Газогидравлический двигатель.
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в паровых и газотурбинных двигателях, в двигателях внутреннего сгорания.
Известен свободнопорпшевой двигатель внутреннего сгорания содержащий два поршня размещенных в трубе - цилиндре, образующие между собой и стенками трубы, камеру сгорания, а по торцам трубы-полости для всасывания и сжатия воздуха, энергия газов срабатывается в дополнительной газовой турбине. ( «Teплoвыe двигaтeли», г. Москва, Высшая школа, 1974 г., стр. 181).
Недостатком подобной конструкции является сложная синхронизация движения поршней и необходимость редуктора в малооборотных двигателях.
Известен также роторно-порпшевой двигатель, содержащий блок радиальных цилиндров в которых размещены поршни с опорой на статорное кольцо, выполненное вокруг цилиндров в корпусе двигателя, и имеющее удаленные и приближенные к цилиндрам участки («Oт водяного колеса до квантового ускорителя)) г. Москва, Машиностроение; 1990 г., cтp.63).
Недостатком подобной конструкции является ненадежность силового механизма. Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении является повышение надежности силового механизма, расширение обла
сти применения и упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что газогидравлический двигатель содержит герметичный корпус в который с возможностью вращения вмонтирована радиальная турбина, сопловый аппарат, система регулирования, подачи топлива, охлаждения, контроля и т.п., корпус выполнен цилиндрическим и в нем вмонтировано с калиброванным зазором и возможностью вращения, турбинное колесо, содержащее выполненные между двумя боковыми дисками радиальные лопатки загнутые по периферии в сторону противоположную вращению турбинного колеса, образующие межлопастные каналы с возможностью периодического полного или частичного опорожнения от заполняющей их жидкости при вращении турбинного колеса, со стороны вала турбины, в одном или обоих боковых дисках выполнены отверстия, вькодящие с одной стороны к распределителю, а с другой стороны в межлопастные каналы, с внешней стороны цилиндрической стенки к корпусу примыкает, как минимум, один серповидный направляющий аппарат, заполненный жидкостью, каждый из которых содержит вначале, по ходу вращения турбинного колеса отвод, образованный совместно с отверстием в цилиндрической стенке корпуса, далее, по ходу вращения турбинного колеса серповидный направляющий аппарат содержит сопловый аппарат образованный совместно со вторым, по ходу вращения турбинного колеса отверстием в цилиндрической стенке корпуса выходящим к межлопастным каналам турбинного колеса причем отвод и сопло выполнены между собой на таком расстоянии,
что часть цюшндрической стенки корпуса между ними перекрывает, как минимум один межлопастный канал турбины, в свою очередь часть цилиндрической стенки корпуса между соплом и отводом по ходу вращения турбинного колеса каждого серповидного направляющего аппарата также, выполнена с возможностью перекрытия как минимум одного межлопастного канала турбинного колеса.
Кроме того отвод , который содержит серповидный направляющий аппарат, образует совместно с отверстием в нилиндрической стенке корпуса канал в виде насадка со сжатым сечением, ось которого направлена на лопатки турбинного колеса в сторону его вращения.
Кроме того, межлопастные каналы турбины выполнены наклонными к радиусу.
Кроме того, межлопастные каналы выполнены по диагонали (наклонными) к валу турбины.
Кроме того, сопло направляющего аппарата и сжатое сечение канала отвода выполнены регулируемыми.
Кроме того, в двухтактных двигателях внутреннего сгорания, в паровых и газовых тypбинax,в части цилиндрической стенки корпуса между отводом, а затем соплом, по ходу вращения турбинного колеса, выполнено отверстие для выпуска выхлопных газов или пара, выходящее с одной стороны к межлопастным каналам турбины в конце такта рабочего хода, а с другой стороны - в выпускной патрубок, причем это отверстие может быть выполнено
как частично совмещенным, так и изолированным от межлопастных каналов турбины, находящихся в контакте с соплом в такте сжатия в двигателях внутреннего сгорания и, соответственно, в такте выхлопа в газовых и паровых турбинах.
Кроме того, по периферии турбинного колеса межлопастные каналы вы- полены в виде реактивного сопла, например, суживающимися к периферии.
Кроме того, корпус, в пространстве со стороны боковых дисков турбины заполнен рабочей жидкостью.
Кроме того, корпус в пространстве со стороны боковых дисков турбины остается порожним, а в корпусе выполнены отверстия для откачки поступающих через зазоры перетечек жидкости и газов.
Кроме того, в направляющем аппарате и межлопастных каналах поддерживается баланс рабочей жидкости, различными известными способами, таким образом, что при вращении турбины межлопастные каналы, выходящие в отвод в момент завершения контакта с ним, максимально опорожнены от рабочей жидкости, а выходящие к соплу в момент прекращения контакта с ним максимально наполнены рабочей жидкостью.
Кроме того, в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания , отвод первого серповидного направляющего аппарата соединен с соплом второго по ходу вращения турбинного колеса серповидного направляющего аппарата, посредством трубопровода, в свою очередь отвод этого направляющего аппарата, соединен трубопроводом с соплом предыдущего по ходу
вращения турбинного колеса серповидного направляющего аппарата, причем отвод и сопло каждого отдельного серповидного направляющего аппарата разделены непроницаемыми перегородками.
Кроме того, межиопастные каналы турбины, в части до начала загиба лопаток, выполнены цилиндрическими, а в них вмонтированы, с возможностью возвратно-поступательного движения от центра турбины к периферии и обратно, поршни с уплотнительньiми кольцами, а в части после загиба лопаток межлопастные каналы заполнены жидкостью .
Кроме того, поршни, вмонтированные в межлопастные каналы турбины выполнены дифференциальными.
Кроме того, в межлопастных каналах вмонтированы поршни двойного действия.
Кроме того, межлопастные каналы выполнены радиально -осевыми, в радиальной части заполнены жидкостью, а в осевой части в них вмонтированы поршни, например, дифференциальные двойного действия.
Кроме того, двигатель содержит устройство синхронизации поршней, например одна из полостей каждого поршня двойного действия в момент его движения к валу турбинного колеса заполнена жидкостью и соединена с полостью другого поршня в момент его движения к периферии, а соединительные трубопроводы этих полостей подключены к дополнитльному мотору-насосу, кинематически соединенному с двигателем.
Кроме того межлопастные каналы в части до начала загиба лопа-
ток разделены герметичной гибкой мембраной, а после начала загиба лопаток к периферии турбины заполнены жидкостью.
Кроме того, рабочей жидкостью является жидкость с высокой температурой кипения, например минеральное масло, а система охлаждения двигателя содержит теплообменники - парогенераторы, заполненные жидкостью с низкой температурой кипения, например водой, и соединенные с дополнительной паровой турбиной.
Кроме того, в двигателях внутреннего сгорания, свечи зажигания, топливные форсунки и топливные насосы высокого давления вмонтированы непосредственно в теле турбинного колеса, со стороны вала. На чертежах изображено: Фигура 1. Газогидравлический двигатель в виде двухтактного мокрогазового двигателя внутреннего сгорания. Вид спереди, разрез.
Фигура 2. Газогидравлический двигатель в виде двухтактного мокрогазового двигателя внутреннего сгорания. Вид сбоку, разрез. Фигура 3. Газогидравлический двигатель с дифференциальными поршнями простого и двойного действия. Вид спереди, разрез. Фигура 4. Газогидравлический двигатель в качестве двухтактного двигателя внутреннего сгорания с дифференциальными, двойного действия поршнями аксиального расположения. Вид сбоку, разрез. Фигура 5. Газогидравлический двигатель в виде парового или газового двигателя тройного действия. Вид спереди, разрез.
Газогидравлический двигатель содержит корпус 1 в котором вмонтировано с возможностью вращения колесо турбины 2 с радиальными, либо наклонными к радиусу межлопастными каналами 3 с лопатками 4 загнутыми по периферии в сторону противоположную вращению турбины, с впускными отверстиями 5 со стороны вала турбинного колеса к которым примыкает, например, торцовый распределитель 6 вмонтированный в боковую крышку корпуса 1, выполненное в цилиндрической стенке 7 корпуса 1 отверстие в виде отвода 8 выходящее в серповидный направляющий аппарат 9 закрепленный снаружи к корпусу 1 и образующий сопловый аппарат 10 со следующим после отвода 8 отверстием в пилиндрической стенке 7 корпуса 1 по ходу вращения турбинного колеса 2,yплoтнeния, например, лабиринтные 11 периферийного торца турбинного колеса 2, уплотнения, например, торцовые 12 вала турбинного колеса 2. Выпускное отверстие 13 выполненное в цилиндрической стенке корпуса 1 между отводом 8 и соплом 10, дифференциальный поршень 14, образующий в двигателях камеру сгорания 15 , нагнетатель 16 и, например, полость для сбора и удаления перетечек рабочей жидкости и газов 17 или ступень низкого давления , канал со сжатым сечением 18 отвода 8 ,тeплooбмeнник -парогенератор 19. Газогидравлический двигатель работает следующим образом. В мокро- газовых двухтактных двигателях внутреннего сгорания Фигуры 1 , 2 при вращении турбинного колеса 2 жидкость, находящаяся в межлопастных каналах 3 выбрасывается к периферии колеса 2 турбины в канал 18 отво-
да 8 и далее, в направляющий аппарат 9, при этом межлопастный канал 3, совмещенный с отводом 8 максимально опорожняется от рабочей жидкости. Далее, при вращении колеса 2 опорожненный от рабочей жидкости межлопастный канал перекрывается цилиндрической стенкой 7 корпуса 1 выполненной за отводом 8 по ходу вращения турбинного колеса 2, затем совмещается с выпускным отверстием 13 , при этом, впускное отверстие 5 межлопастного канала 3 совмещается посредством распределителя 6 с трубопроводом подачи сжатого воздуха, который поступает в межлопастный канал 3 осуществляя его продувку, в конце продувки, через торцовый распределитель 6 посредством впускного отверстия 5 в межлопастный канал 3, в газовых и карбюраторных двигателях, может поступать топливо - воздушная смесь. Далее, при вращении турбинного колеса 2 межлопастный канал 3 совмещается с сопловым аппаратом 10, начинается такт сжатия воздуха или топливо - воздушной смеси, в случае сжатия воздуха в конце такта сжатия, например отверстие 5 совмещается посредством распределителя 6 с топливной форсункой через которую в межлопастный канал 3 вспрыскивается топливо и воспламеняется от температуры сжатого воздуха или от свечи зажигания (на чертеже не показано) в случае сжатия топливо-воздушной смеси отверстие 5 совмещается со свечей зажигания в конце такта сжатия и, топливо-воздушная смесь воспламеняется. Дaлee,пpи вращении колеса турбины 2 расширяющиеся продукты сгорания вытал - кивают рабочую жидкость из межлопастного канала 3, в канал со сжатым
сечением 18 отвода 8, где скорость струи исходящей жидкости возрастает реакция струи воздействует на лопатки , заставляя вращаться колесо турбины 2 , которое может вращаться также благодаря межлопастным каналам 3 , выполненым по периферии, в виде сопел , например суживающимися . Из межлопастного канала 3 в такте рабочего хода рабочая жидкость поступает в отвод 8, затем, посредством направляющего аппарата 9 поступает к сопловому аппарату 10 и далее на лопатки 4 турбинного колеса 2 где , благодаря изменению направления потока рабочей жидкости, от дает энергию турбинному колесу 2 заставляя его вращаться, при этом сжимается находящийся в этом отсеке воздух или топливо - воздушная смесь в такте сжатия. Далее, при вращении турбинного колеса 2 цикл повторяется.
В начале контакта с каналом 18 отвода 8 межлопастного канала 3 в такте рабочего хода , жидкость покидает его с большой энергией эжектируя жидкость с малой энергией из межлопастного канала заканчивающего контакт с каналом 18 отвода 8.
Газогидравлический двигатель в качестве четырехтактного мокрогазо- вого двигателя работает например следующим образом. При вращении турбинного колеса 2 в межлопастном канале 3 совмещенном с отводом 8 жидкость отбрасывается к периферии и поступает в направляющий аппарат 9, при этом, впускное отверстие 5 этого межлопастного канала совмещается посредством распределителя 6 с впускным
трубопроводом через который в межлопастный канал 3 поступает воздух либо топливо -воздушная смесь. Далее, при вращении турбинного колеса, данный межлопастный канал 3 перекрывается цилиндрической стенкой 7 корпуса 1, а затем совмещается с сопловым аппаратом 10 посредством которого межлопастный канал 3 заполняется рабочей жидкостью поступающей из направляющего аппарата 9 в такте сжатия, далее, при вращении турбинного колеса 2, межлопастный канал 3 перекрывается цилиндрической стенкой 7 корпуса 1, при этом в момент перекрытия, а также возможно несколько ранее или позже этого момента впускные отверстия 5 посредством распределителя 6 совмещаются со свечами зажигания либо ливными форсунками, топливо -воздушная смесь воспламеняется, при этом межлопастный канал 3 совмещается с каналом со сжатым сечением 18 отвода 8. в который выталкивается энергией газов рабочая жидкость и, благодаря , реакции струи рабочей жидкости .турбинное колесо 2 вращается, отдавая энергию потребителю. Далее, при вращении турбинного колеса 2 межлопастный канал 3 в конце рабочего хода перекрывается стенкой 7 корпуса 1, а затем совмещается с сопловым аппаратом 10,чepeз который из направляющего аппарата 9 в межлопастный канал 3 поступает рабочая жидкость , остаточная энергия которой срабатывается лопастями 4 благодаря изменению направления потока рабочей жидкости, при этом впускные отверстия 5 данного межлопастного канала совмещаются посредством распределителя 6 с выпускным
И коллектором, в который выталкиваются продукты сгорания в процессе заполнения межлопастного канала 3 рабочей жидкостью. Далее, при вращении турбинного колеса 2 цикл повторяется . В газогидравлических двигателях с вмонтированными в межлопастных каналах 3 поршнями 14. Фигypa-3 , рабочий процесс осуществляется, например, следующим образом .
При вращении турбинного колеса 2 поршень 14, расположенный в меж лопастном канале 3 совмещенном с отводом 8, благодаря действию центробежных сил, ( а также сжатому воздуху наддува) отбрасывается к периферии турбинного колеса, выталкивая рабочую жидкость в направляющий аппарат 9, и засасывая в ступень нагнетателя 16 воздух посредством распределителя 6 или впускного клапана (на чертеже не показан). При этом в камеру сгорания поступает воздух, например, из ресивера ( на чертеже не показан) и из нагнетателя 16. Далее, при вращении турбинного колеса 2, межлопастный канал 3 перекрывается частью цилиндрической стенки 7 корпуса 1 , а затем совмещается с сопловым аппаратом 10, посредством которого в данный межлопастный канал 3 поступает рабочая жидкость, заставляя поршень 14 двигаться к центру турбинного кoлeca2. При этом в камере сгорания 15 сжимается находящийся в ней воздух, а из ступени нагнетателя 16 воздух выталкивается в ресивер. Далее, при вращении турбинного колеса 2
межлопастный канал 3 перекрывается стенкой 7 корпуса 1. В районе перекрытия канала 3, посредством распределителя 6, либо посредством топливного насоса и форсунок вмонтированных в турбином колесе 2 (на чертеже не показаны) в камеру сгорания 15 впрыскивается топливо и затем воспламеняется от высокой температуры сжатоговоздуха, либо от свечи зажигания (на чертеже не показана). Далее, при вращении турбинного колеса 2 межлопастный канал 3 совмещается с каналом с сжатым сечением отвода 8, расширяющиеся газы в камере сгорания 15 выталкивают поршень 14 к периферии турбинного колеса 2 соответственно рабочая жидкость выталкивается в отвод 8 и, благодаря реакции жидкости поступающей в канал отвода 8 или соплообразной форме периферийной части межлопастного канала 3, отдает энергию турбинному колесу 2, заставляя его вращаться, при этом воздух, поступивший в нагнетатель 16 поступает в ресивер. Далее, при вращении турбинного колеса 2 межлопастный канал 3 турбинного колеса 2 перекрывается частью цилиндрической стенки 7 корпуса 1, а затем совмещается с сопловым аппаратом 10 и поршень 14 начинает движение к центру турбинного колеса 2. При этом продукты сгорания, посредством распределителя 6 ( или другого устройства) устремляются во вторую ступень расширения 16 в других межлопастных каналах 3, в которых поршень 14 устремляется в данном случае к периферии турбинного колеса 2 ,в зависимости от конструкции газогидравлического двигателя , в
один или одновременно в два цилиндра, откуда затем, при движении поршней 14 в обратную сторону, продукты сгорания выбрасываются посредством распределителя 6 в выпускной коллектор или непосредственно в полость корпуса 1 (если она выполнена порожней), а затем, в выпускной коллектор. Далее, при вращении турбинного колеса 2 цикл повторяется. Полость низкого давления 17 может использоваться для сбора и удаления наружу перетечек газов и рабочей жидкости через уплотнения поршней 14, а может использоваться как дополнительная ступень продолженного расширения продуктов сгорания. Теплота , которая передается рабочей жидкости при работе двигателя , может использоваться , благодаря теплообменникам -парогенераторам 19 , в дополнительной паровой турбине.
В газогидравлическом двигателе , выполненном в виде двухтактного дви гателя внутреннего сгорания ,c вмонтированными в межлопастные каналы поршнями, например, дифференциальными (фигура 3) рабочий процесс происходит, например, следующим образом.
При вращении турбинного колеса 2 в межлопастном канале 3, совмещенном с отводом 8 направляющего аппарата 9 дифференциальный поршень 14 отбрасывается к периферии затем межлопастный канал 3 перекрывается стенкой 7 корпуса 1, а затем совмещается с сопловым аппаратом 10 из которого в межлопастный канал 3 поступает рабочая жидкость, заставляя дифференциальный поршень 14 двигаться к центру
турбинного колеса 2 сжимая, находящийся в нагнетателе воздух и выталкивая его в ресивер, также сжимая находящийся в камере сгорания 15 воздух. Далее, при вращении турбинного колеса 2 межлопастный канал 3 перекрывается стенкой 7 корпуса 1, в районе этого перекрытия впускное отверстие 5 межлопастного канала 3 совмещается посредством распределителя 6 с топливными форсунками и, возможно свечами зажигания . Топливо-воздушная смесь находящаяся в камере сгорания 15 воспламеняется, при вращении турбинного колеса 2 межлопастный канал 3 совмещается с каналом со сжатым сечением 18 отвода 8 направляющего аппарата 9 , дифференциальный поршнь 14 под действием расширяющихся продуктов сгорания устремляется к периферии турбинного колеса 2 выталкивая из межлопастного канала 3 рабочую жидкость и, благодаря реакции струи заставляет турбинное колесо вращаться, при этом, находящийся в нагнетателе 16 воздух сжимается и выталкивается в ресивер. Далее, при вращении турбинного колеса межлопастные каналы 3 перекрываются стенкой 7 корпуса 1, в районе этого перекрытия в камере сгорания 15 открываются, например, окна (на чертеже не показаны) выполненные в стенках цилиндра камеры сгорания 15 и открывающиеся в конце движения поршня 14 к периферии турбинного колеса 2 и совмещенные, например, с выхлопным ресивером ( на чертеже не показан), при этом впускное отверстие 5 посредством распределителя 6 совмещается с воздушным ресивером (на чертеже не
показан) из которого в камеру сгорания поступает продувочный воздух, выталкивая остаточные продукты сгорания, и наполняя камеру сгорания 15 свежей порцией воздуха (в конце продувки в камеру сгорания, посредством распределителя 6 может поступать, например, газообразное или распыленное топливо - в газовых или карбюраторных двигателях). Далее, при вращении турбинного колеса 2 межлопастные каналы 3 совмещаются с сопловым аппаратом 10, при этом, энергия поступающей в межлопастный канал 3 рабочей жидкости срабатывается криволинейными лопастями 4 за счет поворота струи и заставляет поршень 14 двигаться к центру турбинного колеса 2.Пpи этом продукты сгорания поступают из ступени среднего давления 16, н ступень низкого давления 17, в тех межлопастных каналах 3. поршни 14 которых движутся к периферии турбинного колеса 2, либо продукты сгорания выталкиваются наружу, например, посредством распределителя 6, в таком случае ступень 17 используется для сбора и удаления перетечек газов и рабочей жидкости Далее, при вращении турбинного колеса 2 цикл повторяется.
В газогидравлических двигателях с аксиальным расположением поршней (вдоль оси турбинного колеса) (фигура 4) - рабочие процессы происходят таким же образом как и в газогидравлических двигателях с радиальным расположением поршней 14 (фигура 3).
В газощцравлических турбомашинах с разделяющими мембранами (на чертеже не показаны) рабочие процессы происходят так же как и в мок- рогазовых турбомашинах (фигуры 1,2) за исключением отсутствия непосредственного контакта между рабочей жидкостью и газами.
Газогидравлический двигатель может быть например мотор-компрессором когда , например, камера сгорания 15 используется в качестве двигателя внутреннего сгорания, заставляя вращаться турбинное колесо 2, а полости среднего 16 и, возможно низкого давления 17, дифференциального поршня 14 используются в качестве рабочих органов компрессора или , например насоса
В паровых и газотурбинных двигателях Фигура 5 газогидравлический двигатель работает, например, в качестве одной из ступеней давления срабатьшающих энергию расширяющегося рабочего тела. При совмещении межлопастного канала 3 с каналом со сжатым сечением 18 отвода 8 в межлопастный канал 3 посредством распределителя 6 поступает сжатый газ или пар ,гдe расширяется ,вытaлкивaя рабочую жидкость в серповидный направляющий аппарат 9, заставляя вращаться турбинное колесо 2 ,зaтeм жидкость из сопла 10 поступает в очередной межлопастный канал 3 ,oтдaвaя энергию лопаткам 4 и вьггаливая находящийся в нем газ или пар в распределитель 6 и возможно в отверстие 13 , испаряющаяся или уносимая
газом жидкость компенсируется подачей жидкости ,нaпpимep посредством каналов выполненных в районе сжатого сечения канала отвода 8.
Использование данного изобретения позволит упростить конструкцию свободно- поршневых двигателей и повысить их надежность, например, в крупных энергетических и судовых малооборотных двигателях , а также повысит надежность, КПД и упростит конструкцию первых ступеней паровых и газовых турбин , расширит их область применения например в малых или наоборот в крупных малооборотных двигателях .