РЕАКТИВНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02B61/04 

Изобретение относится к поршневым и реактивным двигателям внутреннего сгорания, в частности к судовым двигателям, содержащим двигательную и движительную части, и может быть использовано на малых судах речного и морского флота, а также на крупногабаритных моторных лодках.

Известны поршневые и реактивные двигатели внутреннего сгорания (см. "Курс тепловых двигателей", Иноземцев Н.В. Оборонгиз. Москва, 1954г.)
Поршневые двигатели содержат корпус (блок) цилиндров, на котором установлен блок камер сгорания. Внутри корпуса на подшипниках качения установлен коленвал, который шарнирно соединен с поршнями с помощью пальцев и шатунов. При сгорании топлива поршни совершают возвратно-поступательное движение, которое преобразуется с помощью коленвала во вращательное движение. Поршни передают энергию через коленвал на потребитель.

Реактивные или газотурбинные двигатели содержат компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и реактивное сопло. Компрессор состоит из ротора и статора. Статор имеет две опоры, на которых вращается вал. На вал установлены диски с рабочими лопатками.

Статор имеет спрямляющие лопатки. При вращении дисков рабочие и спрямляющие лопатки засасывают воздух, сжимают его до 6 10 кГ/см² и подают в камеру сгорания. Камера имеет форсунки, которые подают топливо в полость камеры в распыленном виде. При сгорании топлива газ поступает в турбину, которая приводит во вращение компрессор. Оставшаяся часть энергии после турбины срабатывается в реактивном сопле, превращаясь в реактивную тягу.

Известны судовые установки, которые содержат поршневой двигатель и гидрореактивный движитель, а также известны подвесные лодочные моторы, содержащие поршневой двигатель, дейдвудную трубу, редуктор и гребной винт (см. книгу "Судовые двигатели", Ржепецкий К. Л. Ленинград, Судостроение 1984г. "Подвесные лодочные моторы", Агатов М.К. ДОСААФ, Москва, 1953г.). Судовые двигатели это те же поршневые двигатели, но в компоновке с водометными движителями или с гребным винтом.

Недостатком поршневых двигателей является малая мощность и большой удельный вес, но экономичный по расходу топлива. Поэтому эксплуатируются на всех видах транспорта, а также на машинах сельского хозяйства.

Недостатком реактивных двигателей является очень большой расход топлива, но обладают большой мощностью и малым удельным вестом. Поэтому эксплуатируются только в авиации и на военно-морских судах.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является судовая установка с воздушным гидрореактивным движителем по книге К.Л.Ржепецкого, фиг. 1.70.

Установка имеет двигатель внутреннего сгорания (поршневой), воздушный компрессор, центробежный насос и трубу подвода воды. Труба 1 подвода воды является основным трактом и проложена на всю длину судна. На передней части трубы установлен центробежный насос 2, а на задней части трубы закреплен реактивный насадок 3. К трубе 1 под углом 90^o подсоединена труба 4 подвода сжатого воздуха. На передней части трубы 4 установлен компрессор 5.

Воздушный гидрореактивный движитель работает по принципу реактивного движителя. Поршневой двигатель 6 с помощью плоскоременной передачи приводит одновременно компрессор 5 и центробежный насос 2. Поток воды движется по трубе 1, а по трубе 4 поток сжатого воздуха и под углом 90^o входит в поток воды. Сжатый воздух расширяется и разгоняет поток воды до большой скорости. Вода выбрасывается через реактивный насадок. Энергия скорости потока воды преобразуется в реактивную тягу, которая толкает судно вперед.

Прототип имеет преимущество перед гребным винтом и водометным движителем. Гребной винт обеспечивает скорость потока воды не более 30 м/сек, далее наступает кавитация. С повышением скорости судна реактивная тяга снижается в два раза и КПД винта резко уменьшается.

При наличии сжатого воздуха скорость выбрасываемой воды через насадок значительно повышается и такой движитель будет иметь скорость потока 40 50 м/сек. Следовательно, его можно использовать на скоростных судах.

Недостатками прототипа являются:
1.Установка, кроме двигателя, должна иметь воздушный компрессор и центробежный насос.

2.При наличии длинной трубы будут большие гидропотери.

3. Воздух входит в поток воды под углом 90^o, следовательно реактивная тяга будет прерывистой.

4. Заниженный КПД из-за бокового подвода воздуха и скоростных гидропотерь в длинной трубе.

Недостатком судовых двигателей или судовых установок является то, что они содержат гидрореактивные движители, которые имеют низкий КПД, равный 40 50% В результате чего полезная мощность будет передавать на судно только половину мощности двигателя, а вторая половина мощности пропадает даром на лопастях винта или на рабочих колесах движителя.

Целью предлагаемого изобретения является:
1. Получение большого расхода сжатого воздуха.

2. Повышение мощности и КПД двигателя.

3. Снижение расхода топлива.

4. Повышение реактивной тяги двигателя.

5. Эксплуатация двигателя на газообразном топливе, а также на дешевых сортах жидкого топлива;
6. Эксплуатация двигателя экологически чистой.

Поставленная цель достигается:
1.Использованием мотокомпрессора, который обеспечивает реактивный движитель большим расходом сжатого воздуха;
2. Использованием парогазового генератора, который повышает мощность и снижает расход топлива за счет утилизации отработанных газов мотокомпрессора и превращает жидкое топливо в газообразное;
3. Использованием двухконтурного реактивного движителя, который преобразует энергию пара и сжатого воздуха в реактивную тягу с минимальными гидропотерями;
4. Использованием мотокомпрессора совместно с парогазовым генератором, которые обеспечивают полное сгорание газообразного топлива при наличии избытка кислорода за счет наполнения рабочих цилиндров мотокомпрессора сжатым воздухом.

На фиг. 1 изображен продольный разрез реактивно-поршневого двигателя; на фиг. 2 продольный разрез мотокомпрессора, сечение А-А; на фиг. 3 - поперечный разрез рабочих цилиндров, сечение Б-Б; на фиг. 4 продольный разрез входного патрубка, сечение В-В; на фиг. 5 то же, сечение Г-Г.

Реактивно-поршневой двигатель содержит корпус 1, на котором установлены мотокомпрессор II и реактивный движитель III. Внутри корпуса установлены воздушный ресивер IV, центробежная помпа V и парогазовый генератор VI (см. фиг.1).

Мотокомпрессор содержит корпус 1, на котором закреплены два рабочих цилиндра 2 и два компрессорных цилиндра 3. Внутри цилиндров установлены поршни 4, 5, которые посажены на штоки 6. Внутри корпуса установлен кривошип 7, который шарнирно соединен со штоками 6 с помощью шатунов 8 и вилок 9. Вилки жестко посажены на штоки.

На вал кривошипа посажен маховик 10 с шестеренчатым венцом 11. На корпусе, под маховиком установлено магнето 12 (см. фиг. 1;2). На рабочих цилиндрах закреплены газовые форсунки 13 и выхлопной патрубок 14. На компрессорных цилиндрах закреплены два входных патрубка 15 и один выхлопной (воздушный) патрубок 16 (см. фиг. 1). Внутри поршней установлены пластинчатые (щелевые) клапана 17. Внутри цилиндров 3 установлены такие же клапана 18. На корпусе патрубка 15 выполнены литьем бобышки a, в отверстиях которых установлена ось 19 с рычагом 20. На ось посажена заслонка 21. С помощью тросика рычаги соединены с румпелем (рукояткой управления двигателем). Внутри патрубка 15 установлены пластинчатые клапана 22 (см. фиг.4).

На патрубке 16 отлиты заодно целое с его корпусом кронштейны 23, в отверстиях которых установлен валик 24. На валик посажены два кулачка 25 и коническая шестерня, соединенная с румпелем (см. фиг.1). (Система кинематики двигателя не показана на схемах).

Внутри патрубка, против каждого цилиндра 3 установлены пластинчатые клапана 26, посаженные на стержни 27, которые постоянно находятся в контакте с кулачками 25. Нагнетательные клапана 26 определяют компрессоры рабочее давление 3,5 кГ/см² (см. фиг.1).

Движитель содержит корпус 28, на котором закреплено реактивное сопло 29. Заодно целое с корпусом выполнено коленообразное сопло б и водозаборник 30, в полости которого установлена заслонка 31. Корпус имеет внутренний контур, который состоит из смесителя 32, трубы 33, сопла 34. На конце сопла приварен сопловой аппарат 35, равномерно распределяющий пар и газ по окружности с помощью лопаток, установленных под углом 25^o к оси контура (см. фиг.1).

На водозаборнике 30 отлиты бобышки, в отверстиях которых установлены оси, соединяющие заслонку 31 с валиком 36. На валик посажен рычаг 37 с тросиком 38, который соединен с румпелем.

Корпус 28 имеет три канала: канал в подвода пара и газа, канал Г подвода к помпе, сообщающийся с полостью водозаборника 30, канал Д подвода воды к смесителю 32.

Ресивер выполнен по форме расширяющейся трубы, внутри которой установлены два завихрителя 39. Завихрители имеют лопатки E, установленные под углом 25^o к оси. Ресивер выполнен сварным узлом (см. фиг. 1).

Центробежная помпа содержит корпус 40, отлитый заодно целое с корпусом двигателя 1. В корпус 40 установлен корпус 41 ротора 42. Ротор (крыльчатка) насажен на вал 43. В корпус 41 запрессована втулка 44, в отверстиях которой вращается вал. Вал соединен с рессорой 45. Заодно целое с корпусом отлит диффузор Ж, который подводит воду к смесителю 32. На диффузоре установлена трубка 46 подвода воды к гидронасосу 81 (см. фиг. 1; 2).

Генератор выполнен по форме баллона разборной конструкции. Внутри баллона установлен теплообменник 47, с которым соединены сваркой топливная форсунка 48 и завихритель 49. С помощью переходника 50 теплообменник соединен с выхлопным патрубком 14. Для распыливания топлива на форсунке выполнены 12 отверстий. На теплообменнике (внизу) установлена форсунка 51 подвода воды. Форсунка выполнена по форме пластинки, на которой просверлены 12 отверстий. К форсунке подсоединены трубка 52 и жиклер 53, который регулирует расход воды. К баллону подсоединена трубка 54 отвода газа. К форсунке 48 подсоединена трубка 55 подвода жидкого топлива.

На корпусе двигателя (слева) имеется люк, который закрыт крышкой 56. При проведении профилактических работ люк служит для извлечения генератора без разборки двигателя (см. фиг. 1).

Принцип работы реактивно-поршневого двигателя
Мотокомпрессор работает по принципу двухтактного двигателя, но с наддувом рабочих цилиндров сжатым воздухом. Запуск производится электростартером 58. Вращение кривошипу 7 передается через шестеренчатый венец 11 и маховик 10. Движение поршням передается через шатуны 8, вилки 9, штоки 6 (см. фиг. 1; 2).

При движении поршневой группы (шток и два поршня) по стрелке 1 (см. фиг. 2) в цилиндре 59 производится всасывание. Через клапана 22 патрубка 15 воздух поступает в полость И. Чтобы снять нагрузку с эл. стартера заслонка 21 приоткрыта на угол 30^o, производится неполное наполнение полости И воздухом (см. фиг. 4; 2).

При запуске клапана 26 открыты в обоих компрессорных цилиндрах, а водозаборник 30 перекрыт заслонкой 31 (см. фиг. 1). Сжатие воздуха в полостях К, Л не производится, так как клапана 26 опущены вниз с помощью кулачков 25 и стержней 27. Нагрузка со стартера снята полностью. Мощность стартера расходуется только на продувку, наполнение и сжатие рабочих цилиндров (см. фиг. 1).

При движении поршневой группы (второй) по стрелке П производится сжатие воздуха в полости М цилиндра 3 и в полости H цилиндра 60 (см. фиг. 2). Воздух открывает клапан 61 поршня 5 и наполняет его полость. Затем воздух перетекает по штоку 6 в полость поршня 4 цилиндра 2. Воздух открывает клапан 17, заполняя полость П и продувочные каналы P цилиндра 2. Пусковое отверстие C, окна каналов P и патрубка 14 еще не перекрыты поршнем 4 (см. фиг. 1). Производится продувка и наполнение полости Т воздухом с давлением 0,8 0,9 кГ/см². С помощью механизма 57 на форсунке 13 открывается клапан и газ с давлением 4 кГ/см² поступает через отверстие С в полость Т. Затем окна каналов P и патрубка 14 перекрываются поршнем 4 и производится сжатие (см. фиг. 2).

В конце хода поршня 4 подается искра на свечу Ф, рабочая смесь запаливается и происходит рабочий ход поршня 4. Обе поршневые группы движутся в обратном направлении и циклы мотокомпрессора повторяются вновь. Отключают эл. стартер.

При вращении румпеля заслонки 21 на патрубке 15 полностью открываются, увеличивается расход воздуха в полостях И; М и давление в полостях Т; У повышается до 1,5 кГ/см² (см. фиг. 2). Одновременно дроссельный кран 62 увеличивает расход газа (топлива) в этих полостях. За счет наддува рабочих цилиндров и полного сгорания газа мощность повышается и мотокомпрессор выходит на режим-номинал 3000 об/мин (см. фиг. 2).

Через клапана 18 производится наполнение полостей K; Л воздухом. С помощью кулачков 25 клапана 26 автоматически закрываются и в этих полостях производится сжатие (см. фиг. 1). Воздух с давлением 3,5 кГ/см² поступает в патрубок 16, затем в ресивер IV. Большая часть мощности расходуется на сжатие воздуха в полостях K; Л. Основная сила от рабочего поршня передается компрессору через шток, напрямую, с минимальными потерями на трение во втулках. В результате чего механический КПД повышается.

Топливная система питания двигателя (см. фиг. 2; 3) содержит две форсунки 13, механизм синхронизации 57, дроссельный кран 62, редуктор 63, газогенератор 64, топливный бак 65, пусковой баллон 66, насос 67, регулятор 68, два запорных крана 69; 70 и трубки подвода жидкого топлива и газа.

При первоначальном запуске мотокопрессора газ из баллона 66, через кран 69, по трубкам 71, 72, 73 поступает на редуктор 63 и дроссельный кран 62 (см. фиг. 3). Запорный кран 70 перекрыт. Газ по трубке 74 продолжает поступать на регулятор 68. От дроссельного крана 62 газ по трубкам 75; 76 поступает на форсунки 13 (см. фиг. 3). Жидкое топливо из бака 65 поступает по трубке 77 на насос 67 и регулятор 68 (см. фиг. 2; 3). От регулятора топливо по трубке 78 поступает на газогенератор 64, где жидкое топливо превращается в газ. При постоянных запусках открывают кран 70 и газ из генератора поступает по трубкам 72; 73 на редуктор, дроссельный кран и форсунки (см. фиг. 3).

Форсунки и поршневые группы работают синхронно, с помощью механизма 57. Кулачковый вал механизма соединен с валом кривошипа 7 (см. фиг. 1).

При работе мотокомпрессора масло из механизма 57, по трубкам 79, 80 поступает на форсунки 13. Внутри форсунок имеются клапана, которые открываются под давлением масла. Когда клапан открывается, то газ из форсунки поступает через отверстие C в полость цилиндра (см. фиг. 3). При многократных запусках газ используют из пускового баллона. При работе двигателя его подзаряжают газом из генератора с давлением 12 кГ/см² через штуцер 82 и трубку 71.

Парогазовый генератор использует тепло (1063^oC) для получения пара и газа (см. фиг. 1). Отработанные газы поступают из мотокомпрессор через переходник 50 в теплообменник 47. На пути движения установлен завихритель 49, который резко снижает скорость за счет вращательного движения (см. фиг. 1).

После охлаждения рабочих цилиндров вода поступает в теплообменник в виде капелий, которые соприкасаясь с нагретым газом быстро превращаются в пар. Навстречу потоку газа движутся 12 тонких струй. При таком движении происходит межслойное трение воды и газа. Газ напрямую передает свое тепло струям, которые мгновенно превращаются в пар. Такой процесс теплоотдачи будет самым эффективным. В результате чего длина теплообменника сокращается, а габариты парогенератора уменьшаются.

Из гидронасоса 81 вода под давлением 12 кГ/см² поступает по трубке 52, через жиклер 53 на форсунку 51. Расход воды определяется производительностью насоса и регулировкой винта жиклера 53 (см. фиг. 1). Гидронасос 81 установлен на рабочем цилиндре 60 (см. фиг. 2). Когда в полости H цилиндра 60 производится сжатие, то плунжер насоса нагнетает воду. К гидронасосу вода поступает по трубке 46 из диффузора Ж (см. фиг. 1).

Газогенератор состоит из баллона, теплообменника 47 и форсунки 48 (см. фиг. 1). Жидкое топливо поступает по трубке 55 в полость форсунки 48. Топливо под давлением 12 кГ/см² дробиться на мелкие капели, которые, соприкасаясь с нагретой стенкой теплообменника, превращаются в пар, а затем в газ. После использования тепла для получения пара отработанные газы еще сохраняют тепло (430^oC). Поэтому тепло передается одновременно и через стенку теплообменника и превращает воду в пар (см. фиг. 1).

Из баллона по трубке 54 газ поступает на форсунки мотокомпрессора (см. топливную систему питания, фиг. 3). Давление в баллоне постоянно поддерживается регулятором 68. При снижении давления газа в регуляторе золотник открывает отверстие, и насос подает топливо на форсунку 48 (см. фиг. 1; 3).

Парогазовый генератор позволит работать на дешевых сортах топлива (керосин, солярка и др. ). Генератор использует тепло отработанных газов, которые выбрасываются в атмосферу бесцельно.

Используя тепло, двигатель получит дополнительно 40 л. сил без затрат жидкого топлива. В результате этого двигатель будет экономичным и мощным 100 л. сил.

Реактивный движитель и центробежная помпа работают в комплексе (см. фиг. 1). Ротор 42 получает вращение от кривошипа 7 через рессору 45 и вал 43. Вода по каналу Г поступает к ротору. При вращении лопасти захватывают воду и с большой скоростью выбрасывают ее в полость диффузора Ж, где скорость снижается, а давление повышается. Из диффузора вода поступает в канал Д. Под давлением 2,5 кГ/см² вода выбрасывается со скоростью 14 м/сек через отверстия (48 отв.) смесителя 32 в виде капелей (см. фиг. 1).

Сжатый воздух из патрубка 16 поступает в ресивер. На пути движения потоку стоят завихрители 39, которые резко снижают скорость и обеспечивают потоку вращательное движение. После охлаждения компрессорных цилиндров вода в виде капелей поступает в ресивер из патрубка 16. При наличии вращательного движения капели смешиваются с воздухом, быстро поглощают тепло (120^oC), превращаясь в пар (см. фиг. 1).

Пар и воздух поступают в сопло б, где скорость потока резко повышается, а давление снижается с 3,5 до 2,2 кГ/см². Воздух и пар захватывают капели и разгоняют их до скорости 32 м/сек. За счет сужения канала сопла 34 скорость потока повышается. В результате этого во внутреннем контуре возникает реактивная тяга 130 кГ (см. фиг. 1).

Из теплообменника 47 пар и газ с давлением 2,5 кГ/см² поступают в канал В. При наличии соплового аппарата 35 поток газа и пара равномерно распределяется по окружности канала и скорость его незначительно повышается. Воздух, пар, газ и вода (12 л/сек) поступают в полость сопла 29. При наличии вращательного движения смешиваются. За счет давления и сужения канала сопла скорость потока повышается до 72 м/сек.

При наличии тяжелой массы воды и большой скорости на срезе сопла возникает реактивная тяга 216 кГ.

Используя энергию газа, пара и воздуха, утилизируя тепло отработанных газов мотокомпрессора мощность, реактивная тяга и КПД двигателя значительно возрастают, а удельный расход топлива резко снижается 0,145 кГ/л. силу - 0,67 кГ/кГ тяги.

Использование: судовое двигателестроение. Сущность изобретения: устройство представляет собой комбинацию в одном агрегате мотокомпрессора и гидрореактивного движителя. Мотокомпрессор имеет по меньшей мере два рабочих и два компрессорных цилиндра. Выпуск газа и воздуха из рабочих и компрессорных цилиндров подключен к реактивному движителю, образуя внутренний и наружный контуры. Имеются парогазовый генератор, использующий тепло отработавших газов мотокомпрессора для испарения топлива и воды, и трубчатый воздушный ресивер, внутри которого размещены два завихрителя потока воздуха. 3 з.п. ф-лы 5 ил.

1. Реактивно-поршневой двигатель, содержащий поршневой двигатель внутреннего сгорания и приводимый от него гидрореактивный двигатель, отличающийся тем, что двигатель внутреннего сгорания выполнен в виде мотокомпрессора, имеющего по меньшей мере два рабочих и два компрессорных цилиндра, размещенных параллельно друг другу, при этом выпуск газа и воздуха из рабочих и компрессорных цилиндров подключен к реактивному движителю. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен парогазовым генератором, использующим тепло отработанных газов мотокомпрессора для испарения топлива и воды. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен воздушным ресивером, выполненным в виде трубы, в которой размещены два завихрителя потока воздуха. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что реактивный двигатель содержит внутренний и наружный контуры.