ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F02C5/12 

Изобретение относится к тепловым двигателям с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении, с частичным использованием рабочего тела /газа/ в замкнутом цикле, преобразующими энергию рабочего тела в механическую работу, и может найти самое широкое применение в машиностроении, во всех видах транспортных средств, а также в бытовой и сельскохозяйственной технике.

В настоящее время наибольшее распространение получили газотурбинные двигатели с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении, содержащие разъемный корпус с двумя камерами, сообщающимися между собой сопловыми агрегатами, в одной из которых установлено колесо компрессора, а в другой - рабочее колесо турбины, которые закреплены на одном валу, установленным в корпусе, камеру сгорания, теплообменник, выпускной и впускной патрубки /см. стр. 101. Политехнический словарь. Изд. Советская энциклопедия, Москва, 1977 г. и стр. 220. Краткий политехнический словарь. Гос. изд. технико-теоретической литературы, Москва, 1956/.

В таких газотурбинных двигателях сжатие атмосферного воздуха производится в специальных компрессорах и подается в камеру сгорания одновременно с топливом, которое, сгорая, нагревает воздух и в результате этого образуется избыточное давление газов, которое затем в турбине преобразуется в механическую работу, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в копрессоре.

Газотурбинные двигатели могут работать на газообразном, жидком и твердом топливах. Для повышения КПД тепло, содержащееся в газе, выходящее из турбины, используется в рабочем цикле двигателя для подогрева сжатого воздуха в теплообменнике, поступающего затем в камеру сгорания.

Характерной конструктивной особенностью у всех известных газотурбинных двигателей является то, что каждый термодинамический процесс цикла осуществляется в отдельном специальном устройстве, которые располагаются вдоль общего вала в определенной последовательности, т.е. сжатие рабочего тела производится в компрессоре, подвод тепла - в камере сгорания и расширение газов с совершением полезной работы - в газовой турбине.

Наличие разрозненных механизмов приводит к усложнению и габаритам газотурбинных двигателей.

Однако известно, что газотурбинные двигатели по сравнению с поршневыми двигателями имеют более простую конструкцию, значительно меньше габариты и вес. Современные газотурбинные двигатели дешевы в производстве и удобны в эксплуатации хорошо запускаются в зимний период.

Принцип действия газотурбинных двигателей основан на взаимодействии струи рабочего тела с криволинейными лопатками ротора, причем струя рабочего тела подводится к лопаткам ротора перпендикулярно к плоскости вращения. Для более эффективного использования напора рабочего тела на лопатки рабочего колеса, рабочее колесо выполняется многодисковым, многорядным.

Недостатками таких газотурбинных двигателей является их низкая экономичность, а также большие габариты и малая мощность.

Известен также газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами, являющийся более ближайшим по устройству к предложенному, включающий в себя разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, четыре сопряженные турбины, установленные в полости корпуса на параллельных валах. Каждая из которых выполнена в виде плоскостенного диска, жестко закрепленного на валу. На окружной поверхности каждого диска выполнены радиальные впадины, отстоящие друг от друга через равные выступы, равномерно распределенные по окружности диска. Затвор отсутствует /см. DЕ 3424310, МПК F 02 С 5/04, 1986/.

Недостатками указанного газотурбинного двигателя будут являться большие габариты, низкая экономичность и мощность.

Все указанные недостатки отсутствуют у предлагаемого газотурбинного двигателя, кроме того, он имеет ряд преимуществ, а именно:
- отсутствует компрессорный механизм, в результате этого не расходуется энергия на сжатие рабочей смеси, т.к. сжатие происходит за счет избыточного давления газов в камере сгорания, которые задействованы в замкнутом цикле;
- компактный;
- сжатие и нагрев свежего воздуха осуществляется за счет подвода рабочих газов, задействованных в замкнутом цикле, причем чем выше будет давление в камере сгорания, тем сильнее будет сжиматься рабочее тело, поступившее в нее, тем эффективнее будет использоваться топливо при сгорании и тем выше будет давление в камере сгорания, т.е. происходит прямая зависимость. В известных ГТД такого взаимного эффекта получить нельзя без нанесения ущерба свежему заряду рабочей смеси;
- все термодинамические процессы протекают также непрерывно, но расположены вдоль окружности рабочего колеса, причем на долю рабочего процесса отводится более половины окружной поверхности рабочего колеса, что будет равняться по эффективности преобразования крутящего момента в механическую работу многодисковой, многорядной турбине;
- лопатки турбины проходят все стадии термодинамических процессов: нагревание, сжатие, рабочий процесс и продувание в течение одного оборота, поэтому успевают охладиться от высоких температур в процессе продувки, что позволяет выполнять лопатки турбины из более низких жаропрочных материалов;
- выпуск расширяющихся газов осуществляется у самого основания лопаток рабочего колеса с последующим подъемом его к окружной поверхности лопаток по направляющим пластинам затвора, что позволяет увеличить крутящий момент и КПД рабочего тела;
- продув полостей от отработанных газов осуществляется принудительным образом, но без дополнительных механизмов.

Для повышения мощности также можно использовать отдельный компрессор. Также может осуществляться смешанная подача топлива одновременно от карбюратора и через форсунку, переходить при работающем двигателе с одного вида топлива на другое, использовать все виды топлива.

Как особенностью, как новым положительным эффектом, не известным ранее, у предлагаемого двигателя с целью повышения КПД рабочего тела является то, что струя расширяющихся газов /напор/ подводится к лопаткам рабочего колеса в вырез, выполненный в затворе, у основания лопаток. В результате этого выигрывается полезный крутящий момент, возникающий за счет разности противодействующих сил, приложенных к лопаткам рабочего колеса.

Известно, что точкой опоры взрыва является центр взрыва. Дальнейшее расширение взрыва можно ограничить направляющими стенками взрыва, в результате которых можно получить действующую и противодействующую силы, равные по величине, но приложенные к разным плечам по величине от общего центра, т.е. аналогично радиальным лопаткам у роторных насосов, у которых рабочее плечо лопаток при вращении возрастает от основания к окружности.

Единственным недостатком у предлагаемого двигателя является то, что при использовании твердого топлива лопатки рабочего колеса подвержены большему риску к износу по сравнению с известными газотурбинными двигателями.

С целью устранения указанных недостатков, уменьшения габаритов, повышения мощности и экономичности в основу предлагаемого газотурбинного двигателя взят принцип действия вихревого насоса, который опубликован в бюллетене 25 от 05.08.1969 г., 234150, содержащий разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, вал с рабочим колесом, состоящим из двух дисков, облопаченных с торцов и разделяющихся междисковой втулкой, облопаченной по внешней окружности, образуя между лопатками с трех сторон проточный гидравлический канал, в профиль которого установлен между входным и выходным окнам разделяющий окна затвор, жестко связанный с корпусом.

Принцип действия его основан на взаимодействии рабочего тела с лопатками, расположенными с трех сторон проточного канала.

Цель достигается за счет того, что рабочее колесо состоит из набора нескольких плоскостенных дисков равного диаметра, разделяющихся между собой междисковыми втулками, жестко закрепленными вместе с дисками на общей ступице, которая закреплена на валу. По окружности каждого диска выполнено несколько радиальных впадин, отстоящих друг от друга через равные выступы /лопатки/, образуя между выступами на дисках щелеобразные проточные каналы. Между выпускным окном, выполненным в корпусе, и камерой сгорания установлен съемный разделяющий окна затвор, жестко связанный с корпусом и выполненный из пакета пластин с промежутками между ними и в обратной конфигурации профилю рабочего колеса. Затвор снабжен поперечным, сквозным продувочным окном, проходящим через пластины затвора и стенки корпуса, камерой сжатия, выполненной в виде поперечного сквозного окна, проходящего через пластины затвора, сообщающегося с нагнетательным окном, выполненным в корпусе, камерой зажигания, выполненной в корпусе и сообщающейся с полостями между пластин затвора с установленными свечами зажигания и топливной форсункой на корпусе. Продувочное окно, камера сжатия и камера зажигания разнесены друг от друга на расстояние, превышающее расстояние размера впадины между выступами. Окно камеры сжатия сообщается через систему патрубков с карбюратором, который сообщается с баллоном высокого давления, а баллон сообщается с нагнетательным окном, выполненным на стенке корпуса, которое сообщается с камерой сгорания. На средней части затвора, со стороны вала, выполнен выступ с восходящим вырезом к окружной поверхности затвора. Выступ отстоит от камеры зажигания на расстоянии, равном ширине лопатки колеса.

На фиг.1 показан газотурбинный двигатель в сборе, разрез по А-А, на фиг. 3; на фиг.2 - баллон высокого давления; на фиг.3 - газотурбинный двигатель, вид сбоку со снятой стенкой; на фиг.4 - затвор, вид сбоку; на фиг.5 - затвор, разрез по А-А на фиг.4.

Газотурбинный двигатель содержит разъемный корпус 1 с цилиндрической полостью и боковые стенки 2 и 3. В полости корпуса установлено рабочее колесо, состоящее из плоскостопных дисков 4 с выступами /лопатками/ 5 и радиальными впадинами 6 /всего 12 дисков по 16 выступов и впадин на каждом диске/. Диски 4 разделены междисковыми втулками 7. Втулки и диски жестко закреплены на общей ступице 8, которая закреплена на валу 9. Между дисками с выступами образуются щелеобразные проточные каналы 10. Рабочее колесо с валом свободно вращаются в стенках корпуса.

Принципиально новое устройство представляет собой затвор 11 /см. фиг.4 и 5/. Затвор выполняет главную роль, в полостях его пластин подготавливаются и формируются все термодинамические процессы, и он же является разделительной стенкой между камерой высокого давления с газами и выпускным окном. Кроме того, вторая половина затвора направляет движение рабочих газов от основания лопаток вдоль окружности рабочего колеса по проточным каналам. Затвор выполнен съемным в виде пакета пластин 12 с промежутками 13 между ними, причем конфигурация профиля затвора выполнена в обратной конфигурации профиля дисков и каналов 10 рабочего колеса. Пластины 12 выполнены заодно /как один из возможных вариантов/ с основанием затвора 11. Пластины затвора свободно входят в щелеобразные каналы 10 между дисков колеса.

Лопатки /выступы/ 5 дисков свободно входят в промежутки 13 между пластин затвора. Окружная внутренняя поверхность пластин 12 затвора, со стороны вала, сопрягается с минимальным зазором с наружной поверхностью междисковых втулок 7, а наружная окружная поверхность лопаток 5 сопрягается с минимальным зазором с окружными внутренними поверхностями промежутков 13 между пластинам затвора. За счет этого достигается необходимая герметичность между камерами от прорыва газов из области высокого давления в область низкого давления. Затвор /фиг.4 и 5/ занимает половину внутренней полости корпуса /180 град. /. Половина затвора от торца 14 до разреза по А-А относится к области камер /камера поперечного продува, камера сжатия и камера зажигания/, а вторая часть от линии разреза по А-А и до конца его 15 относится к области направляющего сектора с высоким давлением газов, щелевые полости которого сообщаются с полостью камеры сгорания. Камера сгорания занимает вторую половину /180 град./ полости корпуса и заканчивается выпускным окном 16, выполненным в корпусе в одной плоскости с передним торцом 14 затвора. Направляющий сектор имеет овальный вырез 17, начало которого начинается от выпускного выступа 18. Затвор снабжен поперечным продувочным окном 19 и выпускным окном 20, выполненным на окружной поверхности затвора 11 и корпуса 1. Поперечное продувочное окно выполнено сквозным через все пластины затвора и стенки 2 и 3 корпуса. Камера сжатия 21 выполнена также в виде поперечного окна через все пластины затвора /стенки корпуса закрыты/ и сообщается с нагнетательным окном 22, выполненным на окружной поверхности затвора 11 и корпуса 1. Камера зажигания выполнена на окружной поверхности затвора 11 и корпуса 23, которая сообщается с промежутками между пластин затвора и снабжена свечами зажигания 24 /2 шт./ и топливной форсункой 25. Выпускное окно 16, продувочное окно 19, камера сжатия 21 и камера зажигания 23 разнесены между собой на расстояния, размер которых превышает размер впадины 6 между лопатками. Выпускной выступ 18 выполнен у основания лопаток 5. Размер выступа по высоте выбран минимальным для достижения наименьшего плеча обратного действия, крутящего момента и с целью повышения КПД. Нагнетательное окно 22 сообщается через систему патрубков /не показано/ с карбюратором 25, который сообщается с баллоном высокого давления 26 через регулирующий вентиль, связанным с управлением /не показано/. Баллон сообщается через систему патрубков, снабженных обратным клапаном /не показано/, и фланец 27 с выходным, нагнетательным окном 28, выполненным на стенке корпуса, сообщающимся с полостью камеры сгорания.

Затвор жестко крепится в полости корпуса полуцилиндром 29, стыкующимся по диаметральной плоскости в местах 15 и 30. Корпус снабжен поперечными сквозными продувочными окнами 31 для охлаждения корпуса.

Работает следующим образом.

В режиме смешанной подачи топлива запуск производится в первую очередь с подачи рабочей смеси от карбюратора 25, использующего более легкое топливо для лучшего воспламенения при слабом сжатии от свечи зажигания. Для осуществления такой подачи топлива содержится баллон высокого давления 26, который содержит отработанный газ с давлением, равным давлению газов в камере сгорания при максимальной мощности двигателя. При открытии регулирующего вентиля /не показано/ газ пойдет через карбюратор 25, где будет засасывать топливо и подавать эту смесь в камеру сжатия 21 через окно 22. Объем камеры 21 будет определяться размером полости 21 и объемом впадин 6. При вращении рабочего колеса с лопатками 5 по часовой стрелке полость 6 переместится от камеры сжатия к камере зажигания 23, где произойдет поджег рабочей смеси от свечи зажигания и дополнительный впрыск топлива от форсунки 25. При дальнейшем повороте рабочего колеса на угол, равный ширине лопатки 5, разогретое рабочее тело поступит из полости 6 к выпускному выступу 18. Полость выступа будет играть роль опорной точки при взрыве и газы, расширяясь, будут отталкиваться от выступа 18 и давить /по стрелкам/ по направляющему вырезу 17 к вершинам лопаток, увеличивая рабочий рычаг за счет увеличения длины лопаток. Горячее рабочее тело заполнит всю полость камеры сгорания и по проточным каналам устремится к выпускному окну 16, увлекая за собой все лопатки, находящиеся в полости камеры сгорания, создавая вращение рабочему колесу. Проточные каналы 10, чередуясь с полостями 6, будут создавать завихрения газов за счет периодического сужения и расширения проточных каналов 10 и полостей 6, прохождение газов будет затормаживаться и создаваться напор газов на лопатки колеса. Для достижения наибольшего действующего эффекта на лопатки при расширении газов проточные каналы 10 выполняются как можно уже и будут зависить от толщины пластин затвора.

Дойдя до торцевой поверхности 14 затвора, лопатки 5 будут входить в щели 13 между пластинами, при этом пластины затвора будут вытеснять отработанные газы из проточных каналов, и этим самым будет производиться принудительная очистка полостей от отработанных газов; дойдя до продувочного поперечного окна 19, будет происходить вторичное очищение полостей 6 от отработанных газов. Свежий воздух будет поступать с двух сторон в полость 19 и вытеснять газы в выпускное окно 20. Принудительный продув полостей будет происходить за счет того, что низ у лопаток несколько шире по отношению к верхней ее части и при подходе к кромкам полостей происходит неодновременное схождение кромок/эффект ножниц/. Сначала будут сходиться нижние кромки, а затем верхние, и за счет этого эффекта отработанные газы будут выталкиваться в окно 20, а свежий заряд воздуха заполнит полости 6. Затем полости 6 переместятся в камеру сжатия 21. Сжатие воздуха будет осуществляться за счет избыточного давления горячих газов в камере сгорания в процессе работы. Давление газов будет подаваться через окно 28, систему патрубков /не показано/, фланец 27 с обратным клапаном /не показано/, баллон 26, карбюратор 25, систему патрубков, нагнетательное окно 22 и камеру сжатия 21. Отобранное избыточное давление у камеры сгорания на сжатие и нагрев свежей порции рабочего тела не потеряется, а лишь совершит замкнутый цикл и будет постоянно задействовано в этом цикле.

После сжатия и нагрева рабочей смеси полость 6 со свежим зарядом рабочего тела окажется вновь в камере зажигания 23, где свечи зажигания воспламенят рабочее тело и, не успев полностью сгореть, камера с расширяющимся газом переместится к выступу 18, и по направляющей полости 17 газы вырвутся от основания лопаток к их окружной поверхности и создадут напор на лопатки колеса, двигаясь по проточным каналам к выходу 16.

Полную возможность сгорания топлива смесь получит в камере сгорания. В ней будет поддерживаться непрерывное сгорание топлива при постоянном объеме и давлении, а также и температуре.

После запуска двигателя свечи зажигания можно отключить, так как процесс сгорания топлива происходит непрерывно. Свежий заряд рабочего тела будет поступать с частотой, равной числу полостей 6 у рабочего колеса. После запуска двигателя можно перейти на более тяжелое и дешевое топливо с подачей от форсунки 25, для чего достаточно перекрыть подачу топлива к карбюратору в патрубке 32, а вся остальная схема останется без изменения.

При выключенном двигателе давление газа в баллоне 26 удерживается за счет обратного клапана со стороны фланца 27 и регулирующим вентилем со стороны карбюратора 25, связанных с рычагом управления /не показано/. Баллон высокого давления 26 необходим для запаса сжатого воздуха /газа/ для запуска, а также для лучшего обеспечения процесса всасывания топлива от карбюратора и подогрева топлива, поступающего к карбюратору.

Для обеспечения более уверенного запуска двигателя в любое время года и с целью экономии сжатого газа и топлива на момент запуска двигателя можно установить автоматическую заглушку, закрывающую выходное окно 16 для создания в камере сгорания необходимого давления для воспламенения топлива, а после воспламенения топлива и возникновения достаточного давления газов, заглушка открывается автоматически под действием напора газов.

Газотурбинный двигатель содержит разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, в полости которого установлено турбинное колесо, которое состоит из нескольких плоскостенных дисков равного диаметра, разделяющимися междисковыми втулками. Междисковые втулки жестко закреплены вместе с дисками на общей ступице, установленной на валу. По окружности каждого диска выполнены и равномерно распределены несколько впадин и выступов. Газотурбинный двигатель содержит съемный затвор, выполненный из пакета пластин на общем основании с промежутками между пластинами в обратной конфигурации профиля рабочего колеса и установленный между выпускным окном и камерой сгорания. Затвор содержит поперечное продувочное окно, проходящее через стенки пластин и стенки корпуса, сообщающееся с выпускным окном, выполненным в корпусе. Через стенки пластин затвора проходит камера сжатия, сообщающаяся с нагнетательным окном, выполненным в корпусе. Камера зажигания, выполненная в корпусе, сообщается с полостями пластин затвора. Выпускное окно, продувочное окно, камера сжатия и камера зажигания разнесены друг от друга на расстояние, превышающее размер впадины между выступами дисков. Окно камеры сжатия сообщается с карбюратором, который сообщается с баллоном высокого давления. На средней части затвора со стороны вала выполнен выступ, отстоящий от камеры зажигания на расстоянии, равном ширине лопатки рабочего колеса с восходящим вырезом к окружной поверхности затвора. Изобретение повышает мощность газотурбинного двигателя. 5 ил.

Газотурбинный двигатель, содержащий разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, в полости которого установлено турбинное колесо, по окружности которого выполнены радиальные впадины с выступами, равномерно распределенные по окружности колеса, отличающийся тем, что в полости корпуса установлено одно турбинное колесо, которое состоит из нескольких плоскостенных дисков равного диаметра, разделяющихся междисковыми втулками, жестко закрепленными вместе с дисками на общей ступице, закрепленной на валу, по окружности каждого диска выполнены и равномерно распределены несколько впадин и выступов, содержит съемный затвор, выполненный из пакета пластин на общем основании с промежутками между пластинами в обратной конфигурации профиля рабочего колеса и установленный между выпускным окном и камерой сгорания, затвор содержит поперечное продувочное окно, проходящее через стенки пластин и стенки корпуса, сообщающееся с выпускным окном, выполненным в корпусе, камеру сжатия, проходящую через стенки пластин затвора и сообщающуюся с нагнетательным окном, выполненным в корпусе, камеру зажигания, выполненную в корпусе с установленными свечами зажигания и топливной форсункой, сообщающейся с полостями пластин затвора, причем выпускное окно, продувочное окно, камера сжатия и камера зажигания разнесены друг от друга на расстояние, превышающее размер впадины между выступами дисков, окно камеры сжатия сообщается через систему патрубков с карбюратором, который сообщается с баллоном высокого давления через регулирующий вентиль, а баллон сообщается через систему патрубков и обратный клапан с нагнетательным окном, выполненным в стенке корпуса, сообщающимся с камерой сгорания, на средней части затвора со стороны вала выполнен выступ, отстоящий от камеры зажигания на расстоянии, равном ширине лопатки рабочего колеса с восходящим вырезом к окружной поверхности затвора.