RU2048651C1

RU2048651C1 - Internal combustion engine

Info

Publication number: RU2048651C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Алексеевич Шумков
Original assignee: Юрий Алексеевич Шумков
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1995-11-20

Abstract

FIELD: engine engineering. SUBSTANCE: engine is hybrid engine and consists of new rotor engine and peripheral-admission gas turbines. The combustion chambers of the engine has baffles rotating about axles. EFFECT: enhanced efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к моторостроению и представляет собой мощное энергетическое устройство, которое может быть применено как привод электрического генератора (например, на ГРЭС), как стационарная энергетическая установка для энергоемких устройств, требующих вращения, а также в качестве двигателей судов и другой самой разнообразной подвижной техники. The invention relates to motor industry and is a powerful energy device that can be used as an electric generator drive (for example, at a state district power station), as a stationary power plant for energy-intensive devices requiring rotation, as well as ship engines and other various mobile equipment.

Известна газовая турбина, состоящая из газораспределителя, рабочего колеса, снабженного лопастями, и газовых труб, направленных на лопасти рабочего колеса. Газораспределитель имеет цилиндрический ротор с камерами сгорания в виде выемок на внешней окружности и кольцеобразного статора с выемками изнутри, последовательно предназначенными для закачки рабочей смеси в камеры сгорания, выхлопа горячего газа и продувки. Газовые трубы расположены на статоре и по ходу вращения ротора чередуются сначала направляющая газ, затем отсасывающая газ, то есть служащая для продувки камер сгорания через каналы внутри статора и отверстия в роторе разрежением, создаваемым лопастями рабочего колеса. Газораспределитель и рабочее колесо связаны общим валом. Known gas turbine, consisting of a gas distributor, an impeller equipped with blades, and gas pipes directed to the blades of the impeller. The gas distributor has a cylindrical rotor with combustion chambers in the form of recesses on the outer circumference and an annular stator with recesses from the inside, consecutively intended for pumping the working mixture into the combustion chambers, hot gas exhaust and purging. The gas pipes are located on the stator and, in the direction of rotation of the rotor, the gas is guided first, then suction gas, that is, used to purge the combustion chambers through the channels inside the stator and the holes in the rotor by the vacuum created by the impeller blades. The gas distributor and the impeller are connected by a common shaft.

Ввиду одноразового использования тепловой энергии газа, только на лопастях рабочего колеса, и неиспользования газа как теплоносителя это устройство не позволяет получить высокий коэффициент использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала. Due to the one-time use of gas thermal energy, only on the blades of the impeller, and the non-use of gas as a coolant, this device does not allow to obtain a high coefficient of gas thermal energy use for rotation of the output shaft.

Известны комбинации поршневых двигателей с газовыми турбинами вторичного использования тепловой энергии газа, включенными в газопровод после выпускных клапанов, что несколько повышает экономичность и улучшает показатель удельной массы. Known combinations of reciprocating engines with gas turbines for the secondary use of thermal energy of the gas included in the pipeline after the exhaust valves, which slightly increases efficiency and improves the specific gravity.

К основным недостаткам таких комбинаций относится наличие кривошипно-шатунного механизма, усложняющего конструкцию, недостаточно высокий коэффициент использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала из-за значительных потерь тепла в цилиндрах, а также потерь энергии на преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное выходного вала и неиспользование газа как теплоносителя. The main disadvantages of such combinations include the presence of a crank mechanism, which complicates the design, insufficiently high coefficient of gas heat energy use for rotation of the output shaft due to significant heat losses in the cylinders, as well as energy losses for converting the reciprocating motion of the pistons into a rotational output shaft and non-use of gas as a coolant.

Задачей, решаемой изобретением, является создание высокоэкономичного комбинированного двигателя (мощного и простого конструкционно), в котором даже тепло отработавшего внутри двигателя газа используется на вращение выходного вала. The problem solved by the invention is the creation of a highly efficient combined engine (powerful and simple structurally), in which even the heat of the exhaust gas inside the engine is used to rotate the output shaft.

Технический результат при реализации изобретения выразится в увеличении экономичности (по сравнению с известными комбинированными двигателями) за счет высокого коэффициента использования тепловой энергии газа на вращение выходного вала, в улучшении показателя удельной массы ввиду более полезного использования внутреннего объема конструкции и в упрощении последней. The technical result in the implementation of the invention will be expressed in an increase in efficiency (compared with the known combined engines) due to the high coefficient of utilization of thermal energy of gas for rotation of the output shaft, in the improvement of the specific gravity due to the more useful use of the internal volume of the structure and in simplification of the latter.

Однако технический результат применения изобретения не однозначен. Например, высокая экономичность двигателя, сравнимая с котлотурбоагрегатом, работающим на газе, позволяет применить его вместо последнего, а это уменьшает металлоемкость объекта в десятки раз, уменьшает стоимость объекта в несколько раз, уменьшает в несколько раз занимаемую площадь и объем, упрощает объект и удешевляет эксплуатацию. However, the technical result of the application of the invention is not unambiguous. For example, the high efficiency of the engine, comparable with a gas turbine boiler, allows you to use it instead of the latter, and this reduces the metal consumption of the object by tens of times, reduces the cost of the object by several times, reduces the occupied space and volume by several times, simplifies the object and reduces the cost of operation .

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой комбинацию роторного двигателя нового типа и центростремительных газовых турбин. При этом газовые турбины встроены в кольцеобразный статор роторного двигателя и вместе образуют головку комбинированного двигателя. Выходные валы турбин и роторного двигателя связаны отдельным от головки редуктором. Статор головки по ходу вращения ротора имеет отверстия для наполнения рабочей смесью камер сгорания, углубления для электрических свеч зажигания и расширительных камер. An internal combustion engine is a combination of a new type of rotary engine and centripetal gas turbines. In this case, gas turbines are built into the annular stator of the rotary engine and together form the head of the combined engine. The output shafts of the turbines and rotary engine are connected by a gearbox separate from the head. The stator of the head along the rotor rotation has openings for filling the combustion chamber with a working mixture, recesses for electric spark plugs and expansion chambers.

В отличие от известных устройств в выемки камер сгорания, расположенные на внешней окружности цилиндрического ротора, встроены поворачивающиеся на осях перегородки, имеющие разные площади передних частей и хвостовиков, чтобы перегородки поворачивались давлением газа изнутри. Перегородки поворачиваются при входе в расширительные камеры и, плотно прилегая к стенкам, перегораживают их, образуя полости расширения, что напоминает работу поршня во время рабочего хода. Открытие и закрытие перегородок ограничиваются выступами внутри камер сгорания, причем выступы в камерах сгорания и выемки на хвостовиках перегородок при схождении образуют замкнутые объемы газа, сжатием которых исключается стучание. Профилированные скосы в концах расширительных камер возвращают перегородки в исходное положение и тем самым открывают входы центростремительных газовых турбин, встроенных в статор. In contrast to the known devices, in the recesses of the combustion chambers located on the outer circumference of the cylindrical rotor, partitions rotating on the axes having different areas of the front parts and shanks are integrated so that the partitions are rotated by internal gas pressure. The partitions are rotated at the entrance to the expansion chambers and, fitting snugly against the walls, block them, forming expansion cavities, which resembles the operation of the piston during the stroke. The opening and closing of the partitions is limited by protrusions inside the combustion chambers, and the protrusions in the combustion chambers and the recesses on the shanks of the partitions, when converging, form closed volumes of gas, the compression of which prevents knocking. Profiled bevels at the ends of the expansion chambers return the partitions to their original position and thereby open the inlets of the centripetal gas turbines built into the stator.

Поскольку с расширением газа и значительными потерями его тепла на стенках энергия газа быстро падает и через короткий промежуток времени его использование на вращение выходного вала становится малоэффективным, то охлаждение роторного двигателя производится изнутри впрыскиванием в расширительные камеры конденсата воды, выделенного в теплообменнике при нагреве топливного газа и воздуха из отходящих газов, форсунками, которые приводятся в действие давлением газа в расширительных камерах и корректируются по температуре головки двигателя. Таким образом тепло, получаемое при охлаждении двигателя, и часть тепла отходящих газов работают на вращение выходного вала, увеличивая массу рабочего тепла за счет паров конденсата перед турбинами. Остатки тепла отходящих газов могут быть использованы на турбине низкого давления, связанной с выходным валом. Головка двигателя теплоизолирована. Since with the expansion of the gas and significant losses of its heat on the walls, the energy of the gas rapidly decreases and after a short period of time its use to rotate the output shaft becomes ineffective, the cooling of the rotary engine is performed from the inside by injecting the condensate of water released in the heat exchanger during heating of the fuel gas and air from exhaust gases, nozzles, which are driven by gas pressure in the expansion chambers and are adjusted for the temperature of the engine head ator. Thus, the heat obtained by cooling the engine, and part of the heat of the exhaust gases work to rotate the output shaft, increasing the mass of working heat due to condensate vapor in front of the turbines. Residual heat from the exhaust gas can be used on a low pressure turbine connected to the output shaft. The engine head is thermally insulated.

Конструкционное совпадение составляющих комбинацию устройств и отсутствие поршней, цилиндров, кривошипно-шатунного механизма и других предметов поршневого двигателя позволяют сделать относительно простую конструкцию с хорошим показателем удельной мощности. The structural coincidence of the components that make up the combination and the absence of pistons, cylinders, a crank mechanism and other piston engine objects make it possible to make a relatively simple design with a good specific power index.

Топливом двигателя могут служить как сжиженный газ, так и (с постановкой карбюратора) бензины без присадок, так как детонационные свойства горючих для двигателя не имеют значения. Эта особенность двигателя повышает его экономичность и обеспеченность дешевым топливом. The engine fuel can be either liquefied gas or (with carburetor setting) gasoline without additives, since the detonation properties of fuels for the engine do not matter. This feature of the engine increases its efficiency and the availability of cheap fuel.

На фиг.1 изображена компановка двигателя, вид сбоку; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1. Figure 1 shows the layout of the engine, side view; figure 2 section aa in figure 1.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из трех конструкционно связанных функциональных узлов: головки 1 двигателя, редуктора 2 и теплообменника 3. An internal combustion engine consists of three structurally connected functional units: engine head 1, gearbox 2 and heat exchanger 3.

Головка двигателя содержит кольцеобразный статор 4, цилиндрический ротор 5 с камерами сгорания 6. Камеры сгорания частично плотно закрыты поворачивающимися на осях 7 перегородками 8, передние части которых не доходят до стенок камер сгорания, оставляя щель 9 для закачки горючей смеси и для запала ее электросвечами. Кроме того, хвостовики перегородок имеют две поперечные выемки 10, а камеры сгорания выступы 11. Перегородки открываются в расширительные камеры 12. Статор 4 имеет углубления 13 для запальных свеч и отверстия смесительных камер 14, которые открыты внутрь. Имеются трубочки подвода газа 15 и трубы подвода воздуха 16 в смесительные камеры. Углубления 17 для впрыскивающих конденсат форсунок и отверстия 18 для управления форсунками находятся на стенках расширительных камер. В конце расширительных камер профилированные скосы 19 служат для закрытия перегородок, чтобы открыть входы в турбины 20. Головку двигателя закрывают крышки 21. Воздушный компрессор 22 и другие устройства, требующие вращения, находятся на корпусе редуктора 2 и связаны с ним. The engine head contains an annular stator 4, a cylindrical rotor 5 with combustion chambers 6. The combustion chambers are partially tightly closed by baffles 8 that rotate on the axes 7, the front parts of which do not reach the walls of the combustion chambers, leaving a gap 9 for injecting the combustible mixture and for fusing it with electric lights. In addition, the shanks of the partitions have two transverse recesses 10 and the combustion chambers 11. The partitions open into the expansion chambers 12. The stator 4 has recesses 13 for the glow plugs and openings of the mixing chambers 14, which are open inward. There are gas supply tubes 15 and air supply pipes 16 to the mixing chambers. The recesses 17 for condensate injectors and the nozzle control holes 18 are located on the walls of the expansion chambers. At the end of the expansion chambers, the profiled bevels 19 serve to close the partitions to open the entrances to the turbines 20. The engine head is closed by the covers 21. The air compressor 22 and other devices requiring rotation are located on the gearbox housing 2 and are connected with it.

Запуск двигателя осуществляется вращением выходного вала пусковым устройством любого типа. Воздушный компрессор 22, связанный с валом редуктором 2, снабженный регулируемым шунтом вход-выход, при вращении нагнетает воздух в смесительные камеры 14. Трубы 16 подвода воздуха и встроенные в них трубочки 15 подвода топливного газа образуют смесители с заданными площадями сечений выходных отверстий, а состав смеси задается автоматическому регулятору соотношения расходов воздух газ. Смесительные камеры 14 открыты внутрь и при вращении ротора 5 рабочая смесь из них через щели 9 между стенками камер сгорания 6 и перегородками 8 закачивается в камеры сгорания. При дальнейшем перемещении ротора щели достигают углублений 13, в которые установлены электрические свечи зажигания, которые, одновременно срабатывая, зажигают рабочую смесь, транспортируемую камерами сгорания. Дойдя до кромок расширительных камер 12, перегородки камер сгорания открываются и перегораживают расширительные камеры, образуя расширяющиеся под действием давления газа объемы. Усилия, создаваемые давлением газа на перегородки, передаются валу ротора, выходному валу и через редуктор дискам газовых турбин, служащих в данном случае накопителями энергии (маховиками). В конце расширительных камер перегородки возвращаются в исходное положение профилированными скосами 19, открывая входы турбин 20. Выступы 11 в камерах сгорания и выемки 10 на хвостовиках перегородок служат для ограничения хода перегородок и устранения стучания, так как при схождении они образуют замкнутые объемы газа. После истечения газа из расширительных камер турбины, продолжая вращаться, создают за собой разрежение, подготавливая камеры сгорания для наполнения горючей смесью. После турбин газ поступает в теплообменник, где подогревает топливный газ и воздух, а выделенный при этом конденсат используется в двигателе для охлаждения головки впрыскиванием конденсата форсунками, установленными в углубления 17, управляемыми давлением внутри расширительных камер через отверстия 18. Количество впрыскиваемого конденсата регулируется по температуре корпуса головки двигателя специальными регуляторами. The engine is started by rotating the output shaft with any type of starting device. The air compressor 22, connected to the shaft by a reducer 2, equipped with an adjustable input-output shunt, during rotation pumps air into the mixing chambers 14. The air supply pipes 16 and the fuel gas supply pipes 15 built into them form mixers with predetermined exit cross-sectional areas, and the composition the mixture is set to the automatic regulator of the ratio of air-gas flow rates. The mixing chambers 14 are open inward and during rotation of the rotor 5, the working mixture of them through the slots 9 between the walls of the combustion chambers 6 and the partitions 8 is pumped into the combustion chambers. With further movement of the rotor, the slots reach the recesses 13, into which electric spark plugs are installed, which, while triggering, ignite the working mixture transported by the combustion chambers. Having reached the edges of the expansion chambers 12, the partitions of the combustion chambers open and block the expansion chambers, forming volumes expanding under the influence of gas pressure. The forces created by the gas pressure on the baffles are transferred to the rotor shaft, the output shaft and through the gearbox to the gas turbine disks, which in this case serve as energy storage devices (flywheels). At the end of the expansion chambers, the partitions return to their original position with profiled bevels 19, opening the turbine inlets 20. The protrusions 11 in the combustion chambers and recesses 10 on the shanks of the partitions serve to limit the movement of the partitions and eliminate knocking, since they form closed volumes of gas when converging. After the outflow of gas from the expansion chambers of the turbine, while continuing to rotate, they create a vacuum behind them, preparing the combustion chambers for filling with a combustible mixture. After the turbines, gas enters the heat exchanger, where it heats the fuel gas and air, and the condensate generated in this case is used in the engine to cool the head by injecting condensate with nozzles installed in recesses 17, controlled by pressure inside the expansion chambers through openings 18. The amount of condensate injected is regulated by the temperature of the housing engine heads with special regulators.

Уплотнителем в головке двигателя служит давление газа внутри ее корпуса, для чего на щечках ротора должны быть кольцевые выемки. Применимы и другие виды уплотнения. The sealant in the engine head is the gas pressure inside its body, for which there must be annular recesses on the rotor cheeks. Other types of seals are applicable.

Смазкой двигателя может служить порошок графита. Graphite powder can serve as engine lubricant.

Claims

INTERNAL COMBUSTION ENGINE, containing an annular stator with holes for injecting the combustible mixture, spark plugs with recesses in the stator below them, expansion chambers, a cylindrical rotor with combustion chambers in the form of recesses on the outer circumference and gas turbines, characterized in that it is equipped with built-in stator turbines with water nozzles for injecting water into the expansion chambers, the combustion chamber is made with partitions opening into the expansion chambers, while the expansion chambers are made ud İnönü and in the end communicated with the turbines.