JP4152894B2 - 回転式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明はガスタービンエンジンに関する。

出願人に知られているガスタービンエンジンは、次の欠点を有する。
１．これらのエンジンは安定的でない。なぜなら、１０００℃よりも高い温度のガスおよび圧縮された空気を伴ったダストの流入が、高速の出力および圧縮機タービンを急速に破壊するからである。したがって、低いガス温度を保つため、燃焼に必要な量よりも３〜４倍の空気を供給する必要がある。空気のフィルタリングを改善すると、エンジンの大きさおよびエネルギー消費量が、かなり増大する。
２．低い効率（約３０％にすぎない）。なぜなら、必要な空気量を圧縮するため、エンジンによって生成されるエネルギーの２／３を消費するからである。
３．排気に伴う冷却損失および熱損失が、ディーゼルの損失よりも１．１６倍も高い。
４．停止が不良で、自動車には許容されない。

ＳＵ（ロシア）特許第２９３４７１Ａ１号には、低圧軸流および高圧遠心圧縮機、連続燃焼サイクルを有する燃焼器、および自由回転ガスタービンのカスケードを含むガスタービンエンジンが説明される。第１のタービンは遠心圧縮機を駆動し、第２および第３のタービンは軸流圧縮機を駆動し、第４および第５のタービンのみが駆動軸を回転する。このエンジンは停止を有せず、前述した全ての欠点を有する。

ＳＵ特許第１７９２１２２Ａ１号には、送風機、ガスタービンと交合した遠心圧縮機、燃焼器、出力タービン、熱交換器、および冷凍機を含むガスタービンエンジンが説明される。送風機は圧縮のために空気の一部分を駆動し、空気の残りの部分は冷凍機を通り、そこで高圧ガスを冷却し、高圧ガスはエジェクタから放出されて空気を圧縮機へ駆動し、そこで空気とガスの混合物を圧縮する。熱交換器は、圧縮された空気とガスの混合物を加熱し、燃焼のために燃焼器へ供給する。燃焼プロセスから生じたガス圧力は、圧縮機と交合したタービンを駆動する。ガスの一部分は熱交換器を通って、それを加熱し、次に冷凍機を通って、そこで冷却し、圧縮機へ進む空気へ放出される。ガスの他の部分は出力タービンを駆動し、次に熱交換器を通って排出される。このエンジンは空気圧縮のために大きなエネルギー消費を必要とする。なぜなら、交合したタービンを通るガスによって加熱されている圧縮機は、熱気とガスの混合物をも圧縮するからである。このエンジンは、高度に圧縮されたガスが冷凍機の中で冷却されるとき、望ましくない熱およびエネルギーの損失を有する。

したがって、本発明の目的は、より高いガス温度および圧力を維持することのできる密閉された燃焼器の中に間欠燃焼サイクルを有し、エンジン効率を著しく増進する回転式内燃機関を提供することである。本発明の他の目的は、空気を軸方向に駆動する遠心力の助けを借りて、効率的に空気をフィルタおよび圧縮することのできる小さな圧縮機を含む回転式内燃機関を提供することである。更に、圧縮サイクルの始めから終わりまで空気を冷却することができ、それによって空気圧縮のエネルギー消費を著しく低減することのできる圧縮機を提供することである。本発明の更なる目的は、燃料と空気との混合を改善し、それによって燃焼プロセスを改善して、排気中のＣＯおよびＮＯを低減する燃料−ガス変換システムを提供することである。他の更なる目的は、追加の装置を使用することなく、良好な停止を有する安定したエンジンを提供することである。要約すると、本願の目的は、全ての既知のエンジンよりも１．５〜２倍も高い効率を達成し、前述した欠点を取り除くエンジンを提供することである。

前記の目的は、４つの西洋梨型の燃焼器を有する出力ボデーを含み、該燃焼器の排気ポートが、出力回転子の上で半円形ガス流方向に置かれたカスケード間欠タービンの回転方向に向けられている回転式内燃機関によって達成される。出力回転子は、内部に静インペラブレードを有する出力ハウジングと、ボルトによって結合された出力ボデーとの間で回転する。出力ハウジングはボルトによって圧縮機へ結合される。圧縮機は、圧縮回転子の上に取り付けられた中空インペラによって完成される空気の慣性フィルタリングおよび冷却を実行し、更にスタビライザスポークの間に置かれたバリヤ空気フィルタを含む。

効率的な空気の圧縮は、特別に構成された遠心および軸方向空気駆動インペラを含む多段圧縮回転子によって達成される。前記インペラは、圧縮機ハウジングの内部にある静インペラの間で回転する。この配列は、空気圧縮のエネルギー消費をかなり減らし、従来の遠心圧縮機よりも小さいスペースを必要とする。

エンジンの間欠燃焼は、空気流入側から空気弁を使用し、ガス排気側から出力回転子を使用して、燃焼器を密閉することによって達成される。この目的のため、出力回転子上の隣接したタービンは、回転子を横切って、２箇所切断されたリングに配置された一連の孔として配列される。ここで、これらの切断箇所は燃焼器を排気側から密閉する。

出力ボデーの頂部に置かれた燃料分配器を有する燃料ポンプは、間欠的および所定時間に燃料を燃焼器へ供給する。

密閉された燃焼器内の間欠燃焼サイクル、およびタービンブレードに対する間欠ガス動作は、プロトタイプと比較して、燃焼に必要な空気の量を２〜２．５倍だけ減少させる。このシステムはガス温度を１０００℃から１７００℃まで上昇させることができる。これはエンジンの効率をかなり改善する。

排気ポートの中に置かれた燃料ヒータ内の排気ガスによって燃料を加熱することは、高度に圧縮された熱い燃料が、燃焼器の中にある低度に圧縮された熱気へ散布されたとき（蒸発の瞬間に）、燃料をガスへ変換することができる。空気は、燃料の小さな液滴よりもガスと良好に混合する。この配列は、燃焼をかなり改善し、排気中の有害なＮＯおよびＣＯの量を減らす。

本発明によれば、エンジンの耐久性は、十分な慣性およびバリヤ空気フィルタリング、タービンブレードに対するガスの間欠作用、タービンブレードの冷却、圧縮機部品として高強度のアルミニウム合金を使用すること、出力システム部品として耐高温鋼を使用することによって確保される。

本発明によれば、従来のガスタービンエンジンで使用される案内羽根のような追加装置なしに、伝動システムを介して通して出力回転子および圧縮機へ、連結される駆動軸はによって、このエンジンは、良好な停止効果を有する。

本発明によれば、空気圧縮に対する低エネルギー消費、空気の供給チャネルで燃焼器およびガス流チャネルを覆うことによる良好な熱交換プロセス、断熱材での出力ハウジングおよび出力ボデーの断熱による熱の消費の節約、密閉された燃焼器内の間欠燃焼プロセス、ガス温度をかなり上昇させて、燃料がガスへ変換されるのを可能にすることは、これら全てが、回転燃焼エンジンの効率が、プロトタイプと比較して少なくとも１．５〜２倍の高い効率になることを予想させる。

これから添付の図面を参照して、単なる例としての本発明を更に説明する。

図１〜図５は、本発明に従った回転式内燃機関の１つの実施形態であって、参照符号で示される。

図１および図２に示される中空インペラ３．５はブレードを含み、該ブレードは回転して、遠心力によって軸方向に空気を駆動し、ダストのような空気よりも重い粒子を排出する。ダストを搬送している空気は、圧縮機を冷却するため、ディフューザシェード３．８によって圧縮機ハウジング３．４の冷却ブレードに沿って導かれる。同時に、ブレード３．９内にチャネルを備える中空インペラ３．５は、クロスパイプ３．７の外側チャネルを介して空洞３．６から空気を吸い込み、圧縮回転子３の内部に真空を生成する。中空インペラ３．５は、圧縮回転子３の前端に取り付けられ、したがって、ブレード内のチャネル３．９は、圧縮回転子３の中央に置かれたクロスパイプ３．７の外側チャネルと接続されている。外界の空気は、圧縮回転子３の内部を冷凍する断熱プロセスによって空洞３．６の中で真空へ達し、瞬時に膨張するために、クロスパイプ３．７の中央チャネルを通って流れる。クロスパイプ３．７上の中央チャネルの断面積は、前記クロスパイプ上の全ての外側チャネルの断面積の合計よりも幾分小さい。それによって、中空インペラ３．５は、ダストを搬送する空気を分離して排出し、圧縮機を外側から冷却し、それを内側から冷凍し、圧縮のためにバリヤフィルタ８を介して慣性フィルタされた空気を駆動する。

多段圧縮回転子３の前端は、基本軸受８．３および単純軸受８．４を介してスタビライザ８．１の中へ取り付けられ、反対の端は軸受８．５を介して出力ハウジング５．５の中へ取り付けられ、更に歯結合３．１を介して中央軸２へ結合される。圧縮回転子３は、図２および図３で示される特別に構成された圧縮インペラ３．２を含む。圧縮インペラ３．２はねじられた広いブレードを有し、該ブレードの開始部はラビリンスシールを含むリングで取り囲まれ、末端部は、開いていて、末端に向かって増加する直径を有する。隣接したブレードの間のチャネルの底は、遠心インペラブレードと同じように作られる。したがって、インペラは、軸方向圧縮機ブレード３．１０の全直径で空気を捕獲し、遠心インペラブレード３．１１で排出し、空気を軸方向に駆動するが、遠心方向には駆動しない。それによって、空気の軸方向駆動は、ブレードの危険な揺動なしに遠心力によって強められる。それは、より低い回転速度およびより低いエネルギー消費で、より高い圧縮比へ到達することを可能にする。圧縮インペラ３．２は静インペラ３．３の間で回転し、静インペラ３．３は空気の回転を停止させ、空気流を、最良の空気捕獲のために圧縮インペラ３．２の回転の順次ステップへ導かせる。静インペラ３．３は、圧縮機ハウジング３．４の内部に配置され、圧縮機ハウジング３．４は、外側に長手方向冷却ブレードを有し、２つの部分がボルトで結合される。圧縮機ハウジング３．４は、出力ハウジング５．５へボルトで結合され、反対の端はスタビライザ８．１へ結合される。スタビライザスポーク８．２は、空気の回転を停止させる。スタビライザスポークの間に配置されたバリヤフィルタ８は、最終的に空気をろ過する。スタビライザ８．１の外側にはディフューザシェード３．８が固定され、更にスタビライザ８．１は、基本軸受８．３および軸受８．４を介して圧縮回転子３を圧縮機ハウジング３．４へ結合する。

圧縮機は、フィルタおよび圧縮された空気を出力生成システムへ供給する。圧縮された空気は図４で示される出力ハウジング５．５内の空気流チャネル５．６および出力ボデー４内のチャネル４．１を通り、これらのチャンネルは、燃焼器４．３およびガス流チャネル５．７を全ての側面から覆う。それによって、空気はエンジンの熱い部分を冷却し、排気から熱を取る。雑音を減らすため、ガス流チャネル５．７は消音器として作られ、更に出力ハウジング５．５および出力ボデー４は、断熱材５．８によって外側から覆われる。断熱材５．８は熱を保持して雑音を減らす。熱気は、歯結合５．１４によって出力回転子５へ取り付けられた空気弁５．１へ流れる。この弁５．１は、燃焼器４．３を開閉し、図５に示される吸気チャネル５．２を介して、燃焼器４．３を熱気で満たす。出力ボデー４は、４つの西洋梨構成の燃焼器４．３を含み、燃焼器４．３の最小角は間欠タービン５．１０の回転方向へ向けられている。燃焼器４．３は間欠的に働き、それらの２つが発火している間、他の２つが冷却している。エンジンは、２つまたは３つの燃焼器だけでも機能することができるが、出力の低減または望ましくない揺動を生じる。燃料ノズル４．４および点火プラグ４．５が、出力ボデー４内で孔を介して燃焼器４．３へ取り付けられる。燃料が、ノズル４．４を介して、圧縮された熱気へ散布されたとき、燃焼器４．３の中で燃焼が起こる。低温空気が供給されている間のエンジンのスタートは、点火プラグ４．５の使用を必要とする。点火プラグ４．５は、エンジンがスタートした後でオフにされる。燃焼器４．３における更なる燃焼は、燃料がガス状態で熱気へ散布されたとき確実にされ、空気弁５．１に特別に開けられたチャネルを介して、火炎を移送することによって行われ、そのために、上記チャンネルは、燃焼ガスを有する燃焼器から、散布された燃料を有する燃焼器へ、循環的に開いている。

燃焼器４．３内の燃焼プロセスから生じるガス圧力は出力回転子５を駆動し、出力回転子５は、出力ボデー４と、ボルトで結合された出力ハウジング５．５との間に作られた室の中で回転する。出力回転子５は、出力ハウジング５．５および出力ボデー４へ取り付けられた軸受５．９および４．６の上で回転する。出力回転子５は、半円形ガス流方向に置かれた間欠タービン５．１０、５．３、５．１１のカスケードを含み、最小の熱損失を有する消費ガスのエネルギーが、機械的回転へ変換される。タービンの第１のステップは、図５で示されるように一連の孔５．１０として形成され、孔５．１０は、出力回転子５を横切り、２箇所で切断されたリング内に配置される。２つの切断箇所は、燃焼器４．３を閉鎖するために必要である。前記孔５．１０を通過した後のガス流は、出力ハウジング５．５の上の静インペラ５．１２を通り、次に出力回転子５の円環面構成側でブレード５．３を押す。更に、ガスは、静インペラ５．１３を通り、出力回転子５のエッジ上でブレード５．１１を押す。更に、ガス流は、出力ボデー４内の圧縮された空気を加熱しているチャネル５．７を通って流れ、排気ポート６．５の内部に配置された燃料ヒータ６．２内の燃料を加熱する。燃料ヒータ６．２は、渦巻きまたは他の構成の耐高温および耐化学性パイプから作られる。非常に高圧縮および高温の燃料が、より低圧縮の熱気を有する燃焼器へ散布されたとき、燃料は瞬時に蒸発して、ガスへ変換される。それは燃料と空気との混合を改善し、より良好な燃焼を確実にし、排気中の有害なＣＯおよびＮＯを低減する。更に、排気による空気および燃料の加熱、およびエンジンの熱い表面の断熱によって、熱が保持される。この配列は、エンジンの効率を増進する。

図１および図２で示されるように、出力ボデー４の頂部に配置された燃料ポンプ６は、高い燃料圧縮を生成する。開放された加速弁６．３を介して、燃料供給システム内で最小圧縮を維持することによって、燃料は、燃料ポンプ６の内部を円形に移動する。弁６．３が開くように回されたとき、システム内の圧力は増進する。システム内の圧縮が必要とされるレベルを超過するとき、燃料はノズル４．４を介して燃焼器４．３の中へ散布される。エンジンは、加速弁６．３を回すことによって迅速な加速を達成する。弁６．３はシステム内の圧力を増進して、より多くの燃料を燃焼器４．３の中へ散布する。燃焼器４．３の間欠作業を確実に行うために、２つの燃料ヒータ６．２を介して所定時間に燃料を導くように、燃料ポンプ６の上に燃料分配器６．１が置かれ、その間、他の２つの燃料ヒータは待機している。

適切なエンジン動作を確実にするため、キャップ９によって閉鎖された出力ボデー４の空洞の中に、出力伝動システムが置かれている。スタータ軸１は、ギヤ１．２および２．１を介して、中央軸２を回転させる。中央軸２は、歯結合３．１を介して圧縮回転子３と結合する。それによって、ギヤ１．１を介してスタータ軸１を回転させるスタータは、圧縮回転子３を回転させ、圧縮された空気を出力システムへ供給する。圧力が必要とされるレベルに到達すると、空気は、歯結合によってスタータ軸１を連結ギヤ１．４へ連結する空気結合器１．３を押す。連結ギヤ１．４は、スタータ軸１の上で自由に回転する。連結ギヤ１．４は、歯結合によって出力回転子５の上に取り付けられた燃料ポンプギヤ６．４および連結ギヤ５．４を回転させる。連結ギヤ５．４は駆動軸７を回転させ、駆動軸７はオイルポンプギヤ１０．１を回転させる。

スタータ軸１の１つの端および駆動軸７の１つの端は、軸受を介して出力ボデー４に取り付けられ、別の端はキャップ９に取り付けられる。中央軸２の１つの端は歯結合３．１を介して圧縮回転子３の中に取り付けられ、別の端は軸受２．２を介してキャップ９に取り付けられる。

軸受およびギヤから流れ落ちるオイルを集めるカルテ４．２は、底から空洞を閉鎖する出力ボデー４に取り付けられる。オイルポンプ１０は、キャップ９に取り付けられたオイルパイプ９．１および中央軸２を介してカルテ４．２からオイルを供給し、出力回転子５の上の軸受５．９および４．６を潤滑および冷却する。オイルの圧力は、出力システムの中の空気の圧力に等しく維持される。それは、軸受でシーリングリングを潤滑し、空気が軸受へ侵入すること、またはオイルが空気へ侵入することを防止することができる。圧縮された空気がガスまたは他の流路へ侵入することを減らすため、出力回転子５および空気弁５．１の上にラビリンスパッキンが作られる。更に、１つの側からの空気の圧力は、他の側からの燃焼ガスの圧力とほぼ等しい。

本発明に従った回転式内燃機関の斜視図である。 図１の線Ａに沿った圧縮機の縦断面図である。 図２の線Ｂに沿った圧縮回転子の断面図である。 図１の線Ａに沿ったエンジンの出力および伝動システムの縦断面図である。 図４の線Ｃに沿った出力システムの概略断面図であって、タービンを通るガス流の線を示す図である。

Claims (10)

1. 静止インペラ（５．１２、５．１３）を有する出力ハウジング（５．５）と、内部に４つの西洋梨型の燃焼器（４．３）および空気供給チャネル（４．１）およびガス流チャネル（５．７）が配置された出力ボデー（４）との間で回転するカスケードタービン（５．１０、５．３、５．１１）を有する出力回転子（５）、
   遠心軸方向空気駆動インペラ（３．２）を備えた圧縮回転子（３）、中空インペラ（３．５）、およびバリヤフィルタ（８）を有する多段圧縮機、
   吸気チャネル（５．２）、および歯結合（５．１４）によって前記出力回転子（５）のハブへ取り付けられている火炎移送チャネルを、有する空気弁（５．１）、
   燃料分配器（６．１）を有する燃料ポンプ（６）、
   排気ポート（６．５）の中に置かれた燃料ヒータ（６．２）、
   前記出力回転子（５）の前記ハブの中で自由に回転する中央軸（２）、オイルポンプ回転ギヤ（１０．１）を有する駆動軸（７）、およびギヤ（１．１、１．２）を備えたスタータ軸（１）、空気圧式結合器（１．３）、および自由回転連結ギヤ（１．４）、を有する出力伝動システム、から構成された回転式内燃機関であって、
   前記燃焼器（４．３）は、前記出力回転子（５）および前記空気弁（５．１）を回すことによって周期的に完全に閉鎖されており、
   火炎が、燃焼しているガスを有する燃焼器から、そこに散布された燃料を有する隣接する燃焼器へ移動し、
   前記隣接する燃焼器で、前記散布された燃料が、瞬時にガスへ変わり、
   前記中空インペラ（３．５）は、内側から圧縮回転子（3）を、外側から圧縮機ハウジング（３．４）を冷却することにより、通過する空気をろ過および冷却し、前記駆動軸（７）が、結合ギア（５．４）によって前記出力回転子（５）と連続的に結合されていることを特徴とする回転式内燃機関。
2. 前記空気弁（５．１）が前記燃焼器（４．３）を圧縮空気で充填し、前記燃焼器（４．３）の吸気口を接触することなく閉鎖し、
   前記空気弁（５．１）が、２つの半円形状の軸方向に開かれた吸気チャネル（５．２）を含んだ結合として形成され、吸気チャネル（５．２）の深さは半径方向に開かれた排気口の方向に伸びており、
   タービン（５．１０）が、接触することなく前記燃焼器（４．３）の排気口を閉鎖するために、および圧縮空気で前記燃焼器（４．３）を効率良く充填し、燃料の噴射および燃焼のために必要とされる閉鎖時間を確保するための２箇所が切断されたリング内に位置する一連の穴として前記出力回転子（５）に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の機関。
3. 前記出力回転子（５）に最適の剛性を得るため、前記西洋梨型の燃焼器（４．３）は、放射状の吸気口を有し、上記タービンの回転面へのガス流方向が最小角で半径と直角方向に設定され、および他のタービンは前記出力回転子（５）の上に半円形ガス流方向に配置され、その結果タービン（５．１０）および静止インペラ（５．１２）を通過するガス流はタービン（５．３）を回転し、前記静止インペラ（５．１３）を通過するガス流は前記タービン（５．１１）を回転することを特徴とする請求項１または２に記載の機関。
4. 有効に熱を消費するために、熱は、排気から、および熱い部品の冷却から取り除かれ、燃焼のために供給された圧縮空気へと伝えられ、前記出力ハウジング（５．５）および前記出力ボデー（４）内に位置する空気供給チャネル（５．６）、チャネル（４．１）が形成されその結果、ガス流チャネルおよび前記燃焼器（４．３）は、全ての側面から覆われ、前記出力ハウジング（５．５）および出力ボデー（４）の熱い外部表面が断熱材で覆われていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の機関。
5. より良い熱の消費と前記燃焼器（４．３）での燃焼プロセスの改良のために、前記排気ポート（６．５）に配置された渦巻きまたは別の所定の構造のパイプとして前記燃料ヒータ（６．２）が形成されることを特徴とする、請求項１または４に記載の機関。
6. 前記燃焼器（４．３）の中での連続点火を確保するために、所定の位置で２つの火炎移送チャネルが前記空気弁（５．１）を貫いて開けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載の機関。
7. 空気の乱れを減少させ、ブレードの危険な振動を消去するために、前記遠心軸方向空気駆動インペラ（３．２）は、前記圧縮回転子（３）の上に組み立てられ、曲がった広いブレードを含んでおり、前記ブレードの開始部はラビリンスシールを含むリングによって外部から取り囲まれ、前記ブレードの末端部は、前記末端部で増加する直径を有し、前記隣接ブレード（３．１０）間のチャネル底部は遠心インペラブレード（３．１１）として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の機関。
8. 付加的なデバイスやアクションを使用しないで機関の停止行為を確保するために、前記駆動軸（７）が結合ギヤ（５．４）を介して出力回転子（５）に結合され、前記中央軸は歯結合（３．１）を介して圧縮回転子（３）と結合され、前記出力回転子（５）は空気圧式結合器（１．３）および前記自由回転連結ギヤ（１．４）を介してスタータ軸（１）と結合され、前記スタータ軸（１）が前記スタータ軸ギヤ（１．２）および中央軸ギヤ（２．１）を介して中央軸（２）を回転させることを特徴とする、請求項１、２、３、および７のいずれか1項に記載の機関。
9. 空気圧縮のエネルギー消費を減少し、前記圧縮回転子（３）の内部断熱冷却を確実に行うために、前記中空インペラ（３．５）が前記圧縮回転子（３）の正面端の上に取り付けられ、前記中空インペラ（３．５）上のチャネル（３．９）がクロスパイプ（３．７）の外側チャネルに結合され、反対側の端を有する前記クロスパイプ（３．７）が前記圧縮回転子（３）の内側に形成された空間（３．６）に接続され、前記クロスパイプ（３．７）の中央チャネルの断面積が前記クロスパイプ（３．７）の外側チャネルの断面積の合計よりも小さく、前記中空インペラ（３．５）によって放出された空気で外から前記圧縮機を冷却するために、ディフューザシェード（３．８）がスタビライザ（８．１）に取り付けられていることを特徴とする請求項１または７に記載の機関。
10. 空気の慣性フィルタリングのために、空気を圧縮のために駆動する際にダストのような重い部分を前記ディフューザシェード（３．８）によって外へ排出するように前記中空インペラ（３．５）のブレードがねじられており、空気バリヤフィルタリングのために、前記スタビライザ（８．１）の隣接するスポーク（８．２）間に設置されたバリヤフィルタ（８）を備えていることを特徴とする請求項１または９に記載の機関。