газотурбинный двигатель

Формула изобретения

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий камеру сгорания с устройством для подачи в нее топлива, установленную на валу двигателя турбину с сопловым узлом, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена в виде цилиндра, двигатель снабжен источником образования электрической искры, при этом на стенке дна цилиндра размещены устройство для подачи топлива и источник образования электрической искры, а сопловый узел размещен на валу двигателя и выполнен в виде диафрагмы с сопловыми отверстиями.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газотурбинным двигателям. Этот двигатель может быть использован там, где в настоящее время применяют поршневые карбюраторные или газовые двигатели внутреннего сгорания: на автомобилях, легких самолетах, на малогабаритных электростанциях.

Хорошо известны карбюраторные и газовые поршневые двигатели внутреннего сгорания. Основным конструктивным элементом этих двигателей является один или несколько цилиндров с поршнями, соединенных кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом. В дне каждого цилиндра имеются клапаны для впуска топлива в виде паров бензина, смешанных с воздухом, или смеси горючего газа с воздухом. На дне каждого цилиндра также выполнены клапаны для выпуска отработанных газообразных продуктов сгорания топлива. Зажигание топлива осуществляют электрической искрой с помощью устройства, называемого свечой, установленной в дне каждого цилиндра.

Недостатком карбюраторных и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания является их сложность, что обусловлено, в частности, наличием коленчатого вала и кривошипно-шатунного механизма, что делает двигатели громоздкими.

Известны также устройства, называемые газотурбинными двигателями, принятые за прототип, в которых в камере сгорания во время работы непрерывно сжигают газообразное или легкое жидкое топливо (например, керосин), а образовавшиеся газообразные продукты сгорания топлива с высокой температурой направляют на лопасти газовой турбины, которая совершает механическую работу.

Недостатком газотурбинных двигателей является то, что их экономически выгодно использовать только в устройствах большой мощности: в двигателях крупных самолетов, кораблей, железнодорожных локомотивов и для привода компрессоров при перекачке газа или нефти по магистральным газопроводам и нефтепроводам. Применяются они также на электростанциях для получения недостающей энергии во время пиковых нагрузок.

Большой недостаток газотурбинных установок в том, что обычно они имеют меньший по сравнению с двигателями внутреннего сгорания КПД 14-18% для простых газотурбинных установок и 27-37% для многоступенчатых газотурбинных установок с системой регенерации тепла для подогрева воздуха, используемого для сжигания топлива.

Недостаточно высокий КПД обусловлен тем, что температура газа, поступающего на лопатки газовых турбин, в стационарных установках обычно не превышает 750-1100^оС, так как при более высокой температуре лопатки турбин длительное время работать не могут.

Целью изобретения является повышение эффективности работы газотурбинного двигателя при упрощении его конструкции.

Это достигается благодаря тому, что в газотурбинном двигателе, содержащем камеру сгорания с устройством для подачи в нее топлива, установленную на валу двигателя турбину с сопловым узлом, камера сгорания выполнена в виде цилиндра и двигатель снабжен источником образования электрической искры, при этом на стенке дна цилиндра размещены устройство для подачи топлива и источник образования электрической искры, а сопловой узел размещен на валу двигателя и выполнен в виде диафрагмы с сопловыми отверстиями.

Сущность изобретения состоит в том, что в рабочем цилиндре карбюраторного или газового двигателя внутреннего сгорания вместо поршня установлена газовая турбина (или каскад из двух-трех турбин), вал которой расположен по оси цилиндра. При этом один конец вала через подшипник в центре дна цилиндра выведен наружу и посредством муфты присоединен к устройству, приводимому в движение двигателем, а второй конец вала укреплен в подшипнике специальной диафрагмы, установленной внутри цилиндра, с отверстиями, направляющими газообразные продукты сгорания топлива на лопатки газовой турбины.

Достоинством этого двигателя по сравнению с известным газотурбинным является возможность сжигания топлива при более высокой температуре, так как во время кратковременного взрывоподобного сгорания топлива лопатки газовой турбины и вал двигателя не успевают разогреваться до высокой температуры, подобно тому как не успевает разогреваться поршень в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, а во время последующего впуска горючей смеси в камеру сгорания лопатки газовой турбины смогут охладиться.

Более высокая температура сгорания позволяет реализовать больший КПД, чем у ранее известного газотурбинного двигателя и сделать его таким, как у двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, это дает возможность упростить конструкцию газотурбинного двигателя, так как для получения достаточно высокого КПД не требуется система подогрева воздуха продуктами сгорания топлива. В результате при той же мощности вес двигателя уменьшится.

Конструкция предлагаемого газотурбинного двигателя также существенно проще, чем у традиционных двигателей внутреннего сгорания вследствие отсутствия кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала.

На чертеже приведена схема предлагаемого газотурбинного двигателя, продольный разрез.

Двигатель состоит из цилиндра 1 с дном 2, в котором выполнены клапаны 3 и 4 для впуска из карбюратора паров бензина и воздуха или горючего газа в смеси с воздухом по патрубкам 5 и 6. Для работы двигателя достаточно одного клапана 3 или 4, но несколько клапанов обеспечивают более равномерное распределение топлива по объему цилиндра 1. В дне цилиндра 2 установлено устройство 7 для зажигания топлива электрической искрой. Вал двигателя 8 установлен вдоль оси цилиндра 1 и укреплен одним концом в дне 2 цилиндра посредством подшипника 9 и вторым концом в диафрагме 10 с подшипником. В диафрагме 10 выполнены отверстия 11, по которым газообразные продукты сгорания топлива направляют на лопатки газовой турбины 12, установленной на валу 8. Для отвода продуктов сгорания топлива из двигателя в окружающую среду служит открытый конец 13 цилиндра 1. Для обеспечения большей равномерности вращения дополнительно на вал 8 двигателя может быть установлен маховик 14. Соединение вала 8 двигателя с устройством, приводимым двигателем в движение, осуществляется муфтой 15.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Внутри цилиндра 1 через патрубки 5 и 6 и открытые клапаны 3 и 4 из карбюратора впускают пары жидкого топлива (бензина) или газ, смешанные с воздухом. Далее клапаны 3 и 4 закрывают и смесь топлива поджигают электрической искрой посредством свечи 7. Топливо практически мгновенно сгорает, и образующиеся внутри цилиндра 1 газообразные продукты сгорания с высокой температурой и при большом давлении через сопловидные отверстия в диафрагме 11 устремляются на лопатки газовой турбины 12 и приводят ее в движение, в результате чего начинается вращение вала двигателя 8. Вместо одной газовой турбины может быть использован каскад двух-трех турбин. Для этого после первой турбины устанавливают аналогичную вторую диафрагму с отверстиями и вторую газовую турбину и т.д.

Из газовой турбины продукты сгорания топлива выходят в окружающую среду через открытый конец цилиндра 13.

После сгорания первой порции топлива клапаны 3 и 4 вновь открываются и подается новая порция смеси топлива и воздуха, и так рабочий цикл двигателя повторяется неограниченное число раз. Работа клапанов 3 и 4 и устройства для зажигания топлива электрической искрой осуществляется так же, как в карбюраторных поршневых двигателях внутреннего сгорания.

Для более равномерного вращения вала двигателя 8 может быть использован маховик 14, но маховик не обязателен, так как его роль выполняет газовая турбина 12.

Запуск предлагаемого двигателя, как и карбюраторного поршневого, может быть осуществлен с помощью стартера, обеспечивающего начальное вращение вала двигателя, Однако, если предусмотреть специальное устройство для автономного запуска первой порции топлива и воздуха через клапаны 3 и 4, то традиционный стартер не требуется.

Так как горение топлива в цилиндре предлагаемого двигателя происходит периодически, как и в двигателе внутреннего сгорания, то максимальная допустимая температура газов, поступающих на лопатки газовой турбины, может быть и будет значительно выше, чем в газотурбинном двигателе-прототипе. Это приводит к существенному повышению КПД, который станет близким к КПД экономичных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Так как при этом не требуется система предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, продуктами горения топлива, то конструкция газотурбинного двигателя существенно упростится, а вес его уменьшится.

По сравнению с широко используемым двигателем внутреннего сгорания достоинством предлагаемого газотурбинного двигателя является простота конструкции и компактность. Поэтому новый двигатель будут широко применять там, где в настоящее время используют поршневые карбюраторные или газовые двигатели внутреннего сгорания. В частности, этот двигатель может быть использован на автомобилях, на легких самолетах и малогабаритных электростанциях.