Комбинированный двигатель и способ его работы

 

Использование: в двигателестроении, в частности, в комбинированных двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: двигатель выполняется с циклом сжигания в постоянном объеме. Топливо сжигается при нахождении поршней у нижних мертвых точек после наполнения цилиндров воздухом от компрессора. В цилиндрах двигателя сжатие не осуществляется, цилиндры служат для создания замкнутого объема. Шток поршней снабжается вилками, на подшипниках которых устанавливаются ролики, контактирующие с профилями кулачков вала газораспределительного диска, по обе стороны этих роликов, на подшипниках вилок, в пазах корпуса установлены ползуны, между валом газораспределительного диска и валом турбокомпрессора располагается редуктор. При выполнении уплотнений между торцами цилиндров и газораспределительного диска перетекание газов от цилиндров к цилиндру сводится к минимуму, т.к. в цилиндрах двигателя воздух не сжимается. В конце выхлопа газов из цилиндров полости выхлопа газов газораспределительного диска и тракт газовых турбин продуваются воздухом от компрессора. 2 с.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к комбинированным двигателям, сочетающим поршневые двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины.

Известен способ работы комбинированного двигателя, заключающийся в сжатии воздуха в компрессоре, подаче сжатого воздуха и топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, расширении продуктов сгорания до давления, равного давлению сжатого воздуха при сообщении цилиндров двигателя с газовой турбиной высокого давления, и продувке сжатым воздухом тракта газовых турбин (патент СССР N 2516, кл. F 02 B 41/10, 1927).

Известен комбинированный двигатель, содержащий двигатель внутреннего сгорания с корпусом, цилиндрами и поршнями, размещенными в последних, газораспределительный орган с валом, кинематически связанный с поршнями через механизм преобразования движения, воздушный компрессор, вал которого соединен с валом газовой турбины высокого давления, вал отбора эффективной мощности, соединенный с валом газовой турбины низкого давления (авт. свид. СССР N 1686202, кл. F 02 B 41/10, 1991).

Недостаток известных технических решений состоит в том, что при сжатии воздуха в компрессоре и в цилиндрах не обеспечивается повышенное значение расхода воздуха. Задача изобретения заключается в устранении указанного недостатка.

Поставленная задача в части способа достигается тем, что способ работы комбинированного двигателя заключается в сжатии воздуха в компрессоре, подача сжатого воздуха и топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, расширении продуктов сгорания до давления, равного давлению сжатого воздуха при сообщении цилиндров двигателя с газовой турбиной высокого давления, и продувке сжатым воздухом тракта газовых турбин, причем сгорание топлива осуществляют в постоянном объеме при положении поршней в нижних мертвых точках, расширение продуктов сгорания до давления, равного давлению воздуха за компрессором, осуществляют при положении поршней в нижних мертвых точках, а продувку тракта газовых турбин и полостей выхлопа газов газовоздушного распределительного диска осуществляют после расширения продуктов сгорания в цилиндрах двигателя при нахождении поршней у верхних мертвых точек.

Поставленная задача в части устройства достигается тем, что комбинированный двигатель, содержит двигатель внутреннего сгорания с корпусом, цилиндрами и поршнями, размещенными в последних, газораспределительный орган с валом, кинематически связанным с поршнями через механизм преобразования движения, воздушный компрессор, вал которого соединен с валом газовой турбины высокого давления, вал отбора эффективной мощности, соединенный с валом газовой турбины низкого давления, причем газораспределительный орган выполнен в виде газовоздушного распределительного диска с полостями подвода воздуха от компрессора к цилиндрам, полостями выхлопа газов от цилиндров в тракт газовой турбины высокого давления и полостями продувки тракта газовых турбин воздухом от компрессора, вал распределительного диска через редуктор кинематически связан с газовой турбиной высокого давления, поршни снабжены штоками с вилками, ползунами и роликами, установленными на подшипниках в вилках с возможностью взаимодействия с профилем кулачков механизма преобразования движения, в корпусе выполнены пазы, ползуны установлены на подшипниках вилок по обе стороны от роликов с возможностью взаимодействия с пазами, профиль кулачков выполнен с прямолинейными участками, соответствующими положениям поршней в нижних и верхних мертвых точках, а вал газовой турбины высокого давления через редуктор кинематически соединен с валом отбора эффективной мощности.

На фиг. 1 показан продольный разрез комбинированного двигателя; фиг. 2 - развертка вида А-А фиг. 1; фиг. 3 развертка вида Б-Б фиг. 1; фиг. 4 - развертка вида В-В фиг. 1; фиг. 5 вид Г-Г фиг. 1; фиг. 6 узел Д фиг. 1; фиг. 7 развертка вида Е-Е фиг. 1.

Способ работы показан на примере описания конструкции комбинированного двигателя и его работы.

В цилиндрах 1 установлены поршни 2, шарнирно соединенные со штоками 3. На концах штоков 3 выполнены вилки 4, опирающиеся на опорах 5.

На вилках 4 расположены ролики 6, по обе стороны которых расположены ползуны 7 и 8.

Ролики 6 опираются на кулачки 9, соединенные с валом 10, соединенным в свою очередь с диском 11 газовоздушного распределителя, установленного со стороны торцев цилиндров 1.

Ползуны 7 и 8 расположены в пазах 12 и 13 корпуса.

За вторым торцем диска 11 газовоздушного распределителя выполнены цилиндры 14. В цилиндрах 14 расположены поршни 15, шарнирно соединенные со штоками 16. На концах штоков 16 установлены вилки 17. Штоки 16 опираются на опорах 18. На вилках 17 расположены ролики 19. По обе стороны роликов 19 расположены ползуны 20 и 21.

Ролики 19 опираются на кулачки 22. Ползуны 20 и 21 установлены в пазах 23 и 24 корпуса.

На входе трактов цилиндров 1 и 14 расположен компрессор 25. Спрямляющий аппарат последней ступени этого компрессора на фигуре 1 обозначен позицией 26. Остальные спрямляющие аппараты условно не показаны. Вал этого компрессора соединен с газовой турбиной 27 высокого давления. Сопловой аппарат этой турбины на фигуре 1 обозначен позицией 28.

За газовой турбиной 27 высокого давления, в ее тракте расположена газовая турбина 29 низкого давления, сопловые аппараты которой на фигуре 1 обозначены позициями 30 и 31. Вал этой газовой турбины соединен с вентилятором 32. Спрямляющий аппарат вентилятора 32 на фигуре 1 обозначен позицией 33.

Вал газовой турбины 29 может быть соединен с любым потребителем мощности.

Вал газовой турбины 27 через редуктор 34 кинематически соединен с валом 10 диска 11 газовоздушного распределителя. Диск 11 газовоздушного распределителя снабжен патрубком 35 выхода газов из цилиндров 1 и 14.

На входе вентилятора 32 установлен направляющий аппарат 36. В тракте выхода вентилятора 32 по фигуре 1 установлены стойки 37. Выходное устройство обозначено позицией 38, а стойки крепления позицией 39.

На входе двигателя расположена передняя опора 40 вентилятора.

На фигуре 1 представлен комбинированный двигатель как двухконтурный реактивный двигатель. На выходе вентиляторного канала при этом установлено реактивное сопло 41 наружного контура.

На валу 10 диска газовоздушного распределителя установлен кулачковый привод 42 насосов форсунок 43 (фиг. 1).

В диске 11 выполнены полости 44 и окна 45 для продувки каналов выхлопа газов, выполненных в диске 11 (см. ниже).

Канал подвода воздуха от компрессора к диску 11 газовоздушного распределителя (фиг. 1) обозначен позицией 46.

Степень расширения газовой турбины 27 нижнего давления выполняется равным T_г/T_к, где T_г температура продуктов сгорания, T_к температура воздуха в конце сжатия в компрессоре 25. Поэтому для передачи избытка мощности от газовой турбины 27 высокого давления к валу отбора эффективной мощности к валу вентилятора 32 установлен редуктор.

На фиг. 2 показаны полости 47 подвода воздуха от компрессора 25 к цилиндрам 1 и 14 через окна 48 и 49, полости 50 с окнами 51 и 52 выхлопа газов, выполненные в газораспределительном диске 11.

Профиль кулачков 9 обозначен позицией 53, прямолинейные участки, соответствующие положениям поршней у нижних мертвых точек, обозначены позицией 54, прямолинейные участки профиля, соответствующие верхним мертвым точкам поршней, обозначены позицией 55.

Полости 50 сообщены с соответствующими полостями 44.

На фиг. 3 показаны вышеназванные полости и окна, расположенные у цилиндров 14.

Позицией 56 обозначен профиль кулачков 22. Прямолинейные участки этого профиля, соответствующие нижним мертвым точкам поршней, обозначены позицией 57.

Прямолинейные участки, соответствующие верхним мертвым точкам поршней, обозначены позицией 58.

На фиг. 4, 5 показаны взаимные расположения окон 49 и 52 и окон 48 и 51.

На фиг. 6 показаны подшипники 59 роликов 19, подшипники 60 и 61 ползунов 20 и 21.

На кулачках 22 расположен бурт 62 ограничения штоков от отрыва.

Комбинированный двигатель работает следующим образом.

Двигатель запускается от раскрутки вала 10 и подачи топлива или топливовоздушной смеси в цилиндры двигателя.

При выполнении комбинированного двигателя с самовоспламенением топлива, при запуске может быть использовано искровое зажигание.

В комбинированном двигателе за каждые перемещения поршней от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам и обратно при движении поршней от нижних мертвых точек к верхним мертвым точкам осуществляется сжигание топлива в цилиндрах. Отношение частоты перемещения поршней к частоте вращения газораспределительного диска выполняется равным двум или четырем.

Топливо сжигается после наполнения цилиндров воздухом от компрессора, при нахождении поршней у нижних мертвых точек, в замкнутом объеме.

Расширение газов осуществляется также при нахождении поршней у нижних мертвых точек при сообщении цилиндров с трактом газовых турбин.

В предложенном комбинированном двигателе воздух в цилиндрах не сжимается, поэтому перетекание газов от цилиндров к цилиндрам при выполнении уплотнений между торцами цилиндров и газораспределительного диска сводится к минимуму.

В конце выхлопа газов полости 50 сообщаются с выходом компрессора 25 для продувки этой полости и тракта газовых турбин. Продувка тракта газовых турбин может быть выполнена, минуя полости 50.

Газы в цилиндрах расширяются до давления воздуха за компрессором. Наполнение цилиндров воздухом осуществляется при движении поршней от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам. Полезная мощность снимается с вала газовой турбины 29. Компрессор 25 приводится во вращение от газовой турбины 27.

Газовая турбина 29 может быть соединена с любым движителем, в частности с воздушным винтом.

Формула изобретения

1. Способ работы комбинированного двигателя, заключающийся в сжатии воздуха в компрессоре, подаче сжатого воздуха и топлива в цилиндры двигателя внутреннего сгорания, расширении продуктов сгорания до давления, равного давлению сжатого воздуха при сообщении цилиндров двигателя с газовой турбиной высокого давления, и продувке сжатым воздухом тракта газовых турбин, отличающийся тем, что сгорание топлива осуществляют в постоянном объеме при положении поршней в нижних мертвых точках, причем расширение продуктов сгорания до давления, равного давлению воздуха за компрессором, осуществляют при положении поршней в нижних мертвых точках, а продувку тракта газовых турбин и полостей выхлопа газов газовоздушного распределительного диска осуществляют после расширения продуктов сгорания в цилиндрах двигателя при нахождении поршней у верхних мертвых точек.

2. Комбинированный двигатель, содержащий двигатель внутреннего сгорания с корпусом, цилиндрами и поршнями, размещенными в последних, газораспределительный орган с валом, кинематически связанным с поршнями через механизм преобразования движения, воздушный компрессор, вал которого соединен с валом газовой турбины высокого давления, вал отбора эффективной мощности, соединенный с валом газовой турбины низкого давления, отличающийся тем, что газораспределительный орган выполнен в виде газовоздушного распределительного диска с полостями подвода воздуха от компрессора к цилиндрам, полостями выхлопа газов от цилиндров в тракт газовой турбины высокого давления и полостями продувки тракта газовых турбин воздухом от компрессора, вал распределительного диска через редуктор кинематически связан с газовой турбиной высокого давления, поршни снабжены штоками с вилками, ползунами и роликами, установленными на подшипниках в вилках с возможностью взаимодействия с профилем кулачков механизма преобразования движения, причем в корпусе выполнены пазы, ползуны установлены на подшипниках вилок по обе стороны от роликов с возможностью взаимодействия с пазами, профиль кулачков выполнен с прямолинейными участками, соответствующими положениям поршней в нижних и верхних мертвых точках, а вал газовой турбины высокого давления через редуктор кинематически соединен с валом отбора эффективной мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7