Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

, где:

•  — количество теплоты, полученное от нагревателя,
•  — количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного  действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: 

Часть теплоты при  передаче неизбежно теряется, поэтому  КПД двигателя менее 1. Максимально  возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя( ) и холодильника( ):

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой  жидкое или газообразное рабочее  тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от создания разницы температур его цилиндров.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Двигатель Внутреннего  Сгорания или ДВС, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии  топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.

В наше время чаще встречается  автомобильный транспорт, который  работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит либо за четыре хода поршня, за четыре такта, либо за два и двигатели делятся на четырёхтактные и двухтактные. Цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск. В цикле двухтактного двигателя такты рабочего хода и сжатия аналогичны четырёхтактному двигателю, а впуск и выпуск осуществляется одновременно в момент нахождения поршня вблизи от нижней мёртвой точки

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция  в базовом режиме. Таким образом  колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия  пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки. Изобретение относится к тепловым машинам роторного типа. Термодинамический преобразователь энергии содержит корпус и ротор, выполненный в виде колеса со спицами, имеющими каналы - направляющие для лопаток, и жестко посаженный на вал. Вал ротора состоит из двух частей, жестко закрепленных на роторе и не проходящих через его тело. Одна из частей вала ротора выполнена полой и на ее фланце жестко закреплен суппорт, на котором расположены детали выдвижного устройства, включающего в себя четырехшарнирный механизм для выдвижения и задвигания лопаток. Выдвижное устройство содержит узел фиксации и управляемую втулочную муфту, имеющую на внутренней поверхности два кольцеобразных участка с прямыми и косыми шлицами, которыми она входит в зацепление с шестеренчато-кулачковой втулкой и втулкой коромысла четырехшарнирного механизма. На внешней поверхности управляемой втулочной муфты жестко закреплены толкатели втулочной муфты, входящие в зацепление с кулачком, расположенным на внутренней цилиндрической части суппорта. На нижней цилиндрической части суппорта свободно посажена ступица-кулачок, во внутренние пазы которой входит толкатель узла фиксации. Внешняя сторона ступицы-кулачка выполнена с прямыми шлицами, которыми она входит в зацепление с зубчатым колесом кривошипа, обкатывающимся по внутренней стороне выполненного с зубчатым венцом кольца корпуса. Профиль каждой канавки в продольном сечении представляет собой разорванную двухпериодную синусоиду с участками постоянного радиуса. Изобретение направлено на повышение надежности и КПД. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 14 ил. 

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели. Роторно-турбинный двигатель внутреннего сгорания предназначен для использования в качестве силового агрегата в автомобилестроении, судостроении, авиастроении и т.д. как в бензиновом, так и в дизельном варианте. Таким образом, задачей изобретения является повышение оборотов ротора, уменьшение шума работающего двигателя, увеличение мощности по отношению к весу, повышение надежности ДВС, уменьшение использования моторного масла, исключение деталей совершающих возвратно-поступательные движения и упрощение производства, повышение КПД.Известна конструкция роторного двигателя Э.Л.Страуба US №2275205, опубликованная в марте 1942 г., которая состоит из блока, ротора сжатия, роторов с камерами сгорания, системой впрыска топливной смеси, системой зажигания, отвода выхлопных газов. Из рисунков видно, что сопряжение роторов происходит через роторы, которые представляют из себя видоизмененные шестерни. На центральной шестерне, представляющей из себя ротор сжатия, имеются симметрично расположенные два эллипсоидных выступа, выполняющие роль поршней, а на шестернях, находящихся по обеим сторонам ротора сжатия, находятся по две полукруглые полости, которые являются одновременно "цилиндрами" и камерами сгорания. Кроме того, на боковых роторах имеются специальные уплотнители-накладки, крепящиеся болтами и штифтами над краями полукруглых углублений-"цилиндров" роторов-шестерней и предназначенных для уплотнения зазоров между эллипсоидными "поршнями" ротора сжатия и полостями-"цилиндрами" боковых шестерен. В процессе работы двигателя эллипсоидные выступы центрального ротора поочередно проникают в полости боковых роторов, где происходит сжатие топливной смеси и ее воспламенение. Таким образом, синхронизация роботы двигателя поддерживается зубьями и их эллипсоидными выступами и полукруглыми полостями. Из чертежей и описания работы двигателя видно, что кинематика механизма мотора основана на шестеренчатой передаче усилия, которая требует обильного применения моторного масла, о котором, как это ни странно, в материалах описания вообще нет никакого упоминания. Если автор предполагал смазывать шестерни и эллипсоидные выступы-"поршни" моторным маслом, добавляя его в топливо, то этого явно недостаточно, так как двигатель рассчитан на работу с большими оборотами и зубья шестерен очень скоро уже не смогут обеспечивать синхронизацию рабочих циклов. То есть произойдет быстрый износ деталей, и двигатель выйдет из строя. Кроме того, вызывает большое сомнение возможность надежно воспламенять топливную смесь обычной свечой зажигания, расположенной в торце длинной серповидной камеры сгорания, как это показано в материалах описания. Также, в процессе вращения роторов, при переходе от зацепления зубьями к зацеплению эллипсоидными выступами и полукруглыми полстями, при воспламенении топливной смеси, будет происходить разбалансировка всей системы и, как следствие, высокая вибрация и поломка всего механизма, из за того, что будет невозможно создать абсолютно одинаковые условия в противоположных камерах сгорания - это разное количество поступающего топлива, разный износ уплотнителей, неодинаковое состояние свечей зажигания, износ опорных подшипников. Предлагаемая мною конструкция двигателя внутреннего сгорания лишена недостатков двигателя Э.Л.Страуба. Поставленная задача достигается исключением контакта между основными деталями двигателя (внутренней поверхностью блока и роторами и между самими роторами), что исключает трение, вследствие чего отпадает необходимость в смазочных материалах. Валы роторов будут вращаться, опираясь на подшипники, имеющие собственную систему смазки. Минимальный зазор, в пределах нескольких сотых долей миллиметра в прогретом состоянии, обеспечивается за счет группы косозубых шестерен, жестко посаженных на валы соответствующих роторов и находящихся в отдельном корпусе в масляной ванне (что обеспечивает их длительную и надежную работу), а также максимальным совпадением контуров основных элементов конструкции, сохраняющих минимальный зазор и процессе вращения роторов. Существующее предложение поясняется чертежами: на фиг.1 показаны основные детали двигателя, где 1 - пробки под технологические отверстия, обслуживания свечей зажигания, 2 - выхлопное окно, 3 - пограничная полость, 4 - проточки под электроды зажигания со знаком "-", 5 - электроды зажигания со знаком "+", 6 - ротор сжатия с тремя сегментами, 7 - корпус двигателя, 8 - камера сгорания, 9 - рубашка охлаждения, 10 - полость, 11 - электрод зажигания со знаком "-", 12 - форсунка впрыска топлива, 13 - ротор с камерами сгорания, 14 - окно для подачи воздуха, 15 - изолированный токопровод. На фиг.2 изображены основные детали двигателя без корпуса, где 4 - проточки под электроды зажигания "+" и "-", 5 - электроды зажигания со знаком "-", 6 - ротор сжатия, 13 - ротор с камерами сгорания, 11 - электроды зажигания со знаком "+", 18 - шестерни, 15 - изолированный токопровод. На фиг.3 представлено схематическое изображение двигателя, где 16 - валы, 18 - шестерни, 17 - распределитель зажигания с проводом, 15 - изолированный токопровод, 19 - отдельный корпус для шестерен, с масляным картером.

Двигатель моей конструкции  состоит из двух роторов (возможно большее  количества роторов), ротора сжатия 6, который представляет собой объединенные вместе цилиндры и сегменты (далее по тексту - сегменты) и ротора с камерами сгорания 13, находящиеся в одном блоке 7. Оба ротора кинематически связаны между собой группой косозубых шестерен 18, имеющих собственный корпус, постоянно находящихся в масляной ванне и жестко закреплены на одной оси вращения (валу) 16 с соответствующим ротором. При этом во внутреннем пространстве двигателя между роторами и внутренней поверхностью блока 7 поддерживается минимальный зазор (в пределах нескольких сотых долей миллиметра в прогретом состоянии), что позволяет отказаться от смазки основных деталей конструкции. Ротор сжатия 6 кинематически соединен с ротором 13, при этом сегменты ротора 6 в процессе вращения поочередно проникают в полости ротора 13, вследствие чего происходит сжатие топливной смеси. Рабочие циклы происходят в следующем порядке: рассмотрим на примере пары сегмент-полость. В процессе вращения роторов в полость 10 ротора 13, через окно 14, под давлением подается воздух. При дальнейшем вращении роторов 6 и 13 в полость ротора 13 через форсунку 12 впрыскивается топливо. Максимальное сжатие топливной смеси происходит при повороте роторов 6 и 13 до точки А. При этом работающий сегмент ротора 6 и соответствующая ему в данный момент полость ротора 13 располагается близко к касательной окружности ротора 13, в этот момент происходит зажигание от электрической искры, переданной бесконтактно от распределителя зажигания 17 по изолированному токопроводу 15. В результате чего топливная смесь воспламеняется и ротор 13 отталкивается - происходит рабочий ход. В свою очередь ротор 6 приобретает движение от ротора 13 через шестерню, находящуюся на его валу. Выхлоп отработанных газов осуществляется под действием собственного избыточного давления, возникающего после воспламенения топлива в полости ротора 13 по завершении рабочего хода и достижении в процессе вращения выхлопного окна 2 в корпусе двигателя. В процессе работы двигателя после воспламенения топливной смеси и в результате вращения роторов 13 и 6 неизбежно произойдет кратковременный прорыв выхлопных газов в полость области ротора 6 через образующийся зазор между взаимодействующими в данный момент сегментом ротора 6 и полостью ротора 13. Прорвавшиеся газы будут создавать высокое давление в пространстве вращения ротора 6 - это обстоятальство, по моему мнению, положительный фактор, который будет работать на удержание компрессии в фазе сжатия следующей пары сегмент-полость, т.е. давление газов в области вращения ротора 6 будет выше (или близким к нему), чем давление сжимающейся смеси (в следующей паре сегмент-полость), т.к. в процессе сжатия тоже произойдет кратковременное открытие пространства сжатия взаимодействующих пар сегмент-полость и газы из области ротора 6 будут препятствовать ускользанию сжимающейся топливной смеси. В данной конструкции ДВС высокое давление в области ротора 6 играет роль компрессионных колец традиционного поршневого ДВС. Далее весь процесс повторяется на других парах сегмент-полость. Зажигание топливной смеси при данной конструкции двигателя осуществляется следующим образом: в полостях ротора 13 располагаются ввернутые в резьбовые гнезда электроды со знаком "-" 11, а в сегментах ротора 6 встроены электроды со знаком "+" 5, под которые в теле ротора выбраны проточки 4. При работе пары сегмент-полость проточки на роторе 6 совмещаются с проточками в камерах ротора 13, образуя камеру сгорания 8. Выходы электродов роторов 6 и 13 соответственно направлены друг на друга и при достижении необходимого значения взаимопроникновения пары сегмент-полость между электродами "+" и "-" происходит искровой разряд, переданный от распределителя зажигания 17. Таким образом, ротор 6 является также бегунком системы зажигания. При дизельном варианте двигателя система воспламенения топливной смеси не потребуется. Обслуживание электродов системы зажигания обеспечивается через окна 1, в работающем состоянии герметично закрытые.

В описании приведена  конструкция из двух роторов, при желании их количество может быть различно. Также число сегментов ротора 6 может быть другим. Так же можно построить конструкцию, где роторы будут иметь иное расположение, т.е. ротор сжатия 6 будет находиться в центре, а один или несколько роторов с камерами сгорания 13 будут находиться по его окружности. По сравнению с представленным аналогом представленная мною конструкция обладает несколькими значительными преимуществами:

1. Так как нет контакта  между роторами, то отпадает необходимость  в смазывающих материалах (кроме подшипников).

2. Система воспламенения  топливной смеси более соответствует  особенностям конструкции.

3. Конструкция, предложенная  мною более технологична в  производстве, так как в ней  нет сложных поверхностей как  в представленном выше аналоге.

4. Возможность для  создания множества вариантов  компоновки двигателя.

5. Как следствие отсутствия  деталей, совершающих возвратно-поступательные  движения и минимальное трение - теоретически неограниченный моторесурс, мощность, существенное снижение расхода топлива и смазывающих материалов.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Роторно-турбинный двигатель  внутреннего сгорания, содержащий блок, находящиеся в нем с зазором  ротор сжатия и ротор с камерами сгорания, кинематически связанные  между собой шестернями, находящимися в собственном корпусе и жестко закрепленными на оси вращения соответствующего ротора, при этом ротор сжатия представляет собой объединенные вместе цилиндры и сегменты, которые поочередно проникают в соответствующие полости ротора с камерами сгорания, сжимая в них топливовоздушную смесь, системы подачи воздуха в камеру сгорания, впрыска топлива, воспламенения топливовоздушной смеси, отвода выхлопных газов, а также систему охлаждения, отличающийся тем, что в полостях ротора с камерами сгорания располагаются ввернутые в резьбовые гнезда электроды со знаком "минус", под которые в теле ротора выбраны углубления, а в цилиндрических сегментах ротора сжатия встроены электроды со знаком "плюс", при этом в цилиндрических сегментах ротора сжатия имеются выточки, которые совмещаются с углублениями на другом роторе, образуя кам

Реактивные и ракетные двигатели

Идея реактивного и  ракетного двигателя состоит  в том, чтобы тяга создавалась  не винтом, а отдачей выхлопных  газов двигателя Известно, что в двигателе внутреннего сгорания, топке парового котла – всюду, где происходит сгорание, самое активное участие принимает атмосферный кислород. В космическом пространстве воздуха нет, а для работы ракетных двигателей в космическом пространстве необходимо иметь два компонента – горючее и окислитель. 
 
В жидкостных термохимических ракетных двигателях в качестве горючего используется спирт, керосин, бензин, анилин, гидразин, диметилгидразин, жидкий водород. В качестве окислителя применяют жидкий кислород, перекись водорода, азотная кислота. Возможно, в будущем будет применяться в качестве окислителя жидкий фтор, когда будут изобретены способы хранения и использования такого активного химического вещества 
 
Горючее и окислитель для жидкостных реактивных двигателей хранятся раздельно, в специальных баках и с помощью насосов подаются в камеру сгорания. При их соединении в камере сгорания развивается температура до 3000 – 4500 °С. 
 
Продукты сгорания, расширяясь, приобретают скорость от 2500 до 4500 м/с. Отталкиваясь от корпуса двигателя, они создают реактивную тягу. При этом, чем больше масса и скорость истечения газов, тем больше силы тяги двигателя.  
 
Удельную тягу двигателей принято оценивать величиной тяги создаваемой единицей массы топлива сгораемой за одну секунду. Эту величину называют удельным импульсом ракетного двигателя и измеряют в секундах (кг тяги / кг сгоревшего топлива в секунду). Лучшие твердотопливные ракетные двигатели имеют удельный импульс до 190 с., то есть 1 кг топлива сгорающий за одну секунду создает тягу 190 кг. Водородно-кислородный ракетный двигатель имеет удельный импульс 350 с. Теоретически водородно-фторовый двигатель может развить удельный импульс более 400с. 
 
Обычно применяемая схема жидкостного ракетного двигателя работает следующим образом. Сжатый газ создает необходимый напор в баках с криогенным горючим, для предотвращения возникновения газовых пузырей в трубопроводах. Насосы подают топливо в ракетные двигатели. Топливо впрыскивается в камеру сгорания через большое количество форсунок. Также через форсунки в камеру сгорания впрыскивают и окислитель. 
 
В любой машине при сгорании топлива образуются большие тепловые потоки, нагревающие стенки двигателя. Если не охлаждать стенки камеры, то она быстро прогорит, из какого бы материала она ни была сделана. Жидкостный реактивный двигатель, как правило, охлаждают одним из компонентов топлива. Для этого камеру делают двух стеночной. В зазоре между стенками протекает холодный компонент топлива.  
 
 
К ислородо-керосиновый 4-камерный жидкостный ракетный двигатель РД-107 с тягой 1 МН (102 тс) первоц ступени ракеты-носителя «Восток» (ГДЛ-ОКБ, 1954-57):