РОТОРНО-ЛОПАСТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК F02B53/00 F02B53/14 F01K21/04 F02C3/04 

Изобретение относится к энергетике, транспорту, машиностроению и может быть использовано в качестве транспортных и стационарных двигателей внутреннего сгорания.

Известен роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус с рубашкой охлаждения, перепускные клапана, установленные в гнездах, и камеру сгорания рабочего тела (см. патент Англии 795898, кл. F 01 C 1/20, 1958).

Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит перепускные клапана, установленные в гнездах, и встроенную камеру сгорания, состоящую из двух отсеков, в которых происходит сгорание рабочего тела. Двигатель отличается тем, что камера сгорания образована стенкой гнезда и торцевыми полостями одного из перепускных клапанов, при этом на боковой поверхности каждого отсека выполнен вырез для впуска рабочего тела.

Задачей, на решение которой направленно изобретение, является создание экономичного, компактного и менее материалоемкого роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания.

Газотурбинный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания содержит перепускные клапана, установленные в гнездах, и камеру сгорания рабочего тела. Газотурбинный двигатель отличается тем, что состоит из двух секций, первой, сжимающей и подающей рабочее тело в камеру сгорания, и второй, воздействующей продуктами сгорания на лопасти вращаемого ротора, каждая из которых включает часть кольцевого канала, впускное и выпускное окна и перепускной клапан, при этом камера сгорания выполнена выносной и соединена патрубками с выпускным окном первой секции и впускным окном второй секции.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание компактного, экономичного и менее материалоемкого газотурбинного роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (РЛДВС).

РЛДВС с теплоутилизационным контуром включает кольцевой канал, перепускные клапана, установленные в гнездах, камеру сгорания рабочего тела. РЛДВС отличается тем, что он состоит из трех секций и снабжен конденсатором и парогенератором. Камера сгорания соединена подводящим патрубком с первой секцией и отводящим патрубком с второй секцией и подводящим паропроводом с третьей секцией и водопроводом с парогенератором.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание экономичного, компактного и высокоэффективного роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания (РЛДВС).

На фиг. 1 дан роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - перепускной клапан; на фиг. 4 - вид по Б на фиг. 3; на фиг. 5 - вид по В на фиг. 3; на фиг. 6 - вид по Г на фиг. 3; на фиг. 7 - перепускной клапан; на фиг. 8 - сечение по Д-Д на фиг. 7; на фиг. 9 - вид Е на фиг. 7; на фиг. 10 - работа РЛДВС со встроенной камерой сгорания - первая фаза; на фиг. 11 - работа РЛДВС со встроенной камерой сгорания - вторая фаза; на фиг. 12 - работа РЛДВС со встроенной камерой сгорания - третья фаза; на фиг. 13 - устройство газотурбинного РЛДВС; на фиг. 14 - устройство трехсекционного РЛДВС; на фиг. 15 -устройство четырехсекционного РЛДВС; на фиг. 16 - устройство трехсекционного РЛДВС с теплоутилизационным контуром; на фиг. 17 - газотурбинный РЛДВС многоступенчатый; на фиг. 18 - то же, сечение Ж-Ж на фиг. 17.

РЛДВС (фиг. 2) со встроенный камерой сгорания включает кольцевой канал 1, подразделенный на две рабочие секции и ротор с тремя лопастями 2, 3, 4.

Первая рабочая секция предназначена для подачи рабочего тела во встроенную камеру сгорания, расположенную в гнезде 5, и включает впускное окно 6 и перепускной клапан 7.

Вторая рабочая секция предназначена для передачи момента вращения на вал ротора под воздействием продуктов сгорания на лопасти, включает выпускное окно 8 и перепускной клапан 9.

Перепускные клапана 7 (фиг. 2) и 9 (фиг. 2) для перепуска лопастей имеют по две боковые полости 17. Отношение их взаимного вращения и ротора взято как 3:2.

Длина цилиндрической части клапана 7 (по сравнению с клапаном 9) увеличена на глубину устроенных в его торцевой части двух полостей 10 и 11, которые совместно с боковой стенкой гнезда 5 образуют два отсека камеры сгорания.

Для газораспределения в центре радиальной поверхности каждой торцевой полости имеются вырезы 12 и 13, через которые осуществляется впуск (выпуск) в камеры (из камер) рабочего тела.

Окна соединения гнезда 5 с кольцевым каналом 1 увеличены за счет уменьшения рабочих поверхностей 14 и 15 до минимально возможного размера, обеспечивающего перекрытие кольцевого канала от перетекания рабочего тела при любом угловом положении клапана 7.

Полный рабочий цикл данного РЛДВС складывается из рабочих циклов всех лопастей. Рабочий цикл каждой лопасти осуществляется за один оборот ротора и подразделяется на четыре фазы (рассматривается на примере лопасти 2 и камеры 10): первая фаза (фиг. 10) - перемещение рабочего тела по участку рабочего хода первой секции под воздействием лопасти 2 и поступление его в камеру 10 (в процессе вращения перепускного клапана, вырез 12 выходит из-за рабочей поверхности 14, открывая доступ рабочему телу); вторая фаза (фиг. 11) - воспламенение и частичное сгорание рабочего тела в замкнутом объеме камеры 10 во время осуществления перепуска лопасти (вырез закрыт 12 рабочей поверхностью 15); третья фаза (фиг. 12) - перемещение лопасти 2 по участку рабочего хода второй секции под воздействием продуктов сгорания истекающих из камеры 10 через вырез 12, который открыт в направлении кольцевого канала второй секции; четвертая фаза - перепуск лопасти 2 через перепускной клапан 9.

При осуществлении следующего рабочего цикла лопасть 2 взаимодействует с камерой 11.

Газотурбинный РЛДВС (фиг. 13) включает кольцевой канал 18, подразделенный на две рабочие секции, ротор с тремя лопастями 19 - 21 и камеру сгорания 22.

Первая рабочая секция предназначена для подачи рабочего тела в камеру сгорания, включает впускное 23 и выпускное 24 окна, перепускной клапан 25.

Вторая рабочая секция предназначена для передачи момента вращения на вал ротора под воздействием продуктов сгорания на лопасти, включает впускное 26 и выпускное 27 окна, перепускной клапан 28.

Работа газотурбинного РЛДВС осуществляется следующим образом:
воздух, поступающий в первую секцию через впускное окно 23, сжимается и через выпускное 24 окно и патрубку 29 подается в камеру сгорания 22, где производится сжигание топлива.

продукты сгорания по патрубку 30 через впускное окно 26 устремляются во вторую секцию, где, воздействуя на лопасти 19 - 21, приводят во вращение ротор и через выпускное окно 27 выходят наружу.

Предложенные газотурбинные РЛДВС могут быть выполнены с любым количеством рабочих секций и ступеней, в качестве примера которых приведены:
трехсекционный РЛДВС (фиг. 14), имеющий пять лопастей 31 - 35, отношение взаимного вращения перепускных клапанов и ротора 5:1, где первая (перепускной клапан 36, впускное 37 и выпускное 38 окна ) и вторая (перепускной клапан 39, выпускное 40 и выпускное 41 окна) секции используются для перемещения рабочего тела (сжатия воздуха) и подачи его в камеру сгорания 45. Третья (перепускной клапан 42, впускное 43 и выпускное 44 окна) - для передачи момента вращения на вал ротора под воздействием продуктов сгорания на лопасти.

четырехсекционный РЛДВС (фиг 15), имеющий шесть лопастей отношение взаимного вращения перепускных клапанов и ротора 6:1, где первая (перепускной клапан 54, впускное 55 и выпускное 56 окна) и третья (перепускной клапан 57, впускное 58 и выпускное 59 окна) секции используются для перемещения рабочего тела (сжатия воздуха) и подачи его в камеры сгорания 60 и 61, вторая (перепускной клапан 62, впускное 63 и выпускное 64 окна) и четвертая (перепускной клапан 65, впускное 66 и выпускное 67 окна) для передачи момента вращения на вал ротора под воздействием продуктов сгорания на лопасти.

РЛДВС могут использоваться с теплоутилизационным контуром (ТУК), который предназначен для использования тепловой энергии, излучаемой стенками кольцевого канала, и выхлопными газами. РЛДВС представляет из себя замкнутый паровой контур, в качестве паровой машины которого используется ступень РЛДВС или одна из его рабочих секций.

Простейший РЛДВС с ТУК (фиг. 16), в качестве паровой машины которого используется рабочая секция, включает кольцевой канал 68 с тремя секциями, камеру сгорания 69, конденсатор 70, парогенератор 71, подводящий 72, отводящий 73 и выхлопной 74, патрубки, подводящий 75 и отводящий 76 паропроводы и водопровод 77.

Первая (перепускной клапан 78, впускное 79 и выпускное 80 окна) рабочая секция используется для подачи рабочего тела через подводящий патрубок 72 в камеру сгорания 69.

Вторая (перепускной клапан 81, впускное 82 и выпускное 83 окна) - для передачи момента вращения на вал ротора под воздействием продуктов сгорания, истекающих из камеры 69 по отводящему патрубку 73.

Третья (перепускной клапан 84, впускное 85 и выпускное окна) - для передачи момента вращения на вал ротора под воздействием пара, истекающего из парогенератора 71 по отводящему паропроводу 75.

Работа РЛДВС с ТУК, в качестве паровой машины которого используется рабочая секция, заключается в следующем: в первой и второй секции осуществляется работа в режиме РЛДВС (описание дано выше), после чего продукты сгорания из второй секции по выхлопному патрубку 74 попадают в парогенератор 71; в парогенераторе, вода преобразуется в пар и по паропроводу 75 поступает в третью секцию и воздействует на лопасти ротора; после прохождения рабочего участка третьей секции пар поступает в конденсатор 70, где преобразуется в воду и по водопроводу 77 поступает в парогенератор.

В одном корпусе могут быть объединены несколько газотурбинных РЛДВС (многоступенчатый РЛДВС) с общим для всех ротором и механизмом кинематической связи (см. фиг. 17 и 18), где показан двухступенчатый (ступени I и II) газотурбинный РЛДВС.

Двухсекционный газотурбинный РЛДВС имеет соотношение взаимного вращения перепускных клапанов и ротора равным 3:1.

Газотурбинный РЛДВС снабжен общим ротором 92 и механизмом кинематической связи 93 и имеет на каждую ступень по два впускных 94, 95 и два выпускных 96, 97 окна, два гнезда 98 и 99 с перепускными клапанами 100 и 101 и три лопасти 102, 103 и 104.

Двигатели относятся к энергетике, транспорту, машиностроению и могут быть использованы в качестве транспортных и стационарных двигателей внутреннего сгорания. Двигатели содержат перепускные клапаны 7, 9, установленные в гнездах 5. В первом двигателе камера сгорания образована стенкой гнезда и торцовыми полостями одного из перепускных клапанов и состоит их двух отсеков 10, 11. На боковой поверхности каждого отсека выполнен вырез для впуска и выпуска рабочего тела. Второй газотурбинный двигатель состоит из двух секций. В первой секции рабочее тело подается в выносную камеру сгорания. Во второй секции продукты сгорания воздействуют на лопасти ротора. Третий двигатель состоит из трех секций и снабжен конденсатором и парогенератором. В первой секции рабочее тело подается в камеру сгорания, во второй продукты сгорания воздействуют на лопасти, а в третьей пар, образованный за счет нагрева воды, воздействует на лопасти. Данные особенности двигателей внутреннего сгорания позволяют создать компактную и материальную конструкцию. 3 с.п. ф-лы, 18 ил.

1. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий перепускные клапаны, установленные в гнездах, и встроенную камеру сгорания, состоящую из двух отсеков, в которых происходит сгорание рабочего тела, отличающийся тем, что камера сгорания образована стенкой гнезда и торцевыми полостями одного из перепускных клапанов, при этом на боковой поверхности каждого отсека выполнен вырез для впуска и выпуска рабочего тела. 2. Газотурбинный роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания, содержащий перепускные клапана, установленные в гнездах, и камеру сгорания рабочего тела, отличающийся тем, что он состоит из двух секций, первой, сжимающей и подающей рабочее тело в камеру сгорания, и второй, воздействующей продуктами сгорания на лопасти вращаемого ротора, каждая из которых включает часть кольцевого канала, впускное и выпускное окна и перепускной клапан, при этом камера сгорания выполнена выносной и соединена патрубками с выпускным окном первой секции и выпускным окном второй секции. 3. Роторно-лопастной двигатель внутреннего сгорания с теплоутилизационным контуром, содержащий перепускные клапаны, установленные в гнездах, камеру сгорания, отличающийся тем, что он состоит из трех секций и снабжен конденсатором и парогенератором, при этом камера сгорания соединена подводящим патрубком с первой секцией и отводящим патрубком со второй секцией, парогенератор соединен выхлопным патрубком со второй секцией и подводящим паропроводом с третьей секцией, конденсатор соединен отводящим паропроводом с третьей секцией и водопроводом с парогенератором.