Возьми, страна, мои изобретения.
Они помогут стать тебе мощней.
Они твою усилят оборону.
Они улучшат жизнь твоих людей.
     В ответ молчит убогая Россия,
     дремля на нефтегазовой игле.
     И результаты бурных инноваций
     ей миражами снятся лишь во сне.
И Сколково России не поможет.
Встречать решили там не по уму.
Как водится, решили по одёжке.
И не своих. Чужих. Ну почему?
В.Романов.
Уникальные двигатели нового поколения для энергетики и промышленности
В современных осевых газовых и паровых турбинах необъёмного расширения используется кинетическая энергия скоростного потока рабочего тела. В них один поток рабочего тела движется в направлении оси вала турбины, при этом крутящий момент создаёт окружная сила, возникающая на лопатках ротора турбины и действующая перпендикулярно осевому потоку.
 
Все используемые в настоящее время тепловые двигатели производят больше в 2-3 раза больше тепловой энергии, чем механической и, вполне обоснованно их можно считать, прежде всего, теплогенераторами, частично производящими механическую энергию. Вот такие нагревательные устройствами используется для транспортных средств и в различных энергетических установках, предназначенных для выработки, прежде всего механической, а не тепловой энергии.
1. Турбина реактивно-импульсного, ступенчатого, объёмного расширения «ТРИСОР»

Фиг. 1. Турбина объёмного расширения

Фиг. 2. Основные детали турбины (два блока цилиндров и ротор).
1.1 Устройство турбины и принцип её работы.
Турбина объёмного расширения это малорасходная, эффективная, экономичная, простейшая по конструкции и, соответственно, в связи с малым удельным расходом рабочего тела (газа или пара) экологически чистая машина для создания вращательного момента в любых машинах и устройствах использующих этот вид механической энергии. Все известные в настоящее время газовые и паровые турбины, использующиеся для привода валов, требующих вращения, малоэффективны и не экономичны.
Особенности изобретённой турбины делают её название слишком длинным, но соответствующим её характеристикам, которыми существующие известные турбины не обладают. Поэтому, тем, кто впервые знакомится с информацией о ней, не помешает знать, что её подлинное название - «турбина реактивно-импульсного, ступенчатого, объёмного расширения».
Турбина объёмного расширения по использованию энергии рабочего тела является турбиной объёмного расширения, т.е. в ней используется непосредственно потенциальная энергия давления, т.е. аналогично поршневым и роторно-поршневым двигателям. Из определения «объёмная» следует то, что для создания главной механической характеристики двигателя, такой как крутящий момент, для неё требуется расход рабочего тела в 6-7 раз меньший, чем в известных газовых и паровых турбинах, использующих кинетическую энергию потока со скоростью в 2 раза превышающей скорость самого ротора.
При объёмном расширении поток рабочего тела движется со скоростью равной скорости движения органа воспринимающего его давление – лопасть или лопатка, как и в известных ДВС (поршень, ротор). Турбина объёмного расширения будет в несколько раз экономичней традиционных турбин использующих кинетическую энергию скоростного потока рабочего тела.
Зная о том, что мощность двигателя равна произведению крутящего момента на количество оборотов, можно сделать вывод и о том, что для создания одинаковой мощности турбиной объёмного расширения потребуется значительно меньшее число оборотов. Соответственно она будет иметь и более лучшие габаритно-массовые характеристики. Турбина полностью уравновешена как в осевом направлении, так и в радиальном направлениях. Турбина содержит два зеркально-идентичных блока кольцевых цилиндров, между которыми концентрично установлен общий для двух проточных частей ротор. На боковых поверхностях ротора кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются цилиндрические выступы, разделённые друг от друга в окружном направлении перепускными окнами или рабочими полостями, а на внутренних боковых поверхностях блоков цилиндров, так же кольцами, располагаются соответственно неподвижные аналогичные выступы так же с перепускными рабочим окнами.
После сборки турбины подвижные выступы ротора чередуются с неподвижными выступами блоков, образуя ступени объёмного расширения. Подвод рабочего тела осуществляется парциально (частично), т.е. через равномерно расположенные в окружном направлении впускные окна, расстояние между которыми примерно должно быть равно их 3-х кратной окружной длины.
В блоках, в радиальном направлении, непосредственно за валом ротора выполнена концентричная кольцевая полость, выполняющая функцию ресивера, в цилиндрической стенке которой выполнены, равномерно расположенные по окружности, впускные окна. Ресиверы блоков снабжены входными патрубками-коллекторами для подачи в них рабочего тела. В блоках так же выполнены клапаны, обеспечивающие открытие или закрытие впускных окон через которые рабочее тело поступает в проточную часть турбины для последующего расширения. Ими так же осуществляется регулировка расхода рабочего тела поступающего в проточную часть и соответственно мощности, развиваемой турбиной или прекращение подачи для её остановки.
При движении ротора от одного впускного окна до другого, его рабочей полостью выполняются четыре такта. Первый такт «заполнение» рабочей полости рабочим телом. При разобщении с впускным окном второй такт «отсечка», затем третий такт «рабочий» – сообщение с полостью статора, четвёртый такт вновь «отсечка». При дальнейшем движении в окружном направлении полость вновь сообщается со следующим впускным окном, дополняется рабочим телом из ресивера до прежнего значения и далее циклы повторяются в описанном выше порядке.
Особенности турбины объёмного расширения обеспечивают в отличие от всех известных турбин и ещё одно уникальное свойство.
При полной, кратковременной остановке турбины внешней нагрузкой, она вновь после снятия нагрузки продолжит работу, т.е. как электродвигатель.
При длительной остановке для возобновления её работы требуется лишь поворот ротора от впускного окна до первой рабочей полости статора, что в зависимости от количества впускных окон, а также рабочих ступеней выполненных в роторе и, соответственно в статоре, составляет в окружном направлении не большой угол.
Ротор турбины может быть установлен на двух радиально-упорных шариковых подшипниках, или, при повышенном рабочем давлении, на двух радиальных и двух упорно-осевых.
Ниже, для примера, пошагово изображены положения ротора (жёлтый цвет) при совершении работы за один цикл во всех рабочих полостях. Вращение ротора по часовой стрелке. Статор (серый цвет). Впуск рабочего тела – газа или пара, частичный, как пример, через два впускных окна. Клапаны пропускные, розовый цвет, пропускают 50% от сечения впускного окна. Клапаны – задвижки, жёлтый цвет, перекрывают окна полностью.

1. Впуск заряда

2. Отсечка

3. Сообщение полостей ротора и статора

4. Отсечка
Работа. Отталкивание ротора от статора.
При вращении ротора длительность одного рабочего цикла зависит от углового расстояния между окнами статора, а их количество в окружном направлении в одной ступени равно количеству окон, выполненных в статоре в окружном направлении. В турбине объёмного расширения, в отличие от традиционных газовых и паровых турбин, ступенью следует считать не пару ротор-статор, а количество поочерёдно взаимодействующих друг с другом пар полостей ротора и статора.
Первой при движении ротора взаимодействует пара полостей ротор-статор, при этом ротор в направлении вращения отталкивается реактивной струей от плоской поверхности статора. Давление в полости ротора падает, в полости статора возрастает. Происходит частичный перепуск рабочего тела из полости находящейся под более высоким давлением в полость находящуюся под меньшим давлением – рабочий реактивный импульс, при этом давление в обеих полостях становится примерно равным. Эффективности перепуска и силе реакции способствуют так же центробежные силы. За тем, полости ротора и статора разобщаются - такт «отсечка»
При дальнейшем движении ротора его полость, расположенная в следующем от центра ряду, сообщается с рабочей полостью статора, ранее сообщавшейся с полостью первого ряда - ступени ротора и находящейся под поступившим из неё давлением рабочего тела, при этом рабочее тело, вылетающее из полости статора, толкает реактивной струей ротор. Осуществляется второй рабочий цикл после поступления заряда в проточную часть турбины. За тем, полости разобщаются. Как и в первом рабочем цикле совершается такт – «отсечка». Далее, и в окружном и в радиальном направлении от центра к периферии до выпускных окон совершаются аналогичные рабочие такты.
При любом количестве впускных окон (1, 2, 3, 4 и т.д.), равномерно, или даже не равномерно расположенных в окружном направлении, рабочий цикл совершается при перемещении ротора от одного открытого впускного окна статора до первой по ходу его движения рабочей полости статора, которых может быть выполнено различное количество.
Например, изображённая выше турбина, имеющая 4-х цилиндровый статор и, соответственно, 4-х рядный ротор, каждый из которых в каждом ряду имеет по 4 рабочих полости, обеспечит только в одном блоке, (их 2) за один оборот ротора количество рабочих тактов – реактивных импульсов, равное произведению – количество рабочих полостей в одной ступени (их 4) умноженное на количество ступеней (их 6) и умноженное на количество срабатываний в полостях всех ступеней за один оборот вала (это 4 раза), итого 4 х 6 х 4 = 96 импульсов за один оборот в одном блоке, а в 2-х блоках это 96 х 2 = 192.
При впуске заряда рабочего тела через одно впускное окно (выполнено одно или остальные закрыты), рабочие циклы будут продолжаться, ослабляясь без дозарядки свежим зарядом столько раз, сколько чередующихся пар рабочих полостей ротор статор, статор – ротор выполнено в окружном направлении в одном цилиндре и сколько рабочих полостей и цилиндров, выполнено в статоре. Режимы пуска и остановки сократятся до нескольких минут, что важно и в стационарных и, особенно, в мобильных энергетических установках.
Для запуска турбины объёмного расширения, в отличие от известных, требуется лишь поворот ротора на расстояние равное расстоянию между впускными окнами и первыми по ходу вращения рабочими полостями статора, при этом сразу появляется первый и самый большой по величине крутящий момент, который за тем несколько снижается. Отмечается некоторое сходство с остановкой и последующим пуском электродвигателя. После этого турбина резко будет набирать обороты до максимальных. Каких? Это нужно выяснить, изготовив экспериментальную турбину и проверить её тестированием. Из описанного выше принципа работы турбины следует, что её обороты и мощность во время работы можно изменять в широком диапазоне без применения понижающих и повышающих редукторов.
С учётом того, что изобретённая турбина, в отличие от известных, вырабатывает больше механической мощности, чем тепловой, при её использовании для генерации электроэнергии ожидаемая стоимость 1 кВт будет в несколько раз меньше.
Чисто гибридное конструктивное исполнение турбодвигателя и реализуемый им непрерывный, гибридный, газопаровой термодинамический цикл полного объёмного расширения обеспечат несколько синергетических эффектов:
1. Снижение количества деталей; один ротор, подшипники и два статора одновременно используются для 3-х двигателей: двигателя внутреннего сгорания, для турбины и для двух электрогенераторов.
2. Резкое улучшение габаритно-массовых характеристик по сравнению с комбинированными энергетическими установками, состоящими из комбинации отдельных типов двигателей – теплового двигателя и электрогенератора или двух турбин – газовой и паровой и отдельного парогенератора в когенерационных парогазовых установках, реализующих последовательно два разных цикла – газовый и паровой.
Реализуемый турбодвигателем адиабатный (без отвода тепла) газопаровой цикл с максимально возможным температурным диапазоном рабочего тела от Т = 3000 оС после воспламенения топливовоздушной смеси и до Т = 50 –  70оС газопаровой смеси на выхлопе, обеспечит максимально возможный для тепловых двигателей термический КПД – до 98%.
Генерация в гибридном газопаровом цикле дополнительного давления пара за счёт неиспользуемой теплоты газов в известных типах двигателей внутреннего сгорания и наиболее рациональное радиальное расширение рабочего тела с ростом радиуса и площади, воспринимающей давление рабочего тела, и полное использование давления до атмосферного, обеспечат максимально возможный эффективный КПД до 90% , с учётом того, что механические потери и, связанный с ними, отрицательный момент для 3-х двигателей (ДВС, турбина, электрогенераторы), будут иметь место только в двигательной части турбодвигателя на малых радиусах – подшипники ротора, стыки лопастей с вкладышами и с опорной цилиндрической поверхностью цилиндра, два стыка торцевых уплотнителей ротора со статорами и в подшипниках качения или скольжения на которых установлен ротор турбодвигателя.
Совпадение моментных характеристик газопарового турбодвигателя и синхронно работающего с ним электрогенератора, обеспечат с минимальных оборотов турбоэлектрогенератора большой крутящий момент, что, при его использовании в качестве силовой установки в транспортных средствах, исключит необходимость использования тяжёлых дорогостоящих аккумуляторов.
В комбинации с многотопливным парогенератором и подачей пара в турбинную часть турбоэлектрогенератора, обеспечивается генерация механической, электрической и тепловой энергии с использованием твёрдых органических видов топлива без использования жидкого, газообразного углеводородного топлива или биотоплива, что повышает универсальность при его использовании. Турбина объёмного расширения, без изменения конструкции, простым масштабированием может выполняться в широком мощностном диапазоне - от микротурбин до самых мощных турбин.
1.2. Что обеспечит использование изобретённой турбины в различных энергетических установках?
Малая энергетика будет, наконец обеспечена простыми, экономичными и доступными по цене даже физическим лицам многофункциональными энергетическими установками, состоящими из многотопливного парогенератора и турбоэлектрогенератора на базе турбины объёмного расширения и генерирующие механическую энергию и электрическую. Обеспечится резкое снижение стоимости изготовления, габаритов и материалоёмкости паротурбинного оборудования, расхода пара и соответственно топлива на его генерацию, снижение сброса газов и теплоты из конденсаторов в атмосферу и водоемы, и, соответственно, резкое повышение газовой и тепловой экологичности.
Наибольший эффект обеспечится в мобильных транспортных средствах – надводных и подводных судах, особенно при использовании в энергетической установке АПЛ с созданием той же мощности что и при использовании обычных турбин. Так, вместо 2-х атомных реакторов, двух турбин и значительной по размерам конденсационной системы используемых в российских подлодках последних проектов, потребуется лишь один реактор, сократится состав элементов самой энергетической установки. Не нужны будут тяговые электродвигатели и редукторы. Резко сократится размер конденсационной установки, высвободятся площади для размещения полезной нагрузки – ракет, сократится обслуживающий энергетическую установку персонал.
2. Гибридный адиабатный газопаровой турбодвигатель полного объёмного расширения
Газопаровой турбодвигатель по существу является гибридным устройством, объединяющем в своём составе тепловой роторный двигатель внутреннего сгорания совершенно новой конструкции, о чем свидетельствует защита его новизны патентом на изобретение, к которому для обеспечения непрерывного рабочего цикла и для обеспечения полного расширения газопаровой смеси пристроена соответствующая расходу его рабочего тела вышеописанная турбина объёмного расширения.
Центральные цилиндры турбодвигателя в блоках, в которых размещаются лопасти, выполненные эксцентрично оси блоков и ротора, остальные – турбинные цилиндры – выполнены концентрично.
Сразу за двигателем, перед турбиной выполнена кольцевая полость – ресивер, в которую поступают сгенерированные и частично отработавшие в двигателе высокотемпературные продукты сгорания – газы. Эта полость по существу является газопарогенератором, генерирующим газопаровую смесь для следующей за ним турбины. Газопаровая смесь создаётся максимально эффективным способом – непосредственным смешиванием горячих газов с впрыскиваемой в них водой, предварительно прошедшей по системе охлаждения двигателя – рекуператору.

Фиг.3. Турбодвигатель

Фиг.4. Основные детали турбодвигателя (два блока цилиндров и ротор)
Газопаровой турбодвигатель реализует и новый, ранее не известный, защищённый патентом газопаровой адиабатный термодинамический цикл, т.е. без отвода тепла охлаждения «горячей» части двигателя в атмосферу. В отличие от известных ДВС, в которых для обеспечения их работоспособности 60 – 70% тепла отводится в атмосферу радиатором и с выхлопными газами, вся поверхность газопарового турбодвигателя наоборот покрывается термозащитным чехлом, чтобы сохранить отводимое водой от «горячей» части тепло для нагрева воды и использования её в рабочем цикле. Для запуска турбодвигателя, в отличие от всех известных тепловых двигателей, достаточно провернуть его ротор на 1.5 – 2 оборота и он начнёт работать на продуктах сгорания. После прогрева может подаваться вода и, за тем, он начнёт работать на газопаровой смеси с полной мощностью. Пусковые характеристики аналогичны пуску электродвигателя, запускаемого подачей напряжения на пусковую обмотку возбуждения. «Возбуждение» турбодвигателя обеспечивается проворотом ротора на 1.5 – 2 оборота.
Вопросы обеспечения требуемого ресурса работы газопарового турбодвигателя, что касается только роторно-лопастной его части, не являются проблемными и могут быть решены 3-мя доступными способами.
  • Изготовление лопастей, шарниров и газовой части ротора из керамики, не требующей смазки и охлаждения и которая, при отсутствии ударных нагрузок обеспечивает длительный ресурс работы.
  • Выполнение системы смазки с картером в центральной части, с простейшим, не требующим дополнительных деталей, насосом - спиральным центробежным каналом в дискообразной планшайбе ротора с дальнейшим движением смазки, по каналам, выполненным в шарнирах к торцевым стенкам блоков и слив по каналам в картер. При этом обеспечивается охлаждение лопастей и шарниров и маслом с передачей тепла воде.
  • Нанесение на трущиеся пары трибопокрытий, не требующих смазки и охлаждения и обеспечивающих низкий коэффициент трения.
    • В настоящее время известны два типа покрытий для пар трения (трибопокрытий): твердые или алмазоподобные (алмазные пленки, карбиды, нитриды; твердые металлы и сплавы с Нv~1000кг/мм2) и мягкие. Первый тип обеспечивает повышение износостойкости, второй – увеличение поверхности контакта (приработку) и снижение коэффициента трения (самосмазывающий эффект). Технология нанесения твердых покрытий, как правило, основана на высокоэнергетических физических способах (магнетронное или плазменное напыление) и достаточно сложна. Химические (CVD) и электрохимические (ECVD) методы проще и экономичнее. Мягкие трибопокрытия на основе неорганических структурных смазок (типа дисульфида молибдена), имеющие наибольший самосмазывающий эффект, отечественной промышленностью практически не используются, хотя в развитых странах являются приоритетными направлениями в создании новых технологий. Сейчас известны два метода нанесения дисульфида молибдена на поверхности трения: фрикционный и с использованием PVD – технологий.
    Фиг.5
    На фиг.5 слева представлены 3 варианта исполнения центральной, роторно-лопастной части турбодвигателя без контакта лопастей с цилиндрической стенкой блока цилиндра. Первые два варианта с лопастями, удерживаемыми у кольцевой стенки цилиндра или пружинами, или взаимодействующими друг с другом опорными цилиндрическими выступами лопастей. Третий вариант выполнение лопастного ротора цельным с обеспечением его взаимодействия с цилиндрическим выступом основного ротора через подвижные вставки.
    Области использования газопаровых турбодвигателей.
    Все области промышленности, энергетики и транспорта, в которых используются тепловые двигатели – газовые турбины и ДВС для создания механической энергии вращения для привода электрогенераторов, для движения транспортных средств, кроме авиационных ГТД, использующих цикл Баумана с подводом тепла при постоянном давлении. Более рационально использование одного высокоэффективного, высокоэкономичного газопарового турбоэлектрогенератора, обладающего пусковыми и тяговыми характеристиками электродвигателя и небольшого обычного не тягового аккумулятора.
    Особенно резко бы улучшило лётные и технические характеристики использование турбодвигателя на вертолётах. В патенте защищён вариант турбодвигателя с независимо работающими роторами, что требуется для вертолёта с 2-х винтовой схемой. Увеличились бы дальность полёта без дозаправки и полезная нагрузка. Осталась бы для вертолётов только одна 2-х винтовая схема, используемая на вертолётах Камова, и даже без низкоэффективного для маневренности вертолёта автомата перекоса, использование которого для изменения направления полёта при значительном удалении от центра масс и только созданием вращающего момента изменением подъёмной силы в плоскости винта. Автомат перекоса у вертолётов это анахронизм, как коленвал у ДВС.
    Дискоообразная форма турбодвигателя позволяет установить его в кардановом подвесе, как устанавливаются камеры ракетных двигателей и практически к центру масс с изменением направления тяги винтов непосредственно поворотом самого двигателя, что резко бы повысило маневренность, и что не требует особых доказательств.
    Романов В.А.