ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Область техники
Предлагаемое изобретение относится к двигателестроению, в частности к генераторам газа для газотурбинных установок. Заявленное изобретение направлено на разработку генератора газа, имеющего минимальное количество конструктивных элементов и движущихся деталей.
Известен детонационный двигатель внутреннего сгорания, патент RU 2066383 С1, л.1, содержащий по меньшей мере блок спаренных цилиндров с разделительными поршнями, образующими газовые полости с камерами сгорания и гидравлические полости, сообщенные между собой и с гидротурбиной при помощи магистралей рабочей жидкости, отличающийся тем, что камеры сгорания цилиндров двигателя снабжены детонаторами. Изобретение относится к автомобильному транспорту и предназначено для использования в качестве силовой установки автомобилей. Задача изобретения - создание двигателя с высокими качественными характеристиками за счет применения детонационного горения.
Известный двигатель имеет следующие недостатки: Передача силового воздействия на турбину с помощью жидкости при высоких скоростях ее движения связана со значительной турбулентностью этой жидкости и, следовательно, с существенной потерей мощности. Камера сгорания в цилиндре, разделенная поршнем от полости с жидкостью, имеет низкую температуру, что снижает эффективность горения топлива. Механизм, необходимый для синхронизации движения поршней, усложняет конструкцию двигателя. Использование известного двигателя без детонаторов не устраняет указанных недостатков. При работе двигателя с детонаторами детонационное возгорание топлива способствует возникновению ударных волн в жидкости и возникновению кавитации, ведущих к разрушению лопаток турбины.
Известен способ создания многоцилиндрового жидкостного двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления, патент RU 2495262 С2, л.2, который содержит гидросистему, состоящую из турбины и цилиндров, подающих на турбину из внешней камеры сгорания жидкость под давлением газов сгорающей топливной смеси и системы подготовки и воспламенения горючей смеси, отличающийся тем, что жидкостные двигатели объединены в один агрегат, цилиндры которого спарены в проточные блоки, закольцованы на общую турбину, поочередно заполняемыми жидкостью, отсекаемой от потока, отклоненного в спаренный цилиндр, при этом истечение жидкости происходит под давлением газов из внешней камеры сгорания из первого цилиндра, поток снова возвращается в него, вытесняя газы, пока извергается спаренный цилиндр, а последующий блок четырехцилиндрового двигателя включается в действие при снижении давления в цилиндре предыдущего блока вдвое, значит обратно-пропорционально числу блоков двигателя.
Известный двигатель имеет следующие недостатки: из-за значительной инерционности двигатель не эффективен при частой смене режимов работы. С увеличением скорости течения жидкости возрастает дополнительная мощность двигателя на преодоление турбулентности, поэтому известный двигатель не эффективен при больших оборотах турбины. При перепуске жидкости из одной трубы в другую трубу возможны гидравлические удары. Выхлопные клапаны связаны с конденсатором паров жидкости, возвращаемой обратно в цилиндр из сборника жидкости, что усложняет конструкцию двигателя. Химические добавки из выхлопных газов загрязняют жидкость и повышают ее химическую активность. Конструкция двигателя отличается повышенной сложностью.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному изобретению является роторно-поршневой двигатель, патент RU 2516044 С2, л.4 (прототип), содержащий корпус с цилиндрической полостью, ротор с цилиндрическим уступом, расположенный в подшипниках торцевых крышек, воздушный компрессор высокого давления и рекуперативный теплообменник для нагрева воздуха после компрессора теплом отходящих газов; кроме того, двигатель снабжен двумя теплоизолированными камерами сгорания периодического действия, при этом в каждой камере установлены клапаны впуска и выпуска, снабженные электромагнитом и сервоприводом, и топливная форсунка с пневмоприводом, а на линии подачи воздуха от компрессора в двигатель установлены два ресивера: один ресивер со встроенным электронагревателем установлен после рекуперативного теплообменника и подсоединен к камерам сгорания, а второй установлен до рекуперативного теплообменника.
Решаемая задача - повышение эффективности работы двигателя в широком диапазоне его работы и увеличение ресурса его работы.
Известный двигатель имеет следующие недостатки
Реализация последовательности его работы достигается за счет применения большого количества вспомогательного оборудования, включающего пневматические узлы, электроподогреватель, ресивер, а также за счет развитой системы газопроводов, что ведет к усложнению конструкции, снижению надежности двигателя и утечке тепла в многочисленных каналах. При исследовании отличительных признаков аналогов изобретения не выявлен газотурбинный двигатель, содержащий минимальное количество конструктивных элементов и движущихся деталей.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка газотурбинного двигателя, содержащего минимальное количество конструктивных элементов и движущихся деталей.
Решение поставленной задачи по разработке наиболее простой конструкции газотурбинного двигателя, достигнуто в газотурбинном двигателе, содержащем турбину, блок управления, две поочередно работающие камеры сгорания (КС) с топливными форсунками и свечами зажигания, компрессор, выход которого через запорные устройства (ЗУ) соединен со входами первой КС2 и второй КС3, выходы которых через запорные устройства соединены соответственно с первым и вторым входами в турбину, дополнительно содержащем цилиндр со свободно движущимся поршнем, четыре вывода цилиндра соединены соответственно с первой камерой сгорания, с первым входом в турбину, со вторым входом в турбину и со второй камерой сгорания.
Сущность изобретения заключается в том, что во время рабочего хода в первой КС основной поток горящих газов направляют в турбину. Часть газов потока направляют в цилиндр. Напор газов смещает поршень в противоположную сторону цилиндра, заполненного компрессорным воздухом. Воздух нагнетают во вторую КС, сжимают его, запирают в КС и выдерживают до следующего рабочего хода. Поршень предназначен для передачи давления на воздух в цилиндре и для разделения от смешивания газов и воздуха.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, которые приведены в качестве примеров для пояснения работы газотурбинного двигателя (ГТД).
На фиг. 1 представлена схема варианта ГТД.
На фиг. 2 представлена временная диаграмма зависимости давления р от времени t в первой камере сгорания.
На фиг. 3 представлена временная диаграмма зависимости давления р от времени t во второй камере сгорания.
Газотурбинный двигатель, содержит, блок управления (БУ), компрессор (на схеме не показаны), турбину 1, две поочередно работающие камеры сгорания КС2 и КС3 с топливными форсунками и свечами зажигания; выход компрессора через запорные устройства ЗУ8 и ЗУ9 соединен со входами первой КС2 и второй КС3, выходы которых через запорные устройства ЗУ4 и ЗУ5 соединены соответственно с первым и вторым входами в турбину 1. Двигатель содержит цилиндр 11 со свободно движущимся поршнем 12, четыре вывода цилиндра соединены соответственно с первой камерой сгорания КС2, с первым входом в турбину 1, со вторым входом в турбину 1 и со второй камерой сгорания КС3.
Перед началом рабочего хода в первой КС2 находится сжатый горячий воздух. Во второй КС3 и в газовом канале 11 находится компрессорный воздух. Через форсунку 10 в КС2 впрыскивают дозу топлива и после его возгорания и необходимой выдержки открывают ЗУ4, ЗУ 13 и ЗУ 14. Сгоревшую топливовоздушную смесь нагнетают через ЗУ4 в турбину 1, фиг. 2 2-3, и в цилиндр 11. Под напором этой смеси поршень 12, смещаясь в цилиндре 11, вытесняет воздух из него через ЗУ 14 во вторую КС3. При достижении заданного давления в КС3 запирают ЗУ 14 и выдерживают сжатый горячий воздух до следующего рабочего хода в КС3, фиг. 3, 1-2. В конце рабочего хода в КС2 открывают ЗУ8 и ЗУ7 и продувают КС2 и цилиндр 11 компрессорным воздухом с выходом его в турбину 1, фиг. 2, 3-4. Запирают ЗУ7 и продолжают нагнетать воздух в КС2 и в цилиндр 11. При достижении заданного давления в КС2 запирают ЗУ8 и выдерживают сжатый горячий воздух в КС2 и в цилиндре 11 до рабочего хода в КС3, фиг. 2 4-5, который реализуют после некоторой выдержки, в зависимости от частоты рабочих ходов. Впрыскивают топливо в КС3 и реализуют в нем рабочий ход, фиг. 3 3-4, с дополнительным нагнетанием воздуха из цилиндра в КС2 и последующей его выдержкой, фиг. 2 5-6. Далее реализуют аналогичную последовательность операций с участием КС2.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного результата предлагаемого устройства ГТД, следующие:
Объем полости цилиндра должен быть таким, чтобы после вытеснения из него воздуха в КС давление этого воздуха было достаточными для воспламенения впрыснутой дозы топлива. Торцы поршня в одном из крайних положений в цилиндре должны располагаться в непосредственной близости между крайним отводом и ближайшем к нему вторым отводом из цилиндра. Поршень должен быть с предельно низким весом. На обоих концах цилиндра должны быть буферные полости и датчики давления.
Согласованная работа узлов ГТД может быть осуществлена при использовании электронного блока управления и при наличии необходимых датчиков.
Запорные устройства могут быть предпочтительно изготовлены в виде вала с отверстиями для прохода газов, повороты которого осуществляет электромагнитное устройство по сигналам от БУ.
Запуск ГТД может быть осуществлен после раскрутки компрессора, например, с помощью стартера.
При работе с различными сортами топлив необходимая степень сжатия в КС может регулироваться изменением давления на выходе компрессора. Воспламенение плохо возгораемой рабочей смеси перед началом рабочего хода может быть осуществлено с необходимым опережением для ее полного сгорания. Увеличение мощности ГТД может быть достигнуто увеличением числа пар КС, подключенных ко входам турбины.
Частота рабочих ходов двигателя может быть отрегулирована путем задержки впрыска в камеры сгорания.
В качестве турбины может быть использовано роторно-лопастное устройство.
Источники информации
1. Патент RU 2066383С1. Детонационный двигатель внутреннего сгорания. МПК F02B71/04.
2. Патент RU 2495262С2. Способ создания многоцилиндрового жидкостного двигателя внутреннего сгорания и двигатель. МПК F02B75/00, F01B11/08, F02B71/04.
3. Патент RU 2516044С2. Роторно-поршневой двигатель. МПК F02B55/02, F01C1/356, F02B19/02, F16J15/40.