ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F02C3/32 F02C3/16 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к газотурбинным ДВС, и может быть использовано в различных областях техники как первичный двигатель.

Известны газотурбинные ДВС, содержащие вращающееся рабочее колесо турбины, кинематически связанное с осевым лопаточным или центробежным компрессором, нагнетающим воздух в изобарическую камеру сгорания. На периферии колеса турбины расположены лопатки сложного профиля, на которые направляет рабочую среду сопло, соединенное с выходом камеры сгорания [В.А.Кириллин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. Техническая термодинамика, М.: Энергоатомиздат, 1983, стр.273-285, рис.10.12].

Недостатками таких ДВС являются: сложность и дороговизна изготовления многочисленных высоконагруженных деталей, повышенная масса, высокий уровень вибраций, низкая живучесть даже при незначительных повреждениях, ограниченный диапазон рабочих режимов в области «КПД - число оборотов - весовая удельная мощность» из-за наличия кинематической связи турбины с компрессором и конструктивно-технологических ограничений - температура лопаток турбины допускается до 1300 К при окружной скорости до 450 м/с.

Известна Газотурбинная установка [патент РФ №2078228, кл. F 02 С 3/16, 10.06.1994], содержащая кинематически связанные компрессор и реактивную турбину в виде тела вращения с реактивными соплами, установленными тангенциально периферийной поверхности турбины, и камеру сгорания, выполненную в объеме реактивной турбины. Такая ГТУ несколько проще по конструкции, имеет меньшие массу и габариты и больший диапазон рабочих режимов, поскольку температура газового потока ограничена только развитием диссоциации газовой смеси - 3500 К. Тем не менее, имеется ограничение по диапазону чисел оборотов турбины из-за наличия кинематической связи турбины с компрессором.

Известна Газотурбинная установка (прототип) [патент России №1757273, кл. F 02 С 3/32, 12.12.1989], содержащая турбину и эжектор, эжектируемый вход которого соединен с атмосферой, сопло - с выходом камеры сгорания. Выход эжектора соединен со входом турбины и, частично, со входом диффузора, выход которого подключен ко входу камеры сгорания. Такая ГТУ имеет более широкий диапазон чисел оборотов турбины (вплоть до отрицательных), поскольку параметры потока на входе в турбину не зависят от числа ее оборотов. Однако сохраняются ограничения по КПД, поскольку только часть свежего воздуха в смеси с продуктами сгорания отводится с выхода эжектора на сжатие и используется для сжигания топлива, остальной подмешиваемый воздух только бесполезно тормозит поток, направленный на лопатки рабочего колеса турбины. Кроме того, конструкция ГТУ остается достаточно сложной.

Целью изобретения является упрощение конструкции, увеличение весовой удельной мощности и повышение КПД ДВС.

Сущность изобретения состоит в том, что в ДВС, содержащем реактивную турбину, выполненную в виде тела вращения с реактивными соплами, установленными тангенциально периферийной поверхности турбины, камеру сгорания, выполненную в объеме реактивной турбины, диффузор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, и эжектор, сопло которого подсоединено к камере сгорания, а эжектируемый вход связан с атмосферой, диффузор и эжектор выполнены в объеме турбины. Это позволяет все функциональные блоки объединить в единый узел, что предельно упрощает конструкцию и увеличивает весовую удельную мощность: весь ДВС представляет собой ротор, с вала которого отбирается полезная мощность и не обязателен даже корпус, поскольку для крепления опор ротора могут быть использованы прочие узлы конкретной энергоустановки. Кроме того, в ДВС выход эжектора соединен со входом диффузора полностью. Это позволяет предельно снизить потери на смещение, поскольку в эжекторе подмешивается ровно столько воздуха, сколько его необходимо для сжигания топлива.

На чертежах изображена конструктивная схема ДВС: на фиг.1 - поперечный разрез, на фиг.2 - осевой разрез.

ДВС состоит из эжектора, содержащего камеру смешения 1, сверхзвуковое сопло 2 и открытый в атмосферу воздухозаборник 3. Камера смешения 1 переходит в сверхзвуковой диффузор 4, выход которого переходит в камеру сгорания 5 с форсунками подачи топлива 6. Выход камеры сгорания 5 переходит в два щелевых сопла: реактивное 7 и эжекторное 2. Все перечисленные узлы ДВС составляют единое целое и закреплены на валу 8, вращающемся в подшипниковых опорах 9.

В камере смешения 1 эжектора создается сверхзвуковой поток смеси продуктов сгорания, ускоренных соплом 2 эжектора, и атмосферного воздуха, эжектированного через воздухозаборник 3. Поток адиабатно тормозится в диффузоре 4 до дозвуковой скорости с соответствующим повышением его давления и температуры и попадает в камеру сгорания 5, где температура его дополнительно повышается за счет сгорания топлива, подаваемого через форсунки 6. Реактивное сопло 7 срабатывает высокотемпературный газ и создает крутящий момент на валу 8, вращающемся в подшипниках опор 9. Запуск ДВС можно осуществить, например, впрыском сжатого воздуха в воздухозаборник 3.

Двигатель внутреннего сгорания содержит реактивную турбину, выполненную в виде тела вращения с реактивными соплами, установленными тангенциально периферийной поверхности турбины, камеру сгорания, выполненную в объеме реактивной турбины, диффузор и эжектор. Выход диффузора соединен с входом камеры сгорания. Сопло эжектора подсоединено к камере сгорания, а эжектируемый вход связан с атмосферой. Диффузор и эжектор выполнены в объеме турбины. Выход эжектора полностью соединен со входом диффузора. Изобретение направлено на упрощение конструкции и повышение КПД. 2 ил.

Двигатель внутреннего сгорания, содержащий реактивную турбину, выполненную в виде тела вращения с реактивными соплами, установленными тангенциально периферийной поверхности турбины, камеру сгорания, выполненную в объеме реактивной турбины, диффузор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, и эжектор, сопло которого подсоединено к камере сгорания, а эжектируемый вход связан с атмосферой, отличающийся тем, что диффузор и эжектор выполнены в объеме турбины, причем выход эжектора полностью соединен со входом диффузора.