ТУРБОПОРШНЕВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2003 года по МПК F02B71/06 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Значительным недостатком современных двигателей внутреннего сгорания является наличие у них кривошипно-шатунного механизма, так как это служит причиной увеличенных масс и габаритов, а также ограничивает экономичность, которая в настоящее время у них приблизилась к непреодолимому пределу.

Известны турбопоршневые установки, функционирующие по открытому циклу, содержащие свободнопоршневые генераторы газа, а также исполнительные газовые турбины (см. БСЭ, т. 23, М., 1976, стр. 88).

Основным недостатком этих установок является неоптимальность выбранных соотношений некоторых параметров рабочего процесса (ниже допустимых). Это понижает экономичность настолько, что установки оказались неконкурентоспособны.

Известна также турбопоршневая установка, содержащая исполнительную газовую турбину и свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с компрессором (см. П.А. Шелест Комбинированные турбопоршневые двигатели. М., МашГИЗ, стр. 13, фиг.7).

Недостатком этой установки также является повышенный расход топлива при умеренных параметрах рабочего процесса.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение (при использовании технических резервов свободнопоршневых двигателей) потенциальной энергии рабочего тела и теплоиспользования в процессе преобразования этой энергии в полезную работу исполнительной турбины.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении экономичности при существенном сокращении расхода топлива по сравнению с современным дизельным двигателем с кривошипно-шатунным механизмом, имеющим равные рабочий объем и цилиндровую мощность.

Поставленная задача решается тем, что турбопоршневая установка, содержащая исполнительную газовую турбину и свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с компрессором, отличается тем, что использованные турбина с промежуточным подогревом рабочего тела, компрессор двигателя, регенератор и холодильник объединены замкнутым контуром, в котором в качестве рабочего тела использован инертный газ, например азот, при этом использован свободнопоршневой двигатель, выход компрессорного цилиндра которого связан через первое трубное пространство регенератора с входом в турбину, промежуточный выход которой связан через второе трубное пространство регенератора с промежуточным входом турбины, выход которой через холодильник связан с входом компрессорного цилиндра, при этом вход продувочного цилиндра свободнопоршневого двигателя связан с окружающей средой, а выход продувочного цилиндра связан через воздушный ресивер с входом в дизельный цилиндр и выход дизельного цилиндра связан через затрубное пространство регенератора с окружающей средой.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак "... использованные турбина с промежуточным подогревом рабочего тела, компрессор двигателя, регенератор и холодильник объединены замкнутым контуром. .." позволяет увеличить сжатие в поршневом компрессоре и, применяя в контуре инертный газ, исключить воспламенение смазочного масла в условиях высокой температуры, возникающих при большом сжатии, а также позволяет получить необходимое теплосодержание рабочего тела перед турбиной путем утилизации в регенераторе тепла отработавших в цилиндре двигателя продуктов сгорания.

Признак "... в качестве рабочего тела использован инертный газ, например азот. . . " позволяет сжимать его в поршневом компрессоре с большей степенью повышения давления, чем при сжатии воздуха, что ведет к повышению потенциальной энергии рабочего тела.

Признак "... при этом использован свободнопоршневой двигатель..." позволяет получить более высокую потенциальную энергию рабочего тела перед турбиной при меньшей затрате на это топлива в рабочем цилиндре двигателя.

Признаки "... выход компрессорного цилиндра которого связан через первое трубное пространство регенератора с входом в турбину, промежуточный выход которой связан через второе трубное пространство регенератора с промежуточным входом турбины, выход которой через холодильник связан с входом компрессорного цилиндра, при этом вход продувочного цилиндра свободнопоршневого двигателя связан с окружающей средой, а выход продувочного цилиндра связан через воздушный ресивер с входом в дизельный цилиндр и выход дизельного цилиндра связан через затрубное пространство регенератора с окружающей средой.. ." обеспечивает увязку ряда элементов установки в замкнутый контур.

Принципиальная схема установки с замкнутым контуром дана на чертеже.

Турбопоршневая установка содержит свободнопоршневой двигатель 1, исполнительную газовую турбину 2 с промежуточным подогревом, регенератор 3, холодильник 4 и трубопровод замкнутого контура 5, связывающий ряд элементов установки. Полезная работа установки поглощается потребителем 6.

Свободнопоршневой двигатель 1 используют как дизель-компрессор, большая часть работы дизельного цилиндра которого используется на привод поршневого компрессора, сжимающего инертный газ (рабочее тело замкнутого контура), меньшая - на привод продувочного нагнетателя. Он состоит из рабочего цилиндра 1.1, пускового устройства 1.2, топливного насоса 1.3, поршневых групп 1,4, компрессорного цилиндра 1.5 с полостью продувочного нагнетателя, компрессорного цилиндра 1.6 и воздушного ресивера 1.7.

При этом полость продувочного нагнетателя компрессорного цилиндра 1.5, воздушный ресивер 1.7, рабочий цилиндр 1.1. свободнопоршневого двигателя 1, затрубное пространство регенератора 3 функционируют в открытом цикле, а исполнительная газовая турбина 2 с промежуточным подогревом, компрессорный цилиндр 1.6 свободнопоршневого двигателя 1, внутритрубное пространство регенератора 3 и холодильник 4 функционируют в замкнутом цикле.

Установка работает следующим образом.

Пуск установки начинают с пуска свободнопоршневого двигателя 1 с помощью пускового устройства 1.2. Процесс пуска и работы на переходном процессе с выходом на заданный установившийся режим происходит общеизвестным образом. На установившемся режиме поршневые группы 1.4 свободнопоршневого двигателя 1 совершают синхронизированные противоположные движения. Во время прямого хода в рабочем цилиндре 1.1 горячие продукты сгорания, расширяясь, совершают работу, при этом поршневые группы 1.4 свободнопоршневого двигателя 1 движутся под действием сил давления газов, разгоняясь в начале пути. В то же время в полость продувочного нагнетателя компрессорного цилиндра 1.5 всасывается воздух из окружающей среды, а в компрессорных цилиндрах 1.5 и 1.6 совершаются сжатие и подача рабочего инертного газа к первому трубному пространству регенератора 3 для подогрева, откуда он поступает на первую ступень исполнительной газовой турбины 2, где совершает часть полезной работы. Затем возвращается во второе трубное пространство регенератора 3 для промежуточного подогрева, откуда идет на вторую ступень исполнительной газовой турбины 2, где совершает остальную часть полезной работы.

Из исполнительной газовой турбины 2 с промежуточным подогревом инертный газ поступает в холодильник 4, где отдает неиспользованную теплоту в окружающую среду, затем он поступает на вход компрессорных цилиндров 1.5 и 1.6, и замкнутый цикл повторяется. В конце прямого хода рабочие поршневые группы 1.4 в рабочем цилиндре 1.1. открывают газораспределительные (выпускные и продувочные) окна (не показаны). Отработавшие газы, вытекая из рабочего цилиндра 1.1 через выпускные окна, поступают в затрубное пространство регенератора 3, подогревают рабочий инертный газ замкнутого контура 5 и уходят в окружающую среду. Немного позже после выпускных открывают продувочные окна, через которые (пока они остаются открытыми) поступает из ресивера 1.7 воздух на продувку и происходит наполнение рабочего цилиндра 1.1.

Во время обратного хода поршневые группы 1.4 вначале движутся с разгоном под действием сил упругости оставшейся в мертвых пространствах компрессорных цилиндров 1.5 и 1.6 части сжатого рабочего инертного газа после выпуска в замкнутый контур 5. При этом в рабочем цилиндре 1.1 (после закрытия выпускных окон) начинается сжатие свежего заряда воздуха, а из полости продувочного нагнетателя компрессорного цилиндра 1.5 подается воздух в ресивер 1.7. На второй половине хода поршневые группы 1.4 движутся по инерции, в компрессорных цилиндрах 1.5 и 1.6 происходит всасывание и в рабочем цилиндре 1.1 продолжается сжатие, при этом движение поршневых групп 1.4 замедляется под действием на них возрастающих сил давления сжимаемого в рабочем цилиндре 1.1 воздуха. Перед остановкой поршневых групп 1.4 происходит впрыск топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра 1.1, поданного топливным насосом 1.3. Затем происходит воспламенение, и цикл повторяется.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания. Достигаемый технический результат выражается в повышении топливной экономичности по сравнению с традиционными двигателями. Турбопоршневая установка содержит исполнительную газовую турбину и свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с компрессором. Турбина с промежуточным подогревом рабочего тела, компрессор двигателя, регенератор и холодильник объединены замкнутым контуром, в котором в качестве рабочего тела использован инертный газ, например азот. Свободнопоршневой двигатель имеет выход компрессорного цилиндра, который связан через первое трубное пространство регенератора с входом в турбину. Промежуточный выход турбины связан через второе трубное пространство регенератора с промежуточным входом турбины. Выход турбины через холодильник связан с входом компрессорного цилиндра. Вход продувочного цилиндра свободнопоршневого двигателя связан с окружающей средой, а выход его связан через воздушный ресивер с входом в дизельный цилиндр. Выход дизельного цилиндра связан через затрубное пространство регенератора с окружающей средой. 1 ил.

Турбопоршневая установка, содержащая исполнительную газовую турбину и свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания с компрессором, отличающаяся тем, что использованные турбина с промежуточным подогревом рабочего тела, компрессор двигателя, регенератор и холодильник объединены замкнутым контуром, в котором в качестве рабочего тела использован инертный газ, например азот, при этом использован свободнопоршневой двигатель, выход компрессорного цилиндра которого связан через первое трубное пространство регенератора с входом в турбину, промежуточный выход которой связан через второе трубное пространство регенератора с промежуточным входом турбины, выход которой через холодильник связан с входом компрессорного цилиндра, при этом вход продувочного цилиндра свободнопоршневого двигателя связан с окружающей средой, а выход продувочного цилиндра связан через воздушный ресивер с входом в дизельный цилиндр и выход дизельного цилиндра связан через затрубное пространство регенератора с окружающей средой.