Способ шевцова и.а. работы газотурбинного двигателя и двигатель шевцова и.а. для его осуществления

 

Использование: в стационарных газотурбинных установках. Сущность изобретения: газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, газовую турбину с ротором и рабочими каналами и выхлопное устройство, также снабжен трубопроводом возврата части циклового воздуха в компрессор и трубопроводом рециркуляции циклового воздуха в камеру сгорания, ротор выполнен коническим, а рабочие каналы - закрытыми, винтовыми, изогнутыми по направлению вращения, цикловой воздух сжимают в компрессоре, охлаждают ротор турбины цикловым воздухом, после чего цикловой воздух разделяют на две части, одну часть смешивают с топливом и сжигают в камере сгорания, а другую - возвращают в компрессор. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к машиностроению в частности к турбиностроению, а именно к газотурбинным двигателям и способам их работы.

Известен способ работы газотурбинного двигателя путем подачи свежего воздуха в компрессор, сжатия его в нем, подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, в которую через форсунку непрерывно под давлением подают топливо, сгорания топлива при коэффициенте избытке воздуха а = 1,0-1,5 при температуре более 1800, добавления за зоной горения топлива дополнительного количества воздуха для снижения температуры топливных газов до 800, переток этих топливных газов между неподвижными направляющими лопатками, а затем между вращающимися рабочими лопатками на диске турбины, расширения топливных газов в каналах между рабочими лопатками, преобразования реакции струи газов во вращательную энергию вала диска турбины с полезной нагрузкой (электрогенератор или др. ), удаления топливных газов наружу.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, турбину и камеру сгорания, внутри которой устроена топливная форсунка, жаровая труба, направляющие неподвижные лопатки, ротор с рабочими лопатками для преобразования энергии струи горячих топливных газов во вращательную энергию вала с полезной нагрузкой (см. книгу Автомобильные двигатели, Богданов С. Н. и др. , М. : Машиностроение, 1987, с. 351-353).

Однако известный двигатель, работающий по известному способу, характеризуется полезной мощностью, составляющей небольшую долю от мощности турбины, а так же невысокой экономичностью.

Цель изобретения - повышение экономичности и полезной мощности.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу работы двигателя путем подачи свежего воздуха в компрессор, сжатия в нем воздуха, подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха а = 1,0-1,5 при температуре более 1800, добавления за зоной горения дополнительного количества воздуха, направления после этого топливных газов в устройство для расширения и преобразования энергии струи топливных газов во вращательную энергию ротора, находящегося на валу с полезной нагрузкой, удаления топливных газов наружу, расширение топливных газов производят в винтообразных реактивных соплах, смонтированных на боковой поверхности ротора на одной оси с полезной нагрузкой.

Свежий сжатый воздух направляют для охлаждения ротора и наружных стенок сопел, после чего часть теплого сжатого воздуха из камеры сгорания подвергают рециркуляции с охлаждением в радиаторе и после этого направляют его опять для охлаждения снаружи стенок реактивных сопел и других горячих частей ротора.

Указанная цель достигается так же тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор, камеру сгорания, внутри которой располагается жаровая труба, форсунка, ротор с устройством для преобразования энергии струи нагретых газов из жаровой трубы во вращательную энергию ротора, находящегося на одном валу с полезной нагрузкой, на боковой поверхности ротора устроены винтообразные реактивные сопла, имеющие в начале своем сужающееся, а затем расширяющееся сечение.

Каждое сопло на начальном отрезке своей длины может быть выполнено изогнутым по дуге в сторону направления вращения ротора.

На фиг. 1 представлен двигатель для реализации предложенного способа работы; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.

Двигатель для реализации предлагаемого способа используется, например в парогазо-турбоустановке с низконапорным парогенератором (см. книгу Газотурбинные установки, Кострюк А. Г. , Шерстюк А. Н. , М. : Высшая школа, 1979, с. 234).

Предлагаемый двигатель содержит ротор 1, который может вращаться на валу 2. Ротор 1 представляет из себя пустотелую конструкцию в виде усеченного конуса. Его боковая поверхность 3 (см. так же фиг. 2), зафиксирована на валу несколькими спицами внутри ротора 1 (не показаны) и основаниями 4.

На боковой поверхности 3 устроены реактивные винтообразные сопла 5 в количестве нескольких штук, имеющие, например на большей части своей длины полукруглое сечение, а на начальном отрезке - круглое. Каждое сопло 5 по своей длине на начальном отрезке имеет сужающееся сечение 6, а затем - расширяющееся сечение 7 вплоть до своего конца. Площадь его расширения на выходе газов определяется исходя из необходимости получения требуемых энергетических показателей для турбины.

В начале своей длины вместе с этим сопло 5 может быть изогнуто по дуге 6 вершиной в сторону направления вращения ротора 1. В свободных промежутках между стенками сопел 5 в боковой поверхности 3 ротора 1 устроены отверстия 8 для перетока воздуха из внутреннего объема ротора 1 в пространстве вокруг него в кожухе 9.

Вокруг вала 2 с одной и другой стороны от ротора 1 устроены трубы 10 и 11. Они предохраняют вал от соприкосновения с горячими газами. Вместе с этим по трубе 10 ведется транспортная свежего сжатого воздуха внутрь ротора 1, куда он поступает через отверстия в малом основании ротора (не показаны). Сжатый воздух поступает в двигатель по воздуховоду 12 от турбокомпрессора (не показан).

В трубу 11 свежий сжатый воздух попадает через отверстие 13 в большим основании ротора 1, предохраняя вал 2 и подшипник от соприкосновения с горячими газами. Подшипники для вала 2 и уплотнения от пропуска сжатого воздуха наружу (не показаны), устроены в наружных концах труб 10 и 11.

Топливо сжигают в камере сгорания 14. Для этого в ней устроены форсунки 15 внутри жаровых труб 16 с отверстиями для воздуха 17. Концы жаровых труб объединены кольцеобразной камерой 18, через которую топливные газы непрерывно подаются в устья 6 каждого сопла 5. Стенки жаровых труб 16 и стенки камеры 18 охлаждаются водяной рубашкой (не показана).

Пространство в кожухе 9 отделено от объема камеры сгорания 14 перегородкой 19, а для перетока теплого воздуха из пространства в кожухе 9 в объем камеры сгорания 14 устроен перепускной трубопровод 20.

Отработавшие газы из сопел 5 собираются в сборную камеру 21 и отводятся из нее для дальнейшего использования по трубе 22.

Большое и малое основание ротора 1 устроено с краями 23 и 24, выступающими за габариты боковой поверхности 3. Эти края образуют щели (лабиринтные уплотнения) с перегородками 19 и 25. Аналогично устроены и другие места сопряжения: между большим и малым основаниями ротора 1 и неподвижными краями труб 10, 11 и кольцеобразной камерой 18.

Для рециркуляции сжатого воздуха устроен эксгаустер 26, который отсасывает часть теплого воздуха из камеры сгорания 14 через радиатор 27, охлаждается, а затем возвращает его во внутрь трубы 10, где он смешивается со свежим сжатым воздухом и подается в ротор 1 и т. д.

Способ осуществляют следующим образом. Свежий сжатый воздух от турбокомпрессора (не показан) по воздуховоду 12, подают внутрь трубы 10 и далее через отверстия (не показаны) в малом основании он поступает внутрь ротора 1, где циркулируя между перегородок (не показаны), охлаждает нагретые топливными газами части изнутри ротора 1, а затем проходит в отверстия 8 в боковой стенке 3 ротора 1 в пространство внутри кожуха 9 и охлаждает наружные стенки сопел 5 и другие нагретые места ротора 1.

По перепускному трубопроводу 20 сжатый воздух, нагревшись проходит в объем камеры сгорания 14. Здесь теплый сжатый воздух распределяется между форсунками 15, находящимися в жаровых трубах 16. Горячий воздух от сжигания топлива из жаровых труб собираются в кольцеобразную камеру 18, откуда непрерывно поступает в устья 6 сопел 5.

В сужающейся их части поток топливных газов ускоряется, а затем еще больше ускоряется в расширяющейся части сопел 5. Топливные газы, проходя в начале по изогнутой части сопел 5 в виде дуги, создают активную реакцию, направленную в сторону вращения ротора 1, а выходя из сопел 5 в сборную камеру 21, создают реактивную реакцию, одна из составляющих которой будет направлена в сторону вращения ротора 1, а другая будет направлена вдоль вала 2 в сторону к устьям 6 сопел 5, которую на практике компенсируют, устраивая на одном валу 2 для ротора 1 располагая их в зеркальном виде. Топливные газы из сопел 5, расширившись и в определенной мере охладившись собираются в камере 21, откуда по трубе 22 отводятся для дальнейшего использования, например, в авиационный турбореактивный двигатель (не показан) приспособленный для работы на топливных газах, подаваемых по трубе 22, а сжатый воздух от их компрессоров поступает в трубу 12, для использования в предлагаемом двигателе.

К трубе 22 могут быть подключены топливные газы от другого вспомогательного обычного турбореактивного двигателя (не показан), который включается в работу для пуска предлагаемого двигателя.

Для этого в начале стартером раскручивается упомянутый вспомогательный двигатель и пускается в работу с отводом топливных газов из него в трубу 22. Турбореактивный двигатель, приспособленный для работы на этих газах (не показан), компремирует воздух, который по трубе 12 подается в камеру сгорания 14 и служит для растопки форсунок 15 и пуска предлагаемого двигателя в работу. После чего вспомогательный турбореактивный двигатель останавливается.

Положительный эффект двигателя в сравнении с прототипом достигается за счет использования в соплах 5 топливных газов с более высокой температурой, что становится возможным из-за интенсивного охлаждения стенок сопел 5, свежим сжатым воздухом в смеси с охлажденным сжатым воздухом после эксгаустера 26, а в варианте двигателя - это охлаждение может быть осуществляться распыленной дистиллированной водой.

Положительный эффект двигателя состоит так же и в том, что он работает на полезную нагрузку (электрогенератор, 3000 об/мин) без редуктора, поскольку, как известно, тяга реактивного двигателя, которым в данном случае является каждое сопло 5 в отдельности, остается постоянной при любой скорости полета, а в данном случае - скорости вращения ротора, за счет же соответствующей длины сопел 5 обеспечивается эффективное использование энергии топливного газа. (56) Манушин Э. А. Газовые турбины: проблемы и перспективы. М. : Энергоатомиздат, 1986, с. 131, рис. 5.5 в.

Формула изобретения

1. Способ работы газотурбинного двигателя, заключающийся в сжатии циклового воздуха в компрессоре, охлаждении ротора турбины, смешении воздуха с топливом и сжигании его в камере сгорания, расширении продуктов сгорания в турбине, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, охлаждение ротора производят всем объемом циклового воздуха, осуществляют последующее разделение воздуха на две части, одну из которых смешивают с топливом и сжигают в камере сгорания, а другую - охлаждают и смешивают со сжатым воздухом за компрессором.

2. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, газовую турбину с ротором и рабочим каналами, выхлопное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, двигатель дополнительно снабжен трубопроводом рециркуляции части циклового воздуха в компрессор и трубопроводом возврата части циклового воздуха в камеру сгорания, ротор выполнен коническим, а рабочие каналы - закрытыми, винтовыми, изогнутыми по направлению вращения, причем входы в рабочие каналы соединены по газу с выходом из камеры сгорания, а выходы - с выхлопным устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2