Способ работы судовой энергетической установки
Изобретение относится к энергомашиностроению и касается технологии работы газогидрореактивных движителей судов, выработки электроэнергии и технологии работы устройств для откачки забортной воды в аварийных ситуациях. Способ состоит в подаче в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа. Рабочий цилиндр является профилированным и заканчивается соплом. Вода поступает в цилиндр, когда в нем находится разреженная газоводяная смесь. Вода движется в сторону меньшего давления к соплу, освобождая за собой свободный объем рабочего цилиндра. В этот объем поступает горячий газ. Горячий газ расширяется, одновременно сжимая и выталкивая предыдущую газоводяную смесь через сопло, создавая реактивную тягу. Затем горячий газ смешивается с оставшейся забортной водой, образуя газоводяную смесь, охлаждаясь и создавая необходимое разрежение для поступления в рабочий цилиндр забортной воды и горячего газа. Газ может предварительно адиабатно расширяться в силовой турбине. Забортная вода и горячий газ могут поступать в цилиндр поочередно через вращающийся золотник. Забортная вода может через гидравлический пульсатор поступать в рабочий цилиндр и захватывать горячий газ. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективного КПД судовой энергетической установки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
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 (27oC) Давление окружающей среды: P1 = 1 бар Максимальная температура цикла: T2 = 1500 K (1227oC) Давление, например, в камере сгорания постоянно и равно атмосферному: P2=P1 = 1 бар Температура конца адиабатного расширения: T3 = 600 K (327oC)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 (27oC)
Давление охлаждения газа:
P3 = P4 = 0,04 бар
(из уравнения изобарного процесса)
Термодинамический КПД цикла
,
где q1 = Cp (t2-t1) - кол-во подведенного тепла;
Cр = 1,13 кДпс/кгoC - теплоемкость при постоянном давлении в диапазоне 30oC t 1200oC;
q2 = Cp (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 1уст= к.сг.дt= 0,960,650,54=0,34 или 34%
б) по п. 2 2уст= 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).
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1