RU2055996C1 - Gas-turbine engine - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacture of automobiles. SUBSTANCE: located on cylinder bottom wall are fuel feeding device and electric spark generating source. Nozzle unit is mounted on shaft of gas-turbine engine and is made in form of diaphragm with nozzle openings. EFFECT: enhanced reliability. 1 dwg

Description

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. The invention relates to gas turbine engines. This engine can be used where piston carburetor or gas internal combustion engines are currently used: in cars, light aircraft, and small-sized power plants.

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. Carburetor and gas piston internal combustion engines are well known. The main structural element of these engines is one or more cylinders with pistons connected by a crank mechanism with a crankshaft. At the bottom of each cylinder there are valves for fuel inlet in the form of gasoline vapors mixed with air, or a mixture of combustible gas with air. At the bottom of each cylinder, valves are also made for the release of exhaust gaseous products of fuel combustion. Ignition of the fuel is carried out by an electric spark using a device called a candle installed in the bottom of each cylinder.

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. The disadvantage of carburetor and gas reciprocating internal combustion engines is their complexity, which is due, in particular, to the presence of a crankshaft and crank mechanism, which makes the engines cumbersome.

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. Also known devices, called gas turbine engines, adopted as a prototype, in which gaseous or light liquid fuel (for example, kerosene) is continuously burned in the combustion chamber during operation, and the resulting gaseous products of fuel combustion with high temperature are directed to the blades of a gas turbine, which makes mechanical work.

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. The disadvantage of gas turbine engines is that it is economically advantageous to use them only in high-power devices: in the engines of large aircraft, ships, railway locomotives and for driving compressors when pumping gas or oil through gas and oil pipelines. They are also used in power plants to obtain the missing energy during peak loads.

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. A big drawback of gas turbine units is that they usually have a lower efficiency compared to internal combustion engines of 14-18% for simple gas turbine units and 27-37% for multistage gas turbine units with a heat recovery system for heating the air used to burn fuel.

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.The insufficiently high efficiency is due to the fact that the temperature of the gas entering the gas turbine blades in stationary installations usually does not exceed 750-1100 ^о С, since at higher temperatures the turbine blades cannot work for a long time.

Целью изобретения является повышение эффективности работы газотурбинного двигателя при упрощении его конструкции. The aim of the invention is to increase the efficiency of a gas turbine engine while simplifying its design.

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. This is achieved due to the fact that in a gas turbine engine containing a combustion chamber with a device for supplying fuel to it, a turbine with a nozzle assembly mounted on the engine shaft, the combustion chamber is made in the form of a cylinder and the engine is equipped with a source of electric spark formation, while on the wall of the cylinder bottom a device for supplying fuel and a source of electric spark are placed, and the nozzle assembly is located on the engine shaft and is made in the form of a diaphragm with nozzle openings.

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. The essence of the invention lies in the fact that in the working cylinder of a carburetor or gas internal combustion engine, instead of a piston, a gas turbine (or a cascade of two or three turbines) is installed, the shaft of which is located along the axis of the cylinder. In this case, one end of the shaft is brought out through the bearing in the center of the bottom of the cylinder and connected to the device driven by the engine through the coupling, and the other end of the shaft is mounted in the bearing of a special diaphragm installed inside the cylinder, with holes directing the gaseous products of fuel combustion to the gas blades turbines.

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. The advantage of this engine compared to the well-known gas turbine is the possibility of burning fuel at a higher temperature, since during a short explosive combustion of fuel the gas turbine blades and the engine shaft do not have time to warm up to high temperature, similar to how the piston does not have time to warm up in the cylinder of an internal combustion engine and during the subsequent inlet of the combustible mixture into the combustion chamber, the blades of the gas turbine will be able to cool.

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. A higher combustion temperature makes it possible to realize greater efficiency than a previously known gas turbine engine and make it such as that of an internal combustion engine. In addition, this makes it possible to simplify the design of a gas turbine engine, since a system of heating the air with fuel combustion products is not required to obtain a sufficiently high efficiency. As a result, at the same power, the weight of the engine decreases.

Конструкция предлагаемого газотурбинного двигателя также существенно проще, чем у традиционных двигателей внутреннего сгорания вследствие отсутствия кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала. The design of the proposed gas turbine engine is also significantly simpler than that of traditional internal combustion engines due to the lack of a crank mechanism and crankshaft.

На чертеже приведена схема предлагаемого газотурбинного двигателя, продольный разрез. The drawing shows a diagram of the proposed gas turbine engine, a longitudinal section.

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. The engine consists of a cylinder 1 with a bottom 2, in which valves 3 and 4 are made for the intake of vapors of gasoline and air or combustible gas mixed with air through nozzles 5 and 6 from the carburetor. One valve 3 or 4 is enough for the engine to work, but several valves provide a more uniform distribution of fuel throughout the volume of cylinder 1. At the bottom of cylinder 2, a device 7 for igniting fuel with an electric spark is installed. The shaft of the engine 8 is installed along the axis of the cylinder 1 and is fixed at one end in the bottom 2 of the cylinder by means of the bearing 9 and the second end in the diaphragm 10 with the bearing. Openings 11 are made in the diaphragm 10 through which the gaseous products of fuel combustion are sent to the blades of a gas turbine 12 mounted on the shaft 8. To divert the products of fuel combustion from the engine into the environment, the open end 13 of cylinder 1 is used. In order to ensure more uniform rotation even on the shaft 8 of the engine, a flywheel can be installed 14. The connection of the shaft 8 of the engine with the device driven by the engine in motion is carried out by the coupling 15.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. The operation of the engine is as follows.

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. Inside the cylinder 1 through the nozzles 5 and 6 and the open valves 3 and 4 from the carburetor, vapor of liquid fuel (gasoline) or gas mixed with air is admitted. Next, the valves 3 and 4 are closed and the fuel mixture is ignited with an electric spark through the candle 7. The fuel burns out almost instantly, and the gaseous combustion products formed inside the cylinder 1 with high temperature and high pressure through the nozzle openings in the diaphragm 11 rush to the blades of the gas turbine 12 and lead its movement, as a result of which the rotation of the engine shaft 8 begins. Instead of a single gas turbine, a cascade of two or three turbines can be used. For this, after the first turbine, a similar second diaphragm with holes and a second gas turbine, etc. are installed.

Из газовой турбины продукты сгорания топлива выходят в окружающую среду через открытый конец цилиндра 13. From a gas turbine, the combustion products of the fuel exit into the environment through the open end of the cylinder 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. After combustion of the first portion of fuel, valves 3 and 4 reopen and a new portion of the mixture of fuel and air is fed, and so the engine duty cycle is repeated an unlimited number of times. The operation of valves 3 and 4 and the device for igniting fuel with an electric spark is carried out in the same way as in carburetor piston internal combustion engines.

Для более равномерного вращения вала двигателя 8 может быть использован маховик 14, но маховик не обязателен, так как его роль выполняет газовая турбина 12. For a more uniform rotation of the shaft of the engine 8, a flywheel 14 can be used, but the flywheel is not necessary, since its role is played by a gas turbine 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. Starting the proposed engine, as well as a piston carburetor, can be carried out using a starter that provides initial rotation of the engine shaft.However, if a special device is provided for autonomously starting the first portion of fuel and air through valves 3 and 4, then a traditional starter is not required.

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. Since the combustion of fuel in the cylinder of the proposed engine occurs periodically, as in an internal combustion engine, the maximum allowable temperature of the gases entering the blades of the gas turbine can be much higher than in the prototype gas turbine engine. This leads to a significant increase in efficiency, which will become close to the efficiency of economical piston internal combustion engines. Since this does not require a system for preheating the air entering the combustion chamber with fuel combustion products, the design of the gas turbine engine will be greatly simplified and its weight reduced.

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. Compared to the widely used internal combustion engine, the advantage of the proposed gas turbine engine is its simplicity of design and compactness. Therefore, the new engine will be widely used where piston carburetor or gas internal combustion engines are currently used. In particular, this engine can be used on cars, light aircraft and small-sized power plants.

Claims (1)

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. A gas-turbine engine containing a combustion chamber with a device for supplying fuel to it, a turbine with a nozzle assembly mounted on the engine shaft, characterized in that the combustion chamber is made in the form of a cylinder, the engine is equipped with a source of electric spark formation, and a device for fuel supply and an electric spark generating source, and the nozzle assembly is located on the engine shaft and is made in the form of a diaphragm with nozzle openings.

Images