CZ2012415A3

CZ2012415A3 - Spalovací motor

Info

Publication number: CZ2012415A3
Application number: CZ2012-415A
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk Janda
Original assignee: FESA s.r.o.
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2013-12-27
Also published as: WO2013189470A1

Abstract

Spalovací motor obsahuje mechanický rotor (4, 7) zahrnující alespoň jednu pracovní trubici (6) pro přívod paliva, kde palivem je míněna zejména palivová směs obsahující vzduch, do mechanického rotoru (4, 7), vedení paliva pracovní trubicí (6) a odvádění zplodin hoření paliva z mechanického rotoru (4, 7). Pracovní trubice je v mechanickém rotoru (4, 7) prostorově uspořádána tak, že zahrnuje kompresorový úsek pro stlačování paliva přivedeného do mechanického rotoru (4, 7) až do jeho zapálení, na něj navazující spalovací úsek pracovní trubice (6) pro hoření paliva, a na spalovací úsek navazující expanzní úsek pracovní trubice (6) pro expanzi zplodin hoření paliva na nižší tlak a snížení jejich teploty. Spalovací úsek je vzdálenější od osy rotace než kompresorový úsek a expanzní úsek a expanzí získaná mechanická práce pohání mechanický rotor (4, 7). Pracovní trubice (6) je ve směru od vstupu do mechanického rotoru (4, 7) ve svém kompresním úseku vedena tak, že vedle toho, že se vzdálí od osy rotace, dojde také k jejímu natočení ve směru nebo v protisměru otáčení mechanického rotoru (4, 7), aby v osovém směru šířka části pláště mechanického rotoru (4, 7), která kryje spalovací úsek, byla co nejužší. Expanzní úsek větve pracovní trubice (6) se pak vrací k ose otáčení mechanickému rotoru (4, 7) a také do směru této osy.

Description

Spalovací motor

Oblast techniky

Vynález se týká spalovacího motoru, a zejména spalovacího motoru, který se, dle způsobu využití jeho práce, nazývá plynová, resp. spalovací, turbína.

Dosavadní stav techniky

Spalovací turbíny s velkými výkony, tj. v řádu stovek kilowatt až stovek megawatt, jsou již desítky let úspěšně používané pro pohon dopravních prostředků a pro generování elektrické energie. Jsou jedním z typů spalovacích motorů, tj. tepelných strojů, ve kterých se spálením paliva přeměňuje jeho chemická energie na teplo, které je dále transformováno na mechanickou energii působením na rotující části motoru. Jejich hlavní nevýhodou je jejich vysoká složitost, náročnost na přesnou výrobu a drahé materiály, a z toho vyplývá i jejich vysoká cena.

Menší varianty spalovacích turbín jsou komerčně dostupné jako malé kogenerační jednotky pro výrobu elektrické energie a tepla. Jejich výkony jsou řádově desítky až stovky kilowat, při celkových rozměrech řádově metry. Jelikož jsou to parametry mnohem menší, než je v energetice obvyklé, bývají běžně označovány komerčním názvem mikroturbíny.

V některých případech - rovněž relevantních tomuto vynálezu - se zase předpona mikro používá pro označení velmi malých součástek, které se používají v mikrofluidice a v technologii MEMS (zkratka anglického „Micro-ElectroMechanical Systems), kde rozměry nejmenšich součástí, jako např. šířka kanálků rozvádějících tekutinu, jsou řádově mikrometry. V této souvislosti je pak označení „mikroturbína používáno pro miniaturní spalovací turbínu, mající celkové rozměry řádově centimetry a nejmenší detaily řádově mikrometry až stovky mikrometrů (Chou a kol., Development of micro power generators - A review. Applied Energy 88 (2011) 1-16). Některé varianty těchto mikroturbín jsou patentovány, jako např. US patent 7,521,815 a US patent 5,932,940.

V posledních dvou desetiletích se, v souvislosti s rozvojem elektronického průmyslu, trvale zvyšuje poptávka po přenosných zařízeních poskytujících elektrickou energii pro výkony v řádu desítek wattů až desítek kilowattů.

Přestože výkonnost elektrických akumulátorů se díky technologickému pokroku zlepšuje každým rokem, jejich vlastnosti v současné době, ani v nejbližších letech, nemohou poskytnout žádoucí kombinaci výkonové hustoty a vytrvalosti, které jsou potřebné pro aplikace jako jsou např. autonomní roboty, bezpilotní letadla, elektromechanická zařízení pro posílení fyzických schopností člověka apod.

Chemická paliva mají až stonásobně vyšší výkonovou hustotu než akumulátory a jsou tedy velmi vhodná ke generování elektrické energie pro přenosná zařízení. Vyžadují však existenci účinných miniaturních motoru — generátoru, ktere umožní přeměnit chemickou energii paliva na elektrickou energii.

Taková zařízení mohou být založené na mnoha principech, zejména jsou to palivové články, pístové spalovací motory, parní turbíny a spalovací turbíny.

Palivové články mají sice vysokou účinnost, ale v poměru k poskytovanému výkonu máji velké rozměry a hmotnost a proto nejsou vhodné pro přenosná zařízení.

Pístové spalovací motory pro malé výkony mají velmi nízkou účinnost a životnost. Jejich tepelné ztráty jsou vysoké a opotřebení pístů a pístních kroužků vlivem tření je u miniaturních motorů mnohem rychlejší než u velkých pístových motorů.

Spalovací motor určený pro malé výkony by měl proto mít co nejmenší třecí plochy a tomu odpovídají pouze motory s kontinuálním spalováním t j . spalovací turbína a parní turbína.

Parní turbína je velmi složité zařízení, které je obtížné vyrobit v malých rozměrech, a proto jako nejperspektivnější typ malých spalovacích motorů, zejména pro použití v malých elektrických generátorech, se jeví spalovací turbína.

V odborné literatuře lze nalézt dva rozdílné typy vyvíjených miniaturních spalovacích turbín (Chou a kol., 2011). Jedním z nich jsou spalovací turbíny, které mají čistě radiální, dvojdimenzionální rotory kompresoru a turbíny. Takové spalovací turbíny jsou určeny pro výkony v řádu jednotek až desítek wattů a využívají k výrobě křemíkovou technologii podobnou výrobě počítačových čipů. Hlavní nevýhodou tohoto typu spalovacích turbín je velmi nízká (několik procent) účinnost vlivem vysokých tepelných ztrát způsobených dvojdimenzionální strukturou všech částí motoru (a tedy relativně velkou plochou, kde vznikají tepelné ztráty) a nutností použít křemík jako materiál, který není optimální z hlediska tepelné vodivosti.

Druhým typem vyvíjených miniaturních spalovacích turbín jsou takové, které mají plně třídimenzionální rotory kompresoru a turbíny (podobně jako spalovací turbíny vysokých výkonů) a které jsou určené pro výkony v řádu stovek wattů až desítek kilowattů. Rotory těchto spalovacích turbín jsou vyráběné odléváním a obráběním a proto mají výhodu v možnosti využít materiály s vysokou pevností při vysoké teplotě a nízkou teplotní vodivostí, jako jsou například speciální slitiny a keramika, čímž je účinnost těchto třidimensionálnich typů spalovacích turbín mnohem vyšší než u výše popsaného typu dvoj dimensionálních spalovacích turbín.

Výzkumníci miniaturních spalovacích turbín měli po mnoho let problémy s extrémně vysokými otáčkami rotorů kompresoru a turbíny, v řádu několika set tisíc až jednoho milionu otáček za sekundu, tyto problémy se však daří postupně řešit vývojem nových typů ložisek.

Trvající společnou nevýhodou existujících typů miniaturních spalovacích turbín je velká relativní vzdálenost mezi lopatkami rotoru kompresoru a turbíny vzhledem k okolní stěně. Zatímco u velkých spalovacích turbín, s výkony stovek kilowat a výše, je mezera mezi lopatkami rotoru a přilehlou stěnou v řádu do jednoho procenta výšky lopatky rotoru, u miniaturních spalovacích turbín je z technologických důvodů tato vzdálenost kolem 5-10% výšky lopatky rotoru, což významně snižuje aerodynamickou účinnost kompresoru a turbíny a tedy i spalovací turbíny.

Druhou trvající nevýhodou uvedených miniaturních spalovacích turbín je, že jejich lopatkové rotory mají vzhledem k relativně velké ploše disku rotoru a jeho lopatek (v poměru k průtokovému objemu) intenzivní tepelnou výměnu s okolní stěnou, procentuelně několikanásobně větší než u velkých spalovacích turbín, což také velmi snižuje účinnost kompresoru a turbíny a tím i celé spalovací turbíny.

Kompresor i turbína u všech používaných typů spalovacích turbín vyžadují k transformaci energie (zvýšení tlaku, resp. získání mechanické práce) lopatky.

Známou bezlopatkovou turbínou je patent N. Tesly z roku 1913 (US patent 1,061,206). Jde o turbínu, která transformuje energii proudící tekutiny na energii rotoru prostřednictvím tření mezi tekutinou a kotouči rotoru, a která tedy, na rozdíl od tohoto vynálezu, nepoužívá rotující kanál pro průtok tekutiny. Tato turbína se však ve spalovacích turbínách nepoužívá z důvodu mnohem nižší účinnosti oproti standardním lopatkovým turbínám. Také bezlopatková turbína českého vynálezce Šenka (AO 262 707, 1990), mění energii proudu tekutiny na mechanickou práci prostřednictvím třecí síly a proto má také podstatně nižší účinnost oproti lopatkovým turbínám a nehodí se pro využití ve spalovacích turbínách.

Zajímavý koncept spalovací bezlopatkové turbíny je popsán v německém patentovém dokumentu DE3306971A1 (1984), který pro funkci spalovací turbíny využívá rotující trubice ve tvaru písmene „U. Podstata činnosti této bezlopatkové spalovací turbíny spočívá v tom, že mechanický rotor obsahuje alespoň jednu pracovní trubici ve tvaru písmene U, přičemž každá pracovní trubice je v mechanickém rotoru prostorově uspořadana tak, že zahrnuje kompresorový úsek pro stlačování směsi paliva a vzduchu, přivedeného do mechanického rotoru, až do jeho zapálení účinkem odstředivé síly působící na palivo při otáčení mechanického rotoru, na něj navazující spalovací úsek pracovní trubice pro hoření paliva, a na spalovací úsek navazující expanzní úsek pracovní trubice pro expanzi zplodin hoření paliva na nižší tlak a snížení jejich teploty, přičemž spalovací úsek je vzdálenější od osy rotace než kompresorový úsek a expanzní úsek.

Podobný koncept spalovací bezlopatkové turbíny je popsán i v PCT přihlášce zveřejněné pod číslem WO2008088225A1, v níž je pracovní trubice rozvětvená a každá větev pracovní trubice má opět tvar písmene „U. Na rozdíl od uvedeného německého dokumentu DE3306971A1 je podle této PCT přihlášky palivo vstřikováno do každé větve pracovní trubice až v místě, kde je vzduch nejvíce stlačen, pomocí příslušné rozvětvené palivové trubice, která je samostatně umístěna v rotoru.

Zásadní nevýhodou uvedených bezlopatkových spalovacích turbín je, že jejich autoři využívají tvar pracovní trubice ve tvaru písmene U. Ačkoliv se tento tvar pracovní trubice jeví jako samozřejmý, vyžaduje rotor, který má velkou plochu na vnějším obvodu. Aby bylo dosaženo dostatečné komprese, musí být obvodová rychlost rotoru v řádu několika set metrů za sekundu (cca 300 - 700 m/s) , což vede k velkým výkonovým ztrátám vlivem tření mezi obvodovou částí rotoru a okolním prostředím, tj. vzduchem.

Autoři obou uvedených patentů si tuto zjevnou nevýhodu svých vynálezů uvědomují, avšak jako jediné řešení pro snížení vlivu třecích výkonových ztrát uvádějí, že rotor je umístěn do kontejneru, v němž je uměle vytvořené vakuum prostřednictvím trvalého odčerpávání vzduchu vakuovou pumpou. Tento způsob řešení však vede k vysokému potřebnému výkonu vakuové pumpy vzhledem k tomu, že pro potřebné vysoké otáčky rotoru nelze pomocí těsnění mezi rotující a pevnou částí spalovací turbíny zabránit trvalému pronikání vzduchu do prostoru, kde má být vakuum. Další nevýhodou tohoto řešení je malá životnost těsnění, neboť je namáháno velkými třecími silami při současně vysokých obvodových rychlostech v místě třecího kontaktu.

Třecí výkonové ztráty těsnění navíc spotřebovávají, podobně jako nutná vakuová pumpa, další část výkonu generovaného rotorem a oba tyto ztrátové výkony podstatně snižují účinnost celé spalovací turbíny.

Z uvedených důvodů je efektivita bezlopatkových spalovacích turbín navržených v německém patentovém dokumentu DE3306971A1 i v PCT přihlášce zveřejněné pod číslem WO2008088225A1 velmi problematická.

Výše popsané nevýhody známých typů miniaturních plynových turbín jsou hlavními překážkami, bránícími praktickému využití miniaturních spalovacích turbín.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky odstraňuje spalovací motor podle vynálezu, který lze nazývat rovněž bezlopatkovou spalovací miniturbínou, obsahující mechanický rotor zahrnující pracovní trubici, a to nerozvětvenou (jednoduchou) nebo rozvětvenou, pro přívod paliva do mechanického rotoru, vedení paliva pracovní trubicí a odvádění zplodin hoření paliva z mechanického rotoru, přičemž pracovní trubice je v mechanickém rotoru prostorově uspořádána tak, že každá její větev zahrnuje kompresorový úsek pro stlačování paliva přivedeného do mechanického rotoru až do jeho zapálení, účinkem odstředivé síly působící na palivo při otáčení mechanického rotoru kolem osy rotace, na něj navazující spalovací úsek pracovní trubice pro hoření paliva, a na spalovací úsek navazující expanzní úsek pracovní trubice pro expanzi zplodin hoření paliva na nižší tlak a snížení jejich teploty, kde expanzí získaná mechanická práce pohání mechanický rotor, přičemž podstata spalovacího motoru spočívá v tom, že spalovací úsek je vzdálenější od osy rotace než kompresorový úsek a expanzní úsek a každá větev pracovní trubice je ve směru od vstupu pracovní trubice do mechanického rotoru ve svém kompresním úseku vedena v mechanickém rotoru tak, že vedle toho, že se vzdálí od osy rotace, dojde také k jejímu natočení ve směru nebo v protisměru otáčení mechanického rotoru, aby v osovém směru šířka části pláště mechanického rotoru, která kryje spalovací úsek, byla co nejužší, přičemž expanzní úsek větve pracovní trubice se pak vrací k ose otáčení mechanického rotoru a také do směru této osy.

Jak bylo uvedeno, pracovní trubice podle vynálezu může být rozvětvená a v takovém případě pracovní trubice obsahuje dvě a více větví, anebo nerozvětvená tj. jednoduchá, přičemž v tomto případě pro účely tohoto vynálezu hovoříme o tom, že je pracovní trubice tvořená jednou větví a neobsahuje tedy více větví.

Uvedeným novým prostorovým uspořádáním pracovní trubice je dosaženo, v porovnání se spalovacími turbínami popsanými v patentových dokumentech DE3306971A1 i v PCT přihlášce WO2008088225A1, velmi nízkého tření rotoru o vnější prostředí (vzduch), aniž by bylo potřeba rotor uzavřít do vakuovaného kontejneru.

Popsané nové řešení tvaru pracovní trubice podle vynálezu má také druhou výhodu oproti dříve navrženým spalovacím turbínám s pracovní trubicí, a to, že pokud v novém spalovacím motoru proudí palivová směs v pracovní trubici ve směru otáčení rotoru, sčítá se obvodová rychlost rotoru s rychlostí proudící směsi, což vede ke zvýšení komprese a tedy i ke zvýšení účinnosti nového spalovacího motoru oproti spalovacím turbínám se stejným průměrem a stejnými otáčkami, které však mají tvar pracovní trubice ve tvaru písmene „U.

Termodynamický cyklus bezlopatkové spalovací miniturbíny je možno přibližně popsat idealizovaným otevřeným Braytonovým cyklem, stejně jako u standardní spalovací turbíny, který sestává z izoentropické komprese, izobarického spalování, a izoentropické expanze.

Směs paliva se vzduchem proudí pracovní trubicí do její kompresorové části. Rotace rotoru, a z ní plynoucí odstředivá síla, zde způsobuje nárůst tlaku a teploty, čímž dojde k zapálení směsi paliva se vzduchem. Zapálená směs proudí dále do navazující spalovací části, ve které probíhá hoření a tedy přívod tepla do proudící směsi. Spaliny proudí navazující expanzní částí pracovní trubice směrem k ose rotace čímž dochází k jejich expanzi na nižší tlak a ke snížení jejich teploty. Expanzí získaná mechanická práce pohání rotor a tedy i elektromagnetický generátor. Spaliny po expanzi vystupují z pracovní trubice ven, a tímto výfukem dochází k odvodu zbytkového tepla. Toto zbytkové teplo je eventuelně možno dále využít, např. pro ohřev vody apod.

Hlavní rozdíl oproti standardním lopatkovým spalovacím turbínám spočívá v tom, že směs paliva se vzduchem proudí kontinuálně pracovní trubicí a při tomto průtoku probíhá termodynamický cyklus spalovacího motoru, obsahující kompresi, spalování, expanzi a výfuk. Směs paliva se vzduchem je hnána externím zařízením, např. externím nízkotlakým ventilátorem, do vstupní části pracovní trubice umístěné v mechanickém rotoru. Palivo je do vháněného vzduchu přidáváno před vstupem do pracovní trubice například rozprašovací tlakovou tryskou.

S mechanickým rotorem elektromagnetický rotor, který spolu s mechanickým rotorem je s výhodou spojen se při hoření paliva otáčí poháněným mechanickou prací získanou expanzí, přičemž otáčení elektromagnetického rotoru indukuje elektromagnetické napětí v elektromagnetickém statoru, který tak působí jako elektrický generátor.

Podle jednoho z výhodných provedení je mechanický rotor, spojený s elektromagnetickým rotorem, uveden do otáček potřebných pro zapálení paliva silovým momentem od elektromagnetického statoru působícího v této fázi jako elektromagnetický motor.

K zapálení paliva dojde jeho vznícením.

Vstup do kompresorového úseku pracovní trubice a výstup z expanzního úseku pracovní trubice leží s výhodou na společné ose rotace mechanického rotoru a elektromagnetického rotoru.

Pracovní trubice může být s výhodou uspořádána tak, že je mechanický rotor staticky vyvážený.

Podle výhodného provedení je palivo do pracovní trubice vháněno externím zařízením, například ventilátorem.

Palivem může být palivová směs zahrnující vzduch.

Podle výhodného provedení je velikost příčných rozměrů pracovní trubice v řádu 10° mm až 10 mm, a celkový průměr mechanického rotoru je v řádu 10¹ mm až 10 mm, přičemž otáčky mechanického rotoru jsou, v závislosti na velikosti spalovacího motoru, řádově 10³ až 10⁶ ot/min.

Zařízení obsahuje pevnou a rotující část. Pevná část obsahuje rám, stator elektromotoru/generátoru a dvě ložiska. Rotující část, která je otočně uchycena v ložiskách, obsahuje elektromagnetický rotor a mechanický rotor obsahující * 9 prostorově tvarovanou pracovní trubici. Elektromagnetický rotor je připevněn k mechanickému rotoru a oba tak tvoří dohromady jeden rotor.

Tvarováni pracovní trubice vymezují tři její úseky či části, kterými jsou část kompresorová, spalovací a expanzní. Tyto části na sebe navazují v uvedeném pořadí, přičemž vstup do kompresorové části a výstup z expanzní části leží v ose rotace, definované dvojici ložisek. Spalovací část trubice je z uvedených částí trubice část nejvíce vzdálená od osy rotace. Pracovní trubici je výhodné a možné tvarovat tak, aby rotor byl staticky vyvážený. Pracovní trubice může být i rozvětvená.

Materiál rotoru musí mít vysokou tepelnou odolnost i mechanickou pevnost, aby nedošlo k jeho porušení vlivem teplotního a mechanického namáhaní. Nejčastěji používanými materiály jsou pro tyto účely žárovzdorné slitiny, například Inconel, popřípadě nekovové žárovzdorné materiály jako jsou speciální druhy technické keramiky. Rotor je možné vyrobit v případě žárovzdorných slitin například obráběním, tvářením, svařováním nebo odléváním, v případě nekovových žárovzdorných materiálů například odléváním nebo technologií Rapid Prototyping.

Hlavní výhodou vynálezu oproti lopatkovým spalovacím turbínám je integrování všech základních částí spalovací turbiny, které jsou potřebné pro fungování termodynamického cyklu spalovací turbíny, do jediné pracovní trubice.

Protože pracovní trubice nemá žádné lopatky a její jednotlivé části (kompresní, spalovací a expanzní) na sebe plynule navazují, má podstatně menší aerodynamické ztráty spojené s turbulenci a třením proudícího vzduchu oproti standardním lopatkovým spalovacím turbínám. Proto externí zařízení vhánící směs vzduchu a paliva do pracovní trubice spotřebuje jen několik procent energie generované bezlopatkovou spalovací turbínou.

Pokud je však dostatečně velká část (nebo dokonce veškerá) elektrické energie, generované v elektromagnetickém generátoru, věnovaná pohonu externího zařízení vhánícího směs vzduchu a paliva do pracovní trubice (pro dosažení co možná nejvyššího průtoku směsi vzduchu a paliva), je kinetická energie vystupujících spalin natolik velká, že vytváří dostatečnou tahovou sílu umožňující např. pohon bezpilotního či pilotovaného letadla.

Při vhodném tvarování rotoru, umožněném novým tvarem pracovní trubice podle vynálezu, je výkonová ztráta vzniklá třením rotoru bezlopatkové spalovací turbíny podle vynálezu o okolní vzduch relativně malá v poměru k maximálnímu výkonu turbíny. Jak bylo uvedeno dříve, toto je hlavní výhoda nového spalovacího motoru podle vynálezu oproti bezlopatkovým spalovacím turbínám podle dosavadního stavu techniky.

Stěna pracovní trubice má řádově menší plochu než je plocha pracovních částí standardní lopatkové spalovací turbíny (rotor kompresoru, difuzor, spalovací komora, naváděcí trysky, turbina) se stejným výkonem, a proto v bezlopatkové spalovací turbíně dochází, oproti standardním lopatkovým miniaturním spalovacím turbínám, k velmi malým výkonovým ztrátám způsobených tepelným přenosem mezi kompresorovou částí, turbínovou částí a okolím.

Podstatné snížení aerodynamických ztrát a tepelných ztrát, spolu s významným zjednodušením konstrukce, odstraňuje nevýhody dosavadního stavu techniky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí příkladů provedení a výkresů, na nichž zobrazuje:

- obr. 1 celkové schéma příkladu provedení spalovacího motoru podle vynálezu,

- obr. 2 schéma rotoru přikladu provedení spalovacího motoru podle vynálezu s jedinou pracovní trubicí,

- obr. 3 schéma rotoru dalšího příkladu provedení spalovacího motoru podle vynálezu s rozvětvenou pracovní trubicí, a

- obr. 4 schematicky mechanický rotor podle obr. 2 v pohledu z boku kolmém na řez vedený rovinou, v níž leží osa rotoru.

Příklad provedení vynálezu

Příklad provedení spalovacího motoru - bezlopatkové spalovací miniturbíny podle vynálezu je zobrazen na obr. 1.

K rámu 1 jsou připevněna ložiska 2_ a elektromagnetický stator 3. V ložiscích 2 je otočně uložen mechanický rotor 4, obsahující pracovní trubici 6, spojený s elektromagnetickým rotorem 5.

Při startu bezlopatkové spalovací miniturbíny dle vynálezu je spojený mechanický a elektromagnetický rotor 4 a 5 roztočen do pracovních otáček (tj . aby obvodová rychlost rotoru byla cca několik set metrů za sekundu) prostřednictvím silového momentu od elektromagnetického statoru 3_, který působí při startu spolu s elektromagnetickým rotorem 5 jako elektromagnetický motor.

Poté začne do pracovní trubice 6 proudit směs vzduchu a paliva která je vháněna externím zařízením (například ventilátor).

V kompresorovém úseku či části pracovní trubice 2' což je část od vstupu do pracovní trubice 2 až k místu pracovní trubice 6, které je nejvíce vzdálené od osy rotace, je vlivem odstředivé síly směs vzduchu a paliva stlačována, a proto se zvětšuje jeho tlak a teplota až dojde k jeho vznícení.

V navazujícím, spalovacím úseku či části pracovní trubice 6 probíhá hoření a tedy přívod tepla do proudící směsi.

Spaliny proudí navazujícím expanzním úsekem či částí pracovní trubice 6 směrem k ose rotace čímž dochází k expanzi spalin na nižší tlak a ke snížení jejich teploty. Expanzí získaná mechanická práce pohání mechanický rotor 4 a s ním spojené elektromagnetický rotor 2< čímž je indukováno elektromagnetické napětí v elektromagnetickém statoru 3_, který tak působí jako elektrický generátor.

Spaliny po expanzi vystupují z pracovní trubice 6 ven z mechanického rotoru £.

Na obr. 2 je zobrazen mechanický rotor £ bezlopatkové spalovací miniturbíny podle vynálezu s jedinou pracovní trubicí 6, zatímco na obr. 3 je zobrazen mechanický rotor 2 bezlopatkové spalovací miniturbíny podle vynálezu s rozvětvenou pracovní trubicí 2· V tomto mechanickém rotoru 2 s rozvětvenou pracovní trubicí 2 probíhá termodynamický cyklus současně v obou větvích pracovní trubice 6.

Jak je vidět z obr. 2, 3 a 4, pracovní trubice 6 je ve směru od vstupu pracovní trubice 2 bo mechanického rotoru £, 2 ve svém kompresním úseku vedena v mechanickém rotoru £, 2 tak, že vedle toho, že se vzdálí od osy rotace, dojde také k jejímu natočení ve směru nebo v protisměru otáčení mechanického rotoru 4, 7. To je důležité proto, aby v osovém směru šířka části pláště mechanického rotoru £, 2' která kryje spalovací úsek, byla co nejužší. Díky takovému vedení spalovací trubice 6, jak je dobře patrné z obr. 4, osa převážné části spalovacího úseku leží v rovině kolmé k ose mechanického rotoru 4, 7, takže šířka té části pláště mechanického rotoru 4, 7, která kryje spalovací úsek, je minimální tj . jen o něco málo větší než je tloušťka (průměr) pracovní trubice 2 spalovacím úseku. Takové řešení minimalizuje tření a tím i maximalizuje účinnost spalovacího motoru.

Předložený vynález byl popsán na výše uvedených příkladech provedení, na které se však vynález neomezuje. Do rozsahu vynálezu též náleží modifikace, které spadají do rozsahu patentového nároku 1.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spalovací motor obsahující mechanický rotor (4, 7) , zahrnující alespoň jednu rozvětvenou nebo nerozvětvenou - tj . jednou větví tvořenou pracovní trubici (6) , pro přívod paliva do mechanického rotoru (4, 7), vedení paliva pracovní trubicí (6) a odvádění zplodin hoření paliva z mechanického rotoru (4, 7), přičemž pracovní trubice (6) je v mechanickém rotoru (4, 7) prostorově uspořádána tak, že každá její větev zahrnuje kompresorový úsek pro stlačování paliva přivedeného do mechanického rotoru (4, 7) až do jeho zapálení, účinkem odstředivé síly působící na palivo při otáčení mechanického rotoru (4, 7) kolem osy rotace, na něj navazující spalovací úsek pracovní trubice (6) pro hoření paliva, a na spalovací úsek navazující expanzní úsek pracovní trubice (6) pro expanzi zplodin hoření paliva na nižší tlak a snížení jejich teploty, kde expanzí získaná mechanická práce pohání mechanický rotor (4, 7), vyznačující se tím, že spalovací úsek je vzdálenější od osy rotace než kompresorový úsek a expanzní úsek a každá větev pracovní trubice (6) je ve směru od vstupu pracovní trubice (6) do mechanického rotoru (4, 7) ve svém kompresním úseku vedena v mechanickém rotoru (4, 7) tak, že vedle toho, že se vzdálí od osy rotace, dojde také k jejímu natočení ve směru nebo v protisměru otáčení mechanického rotoru (4, 7), aby v osovém směru sirka časti plaste mechanického rotoru (4, 7) , která kryje spalovací úsek, byla co nejužší, přičemž expanzní úsek větve pracovní trubice (6) se pak vrací k ose otáčení mechanického rotoru (4, 7) a také do směru této osy.

2. Spalovací motor podle nároku 1, vyznačující se t i m, že s mechanickým rotorem (4, 7) je spojen elektromagnetický rotor (5), který se při hoření paliva otáčí spolu s mechanickým rotorem (4, 7) poháněným mechanickou prací získanou expanzí, přičemž otáčení elektromagnetického rotoru (5) indukuje elektromagnetické napětí v elektromagnetickém statoru (3), který tak působí jako elektrický generátor.

3. Spalovací motor podle kt( nároků, vyznačující s (4, 7), spojený s elektromagnet i< otáček potřebných pro zapálení elektromagnetického statoru (3) elektromagnetický motor.

réhokoliv z předcházejících e t í m, že mechanický rotor :kým rotorem (5), je uveden do paliva silovým momentem od působícího v této fázi jako

4. Spalovací motor podle nároku kteréhokoliv z nároků, vyznačuj i c paliva dojde jeho vznícením.

se t í m , že předcházej ících k zapálení

5. Spalovací motor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že vstup do kompresorového úseku pracovní trubice (6) a výstup z expanzního úseku pracovní trubice (6) leží na společné ose rotace mechanického rotoru (4, 7) a elektromagnetického rotoru (5) .

6. Spalovací motor podle nároků, vyznačuj íc trubice (6) uspořádána tak, kteréhokoliv z předcházejících se tím, že je pracovní že je mechanický rotor (4, 7) staticky vyvážený.

7. Spalovací motor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že palivo je do pracovní trubice (6) vháněno externím zařízením, s výhodou ventilátorem.

8. Spalovací motor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že palivem je palivová směs zahrnující vzduch.

9. Spalovací motor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačuj ícíse tím, že velikost příčných rozměrů pracovní trubice (6) je v řádu 10° mm až 10 mm, a celkový průměr mechanického rotoru (4, 7) je v řádu 10¹ mm až 10² mm, přičemž otáčky mechanického rotoru (4, 7) jsou, v závislosti na velikosti spalovacího motoru, řádově 10 az 10⁶ ot/min.