КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПУСТЫНЦЕВА Российский патент 1997 года по МПК F01K23/06 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к парогазовым турбинам и может быть использовано на водном и наземном транспорте.

Известна паровая турбина К-500-130 ЛМЗ, состоящая из ротора с рабочими лопатками и корпуса с направляющими лопатками. Недостатком этой турбины являются рабочие лопатки [1]
Известен также комбинированный двигатель "Зульцер", выбранный автором в качестве прототипа, состоящий из газовой турбины, пускового устройства, камеры сгорания, рабочих и направляющих лопаток, компрессора [2]
Недостатком этого двигателя является сложная конструкция и большие габариты. Дороговизна изготовления лопаток, сложность монтажа на роторе. Необходимость охлаждения продуктов сгорания перед подачей на лопатки газовой турбины, на что расходуется три четверти ее мощности.

Изобретение обеспечивает повышение мощности парогазовых двигателей с одновременным уменьшением габаритов и массы двигателя, улучшение технологичности, получение возможности изготовления безлопаточных парогазовых двигателей, одновременно являющихся парогенераторами, способных работать как бескомпрессорная пульсирующая, парогазовая турбина, как парогазовая турбина с непрерывной подачей сжатого компрессором воздуха, как жидкостная, работающая на двухкомпонентном топливе, не зависящая от внешней среды.

Указанный результат достигается тем, что двигатель снабжен многоконтурным парогенератором, размещенным внутри стенки цилиндрического корпуса, огневым пространством которого является камера сгорания, с принудительно открывающимся впускным клапаном, снабженная конусным соплом, имеющим кольцевые направляющие, по оси сопла размещен пустотелый ротор, выполненный в виде усеченного конуса с цилиндрической частью у основания, в полости усеченного конуса размещен трехсекционный вращающийся парогенератор. Газовая турбина образована расположенными по окружности на внешней поверхности усеченного конуса серповидными углублениями. Паровая турбина образована цилиндрической частью полого ротора, имеющей на внешней поверхности реактивные сопла, и размещена внутри ротора радиальной турбины с установленными на его внешней поверхности соплами Лаваля. Таким образом, раскаленные газы одновременно используются для вращения ротора газовой турбины и для получения пара в двух парогенераторах для вращения паровой турбины, образованной цилиндрической частью полого ротора и ротора радиальной турбины, причем ротор радиальной турбины размещен соосно на выходном валу пустотелого ротора. Кроме того, в двигателе используются ударные волны, порожденные пульсациями давления отработавшей парогазовой смеси в выпускной системе, воздействующие на углубления, в торцевых частях обоих роторов по окружности и создающие дополнительный вращающий момент роторам, а также воздействуя на цилиндрические углубления, выполненные по окружности на торцевой поверхности колеса турбины компрессора под углом к оси колеса, заставляют ротор вращаться. Рабочим телом для двигателя являются жидкие нефтяные топлива или газ + вода. Двигатель может работать также на двухкомпонентном топливе, содержащем окислитель и горючее + вода.

При работе двигателя в пульсирующем режиме происходит бескомпрессорное сжатие воздуха. Давление воздуха в двигателе повышается вследствие торможения и уменьшения скорости на входе в камеру сгорания. При принудительном открытии впускного клапана сжатый воздух заполняет камеру сгорания, затем в камеру впрыскивается распыленное топливо, клапан закрывается, поступление атмосферного воздуха временно прекращается.

Образовавшаяся смесь поджигается электрическими свечами. При сгорании топлива давление в камере резко возрастает в 3 4 раза, потому что воздух, заполняющий конусное сопло, действует некоторое время как пробка, герметизируя камеру, затем газы пробивают пробку и начинается их истечение через сопло в кольцевой газовод. Внутри сопла по его оси закреплен конусный обтекатель и размещен ротор в виде усеченного конуса с несколькими рядами серповидных углублений, у основания оканчивающийся пустотелым цилиндром паровой турбины с двумя рядами серповидных углублений на торце, обращенном к соплу, и на внешней поверхности с реактивными соплами. Внутренняя полость ротора снабжена ребрами для увеличения теплоотдачи, частично заполняемая водой, снабжена водяным клапаном, пароприемной трубой и предохранительным клапаном. Площадь сопла на выходе из камеры сгорания и площадь сопла у основания ротора одинакова. Раскаленные газы, проходя сопло, воздействуют на серповидные углубления на внешней поверхности ротора, заставляя его вращаться. Одновременно, по мере прохождения по соплу, газы отдают часть своего тепла воде, находящейся во внутренней полости ротора и внутренней полости корпуса турбины, через стенки, поверхности нагрева и, превращаясь в пар, совершают работу. Пар, вырабатываемый в роторе (вращающемся парогенераторе), пройдя по пароприемной трубе в пароперегреватель, подается в реактивные сопла, выполненные на внешней поверхности цилиндрической части ротора, преобразующие его в высокоскоростные струи, направление движения которых противоположно вращению ротора, и подаются наклонно на внутреннюю поверхность радиальной турбины, расположенной соосно с ротором. Из струй пара на внутренней поверхности ротора радиальной турбины формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора. Сопла Лаваля, установленные на внешней поверхности ротора радиальной турбины, преобразуют поток в высокоскоростные струи пара, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора.

Пар, вырабатываемый в многоконтурном парогенераторе, внутри стенки цилиндрического корпуса из сухопарника по пароперегревательной трубе подается в пароперегреватель и далее в сопла в пароперегревателе и, преобразуясь в высокоскоростную струю пара, подается наклонно на серповидные углубления на торце цилиндрической части ротора, обращенной к соплу, заставляя ротор вращаться. Поток отработавших газов, пройдя серповидные углубления на торцевой части ротора, смешивается с отработавшим паром и кольцевым газоходом, парогазовая смесь отводится вдоль наружной стенки корпуса турбины в сторону камеры сгорания, продолжая отдавать свое тепло воде через наружные стенки корпуса, затем газоход меняет направление и отработавшая парогазовая смесь, теряя скорость и температуру, отводится в выпускную систему и далее в атмосферу. Давление в камере сгорания снова падает и становится ниже, чем на выходе из сопла. Клапан принудительно открывается и цикл повторяется. Число циклов составляет в пульсирующем режиме от 30 до 120 в секунду, что составляет 1800 7200 об/мин ротора. Свежий воздух при открытии клапана вследствие разряжения в камере, засасывается через открытый клапан в камеру сгорания. Это дает возможность отказываться от компрессора. Но для повышения мощности турбины и при пуске ее необходимо осуществлять наддув, для его осуществления применяется компрессор, размещенный на одном валу с ротором турбины, Вращаемым при пуске двигателя электромотором. Обгонная муфта автоматически отключает электродвигатель в тот момент, когда будет достигнута частота вращения, при которой компрессор выдает воздух, необходимый для горения топлива в камере сгорания. После пуска турбины и отключения электродвигателя компрессор вращается ротором с цилиндрическими углублениями на торце, приводимыми во вращение ударными волнами, порожденными пульсациями давления в газоводе. Ротор радиальной турбины может работать на одном валу с ротором парогазовой турбины через редуктор и может быть снабжен на наружной торцевой части династартером или может вращаться независимо от вала парогазовой турбины, а такде может быть снабжен генератором тока.

При работе двигателя в режиме парогазовой турбины рабочее тело является продуктом сгорания жидкого или газообразного топлива, непрерывно подаваемого в камеру сгорания при постоянно открытом клапане подачи воздуха и сжигаемого в ней, расширяясь в сопле, оно производит работу в каналах, образованных серповидными углублениями на роторе турбины, и одновременно отдает часть своего тепла воде во внутренней полости ротора, находящейся под большим давлением и высокой температурой, и парогенератору внутри стенки цилиндрического корпуса. Работа вырабатываемого пара во вращающемся парогенераторе и парогенераторе, размещенном внутри стенки цилиндрического корпуса, не меняется на всех режимах работы двигателя. Для реакции горения требуется подавать в 3 4 раза меньше воздуха в камеру сгорания, так как нет необходимости снижать температуру газов в связи с отсутствием на роторе турбины рабочих лопаток. Компрессор приводится в действие ротором (колесом) с выполненными по окружности с торцевой части цилиндрическими углублениями под углом к оси колеса, приводимым во вращение ударными волнами, порожденными пульсациями давления в газоходе, создаваемыми отработавшей парогазовой смесью, воздействующей через отверстие в стенке газохода на цилиндрические углубления в колесе. Во всех же современных двигателях компрессор приводится в действие самой газовой турбиной, на что расходуется 3/4 ее мощности.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема комбинированного двигателя; на фиг. 2 сопло в разрезе; на фиг. 3 схема газовоздушного и парогазового трактов; на фиг. 4 пустотелый ротор, разрез по А-А; на фиг. 5 общий вид двигателя ПАА-500; на фиг. 6 вид с передней стороны на двигатель.

Комбинированный двигатель состоит из камеры сгорания 1, сопла 2, коллектора 3, ротора 4, корпуса 5, ротора радиальной турбины 6, впускного канала 7, диффузора 8, впускного клапана 9, ротора компрессора 10, турбины компрессора 11, кольцевого сухопарника 12, топливных форсунок 13, свечей 14.

Камера сгорания 1, переходящая в конусное сопло 2, с кольцевыми направляющими 15, имеющая впускной канал 7 и диффузор 8, выполнена как одно целое с корпусом 5, и вместе с кольцевым водонагревателем 16, кольцевым сухопарником 12, кольцевым пароперегревателем 17, с реактивными соплами, обтекающими пустотелыми стойками 18, водяным коллектором 3, кольцевым газоводом 19, свечами 14, средствами подачи топлива, воды, воздуха и приборами контроля, представляет собой многоконтурный парогенератор с принудительной циркуляцией воды.

Сопло 2 выполнено с кольцевыми направляющими 15 для изменения направления движения газов. С наружной стороны сопло 2 снабжено ребрами для отвода тепла и передачи его воде. Узкая часть сопла 2 соединена с камерой сгорания 1, широкая его часть оканчивается пароперегревателем 17.

Коллектор 3 предназначен для направления раскаленных газов на внешнюю поверхность ротора 4 для обеспечения подачи воды в ротор 4, для размещения и фиксации в нем вала 20, ротора 4, для охлаждения и смазки подшипника вала 20 ротора 4 маслом. Коллектор 3 выполнен в конусной емкости разделенной внутренней переборкой на два герметизированных объема водяного и маслянного. В днище коллектора 3, выполнено отверстие с обоймой для манжеты и подшипника, сквозь которое проходит вал 20 с эксцентриком в объем, заполненный маслом, далее проходит сквозь втулку внутренней переборки в объем, заполненный водой.

Коллектор 3 закреплен внутри сопла 2 соосно с ним с помощью пустотелых направляющих стоек 18, установленных под углом к продольной оси сопла 2.

Ротор 4 предназначен для преобразования внутренней энергии газов во внешнюю кинетическую энергию потока, которая затем превращается в механическую работу вращения ротора 4 а также для использования тепловой энергии газов для получения из воды пара во внутренней полости ротора 4, для превращения тепловой энергии водяного пара в механическую работу вращения ротора 4. Ротор 4 представляет собой закрытый сосуд, выполненный в виде усеченного конуса с цилиндрической частью у основания, с наружной стороны которого имеются несколько рядов серповидных углублений 21 по окружности, у основания оканчивающийся цилиндрической частью с реактивными соплами 22 на внешней части поверхности усеченного конуса с несколькими рядами серповидных углублений 23 и углублений 24 на торцевой поверхности, обращенной к соплу.

Наружная торцевая часть ротора 4 снабжена выходным валом 25. Внутренняя полость ротора 4 разделена на три секции водяная секция 26, пароводяная секция 27, паровая секция 28. Вал 20 имеет осевое отверстие с размещенным в нем клапаном подачи воды в водяную секцию 26.

Секция 26 сообщается с пароводяной секцией 27 отверстиями 29 в переборке. Паровая секция 28 сообщается с пароводяной секцией 27 пароприемной трубой 30.

Выходной вал 25 ротора 4 имеет центральное отверстие с размещенным внутри предохранительным клапаном. Выходной вал 25 размещен в подшипниках, закрепленных в торцевой части крышки 31 корпуса 5.

Ротор 4 размещен по оси конусного сопла 2, имеющего кольцевые направляющие 15. Ротор радиальной турбины 6 предназначен для преобразования высокоскоростных струй пара, вырывающихся из реактивных сопел 22, выполненных с внешней части поверхности ротора 4, сдвигающего усилия водяного потока, преобразования высокоскоростных струй пара, вырывающегося из сопел Лаваля 32, установленных на его внешней поверхности, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора 6. Ротор 6 размещен внутри корпуса 5 в непосредственной близости от торцевой крышки 31 в подшипниках, закрепленных в крышке 31, соосно с выходным валом 25. Ротор 4 свободно размещен своей цилиндрической частью внутри пустотелой цилиндрической поверхности ротора 6.

На торцевой части ротора 6, обращенной к ротору 4, выполнено кольцевое углубление 33. С наружной торцевой части ротора 6 в ротор вмонтированы сегменты постоянных магнитов 34 по окружности. С наружной стороны торцевой крышки 31 против секций магнитов 34 в роторе 6 закреплены полюсные башмаки 35 с обмотками возбуждения.

Водоподогреватель 16 у выходной части газовода 19 с наружной и внутренней сторон имеет направляющие секции 36 для прохождения ударволн на серпообразные углубления 24 на торцевой части ротора 4 и кольцевые углубления 33 на торцевой части ротора 6.

Коромысло 37 клапанного механизма установлено на оси 38, закрепленной на корпусе 5 с возможностью перемещения в верхнее фиксированное положение для предотвращения открытия впускного клапана 9 при работе двигателя на двухкомпонентном топливе.

При необходимости непрерывной подачи воздуха в камеру сгорания от компрессора для открытия и удержания клапана 9 в открытом положении двигатель снабжен коромыслом 39.

Двигатель снабжен компрессором 10, приводимым при пуске двигателя и, при необходимости во вращение электродвигателем через обгонную муфту.

При работе двигателя компрессор 10 вращается колесом турбины 11, закрепленным на одном валу с ротором компрессора 10. С торца колеса турбины 11, обращенного к выпускному газопроводу 19, выполнены по окружности цилиндрические углубления под углом к оси колеса, а в стенке газовода против цилиндрических углублений в колесе турбины 11 выполнено отверстие 40 под углом на цилиндрические углубления в колесе турбины.

Резкий поворот парогазового потока в выпускном газоводе 19, в особенности при работе двигателя в пульсирующем режиме, заставляет воздух в полости с размещенным колесом турбины 11 и сообщенной с кольцевым газоводом 19 отверстием 40, выполненным под углом к оси колеса турбины, направленным на цилиндрические углубления в колесе турбины 11, колебаться, и эти колебания (ударные волны), воздействуя на цилиндрические углубления на торцевой части колеса турбины, приводят во вращение колесо турбины 11. Получается, что, хотя через колесо рабочее тело и не проходит (полость, в которой размещено колесо турбины 11 практически замкнута), турбина все равно вращается.

В коллектор 3 введены через корпус 5 втулки с размещенными в них с возможностью поступательного движения толкателями 41.

При работе двигателя в пульсирующем режиме может происходить бескомпрессорное сжатие воздуха. Воздух подается во входной диффузор 8 и далее во впускной канал 7, где скорость его уменьшается, а давление возрастает на входе в камеру сгорания 1. При принудительном открытии коромыслом 37 впускного клапана 9 воздух заполняет камеру сгорания 1, затем в камеру сгорания впрыскивается форсунками 13 распыленное топливо, клапан 9 закрывается, поступление атмосферного воздуха временно прекращается, образовавшаяся смесь поджигается электрическими свечами 14. При сгорании топлива давление в камере резко возрастает в 3 4 раза, потому что воздух, заполняющий сопло 2, действует некоторое время как пробка, герметизирующая камеру 1. Затем газы пробивают воздушную пробку и начинается их истечение. Давление в камере 1 снова падает и становится ниже, чем на выходе из сопла 2. Клапан 9 принудительно открывается и цикл повторяется. Он длится десятые, а иногда и сотые доли секунды, что дает возможность отказаться от компрессора.

При истечении раскаленных газов из камеры сгорания 1, они омывают коллектор 3, направляющие пустотелые обтекаемые стойки 18, установленные под углом к продольной оси сопла 2, в сторону вращения ротора 4.

Получив вращение, газы омывают переднюю часть ротора 4, и направляются кольцевыми направляющими 15 в сопле 2 в серповидные углубления 21, они заставляя ротор 4 вращаться. Пройдя серповидные углубления 21, они снова направляются кольцевыми направляющими 15 в сопле в серповидные углубления 21 и, не меняя первоначальное направление закрутки, проходят серповидные углубления 23, создавая дополнительный крутящий момент на рабочем выходном валу 25, теряя скорость и температуру, пройдя кольцевым газоводом 19 и, отдав часть тепла воде в кольцевом водоподогревателе 16 наружным стенкам корпуса 5 многоконтурного парогенератора, кольцевому сухопарнику 12, отводятся через очиститель в конденсатор, глушитель и далее в атмосферу.

При работе двигателя раскаленные газы также отдают часть своего тепла через стенки камеры сгорания 1, стенки сопла 2, стенки обтекаемых пустотелых стоек 18 воде, находящейся в многоконтурном парогенераторе.

Часть своего тепла раскаленные газы отдают через стенки коллектора 3, стенки обтекаемых пустотелых стоек 18 воде, находящейся в коллекторе 3, а также через стенки ротора 4(вращающегося трехсекционного парогенератора) и ребра теплоотдачи воде и пару, находящимся внутри ротора 4. Перед пуском двигателя многоконтурный парогенератор заполняется водой до покрытия ею сопла 2. При работе двигателя часть тепла, выделяемого при сжигании топлива в камере сгорания, переходит через поверхность нагрева к воде. Вырабатываемый многоконтурным парогенератором пар поступает в кольцевой сухопарник 12, из которого по трубе, снабженной электроподогревателем, отводится в кольцевой пароперегреватель 17, откуда через сопла вырывается на серповидные углубления 23 и, отработав, смешивается с газами и отводится через очиститель в конденсатор или глушитель и далее в атмосферу.

Постоянная подача воды в парогенераторы осуществляется через водоподогреватель 16 для поддержания ее постоянного уровня, а также постоянная ее циркуляция в парогенераторах осуществляется средствами подачи воды и приборами контроля. Вода в парогенераторах омывает камеру сгорания 1, сопло 2, внутренние стенки пустотелых направляющих стоек 18 и частично наружную поверхность коллектора 3. Перед пуском двигателя ротор 4 частично заполняется водой через водоподогреватель 16, коллектор 3.

При работе двигателя раскаленные газы нагревают вращающийся ротор 4. Под действием центробежной силы вода прижимается к наружным стенкам ротора 4 с внутренней стороны, образуя защитный слой, препятствующий повышению температуры стенок. Внутри пароводяной секции 27 образуется цилиндрическое паровое пространство, регулируемое с помощью постоянной подачи воды. Питательная вода, пройдя водоподогреватель 16, поступает в водяной объем коллектора 3, снова нагревается и через осевое отверстие вала 20 и клапан поступает в водяную секцию 26, оттуда через отверстия 29 поступает в пароводяную секцию 27. Пар, вырабатываемый в пароводяной секции 27, поступает через трубу 30 в паровую секцию 28, перегревается и под высоким давлением поступает в реактивные сопла 22, высокоскоростные струи пара из сопел 22, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора 4, заставляют его вращаться и, попадая наклонно на внутреннюю поверхность ротора 6, формируют плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора 6, высокоскоростные струи из сопел Лаваля 32, установленных на внешней поверхности ротора 6, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора 6, создают дополнительный вращающий момент ротору 6 и отводятся в конденсатор, глушитель и далее в атмосферу.

При работе двигателя в пульсирующем режиме эксцентрик на валу 20 один раз за полный оборот вала 20 воздействуя на толкатель 41, воздействует на коромысло 37, коромысло, воздействуя на торцевую часть стержня клапана 9, открывает его. При дальнейшем повороте вала 20 эксцентрик поворачивается и перестает воздействовать на клапанный механизм и клапан 9 под действием пружин закрывается. Затем процесс повторяется.

Для повышения мощности двигателя при работе в пульсирующем режиме осуществляется наддув турбокомпрессором 10.

При работе двигателя при беспрерывной подаче топлива и воздуха в камеру сгорания 1 впускной клапан 9 постоянно открыт и удерживается в открытом положении коромыслом 39. Постоянная беспрерывная подача воздуха в камеру сгорания осуществляется компрессором 10, вращаемым турбиной 11 или электродвигателем через обгонную муфту. Производительность парогенераторов в этом режиме работы выше.

При работе двигателя на двухкомпонентном топливе, содержащем окислитель и горючее, компрессор не нужен. Ось 38 коромысла 37 перемещается в верхнее фиксированное положение для предотвращения открытия впускного клапана 9.

Двигатель прост в изготовлении, может быть изготовлен на любом машиностроительном заводе.

Основное отличие двигателя от обычных парогазовых турбин заключается в отсутствии рабочих лопаток, преодолен лопаточный барьер. Кроме того, полнее используется внутренняя тепловая энергия газов. Двигатель экономичен, т.к. работает на парогазовой смеси. Токсичность отработавших газов снижается благодаря их смешиванию с паром и может быть сведена к минимуму.

Использование: в машиностроении, в водном и наземном транспорте. Сущность изобретения: двигатель снабжен многоконтурным парогенератором, размещенным внутри стенки цилиндрического корпуса, огневым пространством которого является камера сгорания с конусным соплом, по оси которого размещен пустотелый ротор, выполненный в виде усеченного конуса с цилиндрической частью у основания, в полости усеченного конуса размещен трехсекционный вращающийся парогенератор. Газовая турбина образована расположенными по окружности на внешней поверхности усеченного конуса серповидными углублениями, паровая турбина образована цилиндрической частью полого ротора, имеющей на внешней части поверхности реактивные сопла и размещенной внутри ротора радиальной турбины с установленными на его внешней поверхности соплами Лаваля. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Комбинированный двигатель, содержащий цилиндрический корпус, воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую трубину, топливные форсунки, пусковой двигатель, сопловый аппарат, паровую турбину, отличающийся тем, что двигатель снабжен многоконтурным парогенератором, размещенным внутри стенки цилиндрического корпуса, огневым пространством которого является камера сгорания, снабженная конусным соплом, имеющим кольцевые направляющие, по оси сопла размещен пустотелый ротор, выполненный в виде усеченного конуса с цилиндрической частью у основания, в полости усеченного конуса размещен трехсекционный вращающийся парогенератор, газовая турбина образована расположенными по окружности на внешней поверхности усеченного конуса серповидными углублениями, паровая турбина образована цилиндрической частью полого ротора, имеющей на внешней части поверхности реактивные сопла и размещенной внутри ротора радиальной турбины с установленными на его внешней поверхности соплами Лаваля, причем ротор реактивной турбины размещен соосно на выходном валу пустотелого ротора, в торцевых частях обоих роторов выполнены по окружности углубления, а камера сгорания снабжена принудительно открывающимся впускным клапаном, на торцевой части колеса турбины компрессора выполнены по окружности цилиндрические углубления под углом к оси колеса. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что пароприемная труба, размещенная в сухопарнике цилиндрического корпуса, снабжена электродвигательной спиралью, герметизированной термоэлектроизоляцией. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель снабжен фиксирующим коромыслом. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ось коромысла клапанного механизма закреплена на корпусе с возможностью перемещения перпендикулярно оси коромысла в верхнее и нижнее фиксированные положения. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что с наружной торцевой части в ротор радиальной турбины вмонтированы сегменты постоянных магнитов генератора тока, а полюсные башмаки генератора тока с обмотками возбуждения закреплены с наружной стороны торцевой крышки корпуса.