RU2084645C1 - Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine - Google Patents

Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine Download PDF

Info

Publication number
RU2084645C1
RU2084645C1 SU5015194A RU2084645C1 RU 2084645 C1 RU2084645 C1 RU 2084645C1 SU 5015194 A SU5015194 A SU 5015194A RU 2084645 C1 RU2084645 C1 RU 2084645C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
working fluid
vanes
rotation
angle
fluid
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Павлович Козлов
Original Assignee
Леонид Павлович Козлов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Леонид Павлович Козлов filed Critical Леонид Павлович Козлов
Priority to SU5015194 priority Critical patent/RU2084645C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2084645C1 publication Critical patent/RU2084645C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: power mechanical engineering. SUBSTANCE: method comprises supplying fluid compressed in the combustion chamber to the vanes of a guide unit, swirling the flow, and directing the swirled fluid flow at an angle to the direction of rotation to the vanes of the centripetal turbine wherein it is expanded and does mechanical work at its rotatable shaft. The fluid is swirled inside the guide unit so that to produce an angle between the output flow and direction of rotation no less than 35°. Before supplying the fluid to the vanes of the turbine the fluid is directed to the ring accelerating space wherein the fluid is cooled during expansion. The heat machine has housing with pipe lines for supplying and discharging fluid, vanes of the guide unit arranged inside the housing, and wheel of the centripetal turbine coupled with the output shaft. The machine is also provided with accelerating space interposed between the vanes of the guide unit and the turbine wheel. The diameter of the inlet of the ring accelerating space exceeds the diameter of its outlet by more than by a factor of 1.2. The outlet ends of the vanes of the guide unit are at an angle 28-35° to the direction of rotation. EFFECT: enhanced efficiency. 6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть применено прежде всего в сельском хозяйстве в качестве теплового двигателя для привода различных машин (например, электрических генераторов). The invention relates to energy and can be applied primarily in agriculture as a heat engine to drive various machines (for example, electric generators).

Расширение рабочего тела (газа) производится при совершении любого из известных термодинамических циклов. Например, цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении составляют термодинамические процессы:
1. Рабочее тело сжимают по адиабате;
2. Подводит к нему тепло по изобаре;
3. Рабочее тело расширяют по адиабате;
4. От рабочего тела отводят тепло /охлаждают/ по изобаре.The expansion of the working fluid (gas) is carried out upon completion of any of the known thermodynamic cycles. For example, a cycle of a gas turbine installation with heat supply at constant pressure consists of thermodynamic processes:
1. The working fluid is compressed along the adiabat;
2. It brings heat to the isobar;
3. The working fluid expands along the adiabat;
4. Heat is removed from the working fluid / cooled / along the isobar.

Наиболее близкими к изобретению по технической сущности являются способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в тепловой машине, заключающийся в том, что сжатое в камере сгорания рабочее тело подают на лопатки направляющего аппарата, закручивают в нем, закрученный поток рабочего тела под углом к направлению вращения подают на лопатки центростремительной турбины, где расширяют с получением механической работы на ее вращающемся валу, и тепловая машина, содержащая корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, расположенные внутри корпуса лопатки направляющего аппарата и колесо центростремительной турбины, связанное с выходным валом (Митрохин В. Т. Выбор параметров расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М. Машиностроение, 1974, с.7, 32 35). Closest to the invention in technical essence are a method of converting thermal energy into mechanical work in a heat engine, which consists in the fact that the working fluid compressed in the combustion chamber is fed to the blades of the guide apparatus, twisted in it, the swirling flow of the working fluid is fed at an angle to the direction of rotation on the blades of a centripetal turbine, where they expand to obtain mechanical work on its rotating shaft, and a heat engine containing a housing with mains for supplying and discharging the working fluid, the vanes of the guide vane located inside the casing and the centripetal turbine wheel connected with the output shaft (V. Mitrokhin. Choice of parameters calculation of the centripetal turbine in stationary and transient modes. M. Mashinostroenie, 1974, p. 7, 32 35).

Недостатком известного изобретения является то, что оно не позволяет осуществлять термодинамический цикл без отвода тепла в теплоприемник (в холодный "источник"), что резко уменьшает эффективность преобразователя тепловой энергии (газовых и паровых турбин) в энергию механическую, т.е. в работу. A disadvantage of the known invention is that it does not allow a thermodynamic cycle to be carried out without heat removal to a heat receiver (to a cold "source"), which sharply reduces the efficiency of the converter of thermal energy (gas and steam turbines) into mechanical energy, i.e. to work.

Задачей изобретения является осуществления такого способа преобразования, при котором тепловое движение молекул газа трансформировалось бы в их вращательное движение. The objective of the invention is the implementation of such a conversion method in which the thermal motion of the gas molecules is transformed into their rotational motion.

Кроме того, задачей является и создание компактной эффективной тепловой машины для осуществления данного способа преобразования. In addition, the task is to create a compact efficient heat engine for implementing this conversion method.

Указанные задачи решаются за счет того, что рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения менее 35o, перед подачей на лопатки турбины рабочее тело направляют в кольцевую разгонную полость, где его охлаждают во время расширения, отводимое при охлаждении тело преобразуют в работу, увеличивают высоту потока рабочего тела обратно пропорционально уменьшению полости, причем радиальный градиент давления на каждом участке радиуса вращения выдерживают достаточным для приращения на этом участке окружной скорости, после же срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают. Для этого тепловая машина снабжена кольцевой разгонной полостью, расположенной между лопатками направляющего аппарата и колеса турбины. Причем диаметр входа кольцевой разгонной полости превышает диаметр выхода из нее более чем в 1,2 раза, а выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 28-35o к направлению вращения, например, под углом 31o40'.These problems are solved due to the fact that the working fluid in the guiding apparatus is twisted to obtain an angle of inclination of the outlet stream to the direction of rotation of less than 35 o , before being fed to the turbine blades, the working fluid is sent to the annular accelerating cavity, where it is cooled during expansion expelled during cooling the body is converted into work, the height of the flow of the working fluid is increased inversely with the decrease in the cavity, and the radial pressure gradient in each section of the radius of rotation is sufficient to withstand eniya at this site circumferential speed after the switching speed pressure on the blades of the turbine working fluid is compressed. For this, the heat engine is equipped with an annular accelerating cavity located between the blades of the guide apparatus and the turbine wheel. Moreover, the diameter of the entrance of the annular accelerating cavity exceeds the diameter of the exit from it by more than 1.2 times, and the output ends of the vanes of the guide apparatus are located at an angle of 28-35 o to the direction of rotation, for example, at an angle of 31 o 40 ' .

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 дано графическое изображение в координатах PV (P давление, V объем) термодинамического цикла, включающего процесс расширения (линия 2-3); на фиг. 2 процессы цикла с предложенным способом расширения газа, вписаны (с целью наглядного сравнения) в графическое изображение цикла газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении; на фиг. 3 и 4 изображена принципиальная схема тепловой машины двигателя плосковихревого. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a graphical representation in the coordinates PV (P pressure, V volume) of the thermodynamic cycle, including the expansion process (line 2-3); in FIG. 2 cycle processes with the proposed method of gas expansion are inscribed (for the purpose of visual comparison) in the graphic image of the cycle of a gas turbine installation with heat supply at constant pressure; in FIG. 3 and 4 show a schematic diagram of a heat engine of a plane-vortex engine.

Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу осуществляется в тепловой машине следующим образом. The method of converting thermal energy into mechanical work is carried out in a heat engine as follows.

Рабочее тело закручивают по спирали под оптимальным углом, равным 31o40', к направлению вращения, направляют в разгонную полость и выдерживают этот угол неизменным на всем пути потока газа к оси вращения.The working fluid is twisted in a spiral at an optimal angle equal to 31 o 40 ' , to the direction of rotation, sent to the acceleration cavity and maintain this angle unchanged along the entire path of gas flow to the axis of rotation.

Во время движения рабочего тела по спирали, его расширяют не в направлении возрастающей скорости, как в известных случаях, а в направлении, перпендикулярном направлению возрастающей окружной скорости, причем радиальный градиент давления на каждом участке радиуса выдерживают соответствующим приращению на этом участке окружной скорости, которую изменяют обратно пропорционально радиусу вращения каждой единичной массы газа, при этом, необходимое изменение плотности газа обеспечивают за счет изменения высоты разгонной полости. Осуществление описанных приемов создает условия для самопроизвольного перехода теплового движения каждой отдельно взятой молекулы газа в ее вращательное движение во время процесса расширения. При этом одновременно также совершается обычное (с увеличением объема) преобразование теплоты в работу, обусловленное отводом тепла при расширении рабочего тела. During the movement of the working fluid in a spiral, it does not expand in the direction of increasing speed, as in known cases, but in the direction perpendicular to the direction of increasing peripheral speed, and the radial pressure gradient in each section of the radius is maintained corresponding to the increment in this section of the peripheral speed, which is changed inversely proportional to the radius of rotation of each unit mass of gas, while the necessary change in the density of the gas is provided by changing the height of the accelerating cavity. The implementation of the described techniques creates the conditions for the spontaneous transition of the thermal motion of each individual gas molecule into its rotational motion during the expansion process. At the same time, the usual (with increasing volume) conversion of heat into work, due to heat removal during expansion of the working fluid, also takes place.

Из графика на фиг. 2 видно, что если расширение производить по адиабате /линия 2-4/, осуществляя цикл газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении, то после расширения требовалось бы отводить тепло в количестве, соответствующем линии 4-3. В случае же предлагаемого способа, из этого тепла генерирует вращательное движение, поскольку расширение ведут с самопроизвольным переходом теплоты /отводимой по изобаре 4-3/ во вращательное движение. Таким образом в предлагаемом способе расширения газа практически все подводимое тепло преобразуют в движение потока. From the graph in FIG. 2 it can be seen that if the expansion was carried out along the adiabat / line 2-4 /, carrying out a cycle of a gas turbine installation with heat supply at constant pressure, then after expansion it would be necessary to remove heat in an amount corresponding to line 4-3. In the case of the proposed method, a rotational movement is generated from this heat, since the expansion is carried out with a spontaneous transition of heat / isobar 4-3 / removed to the rotational movement. Thus, in the proposed method of expanding gas, almost all supplied heat is converted into flow movement.

Тепловая машина, в которой осуществляется описываемый способ двигатель плосковихревой (фиг. 3 и 4) имеет разгонную полость 1, ограниченную сверху и снизу двумя кольцевыми поверхностями и снабженную на входе направляющим аппаратом 2, к которому сжатый газ поступает через заборную емкость 3, сообщающуюся с источником газа или пара, например с камерой сгорания (на чертеже не показана). За разгонной полостью 1 установлено колесо активной газовой турбины, лопатки 4 которой закреплены на держателе 5, смонтированном на валу 6. Держатель имеет окна 7 для выхода наружу отработавшего рабочего тела. The heat engine in which the described method is carried out has a plane-vortex engine (Figs. 3 and 4) has an acceleration cavity 1, bounded above and below by two annular surfaces and provided with a guide apparatus 2 at the inlet, to which the compressed gas enters through the intake tank 3 in communication with the source gas or steam, for example with a combustion chamber (not shown in the drawing). Behind the accelerating cavity 1, a wheel of an active gas turbine is installed, the blades 4 of which are mounted on a holder 5 mounted on the shaft 6. The holder has windows 7 for exiting the spent working fluid.

Работа двигателя начинается как только из источника газа или пара (из камеры сгорания, из парового котла и т.д.) начнет поступать рабочее тело через заборную емкость 3 в направляющий аппарат 2. С помощью последнего газ закручивается и под оптимальным углом (31o40') к направлению вращения, входит в разгонную полость 1; имея составляющие своей скорости (U) движения тангенциальную UΣ и радиальную UR. Под действием радиального градиента давления эти составляющие возрастают по мере приближения каждой единичной массы к оси вращения, причем UΣ возрастает частично за счет перехода теплоты в движение и в соответствии с законом сохранения момента импульса, а UR возрастает в соответствии с уравнением расхода и за счет расширения газа. Имея максимальную скорость, поток входит на лопатки 4 колеса турбины, где происходит преобразование кинетической энергии газа в энергию вращения вала 6. Через вал 6 мощность передается на вал компрессора нагнетающего воздух в камеру сгорания и к потребителю энергии (потребитель энергии и компрессор на рисунке не показаны). По выходе из турбины отработавший газ выбрасывается наружу через окна 7 в держателе 5.The engine starts as soon as the source of gas or steam (from the combustion chamber, from the steam boiler, etc.) the working fluid begins to flow through the intake tank 3 into the guide apparatus 2. Using the latter, the gas is twisted and at an optimal angle (31 o 40 ' ) to the direction of rotation, enters the acceleration cavity 1; having the components of its speed (U) of the motion tangential U Σ and radial U R. Under the influence of the radial pressure gradient, these components increase as each unit mass approaches the axis of rotation, and U Σ increases in part due to the transfer of heat into motion and in accordance with the law of conservation of angular momentum, and U R increases in accordance with the flow equation and due to gas expansion. At maximum speed, the flow enters the blades 4 of the turbine wheel, where the kinetic energy of the gas is converted to the energy of rotation of the shaft 6. Through the shaft 6, the power is transmitted to the compressor shaft forcing air into the combustion chamber and to the energy consumer (energy consumer and compressor are not shown in the figure ) Upon leaving the turbine, the exhaust gas is ejected out through the windows 7 in the holder 5.

Во время движения в разгонной полости каждой единичной массы ее скорость постоянно возрастает, причем частично за счет непосредственного (т.е. без увеличения объема рабочего тела) перехода теплового движения во вращательное движение. During movement in the accelerating cavity of each unit mass, its speed constantly increases, and partly due to the direct (i.e., without increasing the volume of the working fluid) transition of thermal motion into rotational motion.

Claims (7)

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую работу в тепловой машине, заключающийся в том, что сжатое в камере сгорания рабочее тело подают на лопатки направляющего аппарата, закручивают в нем, закрученный поток рабочего тела под углом к направлению вращения подают на лопатки центростремительной турбины, где расширяют с получением механической работы на ее вращающемся валу, отличающийся тем, что рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения менее 35o, перед подачей на лопатки турбины рабочее тело направляют в кольцевую разгонную полость, где его охлаждают во время расширения, отводимое при охлаждении тепло преобразуют в работу, увеличивают высоту потока рабочего тела обратно пропорционально уменьшению плотности, причем радиальный градиент давления на каждом участке радиуса вращения выдерживают достаточным для приращения на этом участке окружной скорости, после же срабатывания скоростного напора на лопатках турбины рабочее тело сжимают.1. The method of converting thermal energy into mechanical work in a heat engine, which consists in the fact that the working fluid compressed in the combustion chamber is fed to the blades of the guide apparatus, twisted in it, the swirling flow of the working fluid at an angle to the direction of rotation is fed to the blades of a centripetal turbine, where expand to obtain mechanical work on its rotating shaft, characterized in that the working fluid in the guide apparatus is twisted to obtain an angle of inclination of the output stream to the direction of rotation of less than 35 o , per by feeding the turbine blades to the working fluid, they are sent to an annular acceleration cavity, where it is cooled during expansion, the heat removed during cooling is converted to work, the flow height of the working fluid is increased inversely with the decrease in density, and the radial pressure gradient in each section of the radius of rotation is sufficient to withstand increments in this section of peripheral speed, after the response of the high-speed pressure on the turbine blades, the working fluid is compressed. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело, после срабатывания скоростного напора на лопатках турбины, дополнительно охлаждают или заменяют охлажденной порцией. 2. The method according to p. 1, characterized in that the working fluid, after actuation of the pressure head on the turbine blades, is additionally cooled or replaced with a chilled portion. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочее тело в направляющем аппарате закручивают с получением угла наклона выходящего потока к направлению вращения 31o40'.3. The method according to p. 1, characterized in that the working fluid in the guide apparatus is twisted to obtain an angle of inclination of the output stream to the direction of rotation of 31 o 40 '. 4. Тепловая машина, содержащая корпус с магистралями подвода и отвода рабочего тела, расположенные внутри корпуса лопатки направляющего аппарата и колесо центростремительной турбины, связанное с выходным валом, отличающаяся тем, что она снабжена увеличивающейся по высоте кольцевой разгонной полостью, расположенной между лопатками направляющего аппарата и колеса турбины. 4. A heat engine comprising a casing with mains for supplying and discharging the working fluid located inside the casing of the vanes of the guide vane and a centripetal turbine wheel connected to the output shaft, characterized in that it is provided with an annular acceleration cavity increasing in height located between the vanes of the vane and turbine wheels. 5. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что диаметр входа кольцевой разгонной полости превышает диаметр выхода из нее более чем в 1,2 раза. 5. The machine according to claim 4, characterized in that the diameter of the entrance of the annular accelerating cavity exceeds the diameter of the exit from it by more than 1.2 times. 6. Машина по п. 4, отличающаяся тем, что выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 28 35o к направлению вращения.6. The machine according to p. 4, characterized in that the output ends of the vanes of the guide apparatus are located at an angle of 28 35 o to the direction of rotation. 7. Машина по п. 6, отличающаяся тем, что выходные концы лопаток направляющего аппарата расположены под углом 31o40' к направлению вращения.7. The machine according to p. 6, characterized in that the output ends of the vanes of the guide apparatus are located at an angle of 31 o 40 'to the direction of rotation.
SU5015194 1991-11-14 1991-11-14 Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine RU2084645C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5015194 RU2084645C1 (en) 1991-11-14 1991-11-14 Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5015194 RU2084645C1 (en) 1991-11-14 1991-11-14 Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2084645C1 true RU2084645C1 (en) 1997-07-20

Family

ID=21590877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5015194 RU2084645C1 (en) 1991-11-14 1991-11-14 Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2084645C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013084036A1 (en) 2011-12-07 2013-06-13 Solaris Holdings Limited Method for producing mechanical work

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Митрохин В.Т. Выбор параметров и расчет центростремительной турбины на стационарных и переходных режимах. М.: Машиностроение, 1974, с. 7, 32 - 35. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013084036A1 (en) 2011-12-07 2013-06-13 Solaris Holdings Limited Method for producing mechanical work

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4298311A (en) Two-phase reaction turbine
RU2199019C2 (en) Method of and device for generation of energy (versions)
EA001856B1 (en) Ramjet engine for power generation
US4166361A (en) Components and arrangement thereof for Brayton-Rankine turbine
RU2084645C1 (en) Method of converting heat energy into mechanical work in heat machine and heat machine
WO1995005063A3 (en) Method of converting thermal energy to mechanical energy and a device for carrying out the same
US3809017A (en) Heat and steam generator
US1180403A (en) Steam or gas turbine.
US4012912A (en) Turbine
RU2006589C1 (en) Method and device for converting heat to energy of gas flow motion
JPS5575502A (en) Radial turbine
CN209145650U (en) A kind of speed mode expanding machine and organic Rankine cycle power generation system
RU2107176C1 (en) Method for operation of thermal engine and thermal engine for its realization
CN219220746U (en) Centripetal turbine driven centrifugal working medium pump and organic Rankine cycle system
US3854841A (en) Turbine
RU2041384C1 (en) Labyrinth-vortex machine
JPS5848732B2 (en) Electric power generation method and device
JPS5768507A (en) Rankine cycle generating apparatus
JP2018048640A (en) Method for producing mechanical work
US11898469B2 (en) Reaction turbine operating on condensing vapors
JPS569604A (en) Pipe turbine
RU2094621C1 (en) Combined engine
RU2099560C1 (en) Heat engine
CN109356661A (en) A kind of speed mode expanding machine and organic Rankine cycle power generation system
RU2078968C1 (en) Gas-turbine engine