ТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
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, имеет внутренний контур, состоящий из камеры высокого давления воды шарообразной формы, имеющей в верхней части гофрированный расширительный элемент, соединенной с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а с другой через электромагнитные клапаны с несколькими камерами сгорания, каждая из которых представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в боковых стенках два электрода электроразрядника, в верхней части через электромагнитный клапан трубчатое соединение с внешней водой, 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, а внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер парообразования и общее сопло (Климович А.В., Климович М.А., Климович С.А. Водяной реактивный двигатель. Патент РФ №2573066, заявка №2014124614, приоритет 17.06.2014, зарегистрирован 16.12.2015, опубликован 20.01.2016, бюл. №2). В этом двигателе внешняя вода, нагнетаемая из внешнего контура насосом высокого давления в камеру предварительного нагрева, доводится до кипения установленным в нижней части последней магнетроном, излучающий элемент которого направлен на основной объем камеры. Далее разогретая вода через электромагнитные клапаны в некоторой последовательности, регулируемой микропроцессорной системой управления, поступает в камеры парообразования, где после электрического разряда между двумя электродами электроразрядника частично испаряется. Благодаря взрывному характеру испарения вода, расположенная в вертикальной трубе с инжектором, интенсивно выбрасывается через общее сопло во внешнюю воду, создавая реактивную тягу. Причем объем выбрасываемой воды существенно увеличивается благодаря инжектору, внутренняя полость которого через односторонний клапан соединена с внешним контуром. Расчетные технико-экономические показатели этого двигателя ожидаются ощутимо выше указанного ранее. Однако для работы этого двигателя требуется наличие на борту водного транспортного средства мощного источника электрической энергии, например, ядерного реактора.
Известен также водяной реактивный двигатель (выбран в качестве прототипа), 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). Принципиальное отличие этого водяного реактивного двигателя от выше указанного заключается в том, что вода, расположенная в вертикальной трубе с инжектором, интенсивно выбрасывается через общее сопло во внешнюю воду благодаря воспламенению соответствующей смеси воздуха и газа, создаваемой в камерах сгорания при контролируемом микропроцессорной системой управления открытии игольчатых электромагнитных клапанов и возникновении соответствующего трубчатого соединения упомянутых камер сгорания с баллонами природного газа и воздуха, так как такое воспламенение имеет характер взрыва. Оба рассмотренных водяных реактивных двигателя предназначены для реализации тягового усилия на водном транспортном средстве и не способны создать вращательное движение с соответствующим крутящим моментом отдельных его элементов, крайне необходимых в ряде машин и механизмов.
Изобретение направлено на создание турбинного двигателя внутреннего сгорания, в котором создается вращательное движение с соответствующим крутящим моментом отдельных его элементов, используемое далее, например, для выработки электроэнергии, реализации тягового усилия в наземных транспортных установках либо в других полезных машинах.
Указанная цель достигается тем, что в турбинном двигателе внутреннего сгорания, находящегося под микропроцессорным управлением и содержащим несколько 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, его вертикальный вал закреплен в шарикоподшипниковых опорах и 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.
На чертеже изображена принципиальная схема турбинного двигателя внутреннего сгорания. Он находится под микропроцессорным управлением и содержит несколько водяных реактивных двигателей, каждый из которых имеет камеру высокого давления воды 1 шарообразной формы, в верхней части которой выполнен гофрированный расширительный элемент 2. Эта камера соединенна с одной стороны вертикально расположенной трубой 3 с насосом высокого давления 4, а в нижней части через электромагнитный клапан 5 с камерой сгорания 6. Последняя представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника 7 и с некоторым смещением от оси через электромагнитный клапан 8 трубчатое соединение с атмосферой 9. Здесь же выполнены два входа 10, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами, причем один из них имеет соединение с баллоном природного газа 11, а другой с баллоном сжатого воздуха 12, контактирующего с атмосферой через компрессор 13. В нижней части камеры сгорания выполнен выход в виде вертикальной трубы с инжектором 14, внутренняя полость которого через односторонний клапан 15 имеет трубчатое соединение с нижней частью камеры низкого давления 16 с гофрированным расширительным элементом 17, соединенной через вертикальную трубу 18 с насосом низкого давления 19. Вертикальный вал 20 двигателя закреплен в шарикоподшипниковых опорах, в его нижней части установлены насосы высокого и низкого давления, которые погружены в воду, находящуюся на дне картера 21, над последними выполнена коническая зубчатая передача 22, осуществляющая механическую связь с электрическим стартером 23, еще выше жестко закреплена горизонтальная турбина 24, а верхний конец вала соединен с электрогенератором 25. 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 26, направлены на лопатки турбины.
Работает конструкция следующим образом. Непосредственно перед запуском турбинного двигателя внутреннего сгорания должно быть установлено требуемое давление в баллоне сжатого воздуха 12 компрессором 13. Также должны быть полностью заполнены водой камеры высокого 1 и низкого давления воды 16 включением стартера 23, крутящий момент которого благодаря конической зубчатой передачи 22 создает вращение вертикального вала двигателя 20 и исполнительных элементов насосов высокого 4 и низкого 19 давлений. В дальнейшем давление в баллоне сжатого воздуха и уровень заполнения камер высокого и низкого давления воды постоянно контролируется микропроцессорным управлением (МСУ).
Далее осуществляется запуск в установленной очередности всех водяных реактивных двигателей (на чертеже их четыре). Для этого в каждом из них при закрытом запирающем электромагнитном клапане 26 внутри горизонтального сопло и открытых электромагнитных клапанах 5 и 8 камеры сгорания выполняется ее заполнение водой из камеры высокого давления. Благодаря некоторому смещению от оси камеры сгорания электромагнитного клапана 8 в верхней части камеры будет оставаться воздушное пространство. Заполнение водой камеры сгорания выполняется до тех пор, пока вода не появится в нижней части трубчатого соединения с атмосферой 9. После этого электромагнитные клапаны 5 и 8 закрываются, открываются игольчатые электромагнитные клапаны 10, через которые в камеру сгорания из соответствующих баллонов 11 и 12 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% газа. Воспламенение такой смеси воздуха и газа имеет характер взрыва. Поэтому после электрического разряда между двумя электродами электроразрядника 7 при одновременной открытии запирающего электромагнитного клапана 26 вода, расположенная в вертикальной трубе с инжектором 14, интенсивно выбрасывается через горизонтальное сопло на лопатки турбины 24, создавая вращение последней и вертикального вала 20 двигателя, на котором она жестко закреплена. После отдачи своей кинетической энергии турбине вода с лопаток стекает на дно картера 21. В нижней части вала установлены упомянутые выше насосы высокого и низкого давлений, которые погружены в воду на дне картера и по вертикальным трубам 3 и 18 качают ее в соответственно в камеры высокого и низкого давления. Гофрированные расширительные элементы 2 и 17 этих камер обеспечивают требуемое давление воды в них.
Когда энергия, выделенная при воспламенении воздушно-газовой смеси, будет полностью израсходована, движение воды прекратится, давление в выходной трубе существенно упадет. В этот момент закрывается запирающий электромагнитный клапан 26, расположенный внутри сопло, а электромагнитный клапан 8 открывается и создает трубчатое соединение с атмосферой камеры сгорания. Вода из камеры низкого давления через открытый односторонний клапан 15 и внутреннюю полость инжектора поступает в вертикальную трубу, а после открытия электромагнитного клапана 5 из камеры высокого давления заполняет камеру сгорания. Далее цикл в каждом водяном реактивном двигателе повторяется.
МСУ контролирует очередность работы водяных реактивных двигателей, определяет время открытия и закрытия всех электромагнитных клапанов в каждом их них. Скорость вращения вала двигателя регулируется содержанием природного газа в воздушно-газовой смеси. Соединенный с верхним концом вала электрогенератор 25 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.