Двухконтурный газотурбинный двигатель
Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит первый и второй контуры, внешний и внутренний валы, вентилятор, компрессор, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, камеру сгорания между компрессором и турбиной, воздухозаборник и реактивное сопло. Вентилятор установлен на внутреннем валу. Компрессор установлен на внешнем валу. Рабочее колесо турбины установлено на внешнем валу. За турбиной установлен двигатель Стирлинга, соединенный кинематически с внутренним валом. Двигатель Стирлинга выполнен из двух групп цилиндров - рабочих и поршневых, при этом рабочие цилиндры размещены в первом контуре, а расширительные - во втором. Изобретение направлено на повышение кпд и надежности двигателя. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным газотурбинным двигателям ГТД и может найти применение в авиастроении, судостроении, на газоперекачивающих станциях и для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.
Известен ядерный синтезный двигатель по заявке РФ на изобретение №94036369, опубл. 10.07.1996 г. Этот двигатель содержит компрессор, турбину, ядерный реактор и теплообменник вместо камеры сгорания, соединенный с ядерным реактором.
Недостатки: длительное время запуска двигателя и плохая приемистость на переходных режимах, которая объясняется инерционностью теплообменника, контура рециркуляции теплоносителя и самого ядерного реактора.
Известен авиационный комбинированный двигатель по заявке РФ на изобретение №2002115896, содержащий ГТД и ракетный двигатель.
Недостаток - очень большой расход топлива, потребляемого ракетным двигателем.
Известен авиационный ГТД по книге Курзинера Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета, Москва, Машиностроение, 1977, стр 38, рис.1.8, прототип, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло.
Недостатки: повышенный расход топлива, плохая приемистость на переходных режимах и низкая надежность
Задачи создания изобретения: повышение кпд и надежности двигателя.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий первый и второй контуры, внешний и внутренний валы с вентилятором, установленным на внутреннем валу, и компрессор, установленный на внешнем валу. а также, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, установленное на внешнем валу, и камеру сгорания между компрессором и турбиной, воздухозаборник и реактивное сопло, отличается тем, что за турбиной установлен двигатель Стирлинга, соединенный кинематически с внутренним валом. Двигатель Стирлинга выполнен из двух групп цилиндров: рабочих и поршневых, при этом рабочие цилиндры размещены в первом контуре, а расширительные - во втором. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы воздушных патрубков выходят в атмосферу или подсоединены к воздухозаборнику, или присоединены к выходу из первых ступеней компрессора.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1...6, где:
на фиг.1 приведена схема двигателя,
на фиг.2 приведена схема охлаждения двигателя Стирлинга,
на фиг.3 и 4 приведена схема двигателя Стирлинга,
на фиг.5 и 6 приведена схема двигателя с вытеснительным цилиндром внутри второго контура.
Предложенный двигатель (фиг.1) содержит два контура: первый 1 и второй 2, соответственно два вала: внутренний 3 и наружный 4, т.е. двигатель выполнен двухконтурным по двухвальной схеме. Кроме того, двигатель содержит воздухозаборник 5, вентилятор 6, компрессор 7, камеру сгорания 8 и турбину 9. Турбина 8 может содержать одну или несколько ступеней. Далее конструкция двигателя описывается на примере одноступенчатой турбины. Турбина 9 содержит рабочее колесо 10. На выходе из обоих контуров 1 и 2 выполнено реактивное сопло 11, внутри которого установлен смеситель 12, для перемешивания потоков первого и второго контуров.
Газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 13, подключенным к входу в топливный насос 14, имеющий привод 15, топливопровод высокого давления 16, вход которого соединен с топливным насосом 14, а выход соединен с кольцевым коллектором 17, кольцевой коллектор 17 соединен с форсунками 18 камеры сгорания 8.
Компрессор 7 содержит ротор компрессора 19 с внешним валом 4. На внешнем валу 4 установлено рабочее колесо турбины 10.
Внутренний вал 3 проходит внутри внешнего вала и установлен на опорах 20, внутренний вал 3 установлен на опорах 21. Внутренний вал 3 соединен с одной стороны с вентилятором 6, а с другой - с двигателем Стирлинга 22. К двигателю Стирлинга 22 подсоединен воздушный патрубок 23 (или несколько воздушных патрубков 23, другой конец которого выходит либо в атмосферу, либо в воздухозаборник 5, либо к первым ступеням компрессора 7, либо выходят во второй контур 2. Выхлопные патрубки 24 предназначены для выброса подогретого воздуха из двигателя Стирлинга 22 и выходят внутрь реактивного сопла 11 в полость «В».
Отличительной особенностью двигателя является наличие двигателя Стирлинга 22 за турбиной 9, конкретно за рабочим колесом турбины 10.
Двигатель Стирлинга 22 состоит из двух частей: группы рабочих цилиндров 25 и группы вытеснительных цилиндров 26, которые соединены трубопроводами 27. Группу вытеснительных цилиндров 26 предпочтительно теплоизолировать от газового тракта газотурбинного двигателя ГТД. Число рабочих цилиндров 25 равно числу вытеснительных цилиндров 26. По объему вытеснительные цилиндры 26 больше, чем рабочие цилиндры 25.
В одном из вариантов исполнения возможно подсоединение воздушного патрубка 23 (воздушных патрубков 23) к воздухозаборнику 5 или к первым ступеням компрессора 6 посредством одного или нескольких трубопроводов 28 (фиг.2).
Возможна установка расширительных цилиндров 26 во втором (внешнем) контуре 2 (фиг.5 и 6), в этом случае охлаждение производится воздухом второго контура, имеющим температуру около 100°С, что значительно ниже температуры за турбиной 9, точнее за ее рабочим колесом 10.
На фиг.3 и 4 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 22, который содержит группу рабочих цилиндров 25, имеющих оребрение 29. Внутри каждого рабочего цилиндра 25 установлен рабочий поршень 30, который шатуном 31 соединен с внутренним валом двигателя 3. Между рабочим цилиндром 25 и рабочим поршнем 30 образуется рабочая полсть «Г», заполненная рабочим телом, например, гелием.
Также двигатель Стирлинга 22 содержит группу вытеснительных цилиндров 26, которые могут быть установлены в кожуха охлаждения 32 или установлены без них во втором контуре 2 двигателя (фиг.5 и 6). Между кожухом охлаждения 39 и вытеснительным цилиндром 26 образуется полость охлаждения «Д». При установке вытеснительных цилиндров 26 во втором контуре 2 кожух охлаждения 32 не нужен.
Внутри каждого вытеснительного цилиндра 26 в полости «Е» установлен вытеснительный поршень 33. Вытеснительный поршень 33 соединен шатуном 34 с внутренним валом двигателя 3. Трубопровод(ы) 27 соединяет(ют) полости «Г» и «Е» для перетекания рабочего тела из рабочих цилиндров 25 в вытеснительные цилиндры 26. К полости «Д» подсоединены воздушные патрубки 23, а выхлопные трубы 24 соединяют полость «Д» с внутренней полостью «В» реактивного сопла 11 (фиг.1).
При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1...4 не показан). Потом включают привод топливного насоса 15, и топливный насос 14 подает топливо в камеру сгорания 8 к форсункам 18, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 не показано). В результате продукты сгорания проходят через рабочее колесо турбины 10 и раскручивают его и внешний вал 4, а также ротор компрессора 18. Через 5...7 мин тепло выхлопных газов подогревает рабочие цилиндры 25 двигателя Стирлинга 22. Двигатель Стирлинга 22 приводится в действие и раскручивает вентилятор 6. Подогретое рабочее тело расширяется в расширительных цилиндрах 26. В результате двигатель запущен и готов к работе. Отключение двигателя производится в обратном порядке. Управление двигателем по режимам не отличается от управления традиционными ГТД.
При работе двигателя по его контурам температуры распределяются следующим образом:
Т0 - температура воздуха на входе в двигатель,
T1 - температура воздуха во втором контуре,
Т2 - температура воздуха во втором контуре после вытеснительных цилиндров,
Т3 - температура продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания,
Т4 - температура продуктов сгорания на выходе из турбины,
Т5 - температура продуктов сгорания на выходе из двигателя Стирлинга,
Т6 - температура смеси на выходе из реактивного сопла.
Применение изобретения позволило:
1. Улучшить запуск и приемистость двигателя на переходных режимах, за счет срабатывания энергии, образующейся при сгорании углеводородного топлива одновременно на турбине и двигателе Стирлинга.
2. Повысить надежность двигателя за счет того, что при отказе одной энергетической системы: турбины или двигателя Стирлинга двигатель может продолжать работу, с небольшим снижением мощности или тяги, что особенно важно в авиации, чтобы осуществить аварийную посадку.
3. Повысить кпд газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, второго контура, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между двумя валами. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину и двигатель Стирлинга с вентилятором..
4. Улучшить надежность силовой установки за счет уменьшения числа ступеней турбины до одной ступени и распределения большей части нагрузки на двигатель Стирлинга.
5. Создать благоприятные условия для работы вентилятора и двигателя Стирлинга, согласовав их оптимальные расчетные угловые скорости вращения вентилятора. Кроме того, применение двухвальной схемы двигателя позволит развязать механически рабочее колесо и ротор турбины и компрессора с одной стороны от вентилятора и двигателя Стирлинга, работа которых при запуске и на переходных режимах значительно различается, например, по частоте вращения валов и по приемистости.
6. Обеспечить оптимальную работу двигателя на переходных режимах, вследствие того, что основная составляющая тяги на взлете, если двигатель используется в авиации, создается углеводородным топливом, а ядерный реактор вступает в работу на крейсерском режиме и может обеспечить нахождение самолета в воздухе до одного года непрерывно. Несмотря на плохую приемистость двигателя Стирлинга при резком изменении расхода топлива через камеру сгорания суммарная тяга двигателя будет изменяться практически мгновенно за счет реактивной составляющей. Через 5...7 мин мощности, развиваемые винтом и газогенератором, перераспределяются, например, при форсировании основную тяговую нагрузку будет нести вентилятор, имеющий хороший кпд на дозвуковых скоростях, в результате экономичность двигателя на крейсерском режиме полета значительно возрастет.
7. Значительно уменьшить расход топлива при эксплуатации самолета. Это имеет важное значение в связи с исчерпанием ресурсов углеводородного топлива, его удорожанием и отсутствием альтернативы этому виду топлива. Применение водорода, имеющего стоимость в сотни раз большую, чем керосин, в ближайшие 100 лет бесперспективно, а использование сжиженного природного газа из-за его плохих энергетических характеристик и сложности в эксплуатации криогенной техники пока весьма ограничено. Применение ядерной энергии небезопасно.
8. Облегчить условия работы вентилятора за счет его нежесткой связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и ротора вентилятора.
9. Облегчить запуск и останов двигателя за счет применения двухвальной схемы.
10. Снизить стоимость двигателя за счет отказа от дорогостоящих материалов, используемых при изготовлении турбины, и решить проблему охлаждения турбины, во-первых, снизив температуру перед ней, во-вторых, направив весь охлаждающий воздух на охлаждение только одной ступени турбины, вместо 4-х...5-ти ступеней, применяемых ранее на мощных газотурбинных двигателях.
11. Уменьшить эмиссию ядовитых и канцерогенных веществ в выхлопных газах за счет того, что двигатель Стирлинга обладает идеальными экологическими характеристиками.
1. Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий первый и второй контуры, внешний и внутренний валы с вентилятором, установленным на внутреннем валу и компрессор, установленный на внешнем валу, а также, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, установленное на внешнем валу, и камеру сгорания между компрессором и турбиной, воздухозаборник и реактивное сопло, отличающийся тем, что за турбиной установлен двигатель Стирлинга, соединенный кинематически с внутренним валом.
2. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что двигатель Стирлинга выполнен из двух групп цилиндров: рабочих и поршневых, при этом рабочие цилиндры размещены в первом контуре, а расширительные - во втором.
3. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что к двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки.
4. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что концы воздушных патрубков выходят в атмосферу.
5. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что концы воздушных патрубков подсоединены к воздухозаборнику.
6. Двухконтурный газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что концы воздушных патрубков присоединены к выходу из первых ступеней компрессора.
