Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием взрывчатой смеси в постоянном объеме
Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием в постоянном объеме взрывчатой смеси, поступающей через сопла, расположенные вокруг лопаток турбины в корпусе двигателя, содержит турбину, установленную на валу в камере сгорания, корпус двигателя с соплами и отражателями. Турбина изготовлена в форме лопастей, установленных под углом и соединенных по наружным окончаниям кольцом. В центральной части двигателя расположены вентиляционные окна. В камере сгорания расположено кольцо с лопатками. Лопатки выполнены в форме пирамид, лежащих боковыми гранями на поверхности кольца, вершинами в сторону вращения турбины и плоскими основаниями - рабочими поверхностями, установленными перпендикулярно и поперек наружной поверхности кольца. Изобретение повышает взрывобезопастность двигателя. 6 ил.
Область техники.
Изобретение относится к машиностроению. Его применение возможно в качестве двигателя на всех видах транспорта и в промышленности.
Уровень техники.
Известна газотурбинная установка со сгоранием топлива в постоянном объеме (патент RU 2147341 С1, 7 F 02 С 5/12, 2000 г.), где газы из камеры сгорания на турбины подаются через сопла. В соплах газы приобретают скорость и расширяются. Температура газов к концу расширения падает, что создает необходимые условия для работы турбины.
Недостатком этого двигателя является практическая невозможность его применения, т.к. топливо, сжигаемое в камере сгорания, создает в основном лишь температуру, но не давление, достаточное для работы турбины, да еще компрессоров.
Известен газотурбинный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием взрывчатой смеси в постоянном объеме, содержащий установленную в корпусе двигателя на валу турбину, лопатки которой расположены в камере сгорания, куда через сопла, расположенные вокруг лопаток и имеющие непрерывно действующее зажигание, с синхронной отсечкой подается взрывчатая смесь, с направлением полученного давления на лопатки турбины и отражатели (патент FR 1538421, МПК F 02 В 53/00, 1968 г.).
Недостатками этого двигателя являются округлая форма лопаток в виде углублений в корпусе турбины, что резко снижает КПД давления газов в сторону вращения турбины, т.к. газы давят одинаково во все стороны, и невозможность устройства большего количества лопаток из-за их формы при такой цельнометаллической турбине.
Ближайшим к предложенному изобретению по своей сути является газотурбинный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием в постоянном объеме взрывчатой смеси, поступающей через сопла, расположенные вокруг лопаток турбины в корпусе двигателя, содержащий турбину, установленную на валу в камере сгорания, корпус двигателя с соплами и отражателями, при этом турбина изготовлена в форме лопастей, установленных под углом и соединенных по наружным окончаниям кольцом, в центральной части двигателя расположены вентиляционные окна, при этом в камере сгорания расположены кольцо с лопатками, а вал турбины и подшипники установлены вне камеры сгорания (патент FR 867003, НКЛ. Cr. 5-CL. 8, 1940 г.
Недостатками этого двигателя являются форма лопаток турбины, которые фактически могут использовать лишь часть КПД давления газов, давящих во все стороны с одинаковой силой, а обратная сторона лопаток устроена так, что около половины КПД давления газов неминуемо будет давить на лопатки в сторону, противоположную вращению турбины, даже при наличии отражателей в камере сгорания, да и камеры сгорания, при таком устройстве лопаток, как таковой нет. Ее образуют лишь пространства между лопаток, которые по сути и выполняют роль нескольких отдельных камер сгорания при отсутствии достаточного пространства между лопатками и внутренней поверхностью камер сгорания. Кроме того, при зажигании смеси при поступлении ее в сопла вся взрывчатая смесь сгорает в соплах, образуя реактивную струю газов, давящих лишь на некоторые лопатки, а не на все сразу, если бы смесь взрывалась во всей камере сгорания при ее наличии. Указанное устройство лопаток снижает КПД двигателя, кроме того, имеет огромное встречное сопротивление газов при вращении турбины. Не обеспечивается также и взрывобезопасность двигателя от скопления несгоревших газов.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является повышение КПД давления газов на лопатки турбины, снижение сопротивления лопаток турбины встречным газам при вращении турбины, взрыв взрывчатой смеси во всей камере сгорания одновременно, максимальное давление газов на рабочие поверхности лопаток турбины, непрерывно действующее зажигание с поздним включением и обеспечение взрывобезопасности двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что в газотурбинном двигателе внутреннего сгорания со сгоранием в постоянном объеме взрывчатой смеси, поступающей через сопла, расположенные вокруг лопаток турбины в корпусе двигателя, содержащем турбину, установленную на валу в камере сгорания, корпус двигателя с соплами и отражателями, при этом турбина изготовлена в форме лопастей, установленных под углом и соединенных по наружным окончаниям кольцом, в центральной части двигателя расположены вентиляционные окна, в камере сгорания расположено кольцо с лопатками, согласно изобретению лопатки выполнены в форме пирамид, лежащих боковыми гранями на поверхности кольца, вершинами в сторону вращения турбины и плоскими основаниями - рабочими поверхностями, установленными перпендикулярно и поперек наружной поверхности кольца.
Изготовление лопаток в такой форме обеспечивает свободное вращение турбины при достаточном зазоре между ее лопатками и внутренней поверхностью камеры сгорания без существенного влияния на КПД, а образовавшаяся камера сгорания за счет свободного пространства между лопатками из-за их формы и пространства между поверхностью лопаток и внутренней поверхностью камеры сгорания позволяет обеспечить взрыв всей взрывчатой смеси во всей камере сгорания одновременно с одновременным давлением газов на все лопатки сразу, что многократно увеличивает КПД. Непрерывно действующее позднее зажигание срабатывает в конце впрыска смеси в сопла, когда взрывчатая смесь уже поступила в камеру сгорания, но оно действует и до поступления смеси в сопла для зажигания оставшихся газов. Такое зажигание и предотвращение взрыва двигателя от накопления газов принято называть поздним.
Обтекаемая форма лопаток с обратной нерабочей стороны обеспечивает минимальное сопротивление их газам при вращении турбины. Пирамиды могут быть и с тремя гранями.
Новизна и существенные отличия изобретения заключаются в изготовлении лопаток турбины в форме пирамид, снижении сопротивления лопаток при вращении турбины, максимальном давлении газов на все лопатки одновременно, взрыве топлива во всей камере сгорания одновременно, зажигании топлива в конце впрыска, дожигании топлива.
Газотубинный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием в постоянном объеме взрывчатой смеси состоит из корпуса 1, камеры сгорания 2, сопл 3, отражателей 4, вала 5, турбины 6, лопаток турбины 7, лопастей турбины 8, вентиляционных окон корпуса 9, системы охлаждения 10, газопроводов 11, распределительной емкости 12, баллонов со сжатым воздухом и газом 13, дросселей 14, непрерывно действующего зажигания 15, синхронных отсекателей 16, кольца турбины 17, ступицы турбины 18.
Газотурбинный двигатель работает следующим образом.
Из баллонов 13 через дроссели 14 сжатый воздух и газ поступают в распределительную емкость 12, где образуют взрывчатую смесь. Эта смесь по газопроводам 11 поступает в сопла 3 и камеру сгорания 2. В конце поступления взрывчатой смеси срабатывает непрерывно действующее зажигание 15. В результате взрыва смеси давление газов происходит на все лопатки турбины одновременно. Отсекатели 16 обеспечивают равномерное, дозированное поступление смеси. При давлении газов на лопатки 7 турбина 6 вращает вал 5, одновременно вытягивает отработанные газы и охлаждает двигатель лопастями 8 через окна 9. Отражатели 4 направляют давление газов на рабочие поверхности лопаток. Система охлаждения 10 обеспечивает предотвращение перегрева двигателя. Вал 5 с опорными подшипниками находится в зоне охлаждения, а в камере сгорания находится лишь кольцо 17 с лопатками 7. Корпус двигателя 1 состоит из двух продольных половин, скрепленных 3÷5 болтами.
Оптимальная взрывчатая смесь - воздушно-водородная.
Изготовление двигателя возможно на любом предприятии с литейным производством металла. Двигатель прост в изготовлении, надежен в работе, КПД выше поршневых двигателей, мощность выше поршневых двигателей за счет одновременного давления газов на все лопатки турбины и за счет большего рычага вращения вала: у поршневых двигателей коленовал с рычагом вращения около 50 мм, у турбины - 500 мм и более плюс отсутствие потерь на трении поршней.
На фиг.1 - схематичный рисунок двигателя с боковой стороны;
на фиг.2 - частичный поперечный разрез двигателя;
на фиг.3 - баллоны с газами, дросселями, газопроводами;
на фиг.4 - вид турбины, лопаток с боковой стороны;
на фиг.5 - вид лопаток сверху на кольце турбины;
на фиг.6 - вид турбины в поперечном разрезе.
Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания со сгоранием в постоянном объеме взрывчатой смеси, поступающей через сопла, расположенные вокруг лопаток турбины в корпусе двигателя, содержащий турбину, установленную на валу в камере сгорания, корпус двигателя с соплами и отражателями, при этом турбина изготовлена в форме лопастей, установленных под углом и соединенных по наружным окончаниям кольцом, в центральной части двигателя расположены вентиляционные окна, в камере сгорания расположено кольцо с лопатками, отличающийся тем, что лопатки выполнены в форме пирамид, лежащих боковыми гранями на поверхности кольца вершинами в сторону вращения турбины и плоскими основаниями - рабочими поверхностями установленных перпендикулярно и поперек наружной поверхности кольца.
