ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя.
Известен двигатель П.Унрау, содержащий круглый корпус, выполненный заодно с цилиндром, внутри которого на подшипниках установлена газовая турбина, поршень, вставленный в цилиндр и посредством шатуна соединенный о кривошипом коленчатого вала, который посредством шестеренчатого привода связан с газовой турбиной, входной канал которой соединен с выпускным каналом цилиндра, свечу зажигания, вставленную в отверстие камеры сгорания цилиндра, впускной тракт цилиндра и выпускной канал газовой турбины, системы питания, охлаждения, смазки и запуска /В.И.Дубовский. Автомобили и мотоциклы России 1896-1917 гг. М., Транспорт, 1994, с.278, рис.162/.
Недостатками известного двигателя П.Унрау являются: недостаточная мощность, тепловые потери, загрязнение окружающей среды выхлопными газами.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.
Известен также газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа, содержащий цилиндр с продувочными и выхлопными окнами, размещенными в средней части, соединенный соосно с торцевых сторон с буферно-компрессорными цилиндрами, имеющими впускные клапаны, внутрь тех и других вставлены поршни, выполненные в форме цилиндрических тел разного диаметра, соединенные друг с другом своими торцевыми сторонами, полость сжатого воздуха с впускными клапанами, газовую турбину, размещенную внутри корпуса, выпускной канал, соединенный с атмосферой, и впускной канал, соединенный с выпускным каналом рессивера, впускной канал которого соединен с выпускным каналом генератора газа. Одна газовая турбина может быть соединена с несколькими генераторами газа. Температура газа перед газовой турбиной 500°С, давление 0,4-0,5 МПа /Б.В.Сазанов. Тепловые электрические станции: Учебное пособие для техникумов. М., Энергия, 1974, с.101-102, рис.7-17/.
Газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату принят за прототип.
Недостатками известного газотурбинного двигателя со свободнопоршневым генератором газа, принятого за прототип, являются: сложность конструкции, значительное загрязнение окружающей среды выхлопными газами, большой расход органического топлива.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией газотурбинного двигателя со свободнопоршневым генератором газа.
Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных характеристик газотурбинного двигателя.
Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что свободнопоршневой генератор газа, рессивер, газовая турбина заменены газовой турбиной, выполненной в форме ступицы, закрепленной на валу, на которую надето кольцо из теплоизоляционного материала, на котором закреплен обод, представляющий собой соединенные друг с другом ковши прямоугольного сечения, имеющие в средней части диффузор и открывающиеся в сторону, противоположную вращению, продольная ось каждого из которых с линией диаметра составляет угол в 110 градусов, причем с обеих торцевых сторон обода закреплены нагреватели с обмотками, второй конец первой из которых соединен с первым концом второй обмотки, двумя токосъемными кольцами, одно из которых соединено со свободным концом первой обмотки нагревателя, а второе кольцо соединено со свободным концом второй обмотки нагревателя, закрепленными на изоляционной втулке, установленной на заднем конце вала, и контактирующими с угольными щетками, поршневым насосом, шестерня привода которого закреплена на заднем конце вала, гидравлически соединенного посредством трубопроводов, имеющих теплоизоляцию, с баком, выполненным в форме сосуда Дьюара, и форсунками, размещенными на корпусе, где также установлен выпускной патрубок, соединяющий внутреннюю полость корпуса газотурбинного двигателя с атмосферой, рабочим телом которого является жидкий воздух, кроме того, задний конец вала посредством соединительной муфты связан с валом электродвигателя, он же генератор электрического тока, электрически соединенного через блок управления с аккумуляторными батареями и угольными щетками токосъемных колец.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид газотурбинного двигателя, на фиг.2 - кинематическая схема газотурбинного двигателя, на фиг.3 - общий вид корпуса газовой турбины, на фиг.4 - вид слева на корпус газовой турбины, на фиг.5 - общий вид газовой турбины, на фиг.6 - вид слева на газовую турбину, на фиг.7 - вид спереди на ковш газовой турбины, на фиг.8 - вид сбоку в разрезе на ковш газовой турбины, на фиг.9 - электрическая схема газотурбинного двигателя, на фиг.10 - устройство поршневого насоса газотурбинного двигателя, на фиг.11 - схема создания вращающего момента на валу газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель содержит раму 1, на которой закреплены: газовая турбина, поршневой насос подачи рабочего тела и электродвигатель 2, он же генератор электрического тока, установленные на подставках 5. Газовая турбина содержит корпус 4, закрытый передней 5 и задней 6 крышками, размещена внутри корпуса и выполнена в форме ступицы 7, закрепленной на валу 8, передний конец которого пропущен через отверстие подшипника передней крышки, а задний конец пропущен в отверстие подшипника задней крышки. На ступицу надето кольцо 9, выполненное из теплоизоляционного материала, на котором закреплен обод, выполненный в форме соединенных друг с другом ковшей прямоугольного сечения. Каждый ковш содержит боковые стенки 10, соединенные между собой горизонтальными стенками 11, дно 12 и открывается в сторону, противоположную вращению газовой турбины. Внутрь каждого ковша вставлен диффузор 13, расширяющийся в сторону открытой части ковша, причем продольная ось каждого ковша составляет с линией диаметра (Д) газовой турбины угол α, равный 110 градусам (фиг.8). С обеих торцевых сторон обода газовой турбины закреплены нагреватели 14, внутри которых размещены нагревательные обмотки 15, второй конец первой из которых соединен с первым концом второй обмотки. Два токосъемных кольца 16, одно из которых соединено со свободным концом первой обмотки нагревателя, а второе кольцо соединено со свободным концом второй обмотки нагревателя, закреплены на изоляционной втулке 17, установленной на заднем конце вала газотурбинного двигателя и контактируют с угольными щетками 18. Токосъемные кольца с угольными щетками размещены в корпусе 19 и закрыты крышкой 20. Поршневой насос подачи рабочего тела содержит корпус 21, имеющий впускной 22 и выпускной 23 клапаны, внутрь которого вставлен поршень 24, соединенный посредством штока 25 и шатуна 26 с шестерней 27, имеющей изменяемый кривошип (не показан), входящей в зацепление с ведущей шестерней 28, закрепленной на заднем конце вала а газотурбинного двигателя. Поршневой насос подачи рабочего тела гидравлически посредством трубопроводов 29, имеющих тепловую изоляцию, соединен с баком 30, выполненным в форме сосуда Дьюара, и форсунками 31, установленными на корпусе газовой турбины, где также установлен выпускной патрубок 32. Электродвигатель посредством соединительной муфты 33 связан с задним концом вала газовой турбины, а электрически через блок управления 34 соединен с угольными щетками токосъемных колец и аккумуляторными батареями 35. Рабочим телом газотурбинного двигателя является охлажденный до -190°С жидкий воздух. Так как вал электродвигателя и шестерня привода поршневого насоса с кривошипом вращаются медленнее газовой турбины, то привод указанных механизмов должен осуществляться через соответствующие понижающие редукторы, не показанные на чертежах.
Работа газотурбинного двигателя.
1
Перед запуском газотурбинного двигателя необходимо включить нагреватели 14. Ток от аккумуляторных батарей 35 через блок управления 34, регулирующий величину и напряжение этого тока, поступает на угольные щетки 18, токосъемные кольца 16 и нагревательные обмотки 15, которые разогревают обод c ковшами и диффузорами 13 до 500-700°С. Как только температура указанных выше частей достигла необходимой величины, включается электродвигатель 2, который начинает раскручивать газовую турбину. Одновременно с этим поршневой насос подачи рабочего тела через форсунки 31 впрыскивает жидкий воздух внутрь ковшей обода (на фиг.11 показано пунктирными стрелками). Жидкий воздух, попадая внутрь ковшей и соприкасаясь с раскаленными стенками, бурно кипит и испаряется, превращаясь в газообразное состояние, создавая давление перед диффузором 13, а затем взрывообразно выбрасывается с силой F через него наружу, создавая реактивную силу F (на фиг.11 показано сплошными стрелками) и приводя газовую турбину во вращение, образуя плечо силы l. Как только газовая турбина наберет достаточную частоту вращения, посредством блока управления 34 электродвигатель 2 переключается в режим генератора электрического тока, электроэнергия которого через блок управления 34 поступает на зарядку аккумуляторов 35 и питание обмоток 15 нагревателей 14. Отработанный чистый воздух через патрубок 32 выходит в атмосферу. Так как температура кипения жидкого азота ниже температуры кипения кислорода, то в процессе хранения жидкого воздуха азот улетучивается, и из патрубка 32 в атмосферу выходит газообразный воздух, обогащенный кислородом. / Пособие по химии для поступающих в вузы. Изд.2. М.: Издательство Московского университета, 1975, с.142). Частота вращения газовой турбины может изменяться путем увеличения или уменьшения подачи рабочего тела поршневым насосом за счет передвижения кривошипа на шестерне 27 механизмом, не показанным на чертеже, а также увеличением или уменьшением степени нагрева ковшей обода и диффузоров 13. Кольцо 9 из теплоизоляционного материала предназначено для уменьшения тепловых потерь и предохранения ступицы 7 от нагрева. Для остановки газотурбинного двигателя необходимо прекратить подачу рабочего тела и отключить нагрев ковшей обода.
Предлагаемый газотурбинный двигатель может быть использован в качестве силовой установки на электростанциях, железнодорожных локомотивах и судах.
Положительный эффект: не загрязняет окружающую среду выхлопными газами, не использует органическое топливо, никогда не исчезнет в природе и может быть изготовлено по мере необходимости, запасы воздуха в качестве рабочего тела безграничны.