Двигатель внутреннего сгорания

Авторы патента:


Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания

 


Владельцы патента RU 2605994:

Архипов Николай Фомич (RU)

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть применено в энергетической отрасли, а также в автомобильной, судостроительной, авиационной и других транспортных отраслях. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанный с валом электрогенератор, камеру сгорания, топливную горелку, компрессор. Двигатель дополнительно снабжен двумя фланцами с внешними подшипниками, прямоугольно изогнутыми соплами, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями, обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки трубками с отверстиями и подвижными соплами. Вал выполнен полым и сочленен с камерой сгорания. Шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на валу. Шестерня с внутренними зубьями входит в зацепление с шестерней с внешними зубьями. Обечайка с трубками сочленена с шестерней с внутренними зубьями. Два фланца выполнены в виде крыльчаток с жестко закрепленной в них топливной горелкой и расположены внутри вала. Вал сочленен с камерой сгорания и электрогенератором и вращается на подшипниках фланцев. Воздухозаборный патрубок соединен с корпусом. Вход компрессора расположен перед воздухозаборным патрубком. Компрессор вращается на подшипнике, закрепленном на топливной горелке. Выход компрессора через фланцы в виде крыльчаток соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с выходом горелки. Камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по внешнему периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив отверстия соответствующей трубки. Выходы трубок соединены с подвижными соплами. Изобретение направлено на повышение кпд, снижение расхода топлива при переходных режимах работы. 2 ил.

 

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть применено в энергетической отрасли, а также в автомобильной, судостроительной, авиационной и других транспортных отраслях.

Существует класс поршневых двигателей внутреннего сгорания, например а.с. СССР №761771, МКИ F16H 21/18, опубл. 07.09.80, в которых химическая энергия топлива превращается в механическую энергию путем превращения возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Недостатками поршневых двигателей являются громоздкость, сильный шум, небольшой ресурс, необходимость систем охлаждения и смазки, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление топлива, низкий коэффициент полезного действия.

Существует класс роторных двигателей внутреннего сгорания, которые подразделяются на роторно-поршневые (например, роторно-поршневой двигатель Ванкеля), и роторно-лопастные (например, роторно-лопастной двигатель Вигриянова) - (Интернет, БСЭ, Википедия). В роторных двигателях химическая энергия топлива превращается в механическую путем вращения ротора, соединенного с валом, под действием кинетической энергии газов, образующихся при сгорании топлива.

Основным недостатком известных модификаций роторно-поршневых двигателей являются небольшой ресурс их работы вследствие быстрого износа рабочих поверхностей, что обусловлено наличием больших центробежных сил, действующих на рабочие органы двигателя. Основным недостатком роторно-лопастных двигателей является сложная система управления лопастями, что приводит к снижению рабочего ресурса вследствие быстрого износа синхронизатора. Общим недостатком роторных двигателей является ненадежная работа уплотнений. В результате роторные двигатели по совокупности недостатков имеют низкие коэффициент полезного действия и надежность.

Известен класс газотурбинных двигателей внутреннего сгорания, в частности газовая микротурбина Castone (Internet), конструкция которой принята за прототип как наиболее близкое техническое решение заявляемому изобретению.

Микротурбина Castone содержит корпус, в котором расположены кольцевая камера сгорания, кольцевой рекуператор, воздухозаборный патрубок, топливная горелка, выхлопной патрубок и вращающийся в подшипниках неразрезной вал, на котором соосно жестко закреплены последовательно электрогенератор, компрессор и турбина, причем воздухозаборный патрубок расположен перед электрогенератором и соединен с входом компрессора, выход которого соединен с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с топливной горелкой, расположенной на корпусе перпендикулярно оси корпуса, выход камеры сгорания соединен через турбину со вторым входом рекуператора, а выхлопной патрубок соединен со вторым выходом рекуператора.

Недостатком известного технического решения, выбранного в качестве прототипа, является низкий коэффициент полезного действия (max 38%). Кроме того, общим недостатком газотурбинных двигателей является низкая приемистость (большая инерционность) и повышенный расход топлива в переходных режимах (при приеме и сбросе нагрузки), что ограничивает их применение на транспорте.

Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента полезного действия и снижение расхода топлива при переходных режимах работы.

Технический результат достигается за счет сгорания топлива в непрерывно вращающейся камере сгорания, с которой сочленен полый рабочий вал с закрепленным на вале электрогенератором, при этом крутящий момент для вращения вала осуществляется за счет суммирования величины крутящего момента, создаваемого реактивными струями, и величины крутящего момента, создаваемого кинетической энергией газов.

Поставленная задача решается тем, что двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанный с валом электрогенератор, камеру сгорания, топливную горелку, компрессор, дополнительно снабжен двумя фланцами с внешними подшипниками, прямоугольно изогнутыми соплами, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями, обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки трубками с отверстиями и подвижными соплами, причем вал выполнен полым и сочленен с камерой сгорания, шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на валу, шестерня с внутренними зубьями входит в зацепление с шестерней с внешними зубьями, обечайка с трубками сочленена с шестерней с внутренними зубьями, внутри вала расположены два фланца в виде крыльчаток с жестко закрепленной в них топливной горелкой, вал, сочлененный с камерой сгорания и электрогенератором, вращается на подшипниках фланцев, воздухозаборный патрубок соединен с корпусом, вход компрессора расположен перед воздухозаборным патрубком, компрессор вращается на подшипнике, закрепленном на топливной горелке, выход компрессора через фланцы в виде крыльчаток соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с выходом горелки, камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по внешнему периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив отверстия соответствующей трубки, а выходы трубок соединены с подвижными соплами.

Двигатель внутреннего сгорания на фиг.1 содержит следующие элементы. С корпусом 1 соединен воздухозаборный патрубок 2. В корпусе расположен полый вал 3, сочлененный с камерой сгорания 4. В полом валу расположены два фланца 5, выполненных в виде крыльчаток, на внешнем диаметре которых закреплены подшипники 6, на которых вращается вал. Во фланцах закреплена горелка 7, одновременно служащая валом для компрессора 8, который вращается на подшипнике 9. С валом 3, кроме камеры сгорания 4 и электрогенератора 10, сочленена шестерня 11 с внешними зубьями, с которой входит в зацепление шестерня 12 с внутренними зубьями. В свою очередь, шестерня 12 сочленена с обечайкой 13, на внутренней стороне которой закреплены трубки 14 с отверстиями 15. К выходам трубок прикреплены подвижные сопла 16. Камера сгорания выполнена полой в форме сфероида (в частном, случае в форме шара) и по внешнему периметру имеет отверстия 17, сочлененные с соплами 18, изогнутыми под прямым углом. Количество сопел должно быть четным (два, четыре, восемь и т.д.) и располагаться симметрично относительно оси камеры сгорания. Концы сопел 18 находятся напротив отверстий 15 трубок 14 на некотором расстоянии от них.

На фиг.2 изображен разрез А-А камеры сгорания 4 с соплами 18, а также трубками 14, закрепленными на обечайке 13.

Двигатель работает следующим образом.

При первичном пуске двигателя осуществляют запуск компрессора 10 от внешнего источника питания (аккумуляторной батареи, суперконденсатора и т.п.). Вращаясь на подшипнике 9, компрессор 8 затягивает воздух из атмосферы через воздухозаборный патрубок 2 и подает воздух под давлением в камеру сгорания 4 через фланцы-крыльчатки 5, с помощью которых воздух закручивается до вращательного движения. Одновременно с запуском компрессора 8 из системы питания (не показана) посредством топливной горелки 7 в камеру сгорания 4 под давлением подается топливо, которое распыляется горелкой и вращающимся потоком воздуха. Образующаяся топливовоздушная смесь является обедненной, т.к. коэффициент избытка воздуха будет кратным по отношению к минимально необходимому количеству воздуха для окисления топлива.

В начальный момент времени топливовоздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания (не показана), располагающейся на конце топливной горелки 7, вследствие чего образуется факел и вновь поступающая топливовоздушная смесь самовоспламеняется, поддерживая тем самым устойчивое горение факела. В процессе горения топлива в замкнутом объеме камеры сгорания 4 образуются газы с высокими давлением и температурой. Из камеры сгорания газы под большим давлением через отверстия 17 поступают в прямоугольно изогнутые сопла 18, истекая из которых и расширяясь, образуют реактивную тягу. Сила реактивной тяги каждого сопла определяется выражением (Интернет, Википедия, воздушно-реактивные двигатели):

P=G⋅(c-v),

где P - сила тяги;

G - секундный расход массы рабочего тела через сопло;

с - скорость истечения реактивной струи газа из сопла;

v - скорость движения (вращения) камеры сгорания.

Из выражения видно, что сила реактивной тяги тем больше, чем больше скорость истечения газов из сопла и чем больше масса проходящих через сопло газов, т.е. чем больше объем подачи топлива и, соответственно, давление и температура образовавшихся при горении топлива газов. Сопла расположены попарно и симметрично относительно центра камеры сгорания, при этом реактивная тяга попарно расположенных и прямоугольно изогнутых сопел создают крутящий момент (принцип сегнерова колеса), который заставляет вращаться камеру сгорания и сочлененный с ней вал 3, который вращается на подшипниках 6. С валом кинематически связан электрогенератор 10. Величина крутящего момента равна произведению силы реактивной тяги на плечо, которым в данном случае является расстояние от осевой линии сопла до центра камеры сгорания. Таким образом, величина крутящего момента реактивной тяги зависит в конечном итоге от величины расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания. Чтобы использовать кинетическую энергию струй газов, выходящих из сопел, применяется следующий механизм. Струи газов, вырываясь из сопел, ударяют в трубки 14 через отверстия 15, закрепленные на обечайке 13. Кинетическая энергия газов, ударяющихся в начало трубок 14, создает крутящий момент, противоположно направленный крутящему моменту реактивной тяги сопел. Обечайка 13 сочленена с шестерней 12, имеющей внутренние зубья, которыми она входит в зацепление с внешними зубьями шестерни 11, жестко закрепленной на валу, т.е. усилие от трубок 14, служащих аналогом лопаток турбины, через пару входящих в зацепление шестерен 14 и 15 передается на вращение вала и камеры сгорания в том же направлении, что и усилие на вращение от реактивной тяги сопел. Таким образом, величина крутящего момента, создаваемого кинетической энергией газов, выходящих из сопел, суммируется с величиной крутящего момента, создаваемого реактивной тягой газов. Электрогенератор 10, получая вращение от вала, непрерывно вырабатывает электроэнергию, которая распределяется по потребителям, в частности, осуществляется подзарядка аккумулятора или суперконденсатора. Отработавшие газы под некоторым избыточным относительно атмосферного давлением по каналам трубок 14 поступают в подвижные сопла 16 и в зависимости от предназначения двигателя выходят в атмосферу, топку или рекуператор. Подвижные сопла могут быть в виде диффузора или конфузора.

Известно, что определяющими характеристиками любого двигателя являются мощность, удельная мощность и коэффициент полезного действия (КПД).

В свою очередь, мощность двигателя зависит от частоты вращения вала и величины крутящего момента. Поршневые моторы с кривошипно-шатунным механизмом в силу принципиальных конструктивных особенностей не могут развивать обороты выше 7-8 тысяч оборотов в минуту (т. об/мин). Роторные двигатели имеют более высокую частоту вращения - до 11 т. об/мин. Для передачи вращения на транспортные средства (колеса, винты, пропеллеры) у поршневых и роторных двигателей необходимы механизмы-посредники - сложные, дорогостоящие и тяжелые редукторы, которые резко снижают эффективность данных типов двигателей. Кроме того, поршневые моторы и роторные двигатели выдают на главный (рабочий) вал прерывистый, пульсирующий крутящий момент, что является их главным недостатком. В итоге комплекс этих недостатков обуславливает невысокий КПД этих типов двигателей - до 33%, и невысокую удельную мощность. В газовой микротурбине Castone есть только одна движущаяся деталь - вращающийся в зависимости от нагрузки со скоростью от 24 т. об/мин до 96 т. об/мин рабочий вал, на котором закреплены турбина и электрогенератор. Турбина, сочлененная с валом, вращается под действием кинетической энергии расширяющихся газов, что обеспечивает непрерывную, постоянную скорость вращения и непрерывный, без пульсации, крутящий момент. Такие технические характеристики обеспечивают микротурбинам высокую удельную мощность и КПД до 38% (без когенерации). Кроме того, газовые турбины имеют более высокий срок службы и меньшую материалоемкость. Однако повышенный расход топлива в переходных режимах и низкая приемистость по причине использования только кинетической энергии расширяющихся газов делают неэффективным применение газовых турбин на транспорте.

В предлагаемом изобретении обеспечивается более высокая частота вращения (до 120 т. об/мин в зависимости от нагрузки) и более высокий крутящий момент за счет одновременного использования потенциальной энергии образовавшихся при горении топлива газов (реактивной тяги) и кинетической энергии этих же газов. Кроме того, более высокий крутящий момент обеспечивается за счет большего плеча приложения реактивной тяги в зависимости от диаметра камеры сгорания и высоты сопел. За счет мгновенной реакции величины реактивной тяги на изменение расхода топлива в зависимости от величины нагрузки обеспечивается высокая приемистость двигателя и оптимальный расход топлива при любых нагрузках. Таким образом, при сохранении достоинств газовой турбины предлагаемый двигатель имеет более высокую мощность, более высокую приемистость и более высокий КПД - до 50-55%. Топливом для предлагаемого двигателя могут служить различные виды газов и жидкое топливо (бензин, керосин, сжиженный природный газ и т.п.).

Кроме того, при определенных условиях можно создать детонационный режим горения топлива, что существенно увеличит эффективность двигателя.

Предлагаемый двигатель может использоваться в различных отраслях народного хозяйства. Например, в энергетической отрасли возможно его применение в качестве автономного источника электроэнергии и тепла (малая энергетика), а в более мощной энергетике в качестве горелок с одновременной выработкой электроэнергии для собственных нужд предприятия, что значительно уменьшит себестоимость электроэнергии и тепла. Кроме того, вращающаяся горелка при положении подвижных сопел в позициях (а) и (б) создает абсолютно однородное температурное поле, что увеличивает эффективность нагрева рабочего тела и срок службы котла. В транспортных отраслях (авиастроении, автомобилестроении, водном) двигатель может использоваться как с непосредственной передачей вращения вала на движущий орган, так и для выработки электроэнергии с передачей ее на электродвигатели, сочлененные с движущими органами, при этом при положении подвижных сопел в позиции (в) создается дополнительный импульс движения за счет вращения выходящих из сопел газов.

Двигатель внутреннего сгорания, включающий корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанный с валом электрогенератор, камеру сгорания, топливную горелку, компрессор, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен двумя фланцами с внешними подшипниками, прямоугольно изогнутыми соплами, шестерней с внешними зубьями, шестерней с внутренними зубьями, обечайкой с закрепленными на внутренней стороне обечайки трубками с отверстиями и подвижными соплами, причем вал выполнен полым и сочленен с камерой сгорания, шестерня с внешними зубьями жестко закреплена на валу, шестерня с внутренними зубьями входит в зацепление с шестерней с внешними зубьями, обечайка с трубками сочленена с шестерней с внутренними зубьями, внутри вала расположены два фланца в виде крыльчаток с жестко закрепленной в них топливной горелкой, вал, сочлененный с камерой сгорания и электрогенератором, вращается на подшипниках фланцев, воздухозаборный патрубок соединен с корпусом, вход компрессора расположен перед воздухозаборным патрубком, компрессор вращается на подшипнике, закрепленном на топливной горелке, выход компрессора через фланцы в виде крыльчаток соединен с первым входом камеры сгорания, второй вход которой соединен с выходом горелки, камера сгорания выполнена в виде полого сфероида, по внешнему периметру которого расположены отверстия, сочлененные с прямоугольно изогнутыми соплами, каждое из которых расположено напротив отверстия соответствующей трубки, а выходы трубок соединены с подвижными соплами.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к уплотнительному узлу для ротационной машины. Уплотнительный узел содержит уплотнительную вставку, содержащую уплотнительные пластины, образующие С-образную или коробчатую уплотнительную вставку.

Изобретение относится к двухвальным газотурбинным силовым установкам наземного применения и может быть использовано для привода насосов, генераторов и другого механического оборудования.

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть применено в автомобильной, судостроительной и других транспортных отраслях. Двигатель внутреннего сгорания содержит первый корпус, воздухозаборный патрубок, вал, кинематически связанные с валом турбину и электрогенератор, камеру сгорания, инжектор топлива, компрессор, кольцевой рекуператор и выхлопной патрубок.

Предложена двигательно-компрессорная установка, в которой двигатель обеспечивает приведение в действие компрессора. Установка содержит общий кожух, двигательный модуль, в котором расположен двигатель и который установлен с возможностью отсоединения в общем кожухе, и компрессорный модуль, в котором расположен компрессор, присоединенный с возможностью отсоединения к двигателю, и который установлен с возможностью отсоединения в общем кожухе.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению, в частности, турбодетандерная генераторная установка относится к генераторам электрической энергии с газотурбинным приводом и применяется в области газоснабжения для утилизации энергии потока сжатого природного газа.

Настоящее изобретение относится к ступени аксиального компрессора турбомашины с барабанным ротором. Ступень ротора содержит симметричную стенку (4) при вращении вокруг оси вращения.

Корпус горения содержит тороидальную камеру горения, воспринимающую вызванные горением центробежные силы, возникающие при воспламенении завихрения текучей среды горения по всей указанной тороидальной камере горения; и выпускное отверстие указанной тороидальной камеры горения.

Реактивная турбина содержит вал турбины и сборочные узлы сопел. Сборочные узлы сопел установлены друг за другом в осевом направлении и имеют отверстие для впрыска.

Изобретение относится к радиальному детандеру. Радиальный детандер содержит по меньшей мере одну секцию радиального детандера, расположенную в едином корпусе.

Изобретение относится к способу регулируемой регенерации энергии реакции окисления, при которой образуется газовый поток, каковую реакцию осуществляют в реакторе окисления непрерывного действия, в который подают газообразный окислитель.
Наверх