WO2017196208A1 - Устройство и способы преобразования энергии горения топлива - Google Patents

Устройство и способы преобразования энергии горения топлива Download PDF

Info

Publication number
WO2017196208A1
WO2017196208A1 PCT/RU2017/000290 RU2017000290W WO2017196208A1 WO 2017196208 A1 WO2017196208 A1 WO 2017196208A1 RU 2017000290 W RU2017000290 W RU 2017000290W WO 2017196208 A1 WO2017196208 A1 WO 2017196208A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
energy
chamber
working
toroidal
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/000290
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Юрий Дмитриевич НЕТЕСА
Original Assignee
Юрий Дмитриевич НЕТЕСА
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
Priority claimed from RU2016118125A external-priority patent/RU2016118125A/ru
Priority claimed from RU2016118127A external-priority patent/RU2016118127A/ru
Priority claimed from RU2016133670A external-priority patent/RU2016133670A/ru
Priority claimed from RU2016133832A external-priority patent/RU2016133832A/ru
Application filed by Юрий Дмитриевич НЕТЕСА filed Critical Юрий Дмитриевич НЕТЕСА
Publication of WO2017196208A1 publication Critical patent/WO2017196208A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/02—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion characterised by the arrangement of the combustion chamber in the chamber in the plant
    • F02C5/04—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion characterised by the arrangement of the combustion chamber in the chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
    • F02K7/02—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet
    • F02K7/04—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet with resonant combustion chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R7/00—Intermittent or explosive combustion chambers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to the field of industrial engineering, and can be used in particular in internal combustion engines, which include piston, gas turbine and jet engines.
  • a known method of converting the energy of combustion of fuel into mechanical energy by volume expansion includes preparing the air-fuel mixture, supplying it to the working chamber, initiating the release of energy by igniting or self-igniting the mixture in a closed volume and providing volumetric expansion of the working fluid.
  • the expanding working fluid interacts with a piston or rotary piston type energy converter and performs work on the motor shaft.
  • Volumetric expansion characterizes the method of converting the energy of the working fluid into mechanical energy. During volumetric expansion, the energy of the working fluid is converted into mechanical energy, and the change in the volume created by the working fluid in the working chamber changes the energy transfer of the mechanical organ accordingly. The kinetic energy of the working fluid does not significantly affect the process.
  • This method employs gasoline and diesel engines, four-stroke and two-stroke, both piston and rotary piston engines (Yu. L. Kovylov, S. V. Krasheninnikov “Theory of working processes of internal combustion engines” of the Russian Ministry of Education and Science. Samara State Aerospace University named after . SP. Queen. Samara, 201 1, p. 1 1-20).
  • the duty cycle of engines operating in this way is a periodically repeating series of sequential processes that occur in each cylinder of the engine and cause the conversion of thermal energy into mechanical work. With expansion, the gases perform useful work, so the piston stroke in the third half-turn of the crankshaft is called the stroke.
  • Ptm is the maximum pressure in the working chamber
  • thermodynamic cycles In the framework of technical thermodynamics, the operation of reciprocating internal combustion engines, depending on the features of their cyclograms, is described by the thermodynamic cycles of Otto, Diesel, Trinkler, Atkinson or Miller.
  • Pb is the pressure in the working chamber at the end of the piston stroke
  • tb (Th) is the temperature in the working chamber at the end of the piston stroke.
  • piston engines have high mechanical losses.
  • a v is the average value of engine torque.
  • the closest way to the claimed technical solution is a method of converting the energy of combustion of fuel into mechanical energy by volumetric expansion (displacement).
  • This method includes preparing the air-fuel mixture, supplying it to the working chamber, igniting and providing a volumetric expansion (displacement) of the working fluid in the form of a gas stream. Further, the gas stream interacts with the energy converter by passing the stream through the nozzle apparatus and supplying it to the turbine blades, which leads to the conversion of the kinetic energy of the gas stream into mechanical energy on the engine shaft.
  • Volumetric expansion characterizes the method of converting the energy of the working fluid into mechanical energy. It relates to such machines or engines in which the conversion of the potential energy of a compressed fluid into the kinetic energy of a gas stream occurs in whole or in part in a turbine rotor.
  • the air-fuel mixture is prepared, air is compressed by a compressor and sent to the working chamber.
  • the fuel pump delivers fuel to the working chamber, in which the air-fuel mixture is burned.
  • Combustion products (working fluid) having high pressure are formed in the nozzle apparatus located on the turbine stator into an accelerated gas flow. The latter is sent to the blades of the rotor of a gas turbine forcing it to rotate in a given direction while doing work.
  • this method of converting fuel combustion energy into mechanical energy by volume expansion has a number of significant advantages.
  • a gas turbine has the ability to develop significantly greater rotor speeds. That allows you to get more power from smaller engines, lighter in weight.
  • thermodynamic cycle usually called a simple gas turbine cycle or Brighton cycle
  • the disadvantage of the method based on volumetric expansion is the low efficiency of the engines that implements this method.
  • One of the main reasons that holds back the increase in thermal efficiency of gas turbine engines is the need to artificially limit the temperature of the gases entering the turbine blades.
  • the gas temperature in front of the turbine must be limited, for example, for
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) gas turbine engines in civilian aircraft turbines up to 800–900 ° C due to the limited resource of high-temperature alloy turbines and their high cost.
  • the pressure of the exhaust gases of a modern gas turbine engine behind the turbine is 0.15–0.18 MPa, and the temperature is 600–700 ° ⁇ . In this regard, a large amount of thermal energy of a gas turbine engine is emitted into the atmosphere with exhaust gases.
  • thermal efficiency of gas turbine engines is from 18 to 30% and largely depends on the purpose of the engine of its size, operation mode and engine load.
  • a gas turbine (rotary) engine (RU 2387851, published December 27, 2009), which implements a method of volumetric expansion in a pulsating mode.
  • the motor contains a fixed cylindrical stator.
  • a turbine rotor is placed in the stator chamber, including a disk with rotor blades.
  • the process of creating and burning the working mixture takes place in the chamber for generating pulses of gas flows (prechamber).
  • the air compressor is driven by the rotor shaft to create the necessary air pressure in the chamber for generating pulses of gas flows.
  • fuel is supplied to the pulse forming chamber sealed by a gas distribution valve.
  • the valve is configured to open a channel for the exit of working gases from the formation chamber in the form of pulses of gas flows to the working blades of the turbine rotor.
  • One or more pulse shaping chambers are integrated in the turbine stator.
  • the working process of a pulsed gas turbine (rotary) engine is as follows: the air compressed by the compressor enters through the gas distribution valve into the pulse generation chamber. After closing the inlet window with a gas distribution valve, the required amount of fuel is supplied through the nozzle to the pulse-forming chamber. Thus, the preparation of the air-fuel mixture. At the beginning of the opening by the gas distribution valve of the working gas outlet channel from the formation chamber, the air-fuel mixture is ignited. In the chamber, the working mixture is burned. The resulting flow of working gases leaves the pulse formation chamber through a directional channel — an injector tangentially to the rotor. Pulses of gas flows, at the necessary moment of the rotor position, are directed to the working blades of the turbine rotor, where their kinetic energy is converted into energy
  • the design of a pulsed gas turbine (rotary) engine has several disadvantages.
  • the turbine design limits the efficiency of converting the combustion energy of the fuel into the mechanical energy of the turbine rotor.
  • the impulse of the flow of the working fluid is created due to the pressure difference in the pulse formation chamber and in the volume of the rotor working chamber. Due to the pressure equalization process in these chambers, the kinetic energy of the pulse flow decreases, which leads to the fact that only an insignificant part of the thermal energy is converted into mechanical energy.
  • the process of energy conversion is carried out once and for a short period of time.
  • the pulse-forming chamber creates gas flows in the form of toroidal vortices.
  • toroidal vortices are used for a number of applied tasks: in non-lethal weapons, when fighting gushing fires in the oil and gas industry, while increasing the efficiency of fuel combustion in internal combustion engines and in the energy sector.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • the formation of a toroidal vortex is carried out by supplying a portion of a high-speed flow of the medium into the same medium at rest. If the obstruction in the flow path is closed and the flow is pulsed, for example, as is the case in Theta’s apparatus: a round hole in the box wall, then the impulse flow from the impact, passing through it, is twisted at the boundary of the obstruction into an annular toroidal vortex .
  • a dynamic obstacle arises in front of it, on which a gas stream spreads in the transverse direction.
  • a moving and spreading jet induces a flow of regions of the surrounding gas adjacent to the jet.
  • the method for producing toroidal vortices described above has a limited scope and allows one to obtain vortices with low energy intensity and low frequency of their repetition.
  • the closest way to the claimed technical solution is a method of forming a gas toroidal vortex, including the compression of a part of the gaseous medium using a compressor.
  • the supply of compressed medium to the formation chamber through a high-speed shutter made in the bottom of the cup and the organization of the interaction of the flows of the compressed gaseous medium with the walls and bottom of the cup of the formation chamber.
  • the basis of such a generator is a compressor.
  • the vortex generator is the process of interaction with the walls of the glass of flows of compressed gaseous medium, which is created by its pulsed supply through a high-speed shutter installed in the bottom of the glass of the formation chamber.
  • a toroidal vortex generator which uses the energy of a compressor’s air stream, is cheaper than using explosives, is more technologically advanced and less noisy.
  • the disadvantages of the closest method to the claimed technical solution is the low energy efficiency of the formation of a toroidal vortex and the limited shutter speed.
  • the high-speed shutter must hold a high pressure difference, and also provide a large cross-sectional area of the open channel, it must have significant dimensions and weight. In this regard, its design is complicated and its speed is limited, and significant energy is expended in overcoming the inertia of the shutter.
  • the technical result of the invention is the ability to increase the efficiency of internal combustion engines due to a more complete conversion of the combustion energy of fuel into mechanical energy, as well as lowering the temperature of exhaust gases and reducing emissions of harmful gases CO2, CO, NOx.
  • the specified technical result in a method of converting the energy of combustion of fuel into mechanical energy including the preparation, supply and ignition of the air-fuel mixture in the working chamber, the formation of the working fluid in the form of a gas stream by volume expansion, ensuring the interaction of the gas flow of the working fluid with the energy conversion device, providing energy conversion working fluid into mechanical energy, is achieved by the fact that the air-fuel mixture in the working chamber is formed into a single gas toroidal vortex b and / or into a stream of single gas toroidal vortices, in each of which a solid-state core of gas rotation is created; provide ignition of the air-fuel mixture and its stable transformation into a working fluid in the volume of a toroidal
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) vortices provide the conversion of the energy of the working fluid into mechanical energy by simultaneous interaction of toroidal vortices with an energy conversion device and the walls of the working chamber.
  • the conversion of the energy of the working fluid into mechanical energy can be carried out in the working chamber, which is performed mainly round in cross section, while the walls of the working chamber are performed with increased gas-dynamic resistance in the direction opposite to the direction of motion of the toroidal vortex.
  • the conversion of the energy of the working fluid into mechanical energy can be carried out in the working chamber, which is performed in the form of a conical tube that converts the internal rotational kinetic energy of a toroidal vortex into its translational energy.
  • the formation of a gas toroidal vortex can be achieved by interacting the gas mixture with the walls of the working chamber, the surface of the guides and the working surface of the piston, and the working surfaces of the guides and the piston are made as part of the toroidal surface.
  • the gas mixture when supplied to the working chamber, can be activated by violating the intra-atomic balance of the elements of the substance of the working fluid, for example, by the action of catalysts, magnetic, electric and / or electromagnetic fields, activation of the working fluid in a toroidal gas vortex stream acting as a gas-dynamic physicochemical can also be ensured. the reactor.
  • the specified technical result in the device of a gas turbine internal combustion engine containing a turbine stator in the stator chamber is a turbine rotor including a blade with blades, the turbine rotor is connected to an output shaft that is connected to a compressor and a fuel pump, at least one is mounted on the turbine stator a pulsating chamber of gas flows, operating in a pulsating mode, while the nozzle of the forming chamber is directed tangentially to the turbine rotor, is achieved by the fact that the working chamber of the stator
  • the turbine has the shape of a hollow torus, a helical channel is made on the inner walls of the working chamber of the turbine stator, which creates increased gas-dynamic resistance of the toroidal vortex in the direction opposite to the direction of motion of the rotor blades, the turbine rotor blades are made in the form of the cross section of the working chamber and are located in it with a gap and the formation chamber is made in the form of a source of a stream of single gas toroidal vortices.
  • the working surface of the turbine rotor blades may have a recess in the form of a torus fragment, and a gap is made between the rotor disk and the stator internal connector, which is the exhaust channel of the turbine.
  • the specified technical result is also achieved by the implementation of the method of forming a gas toroidal vortex by organizing the interaction of flows of a compressed gaseous medium with the walls and the bottom of the formation chamber, due to the fact that the gas toroidal vortex is formed by supplying flows of a compressed gaseous medium tangentially to the inner surface of the bottom of the formation chamber, the formation is carried out by feeding compressed flow of the gaseous medium are co-directed inner motion vectors (Vo, VR and V r) generated toroid vortex ceiling elements, as well as distribution of injection forces the bottom surface, emerging from the incoming gaseous medium flows.
  • Vo co-directed inner motion vectors
  • a gas toroidal vortex can be formed by supplying flows of a compressed gaseous medium through a system of annular slots installed in the bottom of the formation chamber, while its inner surface is made in the form of a combination of torus surfaces.
  • gas toroidal vortices can be carried out in the mode of self-oscillations, and their repetition rate is determined by the volume of the formation chamber and the productivity of the incoming flows of the compressed gaseous medium.
  • FIG. 1 to 7 show the processes of converting the energy of combustion of fuel into mechanical energy, an example of a specific implementation of the device, which illustrates the advantages of the claimed technical solution,
  • FIG. 1 schematically shows the process of formation and conversion of the internal energy of a vortex into its linear movement.
  • FIG. 2 schematically shows the process of converting the internal energy of a vortex into a linear movement of a piston or blade.
  • FIG. 3 schematically shows the process of formation and conversion of the internal energy of a vortex in a piston engine.
  • FIG. 4 schematically shows a section through a gas turbine internal combustion engine.
  • FIG. 5 schematically shows a section AA of a gas turbine internal combustion engine.
  • FIG. 6 schematically shows a view B of a gas turbine internal combustion engine.
  • FIG. 7 schematically shows a section through a chamber for forming a gas toroidal vortex.
  • the method of converting the combustion energy of fuel into mechanical energy can be implemented in the device schematically shown in FIG. 1, which includes a device for preparing the air-fuel mixture (not shown in the diagram), the working chamber (position 1 in Fig. 1), limited by the walls of the chamber (position 2 in Fig. 1).
  • a formation chamber position 3 in Fig. 1) of pulsed gas toroidal vortices (position 5 in Fig. 1) having a solid-state rotation core (position 4 in Fig. 1) is installed.
  • the plasma igniter position 6 in Fig. 1 is installed in the region of the base of the central flow (vector V) of the vortex (position 5 in Fig.
  • the working chamber (position 1 in FIG. 1) is oriented towards the energy converter, which can be a jet nozzle (position 8 in FIG. 1) or a blade (position 9 in FIG. 2).
  • the energy converter can be a jet nozzle (position 8 in FIG. 1) or a blade (position 9 in FIG. 2).
  • a helical channel (position 10 in FIG. 2) is performed which is performed with increased gas-dynamic
  • the inventive method is based on the following properties of a gas toroidal vortex.
  • a toroidal vortex exists as an independent hydrodynamic structure with its own laws of motion, in space it behaves as a separate elastic, inverted material body.
  • a toroidal vortex allows you to store a significant amount of energy in it and carry it over long distances with minimal losses.
  • the method of converting the energy of combustion of fuel into mechanical energy is as follows.
  • preliminary preparation is carried out by filtration, formation of the percentage of fuel, etc.
  • the formation chamber (position 3 in Fig. 1) generates and feeds the working fluid into the working chamber (position 1 in Fig. 1) in in the form of pulsed gas toroidal vortices (position 5 in FIG. 1) having a solid-state rotation core (position 4 in FIG. 1).
  • the vortices are sequentially ignited by pulses of a plasma igniter (position 6 in Fig. 1) in the region of the base of the central vortex flow (position 5 in Fig. 1) along vector V and aligned with it.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) (position 3 in Fig. 1) and in the area of the plasma igniter (position 6 in Fig. 1). Activation is carried out by treatment with magnetic, electric and electromagnetic fields and / or quantum radiation, as well as catalysts.
  • the forming chamber (position 3 in FIG. 1) can be performed by one of the known methods or the method schematically shown in FIG. 7.
  • the formed stable vortices are directed to the energy converter in a quality that there may be a jet nozzle (position 8 in FIG. 1) or a blade (position 9 in FIG. 2).
  • a jet nozzle position 8 in FIG. 1
  • a blade position 9 in FIG. 2
  • the energy of fuel combustion due to the intravortex balance of forces, is converted into the energy of motion of the vortex flows (into the kinetic energy of the vortex).
  • the interaction of the vortex (position 7 in Fig. 1) with the walls of the chamber position 2 in Fig.
  • the internal kinetic energy of the vortex is converted into energy of its translational movement along the vector V.
  • the vortex mass m accelerates (position 7 in Fig. 1) relative to the walls (position 2 in Fig. 1) of the working chamber, which leads to the formation of a reaction force R RE , which determines the thrust of the engine (RTUR ⁇ Gair-AV), for example, in a gas turbine engine and a taxiway, thereby ensuring work.
  • the chamber wall is made with increased gas-dynamic resistance in the opposite direction direction of movement of the vortex.
  • a helical channel (position 10 in FIG. 2) is made on the chamber wall (position 2 in FIG. 2), which can be made in the form of a groove with a large difference in the angles of inclination of its walls.
  • the critical rate of change in the volume of the working chamber depends on the viscosity of the air-fuel mixture, its composition and temperature.
  • a guide position 1 1 in Fig. 3 can be installed in the working combustion chamber and / or a recess, working surfaces, are made in the piston (position 9 in Fig. 3), which are part of the torus form.
  • a plasma igniter position 6 in Fig. 3
  • the fuel-air mixture is ignited in the operating cycle when it moves from top dead center after the formation of a stable gas toroidal vortex (position 7 in Fig. 3). In this case, ignition is carried out in the region of the base of the central vortex flow (position 7 in Fig. 3) along vector V and coaxially with it.
  • the achievement of the technical result is most fully shown on the example of a gas turbine internal combustion engine.
  • the turbine workflow and its design can be implemented in the device schematically shown in FIG. 4 to 6, which includes a device for preparing the air-fuel mixture and burning it in the formation chamber (position 3 in Fig. 4), made in the form of a toroidal vortex generator.
  • the plasma gas stream is formed in the chamber in the form of a stream of single plasma-gas toroidal vortices (position 7 in Fig. 4-6), the main vector of which is directed tangentially to the trajectory of the central part of the working surface of the blades (position 9 in Fig. 4) of the rotor (position 12 in Fig. 4-6).
  • the working chamber position 1 in Fig.
  • stator position 13 in Fig. 4-6
  • stator position 13 in Fig. 4-6
  • the rotor blades (position 9 in Figs. 4-6) of the turbine rotor are made in the shape of the cross section of the working chamber (position 1 in Figs. 4-6), placed with the necessary clearance in the hollow torus of the turbine stator chamber.
  • the blades are rigidly fixed to the rotor disk (position 12 in Figs. 4-6), which is fixedly connected to the motor shaft (position 14 in Figs. 4 and 5).
  • a connector is made on the inner surface of the stator disk (position 13 in Figs. 4-6) (position 15 in Figs.
  • the connector (position 15 in Figs. 4-6) also serves as the exhaust channel of the engine.
  • An air compressor and a fuel pump, not shown in the figures, can be installed on the engine shaft.
  • the working surface of the blades (position 9 in Fig. 4-6) of the rotor is made in the form of a fragment of a sphere.
  • the helical channel (position 10 in Fig. 4) made on the walls of the chamber (position 2 in Fig. 4) of the hollow torus of the working chamber (position 1 in Fig. 4) can be a groove with a large difference in the angles of inclination of its walls, with a smaller angle directed towards the movement of the blades of the turbine rotor.
  • SUBSTITUTE SHEET mounted on the shaft (position 14 in Figs. 4 and 5), the turbines are fed into the preparation of the air-fuel mixture and burned in the formation chamber (position 3 in Fig. 4), operating in a pulsating mode.
  • a plasma gas stream is created in the form of a stream of single plasma-gas toroidal vortices (position 7 in Figs. 4-6), the main vector of which is directed tangentially to the trajectory of the central part of the working surface of the blades (position 9 in Figs. 4-6) the rotor (position 12 in Fig. 4-6).
  • the plasma gas stream in the form of a stream of single plasma-gas toroidal vortices (position 7 in Fig. 4-6) is supplied to the working surface of the blades (position 9 in Fig. 4-6), made in the form of a torus fragment.
  • a plasma-gas toroidal vortex (position 7 in Fig. 4-6) with the working surface of the blade (position 9 in Fig. 4-6) and the chamber walls (position 2 in Fig. 4-6) of the hollow torus of the working chamber (position 1 in Fig. 4-6) of the stator (position 13 in Figs. 4-6)
  • the kinetic energy of the plasma-gas toroidal vortex is transferred to the rotor (position 12 in Figs. 4-6) of the turbine.
  • the energy stored in the toroidal vortex is transferred along the linear displacement vector of the torus Vo by acting on the blade (position 9 in Fig. 4-6) of the inertial forces of the entire mass of the toroidal plasma vortex (position 7 in Fig. 4-6).
  • the transfer of the stored energy of the toroidal vortex (position 7 in Fig. 4-6) along the toroidal rotation vector V r is carried out by friction of the vortex against the walls (position 2 in Fig. 4-6) of the stator hollow torus with the reaction of the friction force R re and its transmission on the blade (position 9 in Fig. 4-6).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) (position 9 in Fig. 4-6), with the help of which practically all the kinetic energy stored in the toroidal vortex (position 7 in Fig. 4-6) is transmitted to the rotor (position 12 in Fig. 4-6) of the turbine.
  • the method of forming a gas toroidal vortex can be implemented in the device of the formation chamber (position 3 in Fig. 7), which includes a compression device for part of the gaseous medium, for example, a compressor (not shown in the diagram).
  • the formation chamber (position 3 in FIG. 7) is formed by the walls of the chamber (position 2 in FIG. 7), from one end closed by the bottom (position 16 in FIG. 7), and on the other hand, the camera is connected to the working chamber (position 1 on Fig. 4) turbines.
  • the inner surface of the bottom (position 16 in Fig. 7) is made in the form of a part of a toroidal shape in which at least one annular slotted hole (position 17 in Fig. 7) is connected to the forming chamber (position 3 in Fig. 7) and a high pressure source, one of the walls of the slotted holes being tangent to the inner surface of the bottom (position 16 in Fig. 7)
  • the inner surface of the bottom (position 16 in Fig. 7) is made in the form of a combination of curved surfaces, for example, as part of a toroid.
  • the vectors of the flows Vn at the entrance to the formation chamber (position 3 in Fig. 7) are aligned with the vector V r of the formed toroidal vortex (position 4 in Fig. 7).
  • On the central axis of the vector Vo of the toroidal vortex there is an axial hole of the igniter (position 6 in FIG. 7) for pulse control and ignition of the vortex.
  • the axial protrusion (position 18 in FIG. 7) is part of the toroidal surface of the bottom (position 16 in FIG. 7).
  • a compressor (not shown in the diagram) creates a pressure differential at the inlet into the annular slotted holes (position 17 in FIG. 7) with respect to the pressure in the forming chamber (position 3 in FIG. 7). Due to the pressure drop, gaseous medium flows through annular slotted openings (position 17 in FIG. 7) directed tangentially to the inner surface of the toroidal forming chamber. Thus, the pressure differential energy is converted directly into the kinetic energy of the toroidal vortices (position 4 in Fig. 7). In this case, the direction of the fluxes Vn coaxial with the vectors V r of the formed toroidal vortex (position 4 in Fig.
  • the flows of the compressed gaseous medium Vn are directed at an angle from 0 to +/- 45 ° to the radial direction of the main axis of the chamber or the vector Vo, setting the angle and direction of screw rotation of the toroidal vortex (position 4 in Fig. 7) along the vector VR.
  • the resulting injection forces Fj j in the entry zones of the gaseous medium flows of the annular slotted openings (position 17 in FIG. 7) mainly form and hold the vortex (position 4 in FIG. 7) in the formation chamber (position 3 in FIG. 7) until the equality of the sum of the injection forces Fj nj with the sum of the forces of the differential pressure between the formation chamber (position 3 in Fig. 7) and its output, as well as the friction forces F fr arising in the zone of the boundary layer of the inner surface of the working chamber and the vortex being formed (position 4 in FIG. . 7).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) vortex (position 4 in Fig. 7) can be adjusted by the pulse of the plasma igniter (position 6 in Fig. 7).
  • the technical result of the invention is achieved, namely, that a more complete conversion of the combustion energy of the air-fuel mixture into the mechanical energy of internal combustion engines is provided. Moreover, their exhaust gases acquire a lower temperature compared to existing methods. In this connection, the efficiency of internal combustion engines that implement the proposed method is significantly increased, while the emissions of harmful gases CO2, CO, NOx are significantly reduced.
  • the thermal efficiency of internal combustion engines can be estimated approximately by the ideal Carnot cycle:
  • Tl 2173 ° K (1900 ° C)
  • T2 1,173 ° K (900 ° C).
  • T1 1 173 ° K (900 ° C)
  • T2 873 ° K (600 ° C).
  • the thermal efficiency can be:
  • the implementation of the invention allows the creation of engines with a lower rotor speed (2-3 times) while maintaining power and size, which simplifies the production technology of engines, increases their service life and reduces operating costs.

Abstract

Группа изобретений предназначена для повышения КПД двигателей внутреннего сгорания за счет более полного преобразования энергии горения топлива в механическую энергию. Особенностью способа является формирование топливовоздушной смеси в рабочей камере в одиночный газовый тороидальный вихрь и/или в поток из одиночных газовых тороидальных вихрей, обеспечение поджига топливовоздушной смеси и преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию путем одновременного взаимодействия тороидальных вихрей с устройством преобразования энергии и стенками рабочей камеры. Рабочая камера статора турбины имеет форму пустотелого тора, на внутренних стенках рабочей камеры статора турбины выполнен винтовой канал, который создает повышенное газодинамическое сопротивление тороидальному вихрю в сторону, противоположную направлению движения лопаток ротора.

Description

УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
Область техники
Изобретение относится к области промышленного машиностроения, и может быть использовано в частности, в двигателях внутреннего сгорания, к которым относятся поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели.
Предшествующий уровень техники
Известен способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем объемного расширения. Этот способ включает подготовку топливовоздушной смеси, подачу ее в рабочую камеру, инициацию выделения энергии путем поджига или самовоспламенения смеси в закрытом объеме и обеспечение объемного расширения рабочего тела. Расширяющееся рабочее тело взаимодействует с преобразователем энергии поршневого или роторно-поршневого типа и совершает работу на валу двигателя.
Объемное расширение (вытеснение) характеризует способ преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию. При объёмном расширении осуществляется преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию, при этом изменение объема, создаваемого рабочим телом в рабочей камере, производит соответствующее перемещение передающего энергию механического органа. Кинетическая энергия рабочего тела при этом не оказывает существенного влияния на процесс.
По этому способу работают бензиновые и дизельные двигатели, четырехтактные и двухтактные, как поршневые, так и роторно-поршневые двигатели (Ю. Л. Ковылов, С. В. Крашенинников «Теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания» Минобрнауки России. Самарский государственный аэрокосмический университет им. СП. Королева. Самара, 201 1, стр. 1 1-20).
http ://www. ssau.ru/files/education/uch posob/%D0% A2%D0%B 5 %D0%BE %D 1 %80%D0%B8%D 1 %8F%20%D 1 %80%D0%B0%D0%B 1 %D0%BE%D 1 %87
%D0%B8%D1%85-
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) %D0%9A%D0%BE%DQ%B2%D1%8B%D0%BB%D0%BE%D0%B2%20%D0% AE%D0%9B.pdf или
http://dropdoc.ru/doc/383417/teoriya-rabochih-kovylov-yul— samarskij- gosudarstvennyj
Рабочим циклом двигателей, работающих по этому способу, является периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих преобразование тепловой энергии в механическую работу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом.
Параметры такта расширения и горения:
- для дизелей при отсутствии наддува pmax ~ 5,0...7,5 МПа, при наддуве Ртах = 8,0...15,0 МПа и более; tmax = 1600...1900°С (Ттах = 1900...2200°К).
- для бензиновых двигателей ртах = 3,5...4,5 МПа (реже до 6,0 МПа); tmax = 2200...2500°С (Ттах = 2500...2800°К),
где:
Ртах - максимальное давление в рабочей камере;
tmax (Тщах)— максимальная температура в рабочей камере.
В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.
В известном способе преобразования энергии горения топлива в механическую энергию самым существенным недостатком является низкий КПД преобразования тепловой энергии горения в механическую энергию на валу двигателя.
Низкий КПД современных двигателей подтверждается параметрами конца такта расширения:
- для дизелей (без наддува) рь = 0,25...0,35 МПа; tb = 600...900°С (Ть = 900...1200°К);
- для бензиновых ДВС рь = 0,4...0,6 МПа; tb = 1200... 1500°С (Ть = 1500...1800°К),
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) где:
Рь - давление в рабочей камере в конце рабочего хода поршня;
tb (Ть) - температура в рабочей камере в конце рабочего хода поршня.
(Шароглазов Б. А., Фарафонтов М. Ф., Клементьев В. В. «Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов»: Учебник по курсу «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания». - Челябинск: Издание ЮУрГУ, 2005, стр. 39-53).
http://lib.susu.ru/ftd?base=SUSU METHOD&kev=000305263&dtvpe=F&etvpe=.pdf или http://www.studfiles.ru/preview/l 182278/page: 18/
Эти данные свидетельствуют об огромном количестве тепловой энергии, выбрасываемой в окружающую среду. Несмотря на постоянные усилия в совершенствовании двигателей внутреннего сгорания на сегодняшний день от 60 до 80% энергии топлива выбрасывается в атмосферу вместе с сопутствующими вредными газами С02, СО, NOx и др.
Кроме того, поршневые двигатели имеют высокие механические потери
(10-20%) в системах и механизмах ДВС, которые связаны в основном с использованием трущихся уплотнений, которые обеспечиваются компрессионными кольцами, имеющими ограниченный срок службы.
Одним из существенных недостатков поршневых двигателей внутреннего сгорания является импульсный характер работы, который характеризуется степенью неравномерности крутящего момента:
К = Mmax/Mav,
где: Мтах - максимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя,
av - среднее значение крутящего момента двигателя.
С увеличением числа цилиндров коэффициент К уменьшается. Для четырехтактных одноцилиндровых бензиновых двигателей при полной нагрузке степень неравномерности крутящего момента составляет 7,74. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что на работу двигателя в целом равномерность работы оказывает большее влияние, чем уравновешенность. С увеличением равномерности крутящего момента, условия работы двигателя и механизмов автомобиля заметно улучшаются.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Все приведенные недостатки поршневых двигателей обусловлены способом преобразования энергии горения в механическую энергию, заключающимся в объемном расширении (вытеснении), при котором рабочее тело производит соответствующее перемещение передающего энергию механического органа. При этом способе работает давление рабочего тела, а его температура является вынужденным сопровождением процесса, которая в основном и приводит к низкому КПД преобразования.
Наиболее близким способом к заявляемому техническому решению является способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем необъемного расширения (вытеснения). Этот способ включает подготовку топливовоздушной смеси, подачу ее в рабочую камеру, поджиг и обеспечение необъемного расширения (вытеснения) рабочего тела в виде потока газов. Далее обеспечивают взаимодействие потока газов с преобразователем энергии путем прохождения потока через сопловый аппарат и подачу его на лопатки турбины, что приводит к преобразованию кинетической энергии потока газов в механическую энергию на валу двигателя.
Необъемное расширение (вытеснение) характеризует способ преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию. Он относится к таким машинам или двигателям, в которых преобразование потенциальной энергии сжатой текучей среды в кинетическую энергию потока газов целиком или частично происходит в роторе турбины.
По этому способу работаю все газотурбинные (ГТД) и реактивные двигатели (РД).
Для реализации данного способа в ГТД осуществляют подготовку топливовоздушной смеси, компрессором сжимают воздух и направляют в рабочую камеру. Топливным насосом подают топливо в рабочую камеру, в которой обеспечивают горение топливовоздушной смеси. Продукты сгорания (рабочее тело), имеющие высокое давление, формируют в сопловом аппарате, расположенном на статоре турбины в ускоренный поток газов. Последний направляют на лопатки ротора газовой турбины заставляя ее вращаться в заданном направлении совершая работу. (В.Н. Котовский, А.А. Комов. «Теория
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) авиационных двигателей». Часть I. Учебное пособие «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА). Москва, 2013 г. стр. 4-6). http://storage.mstuca.ru/handle/123456789/7572
По сравнению с первым способом преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем объемного расширения, на базе которого построены поршневые двигатели, данный способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем необъёмного расширения, на базе которого построены газотурбинные и реактивные двигатели, имеет ряд существенных преимуществ.
1. Газовая турбина имеет возможность развивать значительно большие обороты ротора. Что позволяет получать большую мощность от меньших по размерам двигателей, более легких по весу.
2. Единственным видом движения в газовой турбине является вращательное, что обеспечивает равномерность момента на валу двигателя, а так же его уравновешенность из-за отсутствия возвратно-поступательных движений деталей двигателя.
3. Отсутствие уплотняющих поверхностей трения при минимальном количестве подшипников обеспечивают минимальные механические потери, продолжительную работу и высокую надежность газотурбинного двигателя.
Параметрами реального цикла, определяющими экономичность двигателей, являются температура газа перед турбиной (Tg*= 1600-1700°К), суммарная степень сжатия (до 35), уровень аэродинамического совершенства лопаточных машин и гидравлических потерь по тракту, а также расход циклового воздуха на охлаждение турбины. В ГТД как в тепловой машине реализуется термодинамический цикл, обычно называемый простым газотурбинным циклом или циклом Брайтона.
Недостатком способа, основанного на необъёмном расширении является низкий КПД двигателей, реализующий данный способ. Одна из основных причин, которая сдерживает повышение термического КПД газотурбинных двигателей, заключается в необходимости искусственно ограничивать температуру газов, поступающих на лопатки турбины. Температуру газа перед турбиной приходится ограничивать, например, для
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) газотурбинных двигателей в гражданских авиационных турбинах до 800— 900°С в связи с ограничением ресурса высокожаропрочных сплавов турбины и их высокой стоимостью. При этом давление выхлопных газов современного газотурбинного двигателя за турбиной равно 0,15— 0,18 МПа, а температура 600— 700°С. В связи с этим большое количество тепловой энергии газотурбинного двигателя выбрасывается в атмосферу с выхлопными газами.
На сегодняшний день термический КПД газотурбинных двигателей составляет от 18 до 30 % и в значительной мере зависит от назначения двигателя его габаритов, режима работы и степени загруженности двигателя.
Тяга у газотурбинных двигателей - RTUR пропорциональна расходу воздуха - Gair через их газо-воздушный тракт и приращению скорости воздуха - AV:
RTUR - Gair- AV.
Эта закономерность тяги двигателя справедлива для всех разновидностей ГТД, работающих на принципе создания реактивной тяги. При большой скорости истечения газа возрастают потери кинетической энергии потока, что влечёт за собой снижение КПД двигателя. В указанную формулу не входит температура газа, то есть для получения тяги не имеет значения - горячий или холодный газ выходит из сопла, а вот с точки зрения термодинамического цикла двигателя истечение горячего газа из сопла означает бесполезную потерю существенной части тепла, что приводит к низкому КПД двигателя. (В.Н. Котовский, А.А. Комов. «Теория авиационных двигателей». Часть I. Учебное пособие «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА). Москва, 2013 г. стр. 9-12). http://storage.mstuca.ru/handle/123456789/7572
Кроме того, низкий КПД двигателей ГТД приводит к значительному количеству выхлопных газов и выделения с выхлопными газами загрязняющих веществ - окиси углерода, окислов азота, различных углеводородных соединений.
Приведенные недостатки газотурбинных двигателей обусловлены способом преобразования энергии горения в механическую энергию, заключающемся в необъёмном расширении (вытеснении) рабочего тела. При
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) этом способе работу осуществляет давление рабочего тела, которое создаёт скоростной поток газа, а температура рабочего тела на выхлопе является вынужденным сопровождением процесса преобразования энергии.
Наиболее близкой по конструкции к заявляемому техническому решению является газотурбинный (роторный) двигатель (RU 2387851, опубликованный 27.12.2009), реализующий способ необъёмного расширения в пульсирующем режиме. Двигатель содержит неподвижный цилиндрический статор. В камере статора размещен ротор турбины, включающий диск с рабочими лопатками. Процесс создания и сгорания рабочей смеси происходит в камере формирования импульсов газовых потоков (форкамере). Воздушный компрессор выполнен с приводом от вала ротора для создания необходимого давления воздуха в камере формирования импульсов газовых потоков. Через форсунку обеспечивают подачу горючего в камеру формирования импульсов, уплотненную газораспределительным клапаном. Клапан выполнен с возможностью открытия канала выхода рабочих газов из камеры формирования в виде импульсов газовых потоков на рабочие лопатки ротора турбины. В статоре турбины встроены одна или более камер формирования импульсов.
Рабочий процесс импульсного газотурбинного (роторного) двигателя состоит в следующем: воздух, сжимаемый компрессором, поступает через газораспределительный клапан в камеру формирования импульсов. После закрытия впускного окна газораспределительным клапаном через форсунку в камеру формирования импульсов подается необходимое количество топлива. Тем самым осуществляется приготовление топливовоздушной смеси. При начале открытия газораспределительным клапаном канала выхода рабочих газов из камеры формирования производится поджиг топливовоздушной смеси. В камере происходит сжигание рабочей смеси. Образовавшийся поток рабочих газов выходит из камеры формирования импульсов через канал направленного действия - форсунку тангенциально ротору. Импульсы газовых потоков, в необходимый момент положения ротора направляют на рабочие лопатки ротора турбины, где их кинетическая энергия преобразуется в энергию
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) вращения ротора турбины. Отработавшие газы выводят через выпускной канал в выхлопную трубу.
Приведенная конструкция импульсного газотурбинного (роторного) двигателя имеет ряд недостатков. Конструкция турбины ограничивает эффективность преобразования энергии горения топлива в механическую энергию ротора турбины. Импульс потока рабочего тела создается за счет перепада давлений в камере формирования импульса и в объёме рабочей камеры ротора. За счет процесса выравнивания давлений в этих камерах кинетическая энергия потока импульса снижается это приводит к тому, что только незначительная часть тепловой энергии преобразуется в механическую. Для объёма рабочего тела в импульсе процесс преобразования энергии осуществляется однократно и за небольшой промежуток времени. Эти недостатки приводят к тому, что большинство энергии рабочего тела цикла в виде тела выбрасывается в выхлопную трубу.
Для реализации способа преобразования энергии горения топлива в механическую энергию и устройства для его реализации необходимо чтобы камера формирования импульсов создавала газовые потоки в виде тороидальных вихрей.
В настоящее время тороидальные вихри применяются для ряда прикладных задач: в нелетальном оружии, при тушении фонтанирующих пожаров в нефтегазовой промышленности, при повышении эффективности сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания и в энергетике.
Известен способ формирования газового тороидального вихря, включающий импульсное сжатие части газообразной среды и подачу ее в зону формирования через круглое отверстие. (Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - 2-е изд., переработанное и дополненное - М, Наука. Главная редакция физикоматематической литературы. 1989 г. стр. 86-89).
http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&ved=0ahUK Ewii s K45TTAhXmNJoKHOHDAJcOFggwMAM&url=http%3 A%2F%2Flibl 00. com%2Fscience%2Fhvdrodvnamics%2Fpdf%2F&usg=AFOiCNFOLgVbR7kzCM6 ZbRoPKDqSqqBPdg&cad=rit
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) При этом формирование тороидального вихря осуществляется за счет подачи порции высокоскоростного потока среды в такую же среду, находящуюся в покое. Если преграда на пути потока имеет замкнутый характер, а поток имеет импульсный характер, например, как это имеет место в аппарате Тэта: круглое отверстие в стенке ящика, то, импульсный поток от удара, проходя через него, закручивается на границе преграды в кольцевой тороидальный вихрь. В начальной стадии импульсного истечения газа в неподвижную газовую среду перед ней возникает динамическое препятствие, на котором струя газа растекается в поперечном направлении. Движущаяся и растекающаяся струя индуцирует течение приграничных со струей областей окружающего газа.
Аппарат для демонстрации тороидальных вихрей был придуман в середине 19-го века шотландцем Питером Тэтом и усовершенствован в начале 20 века американским физиком Робертом Вудом.
Описанный выше способ получения тороидальных вихрей имеет ограниченную область применения и позволяет получать вихри с малой энергоемкостью и малой частотой их повторения.
Известен другой способ формирования газового тороидального вихря, включающий импульсное сжатие части газообразной среды с помощью взрывчатого вещества (ВВ) и выброс сжатой среды из стакана. В трубе, закрытой с одного конца и свободной с другого (в стакане), производится подрыв заряда ВВ, расположенного у дна. При взаимодействии потоков сжатой газообразной среды с днищем и стенками стакана на последних образуется пограничный слой из заторможенных частиц. При удалении от поверхности стенок стакана скорость частиц возрастает - возникает градиент скоростей. В результате возникает их вращение, образуется тороидальный вихрь. По мере приближения к оси вихря скорость частиц возрастает, и давление внутри него падает. При выходе тороидального вихря из трубы стакана роль стенок стакана начинает выполнять также неподвижная окружающая среда с незначительными изменениями в пограничном слое.
Свойство газовых вихревых тороидальных колец сохранять свою геометрию и двигаться на большое расстояние (до 2 км), было исследовано в
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Институте гидродинамики СО АН СССР. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования крупномасштабных кольцевых вихрей (М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат, Проблемы гидродинамики и их математические модели, - М.: Наука, 1973, стр. 334-352).
http;//dshininju Upload Books/AUploaded 2/Books/2007-08-
15/200708150008281.pdf
Однако этот способ является опасным из-за работы с взрывчатыми веществами. К тому же этот способ издает много шума, а также имеет очень малое быстродействие.
Наиболее близким способом к заявляемому техническому решению является способ формирования газового тороидального вихря, включающий сжатие части газообразной среды с помощью компрессора. Подачу сжатой среды в камеру формирования через высокоскоростной затвор, выполненный в днище стакана, и организацию взаимодействия потоков сжатой газообразной среды со стенками и днищем стакана камеры формирования.
Основу такого генератора составляет компрессор. Генератором вихрей выступает процесс взаимодействия со стенками стакана потоков сжатой газообразной среды, который создается импульсной ее подачей через быстродействующий затвор, установленный в днище стакана камеры формирования.
После высокоскоростного затвора, за счет перепада давлений формируется высокоскоростной заряд потока газообразной среды заданного объема. За счет взаимодействия сил вязкости этого потока (заряда) со стенками камеры формирования (стакана) и/или неподвижной газообразной среды в открытом пространстве происходит изменение направления движения части потока заряда, что приводит к сворачиванию всего объёма заряда в тороидальный вихрь (Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - 2-е издание переработанное и дополненное, - М, Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1989 г. стр. 86-89).
http://www.google.ru/url?saH;&^^
Ewii s ^45TTAhXmNJoKHOHDAJcOFggwMAM&url=httpo/o3A%2F%2Flibl00.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) com%2Fscience%2Fhvdrodvnamics%2FpdP/o2F&usg=AFOiCNFOLgVbR7kzCM6 ZbRoPKDqSqqBPdg&cad=rit
Генератор тороидальных вихрей, который, использует энергию воздушной струи компрессора, является более дешевым по сравнению с использованием взрывчатых веществ, более технологичен, менее шумный.
Недостатками наиболее близкого способа к заявляемому техническому решению является малая энергетическая эффективность формирования тороидального вихря и ограниченное быстродействие затвора.
В связи с тем, что высокоскоростной затвор должен удерживать высокую разницу давлений, а также обеспечивать большую площадь сечения открытого канала, он должен иметь значительные габариты и массу. В связи с этим усложняется его конструкция и ограничивается его быстродействие, а также затрачивается значительная энергия на преодоление сил инерции затвора.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является возможность повышения КПД двигателей внутреннего сгорания за счет более полного преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, а также снижения температуры выхлопных газов и снижение выбросов вредных газов С02, СО, NOx.
Указанный технический результат в способе преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, включающий подготовку, подачу и поджиг топливовоздушной смеси в рабочей камере, формирование рабочего тела в виде потока газов путем необъемного расширения, обеспечение взаимодействия потока газов рабочего тела с устройством преобразования энергии, обеспечение преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию, достигается тем, что топливовоздушную смесь в рабочей камере формируют в одиночный газовый тороидальный вихрь и/или в поток одиночных газовых тороидальных вихрей, в каждом из которых создают твердотельное ядро вращения газов; обеспечивают поджиг топливовоздушной смеси и ее устойчивую трансформацию в рабочее тело в объёме тороидального
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) вихря, обеспечивают преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию путем одновременного взаимодействия тороидальных вихрей с устройством преобразования энергии и стенками рабочей камеры.
Преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию может быть осуществлено в рабочей камере, которая выполняется преимущественно круглой по сечению, при этом стенки рабочей камеры выполняют с повышенным газодинамическим сопротивлением в сторону, противоположную направлению движения тороидального вихря.
Преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию может быть осуществлено в рабочей камере, которую выполняют в виде конусной трубы, осуществляющей преобразование внутренней вращательной кинетической энергии тороидального вихря в энергию поступательного его перемещения.
В рабочей камере поршневого двигателя формирование газового тороидального вихря может быть обеспечено путем взаимодействия газовой смеси со стенками рабочей камеры, поверхностью направляющих и рабочей поверхностью поршня, причем рабочие поверхности направляющих и поршня выполняют в виде части тороидальной поверхности.
Газовую смесь при подаче в рабочую камеру могут активировать путем нарушения внутриатомного баланса элементов вещества рабочего тела, например, воздействием катализаторов, магнитных, электрических и/или электромагнитных полей, также может обеспечиваться активация рабочего тела в потоке газового тороидального вихря, выполняющего функцию газодинамического физико-химического реактора.
Указанный технический результат в устройстве газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, содержащего статор турбины в камере статора размещен ротор турбины, включающий диск с лопатками, ротор турбины связан с выходным валом, который соединен с компрессором и топливным насосом, на статоре турбины смонтирована, по крайней мере, одна камера формирования импульсов газовых потоков, работающая в пульсирующем режиме при этом сопло камеры формирования направлено тангенциально ротору турбины, достигается тем, что рабочая камера статора
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) турбины имеет форму пустотелого тора, на внутренних стенках рабочей камеры статора турбины выполнен винтовой канал, который создает повышенное газодинамическое сопротивление тороидальному вихрю в сторону, противоположную направлению движения лопаток ротора, рабочие лопатки ротора турбины выполнены по форме поперечного сечения рабочей камеры й расположены в ней с зазором, а камера формирования выполнена в виде источника потока одиночных газовых тороидальных вихрей.
Рабочая поверхность лопаток ротора турбины может иметь углубление в виде фрагмента тора, а между диском ротора и внутренним разъёмом статора выполнен зазор, который является выхлопным каналом турбины.
Указанный технический результат достигается также реализацией способа формирования газового тороидального вихря путем организации взаимодействия потоков сжатой газообразной среды со стенками и днищем камеры формирования, за счет того, что газовый тороидальный вихрь формируют путем подачи потоков сжатой газообразной среды тангенциально внутренней поверхности днища камеры формирования, формирование осуществляют путем подачи потоков сжатой газообразной среды сонаправлено внутренним векторам движения (Vo, VR И Vr) создаваемого тороидального вихря, а также распределением инжекционных сил по поверхности днища, возникающих от входящих потоков газообразной среды.
Газовый тороидальный вихрь могут формировать путем подачи потоков сжатой газообразной среды через систему кольцевых щелей, установленных в днище камеры формирования, при этом ее внутреннюю поверхность выполняют в виде сочетания поверхностей тора.
Формирование газовых тороидальных вихрей могут осуществлять в режиме автоколебаний, а их частота следования определяется объемом камеры формирования и производительностью входящих потоков сжатой газообразной среды.
На фиг. 1 - 7 показаны процессы преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, пример конкретной реализации устройства, который иллюстрирует преимущества заявляемого технического решения,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) возможность технической реализации и достижение заявляемого технического результата.
На фиг. 1 схематично показан процесс формирования и преобразование внутренней энергии вихря в его линейное перемещение.
На фиг. 2 схематично показан процесс преобразования внутренней энергии вихря в линейное перемещение поршня или лопатки.
На фиг. 3 схематично показан процесс формирования и преобразования внутренней энергии вихря в поршневом двигателе.
На фиг. 4 схематично показан разрез газотурбинного двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 5 схематично показано сечение А-А газотурбинного двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 6 схематично показан вид В газотурбинного двигателя внутреннего сгорания.
На фиг. 7 схематично показано сечение камеры формирования газового тороидального вихря.
Способ преобразования энергий горения топлива в механическую энергию может быть реализован в устройстве, схематично изображенном на фиг. 1, которое включает устройство подготовки топливовоздушной смеси (не показано на схеме), рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 1), ограниченной стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1). В начале рабочей камеры установлена камера формирования (позиция 3 на фиг. 1 ) импульсных газовых тороидальных вихрей (позиция 5 на фиг. 1), имеющих твердотельное ядро вращения (позиция 4 на фиг. 1). Плазменный воспламенитель (позиция 6 на фиг. 1), установлен в области основания центрального потока (вектора V) вихря (позиция 5 на фиг. 1) и соосно ему, и сформированному рабочему телу плазменно-газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 1). Рабочая камера (позиция 1 на фиг. 1) ориентирована на преобразователь, энергии, в качестве которого может быть реактивное сопло (позиция 8 на фиг. 1) или лопатка (позиция 9 на фиг. 2). На стенках камеры (позиция 2 на фиг. 2) выполняют винтовой канал (позиция 10 на фиг. 2) который выполняют с повышенным газодинамическим
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) сопротивлением в сторону, противоположную направлению движения вихря (позиция 7 на фиг. 2).
Заявляемый способ основан на следующих свойствах газового тороидального вихря.
Тороидальный вихрь существует как самостоятельная гидродинамическая структура, обладающая собственными закономерностями движения, в пространстве он ведет себя как отдельное упругое, выворачивающееся материальное тело.
В тороидальном вихре за счет баланса внутренних сил происходит преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию вращательного движения рабочего тела вихря.
Тороидальный вихрь позволяет запасать в нем значительное количество энергии и переносить ее на большие расстояния с минимальными потерями.
Способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию осуществляется следующим образом. В устройстве подготовки топливовоздушной смеси (не показано на схеме) осуществляют предварительную подготовку фильтрование, формирование процентного содержания топлива и др. Камера формирования (позиция 3 на фиг. 1) вырабатывает и подаёт в рабочую камеру (позиция 1 на фиг. 1 ) рабочее тело в виде импульсных газовых тороидальных вихрей (позиция 5 на фиг. 1), имеющих твердотельное ядро вращения (позиция 4 на фиг. 1). Одновременно с этим осуществляют последовательный поджиг вихрей импульсами плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 1) в области основания центрального потока вихря (позиция 5 на фиг. 1) по вектору V и соосно ему. Это позволяет суммировать потоки вихря с импульсом потока плазмы. Суммирование потоков, а также наличие твердотельного ядра вращения (позиция 4 на фиг. 1) в газовом тороидальном вихре (позиция 5 на фиг. 1) позволяет без разрушения трансформировать сформированные вихри в устойчивые плазменно-газовые тороидальные вихри (позиция 7 на фиг. 1) (далее вихри). Кроме того, на устойчивость формирования и горение вихрей влияет предварительная подготовка топливовоздушной смеси и ее активация, которая осуществляется в зоне ее подготовки, а также в камере формирования
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (позиция 3 на фиг. 1) и в зоне плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 1). Активация осуществляется обработкой магнитными, электрическими и электромагнитными полями и/или квантовыми излучениями, а также катализаторами.
Камера формирования (позиция 3 на фиг. 1) может быть выполнена одним из известных способов или способом, схематично приведенным на фиг. 7.
В рабочей камере (позиция 1 на фиг. 1), ограниченной стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1), которые выполняются преимущественно круглыми по сечению, сформированные устойчивые вихри (позиция 7 на фиг. 1) направляют на преобразователь энергии в качестве, которого может быть реактивное сопло (позиция 8 на фиг. 1) или лопатка (позиция 9 на фиг. 2). В процессе горения устойчивого вихря (позиция 7 на фиг. 1) энергия горения топлива, за счет внутривихревого баланса сил преобразуется в энергию движения потоков самого вихря (в кинетическую энергию вихря). После чего за счет взаимодействия вихря (позиция 7 на фиг. 1) со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1) рабочей камеры происходит преобразование внутренней кинетической энергии вихря в энергию поступательного его перемещения по вектору V. Происходит разгон массы m вихря (позиция 7 на фиг. 1) относительно стенок (позиция 2 на фиг. 1) рабочей камеры, что приводит к образованию силы реакции RRE, которая определяет силу тяги двигателя (RTUR ~ Gair-AV), например в ГТД и РД, тем самым обеспечивая совершение работы.
При исполнении устройства преобразования в виде лопатки (позиция 9 на фиг. 2) за счет взаимодействия вихря (позиция 7 на фиг. 1) одновременно со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1) и рабочей поверхностью лопатки (позиция 9 на фиг. 2) происходит преобразование внутренней кинетической энергии вихря (позиция 7 на фиг. 1) в энергию поступательного перемещения лопатки (позиция 9 на фиг. 2). По вектору V вихря (позиция 7 на фиг. 2) сила реакции RRE преобразуется в силу давления Fbi на лопатку, выталкивая ее из рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 2), тем самым обеспечивая совершение работы.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Благодаря топологии вихря (позиция 7 на фиг. 2) передача силы Fbi на лопатку (позиция 9 на фиг. 2) происходит по касательной к рабочей поверхности лопатки, что обеспечивает передачу энергии за счет упругой деформации вихря (позиция 7 на фиг. 2). При взаимодействии вихря (позиция 7 на фиг. 2) с рабочей поверхностью лопатки (позиция 9 на фиг. 2) в зазоре со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 2) возникают силы инжекции, что исключает необходимость установки уплотнений в зазоре между лопаткой и стенкой канала, а также снижает потери энергии.
Для повышения взаимодействия вихря (позиция 7 на фиг. 2) со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 2), о которые вихрь отталкивается для осуществления движения лопатки (позиция 9 на фиг. 2) стенку камеры выполняют с повышенным газодинамическим сопротивлением в сторону противоположную направлению движения вихря. Для этого на стенке камеры (позиция 2 на фиг. 2) выполняют винтовой канал (позиция 10 на фиг. 2), который может быть выполнен в виде проточки с большой разницей углов наклона ее стенок.
В рабочей камере (позиция 1 на фиг. 3) поршневого двигателя формирование газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3) обеспечивается путем взаимодействия газовой смеси со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 3). В начале рабочего такта, сжатая топливовоздушная смесь расширяется, отслеживая движение поршня (позиция 9 на фиг. 3) от верхней мертвой точки (ВМТ). При этом за счет действия сил вязкости, инерции и трения в газовой среде топливовоздушной смеси в момент достижения критической скорости изменения объёма рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 3) формируется устойчивый газовый тороидальный вихрь (позиция 7 на фиг. 3).
Циклическое движение поршня (позиция 9 на фиг. 3), приводящее к сжатию и разрежению газа в рабочей камере (позиция 1 на фиг. 3) приводит к формированию аксиально-симметричных течений и развитию так называемой аксиально-симметричной турбулентности, в определенные моменты, объединяющиеся в структуру газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3).
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Критическая скорость изменения объёма рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 3) зависит от вязкости топливовоздушной смеси, ее состава и температуры. Для снижения критической скорости формирования вихря (позиция 7 на фиг. 3) в рабочей камере сгорания может быть установлена направляющая (позиция 1 1 на фиг. 3) и/или в поршне (позиция 9 на фиг. 3) выполнена выемка, рабочие поверхности, которых являются частью формы тора. С помощью плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 3), осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси в рабочем такте при его ходе от верхней мертвой точки после формирования устойчивого газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3). При этом поджиг осуществляют в области основания центрального потока вихря (позиция 7 на фиг. 3) по вектору V и соосно ему.
В процессе горения тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3) энергия горения топлива, за счет внутривихревого баланса сил преобразуется в энергию движения потоков самого вихря в кинетическую энергию вихря. При взаимодействии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3) со стенками цилиндра рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 3) происходит торможение вихревых потоков за счет трения. Сила торможения создает силу реакции Rre, которая через упруго деформируемый, выворачивающийся тороидальный вихрь (позиция 7 на фиг. 3) передается на поршень (позиция 9 на фиг. 3) в виде силы FpiS. Таким образом, до самой нижней мертвой точки (НМТ) происходит постоянное преобразование энергии горения топлива в кинетическую энергию потоков вихря (позиция 7 на фиг. 3), которая за счет взаимодействия со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 3) постоянно преобразуется в механическую энергию двигателя. Тем самым КПД двигателя увеличивается, а температура выхлопных газов снижается.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Лучший вариант осуществления изобретения
Достижение технического результата наиболее полно показано на примере газотурбинного двигателя внутреннего сгорания. Рабочий процесс турбины и ее конструкция могут быть реализованы в устройстве, схематично изображенном на фиг. 4 - 6, которое включает устройство подготовки топливовоздушной смеси и сжигание ее в камере формирования (позиция 3 на фиг. 4), выполненной в виде генератора тороидальных вихрей. Плазменный газовый поток формируется в камере в виде потока одиночных плазменно- газовьгх тороидальных вихрей (позиция 7 на фиг. 4 - 6), основной вектор которых направлен тангенциально траектории движения центральной части рабочей поверхности лопаток (позиция 9 на фиг. 4) ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6). При этом рабочая камера (позиция 1 на фиг. 4 - 6) статора (позиция 13 на фиг. 4 - 6) выполнена в виде пустотелого тора. Рабочие лопатки (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора турбины выполнены по форме поперечного сечения рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 4 - 6), размещенных с необходимым зазором в пустотелом торе камеры статора турбины. Лопатки жестко закреплены на диске ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6), который неподвижно соединен с валом двигателя (позиция 14 на фиг. 4 и 5). По внутренней поверхности диска статора (позиция 13 на фиг. 4 - 6) турбины выполнен разъём (позиция 15 на фиг. 4 - 6), в котором с зазором располагается часть диска ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6). Разъём (позиция 15 на фиг. 4 - 6) также выполняет роль выхлопного канала двигателя. На валу двигателя могут быть установлены воздушный компрессор и топливный насос, не показанные на рисунках. Рабочая поверхность лопаток (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора выполнена в виде фрагмента сферы. Винтовой канал (позиция 10 на фиг. 4), выполненный на стенках камеры (позиция 2 на фиг. 4) пустотелого тора рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 4) может представлять собой проточку с большой разницей углов наклона ее стенок, причем меньший угол направлен в сторону движения лопаток ротора турбины.
Рабочий процесс газотурбинного двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. Сжатый воздух и топливо под давлением, созданные компрессором и насосом (на схеме не указаны), которые могут быть
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) установлены на валу (позиция 14 на фиг. 4 и 5) турбины подаются в устройство подготовки трпливовоздушной смеси и сжигаются в камере формирования (позиция 3 на фиг. 4), работающей в пульсирующем режиме. На выходе камеры формирования создается плазменный газовый поток в виде потока одиночных плазменно-газовых тороидальных вихрей (позиция 7 на фиг. 4 - 6), основной вектор которых направлен тангенциально траектории движения центральной части рабочей поверхности лопаток (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6). Плазменный газовый поток в виде потока одиночных плазменно-газовых тороидальных вихрей (позиция 7 на фиг. 4 - 6), подается на рабочую поверхность лопаток (позиция 9 на фиг. 4 - 6), выполненных в виде фрагмента тора. В процессе одновременного взаимодействия плазменно-газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) с рабочей поверхностью лопатки (позиция 9 на фиг. 4 - 6) и стенками камеры (позиция 2 на фиг. 4 - 6) пустотелого тора рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 4 - 6) статора (позиция 13 на фиг. 4 - 6) осуществляется передача кинетической энергии плазменно-газового тороидального вихря ротору (позиция 12 на фиг. 4 - 6) турбины. Передача запасенной в тороидальном вихре энергии по вектору линейного перемещения тора Vo осуществляется за счет воздействия на лопатку (позиция 9 на фиг. 4 - 6) инерционных сил всей массы тороидального плазменного вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6). Передача запасенной энергии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) по вектору тороидального вращения Vr осуществляется за счет трения вихря о стенки (позиция 2 на фиг. 4 - 6) пустотелого тора статора с реакцией силы трения Rre и передачи ее на лопатку (позиция 9 на фиг. 4 - 6). Для увеличения силы сцепления тороидального плазменного вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) с поверхностью стенки (позиция 2 на фиг. 4 - 6) пустотелого тора статора турбины на этой поверхности выполнен винтовой канал (позиция 10 на фиг. 6). Передача запасенной энергии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) по вектору радиального вращения тора VR осуществляется за счет взаимодействия с винтовым каналом (позиция 10 на фиг. 6) в который тороидальный вихрь «ввинчивается», толкая перед собой лопатку (позиция 9 на фиг. 4 - 6). В результате суммирования этих трех сил получается сила Fbi на лопатку
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (позиция 9 на фиг. 4 - 6), с помощью которой передается практически вся запасенная в тороидальном вихре (позиция 7 на фиг. 4 - 6) кинетическая энергия ротору (позиция 12 на фиг. 4 - 6) турбины.
Процесс взаимодействия тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) со стенкой камеры (позиция 2 на фиг. 4 - 6) и лопаткой (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора осуществляется непрерывно при вращении вихря по траектории пустотелого тора турбины до достижения минимальной критической величины энергии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6), после чего он разрушается. Отработанное рабочее тело поступает на выхлоп через зазор между разъёмом (позиция 15 на фиг. 4 - 6) и ротором (позиция 12 на фиг. 4 - 6). Тем самым, обеспечивается и необходимое взаимодействие, и необходимое время для преобразования большего количества энергии горения в механическую энергию, за счет чего температура рабочего тела на выхлопе двигателя снижается в два - три раза по отношению к стандартному режиму работы газотурбинного двигателя.
Для достижения указанного технического результата при реализации способа преобразования энергии горения топлива в механическую энергию в устройстве газотурбинного двигателя внутреннего сгорания необходимо наиболее эффективно осуществить формирование газового потока в виде потока одиночных газовых тороидальных вихрей.
Способ формирования газового тороидального вихря может быть реализован в устройстве камеры формирования (позиция 3 на фиг. 7), которая включает устройство сжатия части газообразной среды, например, компрессор (не показан на схеме). Камера формирования (позиция 3 на фиг. 7), образована стенками камеры (позиция 2 на фиг. 7), с одного торца закрытого днищем (позиция 16 на фиг. 7), а с другой стороны камера соединяется с рабочей камерой (позиция 1 на фиг. 4) турбины. При этом внутренняя поверхность днища (позиция 16 на фиг. 7) выполнена в виде части торообразной формы, в которой расположены не менее одного кольцевого щелевого отверстия (позиция 17 на фиг. 7), соединяющего камеру формирования (позиция 3 на фиг. 7) и источник высокого давления, причем одна из стенок щелевых отверстий является касательной к внутренней поверхности днища (позиция 16 на фиг. 7)
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) или стенке (позиция 2 на фиг. 7). Внутренняя поверхность днища (позиция 16 на фиг. 7) выполнена в виде сочетания криволинейных поверхностей, например в виде части тороида. При этом векторы потоков Vn на входе в камеру формирования (позиция 3 на фиг. 7) соосны вектору Vr формируемого тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7). По центральной оси вектора Vo тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) расположено осевое отверстие воспламенителя (позиция 6 на фиг. 7) для импульсного управления и поджига вихря. Осевой выступ (позиция 18 на фиг. 7) является частью тороидальной поверхности днища (позиция 16 на фиг. 7).
Способ формирования газового тороидального вихря осуществляется в следующем порядке. Компрессором (не показан на схеме) создается перепад давления на вводе в кольцевые щелевые отверстия (позиция 17 на фиг. 7) по отношению к давлению в камере формирования (позиция 3 на фиг. 7). За счет перепада давления возникают потоки газообразной среды через кольцевые щелевые отверстия (позиция 17 на фиг. 7), направленные тангенциально внутренней поверхности торообразной камеры формирования. Таким образом, происходит преобразование энергии перепада давления непосредственно в кинетическую энергию тороидальных вихрей (позиция 4 на фиг. 7). При этом направление потоков Vn соосно векторам Vr формируемого тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) способствует минимальным затратам энергии. Вместе с тем потоки сжатой газообразной среды Vn направляют под углом от 0 до +/- 45° к радиальному направлению основной оси камеры или вектору Vo, задавая угол и направление винтового вращения тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) по вектору VR. Возникающие силы инжекции Fj„j в зонах входа потоков газообразной среды кольцевых щелевых отверстий (позиция 17 на фиг. 7) в основном формируют и удерживают вихрь (позиция 4 на фиг. 7) в камере формирования (позиция 3 на фиг. 7) до появления равенства суммы сил инжекции Fjnj с суммой сил перепада давления между камерой формирования (позиция 3 на фиг. 7) и ее выходом, а также сил трения Ffr, возникающих в зоне пограничного слоя внутренней поверхности рабочей камеры и формируемого вихря (позиция 4 на фиг. 7). Момент отрыва формируемого тороидального
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) вихря (позиция 4 на фиг. 7) может корректироваться импульсом плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 7).
В момент отрыва тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) сумма инжекционных сил Fj„j с большой скоростью уменьшается, а сумма сил трения Ffr - увеличивается, что приводит к резкому перемещению формируемого тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) из камеры формирования (позиция 3 на фиг. 7). В рабочей камере (позиция 1 на фиг. 7) вихрь (позиция 4 на фиг. 7) трансформируется в плазменно-газовый тороидальный вихрь (позиция 7 на фиг. 7).
Во время разгона вихря (позиция 7 на фиг. 7) в рабочей камере (позиция
1 на фиг.7) в камере формирования (позиция 3 на фиг. 7) возникает дополнительное снижение давления, что приводит к повышению скорости потоков газообразной среды через кольцевые щелевые отверстия (позиция 17 на фиг. 7) и, следовательно, возросшим инжекционным силам F,nj удержания. Все это способствует формированию последующего тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) и повторению процесса формирования в режиме автоколебаний, частота которых определяется объемом камеры формирования и производительностью подаваемых в камеру потоков газообразной среды. Промышленная применимость
Таким образом, достигается технический результат изобретения, заключающийся в том, что обеспечивается более полное преобразование энергии горения топливовоздушной смеси в механическую энергию двигателей внутреннего сгорания. При этом их выхлопные газы приобретают более низкую температуру по сравнению с существующими способами. В связи с чем значительно повышается КПД двигателей внутреннего сгорания, реализующих предлагаемый способ, при этом значительно снижаются выбросы вредных газов С02, СО, NOx.
Приблизительно оценить термический КПД двигателей внутреннего сгорания можно по идеальному циклу Карно:
ητ = 1-Τ2/ΊΊ,
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) где Tl - максимальная температура в цикле горения;
Т2 - температура выхлопных газов.
Для дизельных двигателей без наддува имеющиеся на сегодня температурные данные: Tl = 2173°К (1900°С), Т2 = 1 173°К (900°С).
При этом ητ = 1-Т2/Т1 = 1-1173/2173 = 0,460 (46,0%).
Для ГТД двигателей (гражданской авиации):
Т1 = 1 173°К (900°С), Т2 = 873°К (600°С).
При этом ηχ = 1-Т2/Т1 = 1-873/1 173 = 0,256 (25,6%).
Использование в этих двигателях предлагаемого способа преобразования энергии горения топлива в механическую энергию может уменьшить температуру выхлопных газов в два раза (с градусах Цельсия), в отдельных экспериментах падение было зафиксировано более чем в три раза.
При этом термический КПД может составить:
- дизельный двигатель - при снижении в два раза Т2 = 723°К (450°С) ητ = 1-Т2/Т1 = 1-723/2173 = 0,667 (66,7%), был 46% - повышение на
45%;
- газотурбинный двигатель - при снижении в два раза Т2 = 573°К (300°С)
ητ = 1-Т2/Т1 = 1-573/1 173 = 0,512 (51,2%), был 25.6% - повышение на 100%;.
Таким образом, достигается технический результат изобретения.
Кроме повышения КПД газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, реализация изобретения позволяет создать двигатели с более низкой скоростью ротора (в 2-3 раза) при сохранении мощности и размеров, что упрощает технологию производства двигателей, повышает их ресурс и снижает эксплуатационные затраты.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, включающий подготовку, подачу и поджиг топливовоздушной смеси в рабочей камере, формирование рабочего тела в виде потока газов путем необъемного расширения, обеспечение взаимодействия потока газов рабочего тела с устройством преобразования энергии, обеспечение преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь в рабочей камере (1) формируют в одиночный газовый тороидальный вихрь или в поток, состоящий из серии одиночных газовых тороидальных вихрей (5), в каждом из которых создают твердотельное ядро вращения газов (4); обеспечивают поджиг топливовоздушной смеси и ее устойчивую трансформацию в рабочее тело в объёме тороидального вихря (7), обеспечивают преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию путем одновременного взаимодействия тороидальных вихрей с устройством преобразования энергии (8 или 9) и стенками (2) рабочей камеры (1).
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию осуществляют в рабочей камере (1), которая выполнена преимущественно круглой по сечению, при этом стенки (2) рабочей камеры (1) выполняют с повышенным газодинамическим сопротивлением в сторону, противоположную направлению движения тороидального вихря (7).
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию осуществляют в рабочей камере (1), которая выполнена в виде конусной трубы, осуществляя преобразование внутренней вращательной кинетической энергии тороидального вихря (7) в энергию поступательного его перемещения.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в рабочей камере поршневого двигателя формирование газового тороидального вихря (7) обеспечивают путем взаимодействия газовой смеси со стенками (2) рабочей камеры (1), поверхностью направляющих (1 1) и рабочей поверхностью поршня
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (9) , причем рабочие поверхности направляющих (11) и поршня (9) выполняют в виде части тороидальной поверхности;
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газовую смесь при подаче в рабочую камеру (1) активируют путем нарушения внутриатомного баланса элементов вещества рабочего тела, например, воздействием катализаторов, магнитных, электрических и/или электромагнитных полей при этом обеспечивают активацию рабочего тела в потоке газового тороидального вихря (7), выполняющего функцию газодинамического физико-химического реактора.
6. Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, содержащий статор турбины, в камере статора размещен ротор турбины, включающий диск с лопатками, ротор турбины связан с выходным валом, который соединен с компрессором и топливным насосом, на статоре турбины смонтирована, по крайней мере, одна камера формирования импульсов газовых потоков, работающая в пульсирующем режиме при этом сопло камеры формирования направлено тангенциально ротору турбины, отличающийся тем, что рабочая камера (1) статора (13) турбины имеет форму пустотелого тора, на внутренних стенках рабочей камеры (1) статора (13) турбины выполнен винтовой канал
(10) , который создает повышенное газодинамическое сопротивление тороидальному вихрю в сторону, противоположную направлению движения лопаток ротора (12), рабочие лопатки (9) ротора (12) турбины выполнены по форме поперечного сечения рабочей камеры (1) и расположены в ней с зазором, а камера формирования (3) выполнена в виде источника потока одиночных газовых тороидальных вихрей (7).
7. Газотурбинный двигатель по п. 6, отличающийся тем, что рабочая поверхность лопаток (9) ротора (12) турбины имеет углубление в виде фрагмента тора, а между диском ротора (12) и внутренним разъёмом (15) статора (13) выполнен зазор, который является выхлопным каналом турбины.
8. Способ формирования газового тороидального вихря путем организации взаимодействия потоков сжатой газообразной среды со стенками (2) и днищем (16) камеры формирования (3), отличающийся тем, что газовый тороидальный вихрь (4) формируют путем подачи потоков сжатой
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) газообразной среды тангенциально внутренней поверхности днища (16) камеры формирования (3), формирование осуществляют путем подачи потоков сжатой газообразной среды сонаправлено внутренним векторам движения (Vo, VR И VR) создаваемого тороидального вихря (4), а также распределением инжекционных сил по поверхности днища (16), возникающих от входящих потоков газообразной среды.
9. Способ формирования по п. 8, отличающийся тем, что газовый тороидальный вихрь (4) формируют путем подачи потоков сжатой газообразной среды через систему кольцевых щелей (17), установленных в днище (16) камеры формирования (3), при этом ее внутреннюю поверхность выполняют в виде сочетания поверхностей тора.
10. Способ формирования по п. 8, отличающийся тем, что формирование газовых тороидальных вихрей (4) осуществляют в режиме автоколебаний, а их частота следования определяется объемом камеры формирования (3) и производительностью входящих потоков сжатой газообразной среды.
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
PCT/RU2017/000290 2016-05-10 2017-05-04 Устройство и способы преобразования энергии горения топлива WO2017196208A1 (ru)

Applications Claiming Priority (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016118127 2016-05-10
RU2016118125 2016-05-10
RU2016118125A RU2016118125A (ru) 2016-05-10 2016-05-10 Рабочий процесс поршневого двигателя внутреннего сгорания
RU2016118127A RU2016118127A (ru) 2016-05-10 2016-05-10 Способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию
RU2016133670A RU2016133670A (ru) 2016-08-16 2016-08-16 Рабочий процесс газотурбинного двигателя внутреннего сгорания и его конструкция
RU2016133670 2016-08-16
RU2016133832A RU2016133832A (ru) 2016-08-17 2016-08-17 Способ формирования газового тороидального вихря и устройство для его реализации
RU2016133832 2016-08-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017196208A1 true WO2017196208A1 (ru) 2017-11-16

Family

ID=60266646

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000290 WO2017196208A1 (ru) 2016-05-10 2017-05-04 Устройство и способы преобразования энергии горения топлива

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2017196208A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE2000002A1 (sv) * 2020-01-07 2021-07-08 Billy Jacquet Rörkolv (för förbränningsmotorer)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2937631A1 (de) * 1979-09-18 1981-04-02 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart Brennkammer fuer gasturbinen
WO1999009355A1 (en) * 1997-08-14 1999-02-25 Försvarets Forskningsanstalt Device and method for affecting an object by means of pressure waves
RU2215890C2 (ru) * 2001-08-13 2003-11-10 Закрытое акционерное общество "Орбита-Центр" Способ получения тяги и устройство для его осуществления
WO2006008353A1 (fr) * 2004-06-18 2006-01-26 Claude-Louis Adam Moteur torique de revolution
US20070151227A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Worrell Kenneth E Rotary piston engine
RU2359136C2 (ru) * 2006-12-25 2009-06-20 Владимир Рудольфович Гальговский Двигатель внутреннего сгорания и способ сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания
WO2012170140A1 (en) * 2011-06-08 2012-12-13 Ratner Joel S Fuel conditioning modules and methods

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2937631A1 (de) * 1979-09-18 1981-04-02 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart Brennkammer fuer gasturbinen
WO1999009355A1 (en) * 1997-08-14 1999-02-25 Försvarets Forskningsanstalt Device and method for affecting an object by means of pressure waves
RU2215890C2 (ru) * 2001-08-13 2003-11-10 Закрытое акционерное общество "Орбита-Центр" Способ получения тяги и устройство для его осуществления
WO2006008353A1 (fr) * 2004-06-18 2006-01-26 Claude-Louis Adam Moteur torique de revolution
US20070151227A1 (en) * 2005-12-29 2007-07-05 Worrell Kenneth E Rotary piston engine
RU2359136C2 (ru) * 2006-12-25 2009-06-20 Владимир Рудольфович Гальговский Двигатель внутреннего сгорания и способ сжигания топлива в двигателе внутреннего сгорания
WO2012170140A1 (en) * 2011-06-08 2012-12-13 Ratner Joel S Fuel conditioning modules and methods

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE2000002A1 (sv) * 2020-01-07 2021-07-08 Billy Jacquet Rörkolv (för förbränningsmotorer)
SE544342C2 (sv) * 2020-01-07 2022-04-12 Billy Jacquet Roterande kolvsystem för förbränningsmotor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6446428B1 (en) Pulsed detonation engine with divergent inflow transition section
US9206729B2 (en) Throttleable exhaust venturi
CN106065830B (zh) 一种基于旋转阀与气动阀组合的脉冲爆震燃烧室装置
RU164690U1 (ru) Маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения
CN108138570B (zh) 旋转脉冲爆震发动机，包括其的发电系统，及其制造和使用方法
Naitoh et al. A Wide-range single engine: operated from startup to hypersonic condition
WO2017196208A1 (ru) Устройство и способы преобразования энергии горения топлива
CN108343765B (zh) 一种爆炸式阀门及其应用以及提升能量转化效率的方法
Kailasanath Applications of detonations to propulsion-A review
Akbari et al. Numerical simulation and design of a combustion wave rotor for deflagrative and detonative propagation
CN111305972A (zh) 一种脉冲爆震燃烧室及基于脉冲爆震的空气涡轮火箭发动机
CN208169627U (zh) 一种爆炸式阀门、叶轮动力装置和发动机
RU2620736C1 (ru) Способ организации рабочего процесса в турбореактивном двигателе с непрерывно-детонационной камерой сгорания и устройство для его осуществления
Dean Recent developments in approaches to pulsed detonation propulsion
Viktorovich About the detonation engine
WO2006069480A1 (fr) Moteur rotatif
RU2157907C2 (ru) Реактивный двигатель
US20200271047A1 (en) Rotating internal combustion engine
Nalim et al. Pulse combustion and wave rotors for high-speed propulsion engines
RU2433293C2 (ru) Импульсный детонационный двигатель
RU2347097C1 (ru) Гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель и способ его функционирования
RU2654292C2 (ru) Способ работы воздушно-реактивного двигателя и устройство для его реализации (варианты)
Fong et al. Gas dynamic limits and optimization of pulsed detonation static thrust
RU2745975C1 (ru) Роторный детонационный газотурбинный двигатель и способ детонационного горения в нём
CN114991993B (zh) 一种自激爆震发动机

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17796475

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17796475

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1