ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02C3/16 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям с камерой сгорания, встроенной в ротор турбины.

Известен газотурбинный двигатель [1] содержащий ротор турбины, вращающий компрессор, и другой ротор турбины, соосный с упомянутым. В другом роторе имеется колесо с размешенными в его профилированных каналах камерами сгорания. Выходная часть профилированных каналов направляет газы горения на турбину компрессора.

Была поставлена задача усовершенствовать такой газотурбинный двигатель, обеспечив его средством, позволяющим в широком диапазоне частот вращения (от n 0 и выше) с постоянно вращающимся компрессором, снять полезную мощность непосредственно с вала ротора турбины, несущего камеры сгорания. При этом обеспечить конструкцию двигателя без поворотных сопловых аппаратов турбины. Основной технический результат при этом повышение экономичности, особенно на нерасчетных режимах, а также улучшение разгонных характеристик двигателя.

Задача решается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем ротор турбины для вращения компрессора, соосно установленные ротор другой турбины и колесо с размещенными в нем камерами сгорания с выходными сечениями, совмещенными с профилированными каналами другого ротора, внесено усовершенствование.

Усовершенствование заключается в том, что колесо выполнено в виде диска с отверстиями, камеры сгорания расположены в последних, диск жестко соединен с ротором другой турбины, а она выполнена в виде свободной турбины. Ротор свободной турбины становится газогенератором.

Отверстия могут быть размещены параллельно оси диска и иметь цилиндрическую форму. Выходные сечения камер сгорания введены внутри профилированных каналов свободной турбины с зазором для подвода охлаждающего воздуха.

На фиг. 1 представлена передняя часть продольного разреза предлагаемого газотурбинного двигателя; на фиг. 2 средняя часть продольного разреза двигателя, где показаны ротор турбины компрессора и ротор свободной турбины с жестко закрепленным на нем диском, в отверстии которого установлена одна из камер сгорания; на фиг. 3 концевая часть двигателя с частью вала свободной турбины для передачи крутящего момента; на фиг. 4 сечение A-A по венцам колеса турбины компрессора и колеса свободной турбины с выходным сечением камеры сгорания, введенным в межлопаточный канал венца без зазора; на фиг. 5 - сечение A-A по венцам колеса турбины компрессора и колеса свободной турбины с выходным сечением камеры сгорания, введенным в межлопаточный канал венца с зазором; на фиг. 6 треугольники скоростей по турбинам предлагаемого газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель содержит центробежный компрессор, включающий рабочее колесо 1, корпус 2 и регулируемый направляющий аппарат 3. Рабочее колесо 1 центробежного компрессора установлено на валу 4, на другом конце которого размещено рабочее колесо 5 турбины компрессора. На корпусе 2 установлены трубопроводы 6 подвода воздуха в теплообменник 7. Выход из венца 8 рабочего колеса 5 турбины компрессора направлен в сторону компрессора и сообщен через каналы 9 в корпусе 10 турбины компрессора с теплообменником 7. Непосредственно за рабочим колесом 5 турбины компрессора, на отдельном валу 11, установлено рабочее колесо 12 свободной турбины. Совместно с колесом 12, на том же валу 11, жестко соединен диск 13. В диске 13 выполнены равномерно расположенные по окружности цилиндрические отверстия 14 (фиг. 2, 4 и 5). Отверстия расположены параллельно оси двигателя. В каждом из отверстий размещены отдельные камеры сгорания 15. Выходные сечения камер сгорания 15 введены внутрь профилированных межлопаточных каналов венца рабочего колеса 12 свободной турбины.

В одном варианте изобретения (фиг. 4) каждая из камер сгорания 15 оснащена профилированным соплом 16 в виде межлопаточного канала турбины. Сопло 16 выполнено по периферии рабочего колеса 12 свободной турбины, причем нижняя граница сопла 16 это тело рабочего колеса 12, верхняя граница сопла 16 это кольцевой бандаж 17 колеса 12. Одна стенка 18 сопла 16 спрофилирована в виде корыта турбинной лопатки, другая стенка 19 сопла 16 в виде спинки турбинной лопатки (см. фиг. 4 и 5).

Фронт сопел 16 направлен на венец колеса 5 турбины компрессора. На диске 13 установлено устройство 20 подачи топлива в камеру сгорания 15. Рабочее колесо 12 свободной турбины, диск 13 с камерами сгорания 15 и вал 11 образуют ротор свободной турбины, который установлен в корпусе 21 свободной турбины на подшипниковых опорах 22 и 23. На корпусе 21 установлен топливный коллектор 24, а также трубопроводы 25 для подачи воздуха из компрессора через теплообменник 7 к камерам сгорания 15. Вал 11 имеет шлицы 26 для передачи крутящего момента.

В другом варианте выходное сечение камеры сгорания 15 размещено в профилированном канале 16 (он же сопло 16) с зазором для охлаждающего воздуха, что и показано на фиг. 5.

Во время запуска ротор свободной турбины заторможен кинематической связью с потребителем мощности, например трансмиссией автомобиля любым известным способом. Запуск двигателя осуществляется при помощи стартера (не показано) любого известного типа, который раскручивает колесо 1 центробежного компрессора и турбину 5 компрессора, размещенные на валу 4. Воздух из центробежного компрессора по трубопроводам 6 через теплообменник 7 и затем через внутреннюю полость корпуса 21 подается в камеру сгорания 15, к которой, через устройство 20 из топливного коллектора 24 подводится топливо.

Топливо-воздушная смесь поджигается запальным устройством (не показано) известного типа. Газ вытекает из сопел 16 колеса 12 свободной турбины под углом α₁ к фронту сопел 16 колеса, создавая реактивный момент на валу 11 свободной турбины 12, и попадает на входные кромки рабочих лопаток венца 8 рабочего колеса 5 турбины компрессора. Направление вращения рабочих лопаток венца 8 рабочего колеса 5 совпадает с направлением закрутки потока, выходящего из сопел 16 под углом α₁. Выходная энергия за свободной турбиной используется для получения работы на колесе 5 турбины компрессора. Закрутка потока на выходе из венца 8 вращающейся турбины 5 компрессора мала, что способствует снижению потерь энергии в канале 9 и теплообменнике 7.

На рабочих режимах ротор свободной турбины растормаживается и присутствовавший на валу 11 свободный турбины реактивный момент освобождается для снятия полезной работы. В это время воздух из атмосферы через направляющий аппарат 3 продолжает поступать в рабочее колесо 1 центробежного компрессора, где сжимается до определенного давления. Рабочее колесо 1 компрессора приводится во вращение рабочим колесом 5 турбины компрессора через вал 4. Сжатый в компрессоре воздух по трубопроводам 6 поступает в теплообменник 7, где он нагревается выхлопным газом, выходящим из венца 8 рабочего колеса 5 турбины компрессора и поступающим в теплообменник 7 через каналы 9. Нагретый в теплообменнике воздух через трубопроводы 25 подается к ротору свободной турбины. Часть воздуха поступает в отдельные камеры сгорания 15, в которых происходит сгорание подаваемого топлива.

Образовавшийся высокотемпературный газ поступает в сопла 16.

Выходя из сопел 16 рабочий газ обеспечивает реактивную силу и крутящий момент на роторе свободной турбины. Одновременно газ поступает к лопаткам 8 рабочего колеса 5 турбины компрессора, которое вращается в противоположном направлении. Из-за поворота потока и его ускорения в рабочих лопатках венца 8 турбины 5 компрессора и создается крутящий момент, который передается на ротор центробежного компрессора.

После турбины 5 компрессора газ через каналы 9 поступает в теплообменник 7, отдает тепло воздуху и выбрасывается в атмосферу. Некоторая часть воздуха проходит вокруг камер сгорания 15 и поступает в сопла 16 через щели между поверхностями сопел и камер сгорания 15. В соплах 16 происходит смешение высокотемпературного газа и воздуха, ускорение и поворот смешанного газового потока. Происходящие процессы показаны на фиг. 6, где:
U_с.т. окружная скорость свободной турбины;
β_ст угол выхода потока в относительном движении из закручивающих сопел свободной турбины;
W_с.т. скорость потока в относительном движении на выходе из закручивающих сопел турбины;
C₁ скорость потока в абсолютном движении на выходе в рабочую лопатку турбины компрессора;
α₁ угол вектора скорости потока в абсолютном движении на входе в рабочую лопатку турбины компрессора;
W₁ скорость потока на входе в рабочую лопатку турбины компрессора в относительном движении;
β₁ угол потока на входе в рабочую лопатку турбины компрессора в относительном движении;
U окружная скорость турбины компрессора;
W₂ скорость потока в относительном движении на выходе из рабочей лопатки турбины компрессора;
β₂ угол потока в относительном движении на выходе из рабочей лопатки турбины компрессора;
C₂ скорость потока в абсолютном движении за турбиной компрессора;
α₂ угол потока в абсолютном движении за турбиной компрессора.

В прелагаемом двигателе с увеличением мощности свободной турбины и ростом степени повышения давления в компрессоре степень расширения турбины компрессора увеличивается, что приводит к незначительному росту газа на выходе из камеры сгорания. А поскольку изменение температуры газа на выходе из камеры сгорания по режимам у предлагаемого двигателя значительно меньше, чем у известных со свободной турбиной, то и изменение удельного расхода топлива тоже незначительно. На режимах ниже расчетных уровень температуры газа на выходе из камеры сгорания у предлагаемого двигателя выше, что приводит к уменьшению удельного расхода топлива на этих режимах.

На режимах выше расчетного расход топлива несколько возрастает, но более низкий уровень температуры газа на выходе из камеры сгорания позволяет увеличить ресурс двигателя.

На увеличение подачи топлива в предлагаемом двигателе в первую очередь реагирует свободная турбина и реагирует повышением мощности и крутящего момента.

Все это позволяет получить хорошую приемистость предлагаемого двигателя и улучшить разгонные характеристики транспортного средства, например автомобиля.

Использование: в средствах передвижения, наземных и воздушных, а также в стационарных установках. Сущность изобретения: газотурбинный двигатель содержит свободную турбину СТ и колесо, выполненное в виде диска с отверстиями, в которых размещены камеры сгорания КС. Выходные сечения КС совмещены с профилированными каналами СТ и могут располагаться в каналах с зазором для подвода охлаждающего воздуха. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий ротор турбины для вращения компрессора, соосно установленные с ним ротор другой турбины и колесо с размещенными в нем камерами сгорания с выходными сечениями, совмещенными с профилированными каналами другого ротора турбины, отличающийся тем, что колесо выполнено в виде диска с отверстиями, камеры сгорания расположены в последних, диск жестко соединен с ротором другой турбины, а она выполнена в виде свободной турбины. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что отверстия в диске выполнены цилиндрической формы и расположены параллельно оси двигателя. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выходные сечения камер сгорания введены внутрь профилированных каналов свободной турбины. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выходные сечения камер сгорания введены внутрь профилированных каналов свободной турбины с зазором для подвода охлаждающего воздуха.