ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СО СВОБОДНОПОРШНЕВЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ГАЗА
GAS TURBINE ENGINE WITH FREE-PISTON GAS GENERATOR

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к устройствам для получения механической энергии за счет сжигания углеводородного топлива, и может быть использовано в качестве механического привода электрогенераторов, насосов, компрессоров, автомобильных и тракторных трансмиссий и других агрегатов с механическим приводом, которые работают в полевых условиях или в условиях полной автономности и отсутствия других источников генерации тепловой или электрической энергии.
Известен свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя, в котором подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется свободнопоршневым компрессором, поршень которого размещается посредине штока с расположенными на концах штока поршнями привода компрессора, приводимыми в действие продуктами сгорания из камеры сгорания генератора газов (патент РФ №2324060, МПК F02B 71/06, F04B 31/00, 10/05/2008).
Известна комбинированная энергетическая установка со свободнопоршневым двигателем, содержащая рабочий цилиндр двигателя, рабочие поршни двигателя, поршни компрессора, синхронизирующий механизм движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора, продувочные щели, выхлопные щели, форсунку, всасывающий и нагнетательный клапаны, компрессорные цилиндры, буферные полости, ресивер компрессора, газосборник, турбину для привода нагнетателя, нагнетатель воздуха, силовую турбину, редуктор отбора мощности, пусковой блок воздушного запуска, пусковые клапаны, топливный насос ().
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ), состоящий из СПГГ, газовой турбины и промежуточного газосборника-ресивера (Бартош Е.Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте. Изд-во «Транспорт», 1972, стр.56, рис.43).
В центре СПГГ расположен цилиндр двухтактного дизеля с прямоточной продувкой; продувочные окна размещены симметрично относительно центра дизельной втулки, где расположена форсунка жидкого топлива. С обеих сторон дизельная втулка непосредственно соединена с цилиндрами поршневого компрессора, снабженными всасывающими, нагнетательными и пусковыми клапанами. Один ряд продувочных окон через полость, окружающую цилиндр дизеля, сообщается с нагнетательными клапанами компрессора, а другой ряд - с трубопроводом, идущим к ресиверу и далее к газовой турбине. Поршни генератора выполнены двухступенчатыми: дизельные меньшего диаметра и компрессорные - большего.
Недостатки известных устройств:
1. Нерегулируемая величина опережения впрыска топлива в рабочий цилиндр двигателя в зависимости от изменения температуры топлива, что приводит к снижению КПД двигателя и к перерасходу топлива.
2. Неполное использование теплоты сжигаемого топлива в двигателе, из-за того, что продукты сгорания после турбины привода нагнетателя и силовой турбины выбрасываются в атмосферу с достаточно высокой температурой.
3. Так как двигатель запускается за счет давления сжатого воздуха от постороннего источника, то при отсутствии достаточного давления сжатого воздуха или ввиду неисправности воздушного пускового блока запуск двигателя не возможен.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи достижения стабильных значений КПД двигателя при изменяющихся температурах наружного воздуха и температуры топлива, повышения экономичности использования теплоты сжигаемого топлива в двигателе и обеспечения надежного запуска двигателя при недостаточном давлении сжатого воздуха или отсутствии его в пусковом устройстве.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ), состоящий из связанных между собой СПГГ, газосборника и газовой турбины, при этом СПГГ содержит рабочий цилиндр двигателя, рабочие поршни двигателя, поршни компрессора, синхронизирующий механизм движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора, продувочные щели, выхлопные щели, форсунку, всасывающий и нагнетательный клапаны, компрессорные цилиндры, буферные полости, ресивер компрессора, а газовая турбина содержит турбину для привода нагнетателя, нагнетатель воздуха, который связан с турбиной при помощи вала, силовую турбину, редуктор отбора мощности, который связан валом с силовой турбиной, пусковой блок воздушного запуска, пусковые клапаны, топливный насос, согласно заявляемому изобретению, введены плунжеры, теплообменник, байпасный коллектор с предохранительно-регулировочным клапаном, пусковые пружины, при этом плунжеры размещены на торцевых поверхностях поршней компрессора со стороны буферных полостей, теплообменник выполнен с возможностью пропускания через него продуктов сгорания двигателя перед выбросом их в атмосферу и подачи в него, через разделительную теплообменную поверхность, топлива, байпасный коллектор с предохранительно-регулировочным клапаном выполнен с возможностью, при запуске рабочего цилиндра двигателя, подачи через него продуктов сгорания непосредственно в теплообменник, а пусковые пружины размещены на торцевых крышках буферных полостей и выполнены с возможностью запуска двигателя в работу при отсутствии сжатого воздуха посредством силы давления сжатых пусковых пружин, приведение которых в рабочее сжатое состояние осуществляют путем дополнительного перемещения синхронизирующим механизмом движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора вместе с плунжерами к верхним мертвым точкам.
Таким образом, технический результат достигается тем, что для подогрева топлива, подаваемого в форсунку, и регулирования угла опережения впрыска топлива, используется теплота продуктов сгорания после турбины привода нагнетателя и силовой турбины перед выбросом их в атмосферу, а также путем применения для резервного запуска двигателя механической силы сжатых пружин.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого газотурбинного двигателя со свободнопоршневым генератором газа.
На чертеже элементы и узлы обозначены следующими позициями: 1 - рабочий цилиндр двигателя, 2 - рабочий поршень двигателя, 3 - продувочные щели, 4 - выхлопные щели, 5 - форсунка, 6 - всасывающий клапан, 7 - нагнетательный клапан, 8 - поршень компрессора, 9 - буферная полость, 10 - ресивер компрессора, 11 - газосборник, 12 - турбина для привода нагнетателя, 13 - нагнетатель воздуха, 14 - силовая турбина, 15 - редуктор отбора мощности, 16 - пусковой блок воздушного запуска, 17 - теплообменник, 18 - вал турбины привода нагнетателя, 19 - вал силовой турбины, 20 - воздух, всасываемый из атмосферы в нагнетатель, 21 - продукты сгорания из рабочего цилиндра двигателя, 22 - топливо, 23 - пусковой клапан, 24 - предохранительно-регулировочный клапан, 25 - сжатый воздух для пуска двигателя, 26 - пусковая пружина, 27 - плунжер пусковой пружины, 28 - компрессорный цилиндр.
На чертеже линии со стрелками обозначают направления движения воздуха 20, всасываемого из атмосферы в нагнетатель 13, продуктов 21 сгорания из рабочего цилиндра 1 двигателя, топлива 22, сжатый воздух 22 для пуска двигателя.
Газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ) состоит из связанных между собой СПГГ, газосборника 11 и газовой турбины.
Свободнопоршневой генератор газа содержит рабочий цилиндр 1 двигателя, рабочие поршни 2 двигателя, поршни 8 компрессора, синхронизирующий механизм (на чертеже не показан) движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора, продувочные щели 3, выхлопные щели 4, форсунку 5, всасывающий 6 и нагнетательный 7 клапаны, компрессорные цилиндры 28, буферные полости 9, ресивер 10 компрессора.
Газовая турбина содержит турбину 12 для привода нагнетателя, нагнетатель 13 воздуха, который связан с турбиной при помощи вала 18, силовую турбину 14, редуктор 15 отбора мощности, который связан валом 19 с силовой турбиной, пусковой блок 16 воздушного запуска, пусковые клапаны 23, топливный насос (на чертеже не показан).
Отличием предлагаемого газотурбинного двигателя со свободнопоршневым генератором газа является то, что в него введены плунжеры 27, теплообменник 17, байпасный коллектор (на чертеже не показан) с предохранительно-регулировочным клапаном 24 и пусковые пружины 26.
Плунжеры 27 размещены на торцевых поверхностях поршней 8 компрессора со стороны буферных полостей 9.
Теплообменник 17 выполнен с возможностью пропускания через него продуктов 21 сгорания из рабочего цилиндра 1 двигателя перед выбросом их в атмосферу и подачи в него через разделительную теплообменную поверхность топлива 22.
Байпасный коллектор с предохранительно-регулировочным клапаном 24 выполнен с возможностью, при запуске рабочего цилиндра 1 двигателя, подачи через него продуктов 21 сгорания из рабочего цилиндра 1 двигателя непосредственно в теплообменник 17.
Пусковые пружины 26 размещены на торцевых крышках буферных полостей 9 и выполнены с возможностью запуска двигателя в работу при отсутствии сжатого воздуха 25 посредством силы давления сжатых пусковых пружин 26, приведение которых в рабочее сжатое состояние осуществляют путем дополнительного перемещения синхронизирующим механизмом движения рабочих поршней 2 двигателя и поршней 9 компрессора вместе с плунжерами 27 к верхним мертвым точкам.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
2
Рабочий цилиндр 1 двигателя представляет собой полость круглого сечения и имеет по своей длине продувочные щели 3 и выхлопные щели 4. Рабочий цилиндр 1 двигателя предназначен для осуществления процесса сжигания жидкого топлива, впрыскиваемого форсункой 5 под высоким давлением, равным 1800…2050 кг/см, развиваемым топливным насосом.
Рабочие поршни 2 двигателя служат для сжатия чистого воздуха, поступающего через продувочные щели 3 в рабочий цилиндр 1 двигателя, до температуры воспламенения топлива, равной 700…850°С. Движение рабочих поршней 2 двигателя навстречу друг другу осуществляется с помощью силы давления сжатого в буферных полостях 9 воздуха при достижении поршнями верхних (наружных) мертвых точек. Это движение синхронизировано относительно друг друга специальным механизмом (на чертеже не показан синхронизирующий механизм движения рабочих поршней 2 двигателя и поршней 9 компрессора).
Сжатие воздуха, поступившего из ресивера 10 компрессора в рабочий цилиндр 1 двигателя через продувочные щели 3, происходит при движении рабочих поршней 2 двигателя навстречу друг другу к нижней мертвой точке, находящейся в области выхлопных щелей 4. Процесс сжатия чистого воздуха в рабочем цилиндре 1 двигателя начинается с момента закрытия поршнем 2 двигателя продувочных щелей 3.
Продувочные щели 3 служат для заполнения чистым воздухом рабочего цилиндра 1 двигателя. Чистый воздух вытесняет через выхлопные щели 4 продукты 21 сгорания топлива, оставшиеся от предыдущего рабочего цикла.
Впрыск топлива и последующее его воспламенение в рабочем цилиндре 1 двигателя происходит после закрытия вторым рабочим поршнем 2 двигателя выхлопных щелей 4. За счет возникающей силы давления при тепловом расширении образующихся при сгорании топлива газообразных продуктов происходит перемещение рабочих поршней 2 двигателя из нижних мертвых точек к наружным мертвым точкам.
Форсунка 5 служит для мелкодисперсного дробления жидкого топлива и подачи его с опережением в рабочий цилиндр 1 двигателя при подходе поршня 2 двигателя и поршня 8 компрессора к верхним мертвым точкам. Опережение необходимо из-за того, что при подходе поршней 2 и 8 к верхним мертвым точкам резко падает скорость движения поршней и снижается скорость движения приводного от них валика топливного насоса (на чертеже валик и топливный насос не показаны).
Чтобы обеспечить достаточную скорость движения плунжера топливного насоса, а следовательно, и интенсивность впрыска топлива, необходимо увеличить угол опережения подачи топлива. В данном изобретении решением этой проблемы является ускорение испарения топлива и сокращение времени его воспламенения и последующего сгорания. Конструктивным решением является контролируемый подогрев жидкого топлива перед подачей его в форсунку.
Подогрев топлива 22 осуществляется в теплообменнике 17 за счет теплоты газообразных продуктов 21 сгорания.
Всасывающие клапаны 6 и нагнетательные клапаны 7 по конструкции являются самодействующими, пластинчатого типа и служат соответственно для всасывания порций воздуха и последующей их подачи в сжатом виде из компрессорных цилиндров 28 в ресивер 10 компрессора.
Поршни 8 компрессора жестко связаны с рабочими поршнями 2 двигателя и служат для сжатия воздуха до давления, равного 200... 300 кг/см. Затем в компрессорных цилиндрах 28 происходит процесс выталкивания сжатого воздуха через нагнетательные клапаны 7 в ресивер 10 компрессора.
Поршни 8 компрессора также сжимают воздух в буферных полостях 9, а после достижения верхней мертвой точки воспринимают силу давления сжатого в буферных полостях 9 воздуха для осуществления обратного хода.
Буферные полости 9 служат для получения определенных объемов сжатого воздуха, с помощью силы расширения которых можно обеспечить осуществление обратного хода поршней 8 и 2.
Ресивер 10 компрессора служит для промежуточного накопления и кратковременного хранения сжатого воздуха перед подачей его через продувочные щели 4 в рабочий цилиндр 1 двигателя.
Газосборник 11 служит для сбора продуктов сгорания 21 после их выхлопа из рабочего цилиндра 1 двигателя и подачи этих продуктов на входной сопловой аппарат турбины 12 привода нагнетателя 13 воздуха. На стадии запуска выход газосборника И к турбине 12 закрыт задвижкой (на чертеже задвижка не показана). При запуске в работу продукты 21 сгорания по байпасному коллектору (на чертеже позицией не обозначен) при открытом предохранительно-регулировочном клапане 24 подаются в обход турбин 12 и 14 непосредственно в теплообменник 17.
Осевая турбина 12 для привода нагнетателя 13 воздуха осуществляет преобразование энергии высокотемпературных продуктов 21 сгорания в механическую энергию, которая используется для нагнетания забираемого из атмосферы воздуха 20 в приемный коллектор компрессора (на чертеже коллектор позицией не обозначен). Турбина 12 находится на одном валу 18 с осевым нагнетателем 13 воздуха и жестко с ним связана.
Нагнетатель 13 воздуха служит для предварительного динамического сжатия забираемого из атмосферы воздуха 20 и подачи этого воздуха через всасывающие клапаны 6 в компрессорный цилиндр 28 для сжатия до высокого давления.
Силовая турбина 14 служит для получения механической энергии за счет расширения высокотемпературных продуктов 21 сгорания после турбины 12. Через вал 19 силовая турбина 14 связана с редуктором 15 отбора мощности, который служит для понижения числа оборотов вала и передачи механической энергии для привода электрогенератора, насоса или для привода автомобильных и тракторных трансмиссий.
Вал 18 турбины привода нагнетателя не связан с валом 19 силовой турбины. Валы 18, 19 вращаются независимо друг от друга.
Пусковой блок 16 воздушного запуска служит для запуска в работу двигателя путем подачи из баллонов сжатого воздуха 25 через пусковые клапаны 23 в буферные полости 9 при положениях поршней 8 компрессора в верхних (наружных) мертвых точках (на чертеже баллоны не показаны).
Трубчатый теплообменник 17 служит для контролируемого нагрева топлива 22, подаваемого топливным насосом в форсунку 5. Нагрев топлива 22 в рабочем режиме производится за счет теплоты продуктов 21 сгорания после силовой турбины 14.
Предохранительно-регулировочный клапан 24 установлен на байпасном коллекторе и служит для подачи продуктов 21 сгорания из газосборника 11 непосредственно в теплообменник 17 для облегчения запуска в работу рабочего цилиндра 1 двигателя и регулирования величины угла опережения впрыска топлива 22 топливным насосом.
Предохранительно-регулировочный клапан 24 служит также для сброса продуктов 21 сгорания непосредственно в атмосферу при увеличении механической нагрузки на силовую турбину 14 сверх допустимой для предотвращения остановки рабочих поршней ввиду большого давления в газосборнике 11.
Сгорание предварительно нагретого топлива 22 происходит при более высокой температуре, так как на испарение уже нагретого топлива расходуется меньше тепловой энергии выделяющейся при сгорании топлива.
При этом повышается доля тепловой энергии от сгорания топлива, которая превращается в полезно используемую механическую работу. Воспламенение и сгорание топлива 22 происходит за меньший промежуток времени с начала его впрыска в рабочий цилиндр 1 двигателя.
Пусковые пружины 26 выполняют функцию резервных силовых элементов для запуска двигателя в случае отсутствия сжатого воздуха в баллонах пускового блока 16 или в случае неисправности его запорной арматуры. Пусковые пружины 26 размещены в корпусах на торцевых крышках буферных полостей 9 (на чертеже корпусы и торцевые крышки позициями не обозначены). Для приведения пусковых пружин 26 в рабочее состояние осуществляется их предварительное сжатие за счет специальных торцевых упоров (на чертеже упоры не показаны).
Плунжеры 27 пусковых пружин служат для передачи механической энергии сжатых пружин 26 поршню 8 компрессора и поршню 2 двигателя, а через них валику привода топливного насоса для осуществления рабочего процесса по воспламенению и сгоранию топлива. При непусковом нормальном рабочем режиме плунжеры 27 не контактируют с пружиной 26, так как для возврата поршня 2 двигателя и поршня 8 компрессора к нижним мертвым точкам используется сила давления воздуха, сжатого в буферных полостях 9.
Предлагаемый газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа работает следующим образом.
Поршни 2 двигателя и поршни 8 компрессора посредством синхронизирующего механизма и зубчатых передач вручную с помощью рукоятки разводятся в стороны к верхним (наружным) мертвым точкам и ставятся в первое пусковое положение с помощью фиксатора (на чертеже синхронизирующий механизм, зубчатые передачи, рукоятка и фиксатор не показаны).
В буферную полость 9 из пускового блока 16 подается сжатый воздух 25 для пуска. Освобождается фиксатор синхронизирующего механизма и под воздействием силы давления сжатого воздуха 25 рабочий поршень 2 двигателя и поршень 8 компрессора движутся к нижней мертвой точке.
При отсутствии в пусковых баллонах давления сжатого воздуха реализуется резервный запуск двигателя с помощью пусковых пружин 26. Для этого вручную вначале производится предварительное сжатие пружин 26 с помощью специальных торцевых упоров (на чертеже упоры не показаны).
Затем при помощи синхронизирующего механизма и зубчатых передач вручную с помощью рукоятки рабочие поршни 2 двигателя и поршни 8 компрессора дополнительно разводятся в стороны в положение верхних (наружных) мертвых точек до контакта плунжеров 27 с пружинами 26 и окончательного сжатия пусковых пружин 26. После этого синхронизирующий механизм с помощью фиксатора ставится во второе пусковое положение.
Для проведения запуска освобождается фиксатор синхронизирующего механизма, пружины 26 разжимаются и сила их механического давления передается через плунжеры 27 и далее на поршень 8 компрессора и рабочий поршень 2 двигателя. Под действием этой силы поршни движутся к нижней мертвой точке.
При движении поршней 8 компрессора к нижней мертвой точке воздух в компрессорных цилиндрах 28 сжимается и поступает через клапаны 7, через ресивер 10 и щели 3 в цилиндр 1. При последующем движении поршней 2 двигателя перекрываются продувочные 3 и выхлопные 4 щели. Оставшийся воздух в рабочем цилиндре 1 двигателя сжимается, и температура его повышается.
При подходе поршней 2 двигателя к нижней мертвой точке через форсунку 5 впрыскивается топливо, происходит его самовоспламенение. Поршни 2 двигателя останавливаются. В рабочем цилиндре 1 двигателя образуются продукты сгорания с большим давлением и высокой температурой, которые, действуя на поршни 2 двигателя, сообщают им движение в противоположные стороны - в направлении к верхним (наружным) мертвым точкам.
После пружинного запуска двигателя специальные торцевые упоры пружин 26 (не показаны) ставятся в разгрузочное состояние, при котором пружины не сжаты.
При движении поршней 2 двигателя к верхним мертвым точкам происходит расширение продуктов сгорания и открытие вначале выхлопных 4 щелей, а затем продувочных 3 щелей. Открытие выхлопных щелей 4 сопровождается подачей продуктов сгорания 21 в газосборник 11.
На стадии запуска в работу задвижка (на чертеже не показана) на выходе из газосборника 11 закрыта, а клапан 24 открыт и продукты сгорания 21 подаются непосредственно в теплообменник 17 для ускорения нагрева топлива 22.
После запуска двигателя задвижка (на чертеже не показана) на выходе из газосборника 11 открывается, а клапан 24 закрывается. При подаче продуктов сгорания 21 в турбину 12 начинает вращаться вал 18 привода нагнетателя воздуха 13 и осуществляется наддув компрессорных цилиндров 28 сжатым воздухом.
После воздушного запуска двигателя закрываются вентили подачи сжатого воздуха из блока 16 к пусковым клапанам 23.
После турбины 12 продукты сгорания 21 поступают в силовую турбину 14, в которой происходит окончательный отбор полезной механической энергии за счет расширения продуктов сгорания.
При открытии продувочных щелей 3 происходит заполнение цилиндра 1 чистым воздухом из ресивера 10 и удаление остаточных продуктов сгорания через щели 4.
При движении поршней 8 компрессора к верхним мертвым точкам происходит сжатие воздуха в буферных полостях 9 до давления, с помощью которого осуществляется возврат поршня 8 компрессора и поршня 2 двигателя к нижним мертвым точкам и повторение цикла.
Использование заявляемого изобретения позволит решить задачу по достижению стабильных значений КПД двигателя при изменяющихся температурах наружного воздуха и температуры топлива, повышения экономичности использования теплоты сжигаемого топлива в двигателе и обеспечения надежного запуска двигателя при недостаточном давлении сжатого воздуха или отсутствии его в пусковом устройстве.