RU2635953C2

RU2635953C2 - Pulsating gas turbine engine

Info

Publication number: RU2635953C2
Application number: RU2016113477A
Authority: RU
Inventors: Фарит Рифатович Габбасов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Пакер"
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2017-11-17
Also published as: RU2016113477A

Abstract

FIELD: engine devices and pumps.

SUBSTANCE: pulsating gas turbine engine comprises a body, a rotor equipped with jet engines with a compressor on a shaft, and a gas turbine fitted coaxially on the rotor shaft. The rotor with tangentially installed pulsating jet engines is built into the gas turbine with blades which is bifurcated in form of a fork and mounted coaxially on the rotor shaft enclosing it symmetrically on both sides. The blades of the turbine are provided with shaped cuts with slight clearance along the contour of nozzles of pulsating jet engines made in form of parabolic chambers. Spark plugs of fuel-air mixture coming from flow channels through check valves are installed in foci of parabolic chambers arranged in apexes of the parabolic chambers, into which by means of fuel channels with the help of conical air intakes mounted on the rear sides of the parabolic chambers which act as compressors and forming jet pumps are supplied with fuel in the form of fuel-air mixture (aerosol). From outlet nozzles of the parabolic chambers, the focused flows of combustion products of fuel-air mixture are directed to the of gas turbine blades. The opposite torques on the rotor shaft and on coaxial turbine shaft are summed with the help of differential.

EFFECT: increased efficiency of the pulsating gas turbine engine.

3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в автомобилях, мотоциклах, катерах, дельтапланах, бензопилах, газонокосилках и т.п.The present invention relates to the field of engine manufacturing and can be used in cars, motorcycles, boats, hang gliders, chainsaws, lawn mowers, etc.

Известен газотурбинный струйный двигатель [Патент РФ №2441998, МПК F02C 3/16 и F01D 1/32, опубликован 10.02.2012], включающий вращающуюся камеру сгорания, компрессор подачи воздуха, систему подвода топлива, систему охлаждения и воспламенения, камера оснащена тангенциально расположенными реактивными соплами, системой охлаждения жидкометаллическим теплоносителем, системой дополнительных полых роторов, вращающихся посредством шестеренчатых редукторов и передающих крутящий момент валу отбора мощности.Known gas turbine jet engine [RF Patent No. 2441998, IPC F02C 3/16 and F01D 1/32, published 02/10/2012], including a rotating combustion chamber, air supply compressor, fuel supply system, cooling and ignition system, the chamber is equipped with tangentially located reactive nozzles, a cooling system with a liquid metal coolant, a system of additional hollow rotors that rotate by means of gear reducers and transmitting torque to the power take-off shaft.

Безусловно, многоступенчатая передача газоструйной энергии реактивными соплами на выходной вал со сложными системами обеспечения позволяет достичь высокой экономичности газотурбинного двигателя. Однако данное техническое решение весьма сложное по своей конструкции и реализации.Of course, the multi-stage transmission of gas-jet energy by jet nozzles to the output shaft with complex support systems allows achieving high efficiency of the gas turbine engine. However, this technical solution is very complex in its design and implementation.

Известно газотурбинное устройство (прототип) [Международная заявка WO 93/19290 А1 (Гулевский А.Н.), опубликовано 30.09.1993], имеющее ротор, снабженный струйными реактивными двигателями, установленными на нем тангенциально, в котором для увеличения степени сжатия воздуха, подаваемого в камеры сгорания, на валу ротора установлен поршневой компрессор. А для более полного использования энергии реактивных струй на валу ротора установлена на дополнительном коаксиальном валу газовая турбина, взаимодействующая с реактивными струями и приводящая ее в противоположное вращение.A gas turbine device (prototype) is known [International application WO 93/19290 A1 (Gulevsky AN), published September 30, 1993] having a rotor equipped with jet jet engines mounted tangentially on it, in which to increase the degree of compression of the air supplied in the combustion chambers, a piston compressor is installed on the rotor shaft. And for a more complete use of the energy of the jet jets on the rotor shaft, a gas turbine is installed on the additional coaxial shaft, interacting with the jet jets and leading it to the opposite rotation.

Это более простое по конструкции устройство, но в нем для подачи воздуха в камеры сгорания используется поршневой компрессор, а в аналоге центробежный. Так что никакого повышения КПД за счет использования равноценного компрессора в этом устройстве по сравнению с аналогом не ожидается. Эффект газотурбинного устройства заключается в повышении КПД за счет использования энергии реактивных струй турбиной, которая создает дополнительный вращающий момент. Однако применение типовой газовой турбины и камер сгорания в предлагаемом устройстве не позволяет максимально ее использовать для получения дополнительного вращающего момента. К тому же, аналог и прототип используют энергию струйных, т.е. непрерывно действующих реактивных двигателей.This device is simpler in design, but it uses a reciprocating compressor to supply air to the combustion chambers, and in the centrifugal analogue. So, no increase in efficiency due to the use of an equivalent compressor in this device compared to its analog is expected. The effect of the gas turbine device is to increase the efficiency due to the use of the energy of the jet jets by the turbine, which creates additional torque. However, the use of a typical gas turbine and combustion chambers in the proposed device does not allow its maximum use for additional torque. In addition, the analogue and prototype use the energy of the inkjet, i.e. continuously operating jet engines.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков.The aim of the invention is to remedy these disadvantages.

Эта цель достигается тем, что в предлагаемом изобретении предлагается пульсирующий газотурбинный двигатель, в котором ротор с тангенциально установленными пульсирующими реактивными двигателями, встроен в раздвоенную в виде вилки газовую турбину, установленную коаксиально на валу ротора, охватывая его симметрично с обеих сторон, лопатки турбины выполнены с фасонными вырезами с небольшим зазором по контуру сопел пульсирующих реактивных двигателей, выполненных в виде параболических камер, в фокусах которых установлены свечи зажигания топливовоздушной смеси, поступающей из проходных каналов через обратные клапаны, расположенные в вершинах параболических камер, в которые по топливным каналам с помощью конических воздухозаборников, установленных на тыльных сторонах параболических камер, выполняющих функцию компрессоров и образующих струйные насосы, подается топливо в виде топливовоздушной смеси (аэрозоля), из выходных сопел параболических камер сфокусированные в пульсирующие фронты горения топливовоздушной смеси изнутри направлены на лопатки газовой турбины, при этом противоположно направленные крутящие моменты вала ротора и коаксиального вала турбины складываются с помощью суммирующего дифференциала.This goal is achieved by the fact that the present invention proposes a pulsating gas turbine engine in which a rotor with tangentially mounted pulsating jet engines is integrated in a forked gas turbine mounted coaxially on the rotor shaft, covering it symmetrically on both sides, the turbine blades are made with shaped cut-outs with a small gap along the contour of the nozzles of pulsating jet engines made in the form of parabolic chambers, in the foci of which spark plugs are installed fuel-air mixture coming from passageways through non-return valves located at the tops of parabolic chambers, into which fuel is supplied in the form of a air-fuel mixture (aerosol) through the fuel channels using conical air intakes mounted on the rear sides of parabolic chambers that perform the function of compressors and forming jet pumps ), from the output nozzles of the parabolic chambers focused on the pulsating combustion fronts of the air-fuel mixture from the inside are directed to the blades of a gas turbine, This oppositely directed torques of the rotor shaft and the coaxial shaft of the turbine are added using the summing differential.

На фиг. 1 представлен в разрезе общий вид предлагаемого пульсирующего газотурбинного двигателя: 1 - корпус двигателя; 2 - стяжные болты; 3 - ротор; 4 - пульсирующие реактивные двигатели; 5 - параболические камеры сгорания; 6 - газовая турбина с лопатками; 7 - вал ротора; 8 - фасонные вырезы в лопатках; 10 - свечи зажигания; 11 - обратные клапаны; 12 - топливные каналы; 13 - конусные воздухозаборники; 14 - проходные каналы; 15 - канал для электропитания свечей; 16 - магистральный топливный канал; 18 - воздуховсасывающий трубопровод; 19 - газоотводящий трубопровод.In FIG. 1 is a sectional view of a general view of the proposed pulsating gas turbine engine: 1 — engine housing; 2 - coupling bolts; 3 - rotor; 4 - pulsating jet engines; 5 - parabolic combustion chambers; 6 - gas turbine with blades; 7 - rotor shaft; 8 - shaped cutouts in the blades; 10 - spark plugs; 11 - check valves; 12 - fuel channels; 13 - conical air intakes; 14 - passage channels; 15 - channel for powering candles; 16 - main fuel channel; 18 - air suction pipe; 19 - exhaust pipe.

На фиг. 2 представлен вид сбоку предлагаемого газотурбинного двигателя: 1 - корпус двигателя; 2 - стяжные болты; 3 - ротор; 4 - пульсирующие реактивные двигатели; 5 - параболические камеры сгорания; 6 - лопатки газовой турбины; 7 - вал ротора; 8 - фасонные вырезы в лопатках; 9 - вал коаксиально расположенной турбины; 10 - свеча зажигания; 11 - обратный клапан; 12 - топливные каналы; 15 - канал для электропитания свечей зажигания; 16 - магистральный топливный канал; 17 - шарикоподшипники.In FIG. 2 shows a side view of the proposed gas turbine engine: 1 - engine housing; 2 - coupling bolts; 3 - rotor; 4 - pulsating jet engines; 5 - parabolic combustion chambers; 6 - blades of a gas turbine; 7 - rotor shaft; 8 - shaped cutouts in the blades; 9 - shaft of a coaxially located turbine; 10 - a spark plug; 11 - check valve; 12 - fuel channels; 15 - channel for powering spark plugs; 16 - main fuel channel; 17 - ball bearings.

На фиг. 3 показана параболическая камера сгорания: 3 - ротор; 5 - параболическая камера сгорания; 10 - свеча зажигания; 11 - обратный клапан; 12 - топливный канал; 13 - воздухозаборник; 14 - проходной канал; 15 - канал для провода электропитания свечи; 20 - держатель пульсирующего реактивного двигателя; 21 - провод электропитания свечи; 22 - фокус; 23 - сфокусированный газовый фронт.In FIG. 3 shows a parabolic combustion chamber: 3 - rotor; 5 - parabolic combustion chamber; 10 - a spark plug; 11 - check valve; 12 - a fuel channel; 13 - air intake; 14 - passage channel; 15 - channel for power wire candles; 20 - holder of a pulsating jet engine; 21 - wire power candles; 22 - focus; 23 is a focused gas front.

Предлагаемый пульсирующий газотурбинный двигатель в разрезе (фиг. 1) состоит из корпуса 1 из двух половин, стянутых болтами 2, в котором размещен ротор 3, с тангенциально установленными пульсирующими реактивными двигателями 4 и встроен в раздвоенную в виде вилки газовую турбину 6, установленную коаксиально валу 7 ротора 3. Жестко посаженный на вал 7 ротор 3 с симметрично расположенными параболическими камерами сгорания 5 и воздухозаборниками 13 вращаются в фасонных вырезах 8, выполненных по контуру сопел пульсирующих реактивных двигателей 4. В фокусах параболических камер сгорания 5 установлены свечи зажигания 10 топливовоздушной смеси. Смесь поступает по топливным каналам 12 через проходные каналы 14 и обратные клапаны 11, расположенные в вершинах параболических камер 5, с помощью конических воздухозаборников 13, установленных на тыльных сторонах параболических камер 5. Воздухозаборники 13 с проходным каналом 14 при высокой скорости встречного вращения выполняют функцию компрессоров и образуют с топливными каналами 12 струйные насосы, с помощью которых топливо подается в виде топливовоздушной смеси (аэрозоля). Сфокусированные фронты горения топливовоздушной смеси в параболических камерах 5 при выходе из сопел формируются в газовые фронты, направленные на лопатки 6 газовой турбины и создающие последний крутящий момент, обратный моменту пульсирующих реактивных двигателей 4. Топливные каналы 12 соединяются внутри вала 3 в магистральный канал 16 и на выходе - с топливным баком (не показан на фиг. 1). Второй канал 15 предназначен для проводов электропитания свеч зажигания 10. Всасывание свежего воздуха в двигатель осуществляется по трубопроводу 18 самой турбиной. Выброс отработанных газов - также самой турбиной, но через трубопровод 19. Таким образом, двигатель работает как воздушный турбокомпрессор.The proposed pulsating gas turbine engine in the context (Fig. 1) consists of a housing 1 of two halves, tightened by bolts 2, in which the rotor 3 is placed, with tangentially mounted pulsating jet engines 4 and integrated into the forked fork gas turbine 6 mounted coaxially to the shaft 7 rotors 3. A rotor 3 rigidly mounted on the shaft 7 with symmetrically arranged parabolic combustion chambers 5 and air intakes 13 rotates in shaped cutouts 8 made along the nozzle circuit of pulsating jet engines 4. In around the parabolic combustion chambers 5, spark plugs 10 of the air-fuel mixture are installed. The mixture enters through the fuel channels 12 through the passage channels 14 and check valves 11 located at the vertices of the parabolic chambers 5, with the help of conical air intakes 13 mounted on the rear sides of the parabolic chambers 5. The air inlets 13 with the passage channel 14 at the high speed of oncoming rotation perform the function of compressors and form jet pumps with fuel channels 12, with which fuel is supplied in the form of a fuel-air mixture (aerosol). Focused combustion fronts of the air-fuel mixture in the parabolic chambers 5 when exiting the nozzles are formed into gas fronts directed to the blades 6 of the gas turbine and creating the last torque opposite to the moment of pulsating jet engines 4. The fuel channels 12 are connected inside the shaft 3 to the main channel 16 and to the outlet is with a fuel tank (not shown in Fig. 1). The second channel 15 is designed for the power supply wires of the spark plugs 10. Fresh air is sucked into the engine through a pipe 18 by the turbine itself. Emission of exhaust gases is also by the turbine itself, but through line 19. Thus, the engine acts as an air turbocharger.

На виде сбоку пульсирующего газотурбинного двигателя в разрезе (фиг. 2) показан корпус 1 из двух половин, стянутый болтами 2, внутри которого размещена газовая турбина с лопатками 6, закрепленными на коаксиальном валу 9 в шарикоподшипниках 17 между корпусом 1 и валом ротора 7, на котором жестко закреплен ротор 3 с установленными на нем параболическими камерами сгорания 5, вращающимися в фасонных вырезах 8 лопаток турбины 6. Газовая турбина 6 выполнена раздвоенной в виде вилки, симметрично охватывающей с обеих сторон с небольшим зазором ротор 3 с камерами 5. В разрезе верхней части чертежа в проеме сопла видны следующие лопатки газовой турбины 6, в которые попадает реактивная газовая струя. В разрезе нижней части показаны обратный клапан 11 и свеча зажигания 10. Противоположно направленные крутящие моменты вала ротора 7 и вала 9 коаксиальной турбины 6 суммируются с помощью дифференциала (не показан на фиг. 1).A side view of a pulsating gas turbine engine in section (Fig. 2) shows a housing 1 of two halves, tightened by bolts 2, inside which there is a gas turbine with blades 6 mounted on a coaxial shaft 9 in ball bearings 17 between the housing 1 and the rotor shaft 7, which rotor 3 is rigidly fixed with parabolic combustion chambers 5 mounted on it, rotating in shaped cutouts 8 of turbine blades 6. The gas turbine 6 is bifurcated in the form of a fork, symmetrically covering on both sides with a small gap the rotor 3 with measures 5. In the context of the upper part of the drawing in the opening of the nozzle, the following blades of the gas turbine 6 are visible, into which the jet gas stream enters. The section of the lower part shows the check valve 11 and the spark plug 10. The oppositely directed torques of the rotor shaft 7 and the shaft 9 of the coaxial turbine 6 are summed using a differential (not shown in Fig. 1).

Камера сгорания топливовоздушной смеси (фиг. 3) выполнена в виде параболоида вращения, обладающего свойством фокусирования 22 фронта горения и направленного пульсирующего действия сформированного газового фронта 23 из сопла параболической камеры 5 изнутри на лопатки газовой турбины 6. Удлиненная свеча зажигания 10 питается от электропровода 21, пропущенного в канале 15, и размещается над или сбоку от проходного канала 14 для топливовоздушной смеси напротив обратного клапана 11 так, чтобы электроды ее находились в фокусе параболической камеры 5 и искра воспламеняла смесь в этом фокусе. Конический воздухозаборник 13 при встречном вращении ротора 3 концентрирует захваченный поток воздуха проходным каналом 14 и образует высокоскоростную струю воздуха в нем с большим давлением, которая с топливным каналом 12 образует струйный эффект (струйный насос). Впрыснутая в параболическую камеру 5 топливовоздушная смесь (аэрозоль) поджигается искрой свечи 10 и высокое давление горения смеси автоматически закрывает обратный клапан 11, накапливая давление в проходном канале 14 для очередного впрыскивания. Параболическая камера 5 и воздухозаборник 13 закреплены на роторе 3 с помощью держателя 20. Сгоревшая топливовоздушная смесь на выходе из сопла параболической камеры 5 переходит в газовый фронт и распространяется со скоростью 20-40 м/с. При этом давление газов в фокусе 22 камеры падает, а давление в проходном канале 14 достигает максимума. В результате обратный клапан 11 открывается. Синхронно с очередным впрыскиванием топливовоздушной смеси в параболическую камеру 5 подается искра (ни опережая, ни опаздывая) для поджига этой смеси, и так называемый PV-цикл Хамфри завершается («Р-V» - давление-объем).The combustion chamber of the air-fuel mixture (Fig. 3) is made in the form of a paraboloid of revolution, with the property of focusing 22 of the combustion front and directed pulsating action of the formed gas front 23 from the nozzle of the parabolic chamber 5 from the inside to the blades of the gas turbine 6. The elongated spark plug 10 is powered by an electric wire 21, passed in the channel 15, and is located above or to the side of the passage channel 14 for the air-fuel mixture opposite the check valve 11 so that its electrodes are in the focus of the parabolic chamber 5 and a spark ignited the mixture in that focus. The conical air intake 13 in the opposite rotation of the rotor 3 concentrates the trapped air stream through the passage channel 14 and forms a high-speed jet of air in it with high pressure, which with the fuel channel 12 forms a jet effect (jet pump). The fuel-air mixture (aerosol) injected into the parabolic chamber 5 is ignited by the spark plug 10 and the high combustion pressure of the mixture automatically closes the check valve 11, accumulating pressure in the passage channel 14 for the next injection. The parabolic chamber 5 and the air intake 13 are mounted on the rotor 3 using the holder 20. The burnt air-fuel mixture at the outlet of the nozzle of the parabolic chamber 5 passes into the gas front and propagates at a speed of 20-40 m / s. In this case, the gas pressure in the focus 22 of the chamber decreases, and the pressure in the passage channel 14 reaches a maximum. As a result, the check valve 11 opens. Simultaneously with the next injection of the air-fuel mixture into the parabolic chamber 5, a spark is supplied (neither ahead nor late) to ignite this mixture, and the so-called Humphrey PV cycle is completed ("P-V" - pressure-volume).

Пульсирующий газотурбинный двигатель работает следующим образом.A pulsating gas turbine engine operates as follows.

Открывается топливная магистраль 16, включается электронная система зажигания по каналу 15 на 2,4 или более пульсирующих реактивных двигателя 4 и с помощью стартера (не показан на фиг. 1) раскручивается ротор 3 с реактивными двигателями 4 до полного запуска газовой турбины с лопатками 6. При этом на рабочий режим выходят все пульсирующие реактивные двигатели 4, совершая во всех одновременно пульсирующих реактивных двигателях от 45 до 250 PV-циклов в секунду. Вал ротора 3 и коаксиальный вал 9 газовой турбины с противоположными крутящими моментами нагружены на суммирующий дифференциал (не показан на фиг. 1), с вала которого снимается полезная мощность.The fuel line 16 opens, the electronic ignition system is turned on through the channel 15 for 2.4 or more pulsating jet engines 4 and, using a starter (not shown in Fig. 1), the rotor 3 with jet engines 4 is untwisted until the gas turbine with blades 6 is fully started. At the same time, all pulsating jet engines 4 enter the operating mode, performing in all simultaneously pulsating jet engines from 45 to 250 PV cycles per second. The rotor shaft 3 and the coaxial shaft 9 of the gas turbine with opposite torques are loaded on a summing differential (not shown in Fig. 1), from the shaft of which the useful power is removed.

Технический эффект: Взаимодействие пульсирующих реактивных параболических камер изнутри лопаток газовой турбины с автономными воздухозаборниками (вместо компрессора на валу) повышает КПД газотурбинного двигателя.Technical effect: The interaction of pulsating jet parabolic chambers from inside the gas turbine blades with autonomous air intakes (instead of a compressor on the shaft) increases the efficiency of the gas turbine engine.

Claims

A pulsating gas turbine engine comprising a housing, a rotor equipped with jet engines with a compressor on the shaft, and a gas turbine coaxially mounted on the rotor shaft, characterized in that the rotor with tangentially mounted pulsating jet engines is integrated into a forked gas turbine with vanes installed coaxially on the rotor shaft, covering it symmetrically on both sides, the turbine blades are made with shaped cut-outs with a small clearance along the nozzle contour of pulsating jet engines parabolic chambers, in the foci of which are installed spark plugs of the air-fuel mixture coming from the passage channels through check valves located at the tops of the parabolic chambers, into which through the fuel channels using conical air intakes installed on the rear sides of the parabolic chambers that perform the function compressors and forming jet pumps, fuel is supplied in the form of an air-fuel mixture in the form of an aerosol, focused flow from the output nozzles of the parabolic chambers and combustion products of the air-fuel mixture are directed to the blades of a gas turbine, while the oppositely directed torques on the rotor shaft and on the coaxial shaft of the turbine are summed using a differential.