Способ повышения экономичности турбокомпрессорного двигателя и турбокомпрессорный двигатель

 

Использование: в области теплового двигателестроения, теплоэнергетике и холодильной техники. Сущность изобретения: осуществляют нагрев сжатого в компрессоре воздуха в его проточной части перед входом в камеру сгорания, осуществляя при этом передачу тепла выхлопных газов к тепловому насосу посредством тепловой трубы с радиально-осевой артериальной системой каналов, заполненной легкокипящим теплоносителем. Тепловой насос выполнен с герметичным ротором, заполненным тяжелым инертным газом или смесью из нескольких таковых. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к авиационным, судовым и другим транспортным тепловым двигателям, а также к турбокомпрессорным двигателям для теплоэнергетики, газо- и нефтеперекачивающих комплексов, а также к холодильной технике и тепловым насосам.

Известен турбокомпрессорный двигатель (I), позволяющий повысить экономичность расхода топлива путем нагрева сжатого в компрессоре воздуха посредством подвода тепла выхлопных газов к проточной части компрессора тепловым насосом. В известном решении транспортировка тепла выхлопных газов производится потоком сжатого воздуха с выхода компрессора через байпасную трубу, полую неподвижную лопасть и обтекатель выхлопных газов, осевую полость и радиальные отверстия вала.

Недостатком известного решения является слабый теплообмен между выхлопными газами и воздухом, протекающим через полую лопасть, вследствие низкого коэффициента теплопередачи, обусловленная этим необходимость развития теплообменных поверхностей, увеличение массы двигателя. Кроме того, на осуществление теплопередачи от компрессора отбирается часть воздуха, которая не участвует в создании рабочей тяги.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков известного решения и увеличение экономичности расхода топлива на создание рабочей тяги. Поставленная задача достигается тем, что нагрев сжатого в компрессоре воздуха производят в проточной части компрессора пере входов в камеру сгорания, осуществляя при этом передачу тепла выхлопных газов к тепловому насосу посредством тепловой трубы с радиально-осевой артериальной системой каналов, заполненной легкокипящим теплоносителем.

В устройстве двигателя цель достигается тем, что ротор компрессора выполнен в виде полого барабана, тепловой насос с герметичным ротором, заполненным тяжелым инертным газом или смесью из нескольких тактовых, снабженным внутренними лопатками, помещенным в полости барабана компрессора и жестко связанным с ним, при этом полый обтекатель соединен с диском турбины и снабжен спиральным каналом испарительной системы теплопередачи, а общий вал выполнен в виде коаксиальной тепловой трубы с артериальной системой каналов, соединенной с спиральным каналом обтекателя и приосевой зоной ротора теплового насоса.

По новому способу производится не только наиболее эффективное испарительное охлаждение наиболее перегретых элементов двигателя и транспортировка тепла выхлопных газов, но и активное повышение температурного потенциала этого тепла на входе в камеру сгорания с характерным для тепловых насосов высоким отопительным коэффициентом, превышающим I.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства, на фиг. 2 поперечный разрез, на фиг. 3 схема циркуляции теплоносителя.

Устройство двигателя включает в себя осевой компрессор с полым барабаном 1 и лопатками 2, турбину с лопаточным диском 3, установленные на общем валу 4, полый обтекатель 5 выхлопных газов, жестко соединенный с диском турбины, центробежный тепловой насос с герметичным ротором 6, заполненный тяжелым инертным газом или смесью из нескольких таковых, снабженным внутренними лопатками 7 и коаксиальной конической перегородкой 8 для меридианальной циркуляции газовой рабочей среды внутри герметичного ротора, помещенным в полости барабана компрессора и жестко связанным с ним. Полый обтекатель выхлопных газов снабжен спиральным каналом 9 испарительной системы охлаждения, а общий вал выполнен в виде коаксиальной тепловой трубы с артериальной системой каналов 10, соединенной со спиральным каналом обтекателя и приосевой зоной ротора теплового насоса.

Двигатель работает следующим образом.

Осевой компрессор с полым барабаном 1, лопатками 2, установленная с ним на общем валу турбина с лопаточным диском 3 с помощью стартера (на фиг. 1 не показан) разгоняется до заданной угловой скорости.

Воспламеняется распыленное в камере сгорания топливо. Горячие газы раскручивают установленные на общем валу 4 турбину с лопаточным диском 3 и связанным с ним обтекателем 5 выхлопных газов с спиральным каналом 9 и осевой компрессор с полым барабаном 1 и лопатками 2, расположенный внутри него тепловой насос с герметичным ротором 6, заполненным тяжелым инертным газом или газовой рабочей смесью, с его внутренними лопатками и коаксиальной конической перегородкой до заданной рабочей угловой скорости вращения.

Под действием тепла горячих выхлопных газов (см. фиг. 3) разогревается лопаточный диск турбины и обтекатель 5 с спиральным каналом 9, заполненным легкокипящим теплоносителем, например водой, хладоном, аммиаком, керосином. Теплоноситель испаряется в спиральном канале обтекателя, охлаждает его и связанный с ним лопаточный диск турбины. Под действием центробежной силы на место вскипевшего теплоносителя из тепловой трубы, проложенной внутри вала, поступает новая порция жидкого теплоносителя, а легкий пар отжимается жидкостью к вершине колпака обтекателя, расположенной на оси вращения. Нагретый сжатый пар по осевому артериальному каналу тепловой трубы поступает в холодную приосевую зону трубы, конденсируется в нем и отдает тепло конденсации стенке трубы и вала.

Далее в действие вступает центробежный тепловой насос. Центробежная сила, действующая на вращающийся с высокой (20 30 тыс. об./мин) угловой скоростью герметичный ротор, отбрасывает на периферию ротора заполняющий его тяжелый инертный газ или тяжелые компоненты газовой смеси, сжимает его. В результате центробежного сжатия тяжелого инертного газа на периферии ротора в его приосевой зоне образуется соответствующее ему разрежение. Сжимаемый инертный газ нагревается, а расширяемый в приосевой зоне охлаждается в соответствии с изохорным процессом (закон Шарля, Гей Люссака). Температура газа в приосевой зоне понижается до значений ниже температуры тепловой трубы и стенки вала в конденсатной зоне. Поток тепла от нагретого конденсата из тепловой трубы устремляется к холодному приосевому слою инертного газа внутри ротора. Теплоперенос из приосевой зоны к периферийной с одновременным повышением температурного потенциала происходит в результате меридианальной циркуляции газа под действием центробежного поля с помощью радиальных внутренних лопаток и коаксиальной конической перегородкой, образующих центробежный термосифон, аналогичный обычному гравитационному термосифону. Тепло сжатия от тяжелого инертного газа со стенки барабана компрессора снимается потоком воздуха в его проточной части и поступает на вход камеры сгорания.

Благодаря предварительному нагреву воздуха при сгорании топлива в камере требуется меньший расход горючего, экономичность двигателя соответственно возрастает. Таким образом, с помощью центробежного теплового насоса обеспечивается активная регенерация тепла выхлопных газов и существенная экономия топлива. Конденсат теплоносителя, отдавший свое тепло рабочему газу теплового насоса, по внешним артериальным каналам тепловой трубы 10 с помощью центробежного поля возвращается в спиральный канал обтекателя. Цикл завершается.

Работа центробежного теплового насоса с герметичным ротором и постоянным объемом рабочей среды, циркулирующей внутри ротора, характеризуется минимальной потребляемой на его вращение механической мощностью, т.к. герметичный ротор, заполненный средой, вращается фактически как твердое тело и потребляет энергию привода, в данном случае турбины, только на раскрутку до заданной скорости, а далее на компенсацию потерь в подшипниках вала, общих для всего барабана компрессора. Вследствие этого центробежный тепловой насос с герметичным ротором и внутренней термосифонной циркуляцией среды должен обеспечивать работу с отопительным коэффициентом, значительно превышающим 1 и значения его для тепловых насосов с внешней циркуляцией. Таким образом, устройство двигателя обеспечивает активную регенерацию тепла выхлопных газов с максимальной эффективностью и обеспечивает выполнение поставленной цели - существенное повышение экономичности расхода топлива на единицу тяги.

Формула изобретения

1. Способ повышения экономичности турбокомпрессорного двигателя путем нагрева сжатого в компрессоре воздуха посредством подвода тепла выходных газов к проточной части компрессора тепловым насосом, отличающийся тем, что нагрев сжатого в компрессоре воздуха производят в проточной части компрессора перед входом в камеру сгорания, осуществляя при этом передачу тепла выхлопных газов к тепловому насосу посредством тепловой трубы с радиально осевой артериальной системой каналов, заполненной легкокипящим теплоносителем.

2. Турбокомпрессорный двигатель, содержащий установленные на общем валу осевой компрессор с ротором и турбину с лопаточным диском, полый обтекатель выхлопных газов и тепловой насос, отличающийся тем, что ротор компрессора выполнен в виде полого барабана, тепловой насос с герметичным ротором, заполненным тяжелым инертным газом или смесью из нескольких таковых и снабженным внутренними лопатками, его ротор помещен в полости барабана компрессора и жестко связан с ним, при этом полый конус обтекателя связан с диском турбины и снабжен спиральным каналом испарительной системы теплопередачи, а общий вал выполнен в виде коаксиальной тепловой трубы с артериальной системой каналов, соединенной со спиральным каналом конуса обтекателя и приосевой зоной ротора теплового насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3