Область техники

Изобретение относится к области промышленного машиностроения, и может быть использовано в частности, в двигателях внутреннего сгорания, к которым относятся поршневые, газотурбинные и реактивные двигатели.

Предшествующий уровень техники

Известен способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем объемного расширения. Этот способ включает подготовку топливовоздушной смеси, подачу ее в рабочую камеру, инициацию выделения энергии путем поджига или самовоспламенения смеси в закрытом объеме и обеспечение объемного расширения рабочего тела. Расширяющееся рабочее тело взаимодействует с преобразователем энергии поршневого или роторно-поршневого типа и совершает работу на валу двигателя.

Объемное расширение (вытеснение) характеризует способ преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию. При объёмном расширении осуществляется преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию, при этом изменение объема, создаваемого рабочим телом в рабочей камере, производит соответствующее перемещение передающего энергию механического органа. Кинетическая энергия рабочего тела при этом не оказывает существенного влияния на процесс.

По этому способу работают бензиновые и дизельные двигатели, четырехтактные и двухтактные, как поршневые, так и роторно-поршневые двигатели (Ю. Л. Ковылов, С. В. Крашенинников «Теория рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания» Минобрнауки России. Самарский государственный аэрокосмический университет им. СП. Королева. Самара, 201 1, стр. 1 1-20).

http ://www. ssau.ru/files/education/uch posob/%D0% A2%D0%B 5 %D0%BE %D 1 %80%D0%B8%D 1 %8F%20%D 1 %80%D0%B0%D0%B 1 %D0%BE%D 1 %87

%D0%B8%D1%85-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) %D0%9A%D0%BE%DQ%B2%D1%8B%D0%BB%D0%BE%D0%B2%20%D0% AE%D0%9B.pdf или

http://dropdoc.ru/doc/383417/teoriya-rabochih-kovylov-yul— samarskij- gosudarstvennyj

Рабочим циклом двигателей, работающих по этому способу, является периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих преобразование тепловой энергии в механическую работу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом.

Параметры такта расширения и горения:

- для дизелей при отсутствии наддува p _max ~ 5,0...7,5 МПа, при наддуве Ртах = 8,0...15,0 МПа и более; t _max = 1600...1900°С (Т _тах = 1900...2200°К).

- для бензиновых двигателей р _тах = 3,5...4,5 МПа (реже до 6,0 МПа); tmax = 2200...2500°С (Т _тах = 2500...2800°К),

где:

Ртах - максимальное давление в рабочей камере;

tmax (Тщах)— максимальная температура в рабочей камере.

В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

В известном способе преобразования энергии горения топлива в механическую энергию самым существенным недостатком является низкий КПД преобразования тепловой энергии горения в механическую энергию на валу двигателя.

Низкий КПД современных двигателей подтверждается параметрами конца такта расширения:

- для дизелей (без наддува) рь = 0,25...0,35 МПа; tb = 600...900°С (Ть = 900...1200°К);

- для бензиновых ДВС р _ь = 0,4...0,6 МПа; t _b = 1200... 1500°С (Т _ь = 1500...1800°К),

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) где:

Рь - давление в рабочей камере в конце рабочего хода поршня;

tb (Ть) - температура в рабочей камере в конце рабочего хода поршня.

(Шароглазов Б. А., Фарафонтов М. Ф., Клементьев В. В. «Двигатели внутреннего сгорания: теория, моделирование и расчёт процессов»: Учебник по курсу «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания». - Челябинск: Издание ЮУрГУ, 2005, стр. 39-53).

http://lib.susu.ru/ftd?base=SUSU METHOD&kev=000305263&dtvpe=F&etvpe=.pdf или http://www.studfiles.ru/preview/l 182278/page: 18/

Эти данные свидетельствуют об огромном количестве тепловой энергии, выбрасываемой в окружающую среду. Несмотря на постоянные усилия в совершенствовании двигателей внутреннего сгорания на сегодняшний день от 60 до 80% энергии топлива выбрасывается в атмосферу вместе с сопутствующими вредными газами С0 ₂ , СО, NOx и др.

Кроме того, поршневые двигатели имеют высокие механические потери

(10-20%) в системах и механизмах ДВС, которые связаны в основном с использованием трущихся уплотнений, которые обеспечиваются компрессионными кольцами, имеющими ограниченный срок службы.

Одним из существенных недостатков поршневых двигателей внутреннего сгорания является импульсный характер работы, который характеризуется степенью неравномерности крутящего момента:

К = M _max /M _av ,

где: М _тах - максимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя,

a _v - среднее значение крутящего момента двигателя.

С увеличением числа цилиндров коэффициент К уменьшается. Для четырехтактных одноцилиндровых бензиновых двигателей при полной нагрузке степень неравномерности крутящего момента составляет 7,74. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что на работу двигателя в целом равномерность работы оказывает большее влияние, чем уравновешенность. С увеличением равномерности крутящего момента, условия работы двигателя и механизмов автомобиля заметно улучшаются.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Все приведенные недостатки поршневых двигателей обусловлены способом преобразования энергии горения в механическую энергию, заключающимся в объемном расширении (вытеснении), при котором рабочее тело производит соответствующее перемещение передающего энергию механического органа. При этом способе работает давление рабочего тела, а его температура является вынужденным сопровождением процесса, которая в основном и приводит к низкому КПД преобразования.

Наиболее близким способом к заявляемому техническому решению является способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем необъемного расширения (вытеснения). Этот способ включает подготовку топливовоздушной смеси, подачу ее в рабочую камеру, поджиг и обеспечение необъемного расширения (вытеснения) рабочего тела в виде потока газов. Далее обеспечивают взаимодействие потока газов с преобразователем энергии путем прохождения потока через сопловый аппарат и подачу его на лопатки турбины, что приводит к преобразованию кинетической энергии потока газов в механическую энергию на валу двигателя.

Необъемное расширение (вытеснение) характеризует способ преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию. Он относится к таким машинам или двигателям, в которых преобразование потенциальной энергии сжатой текучей среды в кинетическую энергию потока газов целиком или частично происходит в роторе турбины.

По этому способу работаю все газотурбинные (ГТД) и реактивные двигатели (РД).

Для реализации данного способа в ГТД осуществляют подготовку топливовоздушной смеси, компрессором сжимают воздух и направляют в рабочую камеру. Топливным насосом подают топливо в рабочую камеру, в которой обеспечивают горение топливовоздушной смеси. Продукты сгорания (рабочее тело), имеющие высокое давление, формируют в сопловом аппарате, расположенном на статоре турбины в ускоренный поток газов. Последний направляют на лопатки ротора газовой турбины заставляя ее вращаться в заданном направлении совершая работу. (В.Н. Котовский, А.А. Комов. «Теория

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) авиационных двигателей». Часть I. Учебное пособие «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА). Москва, 2013 г. стр. 4-6). http://storage.mstuca.ru/handle/123456789/7572

По сравнению с первым способом преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем объемного расширения, на базе которого построены поршневые двигатели, данный способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию путем необъёмного расширения, на базе которого построены газотурбинные и реактивные двигатели, имеет ряд существенных преимуществ.

1. Газовая турбина имеет возможность развивать значительно большие обороты ротора. Что позволяет получать большую мощность от меньших по размерам двигателей, более легких по весу.

2. Единственным видом движения в газовой турбине является вращательное, что обеспечивает равномерность момента на валу двигателя, а так же его уравновешенность из-за отсутствия возвратно-поступательных движений деталей двигателя.

3. Отсутствие уплотняющих поверхностей трения при минимальном количестве подшипников обеспечивают минимальные механические потери, продолжительную работу и высокую надежность газотурбинного двигателя.

Параметрами реального цикла, определяющими экономичность двигателей, являются температура газа перед турбиной (Tg*= 1600-1700°К), суммарная степень сжатия (до 35), уровень аэродинамического совершенства лопаточных машин и гидравлических потерь по тракту, а также расход циклового воздуха на охлаждение турбины. В ГТД как в тепловой машине реализуется термодинамический цикл, обычно называемый простым газотурбинным циклом или циклом Брайтона.

Недостатком способа, основанного на необъёмном расширении является низкий КПД двигателей, реализующий данный способ. Одна из основных причин, которая сдерживает повышение термического КПД газотурбинных двигателей, заключается в необходимости искусственно ограничивать температуру газов, поступающих на лопатки турбины. Температуру газа перед турбиной приходится ограничивать, например, для

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) газотурбинных двигателей в гражданских авиационных турбинах до 800— 900°С в связи с ограничением ресурса высокожаропрочных сплавов турбины и их высокой стоимостью. При этом давление выхлопных газов современного газотурбинного двигателя за турбиной равно 0,15— 0,18 МПа, а температура 600— 700°С. В связи с этим большое количество тепловой энергии газотурбинного двигателя выбрасывается в атмосферу с выхлопными газами.

На сегодняшний день термический КПД газотурбинных двигателей составляет от 18 до 30 % и в значительной мере зависит от назначения двигателя его габаритов, режима работы и степени загруженности двигателя.

Тяга у газотурбинных двигателей - RTUR пропорциональна расходу воздуха - Gair через их газо-воздушный тракт и приращению скорости воздуха - AV:

RTUR - Gair- AV.

Эта закономерность тяги двигателя справедлива для всех разновидностей ГТД, работающих на принципе создания реактивной тяги. При большой скорости истечения газа возрастают потери кинетической энергии потока, что влечёт за собой снижение КПД двигателя. В указанную формулу не входит температура газа, то есть для получения тяги не имеет значения - горячий или холодный газ выходит из сопла, а вот с точки зрения термодинамического цикла двигателя истечение горячего газа из сопла означает бесполезную потерю существенной части тепла, что приводит к низкому КПД двигателя. (В.Н. Котовский, А.А. Комов. «Теория авиационных двигателей». Часть I. Учебное пособие «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА). Москва, 2013 г. стр. 9-12). http://storage.mstuca.ru/handle/123456789/7572

Кроме того, низкий КПД двигателей ГТД приводит к значительному количеству выхлопных газов и выделения с выхлопными газами загрязняющих веществ - окиси углерода, окислов азота, различных углеводородных соединений.

Приведенные недостатки газотурбинных двигателей обусловлены способом преобразования энергии горения в механическую энергию, заключающемся в необъёмном расширении (вытеснении) рабочего тела. При

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) этом способе работу осуществляет давление рабочего тела, которое создаёт скоростной поток газа, а температура рабочего тела на выхлопе является вынужденным сопровождением процесса преобразования энергии.

Наиболее близкой по конструкции к заявляемому техническому решению является газотурбинный (роторный) двигатель (RU 2387851, опубликованный 27.12.2009), реализующий способ необъёмного расширения в пульсирующем режиме. Двигатель содержит неподвижный цилиндрический статор. В камере статора размещен ротор турбины, включающий диск с рабочими лопатками. Процесс создания и сгорания рабочей смеси происходит в камере формирования импульсов газовых потоков (форкамере). Воздушный компрессор выполнен с приводом от вала ротора для создания необходимого давления воздуха в камере формирования импульсов газовых потоков. Через форсунку обеспечивают подачу горючего в камеру формирования импульсов, уплотненную газораспределительным клапаном. Клапан выполнен с возможностью открытия канала выхода рабочих газов из камеры формирования в виде импульсов газовых потоков на рабочие лопатки ротора турбины. В статоре турбины встроены одна или более камер формирования импульсов.

Рабочий процесс импульсного газотурбинного (роторного) двигателя состоит в следующем: воздух, сжимаемый компрессором, поступает через газораспределительный клапан в камеру формирования импульсов. После закрытия впускного окна газораспределительным клапаном через форсунку в камеру формирования импульсов подается необходимое количество топлива. Тем самым осуществляется приготовление топливовоздушной смеси. При начале открытия газораспределительным клапаном канала выхода рабочих газов из камеры формирования производится поджиг топливовоздушной смеси. В камере происходит сжигание рабочей смеси. Образовавшийся поток рабочих газов выходит из камеры формирования импульсов через канал направленного действия - форсунку тангенциально ротору. Импульсы газовых потоков, в необходимый момент положения ротора направляют на рабочие лопатки ротора турбины, где их кинетическая энергия преобразуется в энергию

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) вращения ротора турбины. Отработавшие газы выводят через выпускной канал в выхлопную трубу.

Приведенная конструкция импульсного газотурбинного (роторного) двигателя имеет ряд недостатков. Конструкция турбины ограничивает эффективность преобразования энергии горения топлива в механическую энергию ротора турбины. Импульс потока рабочего тела создается за счет перепада давлений в камере формирования импульса и в объёме рабочей камеры ротора. За счет процесса выравнивания давлений в этих камерах кинетическая энергия потока импульса снижается это приводит к тому, что только незначительная часть тепловой энергии преобразуется в механическую. Для объёма рабочего тела в импульсе процесс преобразования энергии осуществляется однократно и за небольшой промежуток времени. Эти недостатки приводят к тому, что большинство энергии рабочего тела цикла в виде тела выбрасывается в выхлопную трубу.

Для реализации способа преобразования энергии горения топлива в механическую энергию и устройства для его реализации необходимо чтобы камера формирования импульсов создавала газовые потоки в виде тороидальных вихрей.

В настоящее время тороидальные вихри применяются для ряда прикладных задач: в нелетальном оружии, при тушении фонтанирующих пожаров в нефтегазовой промышленности, при повышении эффективности сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания и в энергетике.

Известен способ формирования газового тороидального вихря, включающий импульсное сжатие части газообразной среды и подачу ее в зону формирования через круглое отверстие. (Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - 2-е изд., переработанное и дополненное - М, Наука. Главная редакция физикоматематической литературы. 1989 г. стр. 86-89).

http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s &source=web&cd=4&ved=0ahUK Ewii s K45TTAhXmNJoKHOHDAJcOFggwMAM&url=http%3 A%2F%2Flibl 00. com%2Fscience%2Fhvdrodvnamics%2Fpdf%2F&usg=AFOiCNFOLgVbR 7kzCM6 ZbRoPKDqSqqBPdg&cad=rit

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) При этом формирование тороидального вихря осуществляется за счет подачи порции высокоскоростного потока среды в такую же среду, находящуюся в покое. Если преграда на пути потока имеет замкнутый характер, а поток имеет импульсный характер, например, как это имеет место в аппарате Тэта: круглое отверстие в стенке ящика, то, импульсный поток от удара, проходя через него, закручивается на границе преграды в кольцевой тороидальный вихрь. В начальной стадии импульсного истечения газа в неподвижную газовую среду перед ней возникает динамическое препятствие, на котором струя газа растекается в поперечном направлении. Движущаяся и растекающаяся струя индуцирует течение приграничных со струей областей окружающего газа.

Аппарат для демонстрации тороидальных вихрей был придуман в середине 19-го века шотландцем Питером Тэтом и усовершенствован в начале 20 века американским физиком Робертом Вудом.

Описанный выше способ получения тороидальных вихрей имеет ограниченную область применения и позволяет получать вихри с малой энергоемкостью и малой частотой их повторения.

Известен другой способ формирования газового тороидального вихря, включающий импульсное сжатие части газообразной среды с помощью взрывчатого вещества (ВВ) и выброс сжатой среды из стакана. В трубе, закрытой с одного конца и свободной с другого (в стакане), производится подрыв заряда ВВ, расположенного у дна. При взаимодействии потоков сжатой газообразной среды с днищем и стенками стакана на последних образуется пограничный слой из заторможенных частиц. При удалении от поверхности стенок стакана скорость частиц возрастает - возникает градиент скоростей. В результате возникает их вращение, образуется тороидальный вихрь. По мере приближения к оси вихря скорость частиц возрастает, и давление внутри него падает. При выходе тороидального вихря из трубы стакана роль стенок стакана начинает выполнять также неподвижная окружающая среда с незначительными изменениями в пограничном слое.

Свойство газовых вихревых тороидальных колец сохранять свою геометрию и двигаться на большое расстояние (до 2 км), было исследовано в

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Институте гидродинамики СО АН СССР. Были проведены теоретические и экспериментальные исследования крупномасштабных кольцевых вихрей (М.А.Лаврентьев, Б.В.Шабат, Проблемы гидродинамики и их математические модели, - М.: Наука, 1973, стр. 334-352).

http;//dshininju Upload Books/AUploaded 2/Books/2007-08-

15/200708150008281.pdf

Однако этот способ является опасным из-за работы с взрывчатыми веществами. К тому же этот способ издает много шума, а также имеет очень малое быстродействие.

Наиболее близким способом к заявляемому техническому решению является способ формирования газового тороидального вихря, включающий сжатие части газообразной среды с помощью компрессора. Подачу сжатой среды в камеру формирования через высокоскоростной затвор, выполненный в днище стакана, и организацию взаимодействия потоков сжатой газообразной среды со стенками и днищем стакана камеры формирования.

Основу такого генератора составляет компрессор. Генератором вихрей выступает процесс взаимодействия со стенками стакана потоков сжатой газообразной среды, который создается импульсной ее подачей через быстродействующий затвор, установленный в днище стакана камеры формирования.

После высокоскоростного затвора, за счет перепада давлений формируется высокоскоростной заряд потока газообразной среды заданного объема. За счет взаимодействия сил вязкости этого потока (заряда) со стенками камеры формирования (стакана) и/или неподвижной газообразной среды в открытом пространстве происходит изменение направления движения части потока заряда, что приводит к сворачиванию всего объёма заряда в тороидальный вихрь (Меркулов В.И. Гидродинамика знакомая и незнакомая. - 2-е издание переработанное и дополненное, - М, Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1989 г. стр. 86-89).

http://www.google.ru/url?saH;&^^

Ewii s ^45TTAhXmNJoKHOHDAJcOFggwMAM&url=http ^o /o3A%2F%2Flibl00.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) com%2Fscience%2Fhvdrodvnamics%2FpdP/o2F&usg=AFOiCNFOLgVb R7kzCM6 ZbRoPKDqSqqBPdg&cad=rit

Генератор тороидальных вихрей, который, использует энергию воздушной струи компрессора, является более дешевым по сравнению с использованием взрывчатых веществ, более технологичен, менее шумный.

Недостатками наиболее близкого способа к заявляемому техническому решению является малая энергетическая эффективность формирования тороидального вихря и ограниченное быстродействие затвора.

В связи с тем, что высокоскоростной затвор должен удерживать высокую разницу давлений, а также обеспечивать большую площадь сечения открытого канала, он должен иметь значительные габариты и массу. В связи с этим усложняется его конструкция и ограничивается его быстродействие, а также затрачивается значительная энергия на преодоление сил инерции затвора.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является возможность повышения КПД двигателей внутреннего сгорания за счет более полного преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, а также снижения температуры выхлопных газов и снижение выбросов вредных газов С02, СО, NOx.

Указанный технический результат в способе преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, включающий подготовку, подачу и поджиг топливовоздушной смеси в рабочей камере, формирование рабочего тела в виде потока газов путем необъемного расширения, обеспечение взаимодействия потока газов рабочего тела с устройством преобразования энергии, обеспечение преобразования энергии рабочего тела в механическую энергию, достигается тем, что топливовоздушную смесь в рабочей камере формируют в одиночный газовый тороидальный вихрь и/или в поток одиночных газовых тороидальных вихрей, в каждом из которых создают твердотельное ядро вращения газов; обеспечивают поджиг топливовоздушной смеси и ее устойчивую трансформацию в рабочее тело в объёме тороидального

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) вихря, обеспечивают преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию путем одновременного взаимодействия тороидальных вихрей с устройством преобразования энергии и стенками рабочей камеры.

Преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию может быть осуществлено в рабочей камере, которая выполняется преимущественно круглой по сечению, при этом стенки рабочей камеры выполняют с повышенным газодинамическим сопротивлением в сторону, противоположную направлению движения тороидального вихря.

Преобразование энергии рабочего тела в механическую энергию может быть осуществлено в рабочей камере, которую выполняют в виде конусной трубы, осуществляющей преобразование внутренней вращательной кинетической энергии тороидального вихря в энергию поступательного его перемещения.

В рабочей камере поршневого двигателя формирование газового тороидального вихря может быть обеспечено путем взаимодействия газовой смеси со стенками рабочей камеры, поверхностью направляющих и рабочей поверхностью поршня, причем рабочие поверхности направляющих и поршня выполняют в виде части тороидальной поверхности.

Газовую смесь при подаче в рабочую камеру могут активировать путем нарушения внутриатомного баланса элементов вещества рабочего тела, например, воздействием катализаторов, магнитных, электрических и/или электромагнитных полей, также может обеспечиваться активация рабочего тела в потоке газового тороидального вихря, выполняющего функцию газодинамического физико-химического реактора.

Указанный технический результат в устройстве газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, содержащего статор турбины в камере статора размещен ротор турбины, включающий диск с лопатками, ротор турбины связан с выходным валом, который соединен с компрессором и топливным насосом, на статоре турбины смонтирована, по крайней мере, одна камера формирования импульсов газовых потоков, работающая в пульсирующем режиме при этом сопло камеры формирования направлено тангенциально ротору турбины, достигается тем, что рабочая камера статора

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) турбины имеет форму пустотелого тора, на внутренних стенках рабочей камеры статора турбины выполнен винтовой канал, который создает повышенное газодинамическое сопротивление тороидальному вихрю в сторону, противоположную направлению движения лопаток ротора, рабочие лопатки ротора турбины выполнены по форме поперечного сечения рабочей камеры й расположены в ней с зазором, а камера формирования выполнена в виде источника потока одиночных газовых тороидальных вихрей.

Рабочая поверхность лопаток ротора турбины может иметь углубление в виде фрагмента тора, а между диском ротора и внутренним разъёмом статора выполнен зазор, который является выхлопным каналом турбины.

Указанный технический результат достигается также реализацией способа формирования газового тороидального вихря путем организации взаимодействия потоков сжатой газообразной среды со стенками и днищем камеры формирования, за счет того, что газовый тороидальный вихрь формируют путем подачи потоков сжатой газообразной среды тангенциально внутренней поверхности днища камеры формирования, формирование осуществляют путем подачи потоков сжатой газообразной среды сонаправлено внутренним векторам движения (Vo, VR И V _r ) создаваемого тороидального вихря, а также распределением инжекционных сил по поверхности днища, возникающих от входящих потоков газообразной среды.

Газовый тороидальный вихрь могут формировать путем подачи потоков сжатой газообразной среды через систему кольцевых щелей, установленных в днище камеры формирования, при этом ее внутреннюю поверхность выполняют в виде сочетания поверхностей тора.

Формирование газовых тороидальных вихрей могут осуществлять в режиме автоколебаний, а их частота следования определяется объемом камеры формирования и производительностью входящих потоков сжатой газообразной среды.

На фиг. 1 - 7 показаны процессы преобразования энергии горения топлива в механическую энергию, пример конкретной реализации устройства, который иллюстрирует преимущества заявляемого технического решения,

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) возможность технической реализации и достижение заявляемого технического результата.

На фиг. 1 схематично показан процесс формирования и преобразование внутренней энергии вихря в его линейное перемещение.

На фиг. 2 схематично показан процесс преобразования внутренней энергии вихря в линейное перемещение поршня или лопатки.

На фиг. 3 схематично показан процесс формирования и преобразования внутренней энергии вихря в поршневом двигателе.

На фиг. 4 схематично показан разрез газотурбинного двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 5 схематично показано сечение А-А газотурбинного двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 6 схематично показан вид В газотурбинного двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 7 схематично показано сечение камеры формирования газового тороидального вихря.

Способ преобразования энергий горения топлива в механическую энергию может быть реализован в устройстве, схематично изображенном на фиг. 1, которое включает устройство подготовки топливовоздушной смеси (не показано на схеме), рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 1), ограниченной стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1). В начале рабочей камеры установлена камера формирования (позиция 3 на фиг. 1 ) импульсных газовых тороидальных вихрей (позиция 5 на фиг. 1), имеющих твердотельное ядро вращения (позиция 4 на фиг. 1). Плазменный воспламенитель (позиция 6 на фиг. 1), установлен в области основания центрального потока (вектора V) вихря (позиция 5 на фиг. 1) и соосно ему, и сформированному рабочему телу плазменно-газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 1). Рабочая камера (позиция 1 на фиг. 1) ориентирована на преобразователь, энергии, в качестве которого может быть реактивное сопло (позиция 8 на фиг. 1) или лопатка (позиция 9 на фиг. 2). На стенках камеры (позиция 2 на фиг. 2) выполняют винтовой канал (позиция 10 на фиг. 2) который выполняют с повышенным газодинамическим

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) сопротивлением в сторону, противоположную направлению движения вихря (позиция 7 на фиг. 2).

Заявляемый способ основан на следующих свойствах газового тороидального вихря.

Тороидальный вихрь существует как самостоятельная гидродинамическая структура, обладающая собственными закономерностями движения, в пространстве он ведет себя как отдельное упругое, выворачивающееся материальное тело.

В тороидальном вихре за счет баланса внутренних сил происходит преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию вращательного движения рабочего тела вихря.

Тороидальный вихрь позволяет запасать в нем значительное количество энергии и переносить ее на большие расстояния с минимальными потерями.

Способ преобразования энергии горения топлива в механическую энергию осуществляется следующим образом. В устройстве подготовки топливовоздушной смеси (не показано на схеме) осуществляют предварительную подготовку фильтрование, формирование процентного содержания топлива и др. Камера формирования (позиция 3 на фиг. 1) вырабатывает и подаёт в рабочую камеру (позиция 1 на фиг. 1 ) рабочее тело в виде импульсных газовых тороидальных вихрей (позиция 5 на фиг. 1), имеющих твердотельное ядро вращения (позиция 4 на фиг. 1). Одновременно с этим осуществляют последовательный поджиг вихрей импульсами плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 1) в области основания центрального потока вихря (позиция 5 на фиг. 1) по вектору V и соосно ему. Это позволяет суммировать потоки вихря с импульсом потока плазмы. Суммирование потоков, а также наличие твердотельного ядра вращения (позиция 4 на фиг. 1) в газовом тороидальном вихре (позиция 5 на фиг. 1) позволяет без разрушения трансформировать сформированные вихри в устойчивые плазменно-газовые тороидальные вихри (позиция 7 на фиг. 1) (далее вихри). Кроме того, на устойчивость формирования и горение вихрей влияет предварительная подготовка топливовоздушной смеси и ее активация, которая осуществляется в зоне ее подготовки, а также в камере формирования

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (позиция 3 на фиг. 1) и в зоне плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 1). Активация осуществляется обработкой магнитными, электрическими и электромагнитными полями и/или квантовыми излучениями, а также катализаторами.

Камера формирования (позиция 3 на фиг. 1) может быть выполнена одним из известных способов или способом, схематично приведенным на фиг. 7.

В рабочей камере (позиция 1 на фиг. 1), ограниченной стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1), которые выполняются преимущественно круглыми по сечению, сформированные устойчивые вихри (позиция 7 на фиг. 1) направляют на преобразователь энергии в качестве, которого может быть реактивное сопло (позиция 8 на фиг. 1) или лопатка (позиция 9 на фиг. 2). В процессе горения устойчивого вихря (позиция 7 на фиг. 1) энергия горения топлива, за счет внутривихревого баланса сил преобразуется в энергию движения потоков самого вихря (в кинетическую энергию вихря). После чего за счет взаимодействия вихря (позиция 7 на фиг. 1) со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1) рабочей камеры происходит преобразование внутренней кинетической энергии вихря в энергию поступательного его перемещения по вектору V. Происходит разгон массы m вихря (позиция 7 на фиг. 1) относительно стенок (позиция 2 на фиг. 1) рабочей камеры, что приводит к образованию силы реакции R _RE , которая определяет силу тяги двигателя (RTUR ~ Gair-AV), например в ГТД и РД, тем самым обеспечивая совершение работы.

При исполнении устройства преобразования в виде лопатки (позиция 9 на фиг. 2) за счет взаимодействия вихря (позиция 7 на фиг. 1) одновременно со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 1) и рабочей поверхностью лопатки (позиция 9 на фиг. 2) происходит преобразование внутренней кинетической энергии вихря (позиция 7 на фиг. 1) в энергию поступательного перемещения лопатки (позиция 9 на фиг. 2). По вектору V вихря (позиция 7 на фиг. 2) сила реакции R _RE преобразуется в силу давления F _b i на лопатку, выталкивая ее из рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 2), тем самым обеспечивая совершение работы.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Благодаря топологии вихря (позиция 7 на фиг. 2) передача силы Fbi на лопатку (позиция 9 на фиг. 2) происходит по касательной к рабочей поверхности лопатки, что обеспечивает передачу энергии за счет упругой деформации вихря (позиция 7 на фиг. 2). При взаимодействии вихря (позиция 7 на фиг. 2) с рабочей поверхностью лопатки (позиция 9 на фиг. 2) в зазоре со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 2) возникают силы инжекции, что исключает необходимость установки уплотнений в зазоре между лопаткой и стенкой канала, а также снижает потери энергии.

Для повышения взаимодействия вихря (позиция 7 на фиг. 2) со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 2), о которые вихрь отталкивается для осуществления движения лопатки (позиция 9 на фиг. 2) стенку камеры выполняют с повышенным газодинамическим сопротивлением в сторону противоположную направлению движения вихря. Для этого на стенке камеры (позиция 2 на фиг. 2) выполняют винтовой канал (позиция 10 на фиг. 2), который может быть выполнен в виде проточки с большой разницей углов наклона ее стенок.

В рабочей камере (позиция 1 на фиг. 3) поршневого двигателя формирование газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3) обеспечивается путем взаимодействия газовой смеси со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 3). В начале рабочего такта, сжатая топливовоздушная смесь расширяется, отслеживая движение поршня (позиция 9 на фиг. 3) от верхней мертвой точки (ВМТ). При этом за счет действия сил вязкости, инерции и трения в газовой среде топливовоздушной смеси в момент достижения критической скорости изменения объёма рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 3) формируется устойчивый газовый тороидальный вихрь (позиция 7 на фиг. 3).

Циклическое движение поршня (позиция 9 на фиг. 3), приводящее к сжатию и разрежению газа в рабочей камере (позиция 1 на фиг. 3) приводит к формированию аксиально-симметричных течений и развитию так называемой аксиально-симметричной турбулентности, в определенные моменты, объединяющиеся в структуру газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3).

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Критическая скорость изменения объёма рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 3) зависит от вязкости топливовоздушной смеси, ее состава и температуры. Для снижения критической скорости формирования вихря (позиция 7 на фиг. 3) в рабочей камере сгорания может быть установлена направляющая (позиция 1 1 на фиг. 3) и/или в поршне (позиция 9 на фиг. 3) выполнена выемка, рабочие поверхности, которых являются частью формы тора. С помощью плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 3), осуществляют воспламенение топливно-воздушной смеси в рабочем такте при его ходе от верхней мертвой точки после формирования устойчивого газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3). При этом поджиг осуществляют в области основания центрального потока вихря (позиция 7 на фиг. 3) по вектору V и соосно ему.

В процессе горения тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3) энергия горения топлива, за счет внутривихревого баланса сил преобразуется в энергию движения потоков самого вихря в кинетическую энергию вихря. При взаимодействии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 3) со стенками цилиндра рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 3) происходит торможение вихревых потоков за счет трения. Сила торможения создает силу реакции R _re , которая через упруго деформируемый, выворачивающийся тороидальный вихрь (позиция 7 на фиг. 3) передается на поршень (позиция 9 на фиг. 3) в виде силы F _p i _S . Таким образом, до самой нижней мертвой точки (НМТ) происходит постоянное преобразование энергии горения топлива в кинетическую энергию потоков вихря (позиция 7 на фиг. 3), которая за счет взаимодействия со стенками камеры (позиция 2 на фиг. 3) постоянно преобразуется в механическую энергию двигателя. Тем самым КПД двигателя увеличивается, а температура выхлопных газов снижается.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Лучший вариант осуществления изобретения

Достижение технического результата наиболее полно показано на примере газотурбинного двигателя внутреннего сгорания. Рабочий процесс турбины и ее конструкция могут быть реализованы в устройстве, схематично изображенном на фиг. 4 - 6, которое включает устройство подготовки топливовоздушной смеси и сжигание ее в камере формирования (позиция 3 на фиг. 4), выполненной в виде генератора тороидальных вихрей. Плазменный газовый поток формируется в камере в виде потока одиночных плазменно- газовьгх тороидальных вихрей (позиция 7 на фиг. 4 - 6), основной вектор которых направлен тангенциально траектории движения центральной части рабочей поверхности лопаток (позиция 9 на фиг. 4) ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6). При этом рабочая камера (позиция 1 на фиг. 4 - 6) статора (позиция 13 на фиг. 4 - 6) выполнена в виде пустотелого тора. Рабочие лопатки (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора турбины выполнены по форме поперечного сечения рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 4 - 6), размещенных с необходимым зазором в пустотелом торе камеры статора турбины. Лопатки жестко закреплены на диске ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6), который неподвижно соединен с валом двигателя (позиция 14 на фиг. 4 и 5). По внутренней поверхности диска статора (позиция 13 на фиг. 4 - 6) турбины выполнен разъём (позиция 15 на фиг. 4 - 6), в котором с зазором располагается часть диска ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6). Разъём (позиция 15 на фиг. 4 - 6) также выполняет роль выхлопного канала двигателя. На валу двигателя могут быть установлены воздушный компрессор и топливный насос, не показанные на рисунках. Рабочая поверхность лопаток (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора выполнена в виде фрагмента сферы. Винтовой канал (позиция 10 на фиг. 4), выполненный на стенках камеры (позиция 2 на фиг. 4) пустотелого тора рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 4) может представлять собой проточку с большой разницей углов наклона ее стенок, причем меньший угол направлен в сторону движения лопаток ротора турбины.

Рабочий процесс газотурбинного двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом. Сжатый воздух и топливо под давлением, созданные компрессором и насосом (на схеме не указаны), которые могут быть

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) установлены на валу (позиция 14 на фиг. 4 и 5) турбины подаются в устройство подготовки трпливовоздушной смеси и сжигаются в камере формирования (позиция 3 на фиг. 4), работающей в пульсирующем режиме. На выходе камеры формирования создается плазменный газовый поток в виде потока одиночных плазменно-газовых тороидальных вихрей (позиция 7 на фиг. 4 - 6), основной вектор которых направлен тангенциально траектории движения центральной части рабочей поверхности лопаток (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора (позиция 12 на фиг. 4 - 6). Плазменный газовый поток в виде потока одиночных плазменно-газовых тороидальных вихрей (позиция 7 на фиг. 4 - 6), подается на рабочую поверхность лопаток (позиция 9 на фиг. 4 - 6), выполненных в виде фрагмента тора. В процессе одновременного взаимодействия плазменно-газового тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) с рабочей поверхностью лопатки (позиция 9 на фиг. 4 - 6) и стенками камеры (позиция 2 на фиг. 4 - 6) пустотелого тора рабочей камеры (позиция 1 на фиг. 4 - 6) статора (позиция 13 на фиг. 4 - 6) осуществляется передача кинетической энергии плазменно-газового тороидального вихря ротору (позиция 12 на фиг. 4 - 6) турбины. Передача запасенной в тороидальном вихре энергии по вектору линейного перемещения тора Vo осуществляется за счет воздействия на лопатку (позиция 9 на фиг. 4 - 6) инерционных сил всей массы тороидального плазменного вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6). Передача запасенной энергии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) по вектору тороидального вращения V _r осуществляется за счет трения вихря о стенки (позиция 2 на фиг. 4 - 6) пустотелого тора статора с реакцией силы трения R _re и передачи ее на лопатку (позиция 9 на фиг. 4 - 6). Для увеличения силы сцепления тороидального плазменного вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) с поверхностью стенки (позиция 2 на фиг. 4 - 6) пустотелого тора статора турбины на этой поверхности выполнен винтовой канал (позиция 10 на фиг. 6). Передача запасенной энергии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) по вектору радиального вращения тора VR осуществляется за счет взаимодействия с винтовым каналом (позиция 10 на фиг. 6) в который тороидальный вихрь «ввинчивается», толкая перед собой лопатку (позиция 9 на фиг. 4 - 6). В результате суммирования этих трех сил получается сила Fbi на лопатку

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (позиция 9 на фиг. 4 - 6), с помощью которой передается практически вся запасенная в тороидальном вихре (позиция 7 на фиг. 4 - 6) кинетическая энергия ротору (позиция 12 на фиг. 4 - 6) турбины.

Процесс взаимодействия тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6) со стенкой камеры (позиция 2 на фиг. 4 - 6) и лопаткой (позиция 9 на фиг. 4 - 6) ротора осуществляется непрерывно при вращении вихря по траектории пустотелого тора турбины до достижения минимальной критической величины энергии тороидального вихря (позиция 7 на фиг. 4 - 6), после чего он разрушается. Отработанное рабочее тело поступает на выхлоп через зазор между разъёмом (позиция 15 на фиг. 4 - 6) и ротором (позиция 12 на фиг. 4 - 6). Тем самым, обеспечивается и необходимое взаимодействие, и необходимое время для преобразования большего количества энергии горения в механическую энергию, за счет чего температура рабочего тела на выхлопе двигателя снижается в два - три раза по отношению к стандартному режиму работы газотурбинного двигателя.

Для достижения указанного технического результата при реализации способа преобразования энергии горения топлива в механическую энергию в устройстве газотурбинного двигателя внутреннего сгорания необходимо наиболее эффективно осуществить формирование газового потока в виде потока одиночных газовых тороидальных вихрей.

Способ формирования газового тороидального вихря может быть реализован в устройстве камеры формирования (позиция 3 на фиг. 7), которая включает устройство сжатия части газообразной среды, например, компрессор (не показан на схеме). Камера формирования (позиция 3 на фиг. 7), образована стенками камеры (позиция 2 на фиг. 7), с одного торца закрытого днищем (позиция 16 на фиг. 7), а с другой стороны камера соединяется с рабочей камерой (позиция 1 на фиг. 4) турбины. При этом внутренняя поверхность днища (позиция 16 на фиг. 7) выполнена в виде части торообразной формы, в которой расположены не менее одного кольцевого щелевого отверстия (позиция 17 на фиг. 7), соединяющего камеру формирования (позиция 3 на фиг. 7) и источник высокого давления, причем одна из стенок щелевых отверстий является касательной к внутренней поверхности днища (позиция 16 на фиг. 7)

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) или стенке (позиция 2 на фиг. 7). Внутренняя поверхность днища (позиция 16 на фиг. 7) выполнена в виде сочетания криволинейных поверхностей, например в виде части тороида. При этом векторы потоков Vn на входе в камеру формирования (позиция 3 на фиг. 7) соосны вектору V _r формируемого тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7). По центральной оси вектора Vo тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) расположено осевое отверстие воспламенителя (позиция 6 на фиг. 7) для импульсного управления и поджига вихря. Осевой выступ (позиция 18 на фиг. 7) является частью тороидальной поверхности днища (позиция 16 на фиг. 7).

Способ формирования газового тороидального вихря осуществляется в следующем порядке. Компрессором (не показан на схеме) создается перепад давления на вводе в кольцевые щелевые отверстия (позиция 17 на фиг. 7) по отношению к давлению в камере формирования (позиция 3 на фиг. 7). За счет перепада давления возникают потоки газообразной среды через кольцевые щелевые отверстия (позиция 17 на фиг. 7), направленные тангенциально внутренней поверхности торообразной камеры формирования. Таким образом, происходит преобразование энергии перепада давления непосредственно в кинетическую энергию тороидальных вихрей (позиция 4 на фиг. 7). При этом направление потоков Vn соосно векторам V _r формируемого тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) способствует минимальным затратам энергии. Вместе с тем потоки сжатой газообразной среды Vn направляют под углом от 0 до +/- 45° к радиальному направлению основной оси камеры или вектору Vo, задавая угол и направление винтового вращения тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) по вектору VR. Возникающие силы инжекции Fj„ _j в зонах входа потоков газообразной среды кольцевых щелевых отверстий (позиция 17 на фиг. 7) в основном формируют и удерживают вихрь (позиция 4 на фиг. 7) в камере формирования (позиция 3 на фиг. 7) до появления равенства суммы сил инжекции Fj _nj с суммой сил перепада давления между камерой формирования (позиция 3 на фиг. 7) и ее выходом, а также сил трения F _fr , возникающих в зоне пограничного слоя внутренней поверхности рабочей камеры и формируемого вихря (позиция 4 на фиг. 7). Момент отрыва формируемого тороидального

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) вихря (позиция 4 на фиг. 7) может корректироваться импульсом плазменного воспламенителя (позиция 6 на фиг. 7).

В момент отрыва тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) сумма инжекционных сил Fj„ _j с большой скоростью уменьшается, а сумма сил трения F _fr - увеличивается, что приводит к резкому перемещению формируемого тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) из камеры формирования (позиция 3 на фиг. 7). В рабочей камере (позиция 1 на фиг. 7) вихрь (позиция 4 на фиг. 7) трансформируется в плазменно-газовый тороидальный вихрь (позиция 7 на фиг. 7).

Во время разгона вихря (позиция 7 на фиг. 7) в рабочей камере (позиция

1 на фиг.7) в камере формирования (позиция 3 на фиг. 7) возникает дополнительное снижение давления, что приводит к повышению скорости потоков газообразной среды через кольцевые щелевые отверстия (позиция 17 на фиг. 7) и, следовательно, возросшим инжекционным силам F, _nj удержания. Все это способствует формированию последующего тороидального вихря (позиция 4 на фиг. 7) и повторению процесса формирования в режиме автоколебаний, частота которых определяется объемом камеры формирования и производительностью подаваемых в камеру потоков газообразной среды. Промышленная применимость

Таким образом, достигается технический результат изобретения, заключающийся в том, что обеспечивается более полное преобразование энергии горения топливовоздушной смеси в механическую энергию двигателей внутреннего сгорания. При этом их выхлопные газы приобретают более низкую температуру по сравнению с существующими способами. В связи с чем значительно повышается КПД двигателей внутреннего сгорания, реализующих предлагаемый способ, при этом значительно снижаются выбросы вредных газов С02, СО, NOx.

Приблизительно оценить термический КПД двигателей внутреннего сгорания можно по идеальному циклу Карно:

η _τ = 1-Τ2/ΊΊ,

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) где Tl - максимальная температура в цикле горения;

Т2 - температура выхлопных газов.

Для дизельных двигателей без наддува имеющиеся на сегодня температурные данные: Tl = 2173°К (1900°С), Т2 = 1 173°К (900°С).

При этом η _τ = 1-Т2/Т1 = 1-1173/2173 = 0,460 (46,0%).

Для ГТД двигателей (гражданской авиации):

Т1 = 1 173°К (900°С), Т2 = 873°К (600°С).

При этом η _χ = 1-Т2/Т1 = 1-873/1 173 = 0,256 (25,6%).

Использование в этих двигателях предлагаемого способа преобразования энергии горения топлива в механическую энергию может уменьшить температуру выхлопных газов в два раза (с градусах Цельсия), в отдельных экспериментах падение было зафиксировано более чем в три раза.

При этом термический КПД может составить:

- дизельный двигатель - при снижении в два раза Т2 = 723°К (450°С) η _τ = 1-Т2/Т1 = 1-723/2173 = 0,667 (66,7%), был 46% - повышение на

45%;

- газотурбинный двигатель - при снижении в два раза Т2 = 573°К (300°С)

η _τ = 1-Т2/Т1 = 1-573/1 173 = 0,512 (51,2%), был 25.6% - повышение на 100%;.

Таким образом, достигается технический результат изобретения.

Кроме повышения КПД газотурбинного двигателя внутреннего сгорания, реализация изобретения позволяет создать двигатели с более низкой скоростью ротора (в 2-3 раза) при сохранении мощности и размеров, что упрощает технологию производства двигателей, повышает их ресурс и снижает эксплуатационные затраты.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)