Пульсирующий газотурбинный двигатель
PULSATING GAS TURBINE ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилях, мотоциклах, катерах, дельтапланах, бензопилах, газонокосилках и т.п.
Известен газотурбинный струйный двигатель [Патент РФ №2441998, МПК F02C 3/16 и F01D 1/32, опубликован 10.02.2012], включающий вращающуюся камеру сгорания, компрессор подачи воздуха, систему подвода топлива, систему охлаждения и воспламенения, камера оснащена тангенциально расположенными реактивными соплами, системой охлаждения жидкометаллическим теплоносителем, системой дополнительных полых роторов, вращающихся посредством шестеренчатых редукторов и передающих крутящий момент валу отбора мощности.
Безусловно, многоступенчатая передача газоструйной энергии реактивными соплами на выходной вал со сложными системами обеспечения позволяет достичь высокой экономичности газотурбинного двигателя. Однако данное техническое решение весьма сложное по своей конструкции и реализации.
Известно газотурбинное устройство (прототип) [Международная заявка WO 93/19290 А1 (Гулевский А.Н.), опубликовано 30.09.1993], имеющее ротор, снабженный струйными реактивными двигателями, установленными на нем тангенциально, в котором для увеличения степени сжатия воздуха, подаваемого в камеры сгорания, на валу ротора установлен поршневой компрессор. А для более полного использования энергии реактивных струй на валу ротора установлена на дополнительном коаксиальном валу газовая турбина, взаимодействующая с реактивными струями и приводящая ее в противоположное вращение.
Это более простое по конструкции устройство, но в нем для подачи воздуха в камеры сгорания используется поршневой компрессор, а в аналоге центробежный. Так что никакого повышения КПД за счет использования равноценного компрессора в этом устройстве по сравнению с аналогом не ожидается. Эффект газотурбинного устройства заключается в повышении КПД за счет использования энергии реактивных струй турбиной, которая создает дополнительный вращающий момент. Однако применение типовой газовой турбины и камер сгорания в предлагаемом устройстве не позволяет максимально ее использовать для получения дополнительного вращающего момента. К тому же, аналог и прототип используют энергию струйных, т.е. непрерывно действующих реактивных двигателей.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.
Эта цель достигается тем, что в предлагаемом изобретении предлагается пульсирующий газотурбинный двигатель, в котором ротор с тангенциально установленными пульсирующими реактивными двигателями, встроен в раздвоенную в виде вилки газовую турбину, установленную коаксиально на валу ротора, охватывая его симметрично с обеих сторон, лопатки турбины выполнены с фасонными вырезами с небольшим зазором по контуру сопел пульсирующих реактивных двигателей, выполненных в виде параболических камер, в фокусах которых установлены свечи зажигания топливовоздушной смеси, поступающей из проходных каналов через обратные клапаны, расположенные в вершинах параболических камер, в которые по топливным каналам с помощью конических воздухозаборников, установленных на тыльных сторонах параболических камер, выполняющих функцию компрессоров и образующих струйные насосы, подается топливо в виде топливовоздушной смеси (аэрозоля), из выходных сопел параболических камер сфокусированные в пульсирующие фронты горения топливовоздушной смеси изнутри направлены на лопатки газовой турбины, при этом противоположно направленные крутящие моменты вала ротора и коаксиального вала турбины складываются с помощью суммирующего дифференциала.
На фиг. 1 представлен в разрезе общий вид предлагаемого пульсирующего газотурбинного двигателя: 1 - корпус двигателя; 2 - стяжные болты; 3 - ротор; 4 - пульсирующие реактивные двигатели; 5 - параболические камеры сгорания; 6 - газовая турбина с лопатками; 7 - вал ротора; 8 - фасонные вырезы в лопатках; 10 - свечи зажигания; 11 - обратные клапаны; 12 - топливные каналы; 13 - конусные воздухозаборники; 14 - проходные каналы; 15 - канал для электропитания свечей; 16 - магистральный топливный канал; 18 - воздуховсасывающий трубопровод; 19 - газоотводящий трубопровод.
На фиг. 2 представлен вид сбоку предлагаемого газотурбинного двигателя: 1 - корпус двигателя; 2 - стяжные болты; 3 - ротор; 4 - пульсирующие реактивные двигатели; 5 - параболические камеры сгорания; 6 - лопатки газовой турбины; 7 - вал ротора; 8 - фасонные вырезы в лопатках; 9 - вал коаксиально расположенной турбины; 10 - свеча зажигания; 11 - обратный клапан; 12 - топливные каналы; 15 - канал для электропитания свечей зажигания; 16 - магистральный топливный канал; 17 - шарикоподшипники.
На фиг. 3 показана параболическая камера сгорания: 3 - ротор; 5 - параболическая камера сгорания; 10 - свеча зажигания; 11 - обратный клапан; 12 - топливный канал; 13 - воздухозаборник; 14 - проходной канал; 15 - канал для провода электропитания свечи; 20 - держатель пульсирующего реактивного двигателя; 21 - провод электропитания свечи; 22 - фокус; 23 - сфокусированный газовый фронт.
Предлагаемый пульсирующий газотурбинный двигатель в разрезе (фиг. 1) состоит из корпуса 1 из двух половин, стянутых болтами 2, в котором размещен ротор 3, с тангенциально установленными пульсирующими реактивными двигателями 4 и встроен в раздвоенную в виде вилки газовую турбину 6, установленную коаксиально валу 7 ротора 3. Жестко посаженный на вал 7 ротор 3 с симметрично расположенными параболическими камерами сгорания 5 и воздухозаборниками 13 вращаются в фасонных вырезах 8, выполненных по контуру сопел пульсирующих реактивных двигателей 4. В фокусах параболических камер сгорания 5 установлены свечи зажигания 10 топливовоздушной смеси. Смесь поступает по топливным каналам 12 через проходные каналы 14 и обратные клапаны 11, расположенные в вершинах параболических камер 5, с помощью конических воздухозаборников 13, установленных на тыльных сторонах параболических камер 5. Воздухозаборники 13 с проходным каналом 14 при высокой скорости встречного вращения выполняют функцию компрессоров и образуют с топливными каналами 12 струйные насосы, с помощью которых топливо подается в виде топливовоздушной смеси (аэрозоля). Сфокусированные фронты горения топливовоздушной смеси в параболических камерах 5 при выходе из сопел формируются в газовые фронты, направленные на лопатки 6 газовой турбины и создающие последний крутящий момент, обратный моменту пульсирующих реактивных двигателей 4. Топливные каналы 12 соединяются внутри вала 3 в магистральный канал 16 и на выходе - с топливным баком (не показан на фиг. 1). Второй канал 15 предназначен для проводов электропитания свеч зажигания 10. Всасывание свежего воздуха в двигатель осуществляется по трубопроводу 18 самой турбиной. Выброс отработанных газов - также самой турбиной, но через трубопровод 19. Таким образом, двигатель работает как воздушный турбокомпрессор.
На виде сбоку пульсирующего газотурбинного двигателя в разрезе (фиг. 2) показан корпус 1 из двух половин, стянутый болтами 2, внутри которого размещена газовая турбина с лопатками 6, закрепленными на коаксиальном валу 9 в шарикоподшипниках 17 между корпусом 1 и валом ротора 7, на котором жестко закреплен ротор 3 с установленными на нем параболическими камерами сгорания 5, вращающимися в фасонных вырезах 8 лопаток турбины 6. Газовая турбина 6 выполнена раздвоенной в виде вилки, симметрично охватывающей с обеих сторон с небольшим зазором ротор 3 с камерами 5. В разрезе верхней части чертежа в проеме сопла видны следующие лопатки газовой турбины 6, в которые попадает реактивная газовая струя. В разрезе нижней части показаны обратный клапан 11 и свеча зажигания 10. Противоположно направленные крутящие моменты вала ротора 7 и вала 9 коаксиальной турбины 6 суммируются с помощью дифференциала (не показан на фиг. 1).
Камера сгорания топливовоздушной смеси (фиг. 3) выполнена в виде параболоида вращения, обладающего свойством фокусирования 22 фронта горения и направленного пульсирующего действия сформированного газового фронта 23 из сопла параболической камеры 5 изнутри на лопатки газовой турбины 6. Удлиненная свеча зажигания 10 питается от электропровода 21, пропущенного в канале 15, и размещается над или сбоку от проходного канала 14 для топливовоздушной смеси напротив обратного клапана 11 так, чтобы электроды ее находились в фокусе параболической камеры 5 и искра воспламеняла смесь в этом фокусе. Конический воздухозаборник 13 при встречном вращении ротора 3 концентрирует захваченный поток воздуха проходным каналом 14 и образует высокоскоростную струю воздуха в нем с большим давлением, которая с топливным каналом 12 образует струйный эффект (струйный насос). Впрыснутая в параболическую камеру 5 топливовоздушная смесь (аэрозоль) поджигается искрой свечи 10 и высокое давление горения смеси автоматически закрывает обратный клапан 11, накапливая давление в проходном канале 14 для очередного впрыскивания. Параболическая камера 5 и воздухозаборник 13 закреплены на роторе 3 с помощью держателя 20. Сгоревшая топливовоздушная смесь на выходе из сопла параболической камеры 5 переходит в газовый фронт и распространяется со скоростью 20-40 м/с. При этом давление газов в фокусе 22 камеры падает, а давление в проходном канале 14 достигает максимума. В результате обратный клапан 11 открывается. Синхронно с очередным впрыскиванием топливовоздушной смеси в параболическую камеру 5 подается искра (ни опережая, ни опаздывая) для поджига этой смеси, и так называемый PV-цикл Хамфри завершается («Р-V» - давление-объем).
Пульсирующий газотурбинный двигатель работает следующим образом.
Открывается топливная магистраль 16, включается электронная система зажигания по каналу 15 на 2,4 или более пульсирующих реактивных двигателя 4 и с помощью стартера (не показан на фиг. 1) раскручивается ротор 3 с реактивными двигателями 4 до полного запуска газовой турбины с лопатками 6. При этом на рабочий режим выходят все пульсирующие реактивные двигатели 4, совершая во всех одновременно пульсирующих реактивных двигателях от 45 до 250 PV-циклов в секунду. Вал ротора 3 и коаксиальный вал 9 газовой турбины с противоположными крутящими моментами нагружены на суммирующий дифференциал (не показан на фиг. 1), с вала которого снимается полезная мощность.
Технический эффект: Взаимодействие пульсирующих реактивных параболических камер изнутри лопаток газовой турбины с автономными воздухозаборниками (вместо компрессора на валу) повышает КПД газотурбинного двигателя.