Винтовой забойный двигатель. Роторно винтовой двигатель


РОТОРНО-ВОЛНОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — Автокадабра

Сегодня уже мало кого устраивает, что 60-70 % теплоты вырабатываемой двигателями внутреннего сгорания просто выбрасывается в атмосферу. Когда же энергетика с ее ограниченными сырьевыми ресурсами не сможет мириться и с 20-30 % потерями тепла в рамках все той же классической термодинамики, то без сомнения будут востребованы только те технические решения, которые смогут преодолеть основные недостатки существующих тепловых машин, позаимствовав от них только плюсы. Так от газовой турбины будет взята неограниченная мощность, малые габариты и вес; от дизеля — высокая экономичность; от его бензинового конкурента — приемистость и максимально эффективное использование рабочего объема двигателя; от фактически забытой паровой машины и ее «родственника» в лице современного стирлинга — бесшумность, многотопливность и высокий крутящий момент; от широко разрекламированного в недавнем прошлом двигателя Ф. Ванкеля — отсутствие органов газораспределения; от нашумевшего бесшатунного двигателя С. Баландина и совсем уж неизвестной конструкции Е. Льва — высокий механический КПД и способность двигателя выполнять функции редуктора; а от мало кому известного двигателя В. Кушуля — низкую токсичность выхлопа. . В нем удастся полностью или частично отказаться от: охлаждения и смазки, убрать глушитель шума, маховик, и это при количестве деталей не большем, чем в двухтактном мото — велодвигателе. На сегодняшнем этапе развития техники эта задача может быть решена только с переходом к качественно новым двигателям внутреннего сгорания с иными конструктивными принципами и решениями. Таким условиям полностью отвечает концептуальная идея «Роторно-волнового двигателя» (пат. России № 2155272) — объемной прямоточной машины, воспроизводящей последовательность работы газотурбинного двигателя. В нем совершенно устранено возвратно-поступательное движение рабочих органов, ротор полностью уравновешен и вращается с постоянной угловой скоростью. Рабочее тело, как и в турбине, движется вдоль оси двигателя, траектория движения — винтовая линия. В конструкции отсутствует вредное пространство, ограничивающее рост степени сжатия рабочего тела. Из-за отсутствия уплотнительных элементов и, соответственно трения в проточной части, снимаются ограничения по ресурсу и числам оборотов двигателя. Рабочий процесс допускает, произвольно изменять степень сжатия и расширения рабочего тела; без дополнительных регулировок и остановки двигателя осуществлять переход на любой сорт топлива. Оригинальная кинематическая схема и прогрессивный рабочий процесс роторного двигателя позволяет собрать в одной конструкции только положительные стороны всех типов ДВС. В основе же кинематики роторно-волнового двигателя (РВД) лежит сферический механизм, где оси его основных деталей пересекаются в одном месте — центре воображаемой сферы. Установленный с минимальным зазором конический винтовой ротор совмещает вращение с противоположным ему планетарным обкатыванием по внутренним огибающим корпуса. Накладывая два эти вида движения на любые сечения ротора (кроме центра — точки его перегиба), можно увидеть, что они совершают в определенной последовательности равные угловые колебания в пазах корпуса, образуя волны, которые последовательно перекатываются по ходу винтовых поверхностей корпуса. Аналогичный процесс можно видеть на море, наблюдая в ветреную погоду за перемещением волн в «стоячей воде». В компрессорном отсеке формирование и движение волн начинается от периферии по направлению к центру, а в расширительном отсеке — наоборот — от центра к периферии. . 1- Ротор; 2- Корпус; 3- Вал отбора мощности; 4- Шарнир равных угловых скоростей; 5- Эксцентрик; 6- Блок шестерен. А- впускное окно, Б- выпускное окно, В- компрессорный отсек, Г- камера сгорания, Д- расширительный отсек, φ- угол наклона ротора. Ротор (1) и вал отбора мощности (3) соединяются между собой в центре двигателя шарниром Гука (4), который можно назвать шарниром равных угловых скоростей (ШРУСом). Необходимое же ротору «дополнительное» обкатывание по внутренним огибающим корпуса задается вспомогательным устройством — так называемым «генератором волн». Его основной элемент — вращающийся на основном валу эксцентрик (5), с приводом через блок шестерен (6) все от того же вала. Эксцентрик наклоняя ротор от 3 до 6 градусов обеспечивает угловое качание сечениям ротора в пределах от 12 до 24 градусов (подробнее см. в отраслевом журнале «Двигателестроение» 2 и 3 № за 2001 г.). В такой комплектации расчетный механический КПД двигателя составит невиданную цифру — 97 %. С началом вращения, винтовые поверхности ротора начинают открывать внутренние полости винтовых каналов компрессорного отсека, засасывая и них воздух двумя потоками, смещенными относительно друг друга на 180 градусов. За один оборот ротора в оба канала компрессорного отсека засасываются и отсекаются от впускного тракта по две порции воздуха. При дальнейшем повороте, каждая порция воздуха начнет самостоятельно перемещаться к центру двигателя, непрерывно сокращаясь в объеме за счет уменьшения шага и амплитуды самого витка. Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока все уменьшающийся объем со сжатым воздухом не подойдет к камере сгорания. В этот момент процесс внутреннего сжатия воздуха в компрессорном отсеке закончится, наступает следующий этап — выталкивание сжатого воздуха в камеру сгорания тыльной стороной витка, ближе других находящегося к центру ротора. Этот процесс сопровождается непрерывным распыливанием топлива в воздушном потоке с последующим его сгоранием в общей камере, куда и выталкиваются все порции воздуха. Для первоначального поджигания топливовоздушной смеси в камере устанавливается запальная свеча. После запуска дальнейшее поджигание смеси должно поддерживаться газами, оставшимися от предыдущих циклов в общей камере сгорания. Последние, с высокой температурой и давлением покидая камеру сгорания, заполняют на роторе винтовые каналы расширительных отсеков, расположенных по другую сторону от центра ротора (точки, где шаг и амплитуда угловых колебаний равна нулю). С поворотом последнего происходит увеличение объемов расширительных отсеков за счет чего и осуществляется рабочий ход. На момент максимального расширения, кромки наружных витков ротора открываются и газы сначала свободно, а затем принудительно выдавливаются в выпускной коллектор. Интервал выпуска отработанных газов из очередной камеры расширения составит 180 градусов. Часть полученной в цикле мощности возвращается телом ротора в компрессорный отсек. . Пятигипотрохоидный РВД с внешними огибающими и с отбором мощности через шарнир равных угловых скоростей (ШРУЗ). Обладает свойствами редуктора — четырем обкатываниям ротора, с засасыванием в двигатель 20 объемов воздуха, соответствует один оборот выходного вала. Заменяет собой 80-ти цилиндровый поршневой ДВС. . Трехгипотрохоидный РВД с внешними огибающими и с отбором мощности через вал с косой шейкой. Выходной вал и ротор вращаются в разные стороны в пропорции 1:0,5 Заменяет собой 12-ти цилиндровый поршневой ДВС. Описанный рабочий процесс соответствует самой простой конструкции, в которой двухзаходный корпус работает в паре с однозаходным ротором. Рост же числа заходов неизбежно приводит к усложнению формы корпуса и ротора, которые между собой будут соотноситься как целые порядковые числа: 2\1; 3\2; 4\3; 5\4 и т. д. Поперечные сечения тел ротора и корпуса во всех случаях будут иметь гипотрохоидные формы с внешними огибающими: например, как это показано на Рис. 2 и 3. На рис 3. изображен один из альтернативных вариантов отбора мощности от ротора — валом с косой шейкой. Рассмотренный тип двигателя, в основе которого лежит внутреннее винтовое зацепление ротора с корпусом, образует новое семейство прямоточных коловратных машин: в нем, с увеличением количества заходов ротора и корпуса, угловая скорость ротора и соответственно вала отбора мощности оборудованного ШРУСом будет падать, с одновременным ростом величины крутящего момента. Эта замечательная особенность кинематической схемы РВД позволит многозаходному ротору по совместительству выполнять еще и функцию понижающего редуктора. Ведь не секрет, что рост мощности двигателя всегда идет по пути увеличения рабочих оборотов (ему больше некуда идти), а потребители энергии, будь то винт судна, или автомобильное колесо, остаются практически неизменными. Приходится ставить дополнительные редукторы для снижения оборотов. А здесь, двигатель сам себе и редуктор. Функция редуктора в многозаходных конструкциях (Рис.2) возложена на механизм синхронизации, состоящий из неподвижного венца с внутренним зацеплением (1) и меньшей по диаметру планетарной шестерни с внешним зацеплением (2) жестко соединенной с ротором. Количество зубьев венца к шестерне всегда должно соответствовать выбранной пропорции корпуса к ротору. Иначе нельзя, только этим достигается синхронизация и требуемое трохоидное движение ротора. Каждому новому обкатыванию шестерни ротора будет соответствовать ее поворот на фиксированный вместе с ротором угол. Для двухзаходного ротора, работающего в паре с трехзаходным корпусом, на одно обкатывание шестерни приходится поворот ротора в корпусе на 50 %, в трехзаходном варианте ротора — на 33 %, в четырехзаходном — на 25 % и т. д. Если изначально однозаходный ротор, работающий в паре с двухзаходным корпусом эквивалентен восьмицилиндровому поршневому ДВС, то уже двухзаходный ротор в паре с трехзаходным корпусом эквивалентны 24-х цилиндровому ДВС. Дальше — больше. Трехзаходный ротор соответствует 48 цилиндровому поршневому ДВС, четырехзаходный — 80 цилиндровому ДВС и т. д. Для последнего примера, у которого будет несколько меньший механический КПД (94 -95 %), расчетный крутящий момент на выходном валу увеличится от 16 до 21 раза в сравнении с поршневым аналогом, и это при равных с ним оборотах и литраже двигателя. Что само по себе, например, для автомобильного варианта уже не требует установки за двигателем коробки передач, которая повышает крутящий момент двигателя всего в 4 — 10 раз. Здесь ротор, производя полный оборот, вынужден при этом совершать четыре полных обкатывания по внутренним огибающим корпуса. Соответственно, при 2500 об/мин ротора, каждый из пяти винтовых каналов корпуса должен всосать по 10000 объемов воздуха, что в сумме составит 50000 объемов в минуту. Для сравнения, у аналогичного одноцилиндрового четырехтактного ДВС при равных оборотах, количество тактов всасывания наполнит 625 рабочих объемов двигателя (каждый четвертый такт — всасывание). Вот откуда она, восьмидесятикратная разница. Учитывая низкий коэффициент наполнения безнаддувного поршневого двигателя, равный 85 % против 100-105 % в РВД, фактическая разница увеличится до 94. Мы не учли еще разницу в механическом КПД поршневого ДВС и РВД соответственно 85 % против 94 %. Соотнесем ее на протечки рабочего тела через «неплотности» ротора. Осталось упомянуть и о предельно допустимых оборотах РВД, сравнив их с серийными двигателями. Современный поршневой ДВС применяет 4500 — 6000 об/мин; аналогичная по мощности газовая турбина свободно раскручивается до 50000 — 70000 об/мин; РВД должен занять промежуточное положение — его удел от 2500 до 30000 об/мин (все зависит от количества заходов ротора). В рабочих отсеках РВД одновременно может сжиматься и расширяться от нескольких единиц до несколько десятков объемов воздуха. А то место, где ротор, едва не касаясь своей поверхностью, приближается на минимальное расстояние к корпусу, как раз и является подвижной разделительной линией между последовательно движущимися камерами (на Рис.1 сечения 1-1 и 1Х-1Х). За каждый оборот ротора степень сжатия (расширения) изменяется в 4-5 раз. Теоретическая же степень сжатия ( расширения ) в одном агрегате может достигать ста единиц (все зависит от количества витков), и это при полном отказе от уплотнительных элементов, роль которых выполняет тело ротора. Ротор, освобождаясь от механического трения «завинчивает» порции воздуха в камеру сгорания нигде не касаясь стенок корпуса, поэтому так же отпадает необходимость в смазке рабочих отсеков двигателя. Трение остается лишь в подшипниках качения, на которые опирается ротор за пределами горячих зон и в ШРУСе. Последний же конструктивно очень просто позволяет передавать весь поток мощности от ротора выходному валу фактически без потерь. Достаточно вспомнить, что механический КПД широко используемых в технике ШРУСов очень высок и колеблется при малых углах качания от 99 до 99,5 %. Кроме этого, шарнирное соединение автоматически точно центрирует ротор в любом его положении, а сам шарнир, расположенный в центре двигателя, надежно защищен от теплового воздействия камеры сгорания необходимой толщиной сферического теплового экрана. Как видим, в РВД ничто не препятствует применению очень высоких оборотов: ротор вращается с постоянной угловой скоростью, он прекрасно уравновешивается, вместо клапанов, или даже окон, в конструкции используются каналы неограниченной пропускной способности для непрерывного поступления воздуха в рабочие отсеки двигателя. Отсутствие трения также снимает ограничения по износу деталей и ресурсу двигателя в целом. В двигателе будут изнашиваться только подшипники, а для них ресурс в 30 — 40 тыс. рабочих часов не предел. Заметим кстати, что хороший автомобильный двигатель в наше время имеет моторесурс 5000- 7000 часов до первого ремонта. Автомобильные РВД, при неограниченной мощности окажутся долговечнее, чем рама автомобиля (самое долговечное, что есть в нем ). Рабочий процесс для камеры постоянного горения, позволяет, не останавливая двигатель, подавать в него любой вид жидкого, газообразного или даже твердого распыленного топлива, полностью стирая грани между турбинами, дизельными и карбюраторными двигателями. В кинематических звеньях механизмов поршневых и роторных ДВС присутствуют так называемые «мертвые точки», для их преодоления за двигателем устанавливается значительный по массе маховик. В РВД же — газовые силы, действующие на ротор, направлены всегда по касательной к его поверхности, они постоянны и непрерывны, что делает совершенно не нужной установку маховика, а в некоторых случаях и противовесов, применяемых для полного уравновешивания двигателя. Компоновочная схема компрессорного и расширительного отсеков РВД такова, что допускает также, без остановки двигателя, в широких пределах изменять степень сжатия и расширения рабочего тела, в том числе до полного расширения отработанных газов, при котором отпадает необходимость в глушителе шума. Исчезает не только значительное сопротивление, которое создает глушитель, отнимая у двигателя до 10 % его мощности, но и в процессе продолженного расширения выделится еще 10 -15 % дополнительной энергии. Разумеется, прирост мощности в 20-25% очень привлекательны и для разработчиков серийных ДВС. На практике же продолженное расширение не удается применять из-за нецелесообразного увеличения весогабаритных показателей силовых установок с одновременным ростом в них величины механических потерь. Ну и, наконец, главный резерв повышения КПД — применение в конструкции РВД керамических материалов — жаропрочных теплоизолированных покрытий, позволяющих отказаться от системы охлаждения и заменить собой сложнейшие турбокомпаундные двигатели. С использованием только таких свойств керамики для РВД, которыми она всегда обладала — способностью работать на сжатие, умеренное растяжение при стабильной температуре и давлении во всех сечениях корпуса и ротора. В заключение приведем еще несколько цифр. Расчетный индикаторный КПД простого цикла РВД в адиабатном исполнении и весьма умеренной степени сжатия равной 15 со степенью расширения 36 составит 51 %. Соответственно расход топлива в этом случае может составить 171 г/кВт, при удельном весе силовой установки 0,15 — 0,25 кг/кВт. Для сравнения — в дизельном двигателе, использующим такую степень сжатия, расход топлива составляет 224 г/кВт при удельном весе 3,5 — 15 кг/кВт. За счет дальнейшего увеличения степени сжатия в РВД и использования в нем системы регенерации отработанных газов ( для возврата теряемой с отработанными газами теплоты), индикаторный КПД теплового цикла можно еще значительно увеличить. Там, где требуется получить максимальный расход воздуха и огромные мощности, например, для авиации и судовых установок — выгоднее использовать многозаходные кинематические схемы, ограниченные по росту степени сжатия. Если главным фактором выступает экономичность, перспективней использовать двух — трехзаходные схемы роторов, как наиболее простые и допускающие наибольшую степень сжатия и расширения рабочего тела. Необходимо признать, что на данный момент времени сильно отстает технологическая база предприятий, которые можно привлекать для изготовления подобного класса машин, но вместе с тем интенсивное развитие компьютерного проектирования способно решить многие технические вопросы, открывая тем самым благоприятные условия для создания высокоэкономичных и экологически безопасных энергетических установок.

autokadabra.ru

Винтовой забойный двигатель — Википедия РУ

СССР является родиной турбинного бурения. Первый промышленный образец был изготовлен еще в 1922—1923 гг . Это был редукторный турбобур с одноступенчатой турбиной, начиная с 40-х годов основных техническим средством для бурения скважин являлся многоступенчатый турбобур. Широкое распространение турбинного бурения позволило получить высокие темпы роста добычи нефти и газа.[1]

Однако с увеличением средних глубин скважин, совершенствования долот и технологии роторного бурения отечественная нефтяная промышленность стала отставать по показателю проходки за рейс от мирового уровня. Так в 1981—1982 годах средняя проходка за рейс в США составляла 350 м, в то время как в СССР она не превышала 90 м. Такое отставание от США было связано с характеристикой турбобуров, которые не позволяли получать частоту вращения менее 400—500 об/мин с обеспечением необходимого крутящего момента и уровня давления насосов, и как следствие было невозможно применять современные низкооборотные шарошечные долота. И перед нефтяной промышленностью СССР встал вопрос о переходе на технологию низкооборотного бурения.[1]

Роторное бурение хоть и применялось, но технологически сильно отставало от мирового уровня: не имелось бурильных труб и буровых станков высокого технического уровня. Таким образом было принято решение о создании низкооборотного забойного двигателя для замены турбобуров. Работы по созданию опытных образцов винтовых забойных двигателей (ВЗД) начались в США и СССР в середине 60-х годов. В США первые ВЗД были альтернативой турбобурам для наклонно-направленного бурения, а в СССР они служили средством для привода низкооборотных долот[1].

В последние годы в технике и технологии бурения скважин произошли значительные изменения: появились новые технологии в наклонно-направленном бурении (бурение горизонтальных участков, бурение дополнительных стволов из ранее пробуренных скважин), распространение долот типа PDС, новейшие телеметрические системы для контроля забойных параметров во время бурения и др. И если раньше ВЗД рассматривались только как альтернативу турбобурам и их перспектива оценивалась неоднозначно, то сейчас в силу свои уникальных характеристик ВЗД стали основной частью современных технологий. В 2010 году в России выполнено ¾ всего объема бурения и ремонта скважин при помощи ВЗД и они были взяты на вооружение практически всеми российскими и зарубежными нефтегазовыми и сервисными компаниями[2].

Винтовые забойные двигатели относятся к объемным роторным гидравлическим машинам и согласно общей теории таких машин элементами рабочих органов (РО) являются:

  • Статор двигателя с плоскостями, примыкающими по концам к камерам высокого и низкого давления.[3]
  • Ротор-винт, носящий название ведущего через который крутящий момент передается исполнительному механизму.[3]
  • Замыкатели-винты, носящие название ведомых, назначение которых уплотнять двигатель, то есть препятствовать перетеканию жидкости из камеры высокого давления в камеру низкого давления[3].

Сравнительно малая металлоемкость и простота конструкции является важным фактором, способствующим широкому их использованию в современной технике.

К отличительным особенностям ВЗД относятся:

  • Отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по камерам рабочих органов осуществляется автоматически за счет соотношения чисел зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора.[4]
  • Кинематика рабочих органов, в относительном движении которых сочетается качение и скольжение при относительно невысоких скоростях скольжения, что снижает износ рабочей пары.[4]
  • Непрерывное изменение положения контактной линии (геометрического места точек касания ротора и статора) в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в жидкости, имеют возможность выносится потоком из рабочих органов.[4]

Так как ВЗД находится в непосредственном контакте с жидкостью (буровым раствором), который и приводит его в действие, то благодаря указанным особенностям он является практически единственным типом объемных гидравлических двигателей, который сравнительно долговечны при использовании рабочих жидкостей, содержащих механические примеси[4].

Практически любой ВЗД можно разделить на несколько основных узлов: двигательная секция, шпиндельная секция, регулятор угла перекоса.[5]

  Силовая секция двигателя.

Двигательная секция предназначена для преобразования потока жидкости в вращательное движение. Она состоит из стального ротора и статора, который имеет эластичную обкладку с внутренней винтовой поверхностью (эластомер), выполненную обычно из резины. Статор и ротор двигательной секции должны выполнять некоторые условия:[5]

  • Число заходов статора и ротора должно отличаться на единицу.[4]
  • Винтовые поверхности статора и ротора должны иметь одинаковое направление[4]

Зубья статора и ротора находятся в непрерывном контакте, образуя замыкающиеся по длине статора единичные камеры. Буровой раствор проходя через эти камеры проворачивает ротор внутри статора. По конструкции двигательной секции различают монолитные и секционные двигатели.[5]

  Эластомер статора.

Шпиндельная секция. Под термином «шпиндель» подразумевается автономный узел двигателя с выходным валом с осевыми и радиальными подшипниками. Шпиндель является одним из главных узлов двигателя. Он передает крутящий момент и осевую нагрузку на долото, воспринимает реакцию забоя и гидравлическую осевую нагрузку, действующую в РО, а также радиальные нагрузки от долот и гибкого вала (гибкий вал применяется для соединения ротора ВЗД и вала шпинделя).[6]

Шпиндель выполняется в виде монолитного полого вала, который соединяется посредством наддолотного переводника в нижней части с долотом, а с помощью муфты в верхней части — с гибким валом[6] По конструкции шпинделя бывают открытые и маслонаполненные. В открытых (используются почти во всех серийных отечественных двигателях) узлы трения смазываются и охлаждаются буровым раствором, а в маслонаполненных узлы трения находятся в масляной ванне с избыточным давлением на 0,1-0.2 МПа, превышающим давление окружающей среды.[7].

Регулятор угла предназначен для перекоса осей секций двигателя или самого двигателя относительно нижней части бурильной колонны. Устанавливается между силовой и шпиндельной секцией или над самим ВЗД. Обычно состоит из двух переводников, сердечника и зубчатой муфты.[5]

В большинство компоновок низа бурильной колоны включающих ВЗД устанавливаются переливные клапаны. Они предназначены для сообщения внутренней полости бурильной колонны с затрубным пространством при спуско-подъемных операциях. Применение клапана устраняет холостое вращение двигателя, а также уменьшает гидродинамическое воздействие на забой. Устанавливают над двигателем или входят непосредственно в конструкцию ВЗД[8].

http-wikipediya.ru

Реферат: "Роторно-винтовые двигатели"

Выдержка из работы

УДК 621. 166. 5РОТОРНО-ВИНТОВЫЕ ДВИГАТЕЛИЕвгений Михайлович Пузырёв,д-р техн. наук, профессор, зам. директора по научной работе ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», Россия, 656 015, г. Барнаул, проезд Южный, 17а. E-mail: pem-energo@list. ruВадим Алексеевич Голубев,старший инженер ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», Россия, 656 015, г. Барнаул, проезд Южный, 17а. E-mail: wadon@yandex. ruМихаил Евгеньевич Пузырёв,старший инженер ООО «ПроЭнергоМаш-Проект», Россия, 656 015, г. Барнаул, проезд Южный, 17а. E-mail: pem. proekt@mail. ruАктуальность работы обусловлена необходимостью развития установок распределённого производства энергии, использующих местные виды топлива. Причем нужны дополнительные распределенные источники энергии не только в виде тепла, но и электроэнергии. Это важно, например, для отдаленных и северных территорий России, не имеющих централизованного снабжения энергией, а также для объектов нового строительства. Кроме того, распределённая когенерация обеспечивает более эффективное использование энергии сжигания топлива и минимизирует потери передачи энергии.Цель работы заключается в рассмотрении существующих схем и разработок силовых устройств, используемых для производства электроэнергии. На этой основе выделены новые подходы к созданию двигателей, пригодных для систем дополнительных распределенных источников энергии.Метод исследования заключается в термодинамическом рассмотрении вариантов силовых циклов. При этом важны конструктивные особенности и кинематические принципы построения двигателя. Степень сжатия, как конструктивная характеристика, здесь имеет определяющее значение. Важную роль играет принцип уравновешивания действующих сил в двигателе. Результаты: Предложен новый класс силовых машин, пригодных для установок распределённого производства энергии, — роторно-винтовых двигателей.Выводы: Роторно-винтовые двигатели могут использоваться для работы в качестве расширительных машин в цикле Ренкина. Они могут также использоваться в циклах двигателей внутреннего и внешнего сгорания. Эти двигатели имеют высокую степень сжатия. Радиальные и осевые силы, действующие в двигателях, работающих по предложенным схемам, взаимно уравновешиваются.Ключевые слова:Распределённое производство энергии, пар, паровой двигатель, турбина, компрессор, когенерация, цикл Ренкина.В настоящее время в России, особенно при строительстве новых объектов, широко используется индивидуальное теплоснабжение. Индивидуальные котельные, например котельные крышного типа, производящие исключительно тепловую энергию для нужд населенного пункта, предприятия, квартала, даже в городах с развитыми тепловыми сетями оказались гораздо выгоднее и комфортнее, чем услуги центрального теплоснабжения от городских ТЭЦ.Промышленно развитые страны сейчас вводят заметную часть электроэнергии с её выработкой не централизовано на больших электростанциях, а с использованием распределенного производства энергии. Концепция распределенных энергетических ресурсов подразумевает наличие множества потребителей, которые производят тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя их излишки в общую сеть. Такой подход ведет к уменьшению числа и протяженности линий электропередач и теплотрасс, которые необходимо построить, снижению потерь энергии при транспортировке из-за максимального приближения к потребителям вплоть до расположения их в одном здании.Типичное распределенное производство электроэнергии характеризуется низкими затратами на обслуживание, слабым загрязнением окружающей среды и высокой эффективностью. В прошлом для этого требовались опытные операторы, но в настоящее время благодаря автоматизации, использованию чистых источников энергии, таких как природный газ, размер экономически эффективных энергоустановок уменьшился. Особенно эффективны когенерационные установки малой и средней мощности, позволяющие полезно использовать до 80% энергии от теплоты сгорания топлива. Так, установки на базе микротурбин Кап-стоун производят электроэнергию ценой в 2,0−2,5 рубля за кВт-ч и дополнительно выдают бесплатные 1,5 кВт-ч тепла. Электрический КПД микротурбин достигает 32%, а расход природного газа составляет 0,30−0,65 куб. м на один произведенный кВт-ч электричества.Применение подобных установок приводит к значительной экономии топлива и финансов на производство энергии в США, по оценкам специалистов фирмы Капстоун, до 40% [1]. Помимо микротурбин фирмами США, Италии, Германии и других стран предлагается большое количество жидкото-пливных и газовых когенерационых установок на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [1].В России огромные размеры страны при низкой плотности населения делают экономически невыгодной транспортировку электроэнергии конечным потребителям. Внедрение систем с распределенной генерацией в скором будущем станет просто необходимым. Рост экономики и, следовательно, рост числа потребителей электрической энергии делают принципиально невозможным удовлетворение энергетических нужд исключительно за счет централизованных источников.Постоянно возрастающая стоимость топлива и электроэнергии, ужесточение экологических требований и повышение штрафных санкций к электрогенерирующим компаниям делают широкое внедрение энергосистем с распределенной генерацией еще более привлекательным.Учитывая вышеизложенные аргументы, потенциал распределенной энергетики в Российской Федерации оценивается как очень высокий. Предполагается, что в ближайшие 10 лет объекты распределенной генерации обеспечат суммарную мощность в пределах 20−40 тысяч МВт. Прогнозируется [2], что в значительной мере распределенная энергетика будет паровой, так как в России имеется огромное количество местных котельных с теплотрассами, электрическими сетями и другой дорогостоящей инфраструктурой. При этом вне зависимости от наличия современных разработок [1] предлагается использовать [3, 4] в двигателях паропоршневые технологии.В Алтайском государственном техническом университете значительное внимание уделяется разработке различных новых типов двигателей [5, 6], в том числе паровых, которые представляют значительный интерес для промышленной энергетики в связи с постоянным удорожанием энергии, прежде всего электрической.По принципу действия паровые двигатели менее сложны, чем ДВС, это более простые расширительные машины или, по сути, — это обращенные компрессоры, которые не менее чем ДВС распространены, но более разнообразны по принципу действия.Ранее «в век пара» паровые двигатели также имели большое разнообразие и применялись на паровозах, пароходах, паровых автомобилях и в проектах даже на самолетах. Однако на сегодня наиболее распространены в электро- и силовой энергетике паровые турбины, используемые преимущественно для привода турбогенераторов электростанций и, иногда, силовых приводов насосов и тягодутьевых машин, работающих на ТЭЦ [2, 7]. Паровые турбины, вытеснив другие типы двигателей, с другой стороны, оказались практически невостребованными, прежде всего из-за дороговизны и низкой маневренности в малой и локальной энергетике, где типично применяются дизельные электростанции (ДЭС) и поршневые мини-ТЭЦ на природном газе.Паропоршневые двигатели на сегодня продолжают производиться в ограниченных количествах, например, немецкой фирмой Spilling или, как предложено [2−4], используются путем переделки современных типовых поршневых ДВС. При этом их показатели термодинамической эффективности не ниже, чем у паровых турбин с противодавлением [2]. Однако, в отличие от западных стран и даже, например, Украины, в России практическое применение распределенной энергетики во многом сдерживается законодательным закреплением монополизма больших генерирующих компаний.В качестве недостатков поршневых машин следует отметить, во-первых, удары и неуравновешенность действующих сил, наличие мертвых точек и необходимость применения смазочных материалов, которые попадают в рабочее тело — воду, создавая проблемы в котле. Во-вторых, собственно рабочий объём занимает незначительную долю в ДВС, 15… 25%, в отличие от турбин.Рассматривая историческое развитие двигателе- и компрессоростроения применительно к вопросу о паровых машинах при выборе аналогов, следует отдать предпочтение последнему, как более успешному. Так, на сегодня наиболее распространенными являются не поршневые, а винтовые компрессоры. Согласно [8] возможно их применение и в качестве паровой расширительной машины. Практика внедрения, однако, показала здесь наличие типичных недостатков двухвинтовых роторных машин [9]:• низкая производительность или мощность единичной установки из-за участия в работе только одного из шести каналов-• сложность конструкции, в том числе из-за требования высокой точности изготовления плотно установленных, взаимно контактирующих, вращающихся элементов и системы компенсации осевых усилий-• низкая надежность из-за больших некомпенсированных осевых и радиальных усилий роторов. Из последних, наиболее эффективных, выделим одновинтовой компрессор [10], конструкция которого, благодаря простоте, надежность и другим преимуществам, получает всё большее распространение [11, 12]. Этот тип компрессоров производится компаниями DAIKIN, VILTER и другими. Одновинтовой компрессор, как любой другой оп-позитный агрегат, отличается полной уравновешенностью радиальных нагрузок, что положительно влияет на долгосрочную службу подшипников, а также компактностью, низким уровнем шума и простотой в эксплуатации.Именно рассматриваемый механизм (рис. 1) с соответствующими усовершенствованиями [13] предлагается использовать в качестве роторновинтового двигателя — расширительной машины для цикла Ренкина, а также в двигателях внешнего и внутреннего сгорания, в паровых и пневматических приводах и компрессорах.При рассмотрении паросилового цикла Ренки-на с использованием роторно-винтового двигателя [13] учитываются известные термодинамические оценки и исследования эффективности цикла [7, 14], в том числе приведенные на рис. 2.Рис. 1. Ротор одновинтового компрессора с глобоидальным профилем и заслонкамиКак и в паровой турбине, здесь в условиях, близких к адиабатическим (5=сопб1-, постоянная энтропия), срабатывается энергия рабочего тела (пара), равная разнице энтальпий Н0=10-ц кДж/кг в начальном ?0 и конечном ц состояниях. На рис. 2 показано, что рост начальных параметров пара Р0 и Т0 за счет его перегрева, подъём Т0, позволяет значительно увеличить «заряд» энергии пара Н0 в сравнении с состоянием насыщения.Повышение давления Р0 воздействует на Н0 неоднозначно, кривые имеют максимум (рис. 2, а). При этом максимум Н0 по мере роста начального давления Р0 смещается в сторону большего давления.С другой стороны, более важной характеристикой является не «заряд» энергии, а Н0 эффективность превращения этой энергии пара, т. е. доля располагаемой энергии, переходящая в полезную работу — п, термодинамический КПД цикла (рис. 2, б). И здесь видно, что рост начальных параметров пара Р0 и Т0 однозначно увеличивает, поэтому в энергетике эти приемы используются одновременно, их потолок ограничивается только прочностью и стойкостью труб пароперегревателя котла.Рассматриваемые роторно-винтовые двигатели хотя и имеют вращающийся ротор, по принципу действия (рис. 1) они ближе к поршневым машинам, чем к применяемым в электроэнергетике паровым турбинам, потому что здесь, подобно паропоршневым машинам, важную роль играет удержание пара в расширяющемся рабочем объёме за счет уплотнения зазоров между ротором, корпусом и заслонками. И наличие влаги в паре, в отличие от паровых турбин, здесь сказывается благоприятно, вода уплотняет зазоры и одновременно является смазкой.Эту особенность работы предлагаемой конструкции нужно учитывать при выборе параметров и оценке термического КПД цикла. Первона-кДж/кгбРис. 2. Влияние начальных параметров пара на: а) располагаемый теплоперепад Н0- б) КПД идеального цикла парового двигателя [14] с.н.п. — сухой насыщенный пар, Р=4 кПачально мы рассматриваем использование предлагаемой разработки для промышленной энергетики, где параметры пара, давление и температура типично ограничены категорией Р0=4 МПа, Т0=440 °С и широким применением насыщенного пара с давлением до 4,0 МПа.При этом (Р0=4 МПа, Т0=440 °С) как следует из рис. 2, б, термодинамический КПД цикла п весьма значительный, до п=38% в сравнении с предельным для электроэнергетики — Птах=47,5% Переход к использованию насыщенного пара Р0=4 МПа, Т0=250 °С хотя и заметно уменьшает Н0, с 1240 до 980 кДж/кг (рис. 2, а), но несущественно снижает термодинамический КПД, всего на 1,5%, до п=36,5%. Характерно, что при переходе к насыщенному пару его удельный объём снижается в 1,577 раз, и соответственно увеличивается мощность при неизменной проточной части двигателя.Таким образом, на основе сравнительного и термодинамического анализа предлагается применять роторно-винтовые расширительные машины, которые на насыщенном или слабо перегретом паре будут достаточно эффективны при их простом устройстве, ценовой доступности и могут получить широкое распространение.Паровые двигатели предполагается выполнять стационарными с приводимой мощностью в десятки и сотни киловатт. Эти двигатели могут использоваться и для когенерации. Срабатывание пара до температуры Тк=95−115 °С, характерной для неподнадзорной теплоэнергетики, позволит полностью использовать выхлоп паровой машины для несения отопительной нагрузки и повысить полный КПД использования топлива на мини-ТЭЦ до 80… 85%.Профилирование проточной части должно обеспечить, как и в паро-поршневых машинах, минимальные протечки пара и потери энергии, которые на данной стадии разработки трудно оценить. Усовершенствование прототипа [9] также направлено на увеличение пропускной способности и степени сжатия: установка на валу попарно двух и более ступеней, профилирование рабочих каналов,увеличение числа заслонок (замыкателей), применение промежуточного отбора пара и другое. Например, выполнение роторно-винтового двигателя из установленных на валу попарно ступеней позволяет при прочих равных условиях увеличить в два, четыре и более раз мощность, а последовательная установка пар ступеней — увеличить степень расширения. Один из вариантов схемы предлагаемой паровой роторно-винтовой машины показан на рис. 3.Роторная машина в варианте расширительной машины (рис. 3) включает пару рабочих ступеней, правую и левую, установленных встречно (зеркально) с расположением зоны высокого давления в середине между ними, и этим обеспечивается взаимная компенсация осевых усилий и увеличение в два раза мощности установки. Каждая ступень содержит установленный в корпусе — 1 ротор — 2, имеющий винтовые многозаходные рабочие каналы — 3, образованные винтовыми перегородками — 4. Причем направления навивок перегородок — 4 в этих зеркально установленных ступенях выполняются противоположными. Каналы — 3 плотно перекрыты корпусом — 1 и заслонками — 5, закрепленными на звездочках — 6 с валами — 7 зеркально симметрично по отношению к ротору — 2.Перед каждой заслонкой — 5 в зоне её входа в рабочий канал — 3 в корпусе — 1 с обеих сторон от роторов — 2 установлены патрубки — 8 сжатого рабочего тела, служащие для его подвода (показано стрелкой — 9). Штриховкой показан текущий объём — 10 канала — 3 в процессе расширения рабочего тела. В корпусе — 1 так же симметрично установлены патрубки — 11 промежуточного отбора рабочего тела, а стрелкой — 12 показан его выхлоп в патрубки — 13. Роторы — 2 закреплены на валу — 14. Вал служит для отбора мощности и выводится из расширительной машины — 15 через уплотнение — 16 простейшего типа, возможно с двух сторон. И так как давление в выхлопе близко к атмосферному, конструкция торцевых уплотнений и машины в целом упрощается.Естественно, что роторная машина (рис. 4) может быть компрессором: вал — 14 подключается к двигателю со сменой направления вращения вала — 14 и заслонок — 5, патрубки — 13 соединены с атмосферой, а патрубки — 8 сжатого воздуха к ресиверу.Предлагаемая роторно-винтовая машина может применяться в силовых циклах. В цикле, подобном газовой турбине (рис. 4), с подключением ступени сжатия к ступени расширения через камеру сгорания, или в циклах ДВС с установкой в корпусе ступеней расширения за подводящими патрубками в зонах высокого давления пар свечей и/или топливных форсунок. Применима она и в замкнутых циклах двигателей внешнего сгорания и других с контуром циркуляции рабочего тела. Здесь также используются пары рабочих ступеней, но направления навивок рабочих каналов — 3 пар ступеней одинаковые. В роторной машине цикла типа газовойтурбины (рис. 4) справа расположена ступень компрессора — 22 с ротором — 2, заслонками — 5, патрубками высокого давления — 8 и всасывающим — 23, а слева ступень расширения — 24 с патрубками высокого давления — 8 и выхлопным — 25. Роторы — 2 ступеней закреплены на валу — 14 с расположением зоны высокого давления между ними, и этим компенсируются осевые усилия. Вал -14 установлен в подшипнике — 26 на его выходе, так как он установлен на всасе, используется подшипник — 27, причем без уплотнения, что упрощает конструкцию машины. Выхлопной патрубок — 25 ступени расширения — 24 выхлопным газоходом — 28 подключен к регенеративному теплообменнику — 29 и далее к атмосфере, а патрубок высокого давления — 8 компрессора — 22 трактом — 30 подключен последовательно к теплообменнику — 29, камере сгорания — 31 и к парубку высокого давления — 8 ступени расширения — 24.28 29Рис. 4. Вариант применения роторно-винтовой машины в цикле типа газовой турбиныОтметим, что роторная машина для цикла ДВС в варианте без регенерации тепла выхлопа выполняется ещё проще, прямым соединением патрубками высокого давления — 8 ступеней — 22 и 24 с установкой в её корпусе за подводящими патрубками пары свечей и/или топливных форсунок.Пара ступеней сжатия — 22 и расширения — 24, установленных на общем валу — 14, могут использоваться в замкнутых циклах типа силового цикла двигателя внешнего сгорания (ДВС) и других циклов по схеме на рис. 6. В контур циркуляции рабочего тела входят: ступень сжатия — 22, регенераторы — 32, 33 теплоты выхлопа и промежуточных отборов ступени расширения — 24 с патрубками отбора — 11 и горячий теплообменник — 34, соединенные в общий контур циркуляции трубопроводами — 35. Тепло в горячий теплообменник — 34 подается от подогревателя — 36 по контуру циркуляции — 37.На рис. 5 показан двухступенчатый паровой двигатель для цикла Ренкина с перегревом пара, используемого на конденсационной ТЭЦ [7, 14]. Здесь пар расширяется в сотни и тысячи раз от давления в сотни атмосфер до глубокого вакуума. Та-кое срабатывание давления может быть обеспечено последовательным включением всего лишь двух, трех ступеней расширения. Расширительная машина имеет два последовательно включенных блока высокого — 38 и низкого давления — 39, установленных последовательно и подключенных паропроводами — 40 к котлу — 41.Рис. 5. Вариант применения двухступенчатого двигателя в цикле РенкинаПерегретый пар высокого давления из котла — 41 по паропроводу — 40 поступает, как показано стрелкой — 9, в блок — 38 высокого давления и здесь расширяется. Далее пар по паропроводам — 40 возвращается в котел — 41, повторно перегревается и по паропроводам — 40 подается в блок — 39 низкого давления. В блоке — 39 низкого давления пар расширяется до глубокого вакуума и по патрубку -13 низкого давления сбрасывается в паровой конденсатор. После конденсации вода возвращается в котел — 41, испаряется, и цикл повторяется. При работе машины расширения так, как было описано выше, осевые усилия ступеней в блоках взаимно компенсируются. В роторной машине имеется одно уплотнение — 16 вала — 14, по схеме подключения оно установлено в зоне промежуточного давления, и это упрощает его конструкцию.Рассмотрим вариант реализации двухступенчатой расширительной машины.Пример 1. Расширительная машина (рис. 5) с последовательным включением двух блоков ступеней со степенью снижения давления в каждом блоке п=25 имеет (Р1/Р2=я2=625) соответственно уменьшение давления в 625 раз. Расширение пара в паровых конденсационных турбинах малой мощности типично осуществляют до давления Р2=8 кПа=0,008 МПа, и соответственно начальное давление пара для такой степени расширения составит Р5 МПа, типичное для турбин малой мощности. Для более мощных паровых турбин расширение осуществляют от большего давления, напри-мер, Р25, 5 МПа до давления Р2=0,004 МПа с отношением давлений Р1/Р2=6375. Здесь потребуются два блока со степенью снижения давления п2=(6375)0'-5"80, что нереально, или три блока с меньшей степенью сжатия п3=(63 7 5)0,333"19.Касаясь соотношения геометрических размеров ступеней, оценим, что, например, при степени снижении давления в каждой из двух ступеней п=25 будет соответствующее увеличение удельных объёмов рабочего тела и проточной части примерно в 25 раз. Характерный линейный размер проточной части второй ступени, например, диаметр ротора соответственно увеличится, как корень третьей степени из 25, то есть в 2,92 раза, примерно так, как приведено на рис. 5. Такое увеличение размеров второй ступени расширения вполне выполнимо и примерно соответствует соотношению размеров для типовых многоступенчатых паровых турбин.Рассмотрим собственно работу роторно-винтовой машины — 15 расширительного типа (рис. 3). Её действие в различных вариантах применения одинаково. Сжатое рабочее тело, например пар, вводится через подводящие патрубки — 8, как условно показано стрелками — 9, в рабочие каналы — 3 перед заслонками — 5 одновременно в правой и левой ступенях. При дальнейшем повороте вала — 14 и роторов — 2 каналы — 3 перемещаются относительно корпуса — 1 и отключаются от патрубка — 8, а заслонки — 5 входят в каналы — 3 и выделяют в этих замкнутых объёмах порцию пара. Пар давит на винтовые перегородки — 4 канала — 3 и заслонку — 5, расширяется в выделенном штриховкой объёме — 10 рабочего канала — 3, совершает перемещение и полезную работу. Кроме того, доля частично расширившегося пара при совмещении объёма — 10 с отверстием патрубка — 11 промежуточного отбора может быть отведена для теплофикации и/или регенерации тепла, обеспечивая повышение экономичности цикла. Расширение пара заканчивается с открытием канала — 3 на выхлоп при выходе луча заслонки — 5 из зацепления, причем канал — 3 сразу снова начинает заполняться паром от второго патрубка — 8, и вторая заслонка — 5 выделяет следующую порцию пара. Отработавший пар поступает на выхлоп через отводящие патрубки — 13, как показано стрелками — 12. Этот процесс со сдвигом по фазе протекает и в других каналах -3 и одновременно во второй, симметрично расположенной половине ротора — 2, с передачей работы пара и вращающего момента на вал — 14.Отметим, что предлагаемая конструкция [13] работоспособна и в высокотемпературных циклах типа газовых турбин и ДВС. Благодаря попарной, встречной установке ступеней при работе компенсируются их осевые усилия. Размещение зоны высокого давления в центре, рис. 3, а зон с более низким давлением по краям, на выхлопе — 12 упрощает конструкцию уплотнения выходов вала — 14 из машины. Действительно, в центре, в зоне подвода высокого давления, уплотнение вала не требуетсяблагодаря симметричной подаче рабочего тела с обеих сторон в патрубок — 8, а уплотнение — 16, которое препятствует потере отработавшего рабочего тела по вращающемуся валу — 14 расширительной машины — 15, работает в условиях малого избыточного давления и низкой температуры.Рис. 6. Вариант применения роторной машины в цикле двигателя внешнего сгоранияРабота роторно-винтовой машины в силовых циклах, например, типа газовой турбины, рис. 4, с подключением ступеней через камеру сгорания -31 не отличается от описанной выше. Воздух всасывается через патрубок — 23, сжимается в ступени компрессора — 22, далее нагнетается по тракту -30 в ступень расширения — 24, причем движется по ступеням — 22, 24 в одном направлении на проход. Между ступенями к рабочему телу подводится тепло, причем в процессе, близком к изобарному. Сначала воздух подогревается в регенеративном теплообменнике — 29 теплом выхлопа и/или промежуточных отборов из патрубков — 11 средой, которая подаётся по газоходу — 28 из выхлопа -25 и/или из патрубков отбора — 11 расширительной ступени, обеспечивая повышение экономичности цикла. Основное тепло в цикл вводится в камере сгорания — 31 путем сжигания топлива в потоке воздуха, затем продукты сгорания расширяются в ступени — 24 с передачей полученной мощности через вал -14 на привод компрессора -22 и электрогенератора.При работе пары ступеней сжатия — 22 и расширения — 24 (рис. 6), установленных на общем валу — 14 в замкнутых циклах типа газовой холодильной машины, а также силового цикла двигателя внешнего сгорания и других циклов, принцип действия тот же. Рабочее тело входит в ступень сжатия — 22 по трубопроводу — 35, в нем сжимается и поступает в регенераторы — 32, 33. В них рабочее тело подогревается за счет теплоты выхло-па и промежуточных отборов, поступающих из патрубков — 11 ступени расширения 24, обеспечивая повышение КПД цикла. Основное тепло подводится в горячем теплообменнике — 34 от внешнего источника, подогревателя — 36 с контуром циркуляции — 37. Затем горячее рабочее тело по трубопроводу — 35 поступает для совершения полезной работы в ступень расширения — 24. Далее рабочее тело после выхлопа из расширительной машины -24 охлаждается в регенераторе — 32, отдавая тепло, и снова поступает в компрессор — 22, и цикл повторяется. Работа ступеней — 22 и 24, как было описано выше, обеспечивает взаимную компенсацию осевых усилий.Пример 2. Двигатель с циклом типа газовой турбины (рис. 4) для привода электрогенератора с частотой вращения 50 Гц. Ротор — 2 выполнен с шестью каналами и двумя заслонками, соответственно, за один оборот в работе 12 каналов, и работа каналов осуществляется с частотой 600 Гц. Благодаря уравновешенности радиальных и осевых сил обеспечивается плавный ход и низкий уровень звука. Степень повышения давления не менее, чем в прототипе, свыше 25, Р=25 МПа.Компания «ПроЭнергоМаш» проектирует и производит котлы [15], в том числе безбарабанные с различными параметрами пара, газогенераторы [12]. Реконструирует паровые, в том числе энергетические котлы типа БКЗ-75 с параметрами перегретого пара 4 МПа/440 °С, достаточно эффективными для создания мини-ТЭЦ и пароприводных устройств. Оценочно удельный расход пара минимально может составить при термодинамическом КПД цикла п=38% и преобразовании механической энергии в электричество с эффективностью Пм=90% около 4,2 т пара/МВт и менее при использовании регенеративного подогрева питательной воды в цикле.Котельные и ТЭЦ типично потребляют большое количество электроэнергии на привод циркуляционных насосов тепловых сетей, питательных насосов котлов и их тягодутьевых машин. Электросиловое хозяйство многих ТЭЦ и котельных не защищено от аварийного останова, происходят даже аварии с полным обесточиванием городов и энергосистем при потере электроснабжения собственных нужд ТЭЦ. Поэтому возможность перевода основных потребителей на паровой привод, в том числе с установкой электрогенератора для собственных нужд, позволит не только заметно увеличить отпуск электроэнергии, но и повысит аварийную устойчивость котельных, ТЭЦ и энергосистем в целом.Для решения проблем обеспечения паром собственных нужд водогрейных котельных «ПроЭнер-гоМаш» разработаны и производятся малогабаритные паровые котлы (рис. 7) безбарабанной конструкции паропроизводительностью до 35−50 т/ч с рабочим давлением до 4 МПа. Эти малогабаритные котлы конструкции «ПроЭнергоМаш» благодарявысокоэффективным вихревым топкам «Торнадо» могут использовать широкий круг топлива и отходов, имеющихся повсеместно: уголь, торф, древесные отходы, лузгу и другие отходы сельскохозяйственного производства. Они позволяют также создать и транспортабельные установки модульного типа для производства электроэнергии.РТ°Рис. 7. Общий вид безбарабанного котла Е-4 с топочным устройством «Торнадо»Перспективным направлением применения роторно-винтовых машин в варианте газовой турбины (рис. 4) на местных топливах также является использование для них в качестве источника энергии продуктов воздушной и паровоздушной газификации, получаемых в газогенераторах [16, 17]. Это в значительной мере практически исследованный путь, так как ранее, до промышленной добычи пригодного газа и отсутствия повсеместной газификации народного хозяйства, существовали [18] достаточно надежные устройства, в том числе транспортабельные. Разработки новых конструкций газификаторов сейчас возобновились [19], главным образом, в связи с расширением использования различных биотоплив и отходов.ЗаключениеПрименение разрабатываемых роторно-винтовых машин и новых разработок котельно-топочной техники позволит комплексно решать вопросы реконструкции и строительства угольных и утилизационных котельных и мини-ТЭЦ на основе новых технологий:• организации эффективного и экологически более чистого сжигания топлива и огневой утилизации отходов-• получения пара высоких параметров, в том числе в водогрейных и транспортабельных котельных-• трансформации тепловой энергии пара в механическую для привода оборудования и электрогенераторов, производства электроэнергии на собственные нужды, и возможно для сторонних потребителей при появлении в России законодательства, развивающего распределенную энергетику.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Компания «Новая Генерация». 2005−2013. URL: http: //www. manbw. ru/ (дата обращения: 18. 03. 2013).2. Дубинин В. С. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России // Промышленная энергетика. — 2007. — № 1. — С. 7−12.3. Применение паропоршневых технологий в котельных в качестве альтернативы внешнему электропитанию / В. С. Дубинин, К. М. Лаврухин, М. Ю. Алексеевич, С. О. Шкарупа // Энергобезопасность и энергосбережение. — 2010. — № 6. — С. 17−20.4. Дубинин В. С. Обеспечение независимости электро- и теплоснабжения России от электрических сетей на базе поршневых технологий. — М.: Изд-во МИЭЭ, 2009. — 164 с.5. Токарев А. Н., Токарев М. Ю. Модернизированная конструкция роторного двигателя турбокомпрессорного типа // Ползу-новский вестник. — 2013. — № ¾. — С. 163−170.6. Доронин В. Т. Пять паровых тор-двигателей // Ползуновский Альманах. — 2009. — № 3. — С. 153−158.7. Алексеев Г. Н. Общая теплотехника. — М.: Высшая школа, 1980. — 552 с.8. Паровая винтовая машина: пат. Рос. Федерация № 2 374 455- заявл. 06. 11. 08- опубл. 27. 11. 09, Бюл. № 5.9. Михайлов А. К., Ворошилов В. П. Компрессорные машины. -М.: Энергоатомиздат, 1989. — 288 с.10. Одновинтовой компрессор [Single screw compressor]: пат. США № US20130011291 А1- заявл. 02. 03. 11, опубл. 10. 01. 13.11. Одновинтовой компрессор [Single screw compressor]: пат. США № US8348648 B2- заявл. 07. 08. 08, опубл. 08. 01. 13.12. Одновинтовой компрессор [Single screw compressor]: пат. Евросоюза № ЕР2 169 229 А1- заявл. 12. 05. 08- опубл. 31. 03. 10.13. Пузырев Е. М., Голубев В. А, Пузырев М. Е. Роторные машины // Ползуновский вестник. — 2013. — № ¾. — С. 63−69.14. Щегляев А. В. Паровые турбины. — М.: Энергия, 1976. — 368 с.15. Применение вихревых топок «Торнадо» для перевода котлов на использование растительных и кородревесных отходов / Е. М. Пузырёв, К. С. Афанасьев, В. А. Голубев, М. Е. Пузырев, Е. Б. Жуков // Минеральная часть топлива, шлакование, очистка котлов, улавливание и использование золы: Сб. докл. V научно-практ. конф. — Челябинск, 2011. — Т. 1.- С. 236−248.16. Разработка технологии пиролиза и применение газогенераторов при утилизации отходов / Е. М. Пузырёв, В. Г. Лурий, А. В. Лаптов, М. Е. Пузырёв // Ползуновский вестник. -2010.- № 1. — С. 87−92.17. Загрутдинов Р. Ш., Негуторов В. Н., Малыхин Д. Г. и др. Подготовка и газификация твёрдых бытовых отходов в двухзонных газогенераторах прямого процесса, работающих в составе мини-ТЭЦ и комплексов по производству синтетических жидких топлив // Ползуновский вестник. — 2013. — № ¾. — С. 47−62.18. Мезин И. С. Транспортные газогенераторы. — М.: Сельхозгиз, 1948. — 212 с.19. Способ получения генераторного газа из растительного сырья: пат. Рос. Федерация № 2 469 073- заявл. 17. 08. 11- опубл. 07. 12. 12, Бюл. № 7.Поступила 03. 03. 2014 г.UDC 621. 166. 5ROTARY SCREW ENGINESEvgeniy M. Puzyrev,Dr. Sc., JSC Proenergomash-Proyekt, Russia, 656 015, Barnaul, Yuzhny proezd, 17a. E-mail: pem-energo@list. ruVadim A. Golubev,JSC Proenergomash-Proyekt, Russia, 656 905, Barnaul, Yuzhny proezd, 17a.E-mail: wadon@yandex. ruMikhail E. Puzyrev,JSC Proenergomash-Proyekt, Russia, 656 905, Barnaul, Yuzhny proezd, 17a. E-mail: pem. proekt@mail. ruThe relevance of the work is caused by the necessity to introduce the systems of distributed energy production using local types of fuel. More distributed energy sources as heat and electricity are also needed, it is important for remote and northern areas of Russia without centralized energy supply, as well as for new construction projects. Cogeneration provides more efficient use of fuel combustion energy and minimizes loss of energy transfer.Objective: to review existing schemes and development of power devices used for electricity production. The authors have determined new approaches to creating engines suitable for the systems of additional distributed energy sources.Research method: thermodynamic consideration of the power cycle options. Design features and kinematic principles of the engine construction are very important in this case. Compression ratio as a constructive characterization is crucial. A principle of balancing power in the engine is also playing an important role.Results: The authors proposed a rotary screw engines as a new class of power machines suitable for distributed energy generation. Conclusions: Rotary screw motors can be used to operation as the expansion machines of the Rankine cycle and in cycles of internal and external combustion engines. The engines have a high compression rate. Radial and axial forces acting in the engines operating on the proposed schemas are mutually balanced.Key words:Distributed power generation, steam, steam engine, turbine, compressor, cogeneration, Rankine cycle.EFERENCES1. Kompaniya «Novaya Generatsiya» [New Generation Company]. 2005−2013. Available at: http: //www. manbw. ru/ (accessed 18 March 2013).2. Dubinin V.S. Sopostavleniye sistem tsentralizovannogo i detsen-tralizovannogo energosnabzheniya v sovremennykh usloviyakh Rossii [Comparison of centralized and decentralized energy supply in modern Russian conditions]. Promyshlennaya energetika -Industrial Energy, 2007, no. 1, pp. 7−12.3. Dubinin V.S. Lavrukhin K.M., Alekseevich M. Yu., Shkaru-pa S.O. Primeneniye paroporshnevykh tekhnologiy v kotelnykh v kachestve alternativy vneshnemu elektropitaniyu [Application of steam-piston boiler technology as an alternative to an external electric power supply]. Energobezopasnost i energosberezheniye -Energy security and conservation, 2010, no. 6, pp. 17−20.4. Dubinin V.S. Obespecheniye nezavisimosti elektro- i teplosnabzhe-niya Rossii ot elektricheskikh setey na baze porshnevykh tekhnologiy [Ensuring the independence of electricity and heat supply from the Russian electrical networks based on reciprocating technologies]. Moscow, MIEE, 2009. 164 p.5. Tokarev A.N., Tokarev M. Yu. Modernizirovannaya konstruktsi-ya rotornogo dvigatelya turbokompressornogo tipa [Streamlined design of rotary engine turbo type]. Polzunovskiy vestnik — Polzu-novskiy Herald, 2013, no. ¾, pp. 163−170.6. Doronin V.T. Five torus steam engines [Pyat parovykh tor-dviga-teley]. Polzunovskiy Almanakh — Polzunovskiy Almanakh, 2009, no. 3, pp. 153−158.7. Alekseev G.N. Obshchayateplotekhnika [General heating engineer]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1980. 552 p.8. Berezin S.R., Feoktistov S.A. Parovaya vintovaya mashina [Steam screw machine]. Patent RF, no. 2 374 455, 2009.9. Mikhaylov A.K., Voroshilov V.P. Kompressornyye mashiny [Compressor machines]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989. 288 p.10. Hossain M.A., Ueno H., Masuda M. Single screw compressor. Patent US, no. US20130011291 A1, 2013.11. Miyamura H., Okada T., Takahashi T., Ohtsuka K., Susa T., Ue-no H., Murono T. Single screw compressor. Patent US, no. US8348648 B2, 2013.12. Hossain M.A., Ohtsuka K., Masuda M. Single screw compressor. Patent EU, no. EP2169229 A1, 2010.13. Puzyrev E.M., Golubev V.A., Puzyrev M.E. Rotornyye mashiny [Rotary machines]. Polzunovskiy vestnik — Polzunovskiy Herald, 2013, no. ¾, pp. 63−69.14. Shcheglyayev A.V. Parovye turbiny [Steam turbines]. Moscow, Energiya Publ., 1976. 368 p.15. Puzyrev E.M., Afanasyev K.S., Golubev V.A., Puzyrev M.E., Zhukov E.B. Primeneniye vikhrevykh topok «Tornado» dlya pe-revoda kotlov na ispolzovaniye rastitelnykh i korodrevesnykh otkhodov [Application of vortex furnaces «Tornado» to convert the boiler to plant and BWW use]. Sbornik dokladov VNauchno-prakticheskoy konferentsii. Mineralnaya chast topliva, shlakova-nie, ochistka kotlov, ulavlivaniye i ispolzovanie zoly [Proc. V Scientific and Practical Conference. Mineral part of the fuel slagging, cleaning boilers, capture and use of ashes]. Chelyabinsk,2011, vol. 1, pp. 236−248.16. Puzyrev E.M., Luriy V.G., Laptov A.V., Puzyrev M.E. Razrabot-ka tekhnologii piroliza i primenenie gazogeneratorov pri utilizat-sii otkhodov [Development of technology and application of pyrolysis gas generators at disposal]. Polzunovskiy vestnik — Polzu-novskiy Herald, 2010, no. 1, pp. 87−92.17. Zagrutdinov R. Sh., Negutorov V.N., Malykhin D.G. Podgotovka i gazifikatsiya tverdykh bytovykh otkhodov v dvukhzonnykh ga-zogeneratorakh pryamogo protsessa, rabotayushchikh v sostave mini-TETs i kompleksov po proizvodstvu sinteticheskikh zhidkikh topliv [Preparation and gasification of solid household waste in two-zonal gas generators of direct process working as a part of mini-combined heat and power plant and complexes on production of synthetic liquid fuels]. Polzunovsky messenger, 2013, no. ¾, pp. 47−62.18. Mezin I.S. Transportnye gazogeneratory [Transport gas generators]. Moscow, Selkhozgiz Publ., 1948. 212 p.19. Kostyunin V.V., Potapov V.N., Chuvaev S.I., Borozdin A.N., Gordeev I.V., Ovtsyn V.E. Sposob polucheniya generatornogo gaza iz rastitelnogo syrya [Method of obtaining generating gas from vegetative raw material]. Patent RF, no. 2 469 073, 2012.

Показать Свернуть

lider-educate.com

Двухвинтовой роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателям и может использоваться как привод к автомобилям и другим транспортным средствам. В цилиндрических расточках корпуса размещены два винтовых ротора. Каждый ротор содержит две части: первую винтовую с П-образным винтовым зубом и винтовой впадиной и вторую с полуокружным выступом - роторным поршнем и полуокружной впадиной, при этом в качестве камеры сгорания используется объем последнего замкнутого витка впадины первой части ротора, а в качестве камер расширения используется полуокружная впадина второй части каждого ротора. Двигатель содержит воздуховод горячего воздуха, в котором установлена форсунка впрыска топлива. Предложенная конструкция обеспечивает увеличение КПД и экологичности. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к двигателям и может использоваться как привод к автомобилям и другим транспортным средствам.

По уровню техники двухвинтовой роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания можно отнести к двухвинтовому роторному двигателю внутреннего сгорания и за аналог принять патент US N 3693601 A, кл. F 02 В 53/00, так же содержащий корпус с охлаждающей рубашкой, с патрубками подвода воздуха и отвода отработанных газов, два ротора, камеру сгорания, в зонах которой в корпусе размещены две форсунки впрыска топлива и две свечи зажигания, на валы двигателя насажены шесть пар винтовых роторов, из них три пары для трех последовательно работающих компрессоров и три пары для трех последовательно работающих блоков камер расширения. В промежутке корпуса между последним блоком компрессора и первым блоком камеры расширения размещена камера сгорания топлива. Каждый ротор компрессорного блока и блока камеры расширения имеет семь винтовых зубьев и винтовых впадин (пазов) между ними. Роторы блоков одного вала двигателя имеют правую нарезку зубьев, другого вала - левую. Роторы синхронно вращаются в разные стороны и винтовые зубья одного ротора блока входят в сопряжение с впадинами другого ротора этого блока. Топливо вспрыскивается форсункой в винтовые впадины последнего блока компрессора на выходе воздуха в камеру сгорания, являющейся общей для роторов расширения первого блока. Камера сгорания работает в режиме постоянного давления газа. Газы из камеры сгорания под давлением входят и заполняют впадины винтовых роторов первого блока, воздействуют на винтовой зуб и впадину в узле сопряжения, раздвигают их, как клином, и вращают роторы в разные стороны, вытесняют узлы сопряжения блока в сторону выхода из роторов блока расширения двигателя. При повторном сопряжении винтов роторов на входе газов, создаются замкнутые витки впадин между узлами сопряжений, давление газов в их объемах близко к давлению газов в камере сгорания. На выходе из блока сопряжение винтов раскрывается и из замкнутых впадин газы выхлапываются в объем промежутка в корпусе между первым и вторым блоками расширения двигателя, где давление газов меньше, сила реакции истечения газов при "выхлопе" воздействует на изгиб боковой стенки впадины, придает ротору дополнительное вращательное движение. Такая же работа газов продуктов сгорания топлива совершается и во втором и в третьем блоках "расширения" двигателя. Основными недостатками роторного двигателя внутреннего сгорания (патент US N 3693601 A) являются: - потеря тепла в окружающую среду за счет охлаждения корпуса двигателя; - часть механической энергии, выработанной в камерах расширения расходуется на работу сжатия воздуха в блоках компрессора. Задачей изобретения является увеличение КПД и экологичности двигателя. Технический результат достигается тем, что двухвинтовой роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус с двумя цилиндрическими расточками, охлаждающую рубашку с патрубками подвода воздуха и отвода отработанных газов, свечами зажигания и форсунками впрыска топлива и размещены в нем два винтовых ротора со взаимным сопряжением, имеющие замкнутые объемы впадин между витками винтовых зубьев и стенками корпуса, образованных путем перекрытия спирали винтовой впадины ротора винтовой спиралью зуба другого ротора и при синхронном вращении роторов в разные стороны эти замкнутые объемы имеют поступательное движение и служат для подачи горючей смеси (или воздуха) в последний замкнутый виток впадины каждого ротора, которые используются в двигателе в качестве камер сгорания; винтовой зуб последнего витка спирали развернут в сторону оси ротора и выполнен полуокружным выступом, используемый в двигателе в качестве ротор-поршня, полуокружную замкнутую впадину - в камеру расширения газов продуктов сгорания топлива. Конструкцией двигателя предусматривается охлаждение роторов и корпуса для нагрева воздуха, участвующего в процессе сгорания топлива в двигателе, что уменьшает потерю тепла двигателем в окружающую среду и увеличивает его КПД. Впрыск топлива через форсунку в воздуховод горячего воздуха ускоряет процесс испарения топлива и пары его с воздухом образуют горючую смесь перед входом в замкнутые объемы впадин, что обеспечивает полное сгорание топлива в двигателе. Двухвинтовой роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания представлен фиг. 1 - 7. На фиг. 1 дан горизонтальный разрез общего вида двигателя с двумя винтовыми роторами в корпусе, установленных в подшипниках торцевых крышек, форсунками подачи топлива в камеры сгорания и разрезов Б-Б и В-В. На фиг. 2 показан поперечный разрез двигателя по Б-Б с размещением роторов в корпусе двигателя, камерами расширения, роторными поршнями, форсунками подачи топлива в камеры сгорания и свечами зажигания, выходным патрубком горячего воздуха и сборной камерой отработанных газов и указанием продольного вертикального разреза по А-А. На фиг. 3 дан вид по А-А продольного разреза корпуса и ротора с патрубками подвода воздуха для охлаждения корпуса и ротора двигателя, форсункой подачи топлива на воздуховоде горячего воздуха. На фиг. 4 дан поперечный разрез по В-В, на котором показано сопряжение винтового зуба одного ротора с винтовой впадиной другого ротора в корпусе двигателя, охлаждающая полость роторов и отверстия для выхода воздуха. На фиг. 5, 6, 7 показана последовательность расположений камеры сгорания и камеры расширения при вращении ротора и сопряжение его со вторым ротором двигателя. Двигатель имеет корпус 1 без горизонтального разъема с двумя цилиндрическими расточками и размещены в них два винтовых ротора 2 со взаимным сопряжением наружных элементов, см. фиг. 1, 2, 4. Корпус закрыт торцевыми крышками 3, в которых установлены подшипники 4 валов роторов 2. Каждый ротор 2 содержит две части: первую винтовую с П-образным винтовым зубом 5 и винтовой впадиной 6 и вторую - с полуокружным выступом - роторным поршнем 7 и полуокружной впадиной 8, при этом в качестве камеры сгорания 22 используется объем последнего замкнутого витка впадины первой части ротора, а в качестве камер расширения 9 используется полуокружная впадина второй части каждого ротора. Один из роторов 2 имеет правую винтовую нарезку, другой ротор 2 - левую. На каждом валу ротора 2 насажены шестерни 10, обеспечивающие взаимное сопряжение выступов 5 и 7 с впадинами 6 и 8. Один из валов ротора 2 имеет удлинение со шпонкой 11 для соединения с передаточным валом съема мощности двигателя. Корпус 1 имеет с нижней стороны опорные лапы 12 с отверстиями для крепления к опорной конструкции автомобиля. Корпус 1 и каждый ротор 2 имеют воздушное охлаждение сжатым воздухом, подаваемым в двигатель для сжигания топлива. Корпус 1 имеет охлаждающую рубашку 13, состоящую из ребристой поверхности 14, приваренной обечайки 15 с патрубком 16 подвода сжатого воздуха и воздуховода 17 горячего воздуха. Каждый ротор 2 имеет охлаждающую полость 18 с подводящим отверстием 19 в валу и выходными отверстиями 20 в торце ротора. Охлаждающий воздух к ротору 2 подводится по трубопроводу 21 от патрубка 16 к отверстию 19 в валу ротора 2. Камерой сгорания 22 каждого ротора является объем последнего замкнутого витка впадины 6, примыкающей к камере расширения 9. В корпусе 1, в зоне нахождения камер сгорания 22, установлены форсунки 23 и свечи зажигания 24, см. фиг. 1, 2. На воздуховоде горячего воздуха 17 установлена форсунка впрыска топлива 25, см.фиг. 3. Отработанные газы из камер расширения 9 поступают в сборную камеру 26 и из нее отводятся по трубопроводу 27 к турбоприводу компрессора. Охлажденный сжатый воздух от компрессора подводится к входному патрубку 16 охлаждающей рубашки 13 корпуса двигателя 1, а по трубопроводам 21 - на охлаждение роторов 2. В воздуховод горячего воздуха 17 через форсунку 25 производится подача топлива и происходит его испарение. Горючая смесь заполняется в винтовые полости впадин 6 и при вращении роторов 2 порциями, объемом каждого замкнутого витка впадины 6, подается в камеры сгорания 22, где производится дополнительный вспрыск топлива через форсунки 23, образуя тем самым богатую горючую смесь у свечи зажигания 24, и под воздействием электрической искры происходит воспламенение всей горючей смеси в камере сгорания 22, повышение давления газов продуктов топлива и расширение их в камере 9, воздействуя на ротор-поршень 7, вращая его, см. фиг. 5, 6, 7. При вращении роторов 2 камеры расширения соединяются со сборной камерой 26 и отработанные газы через нее вытесняются в трубопровод 27 подачи их к турбине компрессора.

Формула изобретения

1. Двухвинтовой роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с охлаждающей рубашкой и с патрубками подвода воздуха и отвода отработанных газов, два ротора, камеры сгорания, в зонах которых в корпусе размещены свечи зажигания и форсунки впрыска топлива, камеры расширения, отличающийся тем, что каждый ротор содержит две части: первую винтовую с П-образным винтовым зубом и винтовой впадиной и вторую с полуокружным выступом - роторным поршнем и полуокружной впадиной, при этом в качестве камеры сгорания используется объем последнего замкнутого витка впадины первой части ротора, а в качестве камер расширения используется полуокружная впадина второй части каждого ротора. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит воздуховод горячего воздуха. 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что на воздуховоде горячего воздуха установлена форсунка впрыска топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

www.findpatent.ru