Турбодвигательная установка

 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет увеличить коэффициент полезного действия двигателя и расширить его функциональные возможности. Турбодвигательная установка содержит воздухогенератор, выполненный в виде одновального турбокомпрессорного блока, регенератор, камеру сгорания, пусковой двигатель турбокомпрессорного блока и двигатель внутреннего сгорания. Впускные клапаны двигателя соединены нагнетательным трубопроводом с выходом турбины, а выпускные клапаны соединены трубопроводом со входом газа регенератора, расположенного в трубопроводе сжатого воздуха между компрессором и подогревателем воздуха. Блок цилиндров двигателя содержит три цилиндра, расположенные на одном коленчатом валу, диаметр среднего цилиндра больше диаметра крайних цилиндров, направление движения крайних поршней противоположно направлению движения среднего поршня, над которым головка цилиндров содержит выпускной клапан и два окна с каналами, соединяющими внутреннюю полость среднего цилиндра с перепускными клапанами двух крайних цилиндров. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортных средствах: летательных аппаратах, локомотивах, на судах, стационарных установках, автомобилях и тракторах.

Известны методы повышения мощностных и экономических показателей двигателей с применением наддува, см. книгу /1/ Двигатели армейских машин, ч. 1. Под редакцией П.М. Белова. М.: Воен. издат Мин. обороны СССР, 1971, с. 396, рис. XIII. 4 (принципиальные схемы систем наддува: механической, газотурбинной и комбинированной). Механическая система наддува включает привод с механической передачей от коленчатого вала к центробежному нагнетателю, в газотурбинной - центробежный нагнетатель жестко закреплен на одном валу с газовой турбиной. В комбинированной системе наддува включены два нагнетателя, один с механическим приводом, а другой с газотурбинным приводом. В настоящее время нашло применение газотурбинного наддува в турбодизелях с установкой четырех клапанов в каждом цилиндре.

Недостатком этих систем наддува является низкий коэффициент использования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в турбине турбокомпрессорного блока вследствие малого коэффициента понижения давления, в результате чего за турбиной сохраняется высокая температура выхлопных газов.

Известна принципиальная схема газотурбинной установки /ГТУ/, см. книгу /2/ Сборник задач по технической термодинамике. О.М. Рабинович, четвертое изд. М.: Машиностроение, 1989, с. 165, рис. 60, работающая с подводом тепла при P=Const и с полной регенерацией тепла.

Недостатком этой ГТУ является ограниченная возможность повышения температуры газовой смеси перед турбиной. В результате этого получается заниженный термический коэффициент полезного действия /кпд/, что является большим недостатком в транспортных средствах передвижения.

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности существенных признаков является первый /1/ - повышение мощностных и экономических показателей двигателей с применением наддува.

Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания и расширение его функциональных возможностей при выполнении турбокомпрессорного блока с двигателем внутреннего сгорания.

Эта цель достигается тем, что за счет эффективного теплоиспользования выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в регенераторе, в воздухогенераторе получают сжатый воздух с повышенной температурой, являющийся рабочим телом для двигателя без внешнего подвода тепла или с очень малым расходом топлива. В двигателе получают повышенную удельную полезную работу за счет разности работ: уменьшения при сжатии, так как рабочее тело получило предварительное сжатие в воздухогенераторе, и увеличения при расширении газа.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Турбодвигательная установка содержит воздухогенератор, выполненный в виде одновального турбокомпрессорного блока, регенератор, камеру сгорания, пусковой двигатель турбокомпрессорного блока и двигатель внутреннего сгорания, причем впускные клапаны двигателя соединены нагнетательным трубопроводом с выходом турбины, а выпускные клапаны соединены трубопроводом со входом газа регенератора, расположенного в трубопроводе сжатого воздуха между компрессором и подогревателем воздуха. Блок цилиндров двигателя содержит три цилиндра, расположенные на одном коленчатом валу, диаметр среднего цилиндра больше диаметра крайних цилиндров, направление движения крайних поршней противоположно направлению движения среднего поршня, над которым головка цилиндров содержит выпускной клапан и два окна с каналами, соединяющими внутреннюю полость среднего цилиндра с перепускными клапанами двух крайних цилиндров. Установка снабжена редуктором и мультипликатором, соединенными между собой гидромуфтой. В одном из вариантов установка снабжена также двухтактным двигателем, каждый цилиндр которого содержит в головке цилиндров впускной клапан, спрямляющую или форсуночную проставку, расположенную между впускным клапаном и верхним торцем цилиндра, выпускные окна, расположенные на расстоянии от верхнего торца цилиндра, обеспечивающем заполнение объема рабочим телом на один цикл, круговой канал по наружной стенке цилиндра, соединяющий выпускные окна с выпускным клапаном. В другом варианте она снабжена двухтактным двигателем, каждый цилиндр которого содержит в головке цилиндров впускной и выпускной клапаны, причем под впускным клапаном в головке цилиндров выполнен кольцевой канал, коаксиально расположенный к образующей цилиндра, и продувочно-распределительную проставку с отверстиями под кольцевым каналом, расположеную между впускным клапаном и верхним торцом цилиндра.

Сущность изобретения поясняется схемой установки и чертежами, на которых показано: На фиг. 1 - схема газотурбинной двигательной установки и разрез блока цилиндров; На фиг. 2 - разрез двухтактного цилиндра двигателя с боковым расположением выпускного клапана и системой прямоточной продувки цилиндра; На фиг. 3 - разрез двухтактного цилиндра двигателя с верхним расположением клапанов и фонтанной системой продувки.

Газотурбинная двигательная установка содержит газогенератор 1 /см. фиг. 1/ и двигатель внутреннего сгорания 2. Газогенератор содержит компрессор давления 3, турбину 4, жестко закрепленные на валу 5, выполненные в виде одновального турбокомпрессорного блока, пусковой двигатель 6, агрегатный блок 7, редуктор 8, регенератор 9, подогреватель 10 с камерой сгорания 11, запорно-регулирующий орган топлива 12, топливный трубопровод 13, воздушный фильтр 14 с воздухозаборным трубопроводом 15, запорно-регулирующий орган 16 с трубопроводом 17, трубопровод 18, датчики давления 19, температуры 20, оборотов 21 и нагнетательный трубопровод 22. Нагнетательный трубопровод содержит демпферное устройство 23, трубопровод 24, редукционный клапан 25, запорно-регулирующий орган 26, ресивер 27. Двигатель внутреннего сгорания 2 содержит блок цилиндров 28, состоящий из трех цилиндров, головки цилиндров 29 с впускными 30, перепускными 31 и выпускными 32 клапанами, форсунки или насос-форсунки 33 /показана на левом цилиндре/, свечи зажигания 34 /показана на правом цилиндре/ и два канала 35, кривошипно-шатунный механизм 36, коленчатый вал 37, мультипликатор 38, пусковую турбину или двигатель 39, гидромуфту 40 и передачу 41 к потребителю механической энергии. Кроме вышеописанного двигателя внутреннего сгорания 2, другие двигатели внутреннего сгорания могут быть выполнены двухтактными, с воспламенением рабочей смеси от сжатия /дизели/ и с принудительным воспламенением /с искровым зажиганием/ с подачей топлива внутрь цилиндров с прямоточной системой продувки /см. фиг.2/ и фонтанной /см. фиг.3/. Цилиндр 42 /см. фиг.2/ содержит выпускные окна 43, выпускной клапан 32, расположенный на боковой поверхности цилиндра, головку цилиндров 44, впускной клапан 30, спрямляющую или форсуночную проставку 45, поршневую группу 46 и кривошипно-шатунный механизм 47. Головка цилиндров 44 содержит форсунку или насос-форсунку 33 и свечу зажигания 34. Впускной клапан 30 нагнетательным трубопроводом 22 соединен с выходом турбины 4 /см. фиг.1/, а выпускной клапан 32 /см. фиг.2/ трубопроводом 18 соединен с входом регенератора 9 /см. фиг.1/. Цилиндр 48 /см. фиг.3/ содержит головку цилиндров 49, впускной клапан 30, выпускной клапан 32, расположенный на оси цилиндра, продувочно-распределительную проставку 50 с коаксиально расположенными отверстиями образующей цилиндра, поршневую группу 46 и кривошипно-шатунный механизм 47. Головка цилиндров 49 содержит форсунку или насос-форсунку 33 и свечу зажигания 34. Впускной клапан 30 нагнетательным трубопроводом 22 соединен с вы- ходом турбины 4 /см. фиг.1/, а выпускной клапан 32 /см. фиг.3/ трубопроводом 18 соединен с входом газа в регенератор 9 /см. фиг.1/ и далее с атмосферой. Трубопроводы 18 и 22 покрыты высокотемпературной изоляцией 51.

Работа турбодвигательной установки в компоновке воздухогенератора 1 /см. фиг. 1/ с блоком цилиндров 28, состоящей из трех цилиндров, происходит следующим образом. Перед запуском турбокомпрессорного блока 3, 4 запорно-регулирующий орган топлива 12 закрыт, запорно-регулирующий орган 16 открыт. При раскрутке турбокомпрессорного блока пусковым двигателем 6 до определенного числа оборотов запорно-регулирующий орган топлива 12 открывается, и топливо подается в форсунки камеры сгорания 11, подается электрический ток на свечу зажигания и происходит горение топлива с большим коэффициентом избытка воздуха >3,5. Подогретый воздух в подогревателе 10, предварительно сжатый в компрессоре 3, поступает в турбину 4, где, расширяясь, отдает часть энергии, которая идет на дальнейшею раскрутку турбокомпрессорного блока. После турбины воздух по трубопроводу 17 поступает в регенератор 9, в котором отдает часть тепловой энергии сжатому воздуху, идущему от компрессора давления 3 к подогревателю 10, и охлажденный поступает в атмосферу. Таким образом, происходит автономная работа турбокомпрессорного блока. Регулируя подачу топлива запорно-регулирующим органом 12 по оборотам датчика 21, температуре 20 и давлению 19, выходят на режим запуска двигателя 2. При запуске двигателя 2 открывается запорно-регулирующий орган 26 и сжатым воздухом после турбины 4 пусковой турбиной 39 производят запуск двигателя 2. В процессе запуска двигателя 2 запорно-регулирующий орган 16 может постепенно перекрываться, уменьшая расход воздуха по трубопроводу 17, а при начале работы двигателя 2 закрываются запорно-регулирующие органы 16 и 26. Запуск двигателя 2 может производиться турбокомпрессорным блоком 3, 4 через гидромуфту 40. Асинхронная работа двигателя и турбокомпрессорного блока позволяет резко менять обороты двигателя 2 при их компоновке с гидромуфтой, которая плавно включается в работу, имеет простое дистанционное или автоматическое управление. Так как число оборотов турбокомпрессорного блока на порядок выше оборотов двигателя внутреннего сгорания, то при механической связи между двигателем и гидромуфтой установлен мультипликатор 38, а между турбокомпрессором и гидромуфтой установлен редуктор 8, обеспечивающие нормальную работу гидромуфты при разности оборотов насосного и турбинного колес в пределах 1,5...3%. В воздухогенераторе введена регенерация, т. е. нагрев сжатого в компрессоре воздуха за счет тепла выхлопных газов двигателя, например, до 1100К, в результате чего турбина работает по циклу с предельной регенерацией. В турбокомпрессорном блоке за счет разных степеней повышения давления в компрессоре и расширения в турбине на выходе из турбины получают сжатый воздух с параметрами состояния Р= 2,2 бар и Т=707К, которые являются входными параметрами рабочего тела в двигатель внутреннего сгорания. В двигателе, состоящем из блока трех цилиндров, первый и третий /крайние/ цилиндры работают по четырехтактному циклу, начало цикла смещено на 360^o, а средний цилиндр - двухтактный. Процесс расширения газа в крайних цилиндрах происходит не полностью, и когда поршень находится в нижней мертвой точке /НМТ/, открывается перепускной клапан этого цилиндра, и газ поддавлением поступает по каналу 35 в средний цилиндр, поршень которого находится в верхней мертвой точке /ВМТ/. Диаметр среднего цилиндра больше в 1,6...1,8 раза диаметра крайнего цилиндра. По закону сообщающихся сосудов давление газа в обеих цилиндрах выравнивается. Давление газа на большую площадь среднего поршня создает большую силу, чем давление газа на крайний поршень, и средний поршень перемещается вниз, поршень крайнего цилиндра перемещается вверх, выдавливая газ в средний цилиндр, объем которого позволяет газу расширяться и производить работу. Параметры конца расширения газа, например, по давлению Р=1,5 бар абсолютных и температура Т=1200К. Процессы заполнения рабочим телом, сжатия и сгорания происходят в крайних цилиндрах поочередно. Например, при входном давлении в цилиндре 2,2 бара и степени повышения давления λ=6, давление сжатия в цилиндре получают 2,2•6=13,2 бар. При сгорании топлива давление в цилиндре повышается до 31. . .35 бар. В процессе расширения газа в двух цилиндрах степень понижения давления будет λ=(31-35):1,5=20,4-23,3, что является получением повышенного кпд установки. Для согласованной работы турбокомпрессорного блока и двигателя внутреннего сгорания расход воздуха должен быть одинаковый. При расчете компрессоров и турбин принято брать расход воздуха G=1 кг/с, а двигателя - литровый объем цилиндров, число цилиндров, такт цилиндров, число оборотов коленчатого вала в минуту. Отсюда определяется весовой расход рабочего тела за один цикл одного цилиндра и время одного цикла где t - время одного цикла в секундах; Z - коэффициент тактности /для четырехтактных двигателей Z=2, для двухтактных Z=1, для блока из данного примера Z=1/; n - число оборотов коленчатого вала в минуту.

Объем крайнего цилиндра из уравнения состояния рабочего тела, заполненного в цилиндр где V_уд - удельный объем рабочего тела в цилиндре;
G_ц - секундный расход топлива за цикл в кг;
R - газовая постоянная воздуха, в Дж/кг•град.;
Т_зап - температура воздуха в конце заполнения цилиндра;
Р - давление воздуха в конце заполнения цилиндра в бар.

Объем среднего цилиндра равен удельному объему газа при температуре, например, 1200К и давлению 1,5 бар абсолютных, при расходе воздуха за один цикл в кг. Работа турбодвигательной установки в компоновке воздухогенератора с двухтактным двигателем с выпускными окнами, расположенными по периметру цилиндра /см. фиг. 2/, при запуске и автономной работе воздухогенератора происходит так, как описано выше, потому что подсоединение воздухогенератора к цилиндрам двигателя одинаково. Трубопровод 22 соединяет выход из турбины 4 с впускным клапаном 30 цилиндра, а трубопровод 18 соединяет выпускной клапан 32 со входом газа регенератора. Цикл двухтактного двигателя включает процессы, происходящие в цилиндре: газообмена - выпуск отработавших газов и запуск рабочего тела, сжатия, сгорания, расширения. Выпуск отработавших газов происходит при положении поршня в НМТ, впускной клапан 30 закрыт, выпускной клапан 32 открывается. Под действием остаточного давления, например при 1,5 бар. абс. , отработавшие газы с температурой, например, 1200K, по трубопроводу 18 поступают в регенератор 9 /см. фиг.1/ на "вход газа", отдают теплоту сжатому воздуху, идущему от компрессора в подогреватель, нагревая его, например, до 1100К, и охлажденные, например, до 670К, после регенератора поступают в атмосферу. Дальнейшее вытеснение отработавшего газа из цилиндра идет движением поршня вверх, при котором нижняя часть объема цилиндра очищается поршнем до выпускных окон /см. фиг.2/. При положении поршня ниже выпускных окон открывается впускной клапан 30, и рабочее тело под давлением поступает через спрямляющую или форсуночную проставку 45 в цилиндр 42 и прямоточной системой продувки очищает верхнюю часть объема цилиндра выше выпускных окон. При положении поршня на уровне выпускных окон 43 закрывается выпускной клапан 32, заканчивается продувка и происходит заполнение цилиндра сжатым воздухом или рабочим телом, которое заканчивается закрытием впускного клапана 30 при положении поршня на верхней отметке выпускных окон. При дальнейшем движении поршня вверх идет процесс сжатия, протекающий аналогично сжатию в крайнем цилиндре, описанный выше. В положении поршня в ВМТ в камеру через форсунку или насос-форсункой подается топливо в цилиндр, на свечу подается электрический ток и происходит процесс горения. При движении поршня вниз до НМТ происходит процесс расширения или рабочий ход. Объемы цилиндра V сжатия, V заполнения, V расширения описаны выше и отличаются только рабочим расходом воздуха, участвовавшего в рабочем процессе цилиндра.

G_{турбины}=G_{цилиндров}+G_{продувки}
Массовый расход воздуха в секунду через двигатель в кг равен расходу воздуха турбокомпрессорного блока минус расход на продувку. Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндров 48 с верхним расположением клапанов, работает по двухтактному циклу, но отличается фонтанной системой продувки /см. рис.3/. По окончании рабочего хода при положении поршня в НМТ и конце расширения газа при объеме V расширения открывается выпускной клапан 32, и газ с остаточным давлением, например, 1,5 бар. абс. вначале под этим давлением, а затем под действием движения поршня 46 вверх до объема начала продувки /V нач. прод. / покидает нижнюю часть объема цилиндра. На линии начала продувки открывается впускной клапан 30, и сжатый воздух поступает в кольцевой канал в головке цилиндров 49 и по отверстиям, расположенным в продувочно-распределительной проставке 50, по образующей или боковой поверхности цилиндра поступает вниз, до верхнего торца поршня, по нему устремляется к центру цилиндра. В центре сталкиваясь, фонтаном поднимаются к выпускному клапану 32. При дальнейшем движении поршня вверх, не доходя до объема заполнения /Vзаполн. /, закрывается выпускной клапан 32, и при движении поршня вверх до объема /Vзаполн./ верхняя часть цилиндра заполняется весовым расходом рабочего тела на один цикл, и впускной клапан 32 закрывается. Далее идет процесс сжатия, впрыск топлива форсункой или насос-форсункой 33, подается на свечу 34 электрический ток и происходит процесс горения. При движении поршня вниз идет процесс расширения газа или рабочий ход. На фиг.3 показано начало продувки верхней части цилиндра.

Формула изобретения

1. Турбодвигательная установка, содержащая воздухогенератор, выполненный в виде одновального турбокомпрессорного блока, регенератор, камеру сгорания, пусковой двигатель турбокомпрессорного блока и двигатель внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что впускные клапаны двигателя соединены нагнетательным трубопроводом с выходом турбины, а выпускные клапаны соединены трубопроводом со входом газа регенератора, расположенного в трубопроводе сжатого воздуха между компрессором и подогревателем воздуха.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок цилиндров двигателя содержит три цилиндра, расположенные на одном коленчатом валу, диаметр среднего цилиндра больше диаметра крайних цилиндров, направление движения крайних поршней противоположно направлению движения среднего поршня, над которым головка цилиндров содержит выпускной клапан и два окна с каналами, соединяющими внутреннюю полость среднего цилиндра с перепускными клапанами двух крайних цилиндров.

3. Установка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена редуктором и мультипликатором, соединенными между собой гидромуфтой.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена двухтактным двигателем, каждый цилиндр которого содержит в головке цилиндров впускной клапан, спрямляющую или форсуночную проставку, расположенную между впускным клапаном и верхним торцом цилиндра, выпускные окна, расположенные на расстоянии от верхнего торца цилиндра, обеспечивающем заполнение объема рабочим телом на один цикл, круговой канал по наружной стенке цилиндра, соединяющий выпускные окна с выпускным клапаном.

5. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена двухтактным двигателем, каждый цилиндр которого содержит в головке цилиндров впускной и выпускной клапаны, причем под впускным клапаном в головке цилиндров выполнен кольцевой канал, коаксиально расположенный к образующей цилиндра, и продувочно-распределительную проставку с отверстиями под кольцевым каналом, расположенную между впускным клапаном и верхним торцом цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3