Роторный двигатель кашеварова "рдк-6"

 

Использование: энергомашиностроение. Сущность изобретения: устройство содержит компрессор для сжатия воздуха, двигатель, сообщенный воздуховодом с компрессором, камеру сгорания, форсунку для подачи топлива в камеру сгорания и электросвечу для воспламенения заряда топлива. Компрессор и двигатель имеют одинаковую конструкцию, включающую статор и эксцентрично установленный в нем ротор с подвижной заслонкой. Имеется дополнительный компрессор для предварительного сжатия воздуха, баллон для сжатого воздуха и детандер, сообщенный с двигателем посредством газовода. 3 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение предназначено для тепловых электростанций (ТЭС), а также для других энергетических установок взамен паровых и газовых турбин как имеющий лучшие технико-экономические характеристики и относится к моторостроительной и турбостроительной технике двигателей для электростанций, тепловозов, кораблей морского и речного флотов, использующих в качестве топлива газообразные и жидкие углеводороды.

Разработка РДК-6 имеет целью повысить технико-экономические характеристики тепловых двигателей, работающих на жидком и газообразном топливе, а именно увеличить КПД в 1,5 2 раза, удельную мощность в 10 20 раз, уменьшить срок окупаемости капитальных затрат на двигательные устройства ТЭС, судов и платформ наземного транспорта в 20 30 раз.

За прототип РДК-6 может быть принят роторный двигатель (см. Патент США N 4909208, кл. F 02 B 53/00, 1990). Этот прототип не имеет удовлетворительного решения задачи по предотвращению утечки газов сгоревшего топлива (в двигателе) и утечки сжатого воздуха (в компрессоре) в зазорах между статором и ротором и между заслонкой ротора и поверхностями статора, а также между направляющими движения заслонки, при допустимой затрате энергии на трение между ротором, статором и заслонкой.

Без решения этой задачи не могут быть получены перспективные (конкурентноспособные) технико-экономические характеристики двигателя по этому патенту (КПД, удельная мощность, срок окупаемости капитальных затрат).

В результате отсутствия удовлетворительного решения вышеупомянутой ключевой задачи создания роторных двигателей исключается возможность получения сравнительной оценки двигателя по патенту США N 4909208 с предлагаемым РДК-6.

Оценка эффективности применения РДК-6 произведится в сравнении с двигателями, на замену которых предназначен РДК-6, и прежде всего с газотурбинной установкой (ГТУ) газотурбинных электростанций ГТЭ (см. БСЭ, II изд. т. 10, с. 44 48, рис. 5).

ГТУ имеет малый КПД (14-34%), сложное устройство, малую удельную мощность, большую стоимость изготовления и эксплуатации. Предлагаемый РДК-6 имеет в 2 раза лучший КПД, в 10 раз большую удельную мощность, в несколько раз меньшую стоимость изготовления и эксплуатации при равной мощности с ГТУ и РДК-6.

Замена на электростанциях ГТУ на РДК-6 даст увеличение выработки электроэнергии в 2 раза при том же потреблении топлива (природного газа), снижение эксплуатационных затрат и многократное увеличение прибыли от работы электростанции, а также уменьшение в 2 раза выбросов, загрязняющих атмосферу города, на каждый кВт·ч выработанной электроэнергии.

Строительство электростанций с РДК-6 вместо ГТУ потребует меньшей затраты капитальных средств, меньших сроков строительства, меньшей территории при равной мощности электростанций и в несколько раз меньший срок окупаемости капитальных затрат.

В простейшем ГТУ сжатый компрессором воздух поступает в камеру сгорания, где его температура повышается за счет сжигания топлива при постоянном давлении, а продукты сгорания подводятся к газовой турбине, в которой потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию, а затем частично превращается в механическую энергию вращения ротора турбины, который через редуктор соединен с ротором электрогенератора. Такая ГТУ имеет КПД равный 14% КПД 34% достигается в результате существенного усложнения ГТУ введением сложных регенераторов (теплообменных аппаратов) для промежуточного нагрева газов, компрессоров высокого и низкого давления, холодильников, газовых турбин высокого и низкого давления. ГТУ не является ДВС.

РДК-6 является ДВС, так как сжигание топлива производится в его расширяющейся камере сгорания с многократно возрастающим давлением газов, которое непосредственно преобразуется в механическую энергию вращения его ротора с КПД, в 2 раза большим, чем у газовой турбины. Таким образом, принцип действия РДК-6 имеет существенное отличие от принципа действия ГТУ.

В РДК-6 топливная смесь сжатого воздуха и природного газа образуется в момент ее воспламенения от электросвеч между слоями сжатого воздуха, расположенными между топливной смесью, стенками камеры сгорания и заслонкой с одной стороны и дверцей компрессора с другой стороны. В результате этого на стенки камеры сгорания, на заслонку и на дверцу компрессора воздействует в несколько раз меньшая температура воспламененной топливной смеси. При этом в двух-трехкратном избытке сжатого воздуха средняя температура образовавшейся затем смеси сжатого воздуха и газов, сгоревшего топлива будет в 2 3 раза меньше, чем температура газов в отсутствие избытка сжатого воздуха. Но двух-трехкратное уменьшение температуры компенсируется двух-трехкратным увеличением объема рабочего тела сжатого воздуха и сгоревшего топлива, в результате чего не происходит уменьшение величины полезной работы двигателя. К тому же уменьшение температуры рабочего тела позволило обойтись без системы охлаждения и связанных с ней тепловых потерь с уменьшением КПД и удельной мощности двигателя.

РДК-6 может найти эффективное применение взамен ДВС, так как по сравнению с ДВС он имеет в 2 раза больший КПД, в 10 15 раз большую удельную мощность, в несколько раз меньший срок окупаемости капитальных затрат в результате меньшей стоимости изготовления и эксплуатации двигателей равной мощности.

РДК-6 отвечает самым высоким требованиям экономии энергии и материалов на изготовляемую продукцию, а также требованиям экологии по уменьшению ущерба природе, наносимого изготовлением и эксплуатацией ДВС, газовых и паровых турбин (с паровыми котлами, градирнями и др. устройствами).

Применение РДК-2 на ТЭС вместо паровых турбин с паровыми котлами, градирнями и др. устройствами, обеспечивающими работу паровых турбин, даст увеличение в 1,5 2 раза электроэнергии в режиме ее потребления (без ГАЭС, необходимых для компенсации базового режима ТЭС с паровыми турбинами), в несколько раз повысит рентабельность ТЭС, во много раз сократит потребление воды и уменьшит площадь, занимаемую ТЭС, при равной мощности вырабатываемой электроэнергии. В несколько раз уменьшается материало- и энергоемкость строительства ТЭС с РДК-6, существенно сократятся трудовые и капитальные затраты, а также сроки строительства ТЭС и в несколько раз уменьшится срок окупаемости капитальных затрат. Более чем в 2 раза уменьшится суммарный экологический ущерб, наносимый природе в результате строительства и эксплуатации ТЭС с паровыми турбинами, паровыми котлами и с ГАЭС, без которых не находит применения электроэнергия, вырабатываемая ТЭС в ночное время.

На фиг. 1 дано вертикально сечение РДК-6 А-А на фиг. 2; на фиг. 2 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 место "Н" на фиг. 2, увеличенное в 3 раза по сравнению с фиг. 2; на фиг. 4 сечение по В-В и Г-Г на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение по Д-Д и Е-Е на фиг. 3; на фиг. 6 воздуховод 5, изображенный в более крупном масштабе, чем на фиг. 1; на фиг. 7 сечение А-А и Ж-Ж на фиг. 2 заслонки 6 в более крупном масштабе чем на фиг. 2; на фиг. 8 и 9 чертежи для определения кривизны внутренней поверхности статора 1.

Для ТЭС и кораблей морского и речного флота РДК-6 используется в качестве двигателя в комплекте с компрессором предварительного сжатия воздуха, поставляющим сжатый воздух в газовый баллон, а из него в компрессор РДК-6, и с детандером, в который поступают выхлопные газы двигателя РДК-6 для дальнейшего расширения с целью получения дополнительной механической энергии. Кроме того, на ТЭС в теплообменнике, в который поступают выхлопные газы из детандера, используется их тепловая энергия для снабжения населения горячей водой из теплотрассы, подсоединенной к теплообменнику.

Для автомобилей и передвижных устройств РДК-6 используется без вышеупомянутого комплекта с повышением за счет этого удельной мощности и уменьшением стоимости изготовления и эксплуатации.

Описание устройства и работы РДК-6 дано применительно к его использованию на ТЭС, так как описание использования РДК-6 на других объектах может быть получено путем упрощения данного описания исключением связи РДК-6 с компрессором предварительного сжатия воздуха, с баллоном для хранения сжатого воздуха, с детандером, с теплообменником и с тепловой трассой.

РДК-6 имеет статоры 1 и 2 и роторы 3 и 4 соответственно двигателя и основного компрессора, воздуховод 5, заслонку 6, установленную в направляющих 7 роторов 3 и 4, баллон 8 для хранения сжатого воздуха, поступающего в него из компрессора предварительного сжатия воздуха (не показан), воздуховод 9 из баллона 8 в основной компрессор, газовод 10 из двигателя в детандер 11, трубу 12, отходящую от магистрального газопровода, с патрубками 13, на концах которых закреплены форсунки 14, установленные в воздуховоде 5, электросвечи зажигания 15, подпружиненную дверцу 16, перекрывающую окно 17 из статора 2 компрессора в воздуховод 9.

Заслонка 6 двигателя жестко соединена боковыми торцами приливами 18 с двумя кронштейнами 19, на каждом конце которого установлена при помощи болтов 20 сменная вилка 21 с осью 22 катка 23, прокатывающегося по внутренней поверхности статора 1. Кронштейн 19 с вилками 21 и катками 23 и другие устройства перемещения заслонки 6 в направляющих 7 установлены в камере 24, отделенной от камеры расширения 25 торцевой стенкой 26 с ее утонченной частью 27. Торцевая стенка 26 вставлена в статор 1 и приварена к нему сварочным швом 28. Наружная сторона камеры 24 образована торцевой стенкой 29, вставленной в статор 1 и укрепленной в нем сварочным швом 30.

Торцевая стенка 29 имеет окно с дверцей (не показано), через которое производят замену вилки 21 с катком 23, и втулку 31, в которой установлена полуось 32 вращения ротора 3. В верхней части цилиндрической стенки статора 1, по которой прокатываются катки 23, имеются отверстия для трубок 33 маслопровода, через которые масло прокачивается масляным насосом к каткам 23 во время работы двигателя в количестве менее 0,1 кг/ч.

Ротор 3 имеет торцевые стенки 34, между которыми установлена утонченная часть 27 торцевой стенки 26 статора 1, катки 35, 36 и 37, по которым прокатывается кронштейн 19, полуось 32, которая соединена диском 38 с наружной торцевой стенкой 34 и ее утолщенной частью 39. Катки 35 установлены в утолщенной части 39 торцевых стенок 34, катки 36 установлены в диске 38, а катки 37 в кронштейнах 40 наружной торцевой стенки 34 ротора 3.

В камеру 24 через зазоры между поверхностями торцевых стенок 27 и 34 статора 1 и ротора 3 из камеры расширения 25 проводят газы, создающие воздушную смазку между этими поверхностями, но одновременно и уменьшающие мощность двигателя. Для уменьшения утечки газов из камеры 25 в камеру 24, камера 24 герметизируется и в ней поддерживается равновесное давление, определяемое величинами поступления газов из камеры 25 и утечки газов через зазоры между втулкой 31 и полуосью 32. Герметичны также камеры 41 ротора 3, в которых во время работы двигателя воздух нагревается через стенки ротора 3 до температуры в 500 600^oС и его давление повышается до давления 10 кг/см², которое позволяет уменьшить требования к прочностным характеристикам стенок камеры 41 и к направляющим 7. Такое же значение имеет и давление, создаваемое в камере 24, т. к. оно также уменьшит величину одностороннего давления на торцевые стенки 34, 26 и 27 газов, образующихся в камере сгорания 42 двигателя РДК-6.

С полуосью 32 ротора 3 соединяют рабочий вал редуктора или электрогенератора. На полуоси 43 ротора 3 установлена шестерня 44, находящаяся в зацеплении с такой же шестерней полуоси ротора 4 компрессора.

Статор 1 имеет наружное термоизолирующее покрытие 45, изображенное крестообразной штриховкой. Такое же покрытие имеет внутренняя поверхность ротора 3, воздуховод 5, газовод 10 и детандер 11. Статор 2 и баллон 8 имеют радиаторные ребра 46. Ротор 4 охлаждается продувкой через него наружного воздуха.

Статор 1 по касательной к окружности ротора 3 соприкасается с ротором с зазором менее 1 мм. Этот зазор перекрыт тонкостенной пластинчатой пружиной 47, подсоединенной одной стороной к статору 1 и скользящей другой стороной по поверхности ротора 3. Аналогичное устройство имеет статор 2 с ротором 4 с целью уменьшения утечки сжатого воздуха из камеры сжатия 48 в воздуховод 9. К боковым и торцевым краям заслонки 6 приварены тонкие полоски 49 пружинистой стали, препятствующей утечке газов через зазоры между заслонкой 6 и поверхностями статора 1. Аналогичные устройства имеет и заслонка 6 компрессора.

В статор 1 против одной из сторон вилки 21 вставлен изолированный контактный датчик 50, при исправном состоянии катков 23 торец стороны вилки 21 проходит с воздушным зазором, исключающим возможность контакта датчика 50 с торцем вилки 21. Если в процессе эксплуатации РДК-6 катки 23 сработаются до заданного предела, то торец вилки 21 при вращении ротора 3 станет касаться контакта датчика 50, в результате чего на компьютере загорится мигающим светом красная лампочка под надписью "Сменить каток". Датчик 50 устанавливается в том месте статора 1, где давление катка 23 на поверхность статора 1 будет наибольшим. В торцевой стенке 29 статора 1 установлен самооткрывающийся клапан 51 выпуска газов из камеры 24, когда в ней давление газов повысится до расчетного, которое определяется прочностью стенок 29. Клапан 51 может быть также открыт оператором перед открытием дверцы в стенке 29 для замены вилки 21 с катком 23. Расчетное давление в камере 24 задают в 1,5 2 раза меньшим, чем среднее давление газов в камере 25, что позволяет уменьшить утечку газов из камеры 25 в камеру 24 и при этом иметь минимально необходимую прочность стенки 29.

Цилиндрические поверхности роторов двигателя и компрессоров имеют в сечении, перпендикулярном оси вращения роторов, окружность. Цилиндрические поверхности статоров двигателя и компрессоров имеют в сечении, перпендикулярном оси вращения роторов, дуги кругов различного радиуса. Верхняя дуга МБК статора 1 на фиг. 8 имеет радиус Р_в О_вБ, величина которого зависит от величины радиуса Р цилиндрической поверхности ротора и наибольшего расстояния ВС между поверхностями цилиндров статора и ротора камеры расширения 25.

Если принять, что ВС 0,5Р, то центр О_в окружности верхней дуги радиуса Р_в БО_в лежит на прямой ОВ (где О центр окружности ротора) на расстоянии ОО_в 0,22917Р, Р_в 1,27083Р и ОБ 1,42074Р. Эти величины определены из треугольников ОО_вБ и ОО_вК, где P²_в = (O_вO)² + (1,25P)², P²_в = O_вO² + OБ² - 2O_вO·ОБ·cosα и О_вО 1,5Р P_в2 при α 45^o. Из треугольников ОО_нА и ОО_нМ, в которых Р_н (О_нО)² + (1,25Р)², и О_нО Р_н Р. Определены Р_н 1,28125Р, О_нО 0,28125Р и ОА 1,06785Р при α 45^o. Угол a принят равным 45^o, т. к. в этом положении кронштейна 19 с катками 23 будет наибольшее несоответствие полученного радиуса Р_н расстоянию между точками касания катками 23 противоположных поверхностей статора 1, которое в принятом примере равно 2,5Р.

Следовательно, D_max 2,5Р (АО + ОБ) 2,5Р 1,06785Р 1,42074Р 0,01141Р. Задавая величину углов α_i от 0^o до 90^o, например через 10^o, получают ряд значений Δ_i, по которым построена на фиг. 9 плавная кривая МА_i, соответствующая профилю нижней части цилиндрической поверхности МНК с необходимой степенью точности. На фиг. 9 расстояние между дугой окружности МАН радиуса Р_н и кривой МА_iН поверхности статора 1 в направлении А_iО_н равны Δ_i и изображены соответствующей штриховкой площади между дугой МАН и кривой МА_iН. Кривая МНК может быть построена на торцевой поверхности отливки (заготовки) нижней половины статора 1 по точкам отклонения Δ_i от дуги МАН радиуса Р_н 1,28125Р. Далее на строгальном станке выбирается толщина металла, равная Δ_i, до кривой МАН, являющейся профилем внутренней поверхности нижней половины статора 1. После шлифовки внутренней поверхности половинок цилиндра статора 1 эти половинки соединяются, например, также, как соединяются в ДВС блок и головка блока цилиндров. Аналогичным способом изготовляют статор компрессоров.

Работа РДК-6.

Запуск РДК-6, применительно к его эксплуатации на ТЭС, производят с помощью электродвигателя стартера, приводящего в движение компрессор, который включается компьютером при нажиме на его клавишу "Пуск". В момент поступления сжатого воздуха в камеру сгорания 42 через воздуховод 5 в результате открытия дверцы 16 компьютер включает форсунки 14, а в момент выключения форсунок 14 включает электросвечи 15, воспламеняющие природный газ, который успел смешаться с сжатым воздухом в топливную смесь. При этом воспламененная топливная смесь будет находиться между объемами сжатого воздуха в пространстве, отделяющим ее от дверцы 16 и заслонки 6, уменьшая воздействие на них температуры воспламененной топливной смеси. Воздух, сжимаемый воспламененной топливной смесью, амортизирует ударную нагрузку резкого повышения давления в момент воспламенения топливной смеси природного газа на конец заслонки 6. Этому содействует также движение конца заслонки 6, увеличивающего объем камеры сгорания 42 в момент воспламенения топливной смеси, и направленное в сторону распространения давления воспламененной топливной смеси. В результате амортизации взрывной волны скачка давления воспламененного топлива избытком сжатого воздуха и движением конца заслонки 6 многократно уменьшается ударное воздействие этого скачка давления в момент воспламенения топлива на стенки камеры сгорания и соответственно многократно уменьшается сила звука, который, например, возникает в поршневых ДВС при воспламенении топливной смеси. Сила звука воспламененного топлива уменьшается еще и прохождением выхлопных газов через детандер, который в этом отношении выполняет еще роль глушителя звука.

Утечка газов в зазоры между заслонкой 6 и поверхностью статора 1 почти полностью исключается пружинными полосками 49, приваренными к заслонке 6 и скользящими по поверхности статора 1, прижимаемыми к ней давлением газов сгоревшего топлива.

Через 5 10 с после начала пуска компьютер выключает стартер и подключает электрогенератор, а еще через 5 10 с РДК-6 выходит на эксплуатационную скорость вращения ротора 3 и электрогенератор включают в электросеть.

Во время вращения ротора 3 через катки 37 его вращение передается на вращение кронштейнов 19 и установленных на них вилок 21 с катками 23, которые, прокатываясь по цилиндрической поверхности статора 1, перемещают заслонку 6 в направляющих 7 через соединенный с заслонкой 6 приливом 18 кронштейн 19. Во время вращения кронштейна 19 катки 23 могут как прокатываться по поверхности статора 1, так и проскальзывать по ней, т. к. они выполнены из материала, имеющего наименьший коэффициент трения с поверхностью статора 1, смазанную к тому же машинным маслом, подаваемым масляным насосом через трубки 33. Кронштейны 19 перемещаются также между катками 35 и 36, установка которых определяет величину зазоров между боковыми краями заслонки 6 и торцевыми поверхностями статора 1 и ротора 3.

Если на компьютере замигает лампочка с надписью "Сменить каток", то РДК-6 может продолжить работу до его остановки в плановое время при уменьшении потребности в электроэнергии. После остановки РДК-6 отрывают клапан 51 и дверцу в стенке 29, а затем кратковременным включением стартера кронштейн 19 поворачивают до положения, при котором через окно в стенке 29 статора 1 производят смену вилки 21 с катком 23 на новую вилку с катком 23. Затем таким же способом производят замену противоположной вилки 21 с катком 23. После смены вилки 21 с катком 23 дверцу в стенке 29 статора 1 закрывают и герметизируют, а клапан 51 устанавливают на работу в режиме самооткрывания при повышении давления газов в камере 24 до расчетного.

Ориентировочный расчет РДК-6 и эффективность его применения.

Для расчета РДК-6 принимают, что двигатель изображенный на фиг. 1 и 2, имеет диаметр ротора, равный 2 м, наибольший размер расстояния между поверхностями ротора и статора 0,5 м, а его заслонка 6 имеет размеры 2,5 м х 2,5 м х 0,05 м, заслонка компрессора имеет размеры 3,2 м х 2,5 м х 0,04 м и наибольшее расстояние между поверхностями статора и ротора 0,5 м, скорость вращения ротора 2 обор./с, давление сжатого воздуха, поступающего в двигатель от компрессора, 30 кг/см² с двухкратным избытком по отношению к необходимому для полного сгорания природного газа, подаваемого из магистрального газопровода в форсунку 14 с давлением, равным 60 кг/см².

Объем камеры сгорания в момент воспламенения топливной смеси при положении заслонки, отраженном на фиг. 1, будет равен 0,25 м · 1,0 м · 0,5 м · 2,5 м + объем газопровода 5 0,32 м³ + 0,18 м³ 0,5 м³.

Масса воздуха, заполнившего камеру сгорания, будет равна 0,5 м³ · 1,4 кг/м³ · 30 21 кг.

Для полного сгорания 1 кг природного газа необходимо 15 кг воздуха, тогда при двухкратном избытке воздуха в камеру сгорания войдет 21 кг 30 0,7 кг природного газа.

Объем камеры сгорания компрессора равен 3,2 м · 3,6 м · 0,5 · 0,7 4 м³.

Для получения 21 кг воздуха в компрессор поступает воздух уже сжатым в (21 кг 1,4 кг/м³) 4 3,74 раза Следовательно, необходимо иметь два последовательно соединенных компрессора с результативным сжатием в 30 раз. В этом случае компрессор предварительного сжатия воздуха до давления в 3,74 кг/см³ с давления 0,95 кг/см³ засасываемого воздуха будет иметь сжатие в 4 раза.

Компрессор предварительного сжатия будет иметь камеру сжатия, в 4 раза большую по объему, чем камера сжатия основного компрессора, т.е. равную 4 м³ · 4 16 м³. При таком же устройстве, как и основной компрессор, почти все его линейные размеры будут большими, чем у основного компрессора в раза, но толщина стенок статора, ротора и заслонки будет меньше в 6 раз, т. к. будет меньше в 6 раз давление воздуха, сжимаемого этим компрессором, чем сжимаемого основным компрессором.

В момент воспламенения топливной смеси в камере сгорания выделяется тепловая энергия, равная 0,7 кг · 12000 ккал/кг 8400 ккал. Эта тепловая энергия нагреет 21 кг сжатого воздуха до температуры 8400 ккал (21 кг · 0,24ккал/кг·^oС) 1670^oС Давление воздуха сжатого до 30 кг/см² возрастает от его нагрева до 30 кг/см² (1670^oС 273^oС + 1) 214 кг/см².

Полученные значения температуры и давления не будут иметь существенного воздействия на стенки камеры сгорания и заслонку, т. к. между воспламененной топливной смесью и этими стенками будет находиться слой сжатого избыточного воздуха, с которым будут смешиваться продукты сгоревшего топлива в расширяющемся объеме в результате движения заслонки. Таким образом, процесс смешивания сгоревшего топлива со всем объемом воздуха будет совмещен с расширением воздушно-газовой смеси, уменьшающим ее температуру и давление. К тому же поверхности стенок камеры сгорания, газовода и заслонки, на которые воздействует высокая температура воспламененной топливной смеси, покрыты защитным теплоизолирующим материалом.

Объем камеры расширения двигателя равен 2,5 м · 4 м · 0,5 м · 0,75 3,75 м³.

Так как объем камеры сгорания равен 0,5 м³, то продукты сгоревшего топлива и избыток воздуха расширяются в камере в 3,75 м³ 0,5 м³ 75,5 раза. При этом их температура уменьшается до 300^oC, а давление уменьшится 7,5 · [(1670^oC 300^oC) 273^oC + 1] 45 раз и давление выхлопных газов, выходящих из камеры расширения будет равно 214 кг/см² 45 4,75 кг/см²/ Среднее значение силы давления, приложенной к концу заслонки 6, во время ее рабочего хода будет равно (214 кг/см² + 4,75 кг/см²) 2 · (0,5 · 250 см · 50 см · 0,75) 515000 кг.

В этом равенстве коэффициент 0,5 введен за счет нелинейного изменения силы давления на заслонку при расширении газа с давления 214 кг/см² до давления 4,75 кг/см². Коэффициент 0,75 веден для получения среднего значения площади конца заслонки 6 при ее рабочем ходе.

Работа, произведенная одним концом заслонки 6 при ее повороте на 180^o за время 0,25 с рабочего хода, равна 515000 кг · 4 м 2060000 кгм.

Работа, произведенная заслонкой за 1 с (за 2 оборота ротора), равна 2050000 кгм · 4 2060000 кгм плюс еще работа, полученная при заполнении камеры сгорания сжатым до 30 кг/см² воздухом, подаваемым компрессором, с учетом которой полная работа будет равна 83000000 кгм, а развиваемая им мощность составит 8300000 кгм/с. 102 81000 кВт.

Выхлопные газы, выходящие из камер расширения с давлением в 5 кг/см², используются в детандоре, например, академика П. Л. Капица (см. БСЭ, II издание, т. 4, с. 128, рис. 4), который имеет КПД 0,82 0,85 и работает на перепаде давлений примерно с 6 до 1,3 атм. Механическая энергия, выработанная детонатором, используется для приведения в действие компрессора предварительного сжатия воздуха. Выхлопные газы, поступающие в детонатор с температурой 300^oС и давлением 5 кг/см, выходят из детандера в теплообменник с температурой 250^oС и давлением 1 кг/см², необходимым для прохождения через теплообменник, поставляющий горячую воду в теплотрассу.

Затраты энергии 8000 кВт мощности двигателя будут использованы для работы основного компрессора и вспомогательных устройств, обеспечивающих работы РДК-6. Полезная мощность РДК-6, используемая для вращения ротора электрогенератора, составит 73000 кВт.

КПД РДК-6 будет равен КПД РДК-6 можно определить и более простым способом (и по этой причине более надежным) по тепловым потерям двигателя в процессе его работы. Основные потери тепловой энергии двигателя происходят из-за потерь тепловой энергии, уносимой выхлопными газами, которая равна 21 кг/с · 4 · 250^oС · 0,24 ккал/кг·C · 4,18 кВт·с/ккал 21000 кВт.

Принимают, что все остальные тепловые потери составляют 50% от основных, тогда общие потери энергии составляют 32000 кВт или 32000 кВт 140000 кВт 0,23, следовательно КПД РДК-6 будет равен 0,77. По-видимому, КПД РДК-6 можно принять равным среднему арифметическому из полученных значений КПД, равных 0,525 и 0,77, т. е. равным 0,65. Близкий к этому значению КПД получают, если сравнить потери энергии в РДК-6 с потерями энергии в ДВС С учетом того, что в РДК-6 нет потери энергии, связанной с водяным охлаждением ДВС, и по крайней мере в 2 раза меньшими потерями на трение, так как нет в РДК-6 кривошипно-шатунного механизма, преобразующего прямолинейное движение поршня во вращение коленчатого вала, в РДК-6 будут меньше потери энергии на 25 30% чем в ДВС Полученный КПД РДК-6 в 0,65 0,34=1,95 раз больше, чем у наиболее совершенных и весьма сложных газотурбинных установок, и в 1,5 раза выше, чем у паровых турбин. При этом удельная мощность РДК-6 с относящимися к нему устройствами будет в несколько раз больше, чем удельная мощность паровых и газовых турбин с относящимися к ним устройствами, обеспечивающими их работу с наибольшим КПД, равным для ГТУ 0,34 и паровых турбин 0,42. Однако для паровых турбин, работающих в базовом режиме и требующих для согласования их работы с режимом использования электроэнергии еще работы ГАЭС с КПД 0,65, реальным КПД следует считать
(6 ч · 0,42 · 0,65 + 18 ч · 0,42) 24 ч 0,39.

Следовательно, с учетом работы ГАЭС КПД ТЭС с паровой турбиной будет ниже КПД ТЭС с РДК-6 в 1,67 раза.

Таким образом, с заменой на ТЭС паровых турбин на РДК-6, выработка электроэнергии увеличится в 1,67 раза при равном потреблении природного газа. Такое увеличение выработки электроэнергии на ТЭС увеличит ее прибыль от проданной по той же цене электроэнергии в 5 6 раз.

Полученное значение мощности РДК-6 (73000 кВт) при его массе менее 100 т, которую можно определить исходя из принятых габаритов РДК-6 и его устройства согласно фиг. 1 и 2, позволяет сделать вывод, что удельная мощность РДК-6 с устройствами, обеспечивающими его работу, по крайней мере в 10 раз больше удельной мощности паровой турбины с устройствами (паровой котел, градирни и др.), обеспечивающими ее работу. В соответствии с этим выводом можно утверждать, что при строительстве ТЭС с паровой турбиной потребуется произвести в несколько раз большие затраты не только на изготовление и установку паровой турбины с устройства обеспечения ее работы, но также и на устройство водоема, обеспечивающего ее качественной водой, задний, на приобретение площади земли под строительство ТЭС, чем будут аналогичные затраты при строительстве ТЭС с РДК-6 такой же мощности.

Срок окупаемости капитальных затрат для ТЭС с РДК-6 будет в десятки раз меньше срока окупаемости капитальных затрат для ТЭС с паровой турбиной или для ТЭС с газогенераторной установкой.

Существенным преимуществом ТЭС с РДК-6 перед ТЭС с паровой или газовой турбиной будет в 1,5 2 раза меньший выброс отравляющих атмосферу веществ на каждый кВт·ч выработанной электроэнергии.

Таким образом, применение РДК-6 в ТЭС является решением актуальной проблемы современности по применению энергосберегающей, материалосберегающей и экологически более чистой технологии с одновременным уменьшением капитальных и эксплуатационных затрат на реализацию такой прогрессивной технологии.

Большое значение имеет применение РДК-6 в малых ТЭС (до 300000 кВт) с приближением их к первичному энергоисточнику и к потребителю энергии, с существенным уменьшением стоимости электрической и тепловой энергии, а также уменьшением в несколько раз стоимости строительства и сроков возведения ТЭС с РДК-6. Особенно большое значение имеет ТЭС с РДК-6 для севера России, не имеющего централизованного энергоснабжения, где применяют в настоящее время дизельные электростанции с КПД 30 35% Для таких районов преимущество в применении РДК-6 будет не только в 2 раза большем КПД, в несколько раз большей удельной мощностью двигателей, но также в использовании природного газа в несколько раз более дешевого, чем дизельное топливо. Капитальные затраты для замены дизельных ДВС на РДК-6 окупятся в течение 2 3 месяцев, менее, чем за год окупятся капитальные затраты на строительство новой ТЭС с РДК-6.

Формула изобретения

1. Роторный двигатель внутреннего сгорания, содержащий основной компрессор для сжатия воздуха, двигатель, сообщенный воздуховодом с основным компрессором, камеру сгорания, форсунку для подачи топлива в камеру сгорания и электросвечу для воспламенения топливной смеси, при этом основной компрессор и двигатель имеют аналогичное устройство, включающее статор, эксцентрично установленный в нем ротор с направляющими, в которых размещена приводная заслонка, своими концами образующая совместно со статором и ротором камеры сжатия компрессора и камеры расширения двигателя, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным компрессором для предварительного сжатия воздуха, баллоном для сжатого воздуха, сообщенным с основным и дополнительным компрессорами, детандером, сообщенным с двигателем при помощи газовода, при этом между торцевыми стенками статора и ротора образованы две камеры, в которых установлены устройства для перемещения заслонки в процессе вращения ротора.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство для перемещения заслонки в направляющих ротора включает кронштейн, соединенный в своей средней части приливом с заслонкой и снабженный по концам вилками, в каждой из которых установлен каток с возможностью перекатывания по внутренней цилиндрической поверхности статора двигателя, катки ротора двигателя, обеспечивающие поступательное перемещение кронштейна относительно оси вращения данного ротора, камеру, образованную торцевыми стенками статора, ротора и цилиндрической поверхностью статора, в которой установлен кронштейн с катками и полуось вращения ротора, контактный датчик, вставленный в статор и сигнализирующий о неисправности катков, прокатывающихся по цилиндрической поверхности статора, самооткрывающийся клапан, вставленный в наружную торцевую стенку статора для выпуска газов из камеры, если их давление превзойдет установленное значение, дверцу, закрывающую окно в наружной торцевой стенке статора, через которое производят замену неисправных катков на исправные, отверстие для подачи масла от масляного насоса к внутренней цилиндрической поверхности статора.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он имеет теплоизолирующее покрытие на наружной поверхности статора и на внутренней поверхности ротора двигателя, радиаторные ребра, соединенные со статором компрессора и корпусом баллона для сжатого воздуха, пластинчатые пружины, соединенные с контурными обрезами заслонки ж скользящие по поверхности статора с минимальным воздушным зазором, пластинчатую пружину статора, скользящую по поверхности ротора с минимальным воздушным зазором, подпружиненную дверцу, перекрывающую окно в статоре компрессора, соединяющее его камеру сжатия с воздуховодом, внутреннюю торцевую стенку статора, утонченная часть которой установлена между торцевыми стенками ротора двигателя.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он имеет верхнюю и нижнюю части статора, соединенные между собой по горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения ротора и перпендикулярной к его нулевому радиусу, при этом верхняя большая часть цилиндра имеет сечение внутренней поверхности, перпендикулярное к оси вращения ротора, в виде соответствующей части окружности, а нижняя часть цилиндра статора имеет кривизну, отличающуюся от соответствующей части окружности на малую величину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9