ВИХРЕВОЙ ТУРБОКОМПРЕССОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F02C5/04 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий корпус, компрессор, камеру периодического сгорания топлива с установленным на ее входе клапаном, турбину, которая жестко соединена с компрессором, расположенный за ней ресивер с установленным на его выходе клапаном, при этом объем ресивера равен 0,2-0,65 объема камеры сгорания [см. описание изобретения к патенту РФ 2027045, МПК F 02 С 5/00, F 02 К 7/16, публикация 20.01.95 г.].

Недостатком известного двигателя является недостаточная эффективность, так как часть энергии компрессора тратится на преодоление аэродинамического сопротивления входного клапана.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий корпус, компрессор и размещенные соосно и последовательно три турбины: высокого давления, среднего давления и низкого давления. Турбина высокого давления закреплена на первом полом валу с компрессором и между ними находится камера периодического сгорания топлива. Турбина низкого давления является свободной силовой и закреплена на втором полом валу отбора мощности потребителем. Турбина среднего давления закреплена на третьем валу, передняя часть которого размещена внутри первого вала соосно с ним, а задняя часть - внутри второго вала соосно с ним. Для соединения третьего вала с первым и вторым валом предусмотрены две муфты [см. описание изобретения к патенту РФ 2015382, МПК F 02 С 7/36, публикация 30.06.94 г.]
Недостатком известного двигателя является его сложность и недостаточная эффективность.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение эффективности двигателя, его коэффициента полезного действия, экологичности.

Сущность изобретения заключается в том, что в вихревом турбокомпрессорном двигателе, содержащем корпус, компрессор, камеру сгорания с топливными форсунками, первую турбину, которая через первый полый вал жестко соединена с компрессором, вторую турбину, которая жестко соединена со вторым полым валом отбора мощности, установленным с помощью первых подшипников в корпусе, корпус выполнен в форме улитки, а компрессор, первая и вторая турбины выполнены в виде усеченных полых конусов и установлены друг в друге соосно и большими основаниями к входу воздуха, на внешней поверхности корпуса установлен съемный шлакосборник, каждая лопатка компрессора выполнена поворотной вокруг своей продольной оси и изогнутой с выпуклостью, направленной при закрытом положении в сторону камеры сгорания, которая образована компрессором, первым полым валом, первой турбиной и дополнительной обечайкой, выполненной в виде усеченного полого конуса и с которой шарнирно соединены поворотные лопатки компрессора и жестко соединены лопатки первой турбины, второй полый вал отбора мощности с помощью вторых подшипников установлен соосно на первом полом валу, на котором размещены механизм поворота лопаток компрессора, запальные свечи, топливные форсунки, канал подвода топлива к форсункам от топливного насоса, устройство уплотнения, подвод электрической энергии к запальным свечам от генератора-прерывателя и вариатор скорости вращения, кинематически соединенный с генератором-прерывателем и топливным насосом, а лопатки первой турбины изогнуты с образованием тангенциальных щелевых каналов между ними, сообщающие камеру сгорания с вихревой камерой, которая образована дополнительной обечайкой, первой турбиной и корпусом, кроме того, механизм поворота лопаток компрессора содержит продольные оси, жестко соединенные с рычагами и поворотными лопатками компрессора и смещенные от центров их площадей к передним кромкам, кинематически связанные с цилиндрической пружиной сжатия и подвижным штоком, установленный с возможностью перемещения вдоль своей оси внутри первого вала и кинематически связанный с регулятором подачи топлива топливного насоса. Это позволяет повысить эффективность двигателя, его коэффициент полезного действия и экологичность.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен вихревой турбокомпрессорный двигатель, общий вид, в открытом положении компрессора и регулятора подачи топлива;
на фиг.2 - то же, разрез А-А;
на фиг.3 - то же, узел I, в закрытом положении компрессора и регулятора подачи топлива.

Вихревой турбокомпрессорный двигатель содержит корпус 1, компрессор 2, камеру 3 сгорания с топливными форсунками 4, первую турбину 5, которая через первый полый вал 6 жестко соединена с компрессором 2, вторую турбину 7, которая жестко соединена со вторым полым валом 8 отбора мощности потребителем, установленным с помощью первых подшипников 9 в корпусе 1. Корпус 1 выполнен в форме улитки, а компрессор 2, первая и вторая турбины 5 и 7 выполнены в виде усеченных полых конусов и установлены друг в друге соосно и большими основаниями к входу 10 воздуха в двигатель.

Каждая лопатка 12 компрессора 2 выполнена поворотной вокруг своей продольной оси и изогнутой с выпуклостью, направленной при закрытом положении в сторону камеры 3 сгорания. Камера 3 сгорания образована компрессором 2, первым полым валом 6, первой турбиной 5 и дополнительной обечайкой 13, выполненной в виде усеченного полого конуса и с которой шарнирно соединены поворотные лопатки 12 компрессора 2 и жестко соединены лопатки 14 первой турбины 5, за которой расположена вихревая камера 15, образованная обечайкой 13, турбиной 5 и корпусом 1. Кроме того, лопатки 14 турбины 5 изогнуты с образованием тангенциальных каналов 16, сообщающих камеру 3 сгорания с вихревой камерой 15. Второй полый вал 8 отбора мощности с помощью вторых подшипников 17 установлен соосно на первом полом валу 6, на котором размещены механизм 18 поворота лопаток 12 компрессора 2, запальные свечи 19, топливные форсунки 4, канал 20 подвода топлива к форсункам 4 от топливного насоса 21, устройство 22 уплотнения, регулятор 23 подачи топлива, подвод 24 электрической энергии к запальным свечам 19 от генератора-прерывателя 25 и вариатор 26 скорости вращения, кинематически соединенный с генератором-прерывателем 25 и топливным насосом 21.

Механизм 18 поворота лопаток 12 компрессора 2 содержит продольные оси 27, жестко соединенные с поворотными лопатками 12 компрессора 2 и рычагами 28, кинематически связанные с ними цилиндрическую пружину 29 сжатия и подвижный шток 30, установленный с возможностью перемещения вдоль своей оси внутри первого полого вала 6 и кинематически связанный с регулятором 23 подачи топлива. На внешней поверхности корпуса 1 установлен съемный шлакосборник 32 на выходе кольцевого канала 31, образованного обечайкой 13 и корпусом 1. Двигатель содержит также реактивное сопло 33.

Вихревой турбокомпрессорный двигатель работает следующим образом.

При периодической подаче топлива топливным насосом 21 и, следовательно, автоматической - сжатого воздуха компрессором 2 в камеру 3 сгорания двигатель работает по циклу V=сonst и содержит три фазы: продувка, горение при V= сonst и расширение.

Запуск осуществляется раскручиванием вала 6 до минимальных оборотов, при этом регулятор 23 подачи топлива выводится в закрытое положение, а кинематически связанный с ним шток 30 - в крайнее нижнее положение (фиг.3), кинематически связанные со штоком 30 пружина 29 сжата, рычаги 28 закрыли компрессор 2, жестко соединенные с ними оси 27 и лопатки 12 повернуты в закрытое положение до упора лопаток 12 в соединение оси 27, образуя сплошной диск без щелей между ними. Одновременно вариатор 26 скорости вращения генератора-прерывателя 25 и топливного насоса 21 от вала 6 выводится на максимальное передаточное число. Затраты энергии на запуск малы, так как компрессор 2 закрыт и не подает воздух, а генератор-прерыватель 25 и топливный насос 21 вращаются с минимальной скоростью. Далее регулятор 23 подачи топлива выводится на открытие, перемещая вверх кинематически связанный с ним шток 30 (фиг. 1), кинематически связанные с ним свободные концы рычагов 28 перемещаются в след за ним под действием разжимающейся пружины 29, жестко связанные другие концы рычагов 28 с осями 27 поворачивают лопатки 12 компрессора 2 на открытие и между передними кромками лопаток 12 и соседними с ними лопатками 12 образуются щели и компрессор 2 подает воздух в камеру 3 сгорания. Через некоторое число оборотов компрессора 2, задающее вариатором 26 скорости вращения топливного насоса 21, подающего порцию топлива посредством устройства 22 уплотнения, канала 20 подвода топлива к форсункам 4 в камеру 3 сгорания, с некотором запаздыванием, генератор-прерыватель 25, кинематически связанный с топливным насосом 21 и вариатором 26, посредством подвода 24 подает электрическую энергию запальным свечам 19. Воспламеняется топливо в камере 3 сгорания. Образовавшиеся газы под действием возросшего давления из вращающейся камеры 3 резко увеличивают давление на лопатки 12 компрессора 2, так как оси 27 смещены от центров площадей лопаток 12 к их передним кромкам, то возникает вращающий момент, поворачивающий лопатки 12 до упора в соседние оси 27, кинематически связанные концы рычагов 28 сжимают пружину 29, а шток 30 при этом остается на своем месте. Однако вследствие изогнутости каждой лопатки 12 с выпуклостью, направленной при закрытом положении в сторону камеры 3 сгорания, образуется плотная и прочная сферическая конструкция, способная выдержать большое давление газов, образующееся вследствие сгорания топлива в камере 3 сгорания. Одновременно, закрыв компрессор 2, газы из вращающейся камеры 3 по щелевым тангенциальным каналам 16 между лопатками 14 первой турбины 5 (фиг.2) поступают в вихревую камеру 15, еще более закручиваясь в вихрь, так как скорость вращения камеры 3 сгорания и скорость истечения газов из щелевых тангенциальных каналов 16 складываются, образовавшийся из газов вихрь в камере 15 окончательно формируется, образуя зоны повышенного давления у обечайки 13, турбины 7, корпуса 1 и пониженного давления у турбины 5, вала 6, вследствие конической формы обечайки 13, турбин 5, 7 и корпуса 1 в форме улитки, под действием центробежных сил в вихре тяжелые частицы через кольцевой канал 31 попадают в шлакосборник 32. Из-за вращения турбины 7, сочетающей качество осевой, центробежной и вихревой, преобразующей энергию вихря в механическую с высоким КПД, полезная мощность через второй полый вал 8 передается потребителю мощности, далее вращающийся поток газов в улиточном канале корпуса 1 спрямляется и поступает в реактивное сопло 33. Крутящий момент от первой турбины 5 через первый полый вал 6 передается компрессору 2. По мере расширения и истечения из тангенциальных каналов 16 газов, образовавшихся после сгорания топлива, давление в камере 3 сгорания падает, а уже сформировавшийся вихрь в камере 15, имеющий значительно большую скорость вращения, чем турбина 5, за счет центробежных сил и путем инжекции, обтекания каналов 16 отсасывает остатки газов из камеры 3, при этом давление в ней быстро падает, лопатки 12 посредством осей 27 и рычагов 28 открываются разжимающейся пружиной 29 до упора кинематически связанных с ней концов рычагов 28 в шток 30. И снова подаются сжатый воздух и топливо в камеру 3 сгорания. Цикл повторяется.

Данное изобретение позволяет повысить эффективность двигателя, его коэффициент полезного действия, экологичность.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям. Вихревой турбокомпрессорный двигатель содержит корпус, компрессор, камеру сгорания с топливными форсунками, первую турбину, которая через первый полый вал жестко соединена с компрессором, вторую турбину, которая жестко соединена со вторым полым валом отбора мощности. Корпус выполнен в форме улитки. Компрессор, первая и вторая турбины выполнены в виде усеченных полых конусов и установлены друг в друге соосно и большими основаниями к входу воздуха. На внешней поверхности корпуса установлен съемный шлакосборник. Каждая лопатка компрессора выполнена поворотной вокруг своей продольной оси и изогнутой с выпуклостью, направленной при закрытом положении в сторону камеры сгорания. Камера сгорания образована компрессором, первым полым валом, первой турбиной и дополнительной обечайкой, выполненной в виде усеченного полого конуса и с которой шарнирно соединены лопатки первой турбины. Изобретение повышает эффективность и кпд двигателя. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вихревой турбокомпрессорный двигатель, содержащий корпус, компрессор, камеру сгорания с топливными форсунками, первую турбину, которая через первый полый вал жестко соединена с компрессором, вторую турбину, которая жестко соединена со вторым полым валом отбора мощности, установленным с помощью первых подшипников в корпусе, отличающийся тем, что корпус выполнен в форме улитки, а компрессор, первая и вторая турбины выполнены в виде усеченных полых конусов и установлены друг в друге соосно и большими основаниями к входу воздуха, каждая лопатка компрессора выполнена поворотной вокруг своей продольной оси и изогнутой с выпуклостью, направленной при закрытом положении в сторону камеры сгорания, которая образована компрессором, первым полым валом, первой турбиной и дополнительной обечайкой, выполненной в виде усеченного полого конуса и с которой шарнирно соединены поворотные лопатки компрессора и жестко соединены лопатки первой турбины, второй полый вал отбора мощности с помощью вторых подшипников установлен соосно на первом полом валу, на котором размещены механизм поворота лопаток компрессора, запальные свечи, топливные форсунки, канал подвода топлива к форсункам от топливного насоса, устройство уплотнения, подвод электрической энергии к запальным свечам от генератора-прерывателя и вариатор скорости вращения, кинематически соединенный с генератором-прерывателем и топливным насосом. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что механизм поворота лопаток компрессора содержит продольные оси, жестко соединенные с рычагами и поворотными лопатками, причем оси смещены от центров площадей лопаток к передним кромкам, а рычаги кинематически связаны с цилиндрической пружиной сжатия и подвижным штоком, установленным с возможностью перемещения вдоль своей оси внутри первого полого вала и кинематически соединенным с регулятором подачи топлива топливного насоса. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что лопатки первой турбины изогнуты с образованием тангенциальных щелевых каналов между ними, сообщающие камеру сгорания с вихревой камерой, которая образована дополнительной обечайкой, первой турбиной и корпусом. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса, на выходе кольцевого канала, образованного дополнительной обечайкой и корпусом, установлен съемный шлакосборник.