Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
СИЛОВАЯ УСТАНОВКА

СИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Сущность изобретения: введено тормозное устройство, а установка термохимической обработки воды и испарительная установка работают на тепловой энергии выпускных газов, причем газ вдувает в воду гранулы сыпучего материала. 13 з.п. ф-лы, 72 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2029880
Класс(ы) патента: F02G5/04
Номер заявки: 4731971/06
Дата подачи заявки: 24.08.1989
Дата публикации: 27.02.1995
Заявитель(и): Меньшиков Станислав Степанович
Автор(ы): Меньшиков Станислав Степанович
Патентообладатель(и): Меньшиков Станислав Степанович
Описание изобретения: Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению.
Известен комбинированный двигатель внутреннего сгорания, содержащий двигатель внутреннего сгорания, работающий по четырехтактному или двухтактному циклу, выпускной коллектор, газотурбинную установку, ресивер наддува (Уокер Г. Двигатели Стирлинга. М., Машиностроение, 1985, с.17).
Недостатки этого двигателя заключаются в том, что турбина, включенная в выпускной газовый тракт двигателя, повышает давление выпуска, что снижает мощность и эффективность двигателя, при сжигании сернистых топлив в атмосферу выбрасывается ряд кислотных соединений, отравляющих атмосферу.
Известен комбинированный двухтактный крейкопфный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, поршень в цилиндре, разделяющий объем цилиндра на верхнюю и нижнюю полости, окна газообмена цилиндра, выпускной клапан при прямоточно-клапанной продувке, золотники наддува и выпуска, выпускной коллектор, ресивер наддува, маховик коленчатого вала, газотурбинную установку системы наддува, содержащую сетку, предохраняющую лопатки турбины от твердых частиц продуктов сгорания, турбину, турбокомпрессор, водо-воздушный холодильник, тепловая энергия отходящих газов частично исользуется в утилизационном котле.
Недостатки этого двигателя заключаются в том, что дальнейшее повышение цилиндровой мощности интенсификацией дизельного цикла вызывает опасное возрастание нагрузок на кривошипно-шатунный механизм (КШМ), не задействован в полезной работе объем нижней полости цилиндра, высокий коэффициент продувки вызывает повышение потребляемой мощности турбокомпрессором ГТУ и уменьшение температурного потенциала выпускных газов, повышение коэффициента избытка воздуха с уменьшением частоты вращения коленчатого вала, эрозионный износ лопаток турбины твердыми частицами продуктов сгорания, увеличивающийся с повышением температуры выпускных газов, частичное использование тепла отходящих газов в утилизационном котле повышает противодавление в газовом тракте, что снижает эффективность и мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и ГТУ, снижение температуры отходящих газов ниже 180оС вызывает кислотную коррозию в концевых устройстах выпускного тракта, содержащиеся кислотные соединения в отходящих газах отравляют окружающую среду, потери тепла наддува в водо-воздушном холодильнике, ударный характер на КШМ при резком изменении нагрузки и возможность разноса при резком отключении нагрузки, динамические и статические колебания вращения коленчатого вала из-за недостаточной инертной массы маховика и степени нечувствительности центробежного регулятора.
Целью изобретения является увеличение агрегатной мощности и эффективности турбо-поршневого двигателя (ТПД), максимальное снижение выброса в атмосферу кислотных соединений с отходящими газами, повышение эффективности и рентабельности парового вспомогательного котла (ПВК): для повышения мощности ТПД форсаж, для комбинирования по необходимости агрегата ДВС - ГТУ в агрегат ПВК - ГТУ, при этом с возможностью работы ПВК на твердом топливе, повышение экологичности энергетической установки нейтрализацией продуктов сгорания.
Цель достигается тем, что в турбо-поршневом двигателе (ТПД) полезные работы двухтактного крейцкопфного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и паро-газовой турбинной установки (ПГТУ) зависимы от действующей нагрузки, а также взаимозависимы как от тепловых процессов, протекающих в газовоздушных устройствах ТПД, так и от электромагнитного взаимодействия в редукторе коленчатый вал ДВС - роторы ПГТУ.
Для этого в турбо-поршневой двигатель, содержащий двухтактный крейцкопфный двигатель внутреннего сгорания и газо-турбинную установку, дополнительно введены устройства, обеспечивающие использование маятникового эффекта возвратно-поступательно движущихся масс поршневой гурппы, подвод тепла в объем нижней полости цилиндра от выпускного коллектора и отвода тепла в холодильник с повышением коэффициента теплопередачи, поддержание среднего эффективного давления в объеме нижней полости цилиндра в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, снижение коэффициента продувки разбивкой процесса газообмена на два периода - продувка нагретым воздухом - наддув холодным воздухом, поддержанием коэффициента избытка воздуха в заданных значениях на различных нагрузках ТПД в зависимости от подачи топлива и температуры выпуска; повышением потенциала температуры отходящих газов; введением датчика температуры, воздействующим на органы газовыпуска ДВС и на подачу питательной воды, циклонное отделение твердых частиц продуктов сгорания и отвод их на нагреватель испарителя; регулированием доли мощности ДВС и ПГТУ в агрегатной мощности ТПД, изменением давления и температуры выпуска ДВС, трансформацией энергии выпускных газов энергию паро-газовой смеси, использованием звукового излучения для усиления эжекции и контроля ее, очисткой газов от кислотных соединений на лопатках турбины, использованием скоростной характеристики паро-газовой смеси и газо-водяной эмульсии для активной конденсации пара на параметрах, близких к атмосферным давлению и температуре; введением редуктора, работающего по принципу асинхронного преобразователя частоты, электрически связывающего коленчатый вал ДВС и ротор ПГТУ для: передачи полезной мощности турбины ПГТУ на коленчатый вал ДВС; демпфирования статических и динамических колебаний вращения коленчатого вала ДВС инертной массой вращения роторов ПГТУ и редуктора (ПГТУ-Р); введением тормозного устройства, повышающего потребляемую мощность компрессора ПГТУ-Р при резком увеличении частоты вращения коленчатого вала ДВС и снижающего температуру воздуха на входе в компрессор; введением распределителя нагрузки компрессор - редуктор для поддержания давления наддува, необходимого для заданного режима работы ДВС.
А также использованием тепла наддува (охлаждающей воды) для усиления работы нижней полости цилиндра ДВС, использованием тепла газов и отсепарированных твердых частиц продуктов сгорания для: подачи воды и раствора щелочи на испаритель; циркуляции сыпучего материала (СМ) бункер - нагреватель - бункер, осаждения накипеобразующих и растворимых солей на гранулах СМ; нагрева воды в количестве, достаточном для получения питательной воды для заданного режима двигателя; введением конденсатора выпара для отбора тепла и влаги из газов, отходящих в атмосферу.
В ТПД - агрегат ДВС - ПГТУ-Р максимально реализуются достоинства ДВС - высокая степень сжатия, максимальное давление цикла, степень расширения ПГТУ-Р.
На фиг.1 изображена схема и диаграмма в осях P-V турбо-поршневого двигателя (ТПД); на фиг.2 - цилиндр ДВС, поршень в нижней мертвой точке (НМТ); на фиг. 3 - цилиндр ДВС, поршень в верхней мертвой точке (ВМТ); на фиг.4 - схема взаимодействия возвратно-поступательно движущихся масс и инертных масс ДВС, использования тепла наддува в работе нижней полости цилиндра (НПЦ); на фиг.5 - индикаторные диаграммы в осях дизельного цикла и работы НПЦ; на фиг. 6 - диаграмма движущихся сил в осях Pg - ϕo; на фиг.7 - диаграмма в осях P-V дизельного цикла, НПЦ и камеры продувки; на фиг.8 - распылитель - подачи нет; на фиг.9 - распылитель - подача; на фиг.10 - нагнетатель; на фиг. 11 - регулятор время-сечение; на фиг.12 - скалка, максимальный ход; на фиг.13 - скалка зажата; на фиг.14 - схема, поясняющая влияние изменения хода скалки на время - сечение выпускного клапана; на фиг.15 - механизм изменения опережения золотника; на фиг.16 - циклонный сепаратор и датчик температуры; на фиг.17 - разрез А-А на фиг.16; на фиг.18 - разрез Б-Б на фиг. 16; на фиг.19 - разрез В-В на фиг.16 - сепарация; на фиг.20 - схема очистки циклона и выбивки сетки; на фиг.21 - датчик температуры; на фиг.22 - регулятор питательной воды - циркуляция; на фиг. 23 - разрез Г-Г на фиг.21 (датчик, совмещенный с регулятором питательной воды - подача); на фиг.24 - активный конденсатор; на фиг.25 - разрез Д-Д на фиг.24; на фиг.26 - трансформатор тепла - сопло втянуто; на фиг.27 - разрез Е-Е на фиг.26; на фиг.28 - то же, спираль трубопровода развернута; на фиг.29 - трансформатор тепла - сопло выдвинуто; на фиг.30 - сопло - подачи нет; на фиг.31 - сопло - максимальная подача; на фиг.32 - сопло, разрез; на фиг.33 - то же, вариант; на фиг. 34 - разрез Ж-Ж на фиг.32; на фиг.35 - диаграмма в осях P-V м/с (P - q кг/с) - сравнение изменения скорости истечения V сопла с переменным квадратным сечением и сопла с постоянным круглым сечением при S1макс = S2; на фиг. 36 - тепловая схема ТПД; на фиг.37 - гидрофоры; на фиг.38 - привод; на фиг. 39 - кулачок; на фиг.40 - бункер и элеватор; на фиг.41 - разрез З-З на фиг.40; на фиг.42 - регулятор уровня; на фиг.43 - разрез по оси качания поплавков; на фиг. 44 - вид сверху по оси вращения передающей шестерни; на фиг. 45 - бункеры; на фиг.46 и 47 - механизм задержки; на фиг.48 - разрез И-И на фиг.47; на фиг.49 - автомат расхода; на фиг.50 - разрез К-К на фиг. 49; на фиг. 51-53 - схемы золотникового переключения бункеров; на фиг.54 - нагреватель с дегазатором; на фиг.55 - испаритель; на фиг.56 - схема тормозного устройства; на фиг.57 - тормозное устройство; на фиг.58 - шибер; на фиг. 59 - разрез Л-Л на фиг.58; на фиг.60 - створка; на фиг.61 - вытяжной вентилятор и эжекция отходящих газов; на фиг.62 - электрическая схема редуктора; на фиг.63-67 - схемы открытия-закрытия клапанов; на фиг.68-72 - схемы работы вспомогательного двигателя.
ТПД содержит тормозное устройство 1, ресивер 2 наддува, ДВС 3, регулятор "Время-сечение" 4, привод 5 регулятора, синхронный генератор 6, асинхронный двигатель 7, выпускной коллектор 8, датчик 9 температуры, регулятор датчика 10, регулятор 11 питательной воды, насос 12 питательной воды, охладитель 13 наддува, циклонный сепаратор 14, шибер 15, трансформатор 16 тепла, спираль 17 трубопровода, сопло 18, пароперегреватель 19, распределитель 20 нагрузки, турбину 21, теплообменник 22, (34, 60, 61, 62, 145, 167, 168,342, 353, 370, 374, 379, 383, 387, 390); распылитель 23, зону 24 конденсации, турбонасос 25, трубопровод 26 холодного воздуха, турбокомпрессор 27, редуктор 28, бункеры 29, нагреватель 30 с испарителем, отсек 31 питательной воды, трубопровод 32 твердых отсепарированных частиц и газа, трубопровод 33 питательной воды, теплообменник 34, бак 35, систему 36 водоподачи, магистраль 37 пускового воздуха, кулачный вал 38, золотник 39 воздухораспределения, распределительный вал 40, камеру 41 продувки, коромысло 42, штангу 43, пусковые клапаны 44 (50), пружины 45 (69, 75, 87, 126, 163, 201, 208, 268, 283, 297, 298, 302, 303, 305, 306, 310, 338, 360, 409, 425, 449), выпускной клапан 46, крышку 47 цилиндра, окна 48 наддува, окна 49 продувки, поршень 51, клапан 52, крышку 53 нижней полости цилиндра, распылитель 54, газовый тракт 55, воздуховод 56, зарубашечное пространство 57, золотник 58 наддува, выпускной клапан 59, оребрение 63, водосборник 64, нагнетатель 65, штуцер 66, подачу 67 охлаждения, колпачок 68, плунжер 70, резьбу 71 (78, 319), регулирующий винт 72 (160, 410), резьбовые детали 73 (76), клапан 74, поплавок 77, иглу 79, штуцер 80, стержень 81, гидрожидкость 82, пробку 83, кнопку 84, плунжерную втулку 85 (94, 91), плунжер 86 (93), деталь 83, корпус 89 клапана, клапан 90, канал 92, скалку 95, вал 96 золотника наддува, эксцетрик 97, тягу 98, косозубые шестерни 99 (100), сетку 101, кольцевую деталь 102, рычаг 103, боек 104, фланцы 105 (109, 110), жаровую трубу 106, кольцо 107, корпус 108, цилиндр 111, отсепарированные частицы 112, крышку 113, люк 114, бункер 115 запаса, отсек 116 загрузки, тягу 117, стержень 118, патрубок 119, рычаг 120, груз 121, ось 122, ролики 123, пружинные сепараторы 124, регулирующую гайку 125, деталь 127, рычаг 128, гайку грундбуксы 129, сальник 130, штуцер 131, клапан 133, посадочное гнездо 134, клапан корпуса 135, рециркуляцию 136, подачу 137, лопатки 138 ротора турбины, корпус улитки 139 турбины, сеточно-жалюзийный влагоотделитель 140, турбину 141 турбонасоса, центробежный насос 142, воду 143, фланец 144, радиатор 145, поплавок 146, клапан 147, бобышку 148, отвод 149 газов, подачу 150 охлаждения, форсажные лопатки 151 ротора и статора турбины, регулирующий стержень 152, деталь 153, фланец 154 поступления газов, фланец 155 питательной воды, осевой трубопровод 156, конфузор 157, диффузор 158, створки 159 (164) сопла, регулирующий винт 160, пластину 161, ось 162, деталь 165 и 166 пружинной камеры, насос 169 охлаждения ДВС, бункеры 170 (187), паровой (вспомогательный) котел (ПВК) 171, насос 172 циркуляции ПВК, гидрофоры 173 (175, 176, 178), пневматический мотор-редуктор 174 (177), сопловый аппарат 179, нагреватель 180, дегазаторы 181, 183, нейтрализатор 182, ступени 184, 185, 186 испарителя, элеватор 188, шламовую цистерну 189, циклон 190 продувки, отсек 191 запаса питательной воды (деаэратор), бак 192 растворения щелочи, расходный бак 193 щелочного раствора, конденсатор 194 выпара, бак 195 конденсатора выпара, эжекторы 196, 197 (427), пробковые краны 198 (221) питательной воды, пробковый кран 199 подачи газа; клапаны 200 (209) разгрузки, кулачковую полумуфту 202, вал 203 редуктора, цапфу 204 (220), пробкового крана, упор 205, шестерни 206 (219, 222, 224), пружинную муфту 207, редуктор 210, пневмомотор 211, клапаны 212 (215, 225, 226, 230, 257, 259), поплавки 213 (217, 245, 249, 343, 371, 380, 388, 405), шнур 214 (216), коробку 218 дырчатую, вал 223, шнек 227, корпус 228, бункер 229 расхода, патрубок 231, камеру 232 расхода, заслонку 233, регулятор 234, смеситель 235, бункер 236 элеватора, разделяющие прорези 237, стержни 238, плиту 239, отверстия 240, поддон 241 элеватора, камеру 242, редуктор 243, пневмомотор 244, шестерни 246 (248), вал 247, стойку 250, кожух 251 сигнальной камеры, подвижную полку 252 (256, 258), неподвижную полку 253, мембранный исполнительный механизм (МИМ) 254 (285, 296, 299, 311, 408, 434), заслонку 255, зубчатые сектора 260 261, груз 262, тягу 263, рычаг 264, упор 265, червяки 266, 424, червячную шестерню 267, ось 269, корпус 270 (423), фланец 271, регулирующий вентиль 272 (288, 289, 300, 301, 309, 345, 373, 382, 385), пробковый кран 273 (277, 335), клапаны 274, 290 с приводом от МИМ, сильфонные исполнительные механизмы (СИМ) 275, 276, кран 277, золотник 278 (280, 282, 286, 287, 293, 294, 307, 308, 353), привод золотников 279, 281, невозвратный клапан 284, магистральный канал 291, бачки 292, 295 "Выдержка времени", отвод 304 (316), экран 312, патрубок 313, деталь 314, трубки 315 (318), перегородку 317, штуцер 319, отверстия 320, 321, 330, 333, отбойное кольцо 322, полости 323 (325, 362) нагревателя, вентилятор 324, лопатки 326, 327 соответственно статора, ротора, турбины 328, центрифугур 329, ось 331, осевой канал 332, обтекатель 334, подачу 336 щелочного раствора, сильфон 337, винт 339 (346), голоку дегазатора (деаэратора) 340 (368, 377, 384), разгруженный клапан 341 (369, 378, 386, 395, 396, 400, 401), бачок 344 (372, 381, 389) поплавка, клапан 347, сосуд 348, стержень 349, отверстия 350, канал 351, деталь 352 (355), стержень-золотник 354, воду 358, клапан 359, регулирующую гайку 361, смеситель 363, тарелки 364 (404), жалюзи 365, водоуказательное стекло 366, импульсную трубку 367, коробку 375 с перегородками, уголок 376, дырчатый лист (сетка) 391 (403), вентиль 392 (394, 399), фильтр 393, трубку 397, перегородку 398, сборник 402 конденсата, вихревую трубку 406, кольцевой золотник 407, регулирующий винт 410, корпус 411, зубчатый венец 412 (414), каналы 413, толкатель 415, рычаг 416, согласующее кольцо 417, пластину 418, деталь 419, поводок 420, ось 421, стержни 422, вытяжной вентилятор 426, трубу 428, кожух 429, обмотку 430 (439, 440) статора, обмотку 431 (443, 444) ротора, трансформатор 432, первичную обмотку 433, выпрямитель 435 (441), катушку 436 электромагнита, якорь 437, источник 438 постоянного тока, движок 442 скользящих контактов, вторичную обмотку 445, трехпозиционный скользящий контакт 446, сопротивления 447, привод 448.
Двухтактный крейцкопфный ДВС 3 содержит (фиг.1) ресивер 2 наддува и выпускной коллектор 8. С выпускным коллектором 8 соединен датчик 9 температуры. Датчик 9 температуры взаимодействует с регулятором 11 питательной воды, прикрепленным к корпусу 108 (фиг.21) датчика 9 температуры и посредством привода 5 с регулятором "Время-сечение" 4, укрепленным на ДВС 3. К датчику 9 температуры присоединен циклонный сепаратор 14. К циклонному сепаратору 14 присоединен шибер 15. К шиберу 15 присоединен трасформатор 16 тепла. Трансформатор 16 тепла содержит водогрейную спираль 17 с соплом 18 и пароперегреватель 19. Выпускной коллектор 8, датчик 9 температуры, циклонный сепаратор 14, шибер 15 и водогрейная спираль 17 трансформатора 16 тепла соединены последовательно и составляют выпускной газовый тракт ДВС 3. Пароперегреватель 19 соединен с сопловым аппаратом первой ступени турбины 21. Корпус улитки 139 (фиг.24) турбины 21 соединен с баком 35 конденсатора. Пароперегреватель 19, лопаточный аппарат турбины 21 до зоны 24 конденсации улитки 139 представляют парогазовый тракт. В баке 35 размещен турбонасос 25 и содержится вода. От зоны 24 конденсации до турбины турбонасоса 25 находится газо-эмульсионный тракт. Бак 35 соединен трубопроводами с теплообменниками 22, 34 и посредством системы водоподачи с нагревателем 30. Теплообменник 22 соединен трубопроводом с распылителем 23, прикрепленным к улитке 139 турбины 21. Турбонасос 25, теплообменник 22, распылитель 23 и зона 24 конденсации представляют аппарат активной конденсации. К ротору турбины 21 соосно соединены роторы турбокомпрессора 27 и редуктора 28. Турбина 21, компрессор 27 и редуктор 28 представляют паро-газовую турбоустановку - редуктор ПГТУ-Р. Турбокомпрессор 27 соединен трубопроводами нагнетательной стороной через охладитель 13 наддува с ресивером 2 наддува и всасывающей стороной с тормозным устройством 1. Тормозное устройство 1 соединено трубопроводами с ревисером 2 наддува. Циклонный сепаратор 14 трубопроводом 32 соединен со смесителем бункера 29, который соединен с нагревателем 30. Отсек 31 питательной воды через теплообменник 34 и трубопровод 33 соединен со всасывающей стороной питательного насоса 12, который нагнетательной стороной соединен с регулятором 11 питательной воды. Распределитель 20 нагрузки соединен пневматически с ресивером 2 наддува и электрически с электромашинной установкой, содержащей синхронный генератор 6, асинхронный преобразователь частоты (собствено редуктор 28) и асинхронный двигатель 7. Синхронный генератор 6 и асинхронный двигатель 7 соединены соосно жестко либо через разобщительную муфту с коленчатым валом ДВС 3. Диаграмма в осях P-V показывает изменение скоростной характестики выпускных газов от состояния давления и объема в газовом, парогазовом и газо-эмульсионном трактах.
ДВС 3 содержит (фиг.2, 3) поршень 51, окна 48 наддува, продувочные окна 49, крышку цилиндра 47, выпускной клапан 46, взаимодействующий спружиной 45 и штангой 43 посредством коромысла 42. Штанга 43 взаимодействует с регулятором "Время-сечение" 4. Регулятор "Время-сечение" 4 взаимодействует с кулачным валом 38 привода 5 (фиг.1) и кулачком распределительного вала 40. Распределительный вал 40 взаимодействует с золотником 39 пускового воздуха, соединенного трубопроводами с пусковыми клапанами 44 и 50. Ресивер 2 наддува соединен с блоком цилиндров ДВС 3. Объем ресивера 2 наддува сообщается с объемом цилиндра ДВС 3 посредством окон 48 наддува. В объеме ресивера 2 наддува размещен золотник 58. Камера 41 продувки индивидуальная для каждого цилиндра ДВС 3, соединена с объемом цилиндра ДВС 3 окнами 49 продувки. Снизу к цилиндру ДВС 3 крепится крышка нижней полости цилиндра 53 с отверстием для штока поршня 51. В полоти крышки 53 размещены подпружиненный клапан 52, змеевик теплообменника 61 и штуцер 66 для подачи воды в полость крышки 53. Полость крышки 53 соединена с объемом теплообменника 62. В объеме теплообменника 62 размещено оребрение 63 и имеется полость водосборника 64. Снаружи к корпусу теплообменника 62 к нижней точке водосборника 64 укреплен нагнетатель 65, соединенный трубкой с распылителем 54, ввернутым в цилиндр ДВС 3. Объем теплообменника 62 сообщается с объемом теплообменника 60. На фиг.2 подача 67 охлаждения обеспечивает охлаждение теплообменников 62, 61 и 60. На фиг. 3 подача 67 охлаждения обеспечивает охлаждение теплообменников 62 и 61, объем охлаждения теплообменника 60 соединен с полостью цилиндровой крышки 47. Воздушный объем теплообменника 60 сообщается с зарубашечным пространством 57 коллектора 8. Зарубашечное пространство 57 посредством воздуховода 56 сообщается с нижней полостью цилиндра ДВС 3 в период открытия впускного клапана 59. Рабочий (дизельный) объем цилиндра ДВС 3 сообщается с объемом коллектора 8 в период открытия выпускного клапана 46.
Корпусы теплового трансформатора 16 и ПГТУ-Р жестко соединены с блоком цилиндров ДВС 3 (фиг.4). Туpбокомпрессор 27 соединен нагнетательной стороной с воздухо-воздушным теплообменником 60, который соединен трубопроводами с охладителем 13 наддува.
gц - диаграмма дизельного цикла; gн.п. - диаграмма нижней полости цилиндра; АВСD - диаграмма Толле известных ДВС; ABC1D1 - диаграмма Толле для ДВС 3; Рнадд - давление в ресивере 2 наддува; Рвып. - давление в выпускном коллекторе 8; Ратм - давление наружного воздуха (фиг.5).
Диаграмма движущих сил Рдв1 - при инерционных силах CD (фиг.5), при этом в нижней полости цилиндра Рнп равно атмосферному, диаграмма Рдв2 - при инерционных силах CD и при тепловой работе нижней полости цилиндра, диаграмма Рдв3 отличается от Рдв2 увеличением веса возвратно-поступательно движущихся масс. Знаки "плюс" и "минус" - изменение знака движущей силы Рдв (фиг.6).
gц - диаграмма дизельного цикла; gн.п. - диаграмма нижней полости цилиндра; gкп - диаграмма камеры продувки, жирная линия - оптимальный объем камеры продувки, штриховая - объем больше оптимального, штрих-пунктирная - объем меньше оптимального(фиг.7).
Корпус распылителя 54 ввернут по резьбе в цилиндр ДВС 3. В корпусе распылителя 54 размещен плунжер 70, взаимодействующий с корпусом посредством пружины 69 и регулирующего винта 72. На резьбовом соединении плунжера 70 укреплен колпачок 63 с отверстиями для распыла. Корпус распылителя 54 содержит резьбу 71 штуцерного соединения (фиг.8, 9).
В корпус нагнетателя 65 ввернуты по резьбе деталь 73 и штуцер 80. В деталь 73, имеющую клапанное гнездо и отверстия, помещен клапан 74, взаимодействующий посредством пружины 75 с деталью 76, соединенной с деталью 73 и клапанным гнездом детали 73. В корпусе нагнетателя размещен поплавок 77, содержащий иглу 79, взаимодействующую со штуцером 80. Направляющие клапана 73 и поплавка 77 перемещаются в сверлении детали 76. Корпус нагнетателя 65 имеет резьбовой штуцер 78. Резьбовые штуцеры обеспечивают соединение трубопровода для сообщения объемов корпуса распылителя 54 (фиг.8, 9) и 65 корпуса нагнетателя (фиг.10).
В корпус регулятора "Время-сечение" 4 запрессованы втулки плунжерных пар (85 и 86, 91 и 93, 94 и 95) корпус 89 невозвратного подпружиненного клапана 90. В корпусе регулятора "Время-сечение" 4 имеется полость для гидрожидкости 82 и канал 92, сообщающий клапан 90, плунжеры 86, 93 и скалку 95. Пробка 83 для заполнения полости гидрожидкостью 82 ввернута в корпус 4 (регулятора и "Время-сечение") и плотно прижимает корпуус 89 клапана 90 к корпусу 4. Подпружиненная кнопка 84 посредством стержня 81 взаимодействует с клапаном 90. Плунжер 93 взаимодействует с кулачком распределительного вала 40 и гидравлически с плунжером 86 и скалкой 95. Плунжер 86 взаимодействует со штангой 43. Скалка 95 взаимодействует с пружиной и деталью 88, движущейся возвратно-поступательно во втулке 94. Деталь 88 взаимодействует с кулачным валом 38 (фиг.11-13).
Smax, Snom, Smin - высоты подъема штанги 43; tmax, tnom, tmin - времена от начала подъема до конца опускания штанги 43 (фиг.14).
На валу распределительного вала 40 жестко укреплена косозубая шестерня 100, взаимодействующая с косозубой шестерней 99. Отношение зубьев z100/z99 = 2. Шестерня 99 имеет легкоходовую шлицевую посадку на валу 96 привода золотников 58. Шестерня 99 взаимодействует с тягой 98 привода подачи топлива и с эксцентриком 97 для подстройки регулирования (фиг.15).
Корпус циклонного сепаратора 14 соединен жестко с цилиндром 111. В корпусе сепаратора 14 размещены сетка 101, прижатая кольцом 107 к кольцевой детали 102, имеющей бойки 104, деталь 102 взаимодействует с рычагом 103 и с крышкой 113, рычаг 103 взаимодействует с корпусом сепаратора 14 и посредством тяги 117 с крышкой 113. В корпусе сепаратора 14 в районе крышки 113 имеется отверстие для патрубка с фланцем 110. Крышка 113 взаимодействует посредством стержня 118 с рычагом 120. На рычаге размещен груз 121 с возможностью перемещения и укрепления. Ось 122 качания рычага 120 имеет возможность перемещаться вдоль оси патрубка 119 и жестко крепится на нем (фиг.16-20).
Корпус 108 жестко соединен с фланцами 105 и 109. Жаровая труба 106 размещена внутри корпуса 108 и взаимодействует с фланцами 105 и 109 с возможностью свободного теплового расширения (фиг.16).
Датчик 9 температуры (спиральные витки трубопровода) взаимодействует с жаровой трубой 106 посредством роликов 123, равномерно распределенных по периметру наружной образующей жаровой трубы 106, пружинным сепаратором 124, с корпусом 108 посредством гайки датчика 10, имеющей резьбовое соединение с трубкой датчика 9, а также посредством детали 127, жестко укрепленной на трубке датчика 9, силовой пружины 126 и регулирующей гайки 125, имеющей резьбовое соединение с корпусом 108 и с регулятором 11 питания. Деталь 127 взаимодействует с приводом 5 регулятора посредством рычага 128. В корпусе регулятора 11 питательной воды размещены: трубка датчика 9 температуры, штуцер 131, имеющий резьбовое соединение для регулирования с регулятором 11, клапан 133 редукционный, взаимодействующий с регулятором 11, клапанным гнездом посадки, со штуцером 131 посредством пружины 132 и с трубком датчика 9 осевым отверстием, имеющим лабиринтовое уплотнение. Сальник 130 штуцера 131 и трубки датчика 9 прижимается гайкой грундбуксы 129, имеющие резьбовое соединение со штуцером 131. Трубка датчика 9 имеет посадочное гнездо 134, взаимодействующее с клапаном корпуса 135 (фиг.21-23).
Корпусы турбины 21, улитки 139 и бака 35 жестко соединены. В корпусе турбины 21 размещены дополнительные лопатки 151 статора и ротора (показано штрихом). К корпусу улитки 139 крепится распылитель 23, а также имеется бобышка 148 для крепления дополнительного распылителя. В районе соединения улитки 139 и бака 35 имеется зона 24 конденсации. В корпусе бака 35 размещены: турбонасос 25, содержащий турбины 141 и центробежный насос 142, сеточно-жалюзийный влагоотделитель 140, регулятор уровня, поплавок 146, взаимодействующий с уровнем воды 143, содержащейся в баке 35, с корпусом бака 35 и с клапаном 147. В корпусе 35 имеется отверстие с фланцевым соединением (фланец 144). Центробежный насос 142 имеет последовательное соединение трубопроводами с теплообменниками 22 (водоводяной), радиатором 145 с распылителем 23. Клапан 147 соединен трубопроводами с системой подачи охлаждения 150 и с нагнетательным трубопроводом центробежного турбонасоса 25 (фиг.24, 25).
В корпусе трансформатора 16 тепла размещены: спираль 17 трубопровода, деталь 153, жестко укрепленная со спиралью 17 трубопровода и с осевым трубопроводом 156, конфузор 157, диффузор 158 с возможностью осевого перемещения и крепления к корпусу трансформатора, пароперегреватель 19. Спираль 17 трубопровода взаимодействует с фланцем 155, жестко укрепленным к корпусу трансформатора 16. Деталь 153 взаимодействует с корпусом трансформатора 16 посредством резьбового соединения регулирующего стержня 152. Стержень 152 имеет возможность осевого вращения относительно корпуса трансформатора 16 при ослаблении стопорной гайки. Осевой трубопровод 156 взаимодействует с корпусом трансформатора 16 посредством кронштейна, обеспечивающего трубопроводу 156 осевое вращение и поступательное осевое перемещение. Сопло 18 жестко укреплено на резьбовом соединении к трубопроводу 156. Корпус трансформатора 16 имеет фланец 154 подвода газа. Объем пароперегревателя 19 имеет общий объем с сопловым аппаратом первой ступени турбины 21 (фиг.26-29).
В корпусе сопла 18 размещены створки сопла 159 и 164, оси 162, пластины 161. К корпусу сопла 18 крепятся деталь 165 с отверстиями для осей 162 и деталь 166. Детали 165 и 166 образуют камеры, в которых размещены пластинчатые пружины 163. Оси 162 имеют прорези для плотного соединения с пластинами 161 и скользящего соединения с пружинами 163. Створки 159 и 164, имеющие сверления, одеты на оси 162 с возможностью вращения. Оси 162 посредством деталей 165 обеспечивают взаимодействие створок 159 и 164 с корпусом сопла 18. Пружины 163 взаимодействуют с осями 162. Створки 159 и 164 взаимодействуют с пружинами 163 посредством регулирующих винтов 160 для натяжения пружин 163, пластин 161 и осей 162 (фиг.30-34).
Показаны сопла переменного квадратного сечения S1 от 0 до n мм2 и круглого постоянного сечения S2. График в осях P-V м/с, p-q кг/с для сопел, у которых S1 при максимальном раскрытии равно S2 (S1max = S2), показывает изменение скорости истечения v1 для сопла с переменным сечением и v2 для сопла с круглым постоянным сечением при одинаковом расходе q (фиг.35).
Турбокомпрессор 27 соединен трубопроводами с охладителем 13 наддува и с топкой парового котла 171 через смеситель бункера 170 твердого топлива. Циркуляционный насос 169 обеспечивает циркуляцию воды через ДВС 3 и теплообменник 167. Циркуляционный насос 172 обеспечивает циркуляцию воды через теплообменник котла 171 и теплообменник 168. Отсепарированные твердые частицы из циклонного сепаратора 14, а также шлак и золa котла 171 отводятся по трубопроводу в шламовую цистерну 189. Вода из бака 35 через теплообменник 34 подается на гидрофоры 173 и 175. Щелочной раствор из бака 192 растворения щелочи перепускается в расходной бак 193 щелочного раствора, затем через теплообменник конденсатора 194 выпара поступает на гидрофоры 176 и 178. Из гидрофоров 173, 175, 176 и 178 вода и щелочной раствор подаются на испарительную установку. Горячий гaз с твердыми частицами продуктов сгорания из циклонного сепаратора 14 по трубопроводу 32 подается на гидрофоры 173, 175, 176 и 178 и на смеситель бункера 187 сыпучего материала. Пневматические моторы-редукторы 174 и 177 обеспечивают переключение запорной арматуры гидрофоров 173, 175, 176 и 178. В смесителе бункера 187 газ смешивается с заданным количеством сыпучего материала и поступает на сопловый аппарат 179 нагревателя 180. Элеватор 188 обеспечивает возвращение сыпучего материала в бункер 187. В нагревателе 180 производится нагрев воды и щелочного раствора, а также дегазация в головке дегазатора 181. В нейтрализаторе 182 происходит смешение воды и щелочного раствора с одновременной дегазацией в головке дегазатора 183. Газ из головок дегазаторов 182 и 183 обеспечивает работу эжектора 196. После нейтрализации вода фильтруется и поступает в трехступенчатый испаритель (ступени 184, 185 и 186). Газ из головки дегазатора 184 первой ступени обеспечивает работу эжектора 197. Газ из дегазатора второй ступени 185 поступает в сборный трубопровод и затем в конденсатор выпара. Эжектор 196 понижает давление третьей ступени 186. После испарителя конденсат поступает в отсек 191 запаса питательной воды. Эжектор 197 понижает давление в отсеке 191. Шлам из испарителя периодически сбрасывается через циклон 190 продувки в шламовую цистерну 189. Выпар из шламовой цистерны 189 и после эжекторов 196, 197 собирается в сборный трубопровод и поступает в конденсатор 194 выпара. Конденсат выпара стекает в бак 195 и затем по необходимости пополняет растворитель и бак 193 готового раствора. Подсушенный газ из конденсатора 194 выпара отводится в отвод 149, отводящий газ из бака 35 (фиг.36).
Насос 12 питательной воды подает воду из отсека 191 последовательно на теплообменник второй ступени 185, первой ступени 184, дегазаторы 183 и 181 и затем в теплообменник 34. В теплообменнике 34 питательная вода охлаждается, вода из бака 35 нагревается. Из теплообменика 34 питательная вода подается на регулятор 11 питательной воды. Редуцированная вода отводится в отсек 191, а питательная вода в заданном количестве проходит через датчик 9 температуры, подогревается в теплообменнике 167 водой охлаждения, выходящей из ДВС 3, и поступает на трансформатор 16 тепла. При работе котла 171 вода дополнительно нагревается в теплообменнике 168.
Теплообменник 22, охладитель 13 наддува, подача 67 охлаждения, а также теплообменник третьей ступени 186 охлаждаются заборной водой. Теплообменник 22 является основным в схеме теплоотвода ТПД.
В корпусах гидрофоров 173 и 175 (а также 176 и 178) содержатся поплавки 213 и 217, клапаны 212 и 215 и дырчатые коробки 218 (фиг.37). Поплавки 213, 217 в зависимости от уровня воды взаимодействуют с клапанами 212 и 215 либо непосредственно телом, либо посредством шнуров (гибкий трос) 214 и 216. Клапаны 212 и 215 взаимодействуют с отверстиями в крышках гидрофоров 173 и 175, соединенных трубопроводами с клапанами 200 и 209 и с пневмомотором 211 мотора-редуктора 174. На вал 203 червячного редуктора 210 плотно надета на шпоночном соединении кулачная полумуфта 202, взаимодействующая (фиг.39) с клапанами 200 и 209, взаимодействующими с пружинами 201 и 208 и с пружинной муфтой 207. Пружинная муфта 207 передает вращение шестерне 206, жестко одетой на цапфу 204 пробкового крана 198, имеющей упор 205 и взаимодействующей с корпусом пробкового крана 198. Пробка пробкового крана 198 взаимодействует с пробкой пробкового крана 199 (фиг.38). Шестерня 206 взаимодействует с шестерней 222, передающей вращение посредством вала 223 на шестерню 224, взаимодействующей с шестерней 219. Шестерня 219 жестко одета на цапфу 220 пробкового крана 221. Пробковый кран 199 соединен трубопроводами с трубопроводом 32 (фиг.36) и с дырчатыми коробками 218. Пробковый кран 198 соединен трубопроводами с теплообменником 34 (фиг.36), с объемами гидрофоров 173 и 175. Пробковый кран 221 соединен трубопроводами с с объемами гидрофоров 173, 175 и с нагревателем 180. Для гидрофоров 176, 178 щелочного раствора пробковый кран 198 соединен трубопроводом с теплообменником конденсатора 194 выпара (фиг.36).
Корпус бункера 187 разделен на объемы: бункер 115 запаса, отсек 116 загрузки, два бункера 229 расхода (левый, правый) камеру 232 расхода и смеситель 235. Бункер 115 запаса закрыт люком 114 и соединяется с объемом отсека 116 загрузки клапаном 225. В объеме бункера запаса размещено сигнальное устройство, отгороженное кожухом 251 сигнального устройства и содержащее подвижную 252 и неподвижную 253 полки. В объеме отсека загрузки размещены конец шнека 227 и заслонка 255. Объем отсека 116 загрузки соединен с левым бункером 229 расхода клапаном 226, а с правым бункером 229 расхода клапаном 257. В объемах бункеров 229 расхода размещены сигнальные устройства с подвижными полками 256 и 258. Объемы бункеров 229 расхода соединены с объемом камеры 232 расхода клапанами 230 и 259. Привод клапанов 225, 226, 230, 257 и 259 идентичный и осуществляется мембранными исполнительными механизмами 254 (фиг.5, поз. 179. 310, 311, 312). Объем камеры 232 расхода соединяется с объемом смесителя 235 патрубком 231 и регулируемой заслонкой 233. Принцип действия сигнальных устройств с подвижными полками 252, 256, 258 идентичны (фиг.45).
Подвижная полка 252 имеет ось качения О1, взаимодействующую с корпусом бункер 187. Неподвижная полка 253 жестко прикреплена к корпусу бункера 187. На оси О1 жестко закреплены рычаг 264 и зубчатый сектор 260. Рычаг 264 посредством тяги 263 взаимодействует с золотником (фиг.51) 278 или 293, или 294. Зубчатый сектор 260 взаимодействует с зубчатым сектором 261, жестко укрепленным на оси О2, взаимодействующей с корпусом бункера 187. На оси О2 также жестко укреплен рычаг с грузом 262. Груз 262 взаимодействует с упорами 265, укрепленными на корпусе бункера 187. Тяга 263, рычаг 264, зубчатые секторы 260 и 261, груз 262 и упоры 265 размещены в камере, изолированной от сыпучего материала (фиг.46-48).
Регулятор 234 жестко укреплен на оси червяка 266, взаимодействующего с червячной шестерней 267. Шестерня 267 взаимодействует с корпусом 270 своей периферией и с осью 269 посредством спиральной пружины 268. Ось 269 взаимодействует с корпусом 270. На оси 269 жестко укреплены фланец 271 и заслонка 263. Заслонка приводится в движение потоком газа (фиг.49, 50).
Корпус 228 элеватора 188 соединен с объемами отсека 116 загрузки и бункера 236 элеватора. Шнек 227 взаимодействует с корпусом 228 и с валом редуктора 243, приводимого пневмомотором 244. В корпусе 228 имеются отверстия 240, соединяющие полость вращения шнека 227 и полость, образованную поддоном 241. В объеме бункера 236 содержатся плита 239, жестко укрепленная к корпусу бункера 236, стержни 238, взаимодествующие с ребрами шнека 227 и с корпусом, имеющим разделяющие прорези 237 (фиг.40-42).
Стойка 250 крепится к днищу нагревателя 180. Поплавки 245 и 249 укреплены к осям вращения шестерен 248. Шестерни 248 и 246 соединены со стойкой с возможностью вращения. Шестерни 248 взаимодействуют с шестерней 246. Шестерня 246 передает вращение валу 247 (фиг.42-44).
Корпусы золотников 278, 280, 282, 286, 293, 299 укреплены на корпусе бункера 187. Пружины 283, 297, 298, 302, 303, 305, 306 взаимодействуют с соответствующими золотниками и корпусом бункера 187. Сильфоны 275 и 276 взаимодействуют с корпусом бункера 187 и через систему приводов между собой, с краном 277 и с золотниками 280, 282, 286, 287. Клапаны 274, 290 с мембранным исполнительным механизмом, а также невозвратный клапан 284 укреплены на корпусе бункера 187 (фиг.51-53).
Бачки 292 и 295 "Выдержка времени" укреплены на мембранных исполнительных механизмах 296 и 299 соответственно. Внутренние объемы бачков 292 и 295 и полости над мембранами объединены. В объеме бачков 292 и 295 размещены сильфонные вытеснители с винтовым приводом. Фланец 271 заслонки 233 соединен приводом с регулирующим вентилем 301.
Жирные линии - трубопроводы под давлением, тонкие - без давления.
Нагреватель 180 состоит из трех полостей: полость 325 турбины, полость 323 центрифуги и полость 362 дегазации (фиг.54).
К полости 325 турбины укреплен сопловый аппарат 179, содержащий мембранный исполнительный механизм 311 и сопловые трубки 315 и 318. Мембрана механизма 311 взаимодействует с трубкой 315 и посредством пружины 310 с корпусом, в корпусе имеется штуцерное соединение (штуцер 319). Экран 312, укрепленный на трубке, предохраняет мембрану механизма 311, от агрессивных газов. Трубка 315 имеет возможность возвратно-поступательного движения относительно детали 314 и трубки 318. Деталь 314, укрепленная в корпусе, имеет отверстия 320, которые при максимальном подъеме трубки 315 совмещаются с отверстиями 321 трубки 315 либо перекрываются при опускании трубки 315. К патрубку (детали 314) газ подводится по трубопроводу 32. По трубопроводу 316 газ подается на пневмомотор 244.
Перегородка 317 может крепиться неподвижно либо перемещаться как заслонка для регулирования, может быть сплошной либо с отверстиями. Резьбовое соединение трубки 318 обеспечивает достаточное уплотнение между полостями 323 и 325. В турбинной полости 325 размещены ротор турбины 328 с лопастями 327 и лопатки 326 статора. Ротор вращается на оси 331 с осевым каналом 332, соединенным трубопроводом с пробковым краном 335 и имеющим отверстия 333. Конец оси 331 выполнен в форме обтекателя 334. Отбойное кольцо крепится к корпусу 180. Ротор турбины 328 приводит во вращение центрифугу 329, имеющую отверстия 330. Вентилятор 324 укреплен на образующей центрифуги 329. Деталь 357 укреплена на днище полости 325 и имеет каналы, сообщающиеся с трубкой 318, внутренней полостью центрифуги 329 и посредством трубки 356 с полостью 362 дегазации. Поплавковый регулятор уровня взаимодействует с пробковым краном 335 посредством вала 247.
В полости дегазатора размещены подпружиненный сильфон 337, левый, правый клапаны 347, теплообменник 353, бачок 344, укрепленный к корпусу с поплавком 343 и регулирующим вентилем 345, сосуд 348, взаимодействующий стержнем 349, имеющим отверстия 350, с деталью 352, укрепленной к корпусу и имеющей канал 351, деталь 355 с каналом, укрепленную к корпусу. К корпусу полости 362 укреплены головка дегазатора 340 с размещеным внутри разгруженным клапаном 341 и теплообменник 342, клапан 359, взаимодействующий со стержнем-золотником 354 и с корпусом посредством пружины 360 и регулирующей гайкой 361. В полостях 323 и 362, соединенных как сообщающиеся сосуды, содержится вода 358. Сильфон 357 посредством пружины и регулирующих винтов 339 взаимодействует с корпусом, а посредством регулирующих винтов 346 взаимодействует с клапанами 347. Теплообменник соединен с каналом детали 355 и посредством клапанов 346 с подводом раствора щелочи (подачей 336). Разгруженный клапан 341 взаимодействует с поплавком 343. Сосуд 348 взаимодействует с пружиной 360 посредством стержня 349, золотника 354 и клапана 359.
Испаритель содержит нейтрализатор 182, дегазатор 183, три ступени 184, 185, 186 испарителя и отсек 31 питательной воды (фиг.55).
В полости нейтрализатора 183 размещены смеситель 363 и тарелки 364. Полость нейтрализатора 182 сообщается с объемом дегазатора 183 посредством жалюзей 365. Смеситель 363 соединен посредством трубопроводов с каналами деталей 352, 355 и клапана 359. В объеме дегазатора 183 размещены теплообменник 374, коробка 375 с перегородками, сборник 402 конденсата, уголок 376, укрепленный плотно к корпусу дегазатора 183, дырчатый лист (сетка) 391, вентиль 392, взаимодействующий с корпусом дегазатора 183 и сообщащий объем дегазатора 183 с объемом испарителя (ступенью 184). Водомерное стекло 366 сообщается с корпусом дегазатора 183. Сверху к корпусу дегазатора укреплена головка дегазатора 368 с размещенными внутри: разгруженным клапаном 369, теплообменником 370 и бачком 372, с размещенным внутри его поплавком 371. Разгруженный клапан 369 взаимодействует с поплавком 371. Бачок 372 соединен посредством регулирующего вентиля 373 и трубки с емкостью, образованной между уголком 376 и корпусом дегазатора 183.
Сборник 402 конденсата сообщается с объемом испарителя (ступенью 185) посредством регулятора 405 уровня и трубки 397. В объеме испарителя первой ступени 184 размещены теплообменник 383, расположенный над сборником конденсата. Внутри сборника конденсата первой ступени размещен регулятор уровня, содержащий разгруженный клапан 395, взаимодействующий с поплавком. Разгруженный клапан 395 сообщает объем сборника конденсата первой ступени с объемом сборника конденсата второй ступени. Фильтр 393 укреплен к днищу испарителя (ступени 184). Продувочный вентиль 394, укрепленный к днищу ступени 184, сообщает посредством трубопровода полость под фильтром 393 с циклоном 190 продувки. Разгруженный клапан 396, взаимодействующий с поплавком, сообщает водяной объем испарителя первой ступени 184 с водяным объемом испарителя второй ступени 185. В объеме испарителя второй ступени 185 размещены теплообменник, идентичный теплообменнику 383, сборник конденсата с размещенным внутри его разгруженным клапаном 400, взаимодействующим с поплавком, отстойник с перегородкой 398, размещенный в водяной полости второй ступени 185 испарителя, вентиль 399 продувки отстоя, соединенный трубопроводом с циклоном 190 продувки, разгруженный клапан 401, взаимодействующий с поплавком и сообщающий водяной объем второй ступени 185 испарителя с водяным объемом третьей ступени 186 испарителя. Сверху к корпусам испарителей (ступеням 184 и 185) укреплены идентичные головки 377 и 384 дегазации, внутри которых соответственно размещены: разгруженные клапаны 378 и 386, взаимодействующие с поплавками 380 и 388, размещенными в бачках 381 и 389 теплообменников 379 и 387. Регулирующие вентили 382 и 385 сообщают объемы бачков 381 и 389 с объемами испарителей (ступенями 184 и 185). Головка 384 дегазатора соединена со сборной трубой конденсата 194 выпара.
В объеме испарителя третьей ступени 186 размещены теплообменник 390, сборник конденсата, сообщающийся со сборником конденсата второй ступени 185 и с отсеком 31 питательной воды по принципу гидрозатвора, дырчатый лист (сетка) 403, тарелки 404. Нижняя полость с тарелки 404 сообщается посредством трубопровода со шламовой цистерной 189 по принципу гидрозатвора. Сверху к корпусу испарителя третьей ступени укреплен всасывающей стороной эжектор 196, соединенный посредством трубопроводов с головками дегазации 340 и 368, а нагнетательной стороной со сборной трубой конденсатора 194 выпара.
В объеме отсека 31 питательной воды размещен поплавок 405 регулятора уровня. Водяной объем отсека 31 содинен со всасывающей стороной насоса 12 питательной воды. Сверху к корпусу 191 отсека 31 укреплен всасывающей стороной эжектор 197, сообщающийся трубопроводами с головкой 377 дегазации и со сборной трубой конденсатора 194 выпара.
Тормозное устройство 1 содержит пакет вихревых трубок 406 с золотником 407, взаимодействующим с мембранным исполнительным механизмом 408 и с регулирующим винтом 410 посредством пружины 409. Золотник 407 и мембранный исполнительный механизм посредством трубопроводов сообщаются с объемом ресивера 2 наддува. Пакет вихревых трубок 406 стороной холодного воздуха посредством трубопровода 26 сообщается со всасывающей стороной (либо с одной из первых ступеней) турбокомпрессора 27 наддува (фиг.56).
В корпусе 411 размещены вихревые трубки 406 и золотник 407, сообщающий объем ресивера 2 каналы 413. Каналы 413 делят пакет вихревых трубок 406 на три группы I, II, III. Золотник имеет зубчатый венец 412, взаимодействующий с зубчатым венцом 414 рычага 416. Рычаг 416 укреплен на оси вращения к корпусу 411 и взаимодействует с толкателем 415 мембраны механизма 408 посредством пружины 409 и регулирующего винта 410 с корпусом 411 (фиг.57).
На оси корпуса шибера 15 стержнями 422 укреплена деталь 419. Ось 421 пластины 418 взаимодействует с деталью 419 и с корпусом шибера 15. На оси 421 укреплены также внутренний конец спиральной пружины 425 и поводок 420. Спиральная пружина 425 (фиг.49 и 50) взаимодействует посредством червячной шестерни с червяком 424, регулирующим натяжение пружины 425. Червяк 424 взаимодействует с корпусом 423, укрепленным на корпусе шибера 15. Поводки 420 взаимодействуют с согласующим кольцом 417 (фиг.58-60).
Вытяжной вентилятор 426 находится в машинном отделении в районе максимального скопления испарений и теплого воздуха, выделяемого ТПД. Нагнетательной стороной вентилятор 426 посредством воздуховода сообщается с полостью, образованной между корпусом 408 датчика 9 температуры и кожухом 429 и затем посредством воздуховода сообщается с соплом трубы 428, размещенным в корпусе эжектора 427. Эжектор 427 всасывающей стороной сообщается посредством трубопроводов с баком 35 и с конденсатором 194 выпара. Нагнетательной стороной эжектор 427 сообщается с атмосферой посредством дымовой трубы (фиг.61).
Ротор редуктора 28 жестко и соосно укреплен на оси роторов (ПГТУ 21 и 27), а также имеется возможность подключения разобщительной муфты (не показана). Роторы синхронного генератора 6 и асинхронного двигателя 7 соединены жестко и соосно между собой, а также к фланцам отбора мощности ДВС 3 и потребителя (гребному вниту) либо непосредственно, либо через разобщительные муфты. Фазная обмотка 431 ротора редуктора 28 электрически соединена с первичной обмоткой 433 трансформатора 432 по схеме токового трансформатора и затем со статорной обмоткой асинхронного двигателя 7. Статорная обмотка синхронного генератора 6 электрически соединена со статорной обмоткой 430 редуктора 28 (фиг.62).
Распределитель 20 нагрузки содержит вторичную обмотку 445 трансформатора 432, подключенную началами обмотки к выпрямителю 435 и концами к задатчику, содержащему трехпозиционный скользящий контакт 446, электрически взаимодействующий с сопротивлениями 447, исполнительный механизм, содержащий мембрану, взаимодействующую посредством якоря 437 с электромагнитной катушкой 436, посредством пружины 449 с регулирующим винтом 450 и посредством привода 448 с трехпозиционным скользящим контактом 446, изодром, содержащий сопротивления 447, движок 442 скользящих контактов, электрически взаимодействующий с сопротивлениями 447 и подключенный через выпрямитель 441 к катушке 436 электромагнита.
Мембранный исполнительный механизм 434 посредством трубопровода сообщается с нагнетательной стороной турбокомпрессора 27. Выпрямитель 435 электрически соединен с роторной обмоткой 443 синхронного генератора 6 и со схемой подмагничивания от источника постояннго тока. Движок 442 электрически соединен с фазной обмоткой 444 ротора асинхронного двигателя 7. На схеме все роторные обмотки подключены через скользящие контакты.
На фиг. 1 показана схема турбопоршневого двигателя (ТПД), содержащего двухтактный крейцкопфный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 3, трансформатор 16 тепла (ТТ) и парогазовую турбоустановку (ПГТУ 21, 27). Полезная мощность ПГТУ посредством редуктора, снижающего частоту вращения роторов ПГТУ до частоты вращения коленчатого вала ДВС, передается на вал отбора мощности для привода потребителя (гребного винта). На схеме показана электромашинная установка, содержащая синхронный генератор 6, асинхронный двигатель 7 и асинхронный преобразователь частоты (редуктор 28).
Работа ДВС 3 и ПГТУ (21, 27) в агрегате ТПД взаимосвязана как пневматически (общий выпускной тракт и система наддува), так и электрически (гидравлически при использовании гидроредуктора) ПГТУ обеспечивает ДВС воздухом наддува с параметрами, необходимыми для заданной нагрузки, ДВС обеспечивает ПГТУ теплом отходящей охлаждающей воды и энергией выпускных газов. Тепло охлаждающей воды и энергия выпускных газов в ТТ 16 преобразуется в тепловую энергию парогазовой смеси, совершающую полезную работу на лопатках турбины 21. В ДВС 3 с целью повышения цилиндровой мощности и эффективности как самого ДВС, так и агрегатной мощности и эффективности ТПД, задействована нижняя (подпоршневая) полость цилиндра, работающая как воздушная машина по двухтактному циклу с подводом тепла в процессе расширения и с отводом тепла в процессе сжатия, при этом часть теплового воздуха в конце процесса расширения отбирается в камеру 41 продувки, а объем нижней полости цилиндра пополняется холодным воздухом наддува. Теплый воздух из камеры продувки используется для продувки верхней (надпоршневой) полости цилиндра в процессе газообмена, что дает возможность уменьшить коэффициент продувки и снизить потребляемую мощность турбокомпрессора 27, повысить температурный потенциал выпускных газов. С целью предохранения лопаток турбины 21 от эрозионного износа в газовый тракт включен циклонный сепаратор 14. Шибер 15, включенный в газовый тракт, дает возможность, изменяя давление и температуру выпускных газов в коллекторе 8, ухудшать характеристики дизельного цикла и улучшать характеристики тепловой работы нижней полости цилиндра, ТТ 16 и турбины 21, т.е. смещать функции ДВС к функциям газогенератора, выбирая лучшие показатели агрегатной мощности и эффективности ТПД в зависимости от заданной нагрузки. В объеме ТТ 16 размещены спираль 17 трубопровода с соплом 18, диффузор и полость пароперегревателя 19. Витки спирали 17 трубопровода представляют прямоточный водогрейный котел. Сопло 18 переменного сечения, при этом сечение изменяется в зависимости от давления, создаваемого в витках спирали 17. Подача и производительность питательного насоса 12 рассчитаны на максимальную нагрузку ТПД плюс дополнительная энергия от вспомогательного источника тепла (например, от парового котла). Регулятор 11 питательной воды изменяет давление и подачу в зависимости от температуры выпускных газов и температуры питательной воды, воздействующих на датчик 9 температуры. Питательная вода нагревается в витках спирали 17 до энтальпии, обеспечивающей максимальную эжекцию газа потоком испаряющейся воды, истекающей на высокой скорости из сопла 18. В пароперегревателе пар, смешиваясь с горячими газами, турбулентно затормаживается и перегревается. На лопатках турбины 21 паро-газовая смесь, идеально перемешваясь, совершает работу расширения, при этом пар, соединяясь с различными кислотными соединениями, находящимися в продуктах сгораниях, повышает водородный показатель рН до значений, близких к нейтральному рН 7 в зависимости от щелочности питательной воды. С целью повышения мощности турбины 21, а также для снижения выброса кислотных соединений в атмосферу паро-газовая смесь на выходе из последней ступени турбины попадает под холодную струю дробящихся капель воды. Пар, конденсируясь до туманообразного состояния, резко уменьшается в объеме, и давление уменьшается, причем падение давления, зависящего от процентного содержания пара в парогазовой смеси, вызывает ускорение движения потока воды, конденсации и газа. Этот поток сжимается в струю газожидкостной эмульсии в зоне 24 конденсации и приводит во вращение турбонасос 25. Вода и конденсат на лопатках турбины 141 сливаются в общую массу и направляются в бак 35. Газ на лопатках сначала изотермически сжимается, а затем на выходе с лопаток расширяется и отводится в атмосферу. Центробежный насос 142 турбонасоса 25 обеспечивает подачу воды из бака 35 через водоводяной холодильник (теплообменник 22) на распылитель 23. Температура воды, циркулирующей по контуру: бак 35, теплообменник 22, распылитель 23, зона 24 конденсации, не превышает температуру отложения солей, что дает возможность поддерживать уровень воды в баке 35, осуществляя подпитку забортной водой через распылитель 23. Турбокомпрессор 27 сжимает атмосферный воздух и через водовоздушный охладитель 13 нагнетает его в ресивер 2 наддува. При повышении давления в ресивере выше заданных значений возух поступает на тормозное устройство 1, где разделяется на два потока - теплый, сбрасываемый в атмосферу (или отводящийся на бытовые нужды), и холодный, направляемый к первым ступеням турбокомпрессора 21 (или в рефрижераторную камеру). С помощью распределителя 20 нагрузки давление в ресивере 2 поддерживается в соответствии с заданной нагрузкой на ТПД. При повышении давления в ресивере 2 мощность редуктора 28 увеличивается и частота вращения ротора ПГТУ снижается; при уменьшении давления в ресивере 2 мощность редуктора 28 уменьшается и частота вращения ротора ПГТУ увеличивается. Вода, содержащаяся в баке 35, имеет сложный химический состав из накипеобразующих и растворимых солей, вносимых с водой подпитки и из различных кислотных соединений продуктов сгорания, поступающих с конденсатом, поэтому для подачи в ТТ 16 непригодна. Вода из бака 35 через систему 36 водоподачи в количестве, зависимом от нагрузки ТПД, направляется на теплохимическую обработку в нагреватель 30 (испаритель) и после конденсации пара содержится в отсеке 31 питательной воды.
Насос 12 из отсека 31 подает питательную воду через нагреватель 30 и теплообменник 34 в цикл. В теплообменнике 34 питательная вода охлаждается до температуры воды, содержащейся в баке 35. Вода из бака 35 нагревается до температуры воды, выходящей из теплообменников нагревателя 30. Работа нагревателя 30 обеспечивается теплом газа, отводящего из циклонного сепаратора 14 отсепарированные твердые частицы продуктов сгорания. С целью максимального удаления накипеобразующих и растворимых солей из воды, поступающей в нагреватель 30, горючий газ предварительно смешивается с гранулами сыпучего материала в смесителе бункера 29 и, нагревая его, вносит на большой скорости в нагреватель 30. При непосредственном контакте нагретых гранул с водой накипеобразующие и растворимые соли откладываются на поверхности гранул. Из нагрвателя 30 гранулы попадают под механическую обработку трением, очищаются от накипи и снова направляются в бункер 29. После нагревателя вода, насыщенная кислотными соединениями, определяющими температуру насыщения, и нагретая до температуры насыщения, поступает на нейтрализацию щелочным раствором с одновременной дегазацией в отсеках (182, 183). Затем в последующих ступенях испарителей вода частично испаряется и дегазируется. Неиспарившаяся часть воды отводится в шламовую цистерну. Конденсат из предыдущей ступени испарителя поступает в последующую, где подвергается дегазации и пополняется конденсатом. После последней ступени испарителя конденсат отводится в отсек 31 питательной воды.
Таким образом тепло отходящей охлаждающей воды и энергия выпускных газов ДВС 3 максимально используются для генерации в ТТ 16 газопарового рабочего тела для последующей работы расширения в турбине 21.
Газовый и паровой циклы могут быть объединены в газопаровом цикле (рабочим телом такого цикла является парогазовая смесь, состоящая из продуктов сгорания и водяного пара). В парогазовых установках впрыск воды перед турбиной приводит к снижению температуры газов и одновременно к увеличению энтальпии рабочего тела, так как удельная энтальпия воды больше, чем у продуктов сгорания.
Двухтактный крейцкопфный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 3 (фиг. 2-4) может работать с газообменом цилиндра по поперечной или петлевой щелевых продувках с золотником выпуска газов.
Малооборотный двигатель (МОД) с прямоточно клапанной продувкой. Поршень 51 монолитный с весом, обеспечивающим заданные инерционные усилия при возвратно-поступательном движении. При нахождении поршня 51 в ВМТ нижняя полость цилиндра посредством окон 48 наддува сообщается с ресивером 2 наддува и давление в нижней полости выравнивается до давления в ресивере 2. Нижняя полость цилиндра (НПЦ) клапана 52 и 59 сообщается с объемами: полости нижней крышки 53, теплообменников 62, 60, зарубашечного пространства 57, коллектора 8 и воздуховода 56. При движении поршня 51 от ВМТ к НМТ воздух в НПЦ сжимается и вытесняется в объемы (53, 62, 60, 57 и 56) при этом поршень 51 пневматически взаимодействует с массами цилиндра ДВС 3, ГТУ 21, 27 и ТТ 16, жестко укрепленными на блоке цилиндров ДВС 3 (фиг.4). При движении поршня 51 от ВМТ к НМТ работа расширения продуктов сгорания передается на сообщение ускорения движения возвратно-поступательно движущимся массам: поршня, штока, крейцкопфа, шатуна; сжатие воздуха в НПЦ и передаче полезной работы вращения на коленчатый вал ДВС 3. При движении поршня 51 от НМТ к ВМТ давление сжатого воздуха в НПЦ уменьшает усилие, передаваемое от коленчатого вала двигателя через шатун, крейцкопф и шток на сообщение ускоренного движения возвратно-поступательно движущимся массам и на сжатие свежего заряда в дизельном цикле.
На фиг.5 совмещены: диаграмма дизельного цикла - gд.ц.; диаграмма нижней полости цилиндра - д.н.п. и диаграмма инерционных усилий возвратно-поступательно движущихся масс - C1, D1 в осях P-v при заданной частоте вращения коленчатого вала - n об/мин. Рнадд соответствует давлению в НПЦ в начале сжатия, Рвып. - среднее давление газов в выпускном коллекторе 8. Ратм. - давление наружного воздуха; АВ - вес шатуна крейцкопфа, штока и поршня 51. Из диаграмм фиг. 5 следует, что при изменении нагрузки двигателя следует соответственно изменять максимальное давление цикла Pz, давление начала сжатия Рнадд. в НПЦ и частоту вращения коленчатого вала n об/мин для изменения инерционных сил C1D1.
На фиг. 6 показаны диаграммы движущих сил в осях Рдв - ϕо Рдв.1 - при постоянном давлении в НПЦ, равном атмосферному (тонкая линия); Рдв.3- при работе сжатия с начальным давлением, равным Рнадд. (жирная линия); Рдв.2 - при облегченном поршне 51 с начальным давлением в НПЦ, равным Рнадд. Из сравнения диаграмм Рдв.1 и Рдв.3 следует, что с повышением далвения Рнадд. и увеличением веса поршня значения движущей силы как положительных в процессе расширения продуктов сгорания, так и отрицательных в процессе сжатия свежего заряда уменьшаются и уменьшается значение Рдв - при максимальном давлении цикла Рz. При дальнейшем повышении давления в НПЦ может быть вызвано многократное прохождение Рдвчерез нулевое значение, что вызывается и уменьшением веса поршня (штриховая линия - знаки "плюс", "минус").
Прохождение Рдв через нулевое значение вызывает жесткие ударные нагрузки в подшипниках шатуна, что ограничивает возможность повышения давления Рнадд в НПЦ без повышения веса поршня 51. Повышение веса поршня вызывает необходимость увеличения веса и габаритов деталей блока цилиндров, пневматически взаимодействующих с поршнем. Основной эффект от увеличения веса поршня и повышенного давления работы сжатия НПЦ - это снижение нагрузки на шток, шатун, коленчатый вал и фундаментную раму двигателя, в значительной степени снижает потери на трение в подшипниках шатуна и в параллелях крейцкопфа, а также появляется возможность уменьшить число компрессионных колец поршня 51 без ухудшения компрессии.
Снижение нагрузки на шток, шатун, коленчатый вал и фундаментную раму дает возможность уменьшить их вес, что компенсирует увеличение веса поршня и взаимодействующих с ним масс цилиндра. Кроме того уменьшение веса движущихся деталей (шток, шатун, коленчатый вал) также уменьшит нагрузку на подшипники. Давление в НПЦ может поддерживаться постоянным для заданного режима работы ДВС, для чего необходимо сообщить между собой объемы НПЦ всех цилиндров, при этом перетекающий из НПЦ одного цилиндра в НПЦ другого цилиндра сжатый воздух важно использовать как для охлаждения поршней, так и для дальнейшего повышения мощности и эффективности ДВС, используя принцип действия двигателя Стирлинг.
Тепловая работа НПЦ одного цилиндра совершается практически независимо от работы НПЦ другого цилиндра, причем тепловая работа во многом напоминает работу двигателя Стирлинг, имея при этом существенные отличия, вызванные тем, что один и тот же поршень выполняет функции как рабочего поршня, так и поршня вытеснителя, что вызывает необходимость введения клапанов 52 и 59 для обеспечивания циркуляции воздуха по контуру: НПЦ, полость крышки 53, теплообменники 62, 60, зарубашечное пространство 57, воздуховод 56, НПЦ. Влияние пружин клапанов 52 и 59 на увеличение аэродинамического сопротивления воздуху может быть сведено к минимуму, используя тело штока поршня 51 для открытия клапана 52 и механический привод от распределительного вала 40 для открытия и закрытия клапанов 59 (фиг.66, 67), при этом впускные окна, перекрываемые клапанами 59, могут иметь большую суммарную площадь сечения (показано штриховой линией на фиг.3).
Воздух наддува, сжатый и нагретый в компрессоре 27, пройдя охладитель 13 воздуха, теряет значительную часть влаги, поступившей в турбокомпрессор 27 из атмосферы. При этом оставшаяся часть влаги будет содержаться практически в постоянном процентном отношении к воздуху независимо от влажности атмосферного воздуха. Оставшаяся часть влаги будет находиться в перегретом парообразном состоянии со свойствами, близкими свойствам идеального газа, т. е. конденсация и испарение оставшейся в воздухе влаги в процесе работы НПЦ практического влияния не окажет.
В ВМТ (фиг.3) давление в НПЦ равно давлению наддува в ресивере 2. При движении поршня 51 к НМТ воздух начинает сжиматься и вытесняться через клапан 52 и полость крышки 53 в объем теплообменника 62, влияние теплообменника 61 из-за небольшой площади теплообмена незначительно. Скорость потока воздуха зависит от угла поворота мотыля коленчатого вала, что оказывает влияние на турбулентное завихрение воздуха и теплообмен в оребрении 63. Дальнейшая скорость потока воздуха будет находиться в зависимости от перепада температур в теплообменнике 60 (при равных объеме и площади поверхности теплообмена теплообменника 60). На фиг.2 теплообмен обеспечивается водой охлаждения, прошедшей теплообменники 62, 61, и зависит от температуры воды на выходе из теплоомбенника 61. В зарубашечном пространстве 57 коллектора 8 воздух нагревается и расширяется, то же самое будет наблюдаться и в воздуховоде 56, где сжатие будет сопровождатья притоком тепла от коллектора 8, тем более, что при закрытом клапане 59 воздуховод 56 является тупиковым. С повышением температуры коллектора 8 циркуляция воздуха через зарубашечное пространство 57 будет уменьшаться, т.е. высокая температура коллектора 8 будет создавать тепловой затвор для вновь поступающего охлажденного воздуха.
При равенстве рабочего объема НПЦ (т.е. объема от начала сжатия совершаемого поршнем 51 до прихода в НМТ) и объемов: полости нижней крышки 53, теплообменников 62, 60, зарубашечного пространства 57 и возодуховода 56, воздух в конце сжатия сконцентрируется в большей массе в теплообменнике 62, затем в теплообменнике 60, в полости нижней крышки 53 и с наименьшей массой в воздуховоде 56 и зарубашечном пространстве 57. Степень сжатия будет несколько превышать ε = 2. На фиг. 3 вода в теплообменник подается из верхней крышки 47 с температурой 110-130оС (при высокотемпературном охлаждении). К концу сжатия массовое содержание воздуха в теплообменнике 60 становится меньшим, чем на фиг.2, что вызывает несколько большее превышение степени сжатия (ε ≃ 2,2).
На фиг. 4 в теплообменник 60 подается горячий воздух наддува, сжатый в турбокомпрессоре 27 (с температурой 450оС и выше), что в большей степени вызывает перераспределение масс воздуха по объемам в зависимости от температуры теплоомбена, и степень сжатия ε значительно возрастает (до 3 и выше) (значения степени сжатия в скобках даются для примера). В момент начала движения поршня 51 от НМТ к ВМТ клапан 52 закрывается, а клапан 59 открывается вследствие падения давления в НПЦ воздух, охлажденный в теплообменнике 62, начинает расширяться и через теплообменник 60, зарубашечное пространство 57 воздуховод 56 перетекает в НПЦ и пополняет расширяющийся воздух в объеме НПЦ. В зависимости от температуры теплообмена в теплообменнике 60 воздух в зарубашечное пространство 57 поступает с различной температурой, что обуславливает интенсивность теплообмена и температуру воздуха, поступающего в объем НПЦ, а также оказывает влияние и на температуру выпускных газов, омывающих коллектор 8. С повышением температуры воздуха после теплообменника 60 теплообмен в зарубашечном пространстве 57 ухудшается из-за уменьшения теплоперепада, воздух нагревается до более высокой температуры, а выпускные газы охолаждаются в меньшей степени. По мере перемещения поршня 51 к ВМТ воздух в объеме теплообменника 62 вследствие расширения переоохлаждается. Температура воздуха в теплообменике 62 к концу расширения может опускаться до отрицательных значений (например, от интенсивности и температуры охлаждающей воды, а также от конструкции и применяемого металла оребрения 63).
При открытии поршнем 51 продувочных окон 49 часть теплого воздуха из НПЦ заполняет объем продувочной камеры 41, давление в НПЦ падает (фиг.5), что вызывает увеличение притока теплого воздуха через клапан 59. При открытии окон 48 наддува объем ресивера 2 сообщается с объемами НПЦ и с объемами: полости нижней крышки 53, теплообменинков 62, 60, пространства 57, воздуховода 56, и давление выравнивается до Рнадд. Таким образом процесс расширения в объеме НПЦ до момента открытия окон 48 наддува сопровождается притоком тепла от коллектора 8, и температура воздуха, заполняющего объем камеры продувки, зависит от температуры воздуха, поступающего в НПЦ через клапан 59. Отбор теплого воздуха в обоъеме камеры продувки и следующее затем пополнение НПЦ холодным воздухом наддува дает возможность рассматривтаь работу НПЦ, как работу двухтактного двигателя с внешним подводом тепла. Но учитывая конечный объем камеры 41 продувки и давление в ней к моменту открытия окон 49, теплообмен с увеличением температуры поступающего воздуха через клапан 59 увеличивается, а массообмен уменьшается. Кроме того, в зависимости от интенсивности отвода тепла в теплообменике 62 к концу расширения изменяется мертвый объем холодного воздуха, что влияет на массовое содержание воздуха к началу сжатия в объеме НПЦ и сообщающихся с ним объемах.
При движении поршня 51 от ВМТ к НМТ сжатие начинается после перекрытия окон 48 наддува либо поршнем 51, либо золотником 58. При этом сжатие сопровождается вытеснением воздуха в объем камеры 41 продувки через окна 49 и в объемы теплообмеников 61, 62, 60, пространства 57, воздуховода 56 через клапан 52. После перекрытия окон 49 поршенм 51 вытеснение воздуха из объема НПЦ будет происходить только через клапан 52, расширение же воздуха при движении поршня 51 от НМТ к ВМТ с полезной работой поступающего через клапан 59 теплого воздуха будет происходить до момента перекрытия окон 49. Период сжатия-вытеснения с теплоотводом с момента перекрытия окон 49 и расширения с подводом тепла с притекающим воздухом до открытия окон 49 можно рассматривать как работу двигателя Стирлинг, рабочим телом которого является воздух. С уменьшением частоты вращения от 400 до 125 об/мин эффективный КПД ηе возрастает от 30 до 45%.
Дальнейшее снижение частоты вращения, например, до 60 об/мин, должно также повысить эффективный КПД.
Влияние продольной теплопроводности стенки цилиндра для больших объемов НПЦ будет значительно меньше. В ДВС 3 влияние температуры тела поршня 51, переносящем тепло дизельного цикла из верхней полости в НПЦ, может оказывать значительное влияние как на процесс сжатия-вытеснения, так и на процесс расширения. Так повышение температуры тела поршня 51 увеличит отрицательную работу сжатия и положительную работу расширения. Конвективный теплообмен и тепловое излучение - имеют место у всех тепловых двигателей. В предлагаемом ТПД для повышения мощности и экономичности ДВС 3 необходимо максимально использовать тепловую энергию выпускных газов в тепловой работе НПЦ, а тепловая работа НПЦ дает возможность повысить температурный потенциал выпускных газов.
Температурный потенциал теплообменников и несовершенство процессов регенерации имеют место в тепловой работе НПЦ ДВС 3. Графики циклических изменений температур рабочего тела в полостях расширения и сжатия в регенеративном адиабатном цикле показывают изменение температур воздуха в объеме теплообменника 62 (ТС) и в объеме зарубашечного пространства 57 (ТЕ), при этом необходимо учесть, что 240о поворота коленчатого вала на графике соответствует НМТ поршня 51, т.е. максимальные температуры в теплообменнике 62 и пространстве 57 развиваются в конце сжатия, а минимальные в конце расширения (на графике 60о). При повышении среднего давления цикла увеличивается эффективная мощность двигателя при неизменяющейся степени сжатия ε≥ 2,0-2,5, следовательно повышение давления наддува, т.е. давления начала сжатия в НПЦ, дает возможность значительно повысить эффективную цилиндровую мощность ДВС 3.
При движении поршня 51 к НМТ после перекрытия продувочных окон 49 в процессе сжатия воздуха в объеме НПЦ температура возрастает, что вызывает дополнительное повшыение давления и, как следствие, увеличивает работу сжатия.
Для уменьшения работы сжатия в момент перекрытия продувочных окон 49 в объем НПЦ подается мелкораздробленная порция холодной воды. Уменьшение объема охлаждаемого воздуха зависит от: температуры воздуха в объеме НПЦ, температуры и количества разбрызгиваемой воды, от качества дробления капель, от равномерности распределения капель по объему НПЦ. В нижней части объема теплообменника 62 имеется полость водосборника 64, в которой содержится вода. К нижней точке полости водосборника 64 крепится нагнетатель 65 (фиг. 8-10). В корпусе нагнетателя размещен клапан 74, прижимаемый пружиной 75 к детали 73 с клапанным гнездом. Натяжение пружины 75 регулируется деталью 76. Клапан 74 открывается тогда, когда давление над клапаном превысит давление под клапаном плюс натяжение пружины 75. Деталь 76 является также направляющей как для клапана 74, так и для поплавка 77 с иглой 79. Высота подъема поплавка 77 и максимальное количество воды в объеме корпуса нагнетателя 65 регулируются штуцером 80 с посадочным гнездом для иглы 79. При вворачивании штуцера 80 в корпусе нагнетателя 65 поплавок 77 поднимается и повышается уровень и количество воды в объеме корпуса нагнетателя 65. При выворачивании штуцера 80, наоборот, поплавок 77 открывает игольчатый клапан при меньшем уровне и лишняя вода сбрасывается. Корпус нагнетателя 65 сообщен с корпусом распылителя 54 посредством трубки, соединяющей штуцера 78 и 71. Плунжер 70 давлением воздуха из объема НПЦ и пружиной 69 плотно прижат гладкой торцовой поверхностью к регулирующему винту 72, делящей торцовую поверхность плунжера 70 на две площади: внутреннюю и внешнюю. В конце сжатия, когда нарастание давления прекращается, клапан 74 плотно закрывается. Давлению, создавшемуся в корпусе нагнетателя 65, противодействует давление объема НПЦ (межкольцевых пространств поршня 51 фиг.2) и натяжение пружины 69. Натяжение пружины 69 изменяется регулирующим винтом 72. К концу процесса расширения, в момент, когда давление нагнетателя 65 превысит давление в НПЦ и натяжение пружины 69, плунжер 70 сдвигается, а через образовавшийся зазор давление распространяется на всю торцовую площадь плунжера 70 и на сетку колпака 68. Плунжер перемещается к объему НПЦ, при этом вода, нагнетаемая из корпуса нагнетателя 65, разбрызгивается в объем НПЦ. Дробление воды и факел разбрызгивания зависят от диаметра и количества отверстий в сетке колпака 68, а также от количества растворенного (и мелкопузырькового) воздуха, смешивающегося с водой в процессе вихревого (турбулентного) охлаждения в оребрении 63 теплообменника 62. Преждевременная подача воды, т.е. еще в процессе расширения при подходе поршня 51 к ВМТ, вызовет уменьшение давления в объеме НПЦ и дополнительный приток теплого воздуха через клапаны 59, что увеличит тепловые потери. Чтобы подача воды происходила в нужный момент, при движении поршня 51 к НМТ вводится отсечка начала подачи. На фиг. 8, 9 схематично показан клапан отсечки, приводимый кулачной шайбой распределительного вала 40. Подача воды в объем НПЦ прекращается, когда давление в объеме НПЦ и натяжение пружины 69 пересиливают давление нагнетателя 65. Плунжер 70 перемещается к регулирующему винту 72 и плотно прижимается к нему.
При подаче холодной воды в объем НПЦ давление воздуха уменьшается и политропа сжатия принимает более пологий характер, при этом в начале сжатия снижается и инетнсивность вытеснения воздуха через клапан 52. Протекая через полость нижней крышки 53, воздух завихряется и интенсивно перемешивается с каплями воды, что увеличивает теплообмен между воздухом и водой и создает условия равномерного распределения влаги в воздухе, увеличивая коэффициент теплопередачи. В начальный период сжатия температура поверхности теплоомбена теплообменника 62 (стенки корпуса, трубки, оребрение 63) ниже температуры охлаждающей воды, что вызывает более обильное капельное оседание влаги на поверхности теплообмена теплообменника 62. В дальнейшем по мере увеличения скорости вытесняемого воздуха и повышения давления увеличивается вихревое торможение и концентрация влаги в воздухе в межтрубном объеме теплообменника 62 и оребрении 63 возрастает. Это вызывает укрепление капель воды в объеме охлаждаемого и сжимаемого воздуха, обильное оседание воды на поверхностях теплообмена и стекание ее в полость водосборника 64, чему способствует движение возуха. Вода, стекающая в полость водосборника 64, одновременно вытесняется через клапан 74 в нагнетатель 65. В процессе сжатия часть влаги будет заноситься в зарубашечное пространство 57, что вызовет ее испарение и перегрев. Процесс испарения и перегрева влаги в еще большей степени увеличит эффект теплового затвора, и давление конца сжатия будет увеличиваться в пропорциональной зависимости от количества воды, подаваемой в объем НПЦ. Вследствие увеличения влажности воздуха увеличиваются коэффициент теплопередачи и теплоемкость, что влияет на температуру конца сжатия в объеме теплообменника 62 и максимум ее в сравнении с сухим воздухом будет уменьшаться по мере увеличения влажности. Температура и давление конца сжатия влияют на влагосодержание воздуха независимо от качества отделения воды в оребрении 63. В процессе расширения вследствие увеличения скорости потока воздуха будет наблюдаться захват капельной влаги с поверхности теплообмена теплообменника 62, и влажность воздуха, омывающего коллектор 8, будет увеличиваться, что вызовет повышенное парообразование и перегрев пара с более интенсивным увеличением объема паровоздушной смеси, поступающей в объем НПЦ, что будет сдерживать падение давления и политропа в начале хода расширения будет иметь более пологий характер. Эффективность работы расширения с увеличением влажности воздуха повышается, но при этом увеличивается теплообмен в зарубашечном пространстве 57, что снижает температуры выпускных газов и парогазовой смеси, поступающей в объем НПЦ, и температура влажного воздуха, отводимого в объем камеры 41 продувки, будет снижаться. В процессе сжатия, в момент подачи воды в объем НПЦ, вследствие конденсации пара давление сжатия будет уменьшаться в еще более высокой степени, что уменьшит работу, потребляемую на сжатие, но увеличение влаги в воздухе за счет конденсата увеличит и количество тепла, отводимого в теплообменнике 62. С увеличением влажности воздуха эффективная работа НПЦ увеличивается за счет тепловой энергии выпускных газов и зависит от перепада температур выпускных газов, охлаждающей воды, влажности воздуха, давления начала сжатия и степени сжатия, находящейся в прямой зависимости от перепада температур выпускных газов (наддува) и охлаждающей воды. Смешанные рабочие тела для одних и тех же условий в цикле - максимальной и минимальной температуры, объема и максимального давления - площадь рабочей диаграммы цикла со смешанным рабочим телом значительно больше, чем с обычным газовым телом. Для одного и того же двигателя применение смешанного рабочего тела приводит к увеличению полезной работы.
Переход одного из компонентов рабочего тела из жидкого состояния в парообразное сопровождается повышением степени сжатия с последующим увеличением отношения давления и полезной работы за цикл. Повышение удельной мощности более чем в три раза отмечается при максимальной температуре цикла 600 К и минимальной температуре цикла 300 К. Влияние конструктивных параметров можно оценить косвенно, так как в заявляемом двигателе отвод тепла в процессе сжатие-вытеснение производится не только в объеме теплообменника, но и в объеме НПЦ, что является существенным отличием, так на процесс сжатия в объеме НПЦ влияют: температура и влажность воздуха в начале сжатия; начало подачи воды в объем НПЦ; температура, количество и равномерность разбрызгивания воды по объему НПЦ. На массовое паросодержание оказывает влияние количество воды, циркулирующей по контуру охлаждения: нагнетатель 65, распылитель 54, объем НПЦ, поверхность охлаждения теплообменника 62, конструкция оребрения 63 и объем водяной полости 64, т.е. количество капельной влаги, уносимой воздухом к коллектору 8. Количество воды, задействованной в работе НПЦ, дозируется подачей воды через штуцер 66 по средней температуре в объеме воздуховода 56, температуре охлаждающей воды 67 и средней температуре выпускных газов в коллекторе 8.
На фиг. 5 давление Рнадд в ресивере 2 зависит от интенсивности работы НПЦ и значительно больше давления процесса газообмена и начала сжатия дизельного цикла. При продувке цилиндра вследствие расширения воздуха температура значительно снизится, что вызовет падение температуры выпускных газов до таких значений, что дальнейшее использование энергии выпускных газов в тепловой работе будет затруднительно. С целью повышения температурного потенциала выпускных газов используется тепло НПЦ с температурой конца расширения. При нахождении поршня 51 в ВМТ теплый воздух из объема НПЦ через окна 49 продувки заполняет объем камеры продувки до давления, близкого к Рнадд. При движении поршня 51 к НМТ, после максимально использованной работы расширения продуктов сгорания, открывается выпускной клапан 46 и горячие газы устремляются в коллектор 8. При дальнейшем движении поршня 51 к НМТ открываются окна 48 наддува, перекрытые золотником наддува. При дальнейшем движении поршня 51 к НМТ открываются окна 49 продувки. К этому моменту давление в цилиндре максимально снизилось и стало значительно ниже давления в камере 41 продувки. Теплый воздух, истекая с высокой скоростью через окна 49 в цилиндр, расширяется и температура его снижается в зависимости от степени расширения и температуры в камере продувки к моменту открытия окон 49 продувки. При вытеснении продуктов сгорания вследствие теплообмена воздуха со стенками цилиндра, а также турбулентного перемешивания с газами температура выпускных газов возрастает, что вызывает умнеьшение процентного содержания массы воздуха к массе вытесняемых из цилиндра продуктов сгорания. Уменьшение массы воздуха в еще большей степени повышает температуру выпускных газов. С повышением температуры воздуха в камере продувки увеличивается объемное вытеснение с уменьшением массы воздуха.
Снижение же массы продувочного воздуха дает возможность уменьшить производительность турбокомпрессора 27.
На фиг.7 показаны совмещенные диаграммы в осях P-vдц - диаграмма дизельного цикла, д.н.п. - диаграмма нижней полости цилиндра, д.к.п. - диаграмма изменения давления в объеме камеры продувки. Жирная линия показывает изменение давления при оптимальном объеме камеры продувки; штриховая - при большем объеме, а штрих-пунктирная - при меньшем объеме продувки от номинального. При увеличении объема камеры 41 продувки максимальное давление при заполнении уменьшается, что в первую очередь влияет на давление Рнадд. начала сжатия в НПЦ, снижает температуру воздуха в камере 41 продувки из-за разбавления холодным воздухом наддува, что в еще большей степени уменьшает давление охлаждающего воздуха продувки. Во вторую очередь уменьшение давления в камере 41 продувки снижает интенсинвость истечения воздуха через окна 49, и вытеснение продуктов сгорания в процессе газообмена будет протекать более вяло, что вызовет необходимость использовать для продувки холодный воздух из ресивера 2.
Уменьшение объема камеры 41 продувки приводит к уменьшению количества теплого воздуха, необходимого для продувки, и также вызывает необходимость дополнительно использовать холодный воздух из ресивера 2.
При работе ДВС 3 температуры продувочного воздуха в камере 41 продувки и выпускных газов в коллекторе 8 взаимосвязаны. С повышением температуры выпускных газов улучшается теплообмен в зарубашечном пространстве 57, что увеличивает интенсивность работы НПЦ с повышением температуры воздуха в объеме НПЦ к концу расширения и, следовательно, к повышению температуры и уменьшению массы воздуха в объеме камеры 41 продувки, что увеличивает температурный потенциал выпускных газов.
Учитывая, что максимальные значения температуры выпускных газов ограничены повышением износа выпускного клапана 46 и его седла, наиболее эффективным регулированием максимального значения температуры выпускных газов является дозировка подачи воды через штуцер 66, регулирование количества воды в нагнетателе 65, изменение интенсивности подачи 67 охлаждения. При этом необходимо учитывать, что повышение влажности теплового цикла НПЦ увеличивает массу и теплоемкость продувочного воздуха, что повлияет на процесс газообмена дизельного цикла с более интенсивным теплообменом между продувочным воздухом и стенками цилиндра и в конечном счете приведет к увеличению коэффициента остаточных газов и уменьшению веса свежего заряда.
В номинальную нагрузку работы ДВС 3 расчетные коэффициент избытка воздуха и коэффициент продувки обеспечиваются временем-сечением открытия выпускного клапана 46 в соответствии геометрии кулачка 40 и золотника 58 наддува. Начало открытия окон 48 наддува начинается в тот момент, когда струя холодного воздуха наддува не может повлиять вследствие инерционности на повышение давления в объеме камеры 41 продувки, т.е. начало наддува начинается еще до перекрытия окон 49 поршнем 51. Выпускной клапан 46 также еще не закрыт, что обеспечивает максимальное удаление продуктов сгорания и теплого продувочного воздуха из объема цилиндра вытеснением давлением наддува и явлением откоса выпускными газами, движущимися в газопроводе, соединяющим выпускной клапан 46 и газовый объем коллектора 8.
В связи с тем, что давление в ресивере 2 значительно выше давления начала сжатия (фиг. 5), наддув сопровождается расширением и переохлаждением свежего заряда, что увеличивает массовый вес и уменьшает коэффициент остаточных газов. Между переохлажденным свежим зарядом и горячими стенками цилиндра происходит более интенсивный теплообмен, что способствует отводу тепла от горячих стенок цилиндра, но и увеличивает работу начала сжатия. Более высокое давление в ресивере 2, чем давление начала сжатия, дает возможность подать необходимый свежий заряд за более короткое время и обеспечить более раннее начало сжатия, увеличить степень сжатия. При увеличении мощности ДВС 3 повышается частота вращения коленчатого вала, скорость возвратно-поступательно движущихся масс, что вызывает необходимость повышения давления наддува для противодействия возросшим инерционным силам. Но при этом увеличивается частота вращения золотника 58 и кулачка, что приводит к уменьшению время-сечение открытия окон 48 наддува и клапана 46 и к уменьшению коэффициентов избытка воздуха и продувки и, следовательно, к увеличению коэффициента остаточных газов и, как следствие, к неполноте сгорания топлива и резкому повышению температуры выпускных газов. При снижении мощности ДВС 3 происходят обратные явления. Увеличивается коэффициент избытка воздуха, снижающий термический КПД, и резко уменьшается температура выпускных газов. С целью поддержания оптимальных значений коэффициентов избытка воздуха и продувки в широком диапазоне изменения нагрузки двигателя с изменением частоты вращения коленчатого вала изменяются соответственно и время-сечение как окон 48 наддува изменением опережения вращения золотника 58, так и клапана 46 введением регулятора 4 время-сечение, изменяющим закон геометрии кулачка как на время открытия-закрытия, так и на величину хода клапана 46.
На фиг.15 косозубая шестерня 100 жестко укреплена на распределительном валу 40. Косозубая шестерня 99 шлицевым соединением с возможностью осевого перемещения размещена на валу 96, вращающим золотник 58. Шестерни 100 и 99 находятся в зацеплении. Отношение зубьев шестерни 100 к зубьям шестени 99 равно 2. При перемещении шестерни 99 по шлицам в ту или другую сторону вызывает поворот вала 96 и изменяет угол опережения золотника 58. Изменение опережения золотника 58 зависит от угла наклона зубьев шестерен 99 и 100 к оси вращения валов 96 и 40, а также от величины перемещения шестерни 99 вдоль вала 96 относительно шестерни 100. Продольное перемещение шестерни 99 осуществляется тягой 98, поворачивающей рычаг, находящийся в скользящем соединении с шестерней 99 относительно оси качания эксцентрика 97. Поворот эксцентрика 97 при неподвижной тяге 98 вызывает продольное перемещение шестерни 99 относительно шестерни 100. Тяга 98 связана с системой топливоподачи топливных насосов либо непосредственно с рукояткой поста управления, либо посредством сервомотора с центробежным регулятором. От угла наклона зубьев к оси шестерен 99 и 100 зависит величина перемещения шестерни 99 относительно шестерни 100 и осевое усилие, возникающее при косозубом зацеплении. Частота вращения золотника 58 в два раза больше частоты вращения коленчатого вала двигателя, что дает возможность сообщать ресивер 2 с верхней (дизельной) полостью при нахождении поршня 51 в НМТ и с НПЦ при нахождении поршня 51 в ВМТ. При увеличении подачи топлива увеличивается время-сечение окон 48 наддува, при уменьшении подачи топлива время-сечение наоборот уменьшается. Поворотом эксцентрика 97 производят более тонкую настройку, например, вызванную изменением качества топлива, либо непропорциональным изменением параметров при изменении режима работы двигателя.
На фиг. 16 показан датчик температуры, работающий по принципу дилатометрического термометра. Датчик содержит жаровую трубу 106, взаимодействующую с фланцами 105 и 109, крепящимися к циклонному сепаратору 14 и выпускному коллектору 8 соответственно и со спиралями 17 трубопровода. Корпус 108 стягивает фланцы 105 и 109 и обеспечивает герметичность. По спиралям 17 трубопровода циркулирует вода с температурой от 30 до 50оС. Жаровая труба 106 омывается изнутри выпускными газами, температура которых в регулируемом диапазоне нагрузки ТПД изменяется от 200 до 600оС и выше. Вследствие высокого перепада температур воды в датчике 9 и выпускных газов коэффициент теплового расширения трубопровода спиралей 17 незначителен в сравнении с этим коэффициентом жаровой трубы 106 при условии применения одинакового металла как для змеевика, так и для жаровой трубы 106. При изготовлении жаровой трубы 106 из металла с большим температурным коэффициентом, чем змеевика при одинаковых температурах, с повышением перепада температур коэффициент теплового расширения жаровой трубы 106 возрастет. При нагреве жаровой трубы 106 диаметр ее увеличивается, что вызывает увеличение диаметра спиралей 17 d на величину Δ d, при этом длина витка трубки увеличивается на πΔ d. При n витков длина спирали увеличивается на n πΔ d. Так как тепловое удлинение общей осевой длины спиралей незначительно, то это приводит к раскручиванию спиралей 17. На фиг.21 показан поперечный разрез датчика 9 температуры, а на фиг. 23 - продольный. Спирали взаимодействуют с жаровой трубой 106 посредством роликов 123, обеспечивающих трение качения по образующей жаровой трубы 106. Пружинный сепаратор (пружина 126) равномерно распределяет ролики 123 в холодном состоянии и обеспечивает относительное перемещение их при увеличении диаметра жаровой трубы 106, увеличивающееся к концам спирали. Витки спирали взаимодействуют с корпусом 108 посредством регулирующей гайки 125 с одного конца и силовой пружиной 126 с другого конца посредством детали 127. Натяжение пружины 126, регулируемое гайкой 125, противодействует разжимающему витки давлению, создающемся внутри трубок, и достаточно для преодоления трения в сальнике 130 регулятора 11 питательной воды для перемещения привода 5. Корпус регулятора 11 питательной воды жестко укреплен к корпусу 108. В холодном состоянии витки датчика 9 температуры упираются посадочным гнездом 134 в клапан корпуса 135 корпуса, при этом образуется тепловой зазор δ между регулирующей гайкой и корпусом 108.
Величина теплового зазора δ относительная, так как зависит от регулирования подачи питательной воды в зависимости от изменения нагрузки ТПД, что влияет и на величину перемещения привода 5. Внутри корпуса регулятора 11 питательной воды (фиг.22, 23) размещен редукционный клапан 133, взаимодействующий с посадочным гнездом в корпусе регулятора 11 с пружиной 132 и с трубкой датчика 9 температуры с возможностью свободного относительного перемещения. Достаточная плотность между клапаном 133 и трубкой датчика 9 обеспечивается минимальным зазором и лабиринтовым уплотнением. Утечки воды через зазор между клапаном 133 и трубкой датчика 9 можно использовать для дополнительного отвода тепла в масляном холодильнике (не показан). Натяжение пружины 132 регулируется штуцером 131 с сальником 130 и гайкой грундбуксы 129. Натяжение пружины 132 обеспечивает закрытие клапана 133 при максималном растворе створок 159 и 164 сопла 18 (фиг.31). После пуска в работу ДВС-3 (либо с поступлением дымовых газов от парового котла) жаровая труба 106, нагреваясь, увеличивается в диаметре, витки датчика 9 температуры увеличиваются в диаметре, витки датчика 9 температуры увеличиваются по длине в первую очередь за счет теплового зазора δ, и после того, как гайка упрется в корпус 108, начинается втягивание в корпус 108 другого конца с усилением противодействия силовой пружины 126.
Деталь 127, воздействуя посредством рычага 128, начинает перемещать привод 5. В образовавшийся зазор между гнездом 134 и клапаном корпуса 135 начинает поступать питательная вода. В момент начала подачи питательной воды будет наблюдаться дополнительное втягивание трубки датчика 9 в корпус 108 вследствие охлаждения спиралей датчика 9 температуры нагретым радиационным теплом жаровой трубы 106, что должно обеспечить интенсивное истечение через сопло 18 с уменьшением времени просачивания в зазорах створок 159 и 164 сопла 18.
В корпус регулятора 4 "Время-сечение" залита гидрожидкость 82, заполняющая каналы 92 (фиг.11). Возвратно-поступательное движение плунжера 93 совершаетcя в соответствии геометрии кулачка распределительного вала 40. На плунжер 86 посредством штанги 43 и коромысла 42 передается усилие пружины 45 (фиг.2, 3). При закрытом клапане 46 при движении плунжера 93 вниз в канале 92 создается разрежение, вследствие чего открывается клапан 90 и гидрожидкость 82 из полости запаса через канал 92 заполняет увеличивающийся объем. При движении плунжера 93 вверх клапан 90 под воздействием своей пружины и давления закрывается и давление в канале 92 возрастает, воздействуя на плунжер 86 и скалку 95. Величина хода скалки 95 зависит от зазора между толкателем (деталью 88) и скалкой 95. Толкатель 88 затормаживается от возвратно-поступательного движения относительно втулки 94 уплотнительным кольцом (выделено штриховкой). Эксцентриковый кулачок (вал 38), приводимый во вращение приводом 5, обеспечивает движение валу 38 от 0 (фиг. 13) до максимального значения (фиг.12). При положении, показанном на фиг. 13, скалка 95 зажата и весь объем гидрожидкости при перемещении плунжера 93 вверх преобразуется в поступательное перемещение плунжера 86. При этом с началом движения плунжера 93 начинается движение плунжера 86. Обратный ход плунжера 93 вызывает одновременное движение вниз плунжера 86. Начало открытия и момент закрытия выпускного клапана 46 соответствуют tmax на фиг.14. Величина хода клапана 46, обуславливающая проходное сечение выпускным газам, соответствует высоте кулачка Smax. При положении, показанном на фиг. 12, скалка 95 имеет максимальный свободный ход. При движении плунжера 93 вверх часть объема гидрожидкости в первую очередь расходуется на перемещение скалки 95 и затем только начинается перемещение плунжера 86, испытывающего противодействие клапанной пружины 45. Поступательное движение плунжера 86 максимально уменьшается. При обратном движении плунжера 93 в первую очередь начинает перемещаться плунжер 86, испытывающий возросшее воздействие сжатой клапанной пружины 45, и только после закрытия клапана 46 начинает перемещаться скалка 95. Положению кулачка (вала 38) и толкателя 88 на фиг.12 соответствуют Tmin и Smin кулачка (вала 40) на фиг.14. Изменяя свободный ход скалки 95, вращением вала 38 устанавливают оптимальное время-сечение выпускного клапана 46 для заданной нагрузки ДВС 3. На фиг.11 показано положение вала 38 при номинальной нагрузке, а на фиг. 14 tnom и Sном вала 40 соответствуют номинальному время-сечению клапана 46. Буферная пружина 87 смягчает соударения скалки 95 и толкателя (детали 88), уменьшает "наклеп" в зазорах привода клапана 46 при гидроприводе, снижает импульс давления в трубке. При нажатой кнопке 84 клапан 90 открыт. Плунжер 86 под воздействием пружины 45 вытесняет гидрожидкость в полость запаса корпуса регулятора 4, выпускной клапан 46 закрывается и отсекает объем цилиндра и соответственно объем ресивера 2 наддува от воздуховода 55 выпускного коллектора 8.
На фиг. 2 показано тангенциальное истечение выпускных газов в газовый воздуховод 55 коллектора 8. Такое истечение вызывает вращение газа относительно оси коллектора 8. Это способствует лучшему теплообмену с зарубашечным пространством 57, при этом средняя длина пути, проходимая газом по газовому тракту, увеличивается примерно в два раза в сравнении с длиной газопровода, в котором происходит вихревое движение газа. Вихревое вращение вызывает центробежные силы, отбрасывающие твердые частицы продуктов сгорания к периферии вращения.
На фиг.16-20 показано, что твердые частицы, вносимые выпускным газом в корпус сепаратора 14 центробежной силой, с периферии газопровода (коллектор 8, датчик 9 температуры) распределяются по периферии корпуса сепаратора 14, при этом омывая корпус сепаратора 14 и цилиндр 111, газ вовлекается в новое вихревое вращение вокруг оси цилиндра 111, что способствует более тонкой центробежной очистке в увеличившемся радиусе вращения.
На фиг. 16, 17, 19 тонкими стрелками показано движение газа, короткими жирными - твердых частиц. Из объема сепаратора 14 очищенный газ, разворачиваясь на 180о, направляется в цилиндр 111. Согласно схеме фиг. газ при повороте на 180о сохраняет вихревое движение, что вызывает захват и унос до 5% и более отсепарированных твердых частиц. Интенсивность вихревого движения газа, движущегося к цилиндру 111, находится в зависимости от конструктивных габаритов сепаратора 14 (диаметр, высота по оси цилиндра 111). Так как устранить вихревое движение практически невозможно, сконцентрировать основной вихревой поток максимально к оси цилиндра 111 можно формой образующей корпуса сепаратора 14 (фиг.17, 18). Для улавливания твердых частиц, уносимых из объема сепаратора 14, поперек потока газа установлена сетка 101 с сечением ячеек, достаточным для удержания (фильтрования) частиц, способных вызвать особо повышенную эрозию лопаточного аппарата турбины 21. Между сеткой 101 и торцом цилиндра 111 оставляется зазор, достаточный для прохода очищенного газа при любой концентрации твердых частиц в газе, поступающих в сепаратор 14 на сепарацию. Время засорения ячеек сетки 101 находится в прямой зависимости как от концентрации твердых частиц в газе, поступающем на сепарацию, так и от интенсивности скорости потока этого газа, зависящей от нагрузки ТПД. Для очистки сетки 101 предусмотрена либо автоматическая выбивка сетки 101 по мере уменьшения проходного сечения, либо ручная, периодическая. При автоматической выбивке давление в газовом тракте (коллектор 8, датчик 9 температуры, объем сепаратора 14) по мере засорения сетки 101 повышается, крышка 113, преодолевая давление снизу ее, а также посредством стержня 118, приводя в движение рычаг 120 с грузом 121, перемещается вниз (на фиг. 19 положение сетки 101 и крышки 113 перед началом движения), при этом тяги 117 (на фиг.18-20 три штуки), соединенные с рычагами 103 в максимальной близости от оси качания рычагов 103, начинают перемещать вниз кольцевую деталь 102, взаимодействующую с концами рычагов 103. Вследствие разности плеч рычагов 103 кольцевая деталь 102 движется вниз с большей скоростью (в зависимости от отношения плеч рычагов 103), чем крышка 113. В определенный момент деталь 102 настигает крышку 113. В момент соударения детали 102 посредством бойков 104 (фиг. 16) и крышки 113 вследствие инерции, сетка 101 прогибается вниз (фиг.20), проволоки сетки 101 приходят во взаимное перемещение, что способствует отделению застрявших твердых частиц, которые давлением газов над сеткой 101 сбрасываются вниз. Первоначальное движение крышки 113, вызванное повышенным давлением в объеме сепаратора 14, вызывает движение инерционных масс стержня 118 рычага 120 и груза 121. В дальнейшем, когда давление в объеме сепаратора 14 снизится вследствие образовавшегося зазора между крышкой 113 и ее посадочным местом, движение крышки 113 вниз обуславливается движением инерционных масс стержня 118, рычага 120 и груза 121. В момент соударения детали 102 и крышки 113 инерционное движение прекращается, содрогание корпуса сепаратора 14 вызывает отделение приставших твердых частиц 112 (фиг.19) и вынос их газом из корпуса сепаратора 14. В момент соударения зазор между сеткой 101 и цилиндром 111 увеличивается, что способствует снижению давления в объеме сепаратора 14, крышка 113 под воздействием веса груза 121 поднимается и занимает положение, показанное на фиг.19. Автоматическая выбивка сетки 101 регулируется положением (смещением в ту или другую сторону) груза 121 на рычаге 120, а также положением оси 122 качания рычага 120 относительно оси патрубка 119. Перемещая ось 122 вверх-вниз, изменяют момент вращения рычага 120 и груза 121 при закрытой (верхняя, нижняя схема положения груза 121 фиг.19) и открытой крышке 133 (соответственно фиг.20).
Во время сепарирования значительное количество твердых частиц отводится газами через отверстие фланца 110, что в значительной мере должно уменьшить унос их через сетку 101 и в дальнейшем через цилиндр 111, но система рычагов 103, тяг 117 и их крепления к корпусу сепаратора 14 вызывает дополнительную турболизацию газа, вследствие чего ухудшается сепарирование газов повышением захватываемых частиц с последующим засорением сетки 101, что сопровождается осаждением твердых частиц 112 на корпусе сепаратора 14 в местах с наименьшей скоростью относительного движения газа, что ухудшает их отвод через отверстие фланца 110. Ручная выбивка сетки 101 производится резким подъемом рычага 120. Периодичность ручной выбивки зависит от величины повышения давления над давлением, обуславливаемым заданным режимом работы ТПД. Частая выбивка сетки 101 приводит к дополнительным потерям тепловой энергии выпускных газов.
На всех регулируемых нагрузках ТПД изменяющимся инерционным усилиям возвратно-поступательно движущихся масс поршня, штока, крейцкопфа, шатуна противодействует пневматическая работа НПЦ, при этом давление в НПЦ изменяется с изменением интенсивности дизельного цикла, для чего давление наддува в ресивере 2 должно быть всегда достаточным для поддержания соответствующего давления в НПЦ. Поэтому энергия выпускных газов, отходящих из коллектора 8 и используемых в работе расширения в турбине 21, должна обеспечить потребляемую мощность турбокомпрессора 27. Тепловая работа НПЦ дает возможность не только значительно повысить эффективную мощность ДВС 3, но и увеличить температурный потенциал выпускных газов, поступающих из цилиндра в газовый тракт 55 коллектора 8, что дает возможность максимально использовать тепловую энергию выпускных газов для заданного режима работы ТПД, в НПЦ за счет снижения полезной работы ГТУ или наоборот. Данная задача решается введением шибера 15 (фиг.58-60). Шибер 15 устроен идентично направляющему аппарату вентиляторов и дымососов и отличается тем, что пластины 418 крепятся к оси 421 вращения одной из кромок и, кроме того, поворот пластин 418 на оси 421 зависит от натяжения пружин 425, противодействующих напору движущихся газов. Вращением червяка 424 червячного редуктора 423 изменяется не только натяжение пружины 425, но и меняется угол атаки пластины 418 потоку газа. Такое устройство дает возможность разбивать регулируемый диапазон нагрузок ТПД на поддиапазоны с минимальным изменением пропорциональности параметров, в заданном поддиапазоне. Шибер 15 делит газовый тракт на два участка: повышенного давления до шибера 15 и пониженного после него. При максимальном уменьшении сопротивления шибера 15 потоку газов активное сопротивление начинает оказывать циклонный сепаратор 14. На графике фиг.1 удельные объемы выпускных газов vв и v1 показывают влияние сопротивления шибера 15 на изменение параметров выпускных газов, при этом необходимо учитывать влияние сопротивления циклонного сепаратора 14 и потери энергии выпускных газов, связанных с поворотом поткоа на 180о и с отводом части объема газов vгна работу испарителя 30. При повышении сопротивления шибера 15 давление и температура повышаются, скорость истечения выпускных газов уменьшается. Это дает возможность уменьшить потери свежего заряда из цилиндра ДВС 3, например, за счет увеличения коэффициента остаточных газов, повысить теплообмен в выпускном коллекторе между выпускными газами и воздухом НПЦ и тем самым увеличить цилиндровую эффективную мощность, повысить влажность воздуха в НПЦ, улучшить сепарацию циклонного сепаратора 14 и уменьшить процентный объем газа, отводимого на испаритель 30. Во вторую очередь скорость потока газов за шибером возрастает, уменьшаются удельный объем газа и температура, что ухудшает теплообмен в спиралях 17 трубопровода, эжекцию, уменьшается удельный объем и температура перегретого пара в объеме парогазовой смеси в пароперегревателе 19 ТТ 16, что снижает мощность турбины. Повышение сопротивления шибера 15 вызывает увеличение завихрения потока газов пластинами 418, что можно использовать для отделения твердых частиц в объеме ТТ 16.
На фиг. 26 показан тепловой трансформатор (ТТ) 16. Витки трубопровода навиты в две спирали 17 (количество спиралей зависит от конструктивных решений). Питательная вода подается через фланец 155, жестко укрепленный к корпусу ТТ 16, и затем движется навстречу потоку газов с витка малого диаметра в виток большого диаметра и так далее. Затем через деталь 153 и осевому трубопроводу 156 подается к соплу 18. В зависимости от количества подаваемой питательной воды в спираль 17 трубопровода и трубопровод 156 создается давление, обеспечиваемое величиной раствора створок 159 и 164 сопла 18 (фиг. 30-34). Пружины 163 вставляются в прорези осей 162 с достаточным натяжением, обеспечивающим начало раскрытия створок 159 и 164 при повышении давления, создающего высокую скорость истечения из сопла 18 на минимальных регулируемых нагрузках Pmin (фиг.35). При необходимости винтами 160 производят дополнительное натяжение пружин 163 с тем, чтобы максимальный раствор створок 159 и 164 был при оптимальной производительности питательного насоса 12. На фиг.30 створки 159 и 164 закрыты. Площадь створок 159 и 164, находящихся под активным давлением питательной воды, максимальна. Давление в трубопроводе 156 недостаточно для создания усилия, достаточного для преодоления предварительно натяженных пружин 163. На фиг.31 створки 159 и 164 максимально раскрыты. Площадь створок 159 и 164, находящихся под активным давлением питательной воды, минимальна. Усилия согнутых пружин 163 и усилия, создаваемые давлением питательной воды, равны.
Скорость истечения потока из сопла 18 максимальна при минимальных потерях, связанных с недостатками сопел с квадратным сечением. На фиг.35 оптимальное значение скорости истечения из сопла с квадратным сечением v1 соответствует точке пересечения со скоростью v2 потока из сопла с круглым сечением. Дальнейшее повышение давления питательной воды для увеличения скорости истечения v1 приводит к резкому возрастанию сопротивления в сечениях сопла 18. На фиг.32-34 показано сопло 18 с промежуточным раствором створок 159 и 164, т.е. одно из положений створок, соответствующих зазору между гнезом 134 и клапаном 135 (фиг.23) регулятора 11 питательной воды, зависимому от температуры стенок жаровой трубы 106 и положению δ регулирующей гайки относительно корпуса 108 в холодном состоянии.
С повышением давления питательной воды в спиралях 17 трубопровода развивается усилие, разворачивающее витки. Это усилие приводит к повороту детали 153, зависящему от давления питательной воды, количества и пружинного усилия витков спирали 17 (на фиг.28 деталь 153 повернулась на 180о по часовой стрелке от положения, показанного на фиг.27). Деталь 153 взаимодействует посредством резьбового соединения с регулирующим стержнем 152, удерживающим трубопровод 156 совместно с кронштейном на оси корпуса ТТ 16. Поворот детали 153 вызывает осевое перемещение трубопровода 156 и изменяет положение сопла 18 относительно конфузора 157 и диффузора 158. Величина осевого перемещения сопла 18 зависит от шага резьбового соединения стержн я 152 и детали 153. Вращением стержня 152 относительно корпуса ТТ 16 и детали 152 устанавливают оптимальную эжекцию потоком струи из сопла 18 в конфузоре 157 и диффузоре 158 для заданной нагрузки ТПД.
Выпускные газы, поступая на высокой скорости через фланец 154 в объем ТТ 16, в вихревом и турбулентном движении разделяются на два потока: периферийный и осевой. Периферийный поток, затормаживаясь в витках спирали 17, теряет скорость и нагревается, что приводит к повышению теплообмена на поверхности первых витков. По мере движения газа в межвитковых пространствах скорость и температура периферийного газа снижаются и теплообмен ухудшается прямо пропорционально количеству витков. Поэтому увеличение поверхности нагрева за счет увеличения рядов спирали 17 трубопровода приводит к увеличению сопротивления, давление периферийного газа увеличивается, а скорость его и температура в последних витках спиралей становится малоэффективной для теплообмена. Осевой газ движется в вихревом вращении вокруг трубопровода 156. Теплообмен между газом и трубопроводом 156 незначителен, так как по мере осевого перемещения газа вокруг трубопровода 156 создается сравнительно ламинарно движущийся поток пограничного слоя, препятствующий активной теплоотдаче к поверхности трубопровода 156. Наиболее активный теплообмен происходит на нижней поверхности внутренних витков спирали 17 трубы. При этом интенсивность теплообмена зависит от направления навивки спирали 17 трубы к направлению вихревого движения осевого газа, т.е. основной вектор вихревого движения осевого газа может быть близким к параллельному движению относительно поверхности витков спиралей 17 трубы, либо приближаться к перпендикуляру к осям витков спиралей 17. Во втором случае создается более интенсивная турбулизация, приводящая к повышению теплоотдачи к поверхности труб внутренних витков и теплообмену с периферийным газом, что повышает температуру периферийного газа и теплообмен по всему объему, занятому спиралями 17 трубы, но при этом уменьшаются как температура, так и скорость потока осевого газа.
Температура питательной воды перед соплом 18 зависит от температуры питательной воды на входе в ТТ 16 и от количества тепла, принятого водой и спиралях 17 и трубопроводе 156 от выпускных газов. При высокотемпературном охлаждении ДВС 3 температура питательной воды на входе в ТТ 16 может быть 110-120оС и выше, что дает возможность значительно уменьшить поверхность теплообмена в спиралях 17 и трубопроводе 156 и тем самым снизить потери тепловой энергии выпускных газов. В зависимости от перепада давлений перед соплом 18 и за ним уже в конфузорной части сопла 18 развивается высокая скорость и начинается резкое падение давления. В расширяющемся объеме сопла 18 происходит основной разгон потока с еще более быстрым падением давления. Падение давления вызывает парообразование, которое может начаться в любом сечении сопла в зависимости от энтальпии воды перед соплом 18. Раннее парообразование еще в сечениях конфузорной части сопла 18 приводит к уменьшению количества воды, поступающей в сопло 18, и уменьшению массы пара, создающего эжекцию. Более интенсивное парообразование происходит в расширяющихся сечениях сопла 18 и на стенках его, что связано как с нагревом выпускными газами, так и с трением струи о стенки сопла. Пограничный слой при этом может состоять только из перегретого пара, что значительно снижает коэффициент трения. Характер истечения испаряющейся воды из сопла 18 в поток горячего газа во многом напоминает факел горящего топлива (механику факела горящего топлива во многом определяет подвод тепла с периферии факела к его корню и стержню). В сечениях конфузора 157 контрастно различаются три потока, имеющие различные скорости, температуры и массы. Периферийный газ - низкая скорость с повышенной турбулентностью, вызванной течением в витках спирали; низкая температура, зависящая от конструкции ТТ 16 и способа теплообмена; повышенные масса и вязкость.
Осевой газ - незначительная турбулентность вихревого потока, высокая температура и скорость, масса и вязкость соответствуют составу выпускных газов для данной температуры.
Факел испаряющейся воды - высокая скорость истечения относительно осевого газа, температура резко изменяется от периферии факела к оси стержня; по мере удаления от сопла 18 изменяются параметры воды и пара как в радиальных сечениях, так и по оси. На периферии легкий перегретый пар с температурой, близкой к температуре осевого газа. К оси стержня факела температура пара резко снижается, что определяет его физические параметры: степень перегрева, сухой, степень влажности, фаза воды. Это в свою очередь влияет на инертность движущихся масс по мере удаления от оси факела и от сопла 18. Радиальное (от оси к периферии факела) увеличение температуры и уменьшение массы косвенно определяют падение давления, т.е. работа расширения пара периферийных объемов создает противодействие расширяющемуся пару, увеличивающееся к оси факела. Работа расширяющегося пара расходуется на увеличение массовой скорости как вдоль оси, так и радиально. Если не принимать во внимание тепло, вносимое выпускными газами, на форму факела испаряющейся воды влияет давление перед соплом 18 (дальнобойность по воде) и энтальпия воды, уменьшающая дальнобойность воды за счет прогрессивного увеличения диаметра факела вдоль оси истeчения. Поэтому для создания максимальной эжекции на различных режимах работы ТПД необходимо различное положение сопла 18 относительно диффузора 158. Характер течения воды в сопле 18, зависящий от энтальпии воды и перепада давления до и за соплом 18, определяет как скорость истечения из сопла, так и угол конусности факела испарения. В процессе течения парообразование, вызывающее скачки уплотнения, может сопровождаться конденсационными скачками. При течении насыщенного водяного пара в соплах кроме скачков уплотнения, определяемых определенными условиями, могут образовываться и так называемые конденсационные скачки (P/P1 ≈ 0,25; х ≈ 170), эти скачки связаны с возможностью пересыщения водяного пара при расширении его в сопле и возникают в результате пересыщенного пара. Особенность конденсационных скачков заключается в том, что в отличие от прямых скачков уплотнения, в которых скорость течения за скачком всегда меньше скорости звука, за конденсационным скачком скорость может иметь сверхзвуковое значение.
Тепловая энергия и абсолютная скорость осевого газа определяются в первую очередь направлением навивки спиралей 17. Обтекая корпус сопла 18, осевой газ создает зону пониженного давления сразу за соплом 18, что увеличивает перепад давлений до и за соплом 18. Вихревое-вращательное течение газа вокруг оси трубопровода 156 вызывает повышенную турбулизацию на границе перегретый пар-газ, которая создает условия интенсивной передаче тепла от газа к стержню факела, при этом энергия истекающего пара из сопла 18 дополнительно затрачивается на преобразование вращательного движения газа на поступательное, что приводит к еще большей трубулизации и перемешиванию парогазовой смеси.
Менее интенсивная турбулизация, вызванная как разностью скоростей и температуры, так и трением о стенки конфузора 157, происходит между периферийным и осевым газами, также оказывает влияние на теплообмен и торможение парогазовой смеси. Торможение потока повышает температуру и ускоряет процесс парообразования от фазы вода до фазы перегретый пар.
Различные скорости и массы потоков вызывают образование турбулентных вихрей. Диаметр вращения вихрей с одинаковым диаметром вращения находится на одном из сечений диффузора 158, то есть там, где имеется максимальное число потоков с различными скоростями и массами. Это создает очаг звукового излучения, воспринимаемого диффузором 158. В зависимости от положения сопла 18 относительно конфузора 157 и диффузора 158, а также от скорости и мощности потока находится основной очаг звукового излучения, определяющий тембр и высоту звука, воспринимаемого и отражаемого диффузором. В зависимости от свойства металла, толщины стенки, а также от степени расширения раструба диффузор 158 может стать резонатором, настроенным на самую мощную частоту звукового излучения. Увеличение степени резонации увеличивает степень деформации - кристаллической решетки металла, что приведет к тепловому излучению диффузора 158 как в сторону потока, так и во внешнюю сторону. Тепло, излучаемое во внешнюю сторону, используется для дополнительного нагрева паро-газовой смеси, находящейся в объеме пароперегревателя 19. Парогазовая смесь с периферии его через зазор между конфузором 157 и диффузором 158 под избыточным давлением подается в поток периферийного газа для уменьшения вязкости газа в пограничной зоне. Изменением зазора между конфузором 157 и диффузором 158 регулируют количество и температуру парогазовой смеси. Тепло, излучаемое диффузором 158 к оси потока, также уменьшает вязкость в пограничной зоне. На уменьшение поверхностного трения может оказать влияние также и волновой эффект резонации. При различных нагрузках эффективной работы ТПД интенсивность эжекции будет соответствовать определенным высоте звучания и тембру, т.е. возможно использовать изменение характера звучания как параметр для регистрации и регулирования.
Интенсивность эжекции и давление торможения в камере пароперегревателя 19 определяются, в основном, тепловой энергией выпускных газов, т.е. средней температурой и скростью, являющейся также функцией температуры (скорость потока - функция PVT) в сечениях конфузора 157; энтальпией и давлением воды перед соплом 18; степенью влажности парогазовой смеси и степенью повышения давления торможения, влияющей на степень перегрева пара. Повышение давления торможения увеличивает температуру перегрева пара, но смещает начало торможения в сторону потока, снижая интенсивность эжекции. Уменьшение давления торможения может вызвать капельную эрозию на первых ступенях сопловых и лопаточных аппаратов турбины 21, что ставит идентичные проблемы, решаемые при конструировании камеры сгорания ГПУ. Так форма объема пароперегревателя 19 соответствует кольцевому диффузору. Для уменьшения влияния пульсаций давления навстречу потоку в объеме пароперегревателя 19 возможно размещение газодинамического диода. Газодинамические диоды представляют собой каналы с повышенным сопротивлением потоку в обратном направлении и служат для преобразования кинетической энергии импульсов потока в энергию давления, а также для повышения КПД агрегатов наддува стабилизацией давления за компрессором и перед турбиной.
Увеличение степени влажности газа, т.е. содержание массы перегретого пара к массе газа, с минимальными потерями на образование парогазовой смеси определяет эффективность ТТ 16 на различных нагрузках ТПД. Уменьшение противодавления в объеме пароперегревателя 19, влияющего на интенсивность эжекции, возможно повышением скорости потока парогазовой смеси, поступающей к сопловому аппарату первой ступени турбины. Высокая скорость потока с достаточной степенью перегрева пара для предотвращения капельной эрозии обеспечивает возможность поддержания достаточной степени перегрева пара на всех ступенях турбины 21 регулированием сопловых аппаратов. Регулирование сопловыми аппаратами степени расширения парогазовой смеси на ступенях турбины 21 дает возможность перераспределять нагрузку по ступеням турбины так, что последняя ступень лопатки 151 (фиг.24) на номинальной нагрузке может быть практически отключена для предотвращения перехода перегретого пара в насыщенный на лопатках. Включение последней ступени низкого давления может начаться при повышении нагрузки от номинальной и максимально использоваться на форсаже. Необходимость поддерживать достаточную степень перегрева пара вызывается недостаточно равномерным перемешиванием газа и пара, т. е. отдельные струи парогазовой смеси в проточной части турбины 21 могут значительно отличаться по содержанию Н2О. Учитывая высокое содержание Н2О в продуктах сгорания, в два, три раза превышающее по массе газ, что значительно уменьшает температуру точки росы, степень перегрева пара в процессе работы расширения может быть незначительной. Преждевременная конденсация может быть вызвана большим содержанием твердых частиц продуктов сгорания, но при этом уменьшается степень влажности газа, и газ, обволакивая каплю конденсата, предотвращает слияние (коагуляцию) с другой каплей. Пары воды в сверхзвуковом потоке воздуха при определенных условиях спонтанно конденсируются; к потоку воздуха подводится скрытая теплота парообразования, и его полная энергия (энтальпия торможения) возрастает.
Для снижения эрозии лопаточного аппарата турбины 21 возможно подщелачивание питательной воды, повышающей рН парогазовой смеси. На диаграмме P-v фиг. 1 участок v2-vn.г отображает уменьшение объема и повышение давления торможения потока выпускных газов в объеме пароперегревателя 19 и косвенно показывает влияние испарения воды и перегрева пара на интенсивность торможения; участок vn.г - vконд, показывает работу расширения парогазовой смеси на лопаточном аппарате турбины 21. Схематическая проточная часть турбины реактивного типа, где С1 - скорость потока перед лопатками ступени ротора; С2 - скорость потока за лопатками ступени ротора. Процесс расширения пара в многоступенчатой турбине реактивного типа в i-s диаграмме, где х = 1 (штриховая линия) - граница перехода перегретого пара через состояние сухого насыщенного.
На фиг. 24 улитка 139 формирует и направляет поток парогазовой смеси, выходящей со скоростью С2 из последней ступени турбины 21, через зону 24 конденсации на колесо аксиально - радиальной турбины 141 турбонасоса 25. При работе на сухих газах (перегретом паре) турбина 141, включенная последовательно по газовому тракту с турбиной 21, является дополнительной ступенью для турбины 21. Мощность, развиваемая турбиной 141, находится в прямой зависимости от потребляемой мощности центробежного насоса 142 плюс механические и гидравлические потери турбонасоса 25, теплообменника 22, радиатора 145, распылителя 23 и трубопроводов, соединящих их. Производительность насоса 142 Q (кг/с)h (вод.ст.) в свою очередь находится в зависимости от развиваемой мощности турбины 141, перепада давления воды 143 в баке 35 и противодавления в улитке 139 в объеме начала распыления воды.
Объем улитки 139, концентричный оси распыливания воды распылителем 23, зона 24 конденсации и аксиально-радиальное колесо турбины 141 при работе турбины 21 на чистом паре (без присутствия газа, воздуха) представляют инжектор. В зависимости от массового содержания пара в парогазовой смеси находится эффект работы инжекции, то есть величина противодавления в объеме улитки 139 потоку парогазовой смеси после последней ступени турбины 21 и, как следствие, полезная мощность и частота вращения ротора турбины 21. Работа турбин 21 и 141 разбивается на два режима - газовый и парогазовый.
Газовый режим начинается в процессе подготовки ДВС 3 к пуску. Ротор ПГТУ-Р раскручивается через соединительную муфту от вспомогательного двигателя до частоты, обсеспечивающей достаточное давление в ресивере 2 для пуска и устойчивой работы ДВС 3 на самых малых оборотах. При этом может быть два положения. Первое - выпускные клапаны 46 всех цилиндров двигателя закрыты посредством кнопки. Турбина 21, работая в режиме "компрессор", создает в выпускном коллекторе 8 разрежение, давление в объеме улитки 139 практически равно атмосферному - ротор турбонасоса 25 не вращается. Второе - один (или несколько) клапан 46 у цилиндра, поршень 51 которого находится вблизи НМТ, открыт, и коллектор 8 через цилиндр сообщен с ресивером 2, создается циркуляция воздуха - турбокомпрессор 27 нагнетает воздух в ресивер 2, турбина - в объем улитки 139, в которой создается давление, достаточное для раскручивания ротора турбонасоса 25 до частоты, обеспечивающей минимальную подачу насоса 142 и распыливание минимального количества воды через распылитель 23. Как в первом, так и во втором положениях температура и давление в коллекторе 8 повышается, выпускные газы, совершая работу расширения на лопатках турбины 21, увеличивают частоту вращения ротора. Давление в объеме улитки 139 быстро повышается, и ротор турбонасоса 25 резко увеличивает частоту вращения, повышая производительность насоса 142, давление распыла и количество распыляемой воды увеличивается. Энергия газов (давление, температура) в объеме улитки 139 складывается из остаточной энергии работы расширения выпускных газов в турбине 21 плюс дополнительная энергия от вспомогательного двигателя. По мере повышения мощности ДВС 3 полезная мощность турбины увеличивается и влияние, оказываемое вспомогательным двигателем на энергию газов в объеме улитки 139, уменьшается. Так что с повышением мощности ДВС 3 давление и температура увеличиваются менее интенсивно, чем происходит повышение скорости потока С2 и массы выпуксных газов. Давление и температура газов в объеме улитки 139 с повышением мощности ДВС 3 увеличивается за счет торможения.
Движение газов, формируемых и направляемых улиткой 139 к факелу распыла, происходит под различными углами. В верхней части распыла капли воды и газ движутся практически под прямым углом (фиг.25). В нижней - потоки капель воды и газа параллельны (распыление воды может быть организовано под любым углом к потоку газа в зависимости от схемы выходного патрубка).
Дробление капель начинается в распылителе 23 и зависит как от конструкции распылителя (например, от числа и диаметра выключенных отверстий), так и от перепада давлений. При встрече газового и капельного потоков происходит смещение потоков от взаимного влияния, капли воды дробятся и распределяются по большему объему газа. В дальнейшем капли нагреваются и дробление капель увеличивается из-за уменьшения поверхностного натяжения, при этом возможно частичное испарение капель с последующей конденсацией, увеличивающее трубулентность капельно-газового потока и дробление капель. Охлаждающийся водой газ уменьшается в объеме, и концентрация капель увеличивается, что создает капельный насосный эффект, нагнетающий капельно-газовый поток на лопатки турбины 141. На лопатках турбины 141 вследствие торможения давление повышается и газ сжимается, что создает активно-реактивную работу капельно-газового потока на лопатках турбины 141. С повышением температуры и скорости С2 увеличивается производительность насоса 142, давление распыла и количество распыливаемой воды увеличивается, что в свою очередь повышает капельный насосный эффект и мощность турбины 141 может быть значительно увеличена за счет уменьшения мощности турбины 21. Достаточное давление наддува, то есть мощность, потребляемая турбокомпрессором 27 на газовом режиме, обеспечиваются сопловым аппаратом турбины 21 и дополнительным приводом от вспомогательного двигателя, так как давление, создаваемое на лопатках турбины 141, уменьшает мощность турбины 21, что может препятствовать отключению вспомогательного двигателя. Газовый режим неэкономичен и должен быть непродолжительным.
При достижении выпускными газами температурного потенциала начала открытия питательного клапана (регулятора 11) (фиг.23) газовый режим переходит в парогазовый. С момента начала подачи воды и парообразования температура потока в проточной части турбины 21 снижается. Для предотвращения температурного перекоса между ротором и статором турбины 21 необходимо регулировать время снижения температуры потока количеством подачи воды гайкой и соответствующим изменением температурного потенциала шибером 15. С переходом на минимальную нагрузку парогазового режима изменяются параметры дизельного цикла, тепловой работы НПЦ и возрастает мощность турбины 21. С повышением мощности турбины 21 увеличивается частота вращения ротора, скорость С2 и масса парогазовой смеси. Увеличившиеся скорость С2 и масса потока за последней ступенью турбины 21 в первую очередь влияют на интенсивность перемешивания распыляемой воды в потоке парогазовой смеси. Факел распыливаемой воды смещается, увеличиваются турбулентность смешивания и дробление капель распыляемой воды. В связи с высоким содержанием газа конденсация пара начинается в небольшом объеме, окружающем факел распыливаемой воды и в верхней части факела в районе максимального перемешивания.
Пар, конденсируясь до туманного состояния в газовом потоке, резко уменьшается в объеме (микро-гидроудары, смягчаемые расширяющимся газом). Конденсация, происходящая на поверхности холодных капель, вызывает кавитационные каверны на поверхности капли и отделяет мельчайшие частицы воды от массы капли, увеличивая массу дисперсного тумана. Падение давления, вызванное конденсацией, повышает приток парогазового потока к факелу распыливания и усиливает трубулизацию перемешивания.
Полная конденсация основной массы пара завершается в зоне 24 конденсации, что обеспечивается достаточным количеством охлаждающей воды (в зависимости от температуры воды, поступающей к распылителю 23), качеством распыла (зависимым также от количества растворенных газов в воде перед распылителем 23), формой и объемом, занимаемым факелом распыла в потоке парогазовой смеси, формой корпуса улитки 139 и образующей зоны 24 конденсации. Конденсация основной массы пара в зоне 24 конденсации создает ядро минимального давления, стимулирующее разгон капель воды. Плотная масса дисперсно раздробленных капель воды и конденсата, движущихся с высокой скоростью в момент скачка уплотнения в диффузорной части зоны 24 уплотнения и колеса турбины 141, сжимает газ. Сжатие газа протекает практически изотермично.
Работа расширения газа на выходе с лопаток колеса турбины 141 протекает также изотермично. Доля реактивной работы расширения газа значительно меньше активной работы гидравлического напора капель воды. Укрупнение капель воды и конденсата начинается с момента скачка уплотнения и продолжается на лопатках турбины 141, увеличивая толщину пограничной зоны. Водяная пленка предохраняет металл от эрозии, вызываемой сравнительно крупными каплями. Однако значительной эрозии подвержены элементы турбины и другое оборудование при больших скоростях поотока и очень малых размерах капель (dк < 10-7 м). При совершенной конструкции улитки 139, зоны 24 конденсации и турбонасоса 25 гидравлическая работа охлаждающей воды на лопатках турбины 141 может возвратить до 40% энергии, затраченной потоком газоводяной эмульсии на привод турбонасоса 25. Оставшаяся часть энергии восполняется энергией конденсирующегося пара, гидравлической работой конденсата и реактивной - газа. С уменьшением температуры охлаждающей воды увеличивается энергия конденсирующегося пара, что дает возможность увеличить мощность турбины 21. В связи с тем, что температура окружающего воздуха может быть значительно ниже температуры забортной воды, возможно дополнительное размещение радиатора 145 для максимального снижения температуры распыляемой воды.
Эффективная работа турбины 141 зависит также от перепада давлений скачка уплотнения и полости бака 35. Давление в полости бака 35 изменяется с изменением нагрузки ТПД и всегда выше атмосферного, что вызвано повышенным аэродинамическим сопротивлением отводящего трубопровода (отвода 149) (фиг. 25, 61) влажному переохлажденному газу. Отделение воды от газа, начавшееся на лопатках турбины 141, продолжается на влагоотделителе 140, обеспечивающее торможение, завихрение и слияния капель, опадающих вниз. На этом завершается очистка газов от химически агрессивных продуктов сгорания и твердых частиц. Количество вредных соединений, выбрасываемых в атмосферу, находится в зависимости от влажности газа, т.е. от качества влагоотделения во влагоотделителе 140. Сравнительно низкая тепература воды 143 (30-50оС) и пенообразование во влагоотделителе 140 создают условия как высокой растворимости газа в воде, так и мелкопузырькового образования. В целях уменьшения сжимаемости воды на лопатках центробежного насоса 142 необходима установка дополнительного водо-водяного холодильника на всасывающей стороне насоса 142.
Потеря влаги с отходящими газами, а также части воды при работе испарительной установки создают условия для постоянной подпитки питательной воды, изменяющейся количественно с изменением нагрузки ТПД.
Температура по контуру (142, 22, 23, 24, 141 и 140) не превышает значений накипеобразования, что дает возможность осуществить подпитку добавлением забортной воды к охлаждающей воде. На фиг.24 регулятор уровня, воздействуя на регулирующий клапан 147, изменяет подачу забортной воды в зависимости от уровня в баке 35. Забортная вода подается в охлаждающую воду после водо-водяного теплообменника 22. Такая подпика дает возможнось уменьшить габариты теплообменника 22 и снизить потребляемую нагрузку центробежным насосом 142. Химический состав воды 143 в баке 35 сложный. Водородный показатель рН воды 143 зависит как от качества топлива (нефтепродукты, каменный уголь), так и от щелочности питательной воды. Соленость (как растворимая, так и накипеобразующая) зависит от солености забортной воды (море, водоем, источник) и от потерь влаги с отходящими газами и потерь воды в испарительной установке. Активное перемешивание забортной и охлаждающей воды, а затем с конденсатом в улитке 139, зоне 24 конденсации, на лопатках турбины 141 и на влагоотделителе 140, а также присутствие твердых частиц топлива создает условие начала химических реакций выпадения и осаждения солей на твердых частицах топлива.
На фиг.25 показана бобышка 148 для установки дополнительного распылителя 23, что может быть вызвано необходимостью предварительного охлаждения парогазовой смеси за последней ступенью турбины 21 с тем, чтобы уменьшить сопротивление корпуса улитки 139 и для регулирования ядра полной конденсации пара в зоне 24 конденсации с тем, чтобы предотвратить конденсацию пара на лопатках турбины 141. Установка дополнительных распылителей 23 может быть вызвана конструкцией выходного патрубка ЦНД.
На фиг. 68, 69 показано устройство, создающее водяную ширму вдоль образующей зоны 24 конденсации с автоматически изменяющей форму конфузора от давления охлаждающей воды и от скорости парогазового потока к ядру полной конденсации.
Вода 143 из бака 35 через фланец 144 поступает в водоводяной теплообменник 34 (фиг. 36), нагревается питательной водой, подаваемой питательным насосом 12 через теплообменники испарителя, и затем подается на запорную арматуру 198 (фиг.37) водяных 173, 175 и щелочных 176, 178 гидрофоров (фиг. 36). Давление подачи воды и щелочного раствора зависит от высоты hвод.ст воды в баке 35 и щелочного раствора в баке 193 над запорной арматурой (краном 198). Принцип работы водяных 173, 175 и щелочных 176, 178 гидрофор (фиг. 36) идентичен. Запорная арматура (краны 198, 199 и 221) (фиг.37) выполнена из пробковых кранов. Упор 205 пробкового крана 198, взаимодействуя с корпусом его, ограничивает поворот пробки на 90о в ту или другую сторону. Пробка газового крана 199 соединена соосно с пробкой водяного крана 198. Пробки водяных кранов 198 и 221 соединены посредством шестерен 206, 222, 224, 219 и вала 223, обеспечивающих поворот пробке 221 на тот же угол поворота, что и пробка 208. Газовая пробка 199 открыта на гидрофор 175. Горячий газ из сепаратора 14 (фиг.36) по трубопроводу 32, пробковый кран 199 и дырчатую коробку 218, проникая через толщу воды по мере расхода воды из гидрофора 175, заполняет объем его до давления, примерно равного давлению торможения на фланце 110 (фиг.16-20). При проникании газа через воду вода нагревается, а газ охлаждается до температуры воды, находящейся в данный момент, и очищается. Качество очистки в воде зависит от размера пузырьков, т. е. от диаметра отверстий дырчатой коробки 218. При частичном или полном засорении отверстий газ поступает из под коробки 218. Температура газа, заполняющего объема гидрофора, по мере расхода воды повышается до средней температуры начала и конца поступления газа в объем гидрофора. Из гидрофора 175 через открытый кран 221 вода (или щелочной раствор) подается на нагреватель 180 испарительной установки с напором, равным высоте столба воды от уровня в гидрофоре 175 до нагревателя плюс давление газа.
Пробковый кран 198 открыт на гидрофор 173. Давление в объеме гидрофора соответствует высоте водяного столба от уровня воды в баке 35. Клапан 212 закрыт, прижатый поплавком 213 усилием, равным объему вытесненной поплавком воды плюс давление hвод.ст. На фиг.37 показан момент открытия клапана 215 гидрофора 175. При наинизшем рабочем уровне воды вес зависшего поплавка 217 (показано штрихом) передается посредством шнура 216 клапану 215 (показано штрихом), находящемуся в закрытом положении под давлением газов в объеме гидрофора 175. Клапан 215 открывается в момент, когда вес поплавка пересилит давление, действующее на клапан.
Давлением газов из объема гидрофора 175 приводится во вращение ротор пневмомотора 211. Часть отработавшего газа сжимается и отводится через открытый клапан 200 вместе с остальным газом на конденсатор 194 выпара (фиг. 36). Вращение ротора пневмомотора 211 посредством червяка передается на цапфу 204 червячной шестерни редуктора 210. С началом вращения цапфы 204 начинает закручиваться пружинная муфта 207 (фиг.37, 38) до усилия, превосходящего трение в пробковых кранах 198, 199, 211; при этом начинает поворачиваться полумуфта 202, жестко соединенная с цапфой 204. При закрытии клапана 200 отработавший в пневмомоторе 211 газ начинает частично нагнетаться в объем гидрофора 173. К моменту конца переключения запорной арматуры 198, 199, 211 посредством полумуфты 202 (фиг.39) открывается клапан 209 и большая часть объема газа начинает байпасироваться мимо пневмомотора 211. При взаимодействии упора 205 с корпусом крана 198 переключение арматуры завершается. Торможение вращения ротора пневмомотора 211 происходит из-за повышающегося усилия закручивающейся пружинной муфты 207, повышающегося давления сжатия в объеме гидрофора 173 и максимально снизившегося давления в объеме гидрофора 175.
Раскручиванию пружинной муфты 207 в обратную сторону противодействует червяк червячного редуктора 210. Усилие закрученной пружинной муфты 207 способствует старту пневмомотора в обратную сторону. С момента переключения запорной арматуры в объеме гидрофора 173 создается давление и вода (щелочной раствор) через кран 221 начинает подаваться на нагреватель испарителя. В гидрофор 175 начинает поступать вода из бака 35. Время заполнения гидрофоров 173 и 175 регулируется вентилем (без позиции) на фиг.37. Струей поступающей воды промываются отверстия дырчатой коробки 218. С повышением уровня воды газ из объема гидрофора 175 вытесняется и всплывает поплавок 217. К концу заполнения поплавок 217 нажимает на клапан 215 и закрывает его, при этом давление в объеме гидрофора 175 повышается до hвод.ст. уровня в баке 35, дополнительно прижимающего клапан 215 к его посадочному гнезду. Заполненный гидрофор 175 выглядит так же, как гидрофор 173 на фиг.37, и переключение запорной арматуры начнется с открытием клапана 212 поплавком 213.
Расход газа на работу гидрофоров 173, 175 равен объему вытесняемой воды плюс коэффициент теплового расширения газа от температуры поступления газа в гидрофор до температуры открытия клапана 212 или 215. Гидрофоры 173 и 175 являются промежуточными водоподогревателями. При этом кислотность воды повышается в зависимости от дробления пузырьков газа в отверстиях дырчатых коробок 218.
Отсепарированные в сепараторе 14 (фиг.36) твердые частицы продуктов сгорания (зола, шлак, кокс) с температурой, превышающей температуру газа, по трубопроводу 32 с потоком газа подаются на смеситель 235 бункера 187 (фиг.40).
В смесителе 235 в газ добавляются гранулы сыпучего материала - молотый кокс, асбест, смеситель различных веществ, активизирующих осаждение накипеобразующих и растворимых солей в порах и на поверхности гранул СМ и на твердых частицах продуктов сгорания, при этом гранулы СМ нагреваются теплом газа и твердых частиц продуктов сгорания до поверхности гранул. С повышением температуры вновь образовавшейся газовой смеси с твердыми телами уменьшается расход СМ, снижается суммарная площадь поверхности осаждения солей и увеличивается скорость потока, а затем и давление в объеме нагревателя 180. Увеличение расхода СМ увеличивает поверхность осаждения солей, но снижает скорость потока, при этом температура нагрева гранул может стать недостаточной для активного осаждения солей.
Расход СМ может также быть зависимым от вида сжигаемого топлива (мазут с высоким содержанием механических примесей, молотый уголь). С увеличением твердых частиц в выпускных газах увеличивается количество отсепарированных частиц, повышается температура и суммарная поверхность твердых частиц, что создает необходимость не только уменьшить расход СМ, но и вводить присадки, способствующие коагуляции частиц, связываемых накипеобразующими солями. Скорость потока газа зависит от сечения трубопровода 32 и смесителя 235. С увеличением твердых частиц увеличивается масса газа и давление на заслонку 233 регулятора подачи СМ. Поэтому проходные сечения трубопровода 32 и смесителя 235 должны соответствовать виду сжигаемого топлива. На фиг.49, 50 показан регулятор заслонки 233 (идентичная конструкция регулятора 423 фиг. 58-60). Вращение регулятора 234 передается посредством червяка 266 на червячную шестерню 267. Поворот червячной шестерни 267 изменяет натяжение спиральной пружины 268, воздействующей на ось 269 качания заслонки 233, и противодействие ее потоку газа с твердыми частицами. При усилении натяжения пружины 268 заслонка 233 прикрывает при повышении давления потока заслонка 233 приоткрывает. На скорость и давление потока на заслонку 233 влияет также изменение количества подаваемого в смеситель гранул СМ.
При уменьшении натяжения пружины 268 заслонка 233 приоткрывается и увеличивается подача СМ. При этом увеличиваются потери энергии потока газа на нагрев и разгон гранул СМ, давление на заслонку 233 уменьшается, то есть в данном регуляторе существует обратная связь по количеству подачи СМ.
После смесителя 235 газ с оптимальной температурой и заданным количеством гранул поступает в регулятор соплового аппарата 179 (фиг.54). Высота подъема сопловой трубки 315 обеспечивается давлением газа под мембраной 311, натяжением пружины 310 и давлением над мембраной 311, подаваемым через штуцер 319. В пусковой момент давление над мембраной 311 равно атмосферному.
Натяжение пружины 310 обеспечивает поступление газов в нагреватель 180 при достижении ТПД заданной минимальной нагрузки. Сначала газ дросселируется в щелях, образовавшихся между отверстиями 321 в детали 314 и отверстиями 320 в трубке 315. С повышением мощности ТПД давление на мембрану газами усиливается, трубка 315 поднимается выше, сечение в отверстиях 320 и 321 увеличивается. Повышается поток газов через смеситель 235 и давление на заслонку 233. Открывается подача СМ. При этом газ по патрубку 231 поступает в камеру 232 расхода и способствует как нагреву, так и подаче гранул в смеситель 235. Из трубки 315 газ посредством трубки 318 подается в канал детали 357, заполненный водой. В начальный момент происходит газовый барботаж. С повышением давления и температуры скорость потока барботируемой воды, газа и гранул в канале детали 357 увеличивается, что повышает подсос воды в зазоре между трубкой 318 и деталью 357. Нагрев воды в канале сопровождается парообразованием и осаждением солей на поверхности гранул с одновременной конденсацией пара в нагреваемой воде. По мере повышения давления в турбинной полости 325 начинает раскручиваться и повышать частоту вращения ротор турбины 328, приводя во вращение образующую центрифуги 329. Мощность турбины 328 расходуется на раскручивание массы воды с гранулами, выбрасываемые эжекцией газа и пара из детали 357 и направляемые обтекателем 334 оси 331 на образующую центрифуги 329; массы воды, подаваемой из отверстий 333 оси 331 и на перемещение гранул и твердых частиц с массой воды вверх по поверхности образующей центрифуги 329. Скорость перемещаемой массы по поверхности образующей центрифуги 329 зависит от угла наклона (конусности) поверхности образующей центрифуги 329 к оси вращения. На фиг.54 образующая центрифуги 329 с целью лучшей сепарации воды выполнена ступенчатой, т.е. чередованием конусов с различными углами наклона и цилиндрической частью. Перемещение массы на цилиндрической части происходит за счет подпора массой из конусной части. Центробежной силой, увеличивающейся с увеличением радиуса вращения, вода с частицами отжимается к поверхности образующей центрифуги 329 и через отверстия 330 выбрасывается в полость 323 центрифуги.
Гранулы и вновь образовавшиеся крупные окатыши, обезвоженные центробежной силой, перемещаются вдоль отверстий 330, проходное сечение которых меньше размера диаметра гранул, и с верхней кромки центрифуги разбрасываются на отбойное кольцо 322, а затем падают и осыпаются на перегородку 317. Перегородка 317 может быть сплошной, выполнена подвижной по принципу заслонки, перфорированного листа либо сетки в зависимости от технологии нагрева воды или какой-либо жидкости.
В зависимости от размера отверстий сетки мелкие частицы просеиваются и вновь вовлекаются в цикл нагрева воды. Регулирование заслонкой дает возможность возвращать в цикл нагрева дополнительную с меньшей температурой часть СМ и тем самым уменьшать интенсивность нагрева. При сплошной перегородке 317 вся масса СМ отводится в бункер 236 элеватора (фиг.40). В объеме бункера 236 укреплена плита 239. В корпусе 228 шнека имеются отверстия 240 и прорези 237, разделяющие стержни 238 на расстояние размера гранул. Стержни 238, взаимодействуя с ребрами шнека 227, с вращением перемещаются вдоль прорезей 237, приводя в движение массу СМ. Масса СМ, попавшая в зазор между плитой 239 и стержнями 238, испытывает возросшее междуусобное трение, вследствие чего с поверхности гранул отделяется незатвердевшая накипь. Гранулы и мелкие частицы с размерами, меньшими перегородок между прорезями 237 падают в корпус 228 шнека и шнеком 227 перемещаются в отсек 116 загрузки бункера 187, при этом мелкие частицы через отверстия 240 осыпаются в поддон 241 и затем отводятся в шламовую цистерну 189 (фиг.36). Крупные гранулы, перемещаемые стержнями, попадают в камеру 242 и затем также отводятся в шламовую цистерну 189. Шнек 227 приводится во вращение пневмомотором 244 посредством редуктора 243. Для привода пневмомотора 244 может использоваться воздух после турбокомпрессора 27. На фиг.40 для привода пневмомотора 244 используется газ из турбинной полости 325 (фиг.54).
С тем, чтобы подача СМ в смеситель 235 была беспрерывной, бункер 187 дополнительно имеет бункер 115 запаса и два (левый и правый) бункера 229 расхода.
Перед пуском в работу испарительной установки загружаются бункер 115 запаса и один из бункеров 229 расхода (на фиг.45 левый бункер 229 недогружен). При полной загрузке СМ пересыпается в сигнальную камеру (кожух 251) (сигнальные камеры бункеров фиг.46-48 выполнены идентично). Сигнальная полка 252 (256, 258) под увеличивающимся весом массы СМ поворачивается вниз на оси О1, преодолевая натяжение пружины 283 (303, 305) (фиг.51), и момент, передаваемый грузом 262 посредством зубчатых секторов 260 и 261. Максимальный момент противодействия груза 262 создается в крайних положениях (фиг.46 и 47). В первую четверть поворота груза 262 уменьшающийся момент противодействует повороту полки 252 (256, 258). Во вторую четверть - увеличивающийся момент способствует повороту полки независимо от направления вращения полки 252 (256, 258). Момент вращения, создаваемый грузом 262, устанавливается так, что при освобождении сигнальной камеры от СМ усилием пружины 283 (303, 305) сигнальная полка поворачивается вверх.
Крайние положения сигнальной полки 252 (256, 258) создаются при максимальной загрузке соответствующего бункера и при полном опорожении сигнальной камеры 251 при минимальном количестве оставшегося СМ в соответствующем бункере. Крайние положения сигнальных полок 256 и 258 создают четыре комбинации сигналв ("да" - "да"), ("нет" - "нет"), ("да" - "нет") и ("нет" - "да") плюс два вспомогательных сигнала полки 252 "да" и "нет".
На фиг. 51 положения сигнальных полок 252 и 256 соответствуют сигналам "да", "да", то есть наличию СМ в бункере 115 запаса и левом бункере 229 (идет расход). Положение сигнальной полки 258 соответствует сигналу "нет", т.е. бункер не заполнен (идет загрузка СМ).
Поворот сигнальных полок 252, 256 и 258 преобразуется в поступательное перемещение золотников 278, 293 и 294 соответственно. В магистральный канал 291 через редуктор (не показан) подается воздух из системы наддува ДВС 3. На мембраны закрытого клапана 225 бункера 115 запаса и закрытого клапана 259 правого бункера 229 расхода давление из магистрального канала подается через золотники 293б, 278б и 294ж, 308а. На мембрану закрытого клапана 226 давление подается через золотник 286а и регулирующий вентиль 288.
Через золотник 293а давление подается на мембрану 296 блокирующего золотника 307 (золотник 307 опущен, пружина 302 сжата). Давление через золотники 293г и 294в подается на сильфон 276. Объем сильфона 275 через золотник 293 и регулирующий вентиль 300 сообщен с атмосферой. Усилием давления в сильфоне 276 повернута заслонка 255 на загрузку правого бункера 229, сжат сильфон 275, золотник 286 перемещен вверх - пружина 297 расжата, золотник 287 перемещен вниз - пружина 298 сжата. Положение золотника 282 соответствует максимальной производительности пневмомотора 244. Мембрана открытого клапана 230 сообщена с атмосферой посредством блокирующих золотников 307б и 308в. Мембрана 299 сообщена с атмосферой посредством золотника 294е и регулирующего вентиля 301, блокирующий золотник 308 поднят пружиной 306.
Для обеспечения плотного закрытия клапанов 225, 226, 257, 230 и 259 необходимо удалить СМ с посадочных гнезд. Это достигается временем изменения давления в мембранной полости клапанов. Для клапанов 225, 226 и 257 время нарастания давления обеспечивается объемом мембранной полости с регулированием соответствующих вентилей 272, 288 и 289. Время опорожнения левого и правого бункеров 229 расхода после сигнала "нет" находится в прямой зависимости от нагрузки ТПД и интенсивной работы испарительной установки. Поэтому для регулирования времени закрытия клапанов 230 и 259 дополнительно введены блокирующие золотники 307 и 308, приводящиеся в движение мембранами 296 и 299; полость мембраны дополнительно увеличена регулирующимися объемами бачков 292 и 295; общий регулирующий вентиль 301 приводится от фланца 271 оси 269 заслонки 233.
Максимальная выдержка времени закрытия клапанов 230 и 259 при минимальной нагрузке ТПД устанавливается индивидуальным регулированием объемов бачков 292 и 295 при минимальном сечении открытия регулирующего вентиля 301.
В процессе работы возможно положение, когда один бункер опорожнен, в то время как другой расходный бункер не догружен, что может произойти с постепенным уменьшением массы СМ, циркулирующей по контуру бункер-нагреватель. На фиг. 52 сигнальные полки 256 и 258 находятся в положении "нет", "нет" после положения, показанного на фиг.51. Полость мембраны 296 сообщалась с атмосферой посредством золотника 293д и регулирующего вентиля 301. После соответствующей выдержки времени блокирующий золотник 307а сообщил давление магистрального канала 291 с мембраной полостью клапана 230 и тот закрылся. Мембранная полость клапана 255 посредством золотников 278б, 293а и 294а сообщилась с атмосферой и клапан 225 бункера 115 запаса открылся.
Началась засыпка СМ из бункера 187 в правый бункер 229. Бесперебойность подачи СМ в цикл до полной загрузки бункера расхода и открытия клапана 259 обеспечивается объемом камеры 232 расхода. Объем сильфона 276 отсечен золотником 293 г от магистрального канала 291, а золотником 294з от атмосферы. Оставшееся давление в сильфоне 276 удерживает заслонки 255 и золотники 282, 286 и 287 в положении, показанном на фиг.51. После загрузки правого бункера 229 положение сигнальных полок 256 и 258 будет как на фиг. 45. Золотник 294 опустится. Давление из магистрального канала 291 через золотники 294б, 278б поступит на мембрану клапана 225 и тот будет закрываться; через золотники 294 г и 293в будет поступать в объем сильфона 275, а через золотник 294з объем сильфона 276 сообщится с атмосферой и под усилием давления в сильфоне 275 система (255, 282, 286 и 287) переместится в другое крайнее положение.
Давление из магистрального канала 291 через золотник 287а и регулирующий вентиль 289 поступит на мембрану клапана 257 и тот закроется. Через золотник 294е давление поступит в мембранную полость 299, и блокирующий золотник 308 опустится. Мембранные полости клапанов 226 и 259 посредством золотников 286б, 307в и 308б, 307в сообщатся с атмосферой и они откроются.
На фиг.53 положение сигнальных полок 256 и 258 "да", "да", создавшееся после положений, показанных на фиг.51. Правый бункер 229 загружен, левый бункер 229 опорожняется. Объем сильфона 276 сообщается с атмосферой посредством золотника 299з и вентиля 300. Усилием сжатой пружины 298 (фиг.51) вся кинематическая система сдвинута в среднее (нейтральное) положение, заслонка 255 повернулась горизонтально. При открытом клапане 225 (фиг.52) СМ из бункера 115 запаса пересыпается на заслонку 255. Полость мембраны клапана 259 золотником 308а отсечена от магистрального канала 291. Оставшееся давление удерживает клапан 259 в закрытом положении. Полость мембраны клапана 257 золотниками 287 а и б отсечена от атмосферы и магистрального канала 291, и клапан 257 находится в закрытом положении. В момент опорожнения сигнальной камеры левого бункера 229 сигнальная полка поднимется в положение "нет", полость мембраны 296 посредством золотника 293д и вентиля 301 сообщится с атмосферой. После определенной выдержки времени под воздействием сжатой пружины 302 блокирующий золотник 307 поднимется и полость мембраны клапана 230 посредством золотников 293ж и 307а сообщится с магистральным каналом 291, и клапан 230 закроется, а полость мембраны клапана 259 посредством золотников 308б и 307в сообщится с атмосферой и клапан 259 откроется. Объем сильфона 275 посредством золотников 294г и 293в сообщится с магистральным каналом 291 и под усилием давления в объеме сильфона 275 заслонка 255 с горизонтального положения повернется против часовой стрелки в положение, показанное на фиг.45. Клапан 257 давлением через золотник 287а закроется, а клапан 226, полость мембраны которого сообщится с атмосферой посредством золотников 286б и 307в, откроется. Положение клапанов после фиг.53 будет как на фиг.45.
Сигнальная полка 252 в положении "нет". Блокирующий золотник 278б отсек полость мембраны клапана 225 от золотников 293а и 294д для предотвращения открытия клапана 225. Давление на мембрану клапана 225 подается из магистрального канала 291 через золотник 278а и трехходовой кран 273, переключающий соответствующие каналы при повороте крышки люка 222 загрузки. На фиг. 53 люк 222 открыт для загрузки бункера 115 запаса. При заполненном бункере 115 запаса (фиг.45) сигнальная полка 252 опускается в положение "да", при этом сигнальные полки 256 и 258 (фиг.52) могут находиться в положении "нет", "нет", клапан 225 остается в закрытом положении под действием давления воздуха, подаваемого через золотник 278а. Привод клапанов 225, 226, 257, 230 и 259 осуществляется мембранным исполнительным механизмом (фиг. 54), содержащим мембранную пружину 310, полость мембраны 311, сообщенной посредством штуцера 319 с импульсами управляющего давления воздуха и рабочей полости мембраны 311, защищенной экраном 312 и являющейся частью одного из объемов отсека 116 и камеры 232. При отсутствии избыточного давления в объемах бункера 187 все клапаны 225, 226, 230, 257 и 259 под воздействием своих пружин 310 закрыты. Избыточное давление создается поступлением выпускных газов в объеме камеры 232 (фиг.40) из смесителя 235 посредством трубки 231, а в объем отсека 116 - газов из турбинной полости 325 через бункер элеватора 236 и корпус шнека 228. Открытие клапанов 225, 226, 230, 257 и 259 осуществляется при незначительном повышении избыточного давления в объемах бункера 187 при отсутствии управляющего давления импульса.
Описанная выше золотниковая автоматика обеспечивает бесперебойную подачу СМ без промежуточной остановки ТПД из одного из положений сигнальных полок 256 и 258 (фиг.51) "да", "нет"; "нет", "да", т.е. необходима предпусковая подготовка бункера 187 к работе. Загрузка бункера 115 запаса производится при подаче звукового сигнала (фиг.53) "нет" сигнальной полкой 252. При повороте полки 252 запорный кран (без позиции) на оси ее вращения открывает подачу воздуха из магистрального канала 291 на тифон (не показан). Введением дополнительного шнекового элеватора и усложнением схемы управления можно обеспечить автоматическую загрузку бункера 115 запаса. Усложнением схемы управления возможен также автоматический пуск из положений "нет", "нет" синальных полок 256, 258 (фиг.52) и из положений "да", "да" (фиг.53).
После остановки ТПД давления управляющего воздуха в магистральном канале 291 и газа в объемах бункера 187 выравниваются до атмосферного. Пружинами 297 и 298 заслонка 255 поворачивается в горизонтальное положение (фиг. 53). Клапаны 225, 226, 230, 257 и 259 под воздействием мембранных пружин закрываются, при этом гранулы СМ, попавшие в посадочные гнезда, препятствуют плотной посадке клапанов, что вызывает необходимость осуществлять пуск бункера 187 в работу с открытия клапанов (225, 230, 257 фиг.52 и 53), закрывшихся из-за отсутствия избыточного давления в объемах бункера 187.
Перед остановкой сигнальные полки 256 и 258 находились в положении "нет", "нет". Заслонка 255 обеспечивала пересыпку СМ из бункера 115 запаса в правый бункер 229 (фиг.52), клапаны 225 и 257 были открыты. Золотник 280 (реле "память") находился в левом крайнем положении. После остановки ТПД клапаны 225 и 257 неплотно закрылись, заслонка 255 развернулась в горизонтальное положение (фиг.53), но золотник 280, перемещаемый кулачком запорного крана 277, остался в левом крайнем положении. При подаче давления в магистральный канал 291 (в процессе подготовки ТПД к работе) воздух открывает клапан 290, управляемый мембраной 285, и через золотник 280а поступает в объем сильфона 276, заслонка 255 и золотники 286, 287 начинают перемещаться в положение, показанное на фиг.52. Давление из магистрального канала 291 через золотник 286а подается в мембранную полость клапана 226. Одновременно воздух через один из клапанов 274 подается в мембранную полость клапана 230. Через обратный клапан 284 воздух также заполняет мембранные полости 285 клапана 290 и клапанов 274, обеспечивая запирание полости 285 клапана 290 и клапанов 274, обеспечивая запирание обратному давлению и блокируя объемы сильфонов 275 и 276 от соединения с магистральным каналом 291 в процессе работы. После пуска ТПД в работу избыточным давлением в объемах бункера 187 клапаны 225 и 257 открываются и пересыпка СМ из бункера 115 запаса в правый бункер 229 будет продолжена до поворота сигнальной полки 258 в положение "да", золотник 294 опустится и объем сильфона 276 через золотник 294з соединится с атмосферой, а объем сильфона 275 через золотник 293 в и 294г соединится с магистральным каналом 291, заслонка 255 развернется в другое положение (фиг.45) и начнется пересыпка СМ в левый бункер 229.
При пуске из положения "да", "да" (фиг.53) согласно положения золотника 280 (после положения "да", "нет" фиг.51) необходимо подать давление в мембранную полость клапана 259. На фиг.51-53 позиции 274, 277, 280, 284, 285 и 290 показаны для примера возможной максимальной автоматизации пуска бункера 187 в работу.
Для уменьшения износа шнека 227 возможно отключение пневмомотора 244 золотником 282 (фиг.52) при положении заслонки 255 в горизонтальном положении, которое при больших объемах правого и левого бункеров 229 может быть продолжительным, но возникает опасность заклинивания шнека 227 при пуске. На фиг. 51 и 52 показана схема уменьшения частоты вращения шнека 227 изменением давления сжатия в уменьшающихся объемах ротора пневмомотора 244.
Золотник 282 включен байпасом к регулирующему вентилю 309. На фиг.51 газ на выходе из пневмомотора 244 частично захватывается лопатками его ротора и практически без сжатия отводится через золотник 282 в ту же выхлопную трубу, что и основной объем отработавшего газа. На фиг.53 заслонка 255 находится в горизонтальном положении, золотник 282 перекрыл каналы а и б, часть полезной мощности пневмомотора 244 расходуется на работу сжатия до давления, создаваемого регулирующим вентилем 309.
В установившемся режиме заданной нагрузки ТПД скорость потока газа с дополнительной массой СМ находится в зависимости от перепада давлений между смесителем 233 и турбинной полостью 325. На выходе из сопловой трубки 318 поток газа с СМ создает падение давления, "подсасывающее" воду из полости центрифуги 323 в канал детали 357. При оптимальных значениях температуры и суммарной площади гранул и твердых частиц СМ вода испаряется на поверхности гранул, что вызывает осаждение на поверхности гранул как накипеобразующих, так и легкорастворимых соединений. Лишь при нарушении режима гидродинамики пароводяной смеси и ухудшении температурного режима металла парообразующих поверхностей возможно местное повышение концентрации легкорастворимых соединений в пристенном слое котловой воды вплоть до насыщения с последующей концентрацией их и образованием твердых отложений на поверхности нагрева. Большое значение при этом имеет и длина канала в детали 357. С увеличением длины канала увеличивается время турбулентного движения вокруг гранул, что способствует осаждению мельчайших частиц (как солей, образовавшихся в объеме пара, так и осевших на частицах продуктов сгорания) на поверхности гранул. Скорости движения пара и гранул при этом могут быть соизмеримы, что уменьшает ударную силу столкновений и отделение с поверхности гранул свежей накипи. Накипеобразованию на поверхности гранул способствует также подокисление воды углекислым газом СО2 и серным ангидридом SO3 продуктов сгорания. Концентрация СО2 в количестве 0,3 мг/кг вызывает понижение рН до 5,5-6,0. Понижая рН путем подкисления воды до рН изоэлектрической точки амфолитов, т. е. увеличивая концентрацию водородных ионов можно нейтрализовать отрицательные заряды частиц. В результате этого устойчивость коллоидной системы уменьшается и становится возможным слипание однородных частиц. В противоположность высокой температуре воды 358 (≈ 150оС) пара в канале (≈ 200оС), препятствующей коагуляции частиц (рекомендуется не выше 40оС), высокая концентрация СО2 способствует образованию новых бикарбонатных солей, что увеличивает концентрацию взвеси частиц в воде и последующее оседание их на поверхности гранул.
Химические свойства и пористость материала гранул должны способствовать максимальному отложению накипи на их поверхности и затвердеванию при движении в канале детали 357. При этом высокая температура, передаваемая от центра гранулы к ее периферии и накипеобразующие соли должны препятствовать вымыванию легкорастворимых соединений с поверхности гранул.
На выходе из канала детали 357 поток пара, газа и гранул, проходя через толщу воды, создает эффект гейзирования, выбрасывая воду вверх на образующую центрифуги 329. Перепад уровней воды в детали 357 и полости 362 дегазации обеспечивает приток воды по патрубку 356 в количестве, зависимом от интенсивности выбрасывания вод на центрифугу 329. При этом происходит частичная конденсация пара и перегрев выбрасываемой воды. На образующей центрифуги 329 вода и масса гранул раскручиваются до угловой скорости, близкой к скорости вращения в данном сечении плоскости. Для предотвращения стекания воды с гранулами вниз в первый момент, когда угловая скорость их невелика, нижняя часть центрифуги 329 выполнена с большой конусностью, при этом возможна установка небольших ребер для уменьшения относительного скольжения. По мере увеличения угловой скорости вода из массы твердых частиц и пор гранул отжимается и поры гранул заполняются газом. При движении массы воды и гранул вдоль частиц образующей с отверстиями 330 (нижний ряд), вода с твердыми частицами выбрасывается в полость центрифуги 323. Учитывая, что высокая температура капель воды максимально уменьшает растворимость СО2, большая концентрация углекислого газа создается за счет мелких пузырьков газа. При ударе капель о стенку полости центрифуги 329 газ частично выделяется в полость 323 и частично захватывается водой, стекающей вниз по стенке. Вентилятором 324 уплотнения в полости 323 центрифуги создается избыточное давление, под действием которого газ направляется вниз во внутренний объем центрифуги 329, что увеличивает массу и скорость пара и газа, движущегося вверх в турбинную полость 325. К отверстиям 333 оси 331 посредством пробкового крана 335 и канала 332 вода подается из гидрофоров (фиг.37). Струи воды, истекающей из отверстий 333, максимально перекрывают сечение центрифуги 329, движущемуся потоку пара и газа, что создает условия максимального теплообмена и конденсации пара. Дополнительно подогретые газом и конденсатом струи воды попадают на массу гранул, движущихся с большой относительной угловой скоростью и перемещающихся вверх, при этом происходит торможение массы гранул и раскручивание воды, что создает условия перемешивания и теплообмена. Вода, просачиваясь через массу гранул, нагревается до температуры, близкой температуре воды 358, и через верхние отверстия 330 выбрасывается в полость 323 центрифуги, а гранулы, достигшие верхней кромки центрифуги 329 - на отбойное кольцо 322, температура гранул при этом может быть значительно выше температуры нагретой воды.
Давление и тепловая энергия газов в турбинной полости 325, изменяющиеся в зависимости от нагрузки ТПД, обеспечивают достаточную мощность работы расширения на лопатках статора 326 и ротора 327 турбины 328 частоту вращения центрифуги 329, создающей достаточные центробежные силы на образующей центрифуги. С изменением нагрузки ТПД изменяется количество воды, поступающей через отверстия 33 на термохимическую обработку, и соответственно изменяются масса и количество тепла газа, пара, воды и СМ, выбрасываемых из детали 357 на образующую и во внутренний объем центрифуги 329.
Количество воды, подаваемой через отверстия 333, зависит от уровня воды 388 в полости центрифуги 329. В процессе работы нагревателя 180 возможно возникновение колебания поверхности воды 358, вызванное, например, во время качки судна или явлением помпаж. Помпаж может возникнуть по различным причинам. Например, колебание заслонки 233 нарушит равномерную подачу СМ в смеситель 235, что в свою очередь вызовет пульсацию давления газового потока с порциями СМ на заслонку 233 и еще большее колебание ее. Усилившаяся пульсация приведет к пульсирующему выбросу из детали 357 и колебанию течения воды в трубе 356, что приведет к волновому колебанию поверхности воды 358. При установке одноплавкового регулятора уровня волновое колебание уровня вызовет качание поплавка и дерганые повороты крана 335 при неизменном среднем уровне воды 358.
На фиг.42-44 показан двухпоплавковый (возможен трех- и четырех-) датчик уровня. На фиг.42 зависший поплавок 245 посредством шестерен 248, 246 и вала 247 передает усилие поворота пробке 335 на увеличение подачи воды, затонувший поплавок 249 равноценным усилием противодействует поплавку 245, и вся система регулятора уровня остается неподвижной. Кроме того многопоплавковый датчик уровня предотвращает возникновение резонансных волновых колебаний поверхности воды, усиливающих помпаж при достаточных объемах поплавков 245 и 249 относительно площади волнующейся поверхности.
Движение воды в трубе 356 и выброс ее через отверстия 330 центрифуги 329 обеспечивают циркуляцию воды из полости 323 центрифуги в полость 362 дегазации. Циркулирующая вода представляет собой сложный раствор различных кислотных соединений (в основном угольной, азотной и серной), газообразных продуктов сгорания в мелкопузырьковом состоянии твердых частиц продуктов сгорания и выделившейся взвеси накипи. Высокое содержание различных соединений серы и твердые частицы продуктов сгорания (например, пятиокись ванадия V2O5) создают условия катализа серной кислоты H2SO4 в водном растворе. Повышение процентного содержания серной кислоты увеличивает температуру насыщения раствора, способствует разложению угольной и азотной кислот и выделению газа из раствора и, кроме того, дает возможность значительно перегреть воду при заданных давлениях в объемах нагревателя 180. Процентные содержания от 1 до 10% повышает температуру кипения H2SO4 с 100,2 до 102оС при атмосферном давлении. С повышением температуры раствора может наблюдаться обильное пузырьковое газовыделение, капельный выброс и унос влаги в атмосферу.
Для уменьшения потерь влаги дегазация раствора разбивается на ступени. Первая ступень - полость 362 дегазации нагревателя 180 является также регулирующей по производительности нагревателя 180. Выделившийся из раствора газ с капельной влагой, омывая трубчатый теплообменник с тарелками 342, охлаждается и отводится через разгруженный клапан 341 головки дегазатора 340. Осевшая на тарелках и теплообменнике 342 влага накапливается и стекает в бачок 344 и затем через регулирующий вентиль 345 в сосуд 348.
В зависимости от величины открытия вентиля 345 и влажности газа уровень воды в бачке 344 изменяется. При минимальном открытии вентиля 345 и повышенной влажности газа уровень воды в бачке 344 поднимается, поплавок 343 всплывает и уменьшает проходное сечение в клапане 341. Давление в полости 362 дегазации увеличивается и выделение газа из раствора уменьшается. Одновременно уменьшается влажность в полости головки 340 дегазатора. Интенсивность оседания капельной влаги на тарелки и теплообменник 342 снижается. Уменьшается стекание воды в бачок 344, и поплавок, опускаясь вслед за уровнем воды, увеличивает проходное сечение клапана 341. При закрытом вентиле 345 клапан 341 также закрыт и влажность газа в полости головки дегазатора 340 минимальна и соответствует давлению и температуре поверхности теплообменника 342. При открытом вентиле 345 максимально открыт клапан 341, давление в объеме полости дегазации 362 снижается. Скорость движения газа в тарелках и трубках теплообменника 342 увеличивается, что приводит к отрыву капель влаги с поверхности теплообменника 342 и унос ее в атмосферу. Промежуточным от положения "Закрыт" до "Максимально открыт", регулированием вентиля 345 задается влажность отходящих газов при соответствующей температуре охлаждения теплообменника 342.
Увеличивая степень дегазации вентилем 345, увеличивают тепловую энергию влажного газа за клапаном 341. Натяжение пружины 360, регулируемое гайкой 361, противодействует весу сосуда 348 с изменяющимся уровнем воды в нем, давлению в полости 362 дегазации и высоте уровня раствора в нем. Если уровень раствора в полости 323 центрифуги поддерживается в заданных значениях регулятором уровня, то уровень раствора в полости 362 дегазации находится в зависимости от перепада давлений в полости 362 дегазации и в полости 323 центрифуги.
В установившемся режиме клапан 341 открыт на заданную влажность отходящего газа.
Клапан 359 под действием давления в полости 362 дегазации, уровня раствора и веса сосуда 348 с водой открыт так, что обеспечивает отвод раствора в нейтрализатор 182 (фиг. 55) в заданном количестве при соответствующей температуре и давлении. Сосуд 348 опустился на величину открытия клапана 359. Уровень воды в сосуде 348 поддерживается притоком воды из бачка 344 через вентиль 345 и отводом воды через сечение, образовавшееся в отверстиях 350 штока 349 и канала 351 детали 352.
При повышении нагрузки ТПД давление в полости 323 центрифуги увеличивается, возрастает приток тепла. Под увеличившимся давлением раствор из полости 323 выжимается в полость 362 и уровень в полости 323 понижается. Регулятор 246 уровень увеличивает подачу воды через отверстия 333. Уровень раствора в полости 362 поднимается. Под увеличившимися весом раствора и давления клапан 359 с сосудом 348 опускаются. Увеличивается расход воды из сосуда 348 через отверстия 350 и раствора через клапан 362. Повысившееся давление в полости 362 увеличивает температуру насыщения раствора и снижает газовыделение из раствора. Влажность газа в дегазаторе 340 снижается, и поплавок 343, опускаясь, открывает клапан 341 на большую величину. Уровень воды в сосуде 348 падает, а вследствие уменьшающегося веса сосуда 348 клапан 359 прикрывается, уменьшая расход раствора, увеличившийся в момент повышения нагрузки ТПД. По мере прогрева раствора температура его в полости 362 повышается и интенсивность газовыделения увеличивается, что приводит к повышению влажности отходящего газа. Увеличивается перепад температур между отходящим газом и поверхностью теплообменника 342. Поплпавком 343 клапан 341 прикрывается. Уровень в сосуде 348 вследствие повысившегося притока воды повышается, увеличивая вес сосуда 348, и клапана 359 приоткрывается. В установившемся новом режиме температура раствора в нагревателе 180 повышается. Уровень раствора в полости 362 устанавливается на новой отметке, компенсирующей перепад давлений в полостях 325 и 362. Тепловая энергия отходящего газа увеличивается, но влажность его несколько снижается, что вызвано увеличившимся перепадом температур в объеме теплообменника 342. Уровень воды в сосуде 348 устанавливается на более низкой отметке, уменьшая вес сосуда 348, что несколько компенсирует возросшее давление в полости 362 и вес раствора воздействующих на величину открытия клапана 359. Расход более нагретого раствора через клапан 359 становится большим и соответствует притоку тепла с газом и СМ в нагреватель 180.
При снижении нагрузки ТПД после переходного процесса уровень раствора в полости 362 понижается; температура его снижается; поплавок 344 открывает клапан 341 на большую величину; тепловая энергия отходящих газов уменьшается, а влажность их увеличивается; уровень воды в сосуде 348 повышается, компенсируя снизившееся давление в полости 362; клапан 362 прикрывается, уменьшая расход раствора. Изменение уровня воды в сосуде 348 является обратной связью по открытию клапана 359. То есть изменение веса сосуда 348 противодействует в достаточной степени перемещению клапана 359 под воздействием изменяющегося давления в полости 362. Время переходного процесса, т. е. время перехода с одного установившегося режима к другому находится в прямой зависимости от степени изменения мощности ТПД и тепловой инерционности нагревателя 180 и в первую очередь от количества раствора в нем.
Смешивание водяного пара с продуктами сгорания сначала в пароперегревателе 19 (фиг.36), а затем на лопатках турбины 21 создает условие максимального перемешивания. Мелкодисперсная конденсация пара в объеме газа в зоне 24 конденсации с одновременным добавлением большого количества охлаждающей воды из распылителя 23 обеспечивает растворение кислотообразующих соединений продуктов сгорания в воде. В гидрофорах 173 и 175 кислотосодержание воды дополнительно, в неначительной степени, увеличивается. Максимальное повышение кислотосодержания воды от контакта с продуктами сгорания происходит в полости центрифуги 329 (фиг.54) при перемешивании воды, истекающей из отверстий 333, сначала в потоке газа, а затем на стенках центрифуги при просачивании через массу СМ С твердыми частицами продуктов сгорания. Концентрация серной кислоты в каплях, отбрасываемых из центрифуги из верхних отверстий 330, может достигать 0,1-0,3% и выше (при условии отсутствия выброса воды и пара из детали 357). В зависимости от интенсивности работы нагревателя 180 концентрация H2SO4 раствора может увеличиваться на порядок и больше. Так, увеличение скорости потока из трубки 318 увеличивает скорость течения раствора в канале 356. При этом увеличивается отношение количества раствора, циркулирующего по каналу 356 к количеству раствора, отводимого из нагревателя 180 через клапан 359. Повышение концентрации H2SO4увеличивает температуру насыщения (или уменьшает давление насыщения раствора, что дает возможность значительно повысить температуру перегрева раствора при меньших значениях повышающегося противодавления в объеме нагревателя 180 потоку газа с СМ из трубки 318. Снижение рН раствора от нейтрального значения (рН 7 при 20оС) дает возможность использовать перепад температур насыщения воды (рН 7) и раствора (рН < 7) для подачи на нейтрализацию кислотных соединений раствора дозированного количества щелочного раствора.
В объем сильфона 337 залита вода с рН 7 (или специальный раствор с соответствующим рН). Вода в объеме сильфона находится под сжимающим воздействием корпуса сильфона 337, повышающим температуру насыщения воды при сопряженном давлении из полости 362. Винтами 339 изменяют натяжение пружины 338, растягивающей корпус сильфона, и тем самым изменяют температуру насыщения воды в заданных пределах (например, от 90 до 105оС при атмосферном давлении). При достижении температуры в полости 362 температуры насыщения воды в сильфоне 337 в объеме сильфона 337 вследствие начавшегося парообразования повышается давление и корпус сильфона 337 удлиняется. При этом увеличивается натяжение корпуса сильфона и уменьшается натяжение пружины 338, что приводит к такому равновесному положению, когда дальнейшее парообразование в объеме сильфона прекращается. Т.е. величина удлинения корпуса сильфона находится в зависимости от перепада температур насыщения воды в корпусе сильфона 337, раствора в полсоти 362 и пружинного взаимодействия корпуса сильфона 337 и пружины 338. От степени удлинения корпуса сильфона 337 находятся в зависимости от начала открытия, так и проходные сечения в левом и правом клапанах 347 (для более точного регулирования работа левого и правого клапанов 347 должна обеспечиваться собственными сильфонами 337). Начало открытия левого и правого клапанов 347 с приводом от одного сильфона регулируется винтами 346. На фиг.54 в первую очередь открывается правый клапан 347.
На фиг.36 в растворителе 192 происходит приготовление крепкого щелочного раствора при эндотермической реакции. В баке 193 содержится щелочной раствор с заданным рН. Из бака 193 щелочной раствор через конденсатор 194 выпара подается самотеком на гидрофоры 176 и 178 (в целях равномерной подачи раствора щелочи через конденсатор 194 выпара на линии подачи необходима установка регулирующей арматуры). Конденсат выпара стекает в бак 195 и по мере необходимости подается на растворитель 192 и бак 193.
Из гидрофоров 176 и 178 раствор щелочи через правый клапан 347, змеевик 353 и золотник 354 отсечки подается в нейтрализатор 182 (фиг.55). При работе ТПД на высокосернистом топливе агрессивность раствора 358, 362 может достигать недопустимых значений, разрушающих материалы корпуса и деталей нагревателя 180. Регулированием зазора между левым винтом 346 и его клапаном 347 обеспечивается начало подачи и дозирование щелочного раствора в полость центрифуги 325 по температуре насыщения раствора в полости 362 дегазации.
Вода из сосуда 348, раствор щелочи, подогретой в змеевике 353, и раствор 362 через клапан 359 поступают в смеситель 363 нейтрализатора 182 (фиг. 55). Из смесителя 363 поток под избыточным давлением и сил гравитации движется вниз, многократно меняя направление в тарелках 364, что приводит к интенсивному перемешиванию капельно-газового потока и нейтрализации его до заданного рН. Нейтрализация вызывает повышение рН, понижение температуры насыщения и высвобождение тепла перегретого раствора в зависимости от кислотности его перед смесителем 363. Высвободившееся тепло перегретого раствора расходуется на дополнительный нагрев щелочного раствора и парообразование. Интенсивность парообразования находится в зависимости как от теплообмена в змеевике 353, так и от давления в нижнем объеме полости дегазатора второй ступени 183, разделенной сеткой 391. При прохождении капельного парогазового потока через жалюзи 365 частично отделившаяся вода стекает вниз, а частично уносится на сетку 391. Н сетке 391 капли частично оседают, образуя пленку, уменьшающую суммарную площадь ячеек сетки 391 и стекая вниз по наклону сетки, собираются в капли и опадают, усиливая турбулентность продолжающейся объемной нейтрализации парогазовой смеси. Пройдя сквозь сетку 391, парогазовый поток омывает корпус сборника 402 и проходит через теплообменник 374, разделенный на части перегородками коробки 375. Нижние кромки перегородок коробки 375 опущены в сборник 402 на различную высоту так, что при изменении уровня конденсдата в сборнике 402 перекрываются каналы, образованные перегородками, и тем самым отсекается по ступеням поверхность теплообменника 374. Уровень конденсата в баке 402 регулируется регулятором 405 уровня в зависимости от уровня питательной воды в отсеке 31. При уменьшении уровня питательной воды поплавок 405 открывает расход из бака 402, уровень конденсата в баке 402 снижается, открывая каналы в коробке 375, и парогазовая смесь движется по всей поверхности теплообменника 402, что приводит к максимальной конденсации пара на всей поверхности теплообменника 375. Давление в верхнем объеме (над сеткой 391) снижается, влажность газа за теплообмеником 375 уменьшается. При повышении уровня воды в отсеке 31 поплавком 405 уменьшается и расход конденсата из бака 402. Уровень конденсата в баке 402 поднимается, перекрывая поочередно каналы коробки 375. На фиг.55 показано разделение теплообменника 374 перегородками на ступени с различными площадями поверхности теплообмена, чем достигается сравнительно плавное изменение давления в полости 183 при перекрытии каналов конденсатом. За теплообменником 374 влажный газ попадает в полость головки дегазатора 368. Принцип работы головки дегазатора 368, а также головок 377 и 384 последующих ступеней идентичен работе дегазационной головки дегазатора 340 (фиг. 54). Вентилем 373 устанавливается влажность газа за клапаном 369 из расчета минимального уноса солей, что предотвращает оседание их и уменьшение площади проходного сечения на седлах клапана 369 и на поверхности отводящих трубопроводов. На фиг.55 показано, что влажный газ после дегазационных головок дегазаторов 340 и 368 используется для создания разрежения в ступени 186 испарителя, поэтому при регулировании дегазации появляется необходимость повышать влажность и энергию отходящего газа для повышения эффективной работы эжектора 196. Из бачка 372 конденсат с температурой, зависимой от температуры поверхности охлаждения теплообменника 370, через регулирующий вентиль 373 отводится на полку 376, откуда стекая, равномерно распределяется по сетке 391. В зависимости от скорости движения парогазовой смеси из нижнего объема полости дегазатора 183, а также от размера ячей сетки 391 стекающий с полки 376 конденсат с дополнительными каплями, опадающими со стенок сборника 402, смешивает и охлаждает ту или иную площадь поверхности сетки 391. Увеличение перепада давлений между нижним и верхним объемами полости дегазатора 183, а также охлаждение поверхности сетки 391 вызывает еще более обильную конденсацию пара нейтрализации и капельный дождь с нижней поверхности сетки 391. На верхней поверхности сетки 391 вследствие постоянного подвода тепла снизу и меньшего давления в верхнем объеме происходит вторичное парообразование из конденсата стекающего по поверхности сетки 391. Это приводит к тому, что значительное количество солей сбрасывается с сетки 391 вниз, а уменьшившийся объем солесодержащего пара смеси пополняется объемом вторичного пара и общее солесодержание влажного газа после сетки 391 значительно снижается. Для обеспечения равномерного охлаждения всей поверхности сетки 391 стекающим конденсатом в зависимости от интенсивности нейтрализации возможна установка регулятора, изменяющего угол наклона сетки 391 к горизонту (например, повороты жалюзей 365).
Процесс нейтрализации в нейтрализаторе 182 происходит с бурным газовыделением и парообразованием, что приводит к дроблению частиц накипеобразующих соединений, выделившихся, увеличившихся в размере за время многократного циркулирования в полостях нагревателя. Встречное движение капель и парогазового потока в нижнем объеме полости дегазатора 183, а затем последующая капель на поверхности раствора воды и твердых частиц создают условия для укрупнения (коагуляции) твердых частиц в объеме раствора. При этом содержание твердых частиц в растворе, уменьшенное осаждением накипи на поверхности СМ в нагревателе 180, вновь увеличивается за счет гидратов щелочного раствора. Температура раствора в нижнем объеме дегазатора 183 может быть близка температуре насыщения (при рН 7) и достигать 120-130оС для сопряженного давления (0,2-0,3 МПа), что может быть также использовано для усиления коагуляции введением соответствующих реагентов в бак 193. Укрупненные частицы током раствора выносятся, а затем осаждаются в полости клапана 394 продувки. Взвесь поднимается током воды и осаждается на элементах фильтра 393. Осаждение частиц на поверхность пор фильтроэлемента происходит в результате совокупного действия эффекта касания, а также процессов диффузионного, инерционного и гравитационного осаждения частиц. На фиг.55 различной густотой штриховки элементов фильтра 393 показано послойное увеличение эффекта касания заполнением элементов фильтра 393, например, кольцами Рашига, войлоком, тканью из лавсана и стекла. По мере засорения фильтра 393 скорость фильтрации для заданного режима уменьшается и перепад давлений между полостями увеличивается, вследствие чего уровнь раствора в нижнем объеме дегазатора 183 повышается, что и отмечается на водомерном стекле 366. По мере засорения фильтра 393 увеличивается и концентрациия растворимых солей. Очистка фильтра 393 производится периодической продувкой. Быстро закрывается клапан 392 и также быстро открывается клапан 394. Давление в полости над клапаном 394 резко падает, что приводит к вскипанию раствора по всему объему. Парообразование на поверхности элементов фильтра 393 приводит к отделению осевших частиц, которые давлением из ступени 184 вместе с раствором выбрасываются в циклон 190. Из циклона 190 отделившийся пар отводится на конденсатор 194 выпара, а раствор с накипью - в шламовую цистерну 189. После продувки клапан 394 закрывается, а клапан 392 открывается и фильтр 393 включается в работу. Кратковременность продувки практически не отражается на работе испарительной установки (поочередное быстрое переключение клапанов 392 и 393 возможно производить с помощью одного рычага).
Интенсивность работы испарительной установки согласуется с нагрузкой ТПД посредством регулятора 405. При повышении нагрузки ТПД производительность питательного насоса 12 увеличивается, уровень воды в отсеке 31 понижается, что приводит к понижению уровня в сборнике 402, увеличивается поверхность теплообмена теплообменника 374, снижающее давление в полости дегазатора 183 и импульс давления по трубке 367 на мембрану 311 (фиг.54), увеличивающее поток газа с СМ в нагреватель 180. К этому времени возрастает энергия выпускных газов, что в большей мере увеличивает приток тепла в нагреватель 180. Перепад давлений между полостью 362 и дегазатором 183 увеличивается, что приводит к большему открытию клапана 359, и поступление раствора щелочи и воды в нейтрализатор 182 увеличивается. Интенсивность работы испарительной установки превышает потребность питательной воды для нового установившегося режима ТПД и уровень в отсеке 31 поднимается. Регулятор 405 уменьшает расход из сборника 402, и уровень в нем тоже начинает повышаться, перекрывая каналы в коробке 375. Давление в полости дегазатора 183 увеличивается, что приводит к прикрытию клапана 359, уменьшению сечения в отверстиях 320, 321 увеличившимся импульсом на мембрану 311. Интенсивность работы испарительной установки снижается и соответствует нагрузке ТПД. При уменьшении нагрузки ТПД процесс перехода интенсивности работы испарительной установки происходит в обратном порядке. Действие регулятора 405 уровня является обратной связью изменения расхода питательной воды в отсеке 31 к притоку тепла в нагреватель 180. Время переходного процесса зависит от скорости изменения уровня регулируемого объема в отсеке 31.
Учитывая низкую концентрацию солей после фильтра 393, солесодержание конденсата, полученного в ступени 184, не превышает значений установленных для работы ТТ16. Поэтому назначение ступени 184 и последующей ступени 185 - это максимальная дегазация с минимальными потерями влаги как раствора, поступающего на испарение, так и полученного конденсата. Работа ступеней 184 и 185 за небольшим исключением идентична. В баках для сбора конденсата и в нижних объемах полостей ступеней 184 и 185 установлены поплавковые регуляторы уровня с разгруженными клапанами 395, 400 и соответственно 396, 401, что обеспечивает поддержание в полостях ступеней 184 и 185 давлений заданных регулирующими вентилями 382 и 385 соответственно. Отфильтрованный раствор в фильтре 393 каскадно переливается в объем раствора, поддерживаемый регулятором 396 уровня, что увеличивает площадь поверхности жидкой фазы и выделение газа. Давление в полости ступени 184, поддерживаемое дегазационной головкой 377, несколько выше давления насыщения, что препятствует вскипанию раствора.
Влажность газа находится, в основном, в зависимости от капельного уноса. Конденсат, осевший на поверхности теплообменников 379 и 383, стекает в бак конденсата, уровень в котором поддерживается регулятором 395. С увеличением притока раствора и конденсата поплавковые регуляторы 395 и 396 увеличивают перетекание под избыточным давлением в следующую ступень дегазации. Влажный газ после головки 377, имеющий еще достаточно высокие давления и температуру, поступает на эжектор 197, который отсасывая газ из корпуса 191, обеспечивает деаэрацию питательной воды в отсеке 31. Вследствие бурной нейтрализации конденсат, скапливающийся в сборник 402, имеет повышенное солесодержание и непригоден для использования в качестве питательной воды. Этот конденсат используется для подогрева раствора и создания циркуляции в объеме его в полости ступени 185 еще до каскадного перелива. В объеме раствора в полости ступени 185 установлена перегородка 398. Истекая из трубки 397, конденсат попадает в полость более низких температур и давления, вследствие чего создается циркуляция по контуру вокруг перегородки 398. Дегазация конденсата, истекающего из трубки 397, усиливает скорость циркуляции. Подогретый раствор поднимается, где частично переливается каскадно в регулируемый клапан 401 объем, а в большей массе медленно опускается, способствуя осаждению взвеси. Процесс гравитационного осаждения частиц на поверхность пор может происходить в результате их оседания со скоростью питания. Эффективность за счет этого эффекта ηгдля цилиндра, расположенного горизонтально поперек потока, определяется соотношением ηг = ωвф = St/2Fr, где Fr = ω2ф/dц - критерий Фруда, ωв - скорость витания частиц, dц - диаметр цилиндра. Осевшая за перегородкой 398 взвесь удаляется периодической продувкой посредством вентиля 399 в шламовую цистерну 189. Максимально очищенный от солеобразующих соединений и дегазированный раствор через регулятор 401 уровня поступает в испаритель 186. Температура его и давление находятся в прямой зависимости от интенсивности дегазации в предыдущих ступенях и отражается общим количеством конденсата, перетекающим через регулятор 400 уровня (клапан). На фиг.55 показан одноступенчатый испаритель 186. Теплообменник 390 охлаждается забортной водой. Отвод деаэрируемых газов обеспечивает эжектором 196. Процент выгонки конденсата из раствора находится в зависимости от давления в полости ступени 186 испарителя, поверхности теплообмена теплообменника 390, температуры забортной воды, температуры поступающего раствора и его давления перед клапаном 401, а также от параметров и степени загазованности конденсата, поступающего через клапан 400.
Полость ступени 186 испарителя разделена на верхний и нижний объемы наклонной сеткой 403. Перепад давлений между верхним и нижним объемами определяются: размером ячей сетки 403, толщиной пленки конденсата на ней, загазованностью поступающего конденсата и температурой стенок бака для конденсата, с которых стекает каплями конденсат на сетку 403. Раствор, поступающий в ступень 186 испарителя, в область более низкого давления, вскипает и частично испаряется. Затем раствор для повышения поверхности испарения каскадно переливается на тарелках 404 и способом гидрозатвора отводится в шламовую цистерну 189. Возможность уменьшения давления для максимального получения конденсата из раствора определяется высотой водяного столба гидрозатвора. Концентрация солей в растворе, отводимого в шламовую цистерну, может позволять получение дополнительного количества конденсата. Для чего возможно увеличение числа ступеней испарительной установки с применением промежуточного подогрева раствора, например, теплом охлаждающей воды ДВСЗ. При этом с уменьшением количества раствора, отводимого в шламовую цистерну 189, снизятся тепловые потери и потери влаги.
Пар, проходя сквозь сетку 403, частично конденсируясь, вызывает вторичное парообразование конденсата и поступая в теплообменник 390, конденсируется. Конденсат стекает в бак для конденсата, смешивается с конденсатом предыдущих ступеней дегазации, подогревается и отводится в отсек 31 питательной воды. Конденсат из предыдущих ступеней, поступая в область более низкого давления, подвергается более интенсивной дегазации. При этом выделившийся газ повышает давление в полости ступени 186, что уменьшает парообразование из раствора. Влияние дегазации конденсата на повышение давления в полости ступени 186 можно значительно уменьшить, установив дополнительную сетку над баком для конденсата, что вызовет на ней оседание капельного конденсата, уносимого газом, и предотвратит парообразование конденсата из предыдущих ступеней дегазации. Из ступени 186 испарения конденсат отводится в отсек 31 питательной воды способом гидрозатвора. При этом высота столба воды в гидрозатворе зависит от перепада давлений в полости ступени 186, полости отсека 191, создаваемых эжекторами 196 и 197. Степень деаэрации в полости отсека 191, обеспечиваемой эжектором 197, зависит от тепла поступающего конденсата и температуры редуцированной воды, возвращаемой от регулятора 11 питательной воды. Редуцированную воду можно использовать для охлаждения какого-либо теплового аппарата, что повысит температуру питательной воды в отсеке 31 и улучшит ее деаэрацию.
На фиг.36 показано, что питательная вода, подаваемая насосом 12, поступает на головку дегазатора 384, затем на теплообменник полости ступени 185. Также сверху вниз вода проходит по теплообменникам 379, 383, 370, 374 и после теплообменника 342 поступает в теплообменник 34, где охлаждается до температуры воды в баке 35 и подается на датчик 9 температуры и через теплообменник 167, обогреваемый охлаждающей водой ДВС 3, в парогазовый цикл ТТ16. Так как тепловая нагрузка ДВС 3 изменяется с изменением мощности ТПД, то и интенсивность работы нагревателя и, следовательно, последующих ступеней дегазации и испарения также соответственно изменяется. Температура воды в отсеке 31 зависит от температур поступающего конденсата и редуцируемой воды. Причем время изменения температуры при изменении нагрузки ТПД до температуры соответствующей температуре установившегося режима определяется количеством питательной воды в отсеке 31. При температуре питательной воды, меньшей соответствующей установившегося режима, на всех поверхностях теплообменников дегазационных головок (340, 368, 377, 384) и полостях дегазации (183, 184, 185) будет происходить более интенсивное осаждение влаги. Клапаны 341, 378 и 386 будут оставаться в прежнем положении либо прикроются. И работа эжекторов 196 и 197 не обеспечит достаточного разрежения в полостях ступени 186 и отсеке 191. Сосуд 348 несколько опустится, увеличив подачу в нейтрализатор 182. На сетке 391 увеличится толщина водяной пленки, что повысит перепад давления между нижним и верхним объемами полости дегазатора 183. Увеличится количество и снизится качество конденсата, поступающего в ступень 186 через клапан 400. Производительность ступени испарения будет недостаточной. Уровень воды в отсеке 31 вследствие повысившейся производительность насоса 12 будет понижаться, что увеличит приток тепла в нагреватель 180 и интенсивность работы испарительной установки будет увеличиваться за счет уменьшения тепла газов, поступающих на ТТ 16. При установке сеток в ступенях 184 и 185, работающих по принципу описанных (391 и 403), качество конденсата, поступающего через клапан 400 в переходный процесс будет изменяться в меньшей степени, что не отразится на качестве питательной воды.
Отличительной особенностью водоподготовки питательной воды в ТПД от известных испарительных установок является объемный теплообмен, дающий возможность отказаться от трубчатых теплообменников, увеличивающих металлоемкость, снижающих коэффициент теплообмена; вызывающих необходимость значительно усложнять схему для предотвращения накипеобразования на поверхности труб и по этой причине увеличивающих потерю тепла с рассолом, отдходящим из испарительной установки.
На фиг. 36 забортная подпитывающая вода подается в охлаждающую воду за теплообменником 22, что дает возможность в еще большей степени снизить температуру охлаждающей воды. Концентрация солей при этом определяется качеством питательной воды и химическим составом топлива. В зоне 24 конденсации и на лопатках гидротурбины 141 начинается подвод тепла при температуре значительно ниже накипеобразующей (30-40оС). Гидрофоры 173, 175 (а также 176 и 178) являются промежуточными подогревателями. Температура воды после гидрофоров изменяется от минимальной, после переключения запорной арматуры и определяемой в большей степени температурой воды после теплообменника 34, и до максимальной к моменту переключения запорной арматуры. Повышение температуры воды в объемах гидрофоров от ≈70о до ≈100оС сопровождается снижением рН, а высокое содержание СО2 создает условия выделения карбонатной и бикарбонатной взвеси.
В полостях нагревателя 180 создаются критические температурные и химические условия при повышенном давлении (0,3-0,4 МПа) для накипеобразования на поверхности гранул СМ. Неосевшие накипеобразующие соединения отвердевают и создают повышенную концентрацию взвеси в циркулирующем ратсворе. Перемешивание нагретых щелочного и кислотного растворов в нейтрализаторе 180 вызывают выделение дополнительного тепла экзотермической реакции нейтрализации, повышающей КПД ТПД.
На схеме фиг. 36 между нагревателем 180 и ступенью 186 имеются четыре ступени 181, 183, 184 и 185 дегазации. При этом из-за высокой загазованности и солесодержания конденсат первых ступеней используется для автоматизации работы испарительной установки, т.е. для обеспечения ТПД соответствующим количеством питательной воды, изменяющимся с изменением нагрузки ТПД, при максимально эффективном потреблении тепла в установившемся режиме.
Учитывая особенность конструкции ТТ 16 и меньшие тепловые напряжения в его змеевиковой части, требования к качеству питательной воды могут быть занчительно снижены, что в еще большей мере упростит конструкцию испарительной установки и повысит эффективность ТПД. Предлагаемая испарительная установка может служить предварительной ступенью для установки, приготовляющей питательную воду для парового вспомогательного котла 171 и охлаждающую воду для ДВС 3.
Эффективность испарительной установки может быть максимально повышена уменьшением времени переходных процессов с изменением нагрузки ТПД и настройкой работы дегазационных головок (340, 368, 377, 384) регулирующими вентилями (345, 373, 382, 385) для каждого установившегося режима работы ТПД.
Охлажденные влажные газы после бака 35 (фиг.61) и конденсатора 194 выпара могут быть значительно тяжелее атмосферного воздуха, что не только увеличивает гидростатическое сопротивление дымовой трубы, уменьшающее КПД ТПД, но и создает проблему выброса и рассеивание газов в атмосфере. При всех мокрых способах очистки дымовых газов от окислов серы температуры уходящих газов понижаются с 130-170 до 30-50оС. При столь низкой температуре удаляемых газов резко ухудшается рассеивание остаточных вредностей в атмосфере, так как дымовые газы слабо поднимаются над устьем трубы. После брызгоуловителя предусмотрена установка теплообменника для повышения температуры удаляемых в атмосферу газов. Количество затрачиваемой при этом теплоты составляет около 3% теплоты топлива, расходуемого на котел. С целью уменьшения потерь влаги и удельного веса отходящих газов возможна установка туманоуловителей на трубопроводах сразу после бака 35 и конденсатора 194 выпара. Для выброса в атмосферу подсушенных газов потребуется меньшая затрата тепловой энергии. Для подогрева отходящих газов более приемлемо использовать тепловое излучение аппаратов с высоким температурным потенциалом. На фиг.61 вытяжной вентилятор 426, установленный на подволоке машинного отделения, отсасывает теплый (30-50оС) загазованный воздух с испарениями, поднимающийся вверх от горячих поверхностей ДВС, котлов и других тепловых аппаратов, и нагнетает его в пространство между корпусом механизма 408 и кожухом 429 датчика 9 температуры. Охлаждение корпуса механизма 408 уменьшает обратное отражение радиационного тепла от корпуса механизма 408 на жаровую трубу 106 и снижает ее тепловую инерционность. Нагретый до ≈100оС воздух истекает из сопла 428 в диффузор эжектора 427, снижая давление в баке 35 и в конденсаторе 194 выпара, и, подогревая охлажденные отходящие газы, выбрасывает их в атмосферу на большую высоту. Затраты энергии на привод вытяжного вентилятора 426 в значительной степени компенсируются повышением мощности ТПД и увеличением производительности испарительной установки.
На фиг. 56 показана схема включения тормозного устройства 1. Импульсу давления из ресивера 2 наддува, подаваемого на механизм 408, противодействует натяжение пружины 409, регулируемое винтом 410. При повышении производительности турбокомпрессора 27 или ослаблении пружины 409 винтом 410 импульс давления из ресивера 2, воздействуя на механизм 408, открывает золотник 407 и избыточное давление наддува срабатывает в вихревой трубке 406 до момента выравнивания импульса давления на механизм 408 и натяжения пружины 409. Переохлажденный воздух из вихревой трубки 407 поступает на всасывающий аппарат турбокомпрессора 27 (или одну из первых его ступеней с тем, чтобы предотвратить обмерзание) и, смешиваясь с атмосферным воздухом, охлаждает его, при этом увеличивается удельный вес поступающего воздуха, что приводит к повышению производительности турбокомпрессора 27 и потребляемой им мощности. Охлаждение всасываемого воздуха уменьшает степень перегрева его в последних ступенях турбокомпрессора 27, что дает возможность создавать резкие перегрузки на турбокопрессор 27, снижая предельные тепловые напряжения лопаточного аппарата последних ступеней турбокомпрессора 27. Увеличение потребляемой мощности компрессором увеличивает нагрузку на турбину 21, и частота вращения роторов ПГТУ-Р снижается, т.е. происходит торможение до момента выравнивания усилий импульса давления на механизм 408 и натяжения пружины 409. Количество горячего воздуха после вихревой трубки 406, отводимого в атмосферу, обуславливает количество энергии торможения Qэ.т.
Для того, чтобы усилие торможения, создаваемого турбокомпрессором 27, соответствовало степени повышения давления в ресивере 2, батарея вихревых трубок 406 (фиг.57), установленная в корпусе 411, разбита на несколько групп с различным количеством вихревых трубок 406 в каждой группе (на фиг.57 три группы: 1-2 трубки, II - 3 трубки и III - две трубки). По мере повышения давления в ресивер 2 над установленным винтом 410, механизм 408, воздействуя посредством толкателя 415, поворачивает рычаг 416 с зубчатым сектором 414. Зубчатый сектор 414, находясь в зацеплении с зубчатым сектором 412, поворачивает золотник 407, соединяя поочередно каналы 413 групп I, II и III с объемом ресивера 2. При этом по мере увеличения избыточного давления над установленным увеличиваются как температурный потенциал между горячим и переохлажденным воздухом, так и общее количество как горячего, так и переохлажденного воздуха. Эффективность работы тормозного устройства 1 увеличивается с повышением нагрузки ДВС 3, так как увеличивается давление наддува и соответственно устанавливается винтом 410 давление включения тормозного устройства 1.
Изменение мощности ДВС 3 сопровождается изменением частоты вращения коленчатого вала его и средней скорости возвратно-поступательно движущихся масс поршня, штока, крейцкопфа, шатуна. Инерционные усилия C1D1 (фиг.5) передаются механически через коленчатый вал и пневматически от блока цилиндров на фундаментную раму двигателя. От степени взаимодействия пневматической работы дизельного цикла - д.ц, НПЦ - д.н.п. и инерционных усилий C1D1 находятся механические нагрузки штока, крейцкопфа, шатуна, коленчатого вала и их сочленений.
Рассматривая кривошипно-ползунный механизм двигателя как разновидность маятникового механизма, напрашивается вывод, что для уменьшения механических нагрузок необходимо увеличить маятниковый эффект путем повышения массы поршня 51 и блока цилиндров (фиг.4) при этом пневматическая работа НПЦ должна соответствовать как пнематической работе дизельного цикла, так и инерционным усилиям возвратно-поступательно движущихся масс, т.е. частоте вращения коленчатого вала.
С увеличением маятникового эффекта уменьшается движущая сила (Рдв3Рдв1 фиг. 6), что создает возможность в значительной степени интенсифицировать дизельный цикл повышением максимального давления Рz. Но конструктивная особенность кривошипно-шатунного механизма при заданных движущихся и неподвижных взаимодействующих массах накладывает ограничение на степень повышения маятникового эффекта. При любой заданной нагрузке ДВС 3 диаграммы gц gн.п. и C1D1 соответствуют диаграммам (фиг.5), при этом движущая сила Рдв3 (фиг. 6) минимальна и меняет знак "плюс" на "минус" только в мертвых точках (кривошипно-шатунный механизм всегда под сжимающей нагрузкой).
При уменьшении давления в НПЦ уменьшается маятниковый эффект и увеличиваются нагрузки на кривошипно-шатунный механизм. При повышении давления в НПЦ маятниковый эффект увеличивается, но на линии сжатия появляются точки "плюс" и "минус" при преходе Рдв3 через нулевое значение, которые могут вызвать многократные ударные нагрузки, в первую очередь, на сочленения шатуна.
Увеличение подачи топлива в установившемся режиме нагрузки ДВС 3 приводит к повышению среднего индикаторного давления дизельного цикла, при этом движущая сила Рдв3 увеличивает свою амплитуду и поднимается над осью абсцисс, что приводит к уменьшению маятникового эффекта. Давление в ресивере 2 наддува недостаточно как для создания соответствующего давления в НПЦ, так и для поддержания соответствующего коэффициента избытка воздуха. Появляется недожег топлива, температура выпускных газов повышается, эффективность ДВС 3 снижается.
Время выхода ПГТУ-Р на новый режим находится в зависимости как от степени увеличения подачи топлива, так и от масс вращающихся роторов ПГТУ-Р. Т. е. с уменьшением суммарной инерционной силы вращения роторов ПГТУ-Р уменьшается время увеличения мощности и частота вращения турбокомпрессора 27, соответственно этому сокращается время повышения давления наддува. Эффективность тепловой работы НПЦ во время переходного процесса несколько повышается, что компенсирует в некоторой степени недостаток давления наддува.
Уменьшение подачи топлива в установившемся режиме нагрузки ДВС 3 увеличивает маятниковый эффект пропорционально уменьшению количества топлива, подаваемого в цикл, что может привести к появлению стуков в сочленениях шатуна. Полное отключение топлива при максимальной нагрузке может привести к разрушающим ударам в подшипниках шатуна. Для предотвращения появления опасных значений маятникового эффекта необходимо экстренное сбрасывание давления в ресивере 2 и торможение роторов ПГТУ-Р в соответствии с уменьшающимся количеством подаваемого топлива. С уменьшением инерционных сил вращения роторов ПГТУ-Р уменьшается время торможения.
В процесес работы ТПД возможно частичное или полное исчезновение заданной нагрузки на коленчатый вал ДВС 3 (например, выход из воды гребного винта судна в штормовую погоду). В зависимости от заданной нагрузки, а также от конструкции (всережимный, предельный) и степени нечувствительности регулятора подачи топлива неиспользованная в полезной работе мощность вызовет резкое увеличение частоты вращения коленчатого вала ДВС 3 и особенно опасный "разнос" при максимальной нагрузке ТПД.
Для предотвращения возникновения опасных инерционных сил возвратно-поступательно движущихся масс ДВС 3 необходимо практически мгновенное подключение буферной нагрузки на коленчатый вал ДВС 3 пропорционально степени исчезновения полезной нагрузки. Величина буферной нагрузки определяется в первую очередь инерционными силами вращающихся масс редуктора 28, т.е. суммарнной силе вращения роторов трубины 21, турбокомпрессора 27 и редуктора 28 (фиг.62). Величина буферной нагрузки подключается распределителем 20 нагрузки пропорционально степени исчезновения полезной нагрузки. Степень защищенности от "разноса" ДВС 3 находится в зависимости от соотношения инерционных сил возвратно-поступательно движущихся масс ДВС 3 и вращающихся масс ПГТУ-Р, а также и от их инертных масс. Так что повышение маятникового эффекта увеличением веса поршня 51 ограничивается также инерционными силами редуктора, причем увеличение инерционных сил редуктора увеличивает время переходных процессов при изменении нагрузки ТПД 3 и повышает энергию торможения.
В процессе работы ТПД (фиг.62) постоянный ток после выпрямителя 435 плюс ток подмагничивания от источника 438 постоянного тока возбуждает электромагнитные обмотки 443 ротора синхронного генератора 6. В статорной обмотке 439 наводится трехфазный ток с частотой f1 = (n P)/60, где n - частота вращения коленчатого вала ДВС 3, Р - число пар полюсов обмотки статора и ротора. Трехфазный ток с частотой f1 возбуждает вращающееся магнитное поле в статоре 430 редуктора 28. Число полюсов статора 430 и ротора 28 равно 1Р. Частота вращения магнитного поля статора 430 - n1 = 60f1. Частота вращения фазного ротора 28 равна n2. В обмотках фазного ротора 28 наводится трехфазный ток частотой f2 = [(n2 - n1) 1P]/60 плюс паразитные трехфазные токи, наводимые магнитопроводом статора 430 с частотой fпр3 = (n2 1P)/60 (для повышения КПД редуктора 28 паразитные токи отфильтровываются и инвертируются в частоту f2 по схеме). Частота f2 может изменяться в широких пределах относительно частоты f1 и находится в зависимости от величины избыточной мощности турбины 21 и мощности, потребляемой турбокомпрессором 27. Пройдя по первичной обмотке 433 трансформатора 432, ток с частотой f2 поступает на статор 440 асинхронного двигателя 7 с короткозамкнутым ротором. Роторы синхронного генератора 6 и асинхронного двигателя 7 являются частью маховика коленчатого вала ДВС 3. Частота вращения магнитного поля в статоре 440 n3 = (60 f2)/Р. ЧАстота трехфазного тока, наводимого в роторе асинхронного двигателя 7 f3 = [(n3 - n)P]/60, скольжение s = (F2- f3)/f2. В зависимости от величины скольжения s находятся токи в первичной обмотке 433 трансформатора 432 трансформирующиеся по закону "ампер-витков" в трехфазные токи возбуждения Iвозб. во вторичной обмотке 445. Сила тока возбуждения Iвозб при заданных количествах витков первичной 433 и вторичной 445 обмоток изменяется поворотом задатчика 446, являющимся "нулем" соединенной в "звезду" вторичной обмотки 445, относительно сопротивлений 447. При этом ток возбуждения Iвозб может изменяться от 0 до максимальных значений, определяемых коэффициентом трансформации и токами в первичной обмотке 433. Трехфазный ток Iвозбвыпрямляется в выпрямителе 435 и подается на ротор 443 синхронного генератора 6 (возможна одновременная подзарядка буферно включенного аккумулятора 438). Ползунок задатчика 446 приводится во вращение рычагом 448 с возможностью относительного поворота для регулирования. Угол поворота рычага 448 находится в зависимости от взаимодействия импульса давления наддува после турбокомпрессора 27 на мембрану 434 и натяжения пружины 449, изменяемого винтом 450. Вращение винта 450 осуществляется с поста управления ДВС 3 при изменении подачи топлива. В установившемся режиме ТПД ток возбуждения Iвозб соответствует избыточной мощности турбины 21. При увеличении подачи топлива пружина 449 винтом 450 сжимается, мембрана 434 поднимается вверх, рычаг 448 и задатчик поворачиваются по часовой стрелке. Сопротивление в цепи вторичной обмотки 445 увеличивается и ток возбуждения Iвозб уменьшается, что приводит к снижению нагрузки на турбину 21 со стороны редуктора 28. Мощность, передаваемая на турбокомпрессор 27, увеличивается, повышается частота вращения роторов ПГТУ-Р, и производительность турбокомпрессора 27 увеличивается, давление наддува повышается. Под увеличивающимся импульсом давления противодействие мембраны 434 увеличивается и пружина 449 сжимается, рычаг 448 и задатчик 446 поворачиваются против часовой стрелки, ток возбуждения Iвозб увеличивается и мощность, потребляемая редуктором 28, повышается до новых значений избыточной мощности турбины 21, определяемой необходимым давлением воздуха наддува в ресивере 2. При увеличении подачи топлива увеличивается частота вращения коленчатого вала ДВС 3, что уменьшает скольжение s в асинхронном двигателе и ток в первичной обмотке 433, что уменьшает ток возбуждения Iвозб во вторичной обмотке 445 трансформатора 432. Так что уменьшение тока возбуждения Iвозб происходит одновременно от поворота задатчика 446 по часовой стрелке и уменьшения скольжения s в асинхронном двигателе. Повышение мощности редуктора 28 в переходном процессе увеличивает агрегатную мощность ТПД и снижает долю мощности ДВС 3, что приводит к дальнейшему повышению частоты вращения коленчатого вала ДВС 3 и уменьшению скольжения s асинхронного двигателя 7. Расход воздуха из ресивера 2 увеличивается, и давление импульса на мембрану 434 уменьшается, что вызывает уменьшение Iвозб и, как следствие, потребляемая мощность турбокомпрессором 27 увеличивается. Переходный процесс при увеличении мощности ТПД находится в комплексной зависимости газово-пневматической и электромагнитной связи ДВС 3 и ПГТУ-Р. Время и динамика переходного процесса при повышении мощности ТПД находятся в зависимости от возможной степени перегрузки ДВС 3.
При уменьшении подачи топлива частота вращения коленчатого вала ДВС 3 снижается, скольжение s в асинхронном двигателе 7 увеличивается; винтом 450 ослабляется пружина 449 и под воздействием мембраны 434 ползуном (контакт 446) поворачивается против часовой стрелки, увеличивая ток возбуждения Iвозб; мощность редуктора 28 увеличивается, частота вращения роторов ПГТУ-Р уменьшается и давление в ресивере наддува 2 снижается, т.е. переходный процесс уменьшения мощности ТПД происходит в обратном порядке. Увеличившаяся избыточная мощность турбины 21 сдерживает уменьшение частоты вращения коленчатого вала ДВС 3. Включение винтом 410 тормозного устройства 1 увеличивает скорость падения давления в ресивере 2 и одновременно увеличивается потребляемая мощность турбокомпрессором 27, что ускоряет время снижения частоты вращения коленчатого вала ДВС 3, что может быть необходимо при экстренной остановке ТПД в аварийной ситуации.
Пуск и реверс ДВС 3 может осуществляться при трехцилиндровом исполнении, но с уменьшением числа цилиндров увеличиваются динамические колебания коленчатого вала. Динамические колебания коленчатого вала демпфируются маховиком и роторами синхронного генератора 6 и асинхронного двигателя 7. С Повышением мощности редуктора 8 увеличивается жесткость электромагнитной связи между статором и ротором асинхронного двигателя 7, тем самым увеличивается демпфирование динамических колебаний.
В процессе работы ТПД наблюдаются апериодичные динамично изменяющиеся нагрузки. Если в штилевую погоду пропульсивность гребного винта практически постоянна, то с усилением волнения на пропульсивность гребного винта начинает оказывать влияние как изменяющееся разрежение в кормовом подзоре, так и глубина погружения. В зависимости от направления движения судна относительно волн (против волны "лагом", за волной) изменяется как частота, так и мощность изменяемой нагрузки. При этом полное исчезновение нагрузки происходит не мгновенно, а по мере выхода гребного винта из воды до его полного оголения. Сравнительно плавное падение нагрузки до нуля и затем нарастание ее до максимума уменьшают жесткость удара и обеспечивают возможность подключения пропорционального усилия торможения инерционных масс вращения роторов ПГТУ-Р. С уменьшением нагрузки частота вращения коленчатого вала ДВС 3 и, следовательно, ротора асинхронного двигателя 7 увеличивается. Скольжение s при этом с положительного значения уменьшается до нуля, затем повышается до отрицательных значений, т.е. асинхронный двигатель 7 переходит из режима "двигатель" в режим "генератор". Редуктор 28, представляющий асинхронный двигатель с фазным ротором, переходит из режима "генератор" в режим "двигатель", и энергия, вырабатываемая асинхронным двигателем 7, расходуется на раскручивание роторов ПГУТ-Р на большую частоту вращения. Производительность турбокомпрессора 27 увеличивается, давление в ресивере 2 повышается над установленным для данного режима и включается тормозное устройство 1, увеличивая нагрузку, потребляемую турбокомпрессором 27. Кроме того торможение усиливается эффектом повышающегося крутящего момента при переходе асинхронного двигателя 7 в режим "генератор". В двигательном режиме максимальный момент существенно снижается при уменьшении частоты из-за возрастающего влияния падения напряжения в активном сопротивлении статора I1R1, что приводит к уменьшению ЭДС ε1 и магнитного потока двигателя. В генераторном режиме максимальный момент с понижением частоты возрастает, что объясняется обратным влиянием падения напряжения I1R1. При этом магнитный поток двигателя увеличивается. Такие характеристики в генераторном режиме нежелательны, так как при малых частотах резко возрастает электромагнитный момент, что может вызвать поломку вала машины. Редуктор 28 работает как машина двойного питания. Асинхронная машина двойного питания выполнена так же, как и асинхронный двигатель с фазным ротором. Обмотка статора подключена к питающей сети непосредственно, а обмотка ротора - через регулируемый преобразователь частоты, в машине двойного питания путем регулирования величины и фазы напряжения U2 можно изменять независимо активную и реактивную мощность двигателя. Так, например, можно при неизменном скольжении s поддерживать неизменный реактивный ток I при изменении нагрузки машины, т.е. тока I или же поддерживать определенное соотношение между активной и реактивной мощностями, например, обеспечивать условие cos ϕ1 = const. При соответствующих значениях напряжения U2* и угла δ активная составляющая тока ротора может быть отрицательна при положительном скольжении или положительна при отрицательном скольжении. Следовательно, такая машина может работать в генераторном режиме при n2 < n1 и двигательном при n2 > n1.
Преобразователем частоты для редуктора 28 является комплексная работа задатчика 446, изменяющего ток возбуждения Iвозб, синхронного генератора 6, изменяющего напряжение в статоре 430 редуктора 28 и асинхронного двигателя 7, реактивно влияющего на взаимодействие электромагнитных полей статора 430 и ротора редуктора 28.
При повышении мощности ТПД увеличивается доля полезной мощности ПГТУ-Р в агрегатной мощности ТПД (например с 3-5% при минимальной нагрузке до 10-15% при максимальной нагрузке). Это приводит к усилению демпфирования коленчатого вала от динамических колебаний по мере увеличения нагрузки, но одновременно увеличивается опасность возникновения токов высокой силы между редуктором 28 и асинхронным двигателем 7. Для ограничения максимальных значений этих токов, а также для регулирования демпфирования динамических колебаний нагрузки в схему редуктора введен изодром, содержащий: фазную обмотку 444 на короткозамкнутом роторе асинхронного двигателя 7, сопротивления 447 и ползунок 442 изодрома, выпрямитель 441 и электромагнит постоянного тока, содержащий катушку 436 и якорь 437 на штоке мембраны 434. Нагрузкой для фазной обмотки 444 является катушка 436. Тяговое усилие ее складывается с усилием сжатой пружины 449. Токи в фазной обмотке 444 находятся в зависимости от величины скольжения s, жесткости электромагнитной связи между статором и ротором асинхронного двигателя 7 и от суммарного сопротивления реостата (442, 447) и катушки 436. В крайнем нижнем положении движка 442 токи, возбуждаемые в обмотке 444, определяются только электромагнитным сопротивлением катушки 536. В таком положении движка 442 уисливается газово-пневматическая и максимально ослабляется электромагнитная связь между ДВС 3 и ПГТУ-Р. То есть скольжение s может находиться в широком интервале значений (например, от 0,5 до - 0,5); максимальные токи нагрузки, а значит и мощность редуктора 28, ограничиваются до минимальных пределов; производительность турбокомпрессора 27 возрастает пропорционально уменьшению мощности редуктора 28 и включается в работу тормозное устройство 1, тепло энергии торможения Qэ.т. будет соответствовать количеству работы, не использованной в редукторе 28.
При крайнем верхнем положении движка 442 катушка 436 отключается. Электромагнитная связь ДВС 3 и ПГТУ-Р максимальна. При незначительных измерениях скольжения s от нулевого значения резко увеличиваются токи в силовой цепи (7, 433, 28) и демпфирование становится максимально жестким. Перегрузка редуктора 28 и тем более момент торможения асинхронного двигателя 7 может многократно возрасти от номинального значения при максимальной мощности ТПД в момент исчезновения нагрузки. Промежуточное положение движка 442 соответствует заданной мощности ТПД, при этом демпфирование ослабляется по мере повышения мощности ТПД. Максимальные токи, протекающие по фазной обмотке 444, зависят от габаритных размеров мембраны 434 и практического влияния на электромагнитные процессы в короткозамкнутом роторе не имеют (токи в катушке 436 небольшие).
Перед пуском ТПД в работу запускается вспомогательный двигатель 470 (фиг. 72), работающий на привод постоянного тока генератор - двигатель (Вард-Леонардо). Через соединительную муфту (не показана) включается и раскручивается ротор ПГТУ-Р.
Мощность, передаваемая на ротор ПГТУ-Р от вспомогательного двигателя, должна быть достаточна для обеспечения воздухом и устойчивой работы ДВС 3 на минимальных ходах, соответствующих команде "самый малый". Выпускные клапаны 46 всех цилиндров могут быть закрыты посредством кнопок 84 и тогда в ресивере 2 будет создано несколько завышенное давление от необходимого, турбиной 21, работающей в режиме "вентилятор", создается разрежение в выпускном коллекторе 8. Включается ток подмагничивания от источника 438 постоянного тока. Ползунок (контакт 446) задатчика устанавливается на минимальную мощность редуктора 28, а движок 442 изодрома - на максимальное демпфирование. Гайкой (10) регулируется тепловой зазор δ, обеспечивающий начало регулирования регулятора 4 "Время-сечение" и открытие регулятора 11 питательной воды. Продувается от воды полость водосборника 64 и нагнетатель 65. В пусковую магистраль 37 подается сжатый воздух. В зависимости от положения поршня 51 пусковой золотник 39 открывает пусковой клапан 50 (фиг.2) (одного цилиндра) и пусковой клапан 44 (фиг.4) (другого цилиндра). В момент начала вращения коленчатого вала ДВС 3 синхронный генератор 6 начинает генерировать трехфазный ток с наинизшей частотой, возбуждающий вращающееся магнитное поле в статоре 430 редуктора 28. Частота f2 = [(n2- n1)]/60, генерируемая в обмотке ротора 431, в пусковой момент максимальна, но токи небольшие, так как подмагничивающий ток не создает достаточного напряжения в обмотке статора 430 редуктора 28, а токи возбуждения Iвозб ограничены положением контакта 446. Тем не менее в статоре 440 асинхронного генератора 7 возубждается вращающееся магнитное поле с частотой n3 = (60 f2)/Р. Скольжение s максимально, но вследствие вращения коленчатого вала ДВС 3 меньше единицы s < 1. На минимально устойчивых оборотах ДВС 3 вспышки по цилиндрам увеличивают мощность турбины 21, но одновременно увеличивается производительность турбокомпрессора 27 и мощность редуктора 28, передаваемая на коленчатый вал ДВС 3. Нагрузка от вспомогательного двигателя практически не изменяется, так как часть мощности, расходуемой на привод турбокомпрессора 27, воспринимается турбиной 21, но увеличивается мощность редуктора 28, способствующая раскручиванию коленчатого вала ДВС 3. Такая работа вспомогательного двигателя соответствует работе стартера и уменьшает расход пускового воздуха.
На фиг. 72 выпускной трубопровод (поз.471) вспомогательного двигателя (поз.470) проходит сквозь объемы всех продувочных камер 41 ДВС 3. При температуре 550-650оС выпускных газов четырехтактного вспомогательного движения воздух продувки может прогреваться от 200 до 400оС и выше (в зависимости от конструктивного решения). Это обеспечивает более устойчивую работу ДВС 3 на минимальных оборотах коленчатого вала, повышает экономичность турбокомпрессора 27 и создает условие тепловой работы НПЦ. С увеличением количества подаваемого топлива мощность ДВС 3 и ПГТУ-Р повышается, температура выпускных газов в коллекторе 8 и за ним растет, диаметр жаровой трубы 106 увеличивается и при достижении температуры, заданной датчиком 10, открывается подача питательной воды в ТТ 16 и начинается регулирование "Время-сечение" открытия выпускного клапана 46, то есть наступает режим минимальной регулируемой нагрузки ТПД. Редуктор 28 передает избыточную мощность на асинхронный двигатель 7. Мощность от вспомогательного двигателя (поз.470), передаваемая по схеме генератор - двигатель, снижается до нуля и схему генератор-двигатель отключают от ТПД. В дальнейшем ТПД согласно графику плавно зазгружается до необходимой нагрузки. При достижении мощности ТПД, близкой номинальному значению возможно подключение схемы генератор-двигатель для снабжения электроэнергией вспомогательного оборудования.
При достижении ТПД режима минимальной регулируемой нагрузки возможна дальнейшая работа вспомогательного двигателя в стартерном режиме для форсирования увеличения мощности ТПД до необходимой нагрузки и дальнейшая параллельная работа на форсаже.
На фиг.36 газы от газоплотного котла 171 проходят через коллектор 8 ДВС 3 и далее по аппаратам выпускного тракта: датчик 9 температуры, сепаратор 14, шибер 15, тепловой трансформатор 16, камеру пароперегревателя 19, турбину 21, зону 24 конденсации, турбину 141 и отводятся в атмосферу по отводу 149. Циркуляционный насос 172 обеспечивает передачу тепла из паро-водяного объема отла 171 в теплообменник 168. При работе котла на твердом топливе воздух для сжигания топлива подается от турбокомпрессора 27 через редуктор, понижающий давление (не показан), на смеситель бункера 170 и непосредственно в топку котла 171 (в зависимости от конструктивных решений). В данной схеме котел 171 может работать как самостоятельный теплоэнергоблок, вырабатывая на потребителя тепло и электроэнергию. Выпускные клапаны 46 закрыты кнопками 84, ДВС 3 не работает. Теплообменник 168 включен последовательно за теплообменником 167. Котел 171 является газогенератором, работающим по схеме газотурбинной установки. При этом возможна организация подачи тепла на ДВС 3 для его постоянной пусковой готовности и пуск ДВС 3 в работу без использования стартерного вспомогательного двигателя. При пуске ДВС 3 в работу с началом движения плунжеров 93 открываются выпускные клапаны 46 и выпускные газы, истекая в коллектор 8, смешиваются с дымовыми газами котла 171, снижая их температурный потенциал. Поэтому при пуске ДВС 3 необходимо увеличить температуру дымовых газов котла 171. В пусковой период ДВС 3 устойчивую работу на минимальных оборотах обеспечивает тепловая работа НПЦ, усиливающаяся с повышением температуры коллектора 8, обогреваемого дымовыми газами котла 171. С повышением эффективности работы НПЦ ускоряется процесс увеличения нагрузки на ДВС 3.
ДВС 3 является главным, а котел 171 вспомогательным и служит для форсажа ДВС 3 на максимальных нагрузках. ДВС 3 пускается в работу с помощью стартерной схемы от вспомогательного двигателя. При достижении номинальной нагрузки дымовые газы котла 171 переключаются на коллектор 8 и включается циркуляционный насос 172. Температура газов, поступающих в объем ТТ 16, увеличивается и повышается температура питательной воды, поступающей в спираль 17. Это приводит к тому, что доля полезной мощности ПГТУ-Р в агрегатной мощности ТПД увеличивается. Частота вращения коленчатого вала ДВС 3 повышается, и мощность его при неизменной цикловой подаче топлива повышается, при этом в значительной мере увеличивается эффективность НПЦ.
Котел 171 является главным и работает при неизменной тепловой нагрузке в максимально экономичном режиме, обеспечивая теплом и электроэнергией потребителя. В часы пик пускается в работу ДВС 3. При этом могут возрасти только потребление тепла или только электроэнергии, или одновременно и то и другое. В любом случае ДВС 3 принимает на себя выработку электроэнергии, тепловая же энергия котла 171 перераспределяется в зависимости от ситуации.
Технико-экономические показатели. ТПД работает по принципу комбинированного двигателя внутреннего сгорания. Работа ДВС и ГТУ взаимозависима. С увеличением мощности ДВС увеличивается потребность воздуха с высоким давлением, обеспечивающим соответствующее количество свежего заряда в дизельном цикле. Для ГТУ ДВС является тепло-газогенератором. Полезная работа ГТУ зависит от количества и температурного потенциала тепла, получаемого от ДВС. Установка теплового трансформатора ТТ в газовом тракте ДВС перед турбиной ГТУ дает возможность максимально использовать как тепловую энергию выпускных газов, так и тепло охлаждающей воды ДВС для повышения мощности турбины ГТУ. При этом если не учитывать систему водоподготовки, схема ТПД на фиг.1 становится значительно проще схемы дизельных установок с утилизационными котлами.
За прототип ДВС 3 взят двухтактный крейцкопфный двигатель с прямоточно-клапанной продувкой.
Использование маятникового эффекта возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре с соответствующим давлением сжатого воздуха в подпоршневой полости цилиндра НПЦ для заданной частоты вращения коленчатого вала уменьшает работу, передаваемую на сжатие от одного цилиндра ДВС к другому через шатуны и коленчатый вал, что в соответствующей мере снижает нагрузку на штоки, шатуны и коленчатый вал и уменьшает трение в сопряженных деталях подшипников и крейцкопфа. Снижение нагрузки на кривошипно-шатунный механизм двигателя дает возможность для дальнейшей интенсификации дизельного цикла.
Маятниковый эффект возможно осуществлять как при постоянном давлении в НПЦ (степень сжатия ε = 1), например, при соединении объемов НПЦ цилиндров с оппозитно движущимися поршнями, так и с различными степенями сжатия (ε≥ 3) в зависимости от суммарного объема НПЦ. При изменении степени сжатия в НПЦ (фиг.5 и 6) минимальное значение движущей силы Рдв3 в процессе сжатия будет перемещаться по оси абсцисс в зависимости от угла поворота коленчатого вала (в ту или другую сторону от положения мотыля, равного 300о), одновременно будет изменяться возможность использования маятникового эффекта. С повышением степени сжатия в НПЦ соответственно снижается давление в ресивере наддува и соответственно уменьшается мощность, потребляемая компрессором ГТУ.
Пневматическая работа сжатого воздуха в объеме НПЦ может значительно повысить экономичность и мощность ДВС с отводом тепла в процессе сжатия и с подводом - в процессе расширения. Что и осуществляется разбрызгиванием холодной воды в объеме НПЦ в начале сжатия и отводом тепла в холодильнике в процессе сжатия. Разбрызгивание воды переувлажняет воздух и повышает коэффициент теплопередачи, что дает возможность уменьшить поверхность теплообмена охладители воздуха. Подвод тепла в процессе сжатия происходит в выпускном коллекторе при омывании его охлажденным воздухом снаружи и выпускными газами дизельного цикла изнутри. Тепловая работа НПЦ во многом соответствует тепловой работе двигателя Стирлинг.
С повышением температурного потенциала при подводе и отводе тепла, с увеличением давления сжатого воздуха, с увеличением степени сжатия его в процессе тепловой работы и с уменьшением частоты вращения коленчатого вала эффективность НПЦ повышается. Суммарный КПД дизельного цикла и цикла тепловой работы НПЦ одного цилиндра может возрасти до 60% и выше.
У длинноходовых малооборотных двигателей значительно увеличивается время газообмена дизельного цикла, что дает возможность разбить процесс вытеснения продуктов сгорания и зарядку свежим воздухом на два периода: продувку и наддув.
К концу процесса расширения воздуха в НПЦ температура его в связи с постоянным подводом тепла может достигать 200-300оС и выше, давление его при этом снижается до давления в ресивере наддува, температура воздуха в котором примерно равна 40оС. Более нагретый воздух имеет меньший удельный вес, что снижает весовой расход при равных объемных расходах. Поэтому в конце процесса расширения часть нагретого воздуха из объема НПЦ отводится в камеру продувки, а из ресивера наддува в объем НПЦ добавляется соответствующий объем охлажденного воздуха, который при смешивании с нагретым воздухом снижает температуру воздуха в объеме НПЦ перед началом процесса сжатия в зависимости от весовых количеств холодного и нагретого воздуха. К концу процесса расширения продуктов сгорания открывается выпускной клапан и давление к моменту открытия продувочных окон в объеме цилиндра становится ниже давления в объеме камеры продувки. Вытеснение продуктов сгорания сопровождается перемешиванием их с нагретым продувочным воздухом. Учитывая, что теплоемкость нагретого воздуха ниже теплоемкости охлажденного, температура выпускных газов от перемешивания снижается в меньшей мере и средний температурный потенциал их растет, при этом пропорционально температуре продувочного воздуха уменьшается количество выпускных газов. Т.е. при той же тепловой энергии возрастает эксергия газов. С повышением температуры продувочного воздуха уменьшается мощность, потребляемая компрессором ГТУ.
Повышение температуры выпускных газов улучшает теплоподвод к воздуху НПЦ в процессе расширения и увеличивает эффективность тепловой работы НПЦ. При этом повышается температура воздуха к концу расширения и соответственно увеличивается температура выпускных газов, что приводит к более быстрому прогоранию посадочных поясков выпускного клапана и его седла. Это ограничивает возможность повышения температуры продувочного воздуха и соответственно снижения мощности, потребляемой компрессором ГТУ. Время работы выпускного клапана связано с рентабельностью эксплуатации ТПД, т.е. стоимостью ремонта или замены выпускного клапана к полученному экономичеcкому эффекту.
Интенсивность тепловой работы НПЦ влияет на тепловую энергию выпускных газов, идущих на работу турбины ГТУ, и тем самым оказывает существенное влияние на возможность поддержки соответствующего давления в ресивере наддува не только на переменных нагрузках, но и на устойчивом режиме. Т.н. эффективная тепловая работа НПЦ снижает полезную избыточную мощность турбины ГТУ, особенно необходимую на переходных процессах увеличения нагрузки ТПД.
Для повышения аккумуляции потенциальной энергии в массе поршня при возвратно-поступательном движении необходимо увеличивать его вес и соответственно противодействующее давление сжатого воздуха в НПЦ. Это вызывает необходимость поддерживать давление воздуха наддува значительно выше необходимого для зарядки цилиндра. Чтобы термический КПД на различных нагрузках КПД был максимально высок поступление свежего заряда дозируется золотником наддува соответственно с изменением количества подаваемого топлива в цикл; кроме того, с изменением температуры выпускных газов после выпускного коллектора, дилатометрический датчик температуры, воздействуя на регулятор "Время-сечение", изменяет время открытия и ход выпускного клапана относительно угла поворота коленчатого вала.
При работе на тяжелых, высокосернистых, с большим содержанием механических примесей сортах топлива повышается эрозионный износ лопаточного аппарата турбины ГТУ твердыми частицами. Для уменьшения износа в газовыпускной тракт ДВС 3 включен циклонный сепаратор с постоянным отводом твердых отсепарированных частиц в небольшом объеме выпускных газов (5-10% от общего объема выпускных газов), а также с периодической очисткой выбивкой сетки, установленной поперек потока газа. На форсажных режимах через выпускной коллектор ДВС 3 на циклонный сепаратор поступают дополнительно дымовые газы от парового или водогрейного котла (либо от вспомогательного двигателя). Чтобы уменьшить зольность дымовых газов, предполагается, что сжигание угля производится при максимальной очистке дымовых газов (например, до 95%) в объеме топки котла. Например, сжигание угля организовано в топке с кипящим слоем и с последующим дожиганием в циклонной камере.
С повышением максимального давления сгорания до 12 МПа и выше увеличивается давление выпускных газов в цилиндре ДВС и перепад давлений между объемом цилиндра и объемом выпускного коллектора, что повлечет сверхзвуковые течения газов в каналах и, как следствие, возникновение аэродинамических потерь и ухудшение работы циклонного сепаратора. Для регулирования скорости движения выпускных газов за циклонным сепаратором установлен шибер, поворотом пластин которого изменяется противодавление в объеме коллектора истекающему из цилиндра газу. При повышении давления выпускных газов в объеме коллектора уменьшается расширение выпускных газов и температура их снижается в меньшей мере, что еще в большей степени увеличивает теплопередачу воздуху, нагреваемому в НПЦ. Так что с повышением давления в коллекторе уменьшается термический КПД дизельного цикла, увеличивается мощность и эффективность тепловой работы НПЦ.
С уменьшением теплоотвода от воздуха НПЦ в процессе сжатия мощность и эффективность ДВС снижается, а мощность турбины ГТУ возрастает, то есть ДВС 3 становится в большей мере тепло-газогенератором для ГТУ. Так что ТПД имеет много вариантов превращения тепловой работы расширения газов в механическую. При этом имеется дополнительная возможность использовать тепло от постороннего источника, например, путем нагрева воздуха продувки выпускными газами вспомогательного двигателя.
Тепловой трансформатор (ТТ) преобразует высокий температурный потенциал с малым удельным весом выпускных газов при давлении от 0,2 до 0,4 МПа в более низкий потенциал значительно тяжелой парогазовой смеси при более высоком давлении 1,0 МПа и выше в зависимости от степени торможения парогазового потока. Паропроизводительность, скорость эжектирования, а затем давление торможения определяются температурным потенциалом выпускных газов в цилиндре ДВС 3 и давлением питательной воды перед соплом 18. Степень подогрева питательной воды в витках спирали 17, также влияя на скорость эжектирования, определяет длину объема пароперегревателя 19. С увеличением скорости эжектирования выпускные газы, поступая в объем ТТ, резко увеличиваются в объеме, температура их снижается и тепловой напор на витки спирали 17 уменьшается, что оказывает влияние на степень подогрева питательной воды в витках спирали 17, при этом основной теплообмен переносится в объем пароперегревателя 19. Полное испарение более холодной воды требует более продолжительного контакта с горячим газом, при этом пар, окутывая каплю, ухудшает теплопередачу от горячего газа к капле. Увеличившаяся длина пробега капли до полного испарения вызывает необходимость изменять положение сопла 18 относительно конфузора 157 и диффузора 158. Это осевое перемещение сопла 18 осуществляется автоматически при раскручивании витков спирали 17 от изменившегося давления питательной воды. Одновременно изменяется проходное сечение в створках сопла 18.
Так как производительность ТТ можно изменять поворотом пластин шибера 15 при установившейся тепловой нагрузке дизельного цикла ДВС 3, то при этом для поддержания максимальной эффективности ТТ, сопло 18 перемещается поворотом винта 152.
Изменение интенсивности эжекции сопровождается смещением основного очага турбулентного парообразования относительно диффузора 158, являющегося рефлектором звукового излучения, и сила и тембр звучания изменяются. Каждому установившемуся режиму эффективной работы ТТ соответствует определенная высота и сила звука, излучаемая диффузором 158, что может служить дополнительным параметром для регулирования работы ТТ.
С увеличением паропроизводительности ТТ уменьшается процентное содержание твердых частиц в парогазовой смеси и соответственно уменьшается эрозионный износ лопаток турбины ГТУ, снижается температура смеси (например 400оС, газа до 200оС смеси).
Мощность турбины 21 определяется параметрами газа в парогазовой смеси. На диаграмме фиг. 1 Рп.г. - давление и Vп.г. - объем газа перед первой ступенью турбины 21. Рконд. и Vконд. - параметры газа находятся в обратной зависимости от степени перегрева пара, а конечные от температуры конденсации. Так как конденсация пара происходит только за последней ступенью турбины, то это определяет давление Рп.г. при полном торможении потока. Но так как максимальное повышение давления Рп.г. зависит от скорости эжектирования, то значения Рп.г. задается количеством питательной воды по температуре выпускных газов в жаровой трубе 106.
Учитывая, что по мере конденсации пара объемная доля газа в объеме парогазовой смеси увеличивается, а это затрудняет отвод тепла от уменьшающегося по мере конденсации объема пара, то для быстрой конденсации пара на минимально коротком отрезке пути необходима подача и мельчайшее распыление большого количества охлаждающей воды. Это осуществляется турбиной 141, приводящей в действие центробежный насос 142. Турбина 141 работает на газоводяной эмульсии и является дополнительной последней ступенью по газовому тракту для турбины 21, так что увеличение мощности турбины 141 влечет снижение мощности турбины 21. Мощность турбины 21 регулируется поворотом сопловых лопаток.
Мощность турбины 21 изменяется в широком диапазоне от минимальной после пуска ДВС 3 до максимальной в режиме "Форсаж". Поэтому по мере увеличения температуры выпускных газов от ДВС 3 и дополнительно от дымовых газов вспомогательного котла на форсаже с тем, чтобы предотвратить преждевременную конденсацию пара в проточной части турбины 21, каждая последующая ступень ее включается поочередно. Такая конструкция турбины 21 снижает эффективность ТПД на нагрузках ниже номинальных, но дает возможность быстро загружать ее до максимальных значений по мере увеличения подачи топлива на ДВС 3, так как прогрев неработающих последних ступеней ее предотвращает температурные напряжения. Кроме того максимальная мощность турбины 21 определяет вес статоров и роторов всей ПГТУ-Р, увеличивающих инертную массу блока цилиндров ДВС 3, а инерция вращающихся масс роторов ПГТУ-Р оказывает влияние на демпфирование изменяющихся статических нагрузок на коленчатый вал ДВС 3.
Рассматривая схему фиг.1 как установку ГТД можно определить некоторую идентичность тепловой работы ДВС 3 и теплового трансформатора 16 с работой камеры сгорания (поз.3 и 2).
Низкий КПД тормозного устройства 1, не превышающий 25%, компенсируется простотой и надежностью работы, при этом время включения его и увеличение тормозного воздействия на турбокомпрессор 27 практически соответствует времени увеличения частоты вращения роторов ПГТУ-Р от заданных для данной нагрузки ТПД. Возможность использования тормозного устройства в качестве источника холода и одновременно теплового воздуха (например, для морозильных камер и обогрева жилых помещений) увелиивает КПД тормозного устройства и повышает рентабельность ТПД в ходовом режиме, так как отпадает необходимость в эксплуатации вспомогательного двигателя и холодильной установки, а также дает возможность отключить отопление от вспомогательного котла.
Суммарный КПД дизельного цикла, тепловой работы НПЦ и избыточной мощности турбины 21 может достигать 65-70%, но вследствие потерь энергии на редуцирование избыточной мощности в редукторе (электромашины (6, 7, 28) и трансформатор 432), а также необходимость отвода части тепла с газом на водоподготовку снижают экономичность ТПД.
Максимальная мощность редуктора работающего по принципу асинхронного преобразователя частоты определяется возможностью воспринимать, передавая на торможение, а затем генерировать большую электрическую энергию при резком исчезновении нагрузки на коленчатый вал ДВС с последующим резким включением ее, что вдвое, троекратно может превышать максимальную избыточную мощность турбины ГТУ в установившемся форсажном режиме. Это в свою очередь определяет высокое реактивное сопротивление всей электрической схемы редуктора и низкий КПД его, не превышающий 80%. Экономичность редуктора зависит также от степени чувствительности распределения нагрузки (датчик давления воздуха наддува). Соответствующее изменение тока возбуждения синхронного генератора 6 определяет напряжение возбуждения в статоре редуктора 28, питающее напряжение следует изменять прямо пропорционально его частоте. При этом мощность двигателя увеличивается прямо пропорционально возрастанию частоты вращения редуктора 28.
Для передачи избыточной мощности ПГТУ-Р могут применяться и другие электрические (например, постоянного тока генератор-двигатель) и гидротурбинные схемы, при этом принцип регулирования сохраняется.
Выбор той или другой схемы зависит не только от конструктивных возможностей и экономических показателей ДВС, но и от возможности максимально использовать тепловую энергию парового (водогрейного) котла. При этом основным тепло-газогенератором может быть котел, а прогретый ДВС, находящийся в постоянной пусковой готовности, использоваться в часы пик на форсажных режимах ПГТУ-Р. Такие тепло-энергоблоки могут эксплуатироваться в небольших поселках и городах. Рентабельность их возрастает при сжигании низкосортных углей и продуктов нефтепереработки. При этом отпадает необходимость в использовании высоковольтных электропередач, в особенности для шахтерских поселков и близстоящих городов.
Тепло-энергоблоки в сочетании с парусным вооружением в значительной мере повысят рентабельность эксплуатации судов. Так, при плавании с попутным ветром в благопритную погоду ДВС останавливается, а ПГТУ-Р отключается от его коленчатого вала. Котел, работая на низкосортном угле, обеспечивает теплоснабжение судна и, работая в тепло-газогенераторном режиме, приводит во вращение роторы ПГТУ-Р, который, снабжая электроэнергией привод руля и систему управления парусами, вращает посредством асинхронного двигателя 7 гребной винт, работающий в турбинном режиме, повышая его пропульсивные характеристики. При ухудшении погоды, смене курса или входе в канал пускается в работу прогретый ДВС, а тепло котла используется для стартерного пуска и быстрого вывода ТПД на заданный режим.
Совместная или раздельная работа ДВС и котла в тепло-газогенераторном режиме на привод роторов ПГТУ-Р создает многовариантные условия использования химической тепловой энергии сжигаемого топлива с максимальным КПД в создавшейся ситуации.
Сравнительно низкий температурный напор в змеевиковой части теплового трансформатора, объемное парообразование с последующим перегревом пара в камере пароперегревателя, сравнительно низкий температурный режим (200-400оС) проточной части турбины ПГТУ-Р в сочетании с моющими способностями пара создают условия применения питательной воды с более низкими качествами, чем это требуется для питательной воды котла и охлаждающей воды ДВС, в особенности при высокотемпературном охлаждении (110-130оС).
Совместная работа пара и газа в проточной части турбины 21 и последующая совместная работа газа и конденсата на колесе турбины 141 вызывает необходимость постоянного отвода полученного конденсата на термохимическую обработку в испарителе для получения нужного количества питательной воды заданного качества.
Низкая температура конденсации пара, не создающая условия накипеобразования, дает возможность подавать забортную воду для восполнения потерь влаги непосредственно в объем конденсирующего пара, что в значительной мере уменьшает поверхность теплообмена водоводяного теплообменника 22, при этом повышается коэффициент теплопередачи.
Подача конденсата на испаритель и нагрев его осуществляются тепловой энергией выпускных газов и твердых частиц продуктов сгорания, отводимых из объема циклонного сепаратора. Выпускные газы, захватывая в заданном количестве гранулы сыпучего материала, смешиваясь и нагревая их, вздуваются на высокой скорости в воду, вызывая парообразование на поверхности гранул и отложение как накипеобразующих, так и растворимых соединений, при этом и в объеме нагреваемой воды выделяются накипеобразующие соединения. Основное осаждение накипи на поверхности гранул происходит на низких относительных скоростях при просачивании воды через слой гранул под действием центробежных сил на образующей центрифуги.
Вращение центрифуги производится турбиной 328, работающей на остаточной тепловой энергии влажного газа после нагрева воды.
Гранулы с осажденной накипью отводятся на стержневой аппарат, где приводятся во взаимное трение с усиленным давлением. Свежая накипь оттирается и отводится в шламовую цистерну. Очищенные гранулы шнековым элеватором загружаются в бункер и затем снова подаются в цикл. Гранулы с увеличившимся объемом из-за отвердевшей накипи отводятся в шламовую цистерну. Подача и циркуляция гранул по контуру в зависимости от нагрузки ТПД максимально автоматизирована на все время беспрерывной работы ТПД.
Переключение клапанов с мембранным приводом производится золотниковой автоматикой, подающей воздух в полость мембраны в момент закрытия клапана. Расход редуцированного воздуха из ресивера наддува незначителен и практического влияния на экономичность ТПД не оказывает. Открытие клапана происходит под постоянным противодействующим давлением выпускных газов на мембрану. Время работы мембраны завсит от термохимической стойкости ее гибкого материала и числа переключений за время работы.
Объемный контакт пара с газом в камере пароперегревателя и проточной части турбины, а затем конденсата в процессе конденсации и во время работы его на колесе турбины 141 создают условия максимального насыщения коденсата кислотными соединениями, усиливающегося при рН конденсата выше нейтрального значения и увеличении концентрации кислотных соединений в газе.
Очищенный газ подсушивается во влагоотделителе и отводится в атмосферу. При подаче конденсата в смеси с забортной водой на нагреватель испарителя через гидрофоры он дополнительно нагревается и насыщается кислотными соединениями. Основное насыщение кислотными соединениями происходит в объеме нагревателя при многократной циркуляции раствора.
Так как температура насыщения при сопряженном давлении повышается с понижением рН раствора, степень нагрева воды (энтальпия) зависит как от кратности циркуляции раствора к расходу, так и от сернистости топлива, сжигаемого как в ДВС, так и в котле (при совместной тепловой работе). Это свойство кислотных растворов дает возможность нагревать их до более высокой температуры при более медленном возрастании сопряженного противодавления вдуваемому газу.
Перепад сопряженных давлений для растворов с различным потенциалом рН дает возможность использовать работу парообразования раствора с большим рН для привода клапанов, дозирующих щелочной раствор с заданной рН в последующем процессе нейтрализации (испарение воды в объеме сильфона 337).
Мощность и частота вращения турбины, приводящей в действие центрифугу, находятся в зависимости от температуры вдуваемых газов, давления в объеме нагревателя, температуры раствора и уровня его в объеме центрифуги, т.е. от массы раствора и сыпучего материала, выбрасываемых на вращающуюся образующую центрифуги.
Отвод газов из полости дегазации регулируется по влажности газов в этой полости. С увеличением влажности количество отводимых газов уменьшается и давление возрастает. Так что на мощность и частоту вращения турбины 328 оказывает также влияние и влажность газа в полости дегазации.
Расход раствора из нагревателя регулируется по давлению и влажности газа в объеме дегазатора.
Многопоплавковый регулятор уровня в меньшей степени реагирует на волновое колебание уровня раствора в полости центрифуги, обеспечивая сравнительно равномерную подачу воды в нагреватель в зависимости от амплитуды волны раствора (вызванной при бортовой качке судна или помпажем вдуваемого газа).
Нагреватель совместно с бункером сыпучего материала с несколько измененной схемой горячих газов и конструкцией можно использовать в различных отраслях промышленности. Так, например, в химической промышленности нагреватель можно использовать как термохимический реактор. Подавая в него различные растворы жидкости и обогревая различными растворами газов, а также регулируя количество специального сыпучего материала, вдуваемого для затравки, можно получать различные химические материалы с заданными свойствами. Причем это может быть даже газ, отводимый из полости дегазации.
В пищевой промышленности нагреватель без полости дегазации может использоваться, например, для обжаривания зерен кофе в горячем воздухе. Кофе засыпается в бункер и как сыпучий материал циркулирует с потоком горячего воздуха по контуру бункер - нагреватель - бункер, обжариваясь до требуемой кондиции.
Воздух, циркулируя с помощью электрического турбокомпрессора по контуру нагреватель - компрессор - воздушный калорифер, нагревается в калорифере до требуемой для обжарки зерен кофе температуры.
Экономичность такой установки повышается из-за отсутствия потерь горячего воздуха при сохранении аромата обжаренных зерен кофе.
Недостаток нагревателя - подвижные детали турбины и центрифуги. Достоинство - компактность и возможность изменения по ходу процесса параметров компонентов, вводимых в нагреватель.
Раствор, нагретый в нагревателе и подогретый, дозированный щелочной раствор подаются в смеситель нейтрализатора. В струйном, а затем на тарелках, течении растворы, смешиваясь, нейтрализуются, при этом выделяется газ и пар с повышением температуры экзотермической реакции нейтрализации. Смешение растворов сопровождается также выделением твердых частиц, поступивших с щелочным раствором.
Объем нейтрализатора совмещен с объемом дегазатора, являющимся регулирующим производительность нагревателя по уровню запаса питательной воды.
Испаритель отличается от известных тем, что раствор, идущий на испарение, предварительно дегазируется и фильтруется в дополнительных ступенях дегазации. Основной процесс испарения может быть разбит также на несколько ступеней с промежуточным подогревом раствора для увеличения выхода питательной воды.
Фильтры в ступенях дегазации включены как последовательно течению раствора (грубая фильтрация), так и параллельно (тонкая фильтрация). Очистка фильтров производится периодически по мере засорения их фильтрующих элементов.
В ступенях дегазации в процессе работы получают дополнительно некоторое количество конденсата. Для уменьшения солесодержания этого конденсата полость каждой ступени дегазации разделена на два объема наклонной сеткой. Так что качество конденсата находится в зависимости от густоты ячей сетки. Размер ячей сетки влияет также на степень дегазации конденсдата в полостях дегазации.
Параметры в каждой ступени дегазации задаются идентично работающими головками дегазации. Перелив конденсата и раствора из ступени с высоким давлением в ступень с меньшим давлением осуществляется клапанами с поплавковыми приводами.
В отсек питательной воды сливается конденсат с температурой, соответствующей последней ступени испарительной установки, а также редуцированная пиательная вода от регулятора питательной воды. Эту водуу можно использовать для охлаждения горячих деталей или тепловых аппаратов, что повысит температуру в отсеке питательной воды и создаст условия деаэрации при снижении давления в объеме отсека питательной воды.
Испарительная установка ТПД может служить предварительной ступенью для получения бидистиллята.
В шламовую цистерну сбрасываются: раствор, непригодный для дальнейшего получения конденсата с большим щелочным показателем; твердые частицы из циклонного сепаратора; гранулы с большим диаметром после нагревателя, отфильтрованные частицы в ступенях дегазации, а также шлак от котла, работающего на угле, и имеющий высокое содержание сернистых соединений. Пар от нейтрализации шлаков в шламовой цистерне и выпар испарительной установки улавливается в конденсаторе выпара и используется для приготовления щелочного раствора, что значительно уменьшает потребление забортной воды.
Материалом для гранул сыпучего материала может служить размолотый шлак, имеющий пористую структуру и содержащий необходимые компоненты, способствующие отложению накипи.
В отходящих газах содержится до 80% углекислого газа. А в шламе может содержаться достаточное количество компонентов, отвердевающих в контакте с углекислым газом, что можно использовать для изготовления строительного материала (блоков, кирпичей), засыпая шлам во влагоуловители, установленные в дымовых трубах. Это не только повысит рентабельность и экологичность ТПД, но и сделает его безотходным.
Для выброса дымовых газов в атмосферу и рассеивания их на большей высоте используется вытяжная система вентиляции машинного отделения. Этот загазованный теплый воздух (30-40оС) подается на аппарат, излучающий тепловую энергию с высокой температурой, нагревается и эжектирует дымовые газы, подсушенные во влагоуловителе, в атмосферу. Энергия, затраченная на привод вытяжного вентилятора, в значительной мере компенсируется повышением мощности и экономичности ТПД и повышением производительности испарительной установки.
В данной заявке предложен высокоэкономичный и достаточно экологически чистый комбинированный двигатель, скомпанованный в единый агрегат из различных тепловых двигателей и аппаратов, объединенных взаимозависимыми тепловыми режимами и нагрузкой. Так как невозможно создать тепловые аппараты и двигатели, работающие на различных циклах с пропорционально изменяющимися тепловыми характеристиками соответственно изменяющейся нагрузке, а также увеличение прямой и обратной связи регулируемых объектов, то для максимального повышения всех достоинств ТПД необходима значительно более сложная регулирующе-управляющая система автоматики с заложенными программами промежуточных режимов нагрузки.
В предложенном ТПД далеко неисчерпываются возможности дальнейшего повышения цилиндровой и агрегатной мощности, экономичности и экологичности. Предложено несколько вариантов воздушного охлаждения поршня при использовании маятникового эффекта, что дает возможность ликвидировать жидкостное (маслом, водой) охлаждение днища поршня. В ТПД подача в подпоршневую полость НПЦ охлажденного воздуха наддува через полости в теле поршня повысит температуру воздуха в НПЦ в начале сжатия, что при последующем разбрызгивании холодной воды вызовет температурное сжатие с соответствующим снижением противодавления в НПЦ.
На фиг.63-72 изображены: клапанная решетка 451, шток 452, выточка 453, корпус клапана 454, ось 455, тяга 456, сильфон 457, гибкая шайба 458, пружина 459, кольцо-тор 460, прорезь 461, фланец 462, корпус фильтра 463, отверстия 464, перфорация 465, поршень 466, шток 467, коробка с перфорацией 468, фильтрующий элемент 469, вспомогательный двигатель 470, выпускная труба с оребрением 471.
К клапану 52 (фиг.63-65) укреплена гибкая шайба 458. Клапан 52 взаимодействует с клапанной решеткой 451 посредством пружины 459 с днищем 53 НПЦ и посредством гибкой шайбы 458 со штоком 452 поршня 51. В верхней части штока 452 имеется выточка 453.
Клапан 59 (фиг.66, 67) посредством оси 455 взаимодействует с корпусом клапана 454, укрепленным в окне цилиндра ДВС 3. Тяга 456 взаимодействует с клапаном 59, с сильфоном 457 и кулачком 40 распределительного вала. Сильфон 457 герметично укреплен к корпусу воздуховода 56.
Кольцо-тор 460 (фиг.68, 69) укреплено к корпусу 139 по периметру образующей зоны 24 конденсации. Фланцы 462 укреплены на патрубках кольца-тор 460 и обеспечивают герметичность зоны 24 конденсации. На внутренней стенке кольца-тора 460 имеется кольцевая прорезь 461.
Корпус фильтра 463 (фиг. 70, 71) (фиг.55) укреплен к корпусу полости ступени 185. В корпусе фильтра 463 имеется запорная арматура 399 и днище с отверстиями 464 и перфорацией 465. Корпус фильтра 463 гидравлически взаимодействует с поршнем 466. Поршень 466 посредством штока 467 взаимодействует с коробкой с перфорацией 468. Между днищем корпуса фильтра 463 и коробкой с перфорацией 468 помещен фильтрующий элемент 469.
На фиг. 72 выпускная труба с оребрением 471 вспомогательного двигателя 470 размещена в объеме камеры 41 продувки.
Для уменьшения аэродинамического сопротивления клапана 52, создаваемого усилием сжимающейся пружины 459 в процессе вытеснения воздуха из НПЦ, открытие клапана 52 производится автоматически с помощью штока 452 поршня 51. На фиг.65 поршень 51 находится в НМТ, гибкая шайба 458 клапана 52 находится в выточке 453 штока 452 и свободно скользит вдоль выточки 453. Усилием пружины 459 клапан 52 прижат к клапанной решетке 451. При движении поршня 51 к ВМТ (фиг.63) в момент перехода меньшего диаметра выточки 453 на больший основного тела штока 452 гибкая шайба 458 прогибается по ходу движения штока 452 и возникает трение между гибкой шайбой 458 и штоком 452, прижимающее клапан 52 к клапанной решетке 451 с большим усилием. При движении поршня 51 к НМТ (фиг.63) создавшееся усилие трения между гибкой шайбой 458 и штоком 452 достаточно для полного открытия клапана 52 (фиг.64), т.е. достаточно на сжатие пружины 459 при движении клапана 52 до упора в днище 53. При дальнейшем движении поршня 51 к НМТ изогнутая навстречу движения штока 452 гибкая шайба 458 скользит с некоторым усилием вдоль тела штока 452 до момента распрямления гибкой шайбы 458 на меньшем диаметре выточки 453. Усилие трения гибкой шайбы 458 о шток 452 исчезает, и клапан 52 усилием сжатой пружины 459 закрывается (фиг.65), что соответствует нахождению штока 51 в НМТ. Потери на трение между гибкой шайбой 48 и телом штока 452 зависимы от избыточной жесткости пружины 459, определяющей закрытие клапана 52 (фиг. 65); материалом гибкой шайбы 458 и влажностью воздуха, определяющими коэффициент трения и давления вытесняемого воздуха из объема НПЦ.
На фиг. 66 показан клапан 59, установленный в окнах, соединяющих объем НПЦ и воздуховод 56 (фиг.2, 3). На фиг.67 показан вид сверху на конструкцию клапана 59 (фиг.66). При движении поршня 51 от НМТ к ВМТ, когда давление в объеме НПЦ становится меньше давления в воздуховоде 56, перепад давления, преодолевая усилие конструктивно выполненного противовеса клапана 59, открывает клапан 59 и воздух из воздуховода 56 поступает в объем НПЦ. При уменьшении перепада давления клапан 59 под воздействием своего противовеса закрывается. Для уменьшения аэродинамического сопротивления клапана 59, определяемого весом его противовеса, открытие клапана 59 обеспечивается сильфоном 457, прижимающего тягу 456 усилием, создаваемым давлением в воздуховоде 56 к кулачку 40 распределительного вала ДВС 3. При повороте кулачка 40 на меньший радиус своего профиля сильфон 457 удлиняется под усилием давления сжатого воздуха и поднимает тягу 456, находящуюся в зацеплении с противовесом клапана 59. Клапан 59 отрывается. При набегании кулачка 40 тяга 456 опускается, сжимая сильфон 457, и клапан 59 в зависимости от величины перепада давлений либо остается открытым, либо закрывается. С целью увеличения проходного сечения клапанов 59 при минимально возможных их габаритах в каждое окно устанавливается по несколько клапанов 59, один над другим, образуя ряды в окнах по периметру цилиндра. Оси 455 каждого ряда клапанов 59 соединены по принципу карданного соединения, что дает возможность осуществлять открытие всех клапанов 59 сразу от одного сильфона 457.
На фиг. 24, 25 струя охлаждающей воды из распылителя 23, смешиваясь с парогазовым потоком, движущимся со скоростью С2 после последней ступени турбины 21, вызывает конденсацию пара только в объеме теплообмена, определяемом факелом распыла охлаждающей воды. При этом процесс конденсации влияет на форму развивающегося факела по мере удаления его от распылителя 23.
Периферийные объемы парогазовой смеси, движущиеся у стенок корпуса улитки 139, не охлаждаются, и парогазовая смесь расширяется в уменьшающемся давлении, что приводит к перегреву пара и более мелкодисперсной конденсации пара в увеличившемся объеме газа. С другой стороны, с целью обеспечения интенсивного отвода парогазовой смеси из объема улитки 139 и создания максимальной скорости движения потока перед скачком уплотнения на лопатках турбины 141 необходим разгон парогазовой смеси и капель охлаждащей воды, что создается перепадом давлений на расстоянии от распылителя 23 до зоны 24 конденсации. Конденсацию основной массы пара в зоне 24 конденсации можно организовать конфузорностью стенок зоны конденсации, сжимающей поток и создающей условия максимального и полного теплообмена между парогазовой смесью и распыленной охлаждающей водой. Расстояние от распылителя 23 до зоны 24 конденсации влияет на габариты улитки 139 и ее аэродинамическое сопротивление. Кроме того, для обеспечения полной конденсации пара в зоне 24 конденсации на различных нагрузках ТПД, когда изменяются качество парогазовой смеси и количество циркулирующей охлаждающей воды, необходимо изменять конфузорность зоны 24 конденсации.
На фиг. 68, 69 по периметру зоны 24 конденсации установлено кольцо-тор 460 с кольцевой прорезью 461. При малых перепадах давления охлаждающей воды в объеме кольца-тора 460, соединенного с нагнетающей стороной насоса 142, и зоны 24 конденсации щель в прорези 461 минимальна и толщина кольцевой струи истекающей воды также минимальна. Угол наклона конуса истекающей воды к оси зоны 24 конденсации максимально острый. Факел сечения конуса также максимально острый.
Форма конфузорности водяного конуса определяется скоростью парогазового капельного потока и интенсивностью конденсации пара периферийного объема парогазовой смеси. Конус охлаждающей воды, врезаясь в поток пара, газа и капель, вызывает максимальную турбулизацию и отклоняется потоком, создавая конфузорность, соответствующую данной нагрузке ТПД. При максимальной нагрузке ТПД доля пара в парогазовой смеси увеличивается, резко снижает давление в зоне конденсации, давление же в объеме кольца-тора 460 вследствие повысившейся производительности насоса 142 соответственно увеличивается. Под возросшим перепадом давлений на внешние и внутренние стенки кольца-тора 460 щель прорези 461 увеличивается и увеличиваются количество и давление истекающей охлаждающей воды. Угол наклона конусности к оси зоны кодненсации увеличивается (фиг.69) и увеличивается угол сечения конуса воды. Кольцевая струя воды из прорези 461 стремится сжать парогазовый капельный поток, который раздвигает водяной конус и вследствие взаимодействия потока и струи в процессе завершающейся конденсации пара образуется конфузорность, соответствующая максимальной нагрузке ТПД.
Для регулирования инжекционного эффекта необходима установка регулирующего вентиля (не показан) на фланце 462 с тем, чтобы распределять количество охлаждающей воды между распылителем 23 и кольцом-тором 460.
На фиг.55 фильтр 393 установлен последовательно всему потоку раствора. Такая установка фильтра не обеспечивает фильтрации взвеси, так как при засорении элементов фильтра скорость течения раствора увеличивается и оседание взвеси на поверхности элементов фильтра прекращается. Но большое содержание взвеси ухудшает испаряемость воды. В полости ступени 185 за перегородкой 398 установлен фильтр 469 (фиг.70, 71) параллельно основному течению раствора. Уменьшение количества взвеси в растворе, поступающей на испарение, зависит от кратности циркуляции раствора через элемент фильтра 469 к объему раствора, поступающего на испарение (или к объему, перетекающему из полости ступени 184). По мере засорения фильтра 469 его объемное сечение уменьшается и кратность циркуляции через его элементы также уменьшается, что приводит к ухудшению испаряемости воды и вызывает необходимость периодической очистки элементов фильтра 469.
На фиг. 70 элемент фильтра 469 пружинным воздействием волокон фильтрующего элемента, усиленного металлическими пружинами, являющимися частью фильтрующего элемента, коробка с перфорацией 468 подняты вверх. Запорный кран 399 закрыт. Конденсат из сборника 402 с большей температурой, давлением и загазованностью истекает вверх из трубки 397. Частично испаряющийся конденсат и выделяющийся расширяющийся газ поднимают раствор кверху, снизу трубки 397 создается разрежение и раствор циркулирует через фильтр 469, уменьшая разрежение под трубкой 397. При циркуляции раствор дополнительно нагнетается конденсатом из трубки 397, частично испаряется и переливается в последующую ступень 186 испарения.
По мере засорения фильтра 469 кратность циркуляции раствора уменьшается. Для очистки фильтра 469 открывается кран 399 (фиг.71), под воздействием давления на поршень 466 он опускается и посредством штока 467 тянет коробку с перфорацией 468 вниз, сжимая фильтрующий элемент 469. Во время сжатия волокна элемента деформируются и осевшая на поверхности волокон взвесь взрыхляется и отделяется. При перекрытии отверстий 464 стенками коробки с перфорацией 468 создается интенсивное обратное течение раствора через фильтр 469 и его элементы промываются от взрыхленной и отделившейся взвеси.
Время очистки элементов фильтра непродолжительно и на эффективность работы испарительной установки практически не влияет. С увеличением объема элементов фильтра 469 улучшается качество раствора, идущего на испарение, и уменьшается периодичность очистки фильтра 469. После продувки кран 399 закрывается, давление на поршень 466 выравнивается и под пружинным воздействием элементов фильтра 469 коробка поднимается в положение, как на фиг.70.
На фиг.72 выпускные газы от вспомогательного двигателя 470, работающего в стартерном режиме на ТПД, проходят по оребренному трубопроводу с оребрением 471 в объеме камеры 41 продувки. При работе вспомогательного четырехтактного двигателя 470 в номинальную нагрузку температура отходящих газов его может достигать 550-650оС. В зависимости от количества выпускных газов к количеству воздуха, циркулирующего в объеме камеры продувки, температура воздуха к моменту открытия продувочных окон 49 в верхнюю полость цилиндра может повышаться до 200-400оС.
Формула изобретения: 1. СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, содержащая поршневой двигатель, снабженный по меньшей мере одним цилиндром с крышкой и рубашкой охлаждения, впускной магистралью и выпускной трубой, механизмом газораспределения, парогенератор, размещенный в выпускной трубе, турбину, связанную с парогенератором, турбокомпрессор, турбина которого подключена к выпускной трубе, и электрогенератор, кинематически связанный с валом поршневого двигателя, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит циклонный сепаратор, снабженный шибером и сеткой, трансформатор теплоты, конденсатор, редуктор, узел нагрева и очистки питательной воды, датчик температуры питательной воды, регулятор питательной воды, распределитель нагрузки, распылитель воды, регулятор время - сечение и теплообменники, причем циклонный сепаратор и трансформатор теплоты последовательно включены в выпускную магистраль перед турбиной по ходу движения газов, выход последней подключен к турбине турбокомпрессора через конденсатор, редуктор кинематически связан с турбокомпрессором и электрически с электрогенератором, а узел нагрева и очистки питательной воды через датчик температуры и регулятор питательной воды подключен к парогенератору.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что поршневой двигатель выполнен в виде двухтактного двигателя внутреннего сгорания, содержащего цилиндр с рядом окон наддува, рядом продувочных окон, выпускным каналом с клапаном и перепускным каналом с автоматическим клапаном, поршень, разделяющий цилиндр на надпоршневую и подпоршневую полости, распылитель воды, установленный в подпоршневой полости, холодильник, подключенный к последней при помощи автоматического клапана, подогреватель, теплоподводящая полость которого сообщена с охлаждающей полостью цилиндра, образованной рубашкой охлаждения и цилиндром, а теплоотводящая - с холодильником, и воздухоперегреватель, выполненный в виде рубашки, образующей с выпускной трубой полость перегрева, соединенную с подогревателем и подпоршневой полостью при помощи перепускного канала.
3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что поршневой двигатель выполнен с охладителем наддувочного воздуха, ресивером наддува, снабженным золотником, и ресивером продувки, причем выход компрессора трубокомпрессора через подогреватель и охладитель наддувочного воздуха подключен к ресиверу наддува.
4. Установка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что регулятор время - сечение размещен с возможностью воздействия на клапан выпускного канала и выполнен в виде полого корпуса, заполненного гидрожидкостью и снабженного двумя соосно установленными плунжерными парами, ступенчатым золотником с подпружиненным толкателем и приводом от кулачковой шайбы и механизмом выравнивания давления в полостях корпуса.
5. Установка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что датчик температуры выполнен дилатометрическим и кинематически связан с кулачковой шайбой регулятора время - сечение и регулятором питательной воды, причем последний выполнен в виде соосно расположенных посадочного седла и подпружиненного патрубка, подключенного к дилатометрическому датчику.
6. Установка по пп.1 - 5, отличающаяся тем, что циклонный сепаратор выполнен с подвижной крышкой, размещенной в его внутренней полости с возможностью возвратно-поступательного движения при помощи рычага и штока и взаимодействия с сеткой.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что трансформатор теплоты выполнен в виде цилиндрического корпуса с конфузорно-диффузорным соплом на выходе, змеевикового пароперегревателя, размещенного во внутренней полости корпуса, и сопла с регулируемым проходным сечением, причем сопло расположено соосно с корпусом, подключено к пароперегревателю и его выход ориентирован к конфузорно-диффузорному соплу.
8. Установка по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор выполнен в виде корпуса с газовой и жидкостной полостями, турбины, размещенной в газовой полости, центробежного насоса, установленного на одном валу с турбиной и погруженного в жидкостную полость, распылителя воды, размещенного в газовой полости, и жидкостно-сетчатого отделителя влаги.
9. Установка по п.8, отличающаяся тем, что конденсатор выполнен с поплавковым регулятором уровня воды.
10. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что редуктор выполнен в виде синхронного генератора трехфазного тока с катушками возбуждения на ободе маховика, асинхронной машины с трехфазным ротором, кинематически связанным с ротором турбокомпрессора, трансформатор, первичная обмотка которого соединена по схеме токового трансформатора, а вторичная обмотка - по схеме звезда, первого выпрямителя, асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, соосно прикрепленным к маховику, и источника постоянного тока.
11. Установка по пп.1 - 10, отличающаяся тем, что распределитель нагрузки выполнен в виде первого мембранного исполнительного механизма, управляющая полость которого сообщена с ресивером наддува, а мембрана через шток связана с пружиной регулируемой жесткости и при помощи рычага взаимодействует с ползуном, являющимся "нулем" соединения "звезда" вторичной обмотки трансформатора.
12. Установка по пп.1 - 11, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит изодром, содержащий фазную обмотку на короткозамкнутом роторе асинхронной машины, трехфазный реостат-задатчик, второй выпрямитель и электромагнит постоянного тока, взаимодействующий со штоком первого мембранного исполнительного механизма и являющийся нагрузкой для фазной обмотки.
13. Установка по пп.1 - 12, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит регулятор давления наддува, выполненный в виде второго исполнительного механизма, перепускного трубопровода, соединяющего ресивер наддува с входом компрессора турбокомпрессора и золотникового механизма, размещенного в перепускном канале, причем управляющая полость этого мембранного механизма сообщена с ресивером наддува, а мембрана кинематически связана с золотниковым механизмом при помощи подпружиненного штока.
14. Установка по п.1, отличающаяся тем, что узел очистки и нагрева питательной воды выполнен в виде водо - водяного холодильника, гидрофор подачи воды и щелочного раствора, бункера сыпучего материала, нагревателя питательной воды, нейтрализатора, ступени дегазации с фильтрами грубой и тонкой очистки, регулятора, шламовой цистерны и конденсатора выпара.