ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02C3/16 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, в частности к газотурбинным двигателям.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий систему подачи топлива и камеру сгорания, закрепленную к корпусе между осевыми компрессорами и осевой турбиной, соединенными общим валом (В.А.Кириллин, В.В.Сычев, А.Е.Шейндлин. Термическая термодинамика. Учебник для вузов. Изд. 2-е. М. "Энергия", 1974 г. стр.301.). Коэффициент полезного действия подобного газотурбинного двигателя определяется величиной степени сжатия рабочего газа, которая достигает одноконтурных двигателях величины 10-15 раз. Дальнейший рост степени сжатия газа в двигателе ограничен напряженным режимом работы сложных удлиненных лопаток компрессора и турбины и наличием потерь от перетеканий газа в радиальном зазоре между лопатками компрессора, турбины и корпусом двигателя
Известен газотурбинный двигатель, принятый за прототип, который содержит размещенные на роторе систему подачи топлива, центробежный компрессор, камеру сгорания, центробежную турбину, центростремительную турбину и размещенный между центробежной и центростремительной турбинами статор неподвижный отклоняющий поток газа элемент (патент США N 3287904, НКИ 60-39.34, опубл. в 1966г). Рабочие колеса центробежного компрессора и центростремительной турбины имеют малое число лопаток, их конструкция и производство просты, в одной ступени радиальной турбины можно срабатывать большой теплоперепад.

Недостатки малотурбинного двигателя заключаются в малом коэффициенте полезного действия вследствие малой степени сжатия рабочего газа и наличия потерь от перетеканий газа в зазоре между ротором и статором двигателя. Наличие неподвижного статора позволяет в прототипе повысить эффективность использования энергии газа, но механически разрывает газовый контур и не дает возможности выполнить конструкцию как одно целое, что не позволяет упростить конструкцию и еще более повысить эффективность двигателя.

Задача, которая решается разработанной конструкцией газотурбинного двигателя, заключается в повышении коэффициента полезного действия и технологическом упрощении газотурбинного двигателя
Решение данной задачи обусловлено следующими техническими результатами:
-повышением степени сжатия рабочего газа;
-устранением утечек рабочего газа;
повышением эффективности преобразования движения газа в момент вращения ротора.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном газотурбинном двигателе, содержащем размещенные на роторе центробежный компрессор, камеру сгорания, центростремительную турбину и систему подачи топлива, согласно изобретению, центростремительная турбина размещена непосредственно за камерой сгорания, которая имеет тангенциальный наклон, противоположный направлению вращению ротора, радиальный наклон к оси ротора и содержит сопло Лаваля на выходе из камеры сгорания.

Возможно выполнение газотурбинного двигателя, когда он содержит более чем одну камеру сгорания, камеры сгорания осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол.

Возможно выполнение газотурбинного двигателя, когда центробежный компрессор, камера сгорания и центростремительная турбина выполнены совместно в виде профилированной трубы, которая изогнутая по радиусу и закручена по спирали в сторону, противоположную направлению вращения ротора.

Возможно выполнение газотурбинного двигателя, когда он содержит более чем одну профилированную трубу, трубы осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол.

Возможно выполнение газотурбинного двигателя, когда он содержит с наружной стороны упрочняющие бандажные кольцевые элементы.

Возможно выполнение газотурбинного двигателя, когда компрессор выполнен многоступенчатым, причем находящаяся перед камерой сгорания последняя ступень компрессора выполнена центробежной.

Возможно выполнение газотурбинного двигателя, когда турбина выполнена многступенчатой, причем находящаяся за камерой сгорания первая ступень турбины выполнена центростремительной.

На чертеже изображен газотурбинный двигатель.

Предлагаемый газотурбинный двигатель содержит вал 1, закрепленный на опорах вращения 2, в защитном корпусе 3, центробежный компрессор 4, центростремительную турбину 5, камеру 6 сгорания топлива с устройством зажигания 7 топлива и системой подачи 8 топлива, центробежный компрессор 9 подачи топлива, радиальный канал 10 подачи топлива, осевой канал 11 подачи топлива, устройство уплотнения 12 подвода топлива к ротору, систему подвода напряжения 13 к устройству зажигания 7, упрочняющие бандажные кольцевые элементы 14, осевой многоступенчатый компрессор 15, осевую многоступенчатую турбину 16.

Внутри защитного корпуса 3 на опорах вращения 2 помещен общий вал двигателя (ротор) 1. На роторе 1 закреплены центробежный компрессор 4 и центростремительная турбина 5. Между ними камера 6 сгорания топлива с устройством зажигания 7 топлива и центробежный компрессор 9 подачи топлива радиальными каналами 10 подачи топлива в камеру сгорания 6. Система подачи топлива 8 соединена вращающимся ротором 1 по средством устройства уплотнения 12 и далее по осевому каналу 11, с центробежным компрессором 9 подачи топлива. На роторе 1 также закреплена система подвода напряжения 13 к устройству зажигания 7. Центробежный компрессор 4, камера 6 сгорания и центростремительная радиальная турбина 5 могут быть выполнены совместно в виде полой профилированной трубы, которая закреплена на роторе 1. Упрочняющие бандажные кольцевые элементы 14 охватывают двигатель снаружи и жестко фиксируют одну или несколько камер 6 сгорания, или одну или несколько полых профилированных труб.

Осевой многоступенчатый компрессор 15 может быть размещен на общем валу перед центробежным компрессором 4. Осевая многоступенчатая турбина 16 может также быть размещена за центростремительной турбиной 5, на общем валу.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Рабочее тело воздух входит в центробежный компрессор 4 через входные каналы и при его движении в центробежном поле вращающегося ротора 1, от оси ротора 1 к периферии, воздух адиабатически сжимается и нагревается. На выходе из центробежного компрессора 4 воздух входит в закрепленную на роторе 1 камеру 6 сгорания топлива, которая жестко и герметично соединена с ним.

Система подачи топлива 8 соединена с вращающимся ротором 1 посредством устройства уплотнения 12, которое может быть выполнено любым, например с уплотняющими кольцами или манжетами, далее по осевому каналу 11 топливо идет к центробежному компрессору 9 подачи топлива.

Топливо сжимается в нем и затем посредством группы радиальных каналов 10 подачи топлива, направленных от компрессора к камере сгорания, топливо впрыскивают в нее. Устройство может быть выполнено и без центробежного компрессора 9 подачи топлива, тогда роль центробежного компрессора выполняют сами радиальные каналы 10.

Устройство зажигания 7 воспламеняет топливо, и начинается его горение и расширение в камере 6 сгорания. Система подвода напряжения 13 к устройству зажигания 7 может быть выполнена любой, например содержать плавающие контакты, соединение с устройством зажигания 7 на вращающемся роторе 1, или содержать размещенную на роторе 1 катушку индуктивности и внешний источник постоянного или импульсного магнитного поля. В связи с высокой степенью сжатия газа и его нагреванием в процессе движения газа в каналах центробежного компрессора возможна работа устройства и без устройства зажигания 7, или с работой устройства зажигания 7 только на стартовом участке работы двигателя.

Выбор радиального наклона камеры 6 сгорания топлива в центробежном поле вращающегося ротора позволяет выбрать режим изменения давления вдоль камеры сгорания близко к изохоре, изхобаре, изотерме, иной другой политропе, что дает возможность оптимизировать режим нагревания рабочего тела воздуха в двигателе. Камера 6 сгорания топлива закреплена на роторе двигателя и имеет азимутальный наклон, противоположный направлению вращению ротора, поэтому ускорение рабочего тела вдоль камеры 6 при его нагревании от сгорающего топлива переходит во вращательный момент ротора в направлении его вращения.

Камера 6 сгорания топлива жестко соединена с центростремительной турбиной 5, и потому давление газа в камере 6 сгорания имеет подпор по давлению на выходе из камеры 6 и может достигать при жесткой герметичной конструкции двигателя величины в 50 атмосфер, что резко повышает эффективность использования тепла от сгорания топлива, коэффициент полезного действия двигателя и создает возможность работы двигателя на тяжелом топливе.

Горячий воздух, двигаясь далее в центростремительной радиальной турбине 5 против центробежного поля вращающегося ротора 1 двигателя, отдает свою энергию посредством азимутально направленной силы кориолиса вращающемуся ротору 1. Газ в процессе своего радиального движения вверх от оси и вниз к оси ротора 1 в компрессоре и турбине создает в двигателе в целом положительный момент вращения за счет действия силы кориолиса, если скорость движения газа к оси ротора двигателя больше скорости движения газа от оси двигателя, что достигается выбором наклона каналов в компрессоре и турбине и площади их сечения вдоль длины. Для увеличения эффекта камера сгорания может содержать на входе в центростремительную радиальную турбину сопло Лаваля, так как движущихся со сверхзвуковой скоростью газ в процессе своего движения против центробежного поля ускоряется.

Канал центростремительной радиальной турбины может быть тангенциально изогнут в направлении против ротора 1 для перевода в момент вращения ротора тангенциальной составляющей ускорения потока газа в канале.

Отметим также известную способность центробежного компрессора и центростремительной радиальной турбины работать с малыми расходами газа без снижения рабочих характеристик для создания малой единичной мощности, это важно, когда установка работает как турбовальный двигатель.

Вариант реализации устройства, когда оно содержит более чем одну камеру сгорания, позволяет повысить мощностные характеристики устройства и его весовые характеристики.

Для повышения его эффективности двигатель наружной стороны содержит упрочняющие бандажные кольцевые элементы 14, они охватывают двигатель в области размещения одной или нескольких камер 6 сгорания топлива и жестко соединены с компрессором и турбиной, что увеличивает жесткость конструкции двигателя, напряженность режима его работы путем увеличения числа оборотов двигателя в рабочем режиме, тем самым позволяет увеличить степень сжатия рабочего тела, коэффициент полезного действия и его надежность.

Возможен вариант двигателя, когда центробежный компрессор 4, камера сгорания 6, центростремительная радиальная турбина 5 выполнены совместно в виде полой профилированной трубы, которая изогнута по радиусу и закручена по спирали в сторону, противоположную направлению вращения ротора 1, что повышает технологичность изготовления устройства.

Работа двигателя в этом случае полностью соответствует тому, что описано выше, только движение газа происходит в выделенном канале профилированной трубы. Подобная профилированная труба может быть выполнена, например, из штампованных элементов, герметично сваренных в месте их стыка и имеющих отверстия для размещения устройства зажигания 7 и для радиальных каналов 10 ввода топлива.

Возможен вариант реализации устройства, когда при этом оно содержит более чем одну профилированную трубу, трубы осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол.

Для повышения эффективности двигатель с наружной стороны содержит упрочняющие бландажные кольцевые элементы 14, они охватывают двигатель в области размещения одной или нескольких профилированных труб, что увеличивает жесткость конструкции двигателя, напряженность режима работы и эффективность.

Для повышения эффективности сжатия рабочего газа компрессор можно выполнить многоступенчатым, причем находящаяся перед камерой сгорания последняя ступень компрессора должна быть выполнена центробежной. Осевой многоступенчатый компрессор размещен на общем валу перед центробежным компрессором 4.

Для повышения эффективности преобразования энергии газа в работу турбина выполняется многоступенчатой, причем находящаяся за камерой сгорания первая ступень турбины должна быть центробежной. Осевая многоступенчатая турбина размещена за центростремительной турбиной также на общем валу.

Пример.

Были проведены расчеты и моделирование работы предлагаемого газотурбинного двигателя. Газотурбинный двигатель с внешним его радиусом в районе размещения камеры сгорания 35 см, постоянным сечением канала движения газа вдоль его длины 10 кв.см и скорости вращения вала 25000 об/мин обладают мощностью 260 кВт, термическим КПД 0,533, давлением газа в камере сгорания - 45 атм, моментом на валу 10 кГм.

Промышленная применимость.

Настоящее изобретение может быть использовано в автомобилях, малогабаритных энергоустановках, стационарных установках, судовых двигателях, иных устройствах получения и использования энергии.

Использование: в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания КС, расположенную между центробежным компрессором и центростремительной турбиной которые закреплены на общем роторе, размещенную на одном роторе с ними КС, имеющую тангенциальный наклон, противоположный направлению вращения ротора, и радиальный наклон к оси ротора. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий размещенные на роторе центробежный компрессор, камеру сгорания, центростремительную турбину и систему подачи топлива, отличающийся тем, что центростремительная турбина размещена непосредственно за камерой сгорания, которая имеет тангенциальный наклон, противоположный направлению вращения ротора, радиальный наклон к оси ротора и содержит сопло Лаваля на выходе из камеры сгорания. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит более чем одну камеру сгорания, камеры сгорания осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что центробежный компрессор, камера сгорания и центростремительная турбина выполнены совместно в виде профилированной трубы, которая изогнута по радиусу и закручена по спирали в сторону, противоположную направлению вращения ротора. 4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что он содержит более чем одну профилированную трубу, трубы осесимметрично закреплены на роторе и повернуты друг относительно друга на одинаковый угол. 5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит с наружной стороны упрочняющие бандажные кольцевые элементы. 6. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что компрессор выполнен многоступенчатым, причем находящаяся перед камерой сгорания последняя ступень компрессора выполнена центробежной. 7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что турбина выполнена многоступенчатой, причем находящаяся за камерой сгорания первая ступень турбины выполнена центростремительной.