ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ТУРБИНОЙ Российский патент 2001 года по МПК F02C5/00 F02C3/30 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а более конкретно к газотурбинным установкам, в которых рабочее тело генерируется при прерывистом сгорании.

Этот двигатель может быть использован в автомобилестроении, авиации и при строительстве малогабаритных электростанций.

Широко известны карбюраторные и газовые поршневые двигатели внутреннего сгорания. Основным конструктивным элементом этих двигателей является один или несколько цилиндров с поршнями, соединенных кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом. В дне каждого цилиндра имеются клапаны для впуска топлива в виде паров бензина, смешанных с воздухом, или смеси горючего газа с воздухом. На дне каждого цилиндра также выполнены клапаны для выпуска отработанных газообразных продуктов сгорания топлива. Зажигание топлива осуществляют электрической искрой с помощью устройства, называемого свечой, установленной в дне каждого цилиндра (1).

Недостатком карбюраторных и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания является их сложность, что обусловлено, в частности, наличием коленчатого вала и кривошипно-шатунного механизма, что делает двигатели громоздкими.

Известны также устройства, называемые газотурбинными двигателями, в которых в камере сгорания во время работы непрерывно сжигают газообразное или легкое жидкое топливо (например, керосин), а образовавшиеся газообразные продукты сгорания топлива с высокой температурой направляют на лопасти газовой турбины, которая совершает механическую работу (2).

Недостатком турбинных двигателей является то, что их экономически выгодно использовать только в устройствах большой мощности: в двигателях крупных самолетов, кораблей, железнодорожных локомотивов и для привода компрессоров при перекачке газа или нефти по магистральным газопроводам и нефтепроводам. Применяются они также на электростанциях для получения недостающей энергии во время пиковых нагрузок.

Большой недостаток газотурбинных установок в том, что обычно они имеют меньший по сравнению с двигателями внутреннего сгорания КПД - 14-18% для простых газотурбинных установок и 27-37% для многоступенчатых газотурбинных установок с системой регенарации тепла для подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива.

Недостаточно высокий КПД обусловлен тем, что температура газа, поступающего на лопатки газовых турбин, в стационарных установках обычно не превышает 750-1100^oC, так как при более высокой температуре лопатки турбин длительное время работать не могут.

Наиболее близким аналогом заявленного двигателя является газотурбинный двигатель, содержащий цилиндрический корпус с расположенными внутри камерой сгорания, турбиной с сопловым аппаратом и валом отбора мощности, при этом торец корпуса с одной стороны закрыт дном, а с другой - открыт, сопловой аппарат представляет собой расположенную между торцами корпуса перед турбиной диафрагму с сопловыми отверстиями. На стенке дна корпуса размещено устройство для подачи топлива и его воспламенения, например, посредством образования электрической искры. Вал отбора мощности турбины установлен посредством подшипниковых опор по центру диафрагмы и дна корпуса с выступанием из последнего для соединения с приводимым устройством (3).

Задачей изобретения является повышение эффективной работы (КПД) двигателя и увеличения надежности эксплуатации.

Указанные технические результаты достигаются благодаря тому, что в рабочем цилиндре карбюраторного или газового двигателя внутреннего сгорания вместо поршня установлена газовая турбина (или каскад из двух - трех турбин), вал отбора мощности которой расположен по оси цилиндра. При этом один конец вала выведен через подшипниковую опору в дне цилиндра. Кроме того, на дне цилиндра размещены устройство для подачи топлива (топливовоздушной смеси) и система зажигания (образование электрической искры). Снаружи к валу посредством муфты присоединяется приводимая в движение машина (потребитель). Второй конец вала перед турбиной установлен в подшипниковой опоре, расположенной в центре диафрагмы, последняя представляет собой сопловой аппарат с сопловыми отверстиями, выполненными в виде щелей, направляющих продукты сгорания (рабочее тело) на лопатки газовой турбины. При этом диафрагма охлаждается водой, впрыскиваемой перед ней и в упомянутые щели. Для снижения веса диафрагма выполнена с поперечным сечением, равномерно уменьшающимся от центра к периферии. Камера сгорания выполнена в виде отдельных одинаковых секций, образованных между боковой стенкой корпуса, цилиндрической обечайкой и радиальными ребрами, причем обечайка прикреплена одним торцом к дну корпуса, на диаметре, обеспечивающем свободный вход продуктов сгорания в щели диафрагмы, а ребра прикреплены к обечайки и к боковой стенке корпуса, при этом каждая секция снабжена индивидуальным патрубком подвода карбюраторной смеси с клапаном и электрической свечой воспламенения.

Достоинством этого двигателя является возможность сжигать топливовоздушную смесь в пульсирующем режиме и эффективно под нужным углом направлять ее на входные кромки лопаток турбины, причем впрыск воды позволит охладить самые теплонапряженные элементы конструкции, увеличить массовый расход рабочего тела через турбины (то есть увеличить ее мощность) и уменьшить выброс в атмосферу вредных окислов азота, что улучшает экологичность двигателя.

Изобретение поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 схематически представлен двигатель внутреннего сгорания с турбиной, на фиг. 2 изображено сечение по А-А фиг. 1, а на фиг. 3 - сечение по Б-Б фиг. 1.

Двигатель содержит выполненный в виде прямого цилиндра корпус 1, торец которого с одной стороны закрыт дном 2, а другой - открыт. На стенке дна 2 выполнены клапаны 3 для впуска карбюраторной смеси или горючего газа в смеси с воздухом по патрубкам 4. В дне 2 установлено устройство (система) зажигания, выполненное, например, в виде электрической свечи воспламенения 5. Вал 6 отбора мощности выполнен в виде открытой с торцов трубы и установлен с возможностью выступания из дна 2 в подшипниковых опорах 7, расположенных по центру дна 2 и центру диафрагмы 8, представляющей собой сопловой аппарат с сопловыми отверстиями, выполненными в виде щелей 9, равномерно расположенных по окружности под острым углом α к направлению вращения турбины 10. При этом диафрагма 8 расположена в корпусе 1 перед турбиной 10 и выполнена с поперечным сечением, равномерно уменьшающимся от центра к периферии. Угол α выбирают в зависимости от профиля лопаток турбины 10 с обеспечением плавного входа рабочего тела на их входную кромку. Для отвода рабочего тела из двигателя в окружающую среду служит открытый торец 11 корпуса 1. Для обеспечения равномерности вращения вала 6 на его выступающем из дна 2 конце может быть дополнительно установлен маховик 12, а для соединения вала 6 с приводимой машиной применена муфта 13. На корпусе 1 вокруг диафрагмы 8 закреплен коллектор 14 подвода воды (или водяного пара) с патрубком (или патрубками) 15, снабженным обратным клапаном (на фиг. 1 не показан). Коллектор 14 сообщен посредством ряда отверстий 16 с полостями щелей 9, причем коллектор 14 может быть также сообщен посредством дополнительного ряда отверстий 17 с внутренней полостью камеры сгорания перед диафрагмой 8, причем отверстия 17 дополнительного ряда смещены в окружном направлении относительно отверстий 16. На боковой стенке корпуса 1 могут быть выполнены продольные ребра, (на фиг. 1 не показаны) с одинаковой высотой или с высотой, увеличивающейся к дну 2 корпуса 1, служащие для увеличения площади теплоотдачи корпуса 1. Камера сгорания выполнена в виде отдельных одинаковых секций 18, образованных между боковой стенкой корпуса 1, цилиндрической обечайкой 19 и радиальными ребрами 20, причем обечайка 19 прикреплена одним торцом к дну 2 корпуса 1 на диаметре, обеспечивающем свободный вход продуктов сгорания в щели 9 диафрагмы 8, а ребра 20 прикреплены к обечайки 19 и к боковой стенке корпуса 1. При этом каждая секция 18 снабжена индивидуальным патрубком 4 подвода карбюраторной смеси с клапаном 3 и электрической свечой воспламенения 5.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Запуск двигателя может быть осуществлен с помощью стартера, обеспечивающего начальное вращение вала 6 с турбиной 10. Далее внутрь каждой секции 18 камеры сгорания через патрубки 4 и открытые клапаны 3 из карбюратора подают пары жидкого топлива (бензина) или газ, смешанные с воздухом. Затем клапаны 3 закрывают, а смесь топлива с воздухом поджигают электрической искрой посредством свечи 5. Топливовоздушная смесь практически мгновенно сгорает и образующиеся в камере сгорания газообразные продукты сгорания (рабочее тело) с высокой температурой и при большом давлении через сопловые щели 9 в диафрагме 8 устремляются на лопатки газовой турбины 10, увеличивая ее обороты вместе с валом 6 отбора мощности. Вместо одной газовой турбины 10 может быть использован каскад из двух - трех турбин. Для этого после первой турбины 10 устанавливают аналогичную вторую диафрагму 8 и вторую газовую турбину 10 и т.д.

Из газовой турбины 10 продукты сгорания топлива выходят в окружающую среду через открытый торец 11.

После сгорания первой порции топлива клапаны 3 вновь открываются и подается новая порция топливовоздушной смеси, и так рабочий цикл двигателя повторяется неограниченное число раз. Работа клапанов 3 и системы зажигания топлива электрической свечой 5 осуществляется так же, как в карбюраторных поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Для более равномерного вращения вала 6 двигателя может быть использован маховик 12, но при использовании массивной турбины 10 последний не обязателен.

Так как горение топлива происходит периодически, то максимальная допустимая температура газов, поступающих на лопатки газовой турбины 10, может быть и будет значительной. Это приводит к существенному увеличению КПД, который станет близким к КПД экономичных поршневых двигателей внутреннего сгорания, но для обеспечения надежной работы двигателя следует выполнить охлаждение наиболее теплонапряженных узлов двигателя - его диафрагмы 8, вала 6 и подшипниковых опор 7, для чего в щели 9 из коллектора 14 через радиально расположенные отверстия 16 в период впрыска топливовоздушной смеси подают воду (или водяной пар), что помимо охлаждения приводит к увеличению массового расхода через турбину 10 и увеличению снимаемой с нее мощности, а также снижает выброс вредных окислов азота. Дополнительно через отверстия 17 вода может подаваться на переднюю стенку диафрагмы 8, что способствует охлаждению ею подшипниковой опоры 7, работающей в тяжелых температурных условиях с консольно закрепленной турбиной 10. Обечайка 19 также защищает вал 6 и подшипниковые опоры 7 от воздействия температуры. Выполнение камеры сгорания из отдельных одинаковых секций 18 позволяет обеспечить равномерность сгорания топлива путем индивидуальной доводки каждой секции 18, что улучшает процесс горения, повышает эффективность использования топлива и увеличивает надежность эксплуатации. Для избежания обратного тока воды в патрубке 15 коллектора 14 установлен обратный клапан. Выполнение вала 6 в виде открытой с торцов трубы позволяет без дополнительных энергозатрат обеспечить проток через вал охлаждающего атмосферного воздуха в зону с пониженным давлением за турбиной 10 ("донный эффект"), что позволяет также обеспечить охлаждение подшипниковых опор 7, а при принудительной подаче воздуха - использовать газовые подшипниковые опоры, при этом на выходе из вала 6 может быть установлен обратный клапан, препятствующий выходу продуктов сгорания из затурбинной области двигателя. Выходящий из открытого торца 11 поток может быть использован для подогрева охлаждающей воды и топливовоздушной смеси, поступающей в секции 18 камеры сгорания двигателя.

Источники информации:
1. Двигатели внутреннего сгорания, под редакцией Орлина А.С. и др., издание 3-е, Москва, "Машиностроение", 1980 г., с.216, рис.145.

2. Г. С.Скубачевский, Авиационные газотурбинные двигатели, издание 2-е, Москва, "Машиностроение", 1965 г., с.5-6.

3. Патент RU 2055996 C1, МПК 6 F 02 B 75/00, 10.03.1996 г.

Двигатель предназначен для использования в энергомашиностроении, в частности в автомобилестроении, авиации и при строительстве малогабаритных электростанций. В корпусе, выполненном в виде прямого цилиндра, торец которого с одной стороны закрыт дном, а с другой стороны открыт, последовательно расположены сопловой аппарат, выполненный в виде диафрагмы с сопловыми щелями, и турбина с валом отбора мощности. Последний выполнен в виде открытой с торцов трубы и установлен посредством подшипниковых опор по центру диафрагмы и дна корпуса с выступанием из дна для соединения с приводимой машиной. Щели диафрагмы равномерно расположены под острым углом к направлению вращения турбины. На корпусе вокруг диафрагмы закреплен коллектор подвода воды с входным патрубком, снабженным обратным клапаном. Коллектор сообщен посредством двух рядов радиальных отверстий с полостями щелей и полостью камеры сгорания перед диафрагмой. Диафрагма выполнена с поперечным сечением, равномерно уменьшающимся от центра к периферии. Камера сгорания выполнена в виде отдельных одинаковых секций. Каждая секция снабжена индивидуальным патрубком подвода карбюраторной смеси с клапаном и свечой зажигания. Конструкция двигателя позволяет увеличить КПД и мощность, при этом повышается надежность работы и экологичность. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий выполненный в виде прямого цилиндра корпус с расположенными внутри камерой сгорания, турбиной с сопловым аппаратом и валом отбора мощности, торец корпуса с одной стороны закрыт дном, а с другой открыт, сопловой аппарат представляет собой расположенную в корпусе перед турбиной диафрагму с сопловыми отверстиями, а вал отбора мощности выполнен в виде открытой с торцов трубы и установлен посредством подшипниковых опор по центру диафрагмы и дна корпуса с выступанием из последнего, сопловые отверстия выполнены в виде щелей, равномерно расположенных по окружности под острым углом к направлению вращения турбины, при этом на корпусе вокруг диафрагмы закреплен коллектор подвода воды с входным патрубком, коллектор сообщен посредством ряда отверстий с полостями щелей, во входном патрубке установлен обратный клапан, диафрагма выполнена с поперечным сечением, равномерно уменьшающимся от центра к периферии, а камера сгорания выполнена в виде отдельных одинаковых секций, образованных между боковой стенкой корпуса, цилиндрической обечайкой и радиальными ребрами, причем обечайка прикреплена одним торцом к дну корпуса на диаметре, обеспечивающем свободный вход продуктов сгорания в щели диафрагмы, а ребра прикреплены к обечайке и боковой стенке корпуса, при этом каждая секция снабжена индивидуальным патрубком подвода карбюраторной смеси с клапаном и электрической свечой воспламенения. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор подвода воды сообщен посредством дополнительного ряда отверстий с внутренней полостью камеры сгорания перед диафрагмой, причем отверстия дополнительного ряда смещены в окружном направлении относительно отверстий другого ряда. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на боковой стенке его корпуса выполнены продольные ребра с одинаковой высотой или увеличивающейся к дну корпуса.