СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОВОГО УНИВЕРСАЛЬНО-ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F02C5/10 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к способам работы газотурбинных двигателей, и может быть использовано в автомобилях, самолетах, тепловозах, судах, тракторах и подвижных электростанциях.

Известен газотурбинный двигатель (ГТД), работающий на углеводородном топливе. В этом двигателе горючую смесь подвергают сжатию и поджогу, в результате чего возникающее избыточное давление преобразуется в механическую работу на валу турбины. В таком ГТД сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подается и топливо, после чего часть потока продуктов сгорания горячей смеси направляют в турбину, а большую часть расходуют на сжатие воздуха в компрессоре (см. Политехнический словарь, М. и Советская энциклопедия, 1989 г., стр. 107, статья "Газотурбинный двигатель").

Недостатками этого двигателя являются наличие отдельного компрессора для сжатия горючей смеси, повышенный расход топлива, токсичный выхлоп, из-за постоянного горения горючей смеси нагреваются лопатки турбины, что влечет за собой использование специальных жаропрочных материалов, а также сложность в изготовлении и ремонте данного двигателя.

Известна также турбина В. В. Караводина, в которой сгорание топлива происходит при постоянном объеме и отсутствует выходной клапан, замененный длинной газоподводящей трубой, расположенной между камерой сгорания и рабочим колесом турбины.

После сгорания горючей смеси столб газа в газоподводящей трубе вследствие инерции смягчает ударные нагрузки на лопатки турбины, а затем, разгоняясь и истекая из трубы, создает разрежение в камере сгорания, обеспечивая тем самым заполнение последней воздушно-топливной смесью. Далее горючая смесь поджигается электрической свечой, сгорает, осуществляется рабочий ход и процесс повторяется (см. А.Моравский, М.Файн. Огонь в упряжке. М.: Знание, 1990 г., стр.156-157).

Недостатком этого двигателя является отсутствие сжатия горючей смеси, что уменьшает его КПД.

Данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога.

Задачей настоящего изобретения является создание технического решения, позволяющего осуществить работу газового универсально-турбинного двигателя с радиальной самоохлаждающейся многоступенчатой турбиной взрывного горения с экологически чистым выхлопом, использующего в качестве топлива водород.

Поставленная задача решена на счет того, что в способе работы газового универсально-турбинного двигателя горючую смесь в камере сгорания поджигают, производят истечение образовавшихся продуктов сгорания и создание посредством этого истечения разрежения в камере сгорания для всасывания новой порции горючего, полученную энергию продуктов сгорания преобразуют в механическую работу вращающегося вала турбины. Согласно изобретению в качестве топлива используют водород, преобразование энергии вращения в механическую работу осуществляют в радиальной турбине, в момент сжатия смеси охлаждают лопатки турбины посредством винтов, обеспечивающих вхождение в выхлопные окна турбины свежего воздуха.

На фиг.1 представлен вариант ГУТД, предназначенного для реализации предлагаемого способа.

Двигатель состоит из камеры сгорания 1 с впускным топливным клапаном 2 и электрической свечой 3, газоподводящих секций 4, составляющих единый газоподводящий канал, расположенный между камерой сгорания 1 и турбинными секциями 5, в которых находятся ступени радиальной турбины 6, жестко насаженные на вал 7.

Остальные детали несут вспомогательные функции, газоподводящий канал секций 4 играет ту же роль, что и длинная газоподводящая труба турбины В.В. Караводина. Количество ступеней определяется необходимостью снижения давления выхлопа до заданного уровня, при котором двигателю не требуется глушитель. Стрелками показано движение газов. На концах вала 7 у выхлопных окон (они же входные для воздуха) расположены винты (не показаны), обеспечивающие вхождение в турбины свежего воздуха для охлаждения лопаток.

Секционное построение конструкции ГУТД позволяет, во-первых, увеличить коэффициент унификации основных деталей, а также автоматизировать сборку, тем самым улучшить технологичность и снизить стоимость ГУТД; во-вторых, варьировать количеством ступеней турбины, а также длиной газоподводящего канала, изменяя тем самым характеристики двигателя.

При запуске двигателя вначале в камере сгорания впускают водород. Далее запускное устройство раскручивает турбину, которая функционируя как центробежный компрессор, повышает давление в камере сгорания. Далее горючая смесь поджигается от электрической свечи и происходит реакция: 2Н₂+О₂= 2Н₂О+136,71 Ккал, т. е. взрыв. При поджоге горючей смеси запускающее устройство отключается. В момент взрыва столб газа (воздуха), закрывающий вследствие инерции выход из камеры сгорания, постепенно разгоняется и, истекая из нее, создает разрежение в камере сгорания и в нее поступает водород. Когда в конце газоподводящего канала (перед турбиной) давление истекающего столба газа превысит давление, создаваемое турбиной, работающей по инерции как центробежный компрессор, осуществляется рабочий ход, т.е. в результате разницы давлений поток газа, воздействуя на лопатки турбины, ускоряет ее вращение, пока эти давления не сравняются. Далее, вращаясь по инерции, центробежный компрессор создает в камере сгорания, в которой до этого было разрежение, давление, соответствующее скорости вращения турбины. Далее сжатую горючую смесь поджигают электрической свечой и процесс повторяется.

Регулировка режимов работы ГУТД осуществляется варьированием частоты поджога горючей смеси.

Основную роль в газодинамическом процессе ГУТД играет длинный газоподводящий канал, столб газа которого функционирует как поршень в двигателе внутреннего сгорания. На фиг.2 изображен график зависимости давления в газоподводящем канале (Р) от времени (t), в частности в начале (после камеры сгорания - Р_н) и в конце (перед турбиной - Р_к).

Таким образом, при работе предлагаемого двигателя не нарушается биологическое равновесие среды, т.к. осуществляется экологически чистый выхлоп.

Турбина двигателя универсальная - работает и как исполнительный механизм, и как центробежный компрессор для сжатия горючей смеси.

Двигатель легко запускается в любую погоду, надежен в работе, т.к. конструктивен и имеет малое количество деталей. Не требует глушителя и отдельной системы охлаждения.

Предлагаемый двигатель не требует дорогостоящих материалов и новых технологий.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, а именно к способам работы газотурбинных двигателей, и может быть использовано в автомобилях, самолетах, тепловозах, судах, тракторах и подвижных электростанциях. Способ работы газового универсально-турбинного двигателя заключается в том, что поджигают в камере сгорания горючую смесь, производят истечение образовавшихся продуктов сгорания и создание посредством этого истечения разрежения в камере сгорания для всасывания новой порции горючей смеси. Полученную энергию продуктов сгорания преобразуют в механическую работу вращающегося вала турбины. В качестве топлива используют водород, преобразование энергии вращения в механическую работу осуществляют в радиальной турбине. Горючую смесь подвергают сжатию в силу момента инерции массы вращающейся радиальной турбины, работающей как центробежный компрессор. В момент сжатия смеси охлаждают лопатки турбины посредством винтов, обеспечивающих вхождение в выхлопные окна турбины свежего воздуха. Изобретение улучшает экологичность. 2 ил.

Способ работы газового универсально-турбинного двигателя, заключающийся в том, что поджигают в камере сгорания горючую смесь, производят истечение образовавшихся продуктов сгорания и создание посредством этого истечения разрежения в камере сгорания для всасывания новой порции горючей смеси, преобразование энергии продуктов сгорания в механическую работу вращающегося вала турбины, отличающийся тем, что в качестве топлива используют водород, преобразование энергии вращения в механическую работу осуществляют в радиальной турбине, производят сжатие горючей смеси в силу момента инерции массы вращающейся радиальной турбины, работающей как центробежный компрессор, в момент сжатия смеси охлаждают лопатки турбины посредством винтов, обеспечивающих вхождение в выхлопные окна турбины свежего воздуха.