способ повышения эффективности преобразования внутренней энергии в механическую работу

Формула изобретения

Способ повышения эффективности преобразования внутренней энергии в механическую работу, включающий преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала с помощью внутренней части обода колеса, отличающийся тем, что прямолинейное движение поршня преобразуется во вращательное путем возвратно-поступательного движения детали, вращающейся с ободом колеса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности, усовершенствует способ преобразования внутренней энергии в механическую работу, предназначенный для энергетических установок, например: на электростанциях, кораблях, тепловозах, автомобилях и в авиации.

В двигателестроении широко известен способ преобразования внутренней энергии в механическую работу вращения ротора турбины (Барский И. Орлов Г. Газотурбинный автомобиль, за ним ли будущее? Наука и жизнь, 1984, N 80, с. 56-63), включающий преобразование внутренней энергии потока в кинетическую энергию и преобразование последней в механическую работу.

Недостатком известного способа является низкий КПД. Это объясняется тем, что рабочее тело с начальной температурой Т_z 1700-2000 K обладает максимальной излучательной способностью, поэтому большая часть внутренней энергии рабочего тела превращается в тепловую. Сказанное выше подтверждается первым законом термодинамики. Если величиной U = U_m-U_n обозначить изменение внутренней энергии рабочего тела, то математическое выражение первого закона термодинамики будет иметь вид:

U = q-l, где

где U изменение внутренней энергии рабочего тела;

q тепловая энергия;

l работа.

Из уравнения следует, что если в процессе преобразования работа не совершается (l__0), т.е. работа совершается в конце пути у поверхности лопаток, то большая часть внутренней энергии идет на увеличение тепловой энергии.

Также известным в двигателестроении является способ преобразования внутренней энергии в механическую работу, используемый в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) (Учебное пособие для судового механика. Главное управление учебными заведениями Министерства морского флота. М. Морской транспорт, 1951, с. 405), в них топливо сгорает непосредственно в цилиндрах. В результате сгорания образуются газообразные продукты, имеющие высокие давление и температуру. Давление газов передается на поршень. Прямолинейное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала двигателя при помощи кривошипно-шатунного механизма.

Недостатком способа является низкая скорость протекания процессов. Это связано с тем, что линейная скорость у центра вала невелика. Очевидно, чтобы осуществить полный цикл в четырехкратном двигателе, приходится совершать два оборота, т. е. 720^o поворота коленчатого вала, а это в свою очередь снижает агpегатную мощность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ преобразования внутренней энергии в механическую работу, который защищен патентом Великобритании N 474674, кл. F 02 B 75/22, 1937.

Сущность способа состоит в том, что топливо сгорает непосредственно в цилиндре. В результате сгорания топлива образуются газообразные продукты, имеющие высокие давление и температуру. Давление газов передается на поршень. Прямолинейное движение поршня преобразуется во вращательное движение вала с помощью внутренней части обода 6 колеса 8 (фиг. 4). Это позволило удалить точку приложения сил от центра вала на значительное расстояние и тем самым увеличить линейную скорость механизма, осуществляющего управление процессами, таким образом производить несколько полных циклов каждым рабочим цилиндром за один оборот вала, что в итоге повышает КПД устройств для реализации способа.

Недостатком способа является то, что рабочий такт в процессе протекает медленно, поэтому большая часть внутренней энергии рабочего тела превращается в тепловую и переходит в охлаждающую жидкость.

Цель изобретения состоит в том, чтобы путем возвратно-поступательного движения детали 10, вращающейся на ободе 6 колеса 8, повысить эффективность способа.

Цель достигается тем, что в известном способе преобразования внутренней энергии в механическую работу, включающем преобразование внутренней энергии, выделяющейся при сгорании топлива в рабочем цилиндре, в прямолинейное движение поршня, а затем во вращательное движение вала с помощью обода 6 колеса 8 (фиг.1, 4), предложено прямолинейное движение поршня преобразовать во вращательное путем возвратно-поступательного движения детали, вращающейся на ободе 6 колеса 8.

На фиг. 1 приведена принципиальная кинематическая схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 части обода с механизмами, осуществляющими преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное; на фиг. 3 диаграмма распределения энергии в спектре излучения абсолютного черного тела; на фиг. 4 принципиальная кинематическая схема устройства для реализации способа (прототипа); на фиг. 5 развернутая диаграмма газораспределения, размещенная на ободе колеса (прототипа).

Общий вид устройства для реализации способа повышения эффективности преобразования внутренней энергии в механическую работу (фиг.1, 4) включает в себя: рабочие цилиндры 1, которые расположены внутри обода 6 колеса 8. В рабочих цилиндрах возвратно-поступательно движутся поршни 2, к которым закреплены шток 3 с роликами 4.

Пружины 5 прижимают ролик 4 к внутренней части обода 6, последний соединен с валом 7 с помощью колеса 8.

При помощи валика 9 на ободе 6 колеса закреплена деталь 10, которая отжимается от упора 12 пружиной 11.

Вал 7 колеса 8 вращается в подшипниках 13. На фиг.1, 4 также изображены форсунки 14, кроме того, воздуховод 15 и трубопровод выпуска отработанных газов 16. Полумуфта 17 соединяет вал ДВС с нагрузкой.

Работа устройства заключается в следующем (фиг.1, 4). Вал 7 раскручивают с помощью стартера (на фиг.1 не показан), при этом обод 6, соединенный с валом, вращается против часовой стрелки.

По внутренней части обода 6, как по рельсу, катится ролик 4, то медленно двигаясь вниз, то стремительно возвращаясь вверх, увлекая за собой шток 3 с поршнем 2. Очевидно, при движении обода 6 колеса 8 против часовой стрелки поршни 2 в цилиндрах 1 совершают возвратно-поступательные движения. Во время движения внутренней части обода 6 относительно ролика 4 (фиг.1, 2) от точки А до точки Б (А¹Б¹ на внешней части обода 6) в рабочем цилиндре осуществляются такты: выпуска продуктов сгорания, продувки, а также заполнение рабочего цилиндра воздухом (фиг.5).

На промежутке от точки Б до точки С происходит плавное движение ролика 4 вниз. В это время в цилиндре 1 осуществляется такт сжатия. В момент прохождения точки C у ролика 4 осуществляется впрыск топлива в цилиндр 1 с помощью форсунки 14. Распыленное топливо, смешанное со сжатым воздухом, самовоспламеняется и сгорает. Благодаря чему давление в цилиндре повышается до Р_z 2,5-5,0 МПа, а температура до Т_z 1700-2000 K. Горение топлива заканчивается у точки Д. Под действием высокого давления поршень 2 с большой скоростью движется вверх, увлекая за собой шток 3 с роликом 4, последний, двигаясь по детали 10 с большой скоростью, отклоняет ее влево, сжимая при этом пружину 11. В точке Е ролик 4 со штоком 3 "замирает". Это позволит детали 10, опираясь на ролик 4, отталкивать от себя обод 6 с помощью пружины 11 по ходу движения, т. е. против часовой стрелки. Таким образом, прямолинейное движение поршня преобразуется (аккумулируется) во внутреннюю энергию пружины 12, которая преобразуется во вращательную силу F путем детали 10.

Вращательное движение обода 6 с помощью детали 10 осуществляется за время движения ролика 4 по ободу 6 от точки Д до точки К. Этот путь во много раз больше расстояния ДЕ. Очевидно, рабочий такт в рабочем цилиндре осуществляется за 3^o, а рабочий процесс вращательного движения обода 6 с помощью детали 10 происходит за 18^o поворота обода 6 колеса 8, последнее связано с нагрузкой через полумуфту 17.

Прежде, чем перейти к изложению технико-экономических преимуществ, подкреплю убедительными примерами цель изобретения.

Зарождение создания тепловых двигателей относится к концу XVII века (1680 год). Квантовая теория предложена в начале ХХ века. Это привело к тому, что большая часть внутренней энергии в тепловых двигателях не используется. Из квантовой механики известно, что внутренняя энергия частиц квантована, т. е. может принимать ряд определенных дискретных значений, называемых в физике энергетическими состояниями или энергетическими уровнями.

Самый нижний энергетический уровень (внутренняя энергия частиц наименьшая) носит название основного. Остальные энергетические уровни соответствуют более высокой внутренней энергии частиц и носит название возбужденных. Когда говорят, что частица перешла с одного энергетического уровня на другой, то имеют ввиду, что внутренняя энергия частиц изменилась на величину, равную разности энергий этих энергетических уровней. При переходе на более высокий энергетический уровень частица поглощает энергию, а при переходе на более низкий отдает.

Представляем себе частицу с двумя энергетическими уровнями m и n, соответствующими значениями внутренней энергии U_m и U_n.

Пусть для определенности U_m > U_n, т.е. энергетический уровень с номером m лежит выше, чем энергетический уровень с номером n.

Если частица занимает более высокий энергетический уровень m, то она может даже при отсутствии внешнего электромагнитного поля перейти на более низкий энергетический уровень n, излучив квант энергии

h = U_m-U_n,

где h постоянная Планка;

частота колебания.

Такое излучение носит название спонтанного (самопроизвольного) излучения (Страховский Г. М. Устенский А.В. Основы квантовой электроники. М. Высшая школа, 1973, с. 6-7). Излучение тела сопровождается потерей энергии. Для того, чтобы излучение могло происходить длительное время, убыль энергии в теле необходимо пополнять. Испуская и поглощая излучение, тела в конце концов примут одинаковую температуру. Между способностью тел испускать и поглощать лучистую энергию существует определенная связь. Эта связь выражается законом Кирхгофа (1859 г. ). С повышением температуры рабочего тела излучательная способность его увеличивается. Это видно из графика (фиг.3). На графике по оси абсцисс отложено значение длины волны l, а по оси ординат величина, пропорциональная соответствующему значению излучательной способности абсолютно черного тела.

Кривые, приведенные на фиг.3, позволяют сделать ряд выводов:

1. Существует отчетливо выраженный максимум излучательной способности.

2. С повышением температуры максимум излучательной способности смещается в сторону более коротких волн.

Рабочее тело (продукты сгорания) ДВС, имея начальную температуру Т_z 1700-2000 K, излучает короткие волны, характерные для максимум излучательной способности (Корсунский М.И. Оптика, строение атома. Атомное ядро. М. Наука, 1967, с. 209-223). Согласно квантовой теории взаимные превращения на столь высоком уровне протекают с большой скоростью (сравнимой со скоростью света). Совершить работу с такой скоростью в настоящее время не представляется возможным.

Использование предлагаемого способа повышения эффективности преобразования внутренней энергии рабочего тела в механическую работу позволит создать устройства, которые будут обладать следующими преимуществами:

а) скорость преобразования внутренней энергии рабочего тела, имеющего высокие параметры, в прямолинейное движение поршня будет увеличена в несколько раз. Это позволит не только уменьшить потери внутренней энергии в момент протекания рабочего такта, но и осуществить несколько полных циклов каждым рабочим цилиндром за один оборот вала (вместо двух оборотов 720^o для одного цикла);

б) рабочие цилиндры будут располагаться кучно. Это позволит уменьшить размеры систем: выпуска отработавших газов, трубопроводов питания, охлаждения и т.д.

в) точка приложения силы F, вращающая обод колеса двигателя, удалена от центра вала на значительное расстояние. Это позволит убрать значительные нагрузки с передаточного механизма в момент совершения рабочего такта.

Благодаря вышеизложенным преимуществам устройства для реализации способа повышения эффективности преобразования внутренней энергии в механическую работу будут иметь большую агрегатную мощность при меньших размерах двигателя, которую при этом можно будет неограниченно увеличивать, удовлетворяя растущие потребности использования двигателей для решения многочисленных научных и технических проблем, а также в обороне страны.