RU2511952C1 - Gas turbine engine with free-piston gas generator - Google Patents
Gas turbine engine with free-piston gas generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2511952C1 RU2511952C1 RU2013100304/06A RU2013100304A RU2511952C1 RU 2511952 C1 RU2511952 C1 RU 2511952C1 RU 2013100304/06 A RU2013100304/06 A RU 2013100304/06A RU 2013100304 A RU2013100304 A RU 2013100304A RU 2511952 C1 RU2511952 C1 RU 2511952C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- pistons
- compressor
- working
- turbine
- Prior art date
Links
Landscapes
- Supercharger (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к устройствам для получения механической энергии за счет сжигания углеводородного топлива, и может быть использовано в качестве механического привода электрогенераторов, насосов, компрессоров, автомобильных и тракторных трансмиссий и других агрегатов с механическим приводом, которые работают в полевых условиях или в условиях полной автономности и отсутствия других источников генерации тепловой или электрической энергии.The invention relates to power engineering, and in particular to devices for producing mechanical energy by burning hydrocarbon fuel, and can be used as a mechanical drive for electric generators, pumps, compressors, automotive and tractor transmissions and other units with a mechanical drive that operate in the field or in conditions of complete autonomy and the absence of other sources of thermal or electric energy generation.
Известен свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя, в котором подача воздуха из атмосферы в камеру сгорания генератора газов осуществляется свободнопоршневым компрессором, поршень которого размещается посредине штока с расположенными на концах штока поршнями привода компрессора, приводимыми в действие продуктами сгорания из камеры сгорания генератора газов (патент РФ №2324060, МПК F02B 71/06, F04B 31/00, 10/05/2008).A free piston gas generator of a ram engine is known, in which air is supplied from the atmosphere to the combustion chamber of the gas generator by a free piston compressor, the piston of which is located in the middle of the rod with compressor pistons located at the ends of the rod driven by the combustion products from the combustion chamber of the gas generator (RF patent No. 2324060, IPC F02B 71/06, F04B 31/00, 10/05/2008).
Известна комбинированная энергетическая установка со свободнопоршневым двигателем, содержащая рабочий цилиндр двигателя, рабочие поршни двигателя, поршни компрессора, синхронизирующий механизм движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора, продувочные щели, выхлопные щели, форсунку, всасывающий и нагнетательный клапаны, компрессорные цилиндры, буферные полости, ресивер компрессора, газосборник, турбину для привода нагнетателя, нагнетатель воздуха, силовую турбину, редуктор отбора мощности, пусковой блок воздушного запуска, пусковые клапаны, топливный насос ().Known combined power plant with a free piston engine, containing a working cylinder of the engine, working pistons of the engine, compressor pistons, a synchronizing mechanism for moving the working pistons of the engine and compressor pistons, purge slots, exhaust slots, nozzle, suction and discharge valves, compressor cylinders, buffer cavities, receiver compressor, gas collector, turbine for supercharger drive, air supercharger, power turbine, power take-off reducer, air starting unit ka, start valves, fuel pump ().
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ), состоящий из СПГГ, газовой турбины и промежуточного газосборника-ресивера (Бартош Е.Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте. Изд-во «Транспорт», 1972, стр.56, рис.43).The closest technical solution to the claimed invention is a gas turbine engine with a free piston gas generator (LNG), consisting of LNG, a gas turbine and an intermediate gas receiver-receiver (Bartosh ET Gas turbine in railway transport. Publishing house "Transport", 1972, p. 56, Fig. 43).
В центре СПГГ расположен цилиндр двухтактного дизеля с прямоточной продувкой; продувочные окна размещены симметрично относительно центра дизельной втулки, где расположена форсунка жидкого топлива. С обеих сторон дизельная втулка непосредственно соединена с цилиндрами поршневого компрессора, снабженными всасывающими, нагнетательными и пусковыми клапанами. Один ряд продувочных окон через полость, окружающую цилиндр дизеля, сообщается с нагнетательными клапанами компрессора, а другой ряд - с трубопроводом, идущим к ресиверу и далее к газовой турбине. Поршни генератора выполнены двухступенчатыми: дизельные меньшего диаметра и компрессорные - большего.In the center of the LNGG is a cylinder of a two-stroke diesel engine with a straight-through flow; purge windows are placed symmetrically with respect to the center of the diesel hub, where the liquid fuel nozzle is located. On both sides, the diesel bushing is directly connected to the piston compressor cylinders equipped with suction, discharge and start valves. One row of purge windows through the cavity surrounding the cylinder of the diesel engine communicates with the discharge valves of the compressor, and the other row with the pipeline leading to the receiver and then to the gas turbine. The pistons of the generator are made in two stages: diesel engines of a smaller diameter and compressor ones - of a larger one.
Недостатки известных устройств:The disadvantages of the known devices:
1. Нерегулируемая величина опережения впрыска топлива в рабочий цилиндр двигателя в зависимости от изменения температуры топлива, что приводит к снижению КПД двигателя и к перерасходу топлива.1. The unregulated amount of advancing fuel injection into the engine working cylinder, depending on changes in fuel temperature, which leads to a decrease in engine efficiency and fuel overruns.
2. Неполное использование теплоты сжигаемого топлива в двигателе, из-за того, что продукты сгорания после турбины привода нагнетателя и силовой турбины выбрасываются в атмосферу с достаточно высокой температурой.2. Incomplete use of the heat of the burned fuel in the engine, due to the fact that the combustion products after the turbine drive the supercharger and the power turbine are emitted into the atmosphere with a sufficiently high temperature.
3. Так как двигатель запускается за счет давления сжатого воздуха от постороннего источника, то при отсутствии достаточного давления сжатого воздуха или ввиду неисправности воздушного пускового блока запуск двигателя не возможен.3. Since the engine is started due to the pressure of the compressed air from an external source, it is not possible to start the engine if there is not enough compressed air pressure or due to a malfunction of the air starting block.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи достижения стабильных значений КПД двигателя при изменяющихся температурах наружного воздуха и температуры топлива, повышения экономичности использования теплоты сжигаемого топлива в двигателе и обеспечения надежного запуска двигателя при недостаточном давлении сжатого воздуха или отсутствии его в пусковом устройстве.These disadvantages are eliminated in the claimed invention, which is aimed at solving the problem of achieving stable values of engine efficiency at changing outdoor temperatures and fuel temperature, increasing the efficiency of using the heat of the burned fuel in the engine and ensuring reliable starting of the engine with insufficient compressed air pressure or lack of it in the starting device .
Технический результат достигается тем, что в газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ), состоящий из связанных между собой СПГГ, газосборника и газовой турбины, при этом СПГГ содержит рабочий цилиндр двигателя, рабочие поршни двигателя, поршни компрессора, синхронизирующий механизм движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора, продувочные щели, выхлопные щели, форсунку, всасывающий и нагнетательный клапаны, компрессорные цилиндры, буферные полости, ресивер компрессора, а газовая турбина содержит турбину для привода нагнетателя, нагнетатель воздуха, который связан с турбиной при помощи вала, силовую турбину, редуктор отбора мощности, который связан валом с силовой турбиной, пусковой блок воздушного запуска, пусковые клапаны, топливный насос, согласно заявляемому изобретению, введены плунжеры, теплообменник, байпасный коллектор с предохранительно-регулировочным клапаном, пусковые пружины, при этом плунжеры размещены на торцевых поверхностях поршней компрессора со стороны буферных полостей, теплообменник выполнен с возможностью пропускания через него продуктов сгорания двигателя перед выбросом их в атмосферу и подачи в него, через разделительную теплообменную поверхность, топлива, байпасный коллектор с предохранительно-регулировочным клапаном выполнен с возможностью, при запуске рабочего цилиндра двигателя, подачи через него продуктов сгорания непосредственно в теплообменник, а пусковые пружины размещены на торцевых крышках буферных полостей и выполнены с возможностью запуска двигателя в работу при отсутствии сжатого воздуха посредством силы давления сжатых пусковых пружин, приведение которых в рабочее сжатое состояние осуществляют путем дополнительного перемещения синхронизирующим механизмом движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора вместе с плунжерами к верхним мертвым точкам.The technical result is achieved by the fact that in a gas turbine engine with a free piston gas generator (LNG), consisting of interconnected LNG, a gas collector and a gas turbine, the LNG contains an engine working cylinder, engine working pistons, compressor pistons, a synchronizing mechanism for moving the engine working pistons and compressor pistons, purge slots, exhaust slots, nozzle, suction and discharge valves, compressor cylinders, buffer cavities, compressor receiver, and a gas turbine a turbine for driving a supercharger, an air supercharger that is connected to the turbine by means of a shaft, a power turbine, a power take-off reducer that is connected by a shaft to a power turbine, an air-start trigger unit, start valves, a fuel pump, according to the invention, plungers, a heat exchanger, are introduced, a bypass manifold with a safety-control valve, starting springs, while the plungers are located on the end surfaces of the compressor pistons from the side of the buffer cavities, the heat exchanger is made with the possibility of passing through it the engine combustion products before releasing them into the atmosphere and supplying fuel through the separation heat exchange surface, the bypass manifold with a safety-control valve is configured to, when starting the engine working cylinder, supply combustion products through it directly to the heat exchanger, and starting springs are placed on the end caps of the buffer cavities and are configured to start the engine in operation in the absence of compressed air by means of compressive pressure of starting springs, bringing them into a working compressed state is carried out by additional movement of the working pistons of the engine and compressor pistons, together with the plungers, to the top dead center with the synchronizing mechanism.
Таким образом, технический результат достигается тем, что для подогрева топлива, подаваемого в форсунку, и регулирования угла опережения впрыска топлива, используется теплота продуктов сгорания после турбины привода нагнетателя и силовой турбины перед выбросом их в атмосферу, а также путем применения для резервного запуска двигателя механической силы сжатых пружин.Thus, the technical result is achieved by the fact that to heat the fuel supplied to the nozzle and to regulate the angle of advance of the fuel injection, the heat of the combustion products after the turbine of the supercharger drive and the power turbine is used before being emitted into the atmosphere, and also by using mechanical backup engine force of compressed springs.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого газотурбинного двигателя со свободнопоршневым генератором газа.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic diagram of the proposed gas turbine engine with a free-piston gas generator.
На чертеже элементы и узлы обозначены следующими позициями: 1 - рабочий цилиндр двигателя, 2 - рабочий поршень двигателя, 3 - продувочные щели, 4 - выхлопные щели, 5 - форсунка, 6 - всасывающий клапан, 7 - нагнетательный клапан, 8 - поршень компрессора, 9 - буферная полость, 10 - ресивер компрессора, 11 - газосборник, 12 - турбина для привода нагнетателя, 13 - нагнетатель воздуха, 14 - силовая турбина, 15 - редуктор отбора мощности, 16 - пусковой блок воздушного запуска, 17 - теплообменник, 18 - вал турбины привода нагнетателя, 19 - вал силовой турбины, 20 - воздух, всасываемый из атмосферы в нагнетатель, 21 - продукты сгорания из рабочего цилиндра двигателя, 22 - топливо, 23 - пусковой клапан, 24 - предохранительно-регулировочный клапан, 25 - сжатый воздух для пуска двигателя, 26 - пусковая пружина, 27 - плунжер пусковой пружины, 28 - компрессорный цилиндр.In the drawing, elements and assemblies are indicated by the following positions: 1 - engine working cylinder, 2 - engine working piston, 3 - purge slots, 4 - exhaust slots, 5 - nozzle, 6 - suction valve, 7 - pressure valve, 8 - compressor piston, 9 - buffer cavity, 10 - compressor receiver, 11 - gas collector, 12 - turbine for supercharger drive, 13 - air supercharger, 14 - power turbine, 15 - power take-off reducer, 16 - air-start launcher, 17 - heat exchanger, 18 - supercharger drive turbine shaft, 19 - power turbine shaft, 20 - air, suction th from the atmosphere to the supercharger, 21 - combustion products from the engine working cylinder, 22 - fuel, 23 - start valve, 24 - safety control valve, 25 - compressed air to start the engine, 26 - start spring, 27 - start spring plunger, 28 - compressor cylinder.
На чертеже линии со стрелками обозначают направления движения воздуха 20, всасываемого из атмосферы в нагнетатель 13, продуктов 21 сгорания из рабочего цилиндра 1 двигателя, топлива 22, сжатый воздух 22 для пуска двигателя.In the drawing, the lines with arrows indicate the direction of movement of the air 20 drawn in from the atmosphere into the supercharger 13, combustion products 21 from the working cylinder 1 of the engine, fuel 22, and compressed air 22 for starting the engine.
Газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа (СПГГ) состоит из связанных между собой СПГГ, газосборника 11 и газовой турбины.A gas turbine engine with a free piston gas generator (LNG) consists of interconnected LNG, a gas collector 11 and a gas turbine.
Свободнопоршневой генератор газа содержит рабочий цилиндр 1 двигателя, рабочие поршни 2 двигателя, поршни 8 компрессора, синхронизирующий механизм (на чертеже не показан) движения рабочих поршней двигателя и поршней компрессора, продувочные щели 3, выхлопные щели 4, форсунку 5, всасывающий 6 и нагнетательный 7 клапаны, компрессорные цилиндры 28, буферные полости 9, ресивер 10 компрессора.The free-piston gas generator contains an engine working cylinder 1, engine working pistons 2, compressor pistons 8, a synchronizing mechanism (not shown) of the movement of the engine working pistons and compressor pistons, purge slots 3, exhaust slots 4, nozzle 5, suction 6 and discharge 7 valves, compressor cylinders 28, buffer cavities 9, receiver 10 of the compressor.
Газовая турбина содержит турбину 12 для привода нагнетателя, нагнетатель 13 воздуха, который связан с турбиной при помощи вала 18, силовую турбину 14, редуктор 15 отбора мощности, который связан валом 19 с силовой турбиной, пусковой блок 16 воздушного запуска, пусковые клапаны 23, топливный насос (на чертеже не показан).The gas turbine contains a turbine 12 for driving a supercharger, an air supercharger 13, which is connected to the turbine by means of a shaft 18, a power turbine 14, a power take-off reducer 15, which is connected by a shaft 19 to a power turbine, an air-starting unit 16, starting valves 23, a fuel pump (not shown in the drawing).
Отличием предлагаемого газотурбинного двигателя со свободнопоршневым генератором газа является то, что в него введены плунжеры 27, теплообменник 17, байпасный коллектор (на чертеже не показан) с предохранительно-регулировочным клапаном 24 и пусковые пружины 26.The difference of the proposed gas turbine engine with a free-piston gas generator is that plungers 27, a heat exchanger 17, a bypass manifold (not shown) with a safety-control valve 24, and start springs 26 are introduced into it.
Плунжеры 27 размещены на торцевых поверхностях поршней 8 компрессора со стороны буферных полостей 9.Plungers 27 are placed on the end surfaces of the pistons 8 of the compressor from the side of the buffer cavities 9.
Теплообменник 17 выполнен с возможностью пропускания через него продуктов 21 сгорания из рабочего цилиндра 1 двигателя перед выбросом их в атмосферу и подачи в него через разделительную теплообменную поверхность топлива 22.The heat exchanger 17 is made with the possibility of passing through it the combustion products 21 from the working cylinder 1 of the engine before releasing them into the atmosphere and supplying it through the dividing heat exchange surface of the fuel 22.
Байпасный коллектор с предохранительно-регулировочным клапаном 24 выполнен с возможностью, при запуске рабочего цилиндра 1 двигателя, подачи через него продуктов 21 сгорания из рабочего цилиндра 1 двигателя непосредственно в теплообменник 17.The bypass manifold with a safety-control valve 24 is configured to, when starting the engine working cylinder 1, supply through it combustion products 21 from the engine working cylinder 1 directly to the heat exchanger 17.
Пусковые пружины 26 размещены на торцевых крышках буферных полостей 9 и выполнены с возможностью запуска двигателя в работу при отсутствии сжатого воздуха 25 посредством силы давления сжатых пусковых пружин 26, приведение которых в рабочее сжатое состояние осуществляют путем дополнительного перемещения синхронизирующим механизмом движения рабочих поршней 2 двигателя и поршней 9 компрессора вместе с плунжерами 27 к верхним мертвым точкам.Starting springs 26 are placed on the end caps of the buffer cavities 9 and are configured to start the engine in the absence of compressed air 25 by means of the pressure force of the compressed starting springs 26, which are brought into working compressed state by additional movement of the working pistons 2 of the engine and pistons by a synchronizing mechanism 9 of the compressor, together with the plungers 27 to the top dead center.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.The purpose and interaction of elements and nodes is as follows.
Рабочий цилиндр 1 двигателя представляет собой полость круглого сечения и имеет по своей длине продувочные щели 3 и выхлопные щели 4. Рабочий цилиндр 1 двигателя предназначен для осуществления процесса сжигания жидкого топлива, впрыскиваемого форсункой 5 под высоким давлением, равным 1800…2050 кг/см2, развиваемым топливным насосом.The engine working cylinder 1 is a circular cavity and has purge slots 3 and exhaust slots along its length 4. The engine working cylinder 1 is designed to carry out the process of burning liquid fuel injected by the nozzle 5 under high pressure equal to 1800 ... 2050 kg / cm 2 , developed fuel pump.
Рабочие поршни 2 двигателя служат для сжатия чистого воздуха, поступающего через продувочные щели 3 в рабочий цилиндр 1 двигателя, до температуры воспламенения топлива, равной 700…850°С. Движение рабочих поршней 2 двигателя навстречу друг другу осуществляется с помощью силы давления сжатого в буферных полостях 9 воздуха при достижении поршнями верхних (наружных) мертвых точек. Это движение синхронизировано относительно друг друга специальным механизмом (на чертеже не показан синхронизирующий механизм движения рабочих поршней 2 двигателя и поршней 9 компрессора).The working pistons 2 of the engine are used to compress clean air entering through the purge slots 3 into the working cylinder 1 of the engine to a fuel ignition temperature of 700 ... 850 ° C. The movement of the working pistons 2 of the engine towards each other is carried out using the pressure force of the compressed air in the buffer cavities 9 when the pistons reach the top (outer) dead points. This movement is synchronized relative to each other by a special mechanism (the drawing does not show the synchronizing mechanism of movement of the working pistons 2 of the engine and pistons 9 of the compressor).
Сжатие воздуха, поступившего из ресивера 10 компрессора в рабочий цилиндр 1 двигателя через продувочные щели 3, происходит при движении рабочих поршней 2 двигателя навстречу друг другу к нижней мертвой точке, находящейся в области выхлопных щелей 4. Процесс сжатия чистого воздуха в рабочем цилиндре 1 двигателя начинается с момента закрытия поршнем 2 двигателя продувочных щелей 3.The compression of the air received from the compressor receiver 10 into the engine working cylinder 1 through the purge slots 3 occurs when the engine working pistons 2 move towards each other towards the bottom dead point located in the region of the exhaust slots 4. The process of compressing clean air in the engine working cylinder 1 begins from the moment the piston 2 closes the purge slots 3 engine.
Продувочные щели 3 служат для заполнения чистым воздухом рабочего цилиндра 1 двигателя. Чистый воздух вытесняет через выхлопные щели 4 продукты 21 сгорания топлива, оставшиеся от предыдущего рабочего цикла.Purge slots 3 serve to fill with clean air the working cylinder 1 of the engine. Clean air displaces, through the exhaust slots 4, the products of fuel combustion 21 remaining from the previous working cycle.
Впрыск топлива и последующее его воспламенение в рабочем цилиндре 1 двигателя происходит после закрытия вторым рабочим поршнем 2 двигателя выхлопных щелей 4. За счет возникающей силы давления при тепловом расширении образующихся при сгорании топлива газообразных продуктов происходит перемещение рабочих поршней 2 двигателя из нижних мертвых точек к наружным мертвым точкам.The fuel injection and its ignition in the working cylinder 1 of the engine occurs after the second working piston 2 closes the exhaust slots 4. Due to the arising pressure force during thermal expansion of the gaseous products formed during fuel combustion, the working pistons 2 of the engine move from bottom dead points to outer dead points.
Форсунка 5 служит для мелкодисперсного дробления жидкого топлива и подачи его с опережением в рабочий цилиндр 1 двигателя при подходе поршня 2 двигателя и поршня 8 компрессора к верхним мертвым точкам. Опережение необходимо из-за того, что при подходе поршней 2 и 8 к верхним мертвым точкам резко падает скорость движения поршней и снижается скорость движения приводного от них валика топливного насоса (на чертеже валик и топливный насос не показаны).The nozzle 5 is used for finely dispersed crushing of liquid fuel and feeding it ahead of the engine working cylinder 1 when the piston 2 of the engine and piston 8 of the compressor approach the top dead center. Advancement is necessary due to the fact that when the pistons 2 and 8 approach the top dead center, the speed of the pistons drops sharply and the speed of the drive of the fuel pump drive from them decreases (the roller and fuel pump are not shown in the drawing).
Чтобы обеспечить достаточную скорость движения плунжера топливного насоса, а следовательно, и интенсивность впрыска топлива, необходимо увеличить угол опережения подачи топлива. В данном изобретении решением этой проблемы является ускорение испарения топлива и сокращение времени его воспламенения и последующего сгорания. Конструктивным решением является контролируемый подогрев жидкого топлива перед подачей его в форсунку.To ensure a sufficient speed of the plunger of the fuel pump, and hence the intensity of the fuel injection, it is necessary to increase the angle of advance of the fuel supply. In this invention, the solution to this problem is to accelerate the evaporation of fuel and reduce the time of ignition and subsequent combustion. A constructive solution is the controlled heating of liquid fuel before feeding it to the nozzle.
Подогрев топлива 22 осуществляется в теплообменнике 17 за счет теплоты газообразных продуктов 21 сгорания.The fuel 22 is heated in the heat exchanger 17 due to the heat of the gaseous products of combustion 21.
Всасывающие клапаны 6 и нагнетательные клапаны 7 по конструкции являются самодействующими, пластинчатого типа и служат соответственно для всасывания порций воздуха и последующей их подачи в сжатом виде из компрессорных цилиндров 28 в ресивер 10 компрессора.The suction valves 6 and the discharge valves 7 are self-acting, plate-type in design and serve, respectively, to suck in air portions and then supply them in compressed form from the compressor cylinders 28 to the compressor receiver 10.
Поршни 8 компрессора жестко связаны с рабочими поршнями 2 двигателя и служат для сжатия воздуха до давления, равного 200... 300 кг/см. Затем в компрессорных цилиндрах 28 происходит процесс выталкивания сжатого воздуха через нагнетательные клапаны 7 в ресивер 10 компрессора.The pistons 8 of the compressor are rigidly connected with the working pistons 2 of the engine and are used to compress air to a pressure equal to 200 ... 300 kg / cm. Then, in the compressor cylinders 28, a process of expelling compressed air through the discharge valves 7 to the compressor receiver 10 takes place.
Поршни 8 компрессора также сжимают воздух в буферных полостях 9, а после достижения верхней мертвой точки воспринимают силу давления сжатого в буферных полостях 9 воздуха для осуществления обратного хода.The pistons 8 of the compressor also compress the air in the buffer cavities 9, and after reaching the top dead center they perceive the pressure force of the compressed air in the buffer cavities 9 to effect a return stroke.
Буферные полости 9 служат для получения определенных объемов сжатого воздуха, с помощью силы расширения которых можно обеспечить осуществление обратного хода поршней 8 и 2.Buffer cavities 9 serve to obtain certain volumes of compressed air, with the help of the expansion force of which it is possible to ensure the reverse stroke of the pistons 8 and 2.
Ресивер 10 компрессора служит для промежуточного накопления и кратковременного хранения сжатого воздуха перед подачей его через продувочные щели 4 в рабочий цилиндр 1 двигателя.The receiver 10 of the compressor serves for the intermediate accumulation and short-term storage of compressed air before feeding it through the purge slots 4 into the working cylinder 1 of the engine.
Газосборник 11 служит для сбора продуктов сгорания 21 после их выхлопа из рабочего цилиндра 1 двигателя и подачи этих продуктов на входной сопловой аппарат турбины 12 привода нагнетателя 13 воздуха. На стадии запуска выход газосборника И к турбине 12 закрыт задвижкой (на чертеже задвижка не показана). При запуске в работу продукты 21 сгорания по байпасному коллектору (на чертеже позицией не обозначен) при открытом предохранительно-регулировочном клапане 24 подаются в обход турбин 12 и 14 непосредственно в теплообменник 17.The gas collector 11 serves to collect combustion products 21 after they are exhausted from the working cylinder 1 of the engine and supply these products to the inlet nozzle of the turbine 12 of the air blower drive 13. At the start-up stage, the outlet of the gas collector And to the turbine 12 is closed by a valve (the valve is not shown in the drawing). When starting up the combustion products 21 bypass manifold (not indicated in the drawing) with the safety valve 24 open, they bypass the turbines 12 and 14 directly to the heat exchanger 17.
Осевая турбина 12 для привода нагнетателя 13 воздуха осуществляет преобразование энергии высокотемпературных продуктов 21 сгорания в механическую энергию, которая используется для нагнетания забираемого из атмосферы воздуха 20 в приемный коллектор компрессора (на чертеже коллектор позицией не обозначен). Турбина 12 находится на одном валу 18 с осевым нагнетателем 13 воздуха и жестко с ним связана.An axial turbine 12 for driving an air blower 13 converts the energy of the high-temperature combustion products 21 into mechanical energy, which is used to pump the air 20 taken from the atmosphere into the compressor receiving manifold (the collector is not indicated by the figure in the figure). The turbine 12 is located on one shaft 18 with an axial supercharger 13 of air and is rigidly connected with it.
Нагнетатель 13 воздуха служит для предварительного динамического сжатия забираемого из атмосферы воздуха 20 и подачи этого воздуха через всасывающие клапаны 6 в компрессорный цилиндр 28 для сжатия до высокого давления.The air blower 13 serves for preliminary dynamic compression of the air 20 taken from the atmosphere and for supplying this air through the suction valves 6 to the compressor cylinder 28 for compression to high pressure.
Силовая турбина 14 служит для получения механической энергии за счет расширения высокотемпературных продуктов 21 сгорания после турбины 12. Через вал 19 силовая турбина 14 связана с редуктором 15 отбора мощности, который служит для понижения числа оборотов вала и передачи механической энергии для привода электрогенератора, насоса или для привода автомобильных и тракторных трансмиссий.A power turbine 14 serves to produce mechanical energy by expanding high-temperature combustion products 21 after the turbine 12. Through a shaft 19, a power turbine 14 is connected to a power take-off gear 15, which serves to reduce the shaft speed and transfer mechanical energy to drive an electric generator, pump, or drive automobile and tractor transmissions.
Вал 18 турбины привода нагнетателя не связан с валом 19 силовой турбины. Валы 18, 19 вращаются независимо друг от друга.The supercharger drive turbine shaft 18 is not connected to the power turbine shaft 19. Shafts 18, 19 rotate independently of each other.
Пусковой блок 16 воздушного запуска служит для запуска в работу двигателя путем подачи из баллонов сжатого воздуха 25 через пусковые клапаны 23 в буферные полости 9 при положениях поршней 8 компрессора в верхних (наружных) мертвых точках (на чертеже баллоны не показаны).The air start launcher 16 serves to start the engine by supplying compressed air 25 from the cylinders through the start valves 23 to the buffer cavities 9 at the positions of the compressor pistons 8 at the top (outer) dead points (cylinders are not shown in the drawing).
Трубчатый теплообменник 17 служит для контролируемого нагрева топлива 22, подаваемого топливным насосом в форсунку 5. Нагрев топлива 22 в рабочем режиме производится за счет теплоты продуктов 21 сгорания после силовой турбины 14.The tubular heat exchanger 17 is used for the controlled heating of the fuel 22 supplied by the fuel pump to the nozzle 5. Heating of the fuel 22 in the operating mode is due to the heat of the combustion products 21 after the power turbine 14.
Предохранительно-регулировочный клапан 24 установлен на байпасном коллекторе и служит для подачи продуктов 21 сгорания из газосборника 11 непосредственно в теплообменник 17 для облегчения запуска в работу рабочего цилиндра 1 двигателя и регулирования величины угла опережения впрыска топлива 22 топливным насосом.The safety-control valve 24 is installed on the bypass manifold and serves to supply combustion products 21 from the gas collector 11 directly to the heat exchanger 17 to facilitate the start-up of the working cylinder 1 of the engine and the regulation of the timing of the fuel injection 22 by the fuel pump.
Предохранительно-регулировочный клапан 24 служит также для сброса продуктов 21 сгорания непосредственно в атмосферу при увеличении механической нагрузки на силовую турбину 14 сверх допустимой для предотвращения остановки рабочих поршней ввиду большого давления в газосборнике 11.The safety-control valve 24 also serves to discharge combustion products 21 directly into the atmosphere when the mechanical load on the power turbine 14 increases beyond the permissible limit to prevent the working pistons from stopping due to the high pressure in the gas collector 11.
Сгорание предварительно нагретого топлива 22 происходит при более высокой температуре, так как на испарение уже нагретого топлива расходуется меньше тепловой энергии выделяющейся при сгорании топлива.The combustion of the preheated fuel 22 occurs at a higher temperature, since less heat energy released during the combustion of the fuel is consumed for the evaporation of the already heated fuel.
При этом повышается доля тепловой энергии от сгорания топлива, которая превращается в полезно используемую механическую работу. Воспламенение и сгорание топлива 22 происходит за меньший промежуток времени с начала его впрыска в рабочий цилиндр 1 двигателя.At the same time, the share of thermal energy from fuel combustion increases, which turns into a useful mechanical work. Ignition and combustion of fuel 22 occurs in a shorter period of time from the beginning of its injection into the working cylinder 1 of the engine.
Пусковые пружины 26 выполняют функцию резервных силовых элементов для запуска двигателя в случае отсутствия сжатого воздуха в баллонах пускового блока 16 или в случае неисправности его запорной арматуры. Пусковые пружины 26 размещены в корпусах на торцевых крышках буферных полостей 9 (на чертеже корпусы и торцевые крышки позициями не обозначены). Для приведения пусковых пружин 26 в рабочее состояние осуществляется их предварительное сжатие за счет специальных торцевых упоров (на чертеже упоры не показаны).Starting springs 26 act as backup power elements for starting the engine in the absence of compressed air in the cylinders of the starting block 16 or in the event of a malfunction of its shutoff valves. Starting springs 26 are placed in the housings on the end caps of the buffer cavities 9 (in the drawing, the housings and end caps are not indicated by positions). To bring the launch springs 26 into working condition, they are pre-compressed due to special end stops (the stops are not shown in the drawing).
Плунжеры 27 пусковых пружин служат для передачи механической энергии сжатых пружин 26 поршню 8 компрессора и поршню 2 двигателя, а через них валику привода топливного насоса для осуществления рабочего процесса по воспламенению и сгоранию топлива. При непусковом нормальном рабочем режиме плунжеры 27 не контактируют с пружиной 26, так как для возврата поршня 2 двигателя и поршня 8 компрессора к нижним мертвым точкам используется сила давления воздуха, сжатого в буферных полостях 9.The plungers 27 of the starting springs are used to transfer the mechanical energy of the compressed springs 26 to the compressor piston 8 and the engine piston 2, and through them the drive of the fuel pump drive to carry out the working process of ignition and combustion of fuel. During non-starting normal operating mode, the plungers 27 do not contact the spring 26, since the force of the air pressure compressed in the buffer cavities 9 is used to return the piston 2 of the engine and the piston 8 of the compressor to the lower dead points.
Предлагаемый газотурбинный двигатель со свободнопоршневым генератором газа работает следующим образом.The proposed gas turbine engine with a free piston gas generator operates as follows.
Поршни 2 двигателя и поршни 8 компрессора посредством синхронизирующего механизма и зубчатых передач вручную с помощью рукоятки разводятся в стороны к верхним (наружным) мертвым точкам и ставятся в первое пусковое положение с помощью фиксатора (на чертеже синхронизирующий механизм, зубчатые передачи, рукоятка и фиксатор не показаны).The pistons 2 of the engine and the pistons 8 of the compressor by means of a synchronizing mechanism and gears manually with the help of the handle are moved apart to the top (outer) dead points and put into the first starting position using the lock (in the drawing, the synchronizing mechanism, gears, handle and lock are not shown )
В буферную полость 9 из пускового блока 16 подается сжатый воздух 25 для пуска. Освобождается фиксатор синхронизирующего механизма и под воздействием силы давления сжатого воздуха 25 рабочий поршень 2 двигателя и поршень 8 компрессора движутся к нижней мертвой точке.Compressed air 25 is supplied to the buffer cavity 9 from the starting block 16. The lock of the synchronizing mechanism is released and under the influence of the pressure of compressed air 25 the working piston 2 of the engine and the piston 8 of the compressor move to the bottom dead point.
При отсутствии в пусковых баллонах давления сжатого воздуха реализуется резервный запуск двигателя с помощью пусковых пружин 26. Для этого вручную вначале производится предварительное сжатие пружин 26 с помощью специальных торцевых упоров (на чертеже упоры не показаны).In the absence of compressed air pressure in the starting cylinders, the engine is back-up using the starting springs 26. To do this, manually first compress the springs 26 using special end stops (the stops are not shown in the drawing).
Затем при помощи синхронизирующего механизма и зубчатых передач вручную с помощью рукоятки рабочие поршни 2 двигателя и поршни 8 компрессора дополнительно разводятся в стороны в положение верхних (наружных) мертвых точек до контакта плунжеров 27 с пружинами 26 и окончательного сжатия пусковых пружин 26. После этого синхронизирующий механизм с помощью фиксатора ставится во второе пусковое положение.Then, using the synchronizing mechanism and gears manually using the handle, the working pistons 2 of the engine and the pistons 8 of the compressor are additionally bent to the side of the upper (outer) dead points until the plungers 27 contact the springs 26 and the final compression of the starting springs 26. After that, the synchronizing mechanism by means of a clamp it is put in the second starting position.
Для проведения запуска освобождается фиксатор синхронизирующего механизма, пружины 26 разжимаются и сила их механического давления передается через плунжеры 27 и далее на поршень 8 компрессора и рабочий поршень 2 двигателя. Под действием этой силы поршни движутся к нижней мертвой точке.To carry out the start, the lock of the synchronizing mechanism is released, the springs 26 are unclenched and the force of their mechanical pressure is transmitted through the plungers 27 and further to the compressor piston 8 and the engine working piston 2. Under the influence of this force, the pistons move to bottom dead center.
При движении поршней 8 компрессора к нижней мертвой точке воздух в компрессорных цилиндрах 28 сжимается и поступает через клапаны 7, через ресивер 10 и щели 3 в цилиндр 1. При последующем движении поршней 2 двигателя перекрываются продувочные 3 и выхлопные 4 щели. Оставшийся воздух в рабочем цилиндре 1 двигателя сжимается, и температура его повышается.When the pistons 8 of the compressor move to the bottom dead center, the air in the compressor cylinders 28 is compressed and flows through the valves 7, through the receiver 10 and the slots 3 into the cylinder 1. During the subsequent movement of the pistons 2 of the engine, the purge 3 and exhaust 4 slots overlap. The remaining air in the working cylinder 1 of the engine is compressed, and its temperature rises.
При подходе поршней 2 двигателя к нижней мертвой точке через форсунку 5 впрыскивается топливо, происходит его самовоспламенение. Поршни 2 двигателя останавливаются. В рабочем цилиндре 1 двигателя образуются продукты сгорания с большим давлением и высокой температурой, которые, действуя на поршни 2 двигателя, сообщают им движение в противоположные стороны - в направлении к верхним (наружным) мертвым точкам.When the pistons 2 of the engine approach the bottom dead center, fuel is injected through the nozzle 5, and it spontaneously ignites. Pistons 2 engines stop. In the working cylinder 1 of the engine, combustion products with high pressure and high temperature are formed, which, acting on the pistons 2 of the engine, tell them to move in opposite directions - in the direction of the top (outer) dead points.
После пружинного запуска двигателя специальные торцевые упоры пружин 26 (не показаны) ставятся в разгрузочное состояние, при котором пружины не сжаты.After the spring start of the engine, special end stops of the springs 26 (not shown) are placed in the unloading state, in which the springs are not compressed.
При движении поршней 2 двигателя к верхним мертвым точкам происходит расширение продуктов сгорания и открытие вначале выхлопных 4 щелей, а затем продувочных 3 щелей. Открытие выхлопных щелей 4 сопровождается подачей продуктов сгорания 21 в газосборник 11.When the pistons 2 of the engine move to the top dead center, the products of combustion expand and first the exhaust 4 slots open, and then the purge 3 slots open. The opening of the exhaust slots 4 is accompanied by the supply of combustion products 21 to the gas collector 11.
На стадии запуска в работу задвижка (на чертеже не показана) на выходе из газосборника 11 закрыта, а клапан 24 открыт и продукты сгорания 21 подаются непосредственно в теплообменник 17 для ускорения нагрева топлива 22.At the start-up stage, the valve (not shown) at the outlet of the gas collector 11 is closed, and the valve 24 is open and the combustion products 21 are fed directly to the heat exchanger 17 to accelerate the heating of the fuel 22.
После запуска двигателя задвижка (на чертеже не показана) на выходе из газосборника 11 открывается, а клапан 24 закрывается. При подаче продуктов сгорания 21 в турбину 12 начинает вращаться вал 18 привода нагнетателя воздуха 13 и осуществляется наддув компрессорных цилиндров 28 сжатым воздухом.After starting the engine, the valve (not shown) at the outlet of the gas collector 11 opens, and the valve 24 closes. When the combustion products 21 are fed into the turbine 12, the drive shaft 18 of the air blower 13 starts to rotate and the compressor cylinders 28 are pressurized with compressed air.
После воздушного запуска двигателя закрываются вентили подачи сжатого воздуха из блока 16 к пусковым клапанам 23.After air starting the engine, the valves for supplying compressed air from block 16 to the starting valves 23 are closed.
После турбины 12 продукты сгорания 21 поступают в силовую турбину 14, в которой происходит окончательный отбор полезной механической энергии за счет расширения продуктов сгорания.After the turbine 12, the combustion products 21 enter the power turbine 14, in which the final selection of useful mechanical energy occurs due to the expansion of the combustion products.
При открытии продувочных щелей 3 происходит заполнение цилиндра 1 чистым воздухом из ресивера 10 и удаление остаточных продуктов сгорания через щели 4.When opening the purge slots 3, the cylinder 1 is filled with clean air from the receiver 10 and the residual combustion products are removed through the slots 4.
При движении поршней 8 компрессора к верхним мертвым точкам происходит сжатие воздуха в буферных полостях 9 до давления, с помощью которого осуществляется возврат поршня 8 компрессора и поршня 2 двигателя к нижним мертвым точкам и повторение цикла.When the compressor pistons 8 move to the top dead center, air is compressed in the buffer cavities 9 to a pressure with which the compressor piston 8 and the engine piston 2 return to the bottom dead points and the cycle repeats.
Использование заявляемого изобретения позволит решить задачу по достижению стабильных значений КПД двигателя при изменяющихся температурах наружного воздуха и температуры топлива, повышения экономичности использования теплоты сжигаемого топлива в двигателе и обеспечения надежного запуска двигателя при недостаточном давлении сжатого воздуха или отсутствии его в пусковом устройстве.Using the claimed invention will allow to solve the problem of achieving stable values of engine efficiency at varying temperatures of the outside air and fuel temperature, increasing the efficiency of using the heat of the burned fuel in the engine and ensuring reliable starting of the engine with insufficient compressed air pressure or lack of it in the starting device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013100304/06A RU2511952C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Gas turbine engine with free-piston gas generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013100304/06A RU2511952C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Gas turbine engine with free-piston gas generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2511952C1 true RU2511952C1 (en) | 2014-04-10 |
Family
ID=50438279
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013100304/06A RU2511952C1 (en) | 2013-01-09 | 2013-01-09 | Gas turbine engine with free-piston gas generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2511952C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU172388U1 (en) * | 2016-12-09 | 2017-07-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | PURGE DEVICE FOR A FREE-PISTON TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH COLLECTING MOVING PISTONS |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU119405A1 (en) * | 1937-01-07 | 1958-11-30 | И.В. Варшавский | Gas / air mixture generator |
| GB812420A (en) * | 1955-01-25 | 1959-04-22 | Vannevar Bush | Improvements in or relating to internal combustion engines |
| SU129900A1 (en) * | 1958-11-03 | 1959-11-30 | Е.Н. Асеев | Four cylinder shaftless gas generator |
| GB901903A (en) * | 1958-04-09 | 1962-07-25 | Soc Es Energie Sa | Improvements in and relating to the starting and stopping of free-piston engines |
| WO2007086729A1 (en) * | 2006-01-25 | 2007-08-02 | Hendrikus Peter Van Der Waal | Pneumatic operating driving device |
-
2013
- 2013-01-09 RU RU2013100304/06A patent/RU2511952C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU119405A1 (en) * | 1937-01-07 | 1958-11-30 | И.В. Варшавский | Gas / air mixture generator |
| GB812420A (en) * | 1955-01-25 | 1959-04-22 | Vannevar Bush | Improvements in or relating to internal combustion engines |
| GB901903A (en) * | 1958-04-09 | 1962-07-25 | Soc Es Energie Sa | Improvements in and relating to the starting and stopping of free-piston engines |
| SU129900A1 (en) * | 1958-11-03 | 1959-11-30 | Е.Н. Асеев | Four cylinder shaftless gas generator |
| WO2007086729A1 (en) * | 2006-01-25 | 2007-08-02 | Hendrikus Peter Van Der Waal | Pneumatic operating driving device |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU172388U1 (en) * | 2016-12-09 | 2017-07-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский политехнический университет" (Московский Политех) | PURGE DEVICE FOR A FREE-PISTON TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH COLLECTING MOVING PISTONS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101779016B (en) | Method for operating an internal combustion engine and an internal combustion engine | |
| TW424128B (en) | Operating process and motor device using additional compressed air injection operating on a mono-energy or dual-energy dual-or-triple-supply mode | |
| TW201124615A (en) | Hydraulic internal combustion engines | |
| AU2011311695B2 (en) | Mono-energy and/or dual-energy engine with compressed air and/or additional energy, comprising an active chamber included in the cylinder | |
| JP2002505399A (en) | Free piston internal combustion engine | |
| US8387570B2 (en) | Coke burning engine | |
| CN107939520A (en) | To cylinder two-stroke internal combustion engine | |
| HU177669B (en) | Method and mechanism for starting compressed-air four-stroke internal combustion motor | |
| RU2622457C1 (en) | Internal combustion engine based on isothermal compression, its operating and management methods | |
| US9140181B2 (en) | Power-producing apparatus and method | |
| US20010039795A1 (en) | Internal combustion engine | |
| RU2511952C1 (en) | Gas turbine engine with free-piston gas generator | |
| US6779334B2 (en) | Power stroke engine | |
| EP3728815B1 (en) | System and method for generating power | |
| CN101253316A (en) | Steam enhanced double piston cycle engine | |
| CN111120090B (en) | Energy storage type power device | |
| JPH01280601A (en) | Water vapour explosion prime mover | |
| US8266884B1 (en) | Asynchronous combustion system | |
| WO2016038384A1 (en) | An internal combustion engine with a 4-stroke expansion cycle | |
| RU2724071C1 (en) | Piston engine and method of using fuel in piston engine | |
| RU2240434C1 (en) | Method of operation and design of internal combustion engine | |
| CZ299256B6 (en) | Thermodynamic effective device for driving motor vehicles and method of increasing thermodynamic efficiency of piston-type internal combustion engines | |
| RU2735973C1 (en) | Four-stroke piston internal combustion engine with isobar heat supply and removal | |
| RU124740U1 (en) | LOW-SIZED PULSING ROCKET ENGINE OF MULTI-TIME CONTROLLED START ON LIQUID AND PASTE FUEL | |
| US3209697A (en) | Variable stroke inertial converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160110 |