Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с одним поршнем привода компрессора

Изобретение относится к области энергомашиностроения. Свободнопоршневой генератор газов содержит камеру сгорания, форсунку для впрыска топлива, свечу зажигания, впускные и выпускные клапаны, компрессор, поршни, при этом подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется поршнем привода компрессора, соединенным штоком с поршнями компрессора и размещенным между ними, и приводится в действие продуктами сгорания, поступающими из камеры сгорания. Изобретение обеспечивает повышение КПД свободнопоршневого генератора газа за счет повышения удельных весовых и габаритных показателей. 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 компрессора. Вращение турбины компрессора через вал передается компрессору, обеспечивая тем самым подачу воздуха в камеру сгорания. После турбины 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 на валу тяговой турбины при постоянных параметрах газа обратно пропорционален числу ее оборотов. Однако низкий адиабатический КПД турбин на малых и средних оборотах вследствие перетечек газов через зазоры между периферией лопаток и корпусом приводит к неприемлемо высокому удельному расходу топлива.

Сущность изобретения.

Технической задачей изобретения является повышение КПД свободнопоршневого генератора газа за счет повышения удельных весовых и габаритных показателей.

Поставленная задача решается за счет того, что свободнопоршневой генератор газов, содержащий камеру сгорания, форсунку для впрыска топлива, свечу зажигания, впускные и выпускные клапаны, компрессор, поршни, при этом подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется поршнем привода компрессора, соединенным штоком с поршнями компрессора и размещенным между ними, и приводится в действие продуктами сгорания, поступающими из камеры сгорания.

Основное отличие прямоточного двигателя со свободнопоршневым генератором газов от газотурбинного двигателя состоит в том, что роль лопаточных турбин выполняют поршни. Прямоточный двигатель состоит из свободнопоршневого генератора газов /см. чертеж/ и тяговой расширительной машины /не показана/.

Состав свободнопоршневого генератора газов: 1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4 - газовый канал, 5 - поршень привода компрессора, 6, 7 - поршни компрессора, 8, 9, 10, 11 - клапаны компрессора, 12, 15 - выпускные каналы, 13, 14 - клапаны управления потоком газов, 16 - коллектор тяговой расширительной машины, 17 - дроссельная заслонка.

Принцип действия свободнопоршневого генератора газов.

При пуске двигателя в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой 3. Продукты сгорания по каналу 4 поступают в правую полость поршня привода компрессора 5, с которым соединены поршни компрессора 6 и 7. Так как площадь поршня 5 больше площади поршня 6, сила давления газов на поршень 5 будет больше, чем сила давления сжимаемого в полости поршня 6 воздуха, и поршни начинают движение влево. Так как клапан 8 закрыт, то через открывшийся клапан 9 воздух поступает в камеру сгорания, обеспечивая тем самым процесс сгорания топлива. Одновременно через клапан 10 /клапан 11 закрыт/ в полость поршня 7 из атмосферы засасывается воздух, а газы из левой полости поршня 5 по каналу 12 вытекают в атмосферу. По достижении поршнями крайнего левого положения система управления /не показана/ переводит клапаны 13 и 14 в правое положение. Теперь продукты сгорания из камеры сгорания через открывшийся клапан 13 поступают в левую полость поршня 5, и поршни начинают движение вправо. Газы из правой полости поршня 5 через канал 15 вытекают в атмосферу, клапан 10 закрывается, а через открывшийся клапан 11 воздух поступает в камеру сгорания и процесс сгорания топлива продолжается. Пульсация давления подаваемого в камеру сгорания воздуха сглаживается ресивером /не показан/. Соотношение площадей поршня 5 и поршней 6 и 7 таково, что на привод поршней компрессора расходуется только часть генерируемых газов. Основная же часть генерируемых газов направляется по каналу 16 в тяговую расширительную машину, в качестве которой может применяться машина поршневого или турбинного типа. Управление мощностью тяговой расширительной машины осуществляется форсункой 2 и дроссельной заслонкой 17. Увеличение подачи топлива и степени открытия дроссельной заслонки увеличивают вырабатываемую мощность.

Вибрация, возникающая в результате реакции движения поршней, компенсируется применением двух свободнопоршневых генераторов газов, сориентированных таким образом, чтобы оси симметрии поршней располагались на одной прямой и поршни двигались в противоположных направлениях.

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 весовых и габаритных показателей;

- в отличие от классического ДВС меньшая требовательность к физико-химическим свойствам 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 близким 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, содержащий камеру сгорания, форсунку для впрыска топлива, свечу зажигания, впускные и выпускные клапаны, компрессор, поршни, отличающийся тем, что подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется поршнем привода компрессора, соединенным штоком с поршнями компрессора и размещенным между ними, и приводится в действие продуктами сгорания, поступающими из камеры сгорания.