Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора

Изобретение относится к энергомашиностроению. В свободнопоршневом генераторе газов прямоточного двигателя подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется свободнопоршневым компрессором, поршень которого размещается посредине штока, с расположенными на концах штока поршнями привода компрессора, приводимыми в действие продуктами сгорания из камеры сгорания генератора газов. Изобретение обеспечивает улучшение удельных массовых и габаритных показателей свободнопоршневого генератора и повышение КПД. 1 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

Уровень техники

Ближайший аналог прямоточного двигателя со свободнопоршневым генератором газов - газотурбинный двигатель, см. Белов П.М., Бурячко В.Р., Акатов В.Е., Двигатели армейских машин. Часть первая. Теория. М., Воениздат, 1971, стр.475-487.

Принцип действия газотурбинного двигателя. Турбина компрессора засасывает воздух из атмосферы и подает его в камеру сгорания. Туда же впрыскивается и воспламеняется топливо, в результате чего повышается температура газового потока. Далее газовый поток через сопловой аппарат поступает на лопатки турбины привода компрессора, вращение которой через вал передается турбине компрессора, обеспечивая тем самым подачу воздуха из атмосферы в камеру сгорания. После турбины привода компрессора газы поступают в сопловой аппарат тяговой турбины, создавая крутящий момент на ее валу. Основное достоинство газотурбинного двигателя - благоприятная для использования в качестве автомобильного двигателя тяговая характеристика. Крутящий момент тяговой турбины при постоянных параметрах газа обратно пропорционален числу ее оборотов. Однако низкий адиабатический коэффициент процесса сгорания топлива на малых и средних оборотах вследствие перетечек газов между периферией лопаток и корпусом приводит к неприемлемо высокому удельному расходу топлива.

Технической задачей изобретения является улучшение удельных массовых и габаритных показателей свободнопоршневого генератора и повышение КПД.

Поставленная задача решается за счет того, что в свободнопоршневом генераторе газов прямоточного двигателя подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется свободнопоршневым компрессором, поршень которого размещается посредине штока с расположенными на концах штока поршнями привода компрессора, приводимыми в действие продуктами сгорания из камеры сгорания генератора газов.

Основное отличие прямоточного двигателя со свободнопоршневым генератором газов от газотурбинного двигателя состоит в том, что роль лопаточных турбин выполняют поршни. Прямоточный двигатель состоит из свободно поршневого генератора газов и тяговой расширительной машины поршневого или турбинного типа. Поскольку новация относится только к свободнопоршневому генератору газов, то именно его принцип действия рассматривается.

Состав свободнопоршневого генератора газов (см. чертеж): 1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4, 12 - газораспределительные клапаны, 5, 8 - поршни привода компрессора, 6 - шток, 7 - поршень компрессора, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17 - воздухораспределительные клапаны, 18 - заслонка, 19 - распределительный коллектор.

Принцип действия свободнопоршневого генератора газов

При пуске двигателя в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой 3. Продукты сгорания через открытый клапан 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень 5 и соединенные с ним штоком 6 поршень компрессора 7 и поршень привода компрессора 8 начинают движение слева направо. Воздух из правой полости поршня 5 вытекает в атмосферу через клапан 9, в левую полость поршня 7 через клапан 10 засасывается воздух из атмосферы, а из правой полости через клапан 11 воздух подается в камеру сгорания 1, пополняя расход кислорода в процессе горения топлива. Открытый клапан 12 позволяет воздуху свободно вытекать из правой полости поршня 8, не оказывая сопротивления движению поршней. В левую полость поршня 8 через клапан 13 засасывается воздух из атмосферы. При достижении поршнями окрестностей крайнего правого положения система управления (не показана) переводит клапаны 4 и 12 в правое положение и газы из камеры сгорания через открывшийся клапан 12 поступают в правую полость поршня 8, в результате чего поршни останавливаются, а затем начинают движение справа налево. Все остальные воздухораспределительные клапаны переходят в противоположное положение. Отработавшие газы из левой полости поршня 5 через открывшийся клапан 4 вытекают в атмосферу, воздух из атмосферы через клапан 14 засасывается в правую полость поршня 5, воздух из левой полости поршня 7 через клапан 15 подается в камеру сгорания 1, воздух из атмосферы через клапан 16 засасывается в правую полость поршня 7, воздух из левой полости поршня 8 через клапан 17 выбрасывается в атмосферу. одновременно вынося тепло от поршня 8. В дальнейшем система управления, переводя клапаны 4 и 12 из одного крайнего положения в другое, обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания. Пульсации подаваемого в камеру сгорания воздуха сглаживаются воздушным ресивером (не показан). При достижении рабочего давления газов в камере сгорания открывается заслонка 18 и генерируемые газы через распределительный коллектор 19 поступают в тяговую расширительную машину. Управление текущей мощностью двигателя осуществляется изменением интенсивности подачи топлива в камеру сгорания. Вибрация, возникающая в результате реакции от движения поршней, компенсируется применением двух генераторов газов, располагаемых таким образом, что оси симметрии поршней находятся на одной прямой, а поршни двигаются в противофазе.

Основные достоинства прямоточного двигателя со свободнопоршневым генератором газов:

- благоприятная для использования в качестве автомобильного двигателя тяговая характеристика - при постоянных параметрах газа крутящий момент обратно пропорционален числу оборотов вала, что позволяет обходиться без механизма перемены передач;

- развиваемая мощность прямо пропорциональна расходу топлива, то есть КПД постоянен во всем диапазоне нагрузок на двигатель;

- прямоточность и непрерывность рабочего процесса обеспечивает резкое улучшение удельных массовых и габаритных показателей;

- в отличие от классического ДВС меньшая требовательность к физико-химическим характеристикам топлива, многотопливность;

- свободнопоршневой генератор газов позволяет реализовывать высокую степень сжатия в камере сгорания и предельно высокую степень расширения газов в тяговой машине;

- применение жаропрочных материалов позволит добиться рабочего процесса при коэффициенте избытка воздуха, близком к единице - чем он ближе к этому значению, тем ниже относительные затраты энергии на привод компрессора, тем выше КПД двигателя в целом;

- охлаждение стенок всех цилиндров, распределительного коллектора и камеры сгорания потоком воздуха от компрессора до камеры сгорания позволит реализовать высокотемпературное охлаждение и исключить необходимость жидкостного охлаждения;

- отсутствие жидкостного охлаждения обеспечивает высокие пусковые качества и быстрый выход на любой режим мощности.

Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя, отличающийся тем, что подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется свободнопоршневым компрессором, поршень которого размещается посредине штока с расположенными на концах штока поршнями привода компрессора, приводимыми в действие продуктами сгорания из камеры сгорания генератора газов.