Газотурбинная установка со сгоранием топлива в постоянном объеме

 

Изобретение относится к машиностроению. Изобретение представляет собой двигатель внутреннего сгорания, выполненный в варианте газотурбинной установки для привода транспортных средств. Двигатель выполнен двухвальным, сгорание происходит при постоянном объеме камер сгорания, в которые воздух подается от компрессоров циклического действия. Топливоподача и формирование искры зажигания осуществляются от кинематической связи этих устройств с валом компрессоров. Привод компрессоров осуществляется от соответствующей турбины. Полезная мощность снимается с выходного вала, что приводится от свободных тяговых турбин, насаженных на этот вал. На турбины газы подаются по расширяющимся соплам. Частота вращения вала компрессоров регулируется выпускным дроссель-клапаном, установленным и находящимся в камере сгорания и сопле секции привода компрессоров. Для улучшения запуска двигателя возможна подача дополнительного количества топлива в эту секцию. Установка позволяет добиться стехиометрического состава сгораемого топлива, отказаться от сцепной муфты, облегчить условия работы турбин, упростить управление, повысить надежность и технологичность, повысить экологичность при остановке транспортного средства и на всех других режимах работы. 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Возможно использование для привода автомобилей.

В качестве аналога принята газотурбинная установка со сгоранием при постоянном объеме /DE, патент 1273263, F 02 C 5/12, 1968 г, 6л/, которая также является двухвальной и одна из которых свободная, являющаяся тяговой. Валы приводятся от насаженных на них турбин. Турбина компрессорная приводит центробежный компрессор, которая во время работы установки вращается с постоянной частотой, что является особенностью. С компрессорного вала через бесступенчатый фрикционный редуктор приводятся два распределительных диска с пазами. Диски расположены с передней и задней сторон камер сгорания и служат для открытия и закрытия последних для обеспечения сгорания при постоянном объеме. Из камеры сгорания газы попадают в смеситель и из него через сопло на турбины и вращают их. В смесителе газы смешиваются с воздухом, идущим от компрессора. Во время работы установки с помощью редуктора меняется частота происходящих в камере сгорания циклов сгорания, что осуществляется через изменение частоты вращения распределительных дисков. Недостатком установки является невозможность перекрытия передачи вращения на тяговый вал во время работы, температурные условия работы турбин, сложность и нетехнологичность, ненадежность.

Технической задачей является отказ от сцепной муфты на тяговом валу, повышение эффективности сгорания в камере сгорания, уменьшение вредности выхлопа на всех режимах работы двигателя, изменение управления работой двигателя, повышение надежности и ресурса деталей, работающих под трением и высокой температурой.

Задачи решаются следующим образом.

Газы из камеры сгорания на турбины подаются через расширяющиеся сопла. В сопле газы приобретают определенную скорость, а также расширяются. Температура газов к концу расширения падает, что создает необходимые условия для работы турбин. Повышение эффективности сгорания в камере осуществляется применением впускного и выпускного клапанов для сгорания без утечек газов и в постоянном объеме. Причем в камерах сгорания горючая смесь стехиометрического состава, т.е. смесь с определенным и постоянным коэффициентом избытка воздуха, что и обеспечивает необходимую чистоту выхлопных газов. Для увеличения ресурса уплотнителя /в компрессорах/ он выполнен самосмазывающимся. Управление изменения выходной мощности осуществляется через изменение частоты вращения вала компрессора. Для этого истечение газов из камеры сгорания, предназначенной для привода турбины, установленной на вал компрессора, регулируется через дроссель-клапан посредством изменения величины хода последнего. Для прекращения крутящего момента на выходном валу предусматривается прекращение подачи топлива в основные камеры сгорания с одновременной декомпрессией в камерах через выпускные клапаны. Последнее также способствует облегчению запуска, повышению экономичности и экологичности в определенных режимах работы двигателя. Для облегчения запуска также возможна подача дополнительного горючего в камеру сгорания ведущей секции, что особенно необходимо при работе двигателя на бензине.

На фиг. 1 дан вид при рассмотрении сбоку. Позволяет определить взаимное расположение компрессоров, камер сгорания, турбины привода компрессоров с соответствующим соплом, тяговых турбин с выходным валом, а также блока формирования топливоподачи с распределителем зажигания /при осуществлении сгорания в камере от электрической искры/.

На фиг. 2 - взаимное расположение тяговой турбины, сопла подачи газов на нее, камеры сгорания, компрессора подачи воздуха в камеры сгорания.

На фиг. 3 дано изображение взаимного расположения турбины привода компрессоров, сопла для подачи газов на нее из камеры сгорания, камеры сгорания с выпускным управляющим дроссель-клапаном, привод дроссель-клапана.

На фиг. 4 дан вариант исполнения выпускного клапана основных камер сгорания и его привода.

На фиг. 5 дан вариант выполнения кулачка привода дроссель-клапана.

На фиг. 6 представлен вариант исполнения впускного клапана компрессоров и привод клапана.

На представленных фигурах F₁, F₂, F₃, F₄, F₅ показывают действие соответствующих возвратных пружин, а K₁, K₅ -воздействие усилий от электромагнитов.

На фиг. 7 дан вариант исполнения управления двигателем с использованием элементов электрических устройств при подаче топлива в камеры сгорания механическим насосом. K₂, K₃, K₄ -действие эл.магнитов управления топливоподачи, ИЭ-источник энергии, R₁, R₂ - резисторы, ВД и ВТ - включатели. Действие акселератора и катушек управления показаны стрелками.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

А. Описание в статическом состоянии: Установка включает следующие функционирующие части: основные компрессоры 18, компрессор 1, вал 2 компрессоров, турбина 3 привода компрессоров, сопло 4, дроссель-клапан 5, камера сгорания 6, форсунка 7, свеча зажигания 8, блок формирования топливоподачи 11, секция 9 подачи топлива в камеру сгорания 6, блок секций 10 подачи топлива в основные камеры сгорания 25, впускной клапан 12, блок 13 тяговой турбины, распределитель 14 зажигания, выходной вал 15, свеча зажигания 16, форсунка 17.

Компрессоры 1 и 18 представляют роторы 28, эксцентрично расположенные на валу 2 и которые расположены в корпусе 27. Они имеют впускной патрубок 29 и уплотняющую лопатку 26. Компрессор 1 ведущей секции связывается через клапан 12 с камерой сгорания 6, а компрессоры 18 связываются через клапаны 24 с основными камерами сгорания 25. В камерах сгорания 6 и 25 в случае работы двигателя на дизельном топливе устанавливаются только форсунки 7 и 17. А при работе двигателя на бензине устанавливаются и свечи зажигания 8 и 16. В основных камерах сгорания 25 устанавливается выпускной клапан 23. Камеры сгорания 25 связываются с расширяющимися соплами 22 тяговых турбин 21. Турбины 21 установлены на выходном валу 15 и расположены в корпусе 19, который имеет выпускной патрубок 20, и составляют блок 13 турбин. Камера сгорания 6 ведущей секции связана с расширяющимся соплом 4 турбины 3 привода компрессоров 1 и 18. Турбина 3 установлена на вал 2 привода компрессоров 1 и 18, расположена в корпусе 31, имеющем выпускной патрубок 30. В камере сгорания 6 устанавливается дроссель-клапан 5. Он приводится кулачком 32 через рычаг 33 и имеет направляющую 34. Выпускные клапаны 23 приводятся через рычаг 37 и имеют направляющие 35.

Впускные клапаны 12 и 24 камер сгорания 6 и 25 конструкционно идентичны и имеют тягу 39, направляющий цилиндр 41 с уплотнительным кольцом 40. Цилиндр 41 через перемычку 42 связан непосредственно с клапаном 24 или 12.

Выпускные клапаны 23 и выпускной дроссель-клапан 5 приводятся от кулачкового вала посредством кулачков 36 и 32 соответственно. При этом кулачок 32 выполнен сложного и переменного по длине профиля. Имеет возможность перемещаться по оси кулачкового вала под усилием пружины F₄ и управляющего усилия K₁.

Впускные клапаны приводятся от кулачкового вала посредством кулачков 38. Кулачковые валы привода клапанов вращаются от вала 2. Блок формирования топливоподачи 11, который в практике может представить механический топливный насос циклической подачи топлива, приводится от вала 2.

При работе двигателя на бензине предусматривается распределитель зажигания 14, приводящийся от вала 2. В блок 11 топливо поступает от бака 43. Подача топлива насосом в двигатель осуществляется отдельно топливной секцией 9, предназначенной для камеры сгорания 6. Эта секция во время работы имеет собственную систему управления.

Секции 10 служат для подачи топлива в основном камеры сгорания 25. Уплотняющие лопатки 26 представляют пластину определенных геометрических размеров. В них в направлениях, перпендикулярных плоскости трения и в местах возникновения трения с соприкасающимися частями, просверливаются отверстия, в которые закладываются смазка.

Эксцентрично расположенные роторы 28 и уплотняющие лопатки 26 делят полость компрессоров 1 и 18 на две части. В первой из них воздух впускается, а во второй сжимается для подачи в камеры сгорания. Сопла 4 и 22 представляют собой расширяющиеся сопла /например, Лаваля/.

Впускные и выпускные клапаны камер сгорания 6 и 25 могут приводиться как от одного кулачкового вала, так и двух отдельных. Кулачок 32 во время работы двигателя имеет возможность перемещаться в направлении оси кулачкового вала, на которой он установлен. Это осуществляется под действием внешних усилий от F₄ и K₁, что необходимо для регулирования частоты вращения вала 2 компрессоров. Блок 11 формирования топливоподачи может представлять механический топливный насос циклического действия. Каждая ее секция подает топливо в отдельные камеры сгорания. Управление секцией 9 отдельное, а секциями 10 сблокированное в отдельное.

Секция топливного насоса представляет собой насос плунжерного типа. Для регулирования и прекращения топливоподачи в секциях можно предусмотреть дополнительное устройство в виде дозатора, либо первое осуществляется поворотом плунжера относительно втулки. /Гельман Б.М., Москвин М.В. Сельскохозяйственные тракторы и автомобили. Кн. 1 Двигатели. М. Агропромиздат. 1987 г - 287 с. , стр. 173 - 187//. При работе на бензине блок 11 топливоподачи можно выполнить с использованием элементов электрических устройств.

Б. Описание работы устройства: Работа, когда с выходного вала 15 снимается максимальная мощность, происходит следующим образом. В компрессоры 1 и 18 через патрубки 29 всасывается воздух. Одновременно воздух сжимается /роторами 28/ в полости сжатия. Сжимаемый воздух подается через открытые впускные клапаны 12 и 24 в камеры сгорания 6 и 25. При этом допустимо, чтобы в определенный момент поступления воздуха в камеры сгорания 6 и 25 оказались открытыми также и выпускной дроссель-клапан 5, и выпускные клапаны 23 камер сгорания. Это необходимо для продувки камер. Далее выпускной дроссель-клапан 5 и выпускной клапаны 23 закрываются. Компрессоры продолжают сжатие воздуха, давление и температура которого повышаются. При достижении максимального от центра удаленной точки роторов верхнего положения сжатие и нагнетание воздуха в камеры сгорания 6 и 25 заканчиваются. Заканчивается впуск воздуха в компрессор, а также происходит закрытие впускных клапанов 12 и 24. В камеры сгорания 6 и 25 форсунками 7 и 17 впрыскивается топливо, которое сгорает, сопровождаясь повышением давления и температуры. Роторы 28 вращаются дальше и при определенном их положении, когда в камерах 6 и 25 сгорает основная масса поданного топлива, открываются дроссель-клапан 5 и выпускные клапаны 23. Газы из камеры 6 по соплу 4 подаются на турбину 3 привода компрессоров 1 и 18. А газы из камер 25 подаются по соплам 22 на тяговую турбину 21 выходного вала 15. После завершения истечения газов из камер сгорания 6 и 25, в которых давление падает до минимального, открываются впускные клапаны 12 и 24. Камеры сгорания 6 и 25 продуваются, клапан 5 и 23 закрываются, и дальше вышеописанный процесс повторяется. Особенностью является то, что для получения максимальной мощности двигателя дроссель-клапан 5 перемещается на полную величину хода. Этим достигается максимально короткое время истечения газов из камеры сгорания 6 и, соответственно, максимальная частота вращения вала 2 компрессоров 1 и 18. Для регулирования частоты вращения вала 2, которое необходимо для регулирования /изменения/ мощности на выходном валу 15, предусматривается изменение величины хода дроссель-клапана 5. Изменение хода дроссель-клапана 5 осуществляется кулачком 32 сложного профиля путем перемещения его в осевом направлении. Дроссель-клапан 5 регулирует величину критического сечения расширяющегося сопла 4, что и позволяет регулировать мощность двигателя /изменением времени истечения газов из камеры/.

Особенностью работы двигателя на бензине и при зажигании его от электрической искры является то, что бензин впрыскивается сразу после закрытия выпускных клапанов 23 и дроссель-клапана 5. В этом случае двигатель обязательно оснащается распределителем 14 зажигания, связанным со свечой 8. Управление работой двигателя /представлена на фиг. 7/ производится так /запуск и остановка не рассматриваются/.

Транспортное средство стоит на месте. Через привод тормоза включается ВТ. Электрический ток от источника ИЭ поступает на катушки K₄ и K₅, а также / в дизельном варианте / через включатель ВД на катушку K₃. Происходит отсечка подачи топлива в камеры сгорания 25 и включается декомпрессия через открытие клапанов 23. При этом вал 2 компрессоров вращается, т.к. работает приводящая секция двигателя. Для начала движения отпускается педаль тормоза, зарабатывают основные тяговые секции двигателя и начинается движение. В случае крайней необходимости возможно, кроме увеличения мощности путем увеличения частоты вращения вала компрессоров, также увеличение мощности путем подачи дополнительного количества топлива в ведущую камеру сгорания 6. Положением дроссель-клапана 5 управляет катушка K₁, получающая электроток через резистор R₁. Дополнительное количество топлива секцией 9 насоса подается через действие катушки K₂ посредством изменения сопротивления резистора R₂. При работе на бензине K₃ ВД и R₂ исключаются. Вместо R₂ предусматривается включатель для подачи дополнительного количества бензина в целях облегчения запуска. Она после запуска двигателя выключается, и управление мощностью двигателя осуществляется только через изменение величины хода дроссель-клапана 5. K₃ необходим для установки подачи минимума топлива во время стоянки транспорта /в дизельном варианте двигателя/. Исполнение включения ВТ через педаль тормоза возможно и сложности не представляет, в том числе и из-за того, что педаль имеет свободный ход до начала срабатывания тормоза транспорта. Особенностью двигателя является то, что циклы в камерах сгорания происходят за один оборот вала компрессоров. Для увеличения, т.е. удвоения мощности установки, возможно применение компрессорного блока с соответствующими камерами сгорания и соплами с противоположной относительно тяговой турбины стороны и действующими на нее.

Выбор критического сечения расширяющихся соплов производится с учетом перехода их в насадок и с учетом времени истечения газов из камер сгорания.

Работа двигателя, установленного на транспортном средстве, управляется педалями акселератора и тормоза. Акселератор действует на резистор R₁ /и R₂ - в дизельном варианте/. Педаль тормоза воздействует, включая ВТ и ВД, на K₃, K₄ и K₅/ K₅ - декомпрессия, K₄ - отсечка подачи топлива в секции 10, K₃ - установка минимальной подачи топлива в секции 9 в варианте дизельного двигателя/.

Формула изобретения

Двигатель внутреннего сгорания со сгоранием топлива в постоянном объеме, содержащий компрессоры, установленные на единый вал с приводящей турбиной, свободные тяговые турбины на выходном валу, камеры сгорания, снабженные форсунками и связанные через впускной клапан с собственными компрессорами и выпускными клапанами с расширяющимися соплами турбин, блок формирования топливоподачи к форсункам, отличающийся тем, что выпускной клапан камеры сгорания, приводящей компрессоры турбины, выполнен дроссельным с возможностью регулирования величины хода, выпускные клапаны камер сгорания тяговых турбин - декомпрессионными с синхронной отсечкой подачи топлива в камеры, компрессоры циклического действия, включающие эксцентрично расположенные роторы с разделяющими полости компрессоров лопатками со смазкой, при этом камеры сгорания могут снабжаться свечой, связанной с распределителем зажигания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7