ГАЗОВЫЙ ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
GAS TURBINE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых химическая энергия топлива преобразуется в механическую, и может быть использовано в любых технических установках, где требуется создание вращательного движения отдельных элементов.
Известен водяной реактивный двигатель, находящийся под микропроцессорным управлением и содержащий соосно горизонтально расположенные входное устройство, сопло, на одном валу установленные насос высокого давления, насос низкого давления и турбину, имеющем внутренний контур, состоящий из камеры высокого давления воды шарообразной формы, в верхней части которой выполнен гофрированный расширительный элемент, соединенной с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а в нижней части через электромагнитные клапаны с несколькими камерами сгорания, каждая из которых представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника и с некоторым смещением от оси через электромагнитный клапан трубчатое соединение с атмосферой, а выход в нижней части выполнен в виде вертикальной трубы с инжектором, внутренняя полость которого через односторонний клапан соединена с внешним контуром, плавно переходящей в горизонтальную и после одностороннего клапана соединенную с выходящим во внешнюю воду общим соплом, внутри которого установлена турбина, и внешний контур, охватывающий горизонтальные части выходов камер сгорания и общее сопло. В этом водяном реактивном двигателе в верхней части каждой из камер сгорания радом с двумя электродами электроразрядника выполнены два входа, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами. Один из них имеет соединение с баллоном природного газа, а другой с баллоном сжатого воздуха, контактирующего с атмосферой через компрессор (Климович А.В., Климович М.А., Климович С.А. Водяной реактивный двигатель. Патент РФ №2632676, заявка №2016125507, приоритет 24.06.2016, зарегистрирован 09.10.2017, опубликован 09.10.2017, бюл. №28). В рассматриваемом водяном реактивном двигателе вода, расположенная в вертикальной трубе с инжектором и нижней части камеры сгорания интенсивно выбрасывается через общее сопло во внешнюю воду благодаря воспламенению смеси воздуха и газа, создаваемой в упомянутой камере сгорания при контролируемом микропроцессорной системой управления открытии соответствующих игольчатых электромагнитных клапанов и возникновении трубчатого соединения с баллонами природного газа и воздуха, так как такое воспламенение имеет характер взрыва. Рассмотренный водяной реактивный двигатель предназначен для реализации тягового усилия на водном транспортном средстве и не способен создать вращательное движение с соответствующим крутящим моментом отдельных его элементов, крайне необходимое в ряде машин и механизмов.
Известен также турбинный двигатель внутреннего сгорания (выбран в качестве прототипа), находящийся под микропроцессорным управлением и содержащий несколько описанных выше водяных реактивных двигателей, каждый из которых имеет камеру высокого давления воды шарообразной формы, в верхней части которой выполнен гофрированный расширительный элемент, соединенной с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а в нижней части через электромагнитный клапан с камерой сгорания, представляющей собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника и с некоторым смещением от оси через электромагнитный клапан трубчатое соединение с атмосферой, а также два входа, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами, причем один из них имеет соединение с баллоном природного газа, а другой с баллоном сжатого воздуха, контактирующего с атмосферой через компрессор. В нижней же части камеры сгорания выполнен выход в виде вертикальной трубы с инжектором, внутренняя полость которого через односторонний клапан имеет трубчатое соединение с нижней частью камеры низкого давления с гофрированным расширительным элементом, соединенной через вертикальную трубу с насосом низкого давления. Вертикальный вал турбинного двигателя внутреннего сгорания закреплен в шарикоподшипниковых опорах, в его нижней части установлены насосы высокого и низкого давления, которые погружены в воду, находящуюся на дне картера, над последними выполнена коническая зубчатая передача, осуществляющая механическую связь с электрическим стартером, еще выше жестко закреплена горизонтальная турбина, а верхний конец вала соединен с электрогенератором. Вертикальные трубы с инжектором всех водяных реактивных двигателей расположены относительно вала на одинаковом расстоянии и с равным угловым шагом в горизонтальной плоскости, а их горизонтальные сопло, оснащенные внутри запирающим электромагнитным клапаном, направлены на лопатки турбины (Климович А.В. Турбинный двигатель внутреннего сгорания, Патент РФ №2694492, МПК F01B 11/08 (2006.01), СПК F01B 11/08 (2019.02). Заявка №2018123036. Приоритет 25.06.2018. Опубликовано 15.07.2019 Бюл. №20). В описанном турбинном двигателе внутреннего сгорания вращательное движение с соответствующим крутящим моментом создается на его вертикальном валу горизонтальной турбиной при интенсивном воздействии на лопатки последней струи воды высокого напора, выбрасываемой горизонтальным сопло каждого из водяных реактивных двигателей при их работе. Недостатком рассмотренного турбинного двигателя внутреннего сгорания является наличие промежуточного звена преобразования энергии взрыва при воспламенении смеси природного газа и воздуха в камерах сгорания в энергию вращения турбины, каковым являются вода и конструктивные элементы перекачивания последней. В результате двигатель становится громоздким, возрастают потери энергии, снижается его к.п.д.
Изобретение направлено на создание газового турбинного двигателя внутреннего сгорания, в котором вращательное движение с соответствующим крутящим моментом на валу при сжигании природного газа создается без промежуточного звена из воды и конструктивных элементов, обеспечивающих перекачивания последней.
Указанная цель достигается тем, что в газовом турбинном двигателе внутреннего сгорания, находящегося под микропроцессорным управлением и содержащим несколько, например четыре, камер сгорания, представляющих собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника и с некоторым смещением от оси два входа, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами, причем один из них имеет соединение с баллоном природного газа, а другой с баллоном сжатого воздуха, контактирующего с атмосферой через компрессор, в нижней же части камеры сгорания выполнен выход в виде вертикальной трубы с горизонтальным соплом, вал двигателя вертикально закреплен в шарикоподшипниковых опорах, в нижней его части выполнена коническая зубчатая передача, осуществляющая механическую связь с электрическим стартером, еще выше жестко закреплена горизонтальная турбина, а верхний конец вала соединен с электрогенератором, причем выходы в виде вертикальной трубы всех камер сгорания расположены относительно вала на одинаковом расстоянии и с равным угловым шагом в горизонтальной плоскости, а их горизонтальные сопла, оснащенные внутри запирающим электромагнитным клапаном, направлены на лопатки турбины. Корпус двигателя образует камеру, стенки которой в поперечном направлении с минимально допустимыми зазорами повторяют форму турбины, в нижней стенке камеры в районе лопаток турбины с равным угловым шагом относительно вала двигателя выполнено несколько, например четыре, отверстий, соединяющих камеру с глушителем, представляющим собой сосуд кольцевой формы, внутри разделенный гофрированными перегородками и сетками и имеющий в боковой стенке трубчатое соединение с атмосферой для выхлопа продуктов сгорания.
На чертеже изображена принципиальная схема газового турбинного двигателя внутреннего сгорания. Он находится под микропроцессорным управлением (МСУ) и содержит несколько, например четыре, камер сгорания 1, представляющих собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника 2 и с некоторым смещением от оси два входа, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами 3, причем один из них имеет соединение с баллоном природного газа 4, а другой с баллоном сжатого воздуха 5, контактирующего с атмосферой через компрессор 6. В нижней части камеры сгорания выполнен выход в виде вертикальной трубы 7 с горизонтальным сопло 8. Вал двигателя 9 вертикально закреплен в шарикоподшипниковых опорах, в нижней его части выполнена коническая зубчатая передача 10, осуществляющая механическую связь с электрическим стартером 11, еще выше жестко закреплена горизонтальная турбина 12, а верхний конец вала соединен с электрогенератором 13. Выходы в виде вертикальной трубы всех камер сгорания расположены относительно вала на одинаковом расстоянии и с равным угловым шагом в горизонтальной плоскости. Их горизонтальные сопло, оснащенные внутри запирающими электромагнитными клапанами 14, направлены на лопатки турбины. Корпус двигателя образует камеру 15, стенки которой в поперечном направлении с минимально допустимыми зазорами повторяют форму турбины, в нижней стенке 16 камеры в районе лопаток турбины с равным угловым шагом относительно вала двигателя выполнено несколько, например четыре, отверстий 17, соединяющих камеру с глушителем 18, представляющим собой сосуд кольцевой формы, внутри разделенный гофрированными перегородками и сетками 19 и имеющий в боковой стенке трубчатое соединение 20 с атмосферой для выхлопа продуктов сгорания.
Работает конструкция следующим образом. Непосредственно перед запуском газового турбинного двигателя внутреннего сгорания должно быть установлено требуемое давление в баллоне сжатого воздуха 5 компрессором 6. Далее после включения стартера 11 благодаря конической зубчатой передачи 10 вращение вала двигателя 9, турбины 12 и электрогенератора 13 разгоняется до номинальной скорости. Электропитание от электрогенератора обеспечивает включение МСУ, которая, во-первых, обеспечивает поддержание требуемого давления в баллоне сжатого воздуха все время работы двигателя. Во-вторых, в установленной очередности в каждую камеру сгорания 1 при закрытом соответствующем запирающем электромагнитном клапане 14 внутри горизонтального сопло 8 и открытых игольчатых электромагнитных клапанах 3 из соответствующих баллонов 4 и 5 поступают природный газ и воздух. Время открытия игольчатых электромагнитных клапанов МСУ выбирает так, чтобы в камере сгорания образовалась смесь природного газа с воздухом, содержащая примерно от 5-6% (минимальный тяговый режим) до 14-15% (максимальный режим) газа. Воспламенение такой смеси воздуха и газа имеет характер взрыва. Поэтому после электрического разряда между двумя электродами электроразрядника 2 давление газовой смеси в камере сгорания начнет резко возрастать. Это давление контролируется МСУ и при достижении последнего критического значения открывается электромагнитный клапан 14 внутри горизонтального сопло 8. При этом газовая смесь продуктов сгорания по вертикальной трубе 7 и горизонтальному сопло 8 выбрасывается в камеру 15 корпуса двигателя прямо на лопатки турбины 12, заставляя последнюю и вал двигателя вращаться. Передав основную часть своей кинетической энергии турбине, газовая смесь продуктов сгорания через отверстия 17 в нижней стенке 16 камеры поступает в глушитель 18, внутри разделенный гофрированными перегородками и сетками 19, а затем через имеющееся в боковой стенке трубчатое соединение 20 выбрасывается в атмосферу. Длительность работы стартера 11 МСУ выбирает такой, при которой последовательно включаемые камеры сгорания способны поддерживать требуемую стабильную скорость вращения вала двигателя.
Так как работа установленных камер сгорания в рассматриваемом двигателе абсолютно независима, МСУ контролирует не только очередность их срабатывания, но и время одновременной их работы. Скорость вращения вала двигателя регулируется содержанием природного газа в воздушно-газовой смеси, а также регулированием времени включения игольчатых электромагнитных клапанов, определяющим давление газовой среды в камерах сгорания непосредственно перед ее поджиганием электроразрядником. Электрогенератор 13 вырабатывает электроэнергию, необходимую для работы МСУ и электромеханических устройств двигателя. Выработанная электроэнергия может использоваться посторонними потребителями. Возможна также передача вращательной механической энергии к сторонним механическим устройствам.