являются коаксиальными (XX).

3. Тепловой двигатель по п.1, в котором картер (24, 27, 31) двигателя, содержащий третью стенку (24), ограничивающую в радиальном направлении снаружи второй кольцевой и наружный канал (25) циркуляции сжатого газа низкого давления, такого как воздух, выполняют из теплопроводящего материала.

4. Тепловой двигатель по п.3, в котором указанный картер (24, 27, 31) оборудуют ребрами (48) и/или выступами (48') на его наружной и/или внутренней стороне.

5. Тепловой двигатель по любому из пп.1-4, в котором первый кольцевой и внутренний канал (26) циркуляции сжатого газа высокого давления, такого как воздух, ограничен, радиально снаружи, второй стенкой (23), выполненной в виде промежуточного картера из теплоизоляционного материала и отделяющей его от второго канала (25), и, радиально изнутри, первой стенкой (22), выполненной в виде внутреннего картера из теплопроводящего материала и отделяющей его от первой камеры (19) сгорания.

6. Тепловой двигатель по п.1, в котором выпуск наружу газов, выходящих из детандера (17) ступени (1) низкого давления обеспечивается отдельными каналами (41), направленными в виде лучей радиально наружу относительно оси (XX) первого ротора (3).

7. Тепловой двигатель по п.1, содержащий две камеры (19, 20) сгорания, выполненные в центральном объеме между двумя роторами (3, 4), из которых первая камера сгорания, называемая главной камерой (19) сгорания, питаемая газом, таким как воздух, сжатым под высоким давлением, выходящим из компрессора (16) ступени (2) высокого давления через первый канал (26), выполнена сужающейся по существу в направлении оси (XX) второго ротора (4) в сторону входа детандера (18) ступени (2) высокого давления, выход (38) которого сообщается с входом второй камеры сгорания, называемой вспомогательной камерой (20) сгорания, которая охвачена первой камерой (19) сгорания и сужается в осевом направлении к своему выходу, соединенному радиально наружу с входом детандера (17) ступени (1) низкого давления, при этом циркуляция газов в двух камерах (19, 20) сгорания происходит по существу в осевом направлении противоположными потоками.

8. Тепловой двигатель по п.7, в котором обе камеры (19, 20) сгорания отделены друг от друга по существу конической центральной перегородкой (21) из теплопроводящего материала, выполненной таким образом, чтобы ограничивать сужающиеся противопоточные каналы обеих (19, 20) камер сгорания.

9. Тепловой двигатель по п.6, в котором каналы (41) выпуска наружу отработавших газов, выходящих из детандера (17) ступени (1) низкого давления, ограничены двумя по существу радиальными внутренними теплоизолирующими стенками (39, 42), одна (39) из которых охватывает выход (40) детандера (17) ступени (1) низкого давления, тогда как вторая стенка (42) отклоняет радиально наружу отработавшие газы, выходящие из указанной, по меньшей мере, одной камеры (19, 20) сгорания и из детандера (18) ступени (2) высокого давления.

10. Тепловой двигатель по п.1, в котором соотношение его по существу радиального и осевого размеров относительно оси (XX), по меньшей мере, одного из роторов (3, 4) близко к 1.

11. Тепловой двигатель по п.1, в котором ступень (1) низкого давления содержит первый ротор (3), содержащий на стороне, обращенной наружу двигателя, лопаточное колесо (7) центробежного компрессора (15), вращающееся радиально внутри кольцевого диффузора (9) с неподвижными лопатками относительно картера (5) первого ротора (3), а на внутренней стороне первого ротора лопаточное колесо (11) центростремительной турбины (17), вращающееся радиально внутри центростремительного кольцевого направляющего аппарата (13) с неподвижными лопатками относительно картера (5) первого ротора (3), при этом колеса (7, 11) компрессора (15) и турбины (17) неподвижно соединены и вращаются вместе вокруг общей оси (XX), которая является осью первого ротора (3).

12. Тепловой двигатель по п.11, в котором ступень (2) высокого давления имеет архитектуру, аналогичную ступени (1) низкого давления, при этом обе ступени расположены «валетом», при этом ступень (2) высокого давления содержит второй ротор (4), содержащий на стороне, обращенной наружу двигателя, лопаточное колесо (8) центростремительного компрессора (16), вращающееся радиально внутри кольцевого диффузора (10) с неподвижными лопатками относительно картера (6) второго ротора (4), а на внутренней стороне второго ротора (4) лопаточное колесо (12) центростремительной турбины (18), вращающееся радиально внутри центростремительного кольцевого направляющего аппарата (14) с неподвижными лопатками относительно картера (6) второго ротора (4), при этом колеса (8, 12) компрессора (16) и турбины (18) неподвижно соединены и вращаются вместе вокруг общей оси (XX), которая является осью второго ротора (4).

13. Тепловой двигатель по п.11, в котором ступень (2') высокого давления содержит волновой компрессор-детандер, называемый «волновым ротором», в котором передача энергии между сжатием газа, такого как воздух, и расширением отработавших газов происходит внутри колеса (4') с каналами путем непосредственного контакта между указанным газом и указанными отработавшими газами в указанных каналах (90) и при помощи процесса, основанного на перемещении волн расширения и волн сжатия в указанных каналах (90) указанного колеса (4') с каналами, при этом указанный «волновой ротор» содержит вход (89) газа (воздуха), выход (92) сжатого газа (воздуха), соединенный с первой камерой (19) сгорания, вход (91) отработавших газов, поступающих от выхода первой камеры (19) сгорания, и выход (92) указанных отработавших газов, к второй камере сгорания (20), в случае необходимости, и к детандеру (17) ступени (1) низкого давления.

14. Тепловой двигатель по п.1, в котором роторы (3, 4) поддерживаются в осевом и радиальном направлениях газовыми подшипниками (44, 45, 46, 47).

15. Тепловой двигатель по п.1, в котором картер (24, 27, 31) двигателя, ограничивающий радиально снаружи второй канал (25), по меньшей мере, частично погружен в закрытый герметичный водяной резервуар (51), предпочтительно с двойной стенкой (52), предназначенный для производства пара под давлением и для тепловой изоляции теплового двигателя от наружного пространства и облегчения его интегрирования в предназначенный для этого корпус.

16. Тепловой двигатель по п.15, в котором давление водяного пара, получаемого в первой камере (56)резервуара (51), регулируется при помощи клапана (58) сообщения со второй камерой (54) резервуара, которая, в свою очередь, сообщается с входом детандера (17) ступени (1) низкого давления таким образом, чтобы водяной пар смешивался с газами сгорания, выходящими из указанной, по меньшей мере, одной камеры (19, 20) сгорания, прежде чем попасть в детандер (17) ступени (1) низкого давления.

17. Тепловой двигатель по п.15, в котором выпуск газов и водяного пара, поступающих из детандера (17) ступени (1) низкого давления, происходит через отдельные каналы (41), предпочтительно выполненные в виде по существу радиально направленных лучей, продолженные (55) через водяной резервуар и сообщающиеся с окружающей средой, обеспечивая предварительный нагрев воды в резервуаре (51).

18. Тепловой двигатель по п.1, в котором поток газа (воздух), выходящий из компрессора (15) ступени (1) низкого давления, может быть разделен на два потока, один из которых направляется в компрессор (16) ступени (2) высокого давления, а другой в пневматическом виде к потребителю (60) полезной мощности.

19. Тепловой двигатель по п.18, в котором поток сжатого газа (воздуха) низкого давления, соответствующий полезной мощности, предаваемой компрессором (15) ступени (1) низкого давления, питает турбину (61) турбогенератора (68), электрогенератор (65-66) которого питает батарею (72), соединенную, по меньшей мере, одним выходом (75) электрической мощности, по меньшей мере, с одним электрическим потребителем.

20. Тепловой двигатель по п.19, в котором турбоэлектрогенератор (68) термически изолирован (67) от картера двигателя, охватывающего оба ротора (3, 4), указанную, по меньшей мере, одну камеру (19, 20) сгорания и каналы (25, 26) циркуляции сжатого газа (воздуха) низкого давления и высокого давления и газов сгорания низкого давления и высокого давления.

21. Тепловой двигатель по п.19, в котором электрогенератор (65-66) турбогенератора (68) является генератором магнитного типа, содержащим, по меньшей мере, один постоянный магнит (65), установленный на одной стороне лопаточного колеса (63) центростремительной турбины (61) турбогенератора (68), противоположной стороне, содержащей лопатки указанной центростремительной турбины (61), при этом указанный, по меньшей мере, один постоянный магнит (65) неподвижно соединен во вращении с колесом (63) центростремительной турбины турбогенератора (68) и вращается напротив, по меньшей мере, одной плоской катушки (66) индуктивности электрогенератора (65-66).

22. Тепловой двигатель по п.19, в котором батарея (72), питаемая электрогенератором (65-66) турбогенератора (68), питает, в свою очередь, по меньшей мере, один электрический воспламенитель смеси газ(воздух)-топливо в указанной, по меньшей мере, одной камере (19, 20) сгорания, в которую топливо впрыскивается через, по меньшей мере, один канал (49, 49') подачи топлива.

23. Тепловой двигатель по п.19, в котором батарея (72), питаемая электрогенератором (65-66) турбогенератора (68), в свою очередь, питает, по меньшей мере, одно нагревательное сопротивление (77), установленное в камере (56)водяного резервуара (51), для производства водяного пара под давлением, питающего детандер (17) ступени (1) низкого давления для запуска теплового двигателя с электрическим стартером и с нагревательным сопротивлением (77).

24. Тепловой двигатель по п.19, в котором поток сжатого газа (воздуха) низкого давления, поступающий от компрессора (15) ступени (1) низкого давления, питает центростремительную турбину (61) турбогенератора (68) после срабатывания клапана (74), предпочтительно проходя через центростремительный кольцевой направляющий аппарат (62) с неподвижными лопатками, охватывающий лопаточное колесо (63) указанной центростремительной турбины (61) турбогенератора (68), или через улитку, охватывающую указанную центростремительную турбину (61) турбогенератора (68).

25. Тепловой двигатель по п.1, оборудованный стартером (79) на твердом пропеголе (80), в котором стартер (79) выполняют в виде газогенератора с зажиганием (82), предпочтительно электрическим воспламенением твердого проперголя (80), от батареи (72) таким образом, чтобы газовый поток, получаемый в результате сгорания твердого проперголя, направлялся, по меньшей мере, через один вход (86) в радиальную концевую сторону картера двигателя, предпочтительно вокруг отверстия (30) впуска газа (воздуха) в тепловой двигатель, приводя во вращение ротор (3) ступени (1) низкого давления.

26. Тепловой двигатель по п.25, в котором стартер (79), выполненный в виде газогенератора, содержит проперголевый пиропатрон (80), устанавливаемый для каждого запуска теплового двигателя, при этом указанный газогенератор сообщается с внутренним пространством картера теплового двигателя через, по меньшей мере, один почти тангенциальный вход (86), чтобы приводить во вращение ротор (3) ступени (1) низкого давления.