POLSKA OPIS PATENTOWY 145 453 RZECZPOSPOLITA LUDOWA PATENTU TYMCZASOWEGO A53A fp URZĄD PATENTOWY PRL Patent tymczasowy dodatkowy Zgłoszono: 86 04 08 (P. 258866) Pierwszeństwo Zgłoszenie ogłoszono: 87 04 21 Opis patentowy opublikowano: 89 04 29 Int. Cl.4 F02C 5/06 [CZYTELNIT Twórcywynalazku: Jan Grzywnowicz, Bartłomiej Grzywnowicz, Jerzy Pasich Uprawniony z patentu tymczasowego: Naczelna Ogranizacja Techniczna - Oddział Krakowski- Zespół Usług Technicznych, Kraków (Polska) Turbinowy silnik spalinowy, zwłaszcza do napędu pojazdów Przedmiotem wynalazku jest turbinowy silnik spalinowy, w którym czynnikiem roboczym są gazy spalinowe uzyskane ze spalania paliwa ciekłego lub gazowego. Podstawowymi energetycznie zespołami turbinowych silników spalinowych są oprócz turbiny napędowej, sprężarka oraz komora spalania - spełniające wspólnie funkcję generatora gazów spalinowych. W zakresie niewielkich mocy, rzędu do 500 kw, najpowszechniejszym rozwiązaniem jest silnik dwuwałowy, którego rozwiązanie polega na współosiowym obok siebie usytuowaniu dwóch turbin osadzonych na mechanicznie nie sprzężonych wałach. Pierwsza z turbin, wysokiego ciśnienia napędza wałem wewnętrznym sprężarkę odśrodkową powietrza, druga turbina osadzona na wale zewnętrznym odbioru mocy jest turbiną napędową niskiego ciśnienia. Sprężone powietrze doprowadzonejest do otwartych komór spalania, gdzie w sposób ciągły wtryskiwane i spalanejest paliwo. Gazy spalinowe przepływając kolejno przez łopatki wirnika turbiny wysokiego i niskiego ciśnienia przekazują energię kinetyczną zamieniającją na siłę napędową w sytuacji wykorzystania turbinowego silnika przekładni zwalniającej obroty wału turbiny napędowej. Rozwiązania dotychczasowych silników turbinowych są bardzo skomplikowane technicznie, technologicznie trudne i kosztowne. Szczególnym, znacznie komplikującym budowę, problemem jest chłodzenie i smarowanie elementów wysokoobciążonych termicznie. Przykładowo, częstym rozwiązaniem chłodzeniajest doprowadzenie powietrza osiowym otworem wewnątrz wału turbiny i rozprowadzanie go promieniowo do wnętrza łopatek. Chłodzenie jest mało skuteczne, co zmusza do stosowania drogich materiałów i skomplikowanych technologii. Znane jest również z polskiego opisu patentowego nr 7 370 rozwiązanie zespołu turbinowego silnika spalinowego, w którym generatorem gazów spalinowych jest wielocylindrowa, niskoobrotowa sprężarka tłokowa napędzana przekładnią zwalniającą od wału turbiny. Każda z komór sprężania wyposażona jest w samoczynny zawór ssący oraz sterowane układem rozrządu zawór wydechowy oraz zawór wtrysku paliwa ciekłego. Odpowiednio dobrany układ rozrządu zapewnia powolny, stopniowy przebieg spalania paliwa, a powstałe gazy spalinowe rozprężając się przepły wają do dysz silnika turbinowego. W opisanym rozwiązaniu sposób spalania paliwa oraz związana z tym znaczna pulsacja ciśnienia gazów spalinowych zasilających silnik turbinowy powodują niską sprawność ogólną zespołu.
2 145 453 Turbinowy silnik spalinowy według wynalazku ma usunąć przedstawione niedogodności przez opracowanie nowego, prostego konstrukcyjnie i technologicznie rozwiązania. W tym celu silnik turbinowy wyposażony w sprężarkę tłokową napędzaną przez przekładnię zwalniającą od wału turbiny napędowej posiada komorę spalania, którą stanowi zamknięta przestrzeń połączona przez zawór odcinający z komorą roboczą sprężarki i przez zawór odprężający z turbiną napędową. Otwarcie zaworu odcinającego i odprężającego sterowane jest mechanicznie od wału sprężarki tłokowej. Przedstawione rozwiązanie podstawowe silnika pracuje z zapłonem iskrowym lub samo czynnym mieszanki w komorze spalania. Silnik z zapłonem iskrowym posiada zabudowaną w komorze spalania świecę zapłonową, natomiast sprężarka wyposażona jest w dwa odrębne, zakończone zaworami wlotowymi układy ssące. Jeden z układów posiada urządzenie wprowadzania paliwa w strumień zasysanego powie trza. Urządzeniem tym w zależności od rodzaju paliwa może być dla lekkiego paliwa ciekłego gaźnik lub niskociśnieniowy wtryskiwacz, dla paliwa gazowego mieszalnik. Zawory wlotowe sterowane są mechanicznie z przemiennym otwarciem w kolejnych cyklach od wału sprężarki tłokowej. Silnik z zapłonem samoczynnym według wynalazku ma wtryskiwacz oleju napędowego zabu dowany w komorze spalania, którego wtrysk sterowanyjest od wału sprężarki z częstotliwością co drugiego cyklu sprężania. W przedstawionym silniku turbinowym według wynalazku każda przemiana termodynami czna odbywa się w innym miejscu, którego konstrukcja może być najwłaściwiej dla warunków danej przemiany dostosowana. Problem przegrzania elementów turbiny jest wyeliminowany przez przemienne stosowanie dwóch różnych przemian termodynamicznych. Po przemianie pracy ze spalaniem paliwa, następna przemiana odbywa się bez dostarczania paliwa na czystym powietrzu, co powoduje schłodzenie wewnętrznych ścianek sprężarki i komory spalania, a odzyskane ciepło zamieniane jest na pracę w turbinie. Silnik ma prostą konstrukcję, a ponadto mimo wysokiej temperatury spalania średnia temperatura wnętrza turbiny i przewodów gazowych jest na tyle niska, że niejest koniecznym stosowanie specjalnych żaroodpornych materiałów konstrukcyjnych. Odbiór mocy dokonany jest z wału sprężarki, wirującego z prędkością obrotową w zakresie odpowiednim dla jednostek napędowych pojazdów, na przykład samochodowych. Pełne zrozumienie wynalazku umożliwi poznanie przykładowego rozwiązania silnika turbi nowego zobrazowanego schematycznie na rysunku, którego fig. 1 przedstawia przekrój poprze czny silnika, a fig. 2 - przekrój osiowy sprężarki tłokowej według linii A-A z fig. 1. Silnik ma zapłon iskrowy, zasilany jest lekkim paliwem płynnym. Podstawowymi zespołami silnikajest sprężarka tłokowa B, komora spalania C oraz turbina D - połączone w przepływie gazu sterowanym rozrządem zaworowym. Sprężarka tłokowa B składa się z: cylindra 1, tłoka 2, korbowodu 3, wału korbowego 4, korpusu 5, głowicy 6 wyposażonej w dwa zawory wlotowe 7 i 8 oraz zawór odcinający 9. Zawór wlotowy 7 steruje przepływem powietrza z układu ssącego, w którym zainstalowane jest urządzenie wprowadzania paliwa 10 w postaci gaźnika, natomiast układ ssący zaworu wlotowego 8 nie posiada urządzenia do rozpylania paliwa. Na głowicy 6 sprężarki tłokowej B zamocowana jest komora spalania C wyposażona w zawór odprężający 11 i świecę zapłonową 12. Pomiędzy zaworem odprężającym 11 i turbiną napędową D znajduje się dysza 14. Wał turbiny napędowej D połączony jest z wałem korbowym 4 sprężarki tłokowej B przekładnią kół zębatych 13, 15 o przełożeniu 1:4. Silnik posiada ponadto układ rozrządu 16 sterujący otwieraniem zaworów tłokowych 7 albo 8 oraz zaworu odcinającego 9 i odprężającego 11. Ruch tłoka 2 sprężarki tłokowej B w kierunku korbowym powoduje, że przez zawór wlotowy 7 do cylindra 1 zasysana jest mieszanka palna. W suwie odkorbowym mieszanka jest sprężana i przetłaczana przez otwarty zawór odcinający 9 do komory spalania C. Po przejściu tłoka 2 przez punkt zwrotny zostaje zamknięty zawór odcinający 9, przeskok iskry między elektrodami świecy zapłonowej 12 powoduje zapłon i spalanie mieszanki w komorze spalania C. Równocześnie w cylindrze 1 otwiera się zawór wlotowy 8, przez który w następującym suwie zasysane zostaje czyste powietrze. Po wychyleniu korby wału 4 o około 15 do 25 otwiera sięzawór odprężający 11, gazy spalinowe rozprężają się w dyszy 14 przepływając z dużą prędkością do turbiny napędowej D. Zawór odprężający 11 zamykany jest układem rozrządu 16 dopiero po dwóch obrotach wału
145 453 3 korbowego 4 sprężarki tłokowej B. W międzyczasie rozpoczyna się sprężanie zassanego do cylindra 1 sprężarki tłokowej B czystego powietrza. Po przebyciu około połowy skoku tłoka 2 otwiera się zawór odcinający 9, zimne powietrze lekko sprężone napływa do komory spalania C, gdzie nagrzewa się od jej ścianek oraz miesza z resztą spalin i wypływa przez zawór odprężający 11 do turbiny napędowej D. Przepływając przez łopatki turbiny napędowej D oddaje swą energię, chłodząc je jednocześnie. Tenbezpaliwowy obieg termodynamiczny przebiega przy niskich ciśnie niach, energia mechaniczna wytwarzana jest przez zwiększenie objętości. Zysk pracy przy nim jest niewielki, natomiast znacznie obniża się temperatura ścianek komory spalania C, zaworu odpręża jącego 11, dyszy 14 oraz turbiny napędowej D. Rozwiązanie silnika turbinowego z zapłonem samoczynnym mieszanki w komorze spalania C, różni się od opisanego powyżej występowaniem pojedynczego układu ssącego sprężarki, z zawo rem wlotowym 8, który sterowany jest samoczynnie ciśnieniem. W komorze spalania C zainstalo wany jest wtryskiwacz lub pompowtryskiwacz, sprzężony pracą z cyklem sprężarki tak, że wtrysk następuje z częstotliwością co drugiego cyklu sprężania. Zapewnia to występowanie podwójnego obiegu termodynamicznego. Zastrzeżenia patentowe 1. Turbinowy silnik spalinowy, zwłaszcza do napędu pojazdów, zawierający turbinę napę dową oraz tworzące generator gazów spalinowych: napędzaną przez przekładnię zwalniającą od wału turbiny napędowej sprężarkę tłokową i komorę spalania paliwa, znamienny tym, że komorę spalania (C) stanowi zamknięta przestrzeń łączona przez zawór odcinający (9) z komorą roboczą sprężarki tłokowej (B) i przez zawór odprężający (11) z turbiną napędową (D), przy czym otwarcie zaworu odcinającego (9) i odprężającego (11) sterowane jest mechanicznie od wału sprężarki tłokowej (B). 2. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężarka tłokowa (B) ma dwa odrębne, zakoń czone zaworami wlotowymi (7,8) układy ssące, z którychjeden posiada urządzenie wprowadzania paliwa (10) w strumień zasysanego powietrza, ponadto zawory wlotowe (7, 8) sterowane są mechanicznie z przemiennym otwarciem w kolejnych cyklach od wału sprężarki tłokowej (B), natomiast w komorze spalania (C) zabudowana jest świeca zapłonowa (12). 3. Silnik według zastrz. 1, znamienny tym, że w komorze spalania (C) zabudowany jest wtryskiwacz paliwa, którego wtrysk sterowanyjest od wału sprężarki tłokowej (B) z częstotliwością co drugiego cyklu sprężania.
145453 I A Fi91
145453 4-A Fig2