RU2198309C2

RU2198309C2 - Turboengine plant

Info

Publication number: RU2198309C2
Application number: RU2000110040/06A
Authority: RU
Inventors: ев К.Н. Шир; К.Н. Ширяев; ев Н.И. Шир; Н.И. Ширяев; ев Ю.Н. Шир; Ю.Н. Ширяев
Original assignee: Ширяев Юрий Николаевич
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2003-02-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: turboengine plant comprises air generator made in form of single- shaft turbocompressor unit, regenerator, combustion chamber, starting engine of turbocompressor unit and internal combustion engine. Intake valve of engine are connected with turbine outlet by delivery pipeline, and outlet valves are connected by pipeline with inlet of gas regenerator located in compressed air pipeline between compressor and air heater. Engine cylinder block comprises three cylinders mounted on one crankshaft. Diameter of middle cylinder exceeds that of extreme cylinders and direction of movement of extreme pistons is opposite to direction of movement of middle piston over which cylinder head is provided with outlet valve and two ports with channels connecting inner space of middle cylinder with bypass valves of two extreme cylinders. EFFECT: increased engine efficiency and enlarged operating capabilities. 5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в транспортных средствах: летательных аппаратах, локомотивах, на судах, стационарных установках, автомобилях и тракторах. The invention relates to mechanical engineering and can be used in vehicles: aircraft, locomotives, ships, stationary installations, cars and tractors.

Известны методы повышения мощностных и экономических показателей двигателей с применением наддува, см. книгу /1/ Двигатели армейских машин, ч. 1. Под редакцией П.М. Белова. М.: Воен. издат Мин. обороны СССР, 1971, с. 396, рис. XIII. 4 (принципиальные схемы систем наддува: механической, газотурбинной и комбинированной). Механическая система наддува включает привод с механической передачей от коленчатого вала к центробежному нагнетателю, в газотурбинной - центробежный нагнетатель жестко закреплен на одном валу с газовой турбиной. В комбинированной системе наддува включены два нагнетателя, один с механическим приводом, а другой с газотурбинным приводом. В настоящее время нашло применение газотурбинного наддува в турбодизелях с установкой четырех клапанов в каждом цилиндре. Known methods for increasing the power and economic indicators of engines using boost, see book / 1 / Engines of army vehicles, part 1. Edited by P.M. Belova. M .: Military. published by Min. USSR defense, 1971, p. 396, fig. Xiii. 4 (schematic diagrams of pressurization systems: mechanical, gas turbine and combined). A mechanical pressurization system includes a drive with a mechanical transmission from the crankshaft to a centrifugal supercharger, in a gas turbine - a centrifugal supercharger is rigidly fixed to one shaft with a gas turbine. The combined pressurization system includes two superchargers, one with a mechanical drive and the other with a gas turbine drive. Currently found the use of gas turbine boost in turbodiesels with the installation of four valves in each cylinder.

Недостатком этих систем наддува является низкий коэффициент использования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в турбине турбокомпрессорного блока вследствие малого коэффициента понижения давления, в результате чего за турбиной сохраняется высокая температура выхлопных газов. The disadvantage of these pressurization systems is the low energy efficiency of the exhaust gases of the internal combustion engine in the turbine of the turbocompressor unit due to the low pressure reduction coefficient, as a result of which the exhaust gas temperature remains high.

Известна принципиальная схема газотурбинной установки /ГТУ/, см. книгу /2/ Сборник задач по технической термодинамике. О.М. Рабинович, четвертое изд. М.: Машиностроение, 1989, с. 165, рис. 60, работающая с подводом тепла при P=Const и с полной регенерацией тепла. A well-known schematic diagram of a gas turbine installation / gas turbine / see book / 2 / Collection of tasks on technical thermodynamics. O.M. Rabinovich, fourth ed. M.: Engineering, 1989, p. 165, fig. 60, operating with heat supply at P = Const and with complete heat recovery.

Недостатком этой ГТУ является ограниченная возможность повышения температуры газовой смеси перед турбиной. В результате этого получается заниженный термический коэффициент полезного действия /кпд/, что является большим недостатком в транспортных средствах передвижения. The disadvantage of this gas turbine is the limited ability to increase the temperature of the gas mixture in front of the turbine. The result is an underestimated thermal efficiency / efficiency /, which is a big disadvantage in vehicles.

Наиболее близким аналогом к изобретению по совокупности существенных признаков является первый /1/ - повышение мощностных и экономических показателей двигателей с применением наддува. The closest analogue to the invention in terms of essential features is the first / 1 / - increase in power and economic performance of engines using boost.

Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания и расширение его функциональных возможностей при выполнении турбокомпрессорного блока с двигателем внутреннего сгорания. The aim of the invention is to increase the efficiency of an internal combustion engine and expand its functionality when performing a turbocompressor unit with an internal combustion engine.

Эта цель достигается тем, что за счет эффективного теплоиспользования выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в регенераторе, в воздухогенераторе получают сжатый воздух с повышенной температурой, являющийся рабочим телом для двигателя без внешнего подвода тепла или с очень малым расходом топлива. В двигателе получают повышенную удельную полезную работу за счет разности работ: уменьшения при сжатии, так как рабочее тело получило предварительное сжатие в воздухогенераторе, и увеличения при расширении газа. This goal is achieved by the fact that due to the efficient heat use of the exhaust gases of the internal combustion engine in the regenerator, compressed air with an increased temperature is obtained in the air generator, which is the working fluid for the engine without external heat supply or with very low fuel consumption. The engine receives an increased specific useful work due to the difference in work: reduction in compression, since the working fluid received preliminary compression in the air generator, and increase in expansion of the gas.

Сущность изобретения состоит в следующем. The invention consists in the following.

Турбодвигательная установка содержит воздухогенератор, выполненный в виде одновального турбокомпрессорного блока, регенератор, камеру сгорания, пусковой двигатель турбокомпрессорного блока и двигатель внутреннего сгорания, причем впускные клапаны двигателя соединены нагнетательным трубопроводом с выходом турбины, а выпускные клапаны соединены трубопроводом со входом газа регенератора, расположенного в трубопроводе сжатого воздуха между компрессором и подогревателем воздуха. Блок цилиндров двигателя содержит три цилиндра, расположенные на одном коленчатом валу, диаметр среднего цилиндра больше диаметра крайних цилиндров, направление движения крайних поршней противоположно направлению движения среднего поршня, над которым головка цилиндров содержит выпускной клапан и два окна с каналами, соединяющими внутреннюю полость среднего цилиндра с перепускными клапанами двух крайних цилиндров. Установка снабжена редуктором и мультипликатором, соединенными между собой гидромуфтой. В одном из вариантов установка снабжена также двухтактным двигателем, каждый цилиндр которого содержит в головке цилиндров впускной клапан, спрямляющую или форсуночную проставку, расположенную между впускным клапаном и верхним торцем цилиндра, выпускные окна, расположенные на расстоянии от верхнего торца цилиндра, обеспечивающем заполнение объема рабочим телом на один цикл, круговой канал по наружной стенке цилиндра, соединяющий выпускные окна с выпускным клапаном. В другом варианте она снабжена двухтактным двигателем, каждый цилиндр которого содержит в головке цилиндров впускной и выпускной клапаны, причем под впускным клапаном в головке цилиндров выполнен кольцевой канал, коаксиально расположенный к образующей цилиндра, и продувочно-распределительную проставку с отверстиями под кольцевым каналом, расположеную между впускным клапаном и верхним торцом цилиндра. The turbine engine installation includes an air generator made in the form of a single-shaft turbocompressor unit, a regenerator, a combustion chamber, a starting engine of the turbocompressor unit and an internal combustion engine, wherein the engine inlet valves are connected by a discharge pipe to the turbine outlet, and the exhaust valves are connected by a pipeline to the gas inlet of the regenerator located in the pipeline compressed air between the compressor and the air heater. The engine cylinder block contains three cylinders located on one crankshaft, the diameter of the middle cylinder is greater than the diameter of the extreme cylinders, the direction of movement of the extreme pistons is opposite to the direction of movement of the middle piston, above which the cylinder head contains an exhaust valve and two windows with channels connecting the inner cavity of the middle cylinder with bypass valves of two extreme cylinders. The unit is equipped with a gearbox and a multiplier, interconnected by a fluid coupling. In one embodiment, the installation is also equipped with a two-stroke engine, each cylinder of which contains an inlet valve in the cylinder head, a straightening or nozzle spacer located between the inlet valve and the upper end of the cylinder, outlet windows located at a distance from the upper end of the cylinder, which ensures filling of the volume with a working fluid for one cycle, a circular channel along the outer wall of the cylinder connecting the outlet windows with the exhaust valve. In another embodiment, it is equipped with a two-stroke engine, each cylinder of which contains inlet and outlet valves in the cylinder head, and under the intake valve in the cylinder head an annular channel is made coaxially located to the cylinder generatrix, and a purge-and-distributor spacer with holes under the annular channel located between the inlet valve and the upper end of the cylinder.

Сущность изобретения поясняется схемой установки и чертежами, на которых показано:
На фиг. 1 - схема газотурбинной двигательной установки и разрез блока цилиндров;
На фиг. 2 - разрез двухтактного цилиндра двигателя с боковым расположением выпускного клапана и системой прямоточной продувки цилиндра;
На фиг. 3 - разрез двухтактного цилиндра двигателя с верхним расположением клапанов и фонтанной системой продувки.The invention is illustrated by the installation diagram and drawings, which show:
In FIG. 1 is a diagram of a gas turbine propulsion system and a section of a cylinder block;
In FIG. 2 is a sectional view of a two-stroke engine cylinder with a lateral arrangement of an exhaust valve and a direct-flow purge system of the cylinder;
In FIG. 3 is a cross-sectional view of a two-stroke engine cylinder with an upper valve arrangement and a fountain purge system.

Газотурбинная двигательная установка содержит газогенератор 1 /см. фиг. 1/ и двигатель внутреннего сгорания 2. Газогенератор содержит компрессор давления 3, турбину 4, жестко закрепленные на валу 5, выполненные в виде одновального турбокомпрессорного блока, пусковой двигатель 6, агрегатный блок 7, редуктор 8, регенератор 9, подогреватель 10 с камерой сгорания 11, запорно-регулирующий орган топлива 12, топливный трубопровод 13, воздушный фильтр 14 с воздухозаборным трубопроводом 15, запорно-регулирующий орган 16 с трубопроводом 17, трубопровод 18, датчики давления 19, температуры 20, оборотов 21 и нагнетательный трубопровод 22. Нагнетательный трубопровод содержит демпферное устройство 23, трубопровод 24, редукционный клапан 25, запорно-регулирующий орган 26, ресивер 27. Двигатель внутреннего сгорания 2 содержит блок цилиндров 28, состоящий из трех цилиндров, головки цилиндров 29 с впускными 30, перепускными 31 и выпускными 32 клапанами, форсунки или насос-форсунки 33 /показана на левом цилиндре/, свечи зажигания 34 /показана на правом цилиндре/ и два канала 35, кривошипно-шатунный механизм 36, коленчатый вал 37, мультипликатор 38, пусковую турбину или двигатель 39, гидромуфту 40 и передачу 41 к потребителю механической энергии. Кроме вышеописанного двигателя внутреннего сгорания 2, другие двигатели внутреннего сгорания могут быть выполнены двухтактными, с воспламенением рабочей смеси от сжатия /дизели/ и с принудительным воспламенением /с искровым зажиганием/ с подачей топлива внутрь цилиндров с прямоточной системой продувки /см. фиг.2/ и фонтанной /см. фиг.3/. Цилиндр 42 /см. фиг.2/ содержит выпускные окна 43, выпускной клапан 32, расположенный на боковой поверхности цилиндра, головку цилиндров 44, впускной клапан 30, спрямляющую или форсуночную проставку 45, поршневую группу 46 и кривошипно-шатунный механизм 47. Головка цилиндров 44 содержит форсунку или насос-форсунку 33 и свечу зажигания 34. Впускной клапан 30 нагнетательным трубопроводом 22 соединен с выходом турбины 4 /см. фиг.1/, а выпускной клапан 32 /см. фиг.2/ трубопроводом 18 соединен с входом регенератора 9 /см. фиг.1/. Цилиндр 48 /см. фиг.3/ содержит головку цилиндров 49, впускной клапан 30, выпускной клапан 32, расположенный на оси цилиндра, продувочно-распределительную проставку 50 с коаксиально расположенными отверстиями образующей цилиндра, поршневую группу 46 и кривошипно-шатунный механизм 47. Головка цилиндров 49 содержит форсунку или насос-форсунку 33 и свечу зажигания 34. Впускной клапан 30 нагнетательным трубопроводом 22 соединен с вы- ходом турбины 4 /см. фиг.1/, а выпускной клапан 32 /см. фиг.3/ трубопроводом 18 соединен с входом газа в регенератор 9 /см. фиг.1/ и далее с атмосферой. Трубопроводы 18 и 22 покрыты высокотемпературной изоляцией 51. A gas turbine propulsion system comprises a gas generator 1 / cm. FIG. 1 / and the internal combustion engine 2. The gas generator comprises a pressure compressor 3, a turbine 4, rigidly mounted on the shaft 5, made in the form of a single-shaft turbocompressor unit, a starting engine 6, an aggregate block 7, a gearbox 8, a regenerator 9, a heater 10 with a combustion chamber 11 , locking and regulating body of fuel 12, fuel pipe 13, air filter 14 with air intake pipe 15, locking and regulating body 16 with pipe 17, pipe 18, pressure sensors 19, temperature 20, speed 21 and discharge pipe 22. N the pressure pipe comprises a damper device 23, a pipe 24, a pressure reducing valve 25, a shut-off regulating member 26, a receiver 27. The internal combustion engine 2 comprises a cylinder block 28, consisting of three cylinders, a cylinder head 29 with inlet 30, bypass 31 and exhaust 32 valves , nozzles or pump nozzles 33 / shown on the left cylinder /, spark plugs 34 / shown on the right cylinder / and two channels 35, crank mechanism 36, crankshaft 37, multiplier 38, starting turbine or engine 39, fluid coupling 40 and re Achu 41 to a consumer of mechanical energy. In addition to the above internal combustion engine 2, other internal combustion engines can be push-pull, with ignition of the working mixture from compression / diesel engines and with forced ignition / with spark ignition / with the fuel supply inside the cylinders with a straight-through purge system / cm. figure 2 / and the fountain / see figure 3 /. Cylinder 42 / cm. figure 2 / contains the outlet window 43, the exhaust valve 32 located on the side surface of the cylinder, the cylinder head 44, the intake valve 30, the straightening or nozzle spacer 45, the piston group 46 and the crank mechanism 47. The cylinder head 44 contains a nozzle or pump the nozzle 33 and the spark plug 34. The inlet valve 30 of the discharge pipe 22 is connected to the output of the turbine 4 / cm. figure 1 /, and the exhaust valve 32 / see figure 2 / pipe 18 is connected to the input of the regenerator 9 / see figure 1 /. Cylinder 48 / cm. figure 3 / contains a cylinder head 49, an intake valve 30, an exhaust valve 32 located on the axis of the cylinder, a purge and distribution spacer 50 with coaxially spaced holes forming a cylinder, a piston group 46 and a crank mechanism 47. The cylinder head 49 contains a nozzle or the nozzle pump 33 and the spark plug 34. The inlet valve 30 of the discharge pipe 22 is connected to the outlet of the turbine 4 / cm. figure 1 /, and the exhaust valve 32 / see figure 3 / pipe 18 is connected to the gas inlet to the regenerator 9 / see figure 1 / and further with the atmosphere. Pipelines 18 and 22 are coated with high temperature insulation 51.

Работа турбодвигательной установки в компоновке воздухогенератора 1 /см. фиг. 1/ с блоком цилиндров 28, состоящей из трех цилиндров, происходит следующим образом. Перед запуском турбокомпрессорного блока 3, 4 запорно-регулирующий орган топлива 12 закрыт, запорно-регулирующий орган 16 открыт. При раскрутке турбокомпрессорного блока пусковым двигателем 6 до определенного числа оборотов запорно-регулирующий орган топлива 12 открывается, и топливо подается в форсунки камеры сгорания 11, подается электрический ток на свечу зажигания и происходит горение топлива с большим коэффициентом избытка воздуха >3,5. Подогретый воздух в подогревателе 10, предварительно сжатый в компрессоре 3, поступает в турбину 4, где, расширяясь, отдает часть энергии, которая идет на дальнейшею раскрутку турбокомпрессорного блока. После турбины воздух по трубопроводу 17 поступает в регенератор 9, в котором отдает часть тепловой энергии сжатому воздуху, идущему от компрессора давления 3 к подогревателю 10, и охлажденный поступает в атмосферу. Таким образом, происходит автономная работа турбокомпрессорного блока. Регулируя подачу топлива запорно-регулирующим органом 12 по оборотам датчика 21, температуре 20 и давлению 19, выходят на режим запуска двигателя 2. При запуске двигателя 2 открывается запорно-регулирующий орган 26 и сжатым воздухом после турбины 4 пусковой турбиной 39 производят запуск двигателя 2. В процессе запуска двигателя 2 запорно-регулирующий орган 16 может постепенно перекрываться, уменьшая расход воздуха по трубопроводу 17, а при начале работы двигателя 2 закрываются запорно-регулирующие органы 16 и 26. Запуск двигателя 2 может производиться турбокомпрессорным блоком 3, 4 через гидромуфту 40. Асинхронная работа двигателя и турбокомпрессорного блока позволяет резко менять обороты двигателя 2 при их компоновке с гидромуфтой, которая плавно включается в работу, имеет простое дистанционное или автоматическое управление. Так как число оборотов турбокомпрессорного блока на порядок выше оборотов двигателя внутреннего сгорания, то при механической связи между двигателем и гидромуфтой установлен мультипликатор 38, а между турбокомпрессором и гидромуфтой установлен редуктор 8, обеспечивающие нормальную работу гидромуфты при разности оборотов насосного и турбинного колес в пределах 1,5...3%. В воздухогенераторе введена регенерация, т. е. нагрев сжатого в компрессоре воздуха за счет тепла выхлопных газов двигателя, например, до 1100К, в результате чего турбина работает по циклу с предельной регенерацией. В турбокомпрессорном блоке за счет разных степеней повышения давления в компрессоре и расширения в турбине на выходе из турбины получают сжатый воздух с параметрами состояния Р= 2,2 бар и Т=707К, которые являются входными параметрами рабочего тела в двигатель внутреннего сгорания. В двигателе, состоящем из блока трех цилиндров, первый и третий /крайние/ цилиндры работают по четырехтактному циклу, начало цикла смещено на 360^o, а средний цилиндр - двухтактный. Процесс расширения газа в крайних цилиндрах происходит не полностью, и когда поршень находится в нижней мертвой точке /НМТ/, открывается перепускной клапан этого цилиндра, и газ поддавлением поступает по каналу 35 в средний цилиндр, поршень которого находится в верхней мертвой точке /ВМТ/. Диаметр среднего цилиндра больше в 1,6...1,8 раза диаметра крайнего цилиндра. По закону сообщающихся сосудов давление газа в обеих цилиндрах выравнивается. Давление газа на большую площадь среднего поршня создает большую силу, чем давление газа на крайний поршень, и средний поршень перемещается вниз, поршень крайнего цилиндра перемещается вверх, выдавливая газ в средний цилиндр, объем которого позволяет газу расширяться и производить работу. Параметры конца расширения газа, например, по давлению Р=1,5 бар абсолютных и температура Т=1200К. Процессы заполнения рабочим телом, сжатия и сгорания происходят в крайних цилиндрах поочередно. Например, при входном давлении в цилиндре 2,2 бара и степени повышения давления λ=6, давление сжатия в цилиндре получают 2,2•6=13,2 бар. При сгорании топлива давление в цилиндре повышается до 31. . .35 бар. В процессе расширения газа в двух цилиндрах степень понижения давления будет λ=(31-35):1,5=20,4-23,3, что является получением повышенного кпд установки. Для согласованной работы турбокомпрессорного блока и двигателя внутреннего сгорания расход воздуха должен быть одинаковый. При расчете компрессоров и турбин принято брать расход воздуха G=1 кг/с, а двигателя - литровый объем цилиндров, число цилиндров, такт цилиндров, число оборотов коленчатого вала в минуту. Отсюда определяется весовой расход рабочего тела за один цикл одного цилиндра и время одного цикла

где t - время одного цикла в секундах;
Z - коэффициент тактности /для четырехтактных двигателей Z=2, для двухтактных Z=1, для блока из данного примера Z=1/;
n - число оборотов коленчатого вала в минуту.The operation of the turbo engine in the layout of the air generator 1 / cm. FIG. 1 / with a cylinder block 28, consisting of three cylinders, occurs as follows. Before starting the turbocompressor unit 3, 4, the shutoff and regulating body of the fuel 12 is closed, the shutoff and regulating body 16 is open. When the turbocharger block is launched by the starting engine 6 to a certain number of revolutions, the fuel shutoff-regulating element 12 is opened, and the fuel is supplied to the nozzles of the combustion chamber 11, electric current is supplied to the spark plug and fuel is burned with a large excess air coefficient> 3.5. The heated air in the heater 10, previously compressed in the compressor 3, enters the turbine 4, where, expanding, it gives off part of the energy that goes to the further unwinding of the turbocompressor unit. After the turbine, the air through a pipe 17 enters the regenerator 9, in which it transfers part of the thermal energy to the compressed air coming from the pressure compressor 3 to the heater 10, and the cooled enters the atmosphere. Thus, autonomous operation of the turbocompressor unit occurs. By adjusting the fuel supply by the locking and regulating body 12 according to the speed of the sensor 21, temperature 20 and pressure 19, they enter the start mode of engine 2. When the engine 2 is started, the locking and regulating body 26 is opened and compressed air after the turbine 4 by the starting turbine 39 starts the engine 2. In the process of starting the engine 2, the locking and regulating body 16 may gradually overlap, decreasing the air flow through the pipeline 17, and when the engine 2 starts operating, the locking and regulating bodies 16 and 26 are closed. The engine 2 can be started turbo compressed unit 3, 4 via the fluid coupling 40. Asynchronous operation of the engine and a turbo unit can dramatically change the engine speed to 2, with their arrangement with hydraulic clutch which smoothly comes into operation, has a simple remote or automatic control. Since the speed of the turbocompressor unit is an order of magnitude higher than the speed of the internal combustion engine, a multiplier 38 is installed between the engine and the hydraulic coupling, and a gearbox 8 is installed between the turbocharger and the hydraulic coupling, which ensure the normal operation of the hydraulic coupling with a difference in the speed of the pump and turbine wheels within 1, 5 ... 3%. Regeneration is introduced in the air generator, i.e., heating of compressed air in the compressor due to the heat of the exhaust gases of the engine, for example, to 1100K, as a result of which the turbine works in a cycle with maximum regeneration. In the turbocompressor unit, due to different degrees of increase in pressure in the compressor and expansion in the turbine at the turbine outlet, compressed air with state parameters P = 2.2 bar and T = 707K, which are the input parameters of the working fluid into the internal combustion engine, is obtained. In the engine, consisting of a block of three cylinders, the first and third / extreme / cylinders operate on a four-stroke cycle, the beginning of the cycle is shifted by 360 ^o , and the middle cylinder is push-pull. The process of expansion of gas in the end cylinders does not occur completely, and when the piston is at bottom dead center / BDC /, the bypass valve of this cylinder opens, and gas is suppressed through channel 35 to the middle cylinder, whose piston is at top dead center / TDC /. The diameter of the middle cylinder is 1.6 ... 1.8 times greater than the diameter of the outer cylinder. According to the law of communicating vessels, the gas pressure in both cylinders is equalized. Gas pressure on a large area of the middle piston creates a greater force than gas pressure on the extreme piston, and the middle piston moves down, the piston of the extreme cylinder moves upward, squeezing gas into the middle cylinder, the volume of which allows the gas to expand and work. The parameters of the end of gas expansion, for example, by pressure P = 1.5 bar absolute and temperature T = 1200K. The processes of filling with a working fluid, compression and combustion take place in the extreme cylinders alternately. For example, when the inlet pressure in the cylinder is 2.2 bar and the degree of pressure increase is λ = 6, the compression pressure in the cylinder is 2.2 • 6 = 13.2 bar. During fuel combustion, the pressure in the cylinder rises to 31.. .35 bar. In the process of gas expansion in two cylinders, the degree of pressure reduction will be λ = (31-35): 1.5 = 20.4-23.3, which is an increase in the efficiency of the installation. For the coordinated operation of the turbocompressor unit and the internal combustion engine, the air flow must be the same. When calculating compressors and turbines, it is customary to take the air flow rate G = 1 kg / s, and the engine - the liter volume of cylinders, the number of cylinders, the cylinder stroke, the number of revolutions of the crankshaft per minute. This determines the weight flow rate of the working fluid for one cycle of one cylinder and the time of one cycle

where t is the time of one cycle in seconds;
Z is the tact factor / for four-stroke engines Z = 2, for two-stroke Z = 1, for the block from this example Z = 1 /;
n is the number of revolutions of the crankshaft per minute.

Объем крайнего цилиндра из уравнения состояния рабочего тела, заполненного в цилиндр

где V_уд - удельный объем рабочего тела в цилиндре;
G_ц - секундный расход топлива за цикл в кг;
R - газовая постоянная воздуха, в Дж/кг•град.;
Т_зап - температура воздуха в конце заполнения цилиндра;
Р - давление воздуха в конце заполнения цилиндра в бар.The volume of the extreme cylinder from the equation of state of the working fluid filled into the cylinder

where V _beats is the specific volume of the working fluid in the cylinder;
G _C - second fuel consumption per cycle in kg;
R - gas constant of air, in J / kg • city;
T _app - air temperature at the end of the cylinder;
P is the air pressure at the end of the cylinder filling in bar.

Объем среднего цилиндра равен удельному объему газа при температуре, например, 1200К и давлению 1,5 бар абсолютных, при расходе воздуха за один цикл в кг. Работа турбодвигательной установки в компоновке воздухогенератора с двухтактным двигателем с выпускными окнами, расположенными по периметру цилиндра /см. фиг. 2/, при запуске и автономной работе воздухогенератора происходит так, как описано выше, потому что подсоединение воздухогенератора к цилиндрам двигателя одинаково. Трубопровод 22 соединяет выход из турбины 4 с впускным клапаном 30 цилиндра, а трубопровод 18 соединяет выпускной клапан 32 со входом газа регенератора. Цикл двухтактного двигателя включает процессы, происходящие в цилиндре: газообмена - выпуск отработавших газов и запуск рабочего тела, сжатия, сгорания, расширения. Выпуск отработавших газов происходит при положении поршня в НМТ, впускной клапан 30 закрыт, выпускной клапан 32 открывается. Под действием остаточного давления, например при 1,5 бар. абс. , отработавшие газы с температурой, например, 1200K, по трубопроводу 18 поступают в регенератор 9 /см. фиг.1/ на "вход газа", отдают теплоту сжатому воздуху, идущему от компрессора в подогреватель, нагревая его, например, до 1100К, и охлажденные, например, до 670К, после регенератора поступают в атмосферу. Дальнейшее вытеснение отработавшего газа из цилиндра идет движением поршня вверх, при котором нижняя часть объема цилиндра очищается поршнем до выпускных окон /см. фиг.2/. При положении поршня ниже выпускных окон открывается впускной клапан 30, и рабочее тело под давлением поступает через спрямляющую или форсуночную проставку 45 в цилиндр 42 и прямоточной системой продувки очищает верхнюю часть объема цилиндра выше выпускных окон. При положении поршня на уровне выпускных окон 43 закрывается выпускной клапан 32, заканчивается продувка и происходит заполнение цилиндра сжатым воздухом или рабочим телом, которое заканчивается закрытием впускного клапана 30 при положении поршня на верхней отметке выпускных окон. При дальнейшем движении поршня вверх идет процесс сжатия, протекающий аналогично сжатию в крайнем цилиндре, описанный выше. В положении поршня в ВМТ в камеру через форсунку или насос-форсункой подается топливо в цилиндр, на свечу подается электрический ток и происходит процесс горения. При движении поршня вниз до НМТ происходит процесс расширения или рабочий ход. Объемы цилиндра V сжатия, V заполнения, V расширения описаны выше и отличаются только рабочим расходом воздуха, участвовавшего в рабочем процессе цилиндра. The volume of the middle cylinder is equal to the specific volume of gas at a temperature of, for example, 1200K and a pressure of 1.5 bar absolute, at an air flow rate of one cycle in kg. The operation of the turbo engine in the layout of the air generator with a two-stroke engine with exhaust windows located around the perimeter of the cylinder / cm. FIG. 2 /, during start-up and autonomous operation of the air generator, it occurs as described above, because the connection of the air generator to the engine cylinders is the same. A pipe 22 connects the outlet of the turbine 4 to the inlet valve 30 of the cylinder, and a pipe 18 connects the exhaust valve 32 to the gas inlet of the regenerator. The cycle of a two-stroke engine includes the processes occurring in the cylinder: gas exchange - exhaust gas release and start-up of the working fluid, compression, combustion, expansion. The exhaust gas is released when the piston is in the BDC, the intake valve 30 is closed, the exhaust valve 32 opens. Under the influence of residual pressure, for example at 1.5 bar. abs. , the exhaust gases with a temperature of, for example, 1200K, through a pipe 18 enter the regenerator 9 / cm. figure 1 / on the "gas inlet", give off heat to the compressed air flowing from the compressor to the heater, heating it, for example, to 1100K, and cooled, for example, to 670K, after the regenerator enters the atmosphere. Further exhaust gas is displaced from the cylinder by moving the piston upwards, in which the lower part of the cylinder volume is cleaned by the piston to the outlet windows / cm. figure 2 /. When the piston is below the outlet windows, the inlet valve 30 opens, and the working fluid under pressure enters through the straightening or nozzle spacer 45 into the cylinder 42 and by a direct-flow purge system cleans the upper part of the cylinder volume above the outlet windows. When the piston is at the level of the outlet windows 43, the exhaust valve 32 closes, the purge is completed, and the cylinder is filled with compressed air or a working fluid, which ends with the closing of the inlet valve 30 when the piston is at the upper mark of the exhaust windows. With further movement of the piston upwards, a compression process proceeds, proceeding similarly to compression in the extreme cylinder, described above. In the position of the piston in the TDC, fuel is supplied to the cylinder through the nozzle or pump nozzle, an electric current is supplied to the candle, and the combustion process occurs. When the piston moves down to the BDC, the expansion process or stroke occurs. The volume of the cylinder V compression, V filling, V expansion described above and differ only in the working flow of air involved in the working process of the cylinder.

G_{турбины}=G_{цилиндров}+G_{продувки}
Массовый расход воздуха в секунду через двигатель в кг равен расходу воздуха турбокомпрессорного блока минус расход на продувку. Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из цилиндров 48 с верхним расположением клапанов, работает по двухтактному циклу, но отличается фонтанной системой продувки /см. рис.3/. По окончании рабочего хода при положении поршня в НМТ и конце расширения газа при объеме V расширения открывается выпускной клапан 32, и газ с остаточным давлением, например, 1,5 бар. абс. вначале под этим давлением, а затем под действием движения поршня 46 вверх до объема начала продувки /V нач. прод. / покидает нижнюю часть объема цилиндра. На линии начала продувки открывается впускной клапан 30, и сжатый воздух поступает в кольцевой канал в головке цилиндров 49 и по отверстиям, расположенным в продувочно-распределительной проставке 50, по образующей или боковой поверхности цилиндра поступает вниз, до верхнего торца поршня, по нему устремляется к центру цилиндра. В центре сталкиваясь, фонтаном поднимаются к выпускному клапану 32. При дальнейшем движении поршня вверх, не доходя до объема заполнения /Vзаполн. /, закрывается выпускной клапан 32, и при движении поршня вверх до объема /Vзаполн./ верхняя часть цилиндра заполняется весовым расходом рабочего тела на один цикл, и впускной клапан 32 закрывается. Далее идет процесс сжатия, впрыск топлива форсункой или насос-форсункой 33, подается на свечу 34 электрический ток и происходит процесс горения. При движении поршня вниз идет процесс расширения газа или рабочий ход. На фиг.3 показано начало продувки верхней части цилиндра.G _turbine = G _cylinder + G _purge
The mass air flow rate per second through the engine in kg is equal to the air flow rate of the turbocompressor unit minus the purge flow rate. The internal combustion engine, consisting of cylinders 48 with an upper valve arrangement, operates in a two-stroke cycle, but differs in a fountain purge system / cm. fig. 3 /. At the end of the stroke, with the piston in the BDC and the end of the expansion of the gas at the expansion volume V, the exhaust valve 32 opens, and a gas with a residual pressure of, for example, 1.5 bar. abs. initially under this pressure, and then under the action of the piston 46 moving up to the volume of the start of the purge / V beg. prod. / leaves the lower part of the cylinder volume. An inlet valve 30 opens at the purge start line, and compressed air enters the annular channel in the cylinder head 49 and, through the holes located in the purge and distribution spacer 50, flows downward along the generatrix or side surface of the cylinder to the upper end of the piston and rushes towards it the center of the cylinder. Colliding in the center, they rise to the exhaust valve 32 with a fountain. With further movement of the piston upward, not reaching the filling volume / Vfill. /, the exhaust valve 32 closes, and when the piston moves up to the volume /Vfill./ the upper part of the cylinder is filled with the mass flow rate of the working fluid for one cycle, and the intake valve 32 closes. Next is the compression process, the fuel injection by the nozzle or pump nozzle 33, an electric current is supplied to the candle 34 and the combustion process occurs. When the piston moves downward, the gas expansion process or stroke takes place. Figure 3 shows the start of purging of the upper part of the cylinder.

Claims

1. Turbo engine installation containing an air generator made in the form of a single-shaft turbocompressor unit, a regenerator, a combustion chamber, a starting engine of a turbocompressor unit and an internal combustion engine, characterized in that the engine inlet valves are connected by a discharge pipe to the turbine outlet, and the exhaust valves are connected by a pipe to the inlet gas regenerator located in the compressed air pipeline between the compressor and the air heater.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the engine block contains three cylinders located on one crankshaft, the diameter of the middle cylinder is larger than the diameter of the extreme cylinders, the direction of movement of the extreme pistons is opposite to the direction of movement of the middle piston, above which the cylinder head contains an exhaust valve and two windows with channels connecting the inner cavity of the middle cylinder with the bypass valves of the two extreme cylinders.

3. Installation according to claims 1 and 2, characterized in that it is equipped with a gearbox and a multiplier, interconnected by a fluid coupling.

4. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a two-stroke engine, each cylinder of which contains an inlet valve in the cylinder head, a straightening or nozzle spacer located between the inlet valve and the upper end of the cylinder, exhaust windows located at a distance from the upper end cylinder, providing filling the volume of the working fluid for one cycle, a circular channel along the outer wall of the cylinder, connecting the outlet window with the exhaust valve.

5. Installation according to claim 1, characterized in that it is equipped with a two-stroke engine, each cylinder of which contains inlet and outlet valves in the cylinder head, and under the intake valve in the cylinder head there is an annular channel coaxially located to the cylinder generatrix, and a purge-distribution a spacer with holes under the annular channel located between the inlet valve and the upper end of the cylinder.