Турбинно-дуговой двигатель

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным двигателям, работающим на горящих газах. Техническим результатом является снижение токсичности отработавших газов и повышение кпд двигателя. Сущность изобретения: двигатель содержит вал с закрепленной на нем лопастью, сепаратор, отделяющий собой пространство рабочей камеры от внешней среды, камеру сгорания и дозирующее устройство. Согласно изобретению, рабочее тело поступает из камеры сгорания в рабочую камеру через дозирующее устройство, расположенное между камерой сгорания и рабочей камерой, и через полый вал сепаратора с впускным отверстием, а дозирующее устройство настроено так, что давление рабочего тела, вращающего вал, при условии расширения газов в замкнуто расширяющемся пространстве рабочей камеры, к началу выхлопа уравнялось с атмосферным. 2 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к установкам или двигателям, работающим на особых рабочих телах, в том числе на смеси различных рабочих тел.

Известен турбинный двигатель (Манушин Э.А. Газовые турбины: Проблемы и перспективы. - М.: Энергоатомиздат,1986, с.3-5, 129-138, 159-163), имеющий тот недостаток, что из-за незамкнутого рабочего пространства значительная часть рабочего тела уходит между лопатками турбины во внешнюю среду, унося с собой значительную часть энергии. Причем сложная конфигурация лопаток предопределяет высокую стоимость изготовления двигателя.

Известен поршневой двигатель (Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. - М.: Колос, 1984, с.9, 86, 87), в котором, ввиду особенностей конструкции, величина расширения замкнутого рабочего пространства, т. е. величина изменения рабочего объема, определяемая величиной хода поршня, недостаточна для максимально возможного отбора энергии от массы рабочего тела, поступающей в рабочее пространство. Часть энергетического заряда уходит, таким образом, с выхлопными газами во внешнюю среду.

Кроме того, имеющиеся в двигателе элементы конструкции, такие как поршень, шатун и др., совершающие возвратно-поступательное движение, в процессе возвратного движения поглощают часть мощности, что дополнительно снижает кпд двигателя.

Известен ряд паровых роторных двигателей (Акатов Е.И. Судовые роторные двигатели. - Л.: Лениздат, 1967, с.18-20), компоновка которых осуществлена таким образом, что в выпускное отверстие уходит еще достаточно нагретый пар, и не происходит максимально возможного отбора энергии на вал ротора от поступившей в рабочую камеру массы рабочего тела.

Наиболее близким к заявленному является ротационный бесклапанный двигатель, в котором впуск газообразной горючей смеси в рабочее пространство производится под давлением непрерывно, поэтому в процессе работы не происходит снижения давления на лопасть в рабочем пространстве и, следовательно, с выхлопными газами уходит в окружающее пространство большой энергетический заряд, что предопределяет низкий кпд данного двигателя.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение количества экологически вредных выбросов, производимых двигателем на единицу мощности, и повышение кпд двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в турбинно-дуговом двигателе, содержащем вал с закрепленной на нем лопастью, рабочую камеру дугообразной формы, охватывающую вал по окружности, с возможностью перемещения в ней лопасти, сепаратор, отделяющий собой пространство рабочей камеры от внешней среды, камеру сгорания и дозирующее устройство, согласно изобретению рабочее тело поступает из камеры сгорания в рабочую камеру через дозирующее устройство, расположенное между камерой сгорания и рабочей камерой, и через полый вал сепаратора с впускным отверстием, а дозирующее устройство настроено таким образом, что давление рабочего тела, вращающего вал, при условии расширения газов в замкнуто расширяющемся пространстве рабочей камеры, к началу выхлопа уравнялось с атмосферным.

Возможны варианты компоновки на одном валу турбины нескольких рабочих камер. Скомпонованные на одном валу рабочие камеры могут иметь смещенные по времени относительно друг друга рабочие циклы. Это позволяет получить более плавное вращение вала. Кроме того, при соответствующей дозировке рабочего тела на заключительных этапах циклов в рабочем пространстве камер можно получать давление ниже атмосферного и, следовательно, более интенсивную конденсацию образовавшихся в процессе работы двигателя паров воды и кислот, и таким образом предотвратить выбрасывание их в атмосферу.

Отсутствие в конструкции двигателя турбинных лопаток сложной конфигурации и движущихся возвратно-поступательно массивных элементов позволяет сделать двигатель технологичней и экономичней аналогов.

На фиг.1 изображен двигатель в плоскости, совпадающей с осью вала турбины.

На фиг. 2 - двигатель в плоскости, перпендикулярной валу турбины, поперечное сечение.

Двигатель содержит камеру сгорания 1, дозирующее устройство 2, торцовые плиты 3 и 4, зубчатые колеса 5 и 6, корпус 7, полый вал 8 сепаратора, сепаратор 9 с впускным отверстием 10, полый вал 11 турбины с выпускным отверстием 12 и лопасть 13. Пространство, заключенное между корпусом 7, сепаратором 9, полым валом 11 турбины и лопастью 13, представляет собой рабочую камеру 14. На сепараторе 9 имеется впадина 15. Стрелкой Р указано направление возможного перемещения лопасти. Стрелкой Р₁ указано направление возможного вращения сепаратора.

Двигатель работает следующим образом.

Из камеры сгорания 1 в рабочую камеру 14 через дозирующее устройство 2 и впускное отверстие 10 подается порция газа, который образуется в результате сгорания топлива в камере сгорания. Обладая избыточным, по сравнению с атмосферным, давлением, этот газ, выполняя роль рабочего тела, давит на лопасть 13. Лопасть под действием давления газа перемещается и, будучи жестко связанной с валом 11 турбины, вращает его. Возникающий при этом крутящий момент через закрепленное на турбинном валу зубчатое колесо 5 передается по предназначению (на ходовую часть транспортной машины, на электрогенератор и т.п.). А через зубчатые колеса 5 и 6 вращение передается на вал 8 и закрепленный на нем сепаратор 9. В процессе вращения лопасть совмещается с имеющейся на сепараторе 9 впадиной 15 и пропускается таким образом в исходное положение для совершения очередного цикла. Удаление отработанных газов осуществляется через выпускное отверстие 12 и полость турбинного вала 11.

Дозирование подаваемой в рабочую камеру 14 порции газа осуществляется с той целью, чтобы в процессе расширения газа в ограниченном пространстве рабочей камеры производился максимально возможный отбор энергии из содержащегося в порции газа энергетического заряда.

В случае наличия работающей на воде системы охлаждения в рабочую камеру или камеру сгорания может подаваться также в качестве второго рабочего тела и пар, образующийся в системе охлаждения.

Камера сгорания может настраиваться для работы на разных жидких и газообразных топливах.

Изготовление двигателя можно осуществлять из традиционных конструкционных материалов.

Производство единичных экземпляров и мелких серий возможно на большинстве машиностроительных заводов.

Формула изобретения

Турбинно-дуговой двигатель, содержащий вал с закрепленной на нем лопастью, рабочую камеру дугообразной формы, охватывающую вал по окружности, с возможностью перемещения в ней лопасти, сепаратор, отделяющий собой пространство рабочей камеры от внешней среды, камеру сгорания и дозирующее устройство, отличающийся тем, что рабочее тело поступает из камеры сгорания в рабочую камеру через дозирующее устройство, расположенное между камерой сгорания и рабочей камерой, и через полый вал сепаратора с впускным отверстием, а дозирующее устройство настроено так, что давление рабочего тела, вращающего вал, при условии расширения газов в замкнуто расширяющемся пространстве рабочей камеры, к началу выхлопа уравнялось с атмосферным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2