способ работы судовой энергетической установки

Формула изобретения

1. Способ работы судовой энергетической установки путем подачи забортной воды и горячего газа в рабочий цилиндр, отличающийся тем, что с целью повышения эффективного к.п.д. забортная вода поступает в профилированный рабочий цилиндр, заканчивающийся соплом, в котором находится разреженная газоводяная смесь, движется в сторону меньшего давления к соплу, освобождая за собой свободный объем рабочего цилиндра, куда поступает горячий газ, который расширяется, одновременно сжимая и выталкивая предыдущую газоводяную смесь через сопло, создавая реактивную тягу, затем горячий газ смешивается с оставшейся забортной водой, образуя газоводяную смесь, охлаждается, создавая необходимое разрежение для поступления в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячий газ предварительно адиабатно расширяется в силовой турбине, а затем поступает в рабочий цилиндр.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что забортная вода и горячий газ поступают в рабочий цилиндр поочередно через вращающийся золотник.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что забортная вода поступает в рабочий цилиндр через гидравлический пульсатор и захватывает горячий газ.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что забортная вода и горячий газ поступают в рабочий цилиндр непрерывно через эжектор, причем эжектирующей средой является забортная вода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергомашиностроению и может быть использовано для привода в движение речных и морских судов, выработки электроэнергии, а в аварийных случаях для откачки забортной воды из корпуса судна.

Известен газоводореактивный движитель (Муслин E. Машины 20 века.- M.: Машиностроение, 1971, с. 206), который представляет собой обычный турбореактивный двигатель с газовой турбиной, реактивная струя которого по специально спрофилированному каналу направляется под днище судна. Смешиваясь с водой, струя газа увлекает образовавшуюся эмульсию и отбрасывает ее назад, образуя реактивную тягу.

Недостатком данного реактивного двигателя является низкий эффективный КПД порядка 10-14% (так как КПД движителя составляет примерно 0,5, а КПД собственно турбореактивного двигателя-газотурбинного двигателя без регенерации - 20-28% (см. Цкович A.M. Основы теплотехники.- М.: Высшая школа, 1975, с. 321), т.е. эффективный КПД будет равен (20-28%)0,5 = 10-14%.

Известна парогaзовая установка подводного аппарата (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника.- М.: Высшая школа, 1980, с. 353, 471), в которой в парогазовом котле при давлении 25-30 бар сгорает смесь керосина с воздухом, а в зону за фронтом пламени через специальные трубки-форсунки подается вода. Образовавшийся парогаз поступает через золотниковое распределение в поршневую расширительную машину двойного действия, которая вращает гребной винт.

Недостатком данной установки является низкий эффективный КПД порядка 10-15% (там же, с. 471), так как основная часть энергии горячего газа идет на превращение воды в пар. Кроме того, из-за высокого давления и температуры парогаза необходимо большое количество вспомогательного оборудования (компрессоры, топливные насосы, золотниковые распределители поршневой расширительной машины), что также увеличивает потери парогаза.

Цель изобретения - повышение эффективности КПД судовой энергетической установки.

Поставленная цель достигается тем, что в профилированный рабочий цилиндр, заканчивающийся соплом, через специальные распределительные устройства поступают горячий газ и забортная вода, а из сопла вылетает газоводяная смесь, создавая реактивную тягу.

По одному из вариантов горячий газ поступает в рабочий цилиндр, например из камеры сгорания, по другому варианту горячий газ поступает в силовую турбину, а затем в рабочий цилиндр.

В зависимости от конкретного исполнения забортная вода и горячий газ могут подаваться в рабочий цилиндр поочередно через вращающийся золотник или через гидравлический пульсатор, или непрерывно через эжектор, причем эжектирующей средой является забортная вода.

Сущность изобретения состоит в том, что забортная вода поступает в профилированный рабочий цилиндр, заканчивающийся соплом, в котором находится разряженная газоводяная смесь, движется в сторону меньшего давления к соплу, освобождая за собой свободный объем рабочего цилиндра, куда поступает горячий газ, который расширяется, одновременно сжимая и выталкивая предыдущую газоводяную смесь через сопло, создавая реактивную тягу, затем горячий газ смешивается с оставшейся забортной водой, образуя газоводяную смесь, охлаждается, создавая разряжение, необходимое для поступления в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа.

Параметры рабочего процесса судовой энергетической установки (мощность, расход топлива и т.д.) определяются соотношением горячего газа и забортной воды в рабочем цилиндре, а также профилем рабочего цилиндра и его размерами.

На чертеже изображен термодинамический цикл работы судовой энергетической установки по предлагаемому способу.

Процесс 1-2 - подвод тепла при постоянном давлении (это возможно при сгорании топлива в камере сгорания).

Процесс 2-2"-3 - расширение горячего газа, например, адиабатное после камеры сгорания. Возможны варианты: сразу в рабочем цилиндре или предварительно в силовой турбине, а затем в рабочем цилиндре.

Процесс 3-4 - охлаждение газа в рабочем цилиндре, например изобарное.

Процесс 4-1 - сжатие газа до атмосферного давления с отводом тепла, например изотермический.

Температура окружающей среды:

T₁ = 300 K (27^oC)

Давление окружающей среды:

P₁ = 1 бар

Максимальная температура цикла:

T₂ = 1500 K (1227^oC)

Давление, например, в камере сгорания постоянно и равно атмосферному:

P₂=P₁ = 1 бар

Температура конца адиабатного расширения:

T₃ = 600 K (327^oC)

Давление конца адиабатного расширения:

P₃ = 0,04 бар

(из уравнения адиабаты при K =1,4" - показатели адиабаты)

Температура охлаждения газа равна (теоретически) температуре окружающей среды:

T₄ = T₁ = 300 K (27^oC)

Давление охлаждения газа:

P₃ = P₄ = 0,04 бар

(из уравнения изобарного процесса)

Термодинамический КПД цикла

,

где q₁ = C_p (t₂-t₁) - кол-во подведенного тепла;

C_р = 1,13 кДпс/кг^oC - теплоемкость при постоянном давлении в диапазоне 30^oC t 1200^oC;

q₂ = C_p (t₃ - t₄) + RT₄lnP₁/P₄ - количество отведенного тепла;

- газовая постоянная воздуха, тогда





или 54%.

Для оценки эффективного КПД учтем тепловые гидравлические потери, например, в камере сгорания _к,с= 0,95-0,98 , принимаем 0,96 (см. Нигматуллин И.Н. Тепловые двигатели.- М.: Высшая школа, 1974, с. 197).

КПД движителя можно принять по аналогии с гидрореактивным двигателем _ч.д= 0,6-0,7 , берем _ч.д= 0,65 (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника.- M.: Высшая школа, 1980, с. 532).

КПД газовой турбины _г.т= 0,65-0,8 , берем _г.т= 0,75 (Алексеев Г.Н. Общая теплотехника.- М.: Высшая школа, 1980, с. 452).

Тогда эффективный КПД судовой энергетической установки

а) по п. 1 ¹_уст= _к.сг.дt= 0,960,650,54=0,34 или 34%

б) по п. 2 ²_уст= _{к.сг.дг.тt}= 0,96 0,65 0,54 0,75 = 0,25 или 25%

Значение эффективного КПД 34 и 25% в обоих случаях больше, чем у прототипа (10-15%).

Использование предлагаемого способа работы судовой энергетической установки по сравнению с существующими обеспечивает следующие преимущества:

1) более высокий эффективный КПД, что позволяет снизить эксплуатационные расходы (топливо, масла и т.д.), увеличить радиус действия судна;

2) более простую конструкцию (нет необходимости в компрессорах, топливных насосах, поршневых расширительных машинах), а следовательно, более низкую себестоимость;

3) большую жизнестойкость судна (так как установка работает при атмосферном давлении, в случае аварийной ситуации она может работать в режиме откачивающего насоса и генератора для выработки электроэнергии).