СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и к газотурбинным двигателям, реализующим этот способ.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем турбину и источник нагретого рабочего тела, при котором изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбину рабочего тела. Во время изменения термодинамического состояния вводимого в туpбину рабочего тела рабочее тело, подаваемое в турбину, до ввода в нее расширяют и закручивают относительно продольной оси газотурбинного двигателя, после чего нагретое рабочее тело смешивают с отработавшим в турбине рабочим телом. Нагретое рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием расширяют в турбине для совершения механической работы. Указанный способ осуществляется в газотурбинном двигателе, содержащем турбину и источник нагретого рабочего тела, а также эжектор для смешения нагретого рабочего тела с отработавшим в турбине рабочим телом. При таком способе повышается КПД. Однако при этом дальнейшее увеличение КПД не представляется теоретически возможным из-за ограничений, накладываемых достижимой степенью сжатия рабочего тела в эжекторе, т. е. при отборе с помощью эжекции отработавшего в турбине рабочего тела происходит его сжатие до определенной величины. Вследствие этого рабочее тело на выходе из эжектора обладает повышенным полным давлением, которое должно быть выше атмосферного давления на величину давления, соответствующего степени расширения рабочего тела в турбине. Так как эжектор имеет определенную степень сжатия, то указанное выше повышение полного давления нагретого рабочего тела, смешенного с отработавшим рабочим телом, на выходе эжектора требует соответственного повышения статического давления на входах в эжектор. Это повышение статического давления ограничивает степень расширения нагретого рабочего тела в эжекторе и степень расширения в турбине нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием.

В основу изобретения положена задача использования в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе такое изменение термодинамического состояния рабочего тела, чтобы увеличить кинетическую энергию рабочего тела при обеспечении надежности двигателя в работе и изменить конструкцию газотурбинного двигателя так, чтобы организация потоков рабочего тела обеспечила повышение КПД и полезной мощности газотурбинного двигателя при снижении количества выхлопных газов.

Эта задача решается тем, что нагретое рабочее тело, образуемое при смешении и сгорании топлива с окислителем и подаваемое в турбину до ввода в нее, расширяют и закручивают относительно продольной оси газотурбинного двигателя, после чего нагретое рабочее тело смешивают с потоком отработавшего в турбине рабочего тела с получением потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием и вводят его в турбину для расширения в ней и совершения полезной работы, при этом перед вводом потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием часть нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием выводят из проточной части турбины.

Благодаря тому, что часть нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием выводят из проточной части турбины перед подачей нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием в турбину, создаются предпосылки для снижения полного давления смеси нагретого рабочего тела с отработавшим рабочим телом до атмосферного. Это дает возможность снижения статического давления на входах эжектора и, в конечном итоге, обеспечивает увеличение степени расширения нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием в турбине, что улучшает КПД двигателя.

Поставленная задача также решается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем турбину, источник нагретого рабочего тела и эжектор, имеющий первый вход, сообщающийся с источником нагретого рабочего тела, второй вход, сообщающийся с выходом турбины, и выход, сообщающийся с входом турбины, эжектор имеет второй выход, сообщающийся с атмосферой.

При таком устройстве газотурбинного двигателя обеспечивается получение указанных выше преимуществ.

Целесообразно, чтобы масса нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием, выводимая в единицу времени из проточной части турбины, соответствовала массе вводимых в единицу времени в газотурбинный двигатель окислителя и топлива. Это обеспечивает оптимальный режим двигателя и минимальное количество выхлопных газов.

Расширение нагретого рабочего тела в эжекторе производят до статического давления ниже атмосферного, что приводит к увеличению его кинетической энергии. При этом повышается степень сжатия отработавшего в турбине рабочего тела с соответствующим увеличением степени его расширения в турбине. Это в конечном итоге позволяет увеличить количество тепловой энергии рабочего тела, преобразуемой в механическую энергию при его расширении в турбине и повысить КПД.

Поток отработавшего в турбине рабочего тела, направляемый на смешение с нагретым рабочим телом, предпочтительно закручивают относительно оси газотурбинного двигателя в направлении закручивания потока нагретого рабочего тела. При этом снижаются потери на удар при смешении потоков рабочего тела.

Теплоту отводимого из проточной части турбины нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием предпочтительно используют для нагревания окислителя и/или топлива, подводимых для образования нагретого рабочего тела. Охлаждение потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием усиливает эффективность повышения его статического давления с одновременным нагреванием окислителя и/или топлива и улучшает КПД.

Угол между векторами абсолютной скорости потоков нагретого рабочего тела и отработавшего рабочего тела предпочтительно составляет не более 90^о. При этом повышается эффективность смешения потоков рабочего тела, что также улучшает КПД.

В проточной части газотурбинного двигателя в зоне смешения нагретого и отработавшего рабочих тел предпочтительно создают принудительное разрежение. При этом увеличивается степень расширения нагретого рабочего тела в эжекторе, благодаря чему повышается степень сжатия отработавшего рабочего тела и, в конечном итоге, степень расширения в турбине.

Целесообразно между первыми входом и выходом эжектора образовать вихревую трубу. Второй выход эжектора целесообразно разместить в холодной зоне вихревой трубы.

На фиг. 1 представлена схема газотурбинного двигателя, иллюстрирующая осуществление способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе; на фиг.2 схема газотурбинного двигателя, иллюстрирующая вариант способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе; на фиг.3 схема газотурбинного двигателя, продольный разрез; на фиг. 4 разрез А-А на фиг.3 (уменьшено); на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.3 (увеличено); на фиг. 6 схема газотурбинного двигателя с другим выполнением турбины, продольный разрез; на фиг.7 разрез В-В на фиг.6; на фиг.8 разрез Г-Г на фиг.7; на фиг.9 разрез Д-Д на фиг.7.

Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе осуществляется следующим образом. Нагретое рабочее тело поступает из источника 1 нагретого рабочего тела в устройство 2 для расширения и закрутки (эжектор). Это устройство может быть выполнено в виде эжектора. Более подробно устройство такого эжектора будет описано ниже. В качестве источника 1 нагретого рабочего тела используется камера сгорания 3, в которую поступает окислитель, например воздух, от компрессора 4, как показано стрелкой А, и топливо, как показано стрелкой В. В источнике 1 происходит смешивание топлива и окислителя известным способом, не имеющим отношения к настоящему изобретению, воспламенение топливно-воздушной смеси и ее сжигание с помощью известных устройств (не показаны). Таким образом, нагретое рабочее тело поступающей из источника 1 в эжектор 2, как показано стрелкой С на фиг.1 и смешивается с отработавшим рабочим телом, как описано ниже. Далее полученная смесь с измененным термодинамическим состоянием направляется в турбину 5, как показано стрелкой D, где происходит его расширение. При этом нагретое рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием совершает работу и охлаждается, отдавая часть своей энергии рабочему колесу турбины. Отработавшее рабочее тело с выхода турбины 5 возвращают, как показано стрелкой Е, в эжектор 2. При этом происходит смешение расширенного и закрученного в эжекторе 2 нагретого рабочего тела с отработавшим рабочим телом и изменение параметров нагретого рабочего тела.

Часть нагретого рабочего тела после его смешения с отработавшим рабочим телом отводят из проточной части, как показано стрелкой F. В результате смешивания нагретого рабочего тела, имеющего температуру порядка 2000К, с отработавшим рабочим телом, имеющим температуру порядка 700-900К, в эжекторе 2 происходит выравнивание температуры, которая становится равной примерно 1100К. Эта температура обеспечивается при коэффициенте эжекции около 5-9. Такой высокий коэффициент эжекции получается благодаря повышенной кинетической энергии потока нагретого рабочего тела вследствие того, что выпуск части потока рабочего тела из проточной части перед вводом рабочего тела в турбину позволяет расширить в эжекторе нагретое рабочее тело до давления ниже атмосферного. Очевидно, что такой высокий коэффициент эжекции обеспечивает повышенную степень рекуперации энергии в газотурбинном двигателе.

Как показано на фиг.2, где одинаковые детали обозначены теми же позициями, вариант осуществления предлагаемого способа отличается лишь тем, что отводимая из проточной части газотурбинного двигателя часть потока рабочего тела направляется по стрелке F в теплообменник 6, где теплота отводимого потока рабочего тела используется для нагревания окислителя, подаваемого по стрелке А к источнику 1 нагретого рабочего тела. Совершенно очевидно, что теплообменник может использоваться и для нагревания топлива, подводимого к источнику 1 нагретого рабочего тела (не показано). При этом повышается КПД. Вместе с тем отбор тепла от отводимого скоростного потока рабочего тела способствует повышению его статического давления, что обеспечивает дальнейший вывод этого потока в атмосферу.

Масса части рабочего тела, отводимой из проточной части газотурбинного двигателя предпочтительно соответствует сумме масс окислителя (воздуха) и топлива, подводимых к источнику 1 нагретого рабочего тела. При этом обеспечивается оптимальный режим работы двигателя и баланс потоков. Разумеется, что при пуске двигателя сначала образовавшаяся смесь продуктов сгорания топлива и воздуха выходит через отвод, а часть этой смеси постепенно скапливается в проточной части газотурбинного двигателя. При этом на стадии пуска двигатель работает неоптимально. После того, как через эжектор начинает возвращаться установившееся количество отработавшего рабочего тела, обеспечивающее заданный температурный режим, эжектор достигает максимальной эффективности, и начинается эффективный отвод части рабочего тела из проточной части газотурбинного двигателя перед входом в турбину. Необходимое соотношение масс подводимых воздуха и топлива и отводимого рабочего тела выдерживается подбором производительности компрессора и сечения отводящего тракта.

Целесообразно в проточной части газотурбинного двигателя в зоне смешения нагретого и отработавшего рабочих тел создать принудительное разрежение, например, с помощью механического устройства любого известного типа, либо путем дополнительной эжекции (не показано). Такие устройства хорошо известны специалистам и не имеют непосредственного отношения к изобретению. Такое разрежение создает дополнительный эффект, так как при этом увеличивается степень расширения нагретого рабочего тела в эжекторе с соответствующим повышением степени сжатия отработавшего рабочего тела и, в конечном итоге, повышением степени его расширения в турбине.

На фиг.3 представлено схематичное изображение газотурбинного двигателя в продольном разрезе. Одинаковые элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1. Двигатель имеет турбину 5, которая в данном случае представляет собой центростремительную турбину. Газотурбинный двигатель имеет проточную часть 7. Источник 1 нагретого рабочего тела выполнен в виде камеры 8 сгорания, на входе которой размещен компрессор 4 для подачи окислителя, например воздуха, необходимого для сгорания топлива, подаваемого к источнику 1 с помощью форсунки 9. Газотурбинный двигатель имеет эжектор 10, выполняющий функции устройства 2 расширения и закручивания рабочего тела и его смешения с отработавшим рабочим телом (см. фиг.1 и 2). Эжектор 10, устройство которого более подробно описано ниже, имеет первый вход 11 с рабочими соплами 12, сообщающийся с источником 1 нагретого рабочего тела, и второй вход 13, сообщающийся с выходом турбины 5. Эжектор 10 имеет выход 14, который сообщается с входом турбины 5. Второй выход 15 эжектора 10 сообщается с каналом 16 для вывода части рабочего тела из проточной части 7 газотурбинного двигателя. На входе источника 1 нагретого рабочего тела установлен теплообменник 17 (см.фиг.3,4). Теплообменник 17 представляет собой концентричные обечайки 18, 19, 20 и оребрение 21, 22. Горячая сторона 23 теплообменника 17 соединена с каналом 16, а холодная сторона 24 с компрессором 4, источником окислителя. Разумеется, что теплообменник 17 может иметь секцию для нагревания топлива, подводимого к форсунке 9 (этот вариант не показан, так как топливо можно нагревать непосредственно в канале 16, например, отбирая тепло от его стенок). На фиг.5 подробно показано устройство эжектора 10, у которого рабочие сопла 12 образованы зазорами между пластинами 25, имеющими передние и задние кромки 26, 27 в направлении вращения потока нагретой рабочей среды, показанном стрелкой Н. Таким образом, кромки 26, 27 образуют сопла 12, предпочтительно сопла Лаваля. Расширение потока нагретого рабочего тела в турбине производят до давления ниже атмосферного. Это возможно потому, что во-первых, отработавшее рабочее тело не выпускают за турбиной в атмосферу, а во-вторых, энергии смеси отработавшего и нагретого рабочего тела достаточно для ее выхода из проточной части в атмосферу или в теплообменник, связанный с атмосферой, хотя бы благодаря закрутке, а также скоростному напору потока рабочего тела перед турбиной.

Второй выход 15 эжектора 10 расположен в холодной зоне вихревой трубы (не обозначена), образованной между входами 11, 13 эжектора 10 и первым выходом 14 эжектора, у первого выхода 14 эжектора. Вихревая труба хорошо известна специалистам и представляет собой объем, в котором вращающееся рабочее тело имеет горячую центральную зону и холодную периферийную зону.

Как показано на фиг.6, где представлено схематичное изображение варианта газотурбинного двигателя с другим выполнением турбины без теплообменника, который не показан для упрощения описания, и где одинаковые детали обозначены теми же позициями, отличие этого варианта газотурбинного двигателя от описанного выше заключается в том, что турбина 5 имеет рабочее колесо 28 (см. фиг.6,7), образующее две проточные полости: наружную 29 и внутреннюю 30 (см.фиг.6). Как показано на фиг.7, лопатки 31 рабочего колеса 28 турбины разделены в радиальном направлении кольцевой перегородкой 32 на два участка 33, 34, имеющих противоположные углы атаки, как показано на фиг.8, 9, где стрелки 1 обозначают направление вращения рабочего колеса 28. При этом очевидно, что в случае, когда поток нагретого рабочего тела движется, как показано стрелками Н на фиг.8, 9, т.е. в противоположных направлениях, рабочее колесо 28 будет вращаться по стрелке 1. Турбина также имеет устройство 35 для закручивания потока отработавшего рабочего тела, например, в виде соплового аппарата. Устройство эжектора 10 в этом варианте аналогично описанному выше.

Предлагаемый газотурбинный двигатель (см.фиг.3) работает следующим образом.

При поступлении на первый вход 11 эжектора 10 нагретого рабочего тела от источника 1 происходит расширение и закрутка нагретого рабочего тела с последующим смешением этого нагретого рабочего тела с отработавшим в турбине 5 рабочим телом, которое поступает на второй вход 13 эжектора 10. Полученное таким образом рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием поступает в турбину 5 через первый выход 14 эжектора 10. В турбине 5 происходит расширение рабочего тела и преобразование его энергии в механическую энергию. Часть рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием перед входом в турбину 5 отводится из проточной части 7 через второй выход 15 в канал 16 и поступает либо в атмосферу, либо, как показано на фиг.3, в теплообменник 17 (см. фиг.3, 4). При этом происходит нагревание воздуха (а возможно и топлива) теплом отводимого рабочего тела. Нагревание воздуха, поступающего от компрессора 4, происходит путем теплообмена между нагретым рабочим телом, движущимся по каналам между ребрами 21, и воздухом, движущимся по каналам между ребрами 22 (см.фиг.4). В этом варианте конструкции, в котором используется центростремительная турбина, поток отработавшего рабочего тела от турбины 5 движется в осевом направлении навстречу потоку нагретого рабочего тела от источника 1 с направлением закрутки, совпадающим с направлением закрутки потока нагретого рабочего тела. При использовании осевой турбины (не показано) то же самое можно обеспечить изменением геометрии лопаток рабочего колеса или с помощью дополнительного направляющего аппарата, как это хорошо известно специалистам. Таким образом, тип применяемой турбины не влияет на эффект изобретения.

Следует отметить, что при встрече двух смешиваемых потоков рабочего тела в эжекторе 10 векторы абсолютной скорости этих потоков образуют между собой угол, так как потоки имеют винтовую траекторию, определяемую вектором окружной составляющей скорости (вследствие закрутки) и вектором осевой составляющей скорости. Угол между этими векторами абсолютной скорости должен составлять не более 90^о. При большей величине этого угла возрастают потери на смешение, что приводит к снижению эффективности. С другой стороны, при уменьшении этого угла падает эжекционная способность эжектора, что также некоторым образом сказывается на эффективности. Таким образом, наиболее целесообразно, чтобы указанный угол составлял около 90^о. Этот угол может несколько отличаться от прямого и, например, составлять 75-85^о в случаях, когда это оправдано конструктивными или технологическими соображениями и обеспечивается компромисс между стоимостью изготовления и эффективностью двигателя. Так как выход 15 эжектора 10 расположен в холодной зоне вихревой трубы у первого выхода 14 эжектора 10, происходит отбор в канал 16 преимущественно более холодного рабочего тела (благодаря свойствам вихревой трубы), что позволяет сохранить высокие параметры рабочего тела, направляемого в турбину.

Вариант газотурбинного двигателя, представленный на фиг.6-9, работает аналогичным образом. Различие заключается в том, что турбина имеет двухпоточное рабочее колесо, образующее два контура 29,30. По первому контуру 29 движется рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием, представляющее собой смесь нагретого рабочего тела и отработавшего в турбине рабочего тела, поступающее в турбину для расширения и освобождения энергии, а по второму контуру 30 происходит возврат отработавшего в турбине рабочего тела с отдачей энергии рабочему колесу 28 турбины. На выходе второго потока 30 установлен направляющий аппарат 35, который осуществляет принудительное закручивание выходящего из турбины отработавшего рабочего тела для выполнения указанного выше условия оптимального смешения потоков рабочего тела в эжекторе 10 с углом между векторами абсолютной скорости смешиваемых потоков около 90^о. В остальном работа этого варианта газотурбинного двигателя аналогична описанной выше.

Использование: в способах преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе. Сущность изобретения: нагретое рабочее тело, образуемое при сгорании топлива с окислителем и подаваемое в турбину, до ввода в нее расширяют и закручивают относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Нагретое рабочее тело смешивают с потоком отработавшего в турбине рабочего тела с получением потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием, и вводят его в турбину для расширения в ней и совершения полезной работы. Перед вводом потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием часть нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием вводят на проточной части турбины. Газотурбинный двигатель, содержащий турбину, и источник нагретого рабочего тела и эжектор, имеющий первый вход, сообщающийся с источником нагретого рабочего тела, второй вход, сообщающийся с выходом турбины, и выход, сообщающийся с входом турбины, отличается тем, что эжектор имеет второй выход, сообщающийся с атмосферой. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, заключающийся в сжигании топлива с окислителем, расширении образованного нагретого рабочего тела и смешивании его с отработавшим в турбине рабочим телом с получением потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием и с последующим вводом его в турбину для расширения в ней и получения механической энергии, отличающийся тем, что перед вводом полученного потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием в турбину часть его выводят из проточной части последней, а при расширении образованного нагретого рабочего тела его дополнительно закручивают относительно продольной оси двигателя. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что масса части потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием, выводимая в единицу времени из проточной части турбины, соответствует массе вводимых в единицу времени в газотурбинный двигатель окислителя и топлива. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что расширение нагретого рабочего тела осуществляют в эжекторе до статического давления ниже атмосферного. 4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что отработавшее в турбине рабочее тело, направляемое на смешивание с нагретым рабочим телом, дополнительно закручивают относительно оси газотурбинного двигателя в направлении закручивания потока нагретого рабочего тела. 5. Способ по пп. 1-4, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют нагрев окислителя и/или топлива посредством теплообмена с выводимой из проточной части турбины частью потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием. 6. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что угол между векторами абсолютной скорости потоков нагретого рабочего тела и отработавшего рабочего тела лежит в интервале 75 85^o. 7. Способ по пп. 1-5, отличающийся тем, что дополнительно создают разрежение в проточной части газотурбинного двигателя в зоне смешения нагретого и отработавшего рабочих тел. 8. Газотурбинный двигатель, содержащий турбину, источник нагретого рабочего тела и эжектор, имеющий первый вход, сообщающийся с источником нагретого рабочего тела, второй вход, сообщающийся с выходом турбины, и выход, сообщающийся с входом турбины, отличающийся тем, что эжектор выполнен с вторым выходом, сообщающимся с атмосферой. 9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что турбина снабжена устройством для закручивания потока отработавшего в турбине рабочего тела. 10. Двигатель по пп.8 и 9, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, горячая сторона которого соединена с вторым выходом эжектора, а холодная с источником окислителя и/или топлива. 11. Двигатель по пп. 8-10, отличающийся тем, что он снабжен вихревой трубой, расположенной между первыми входом и выходом эжектора, при этом второй выход эжектора размещен в холодной зоне вихревой трубы, расположенной у первого выхода эжектора.