ПАРОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02C3/14 F01K21/04 

Изобретение относится к устройствам, приводимым в действие энергией струи рабочей среды, а именно к паротурбинным устройствам.

Изобретение может быть использовано в энергетике для привода электрогенератора, на транспорте, в авиации и космонавтике.

Ближайшим прототипом из данного класса устройства может служить одновенцовая паровая турбина Лаваля, построенная шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г.

Принцип действия прототипа совпадал с принципом действия других аналогов паротурбинных установок, т.е. струя рабочей среды подавалась из сопла на лопатки ротора турбины и при взаимодействии с лопатками заставляла ротор турбины вращаться.

Турбина Лаваля имела один ротор, снабженный лопатками, по периферии которого были установлены реактивные сопла, приводящие ротор турбины во вращение. Пар подводился к реактивным соплам по закрытым каналам от парообразующего устройства (котла), снабженного камерой сгорания (топкой).

Турбина Лаваля при всей простоте конструктивного использования имела небольшой КПД порядка 12 15% а с учетом потерь тепла в парообразующем (котловом) устройстве КПД всего устройства был недопустимо низким. Попытки повысить КПД турбины Лаваля не дали результатов, т.к. она обладала рядом недостатков, обусловленных этой конструкцией:
невозможность переработки располагаемого теплоперепада (КДж/кГ) одновенцовой турбиной;
большие потери тепла рабочей среды (пара) в парообразующем (котловом) устройстве и в сетях подачи к турбине;
большие потери кинематической энергии рабочей (паровой) струи при сверхзвуковом обтекании лопаточного венца (неполноценное обтекание);
дисковые потери, связанные с трением поверхности ротора турбины о рабочую среду (пар).

Задачей изобретения является устранение перечисленных недостатков прототипа и создание такого паротурбинного двигателя, который мог бы конкурировать со всеми существующими типами тепловых двигателей как по КПД, так и по широте применения. Эта задача решается прежде всего тем, что паротурбинный двигатель снабжается вторым ротором, по периферии которого устанавливаются реактивные сопла, снабженные закрытыми каналами парообразующего устройства с возможностью приведения второго ротора во вращение.

Определим при этом видоизменении конструкции эффективность нового устройства, для этого разберем подробнее перечисленные недостатки прототипа.

Невозможность переработки располагаемого теплоперепада в одновенцовой паровой турбине Лаваля объясняется прежде всего тем, что при большой скорости истечения пара из реактивных сопел со скоростью C 1150 м/с окружная скорость вращения лопаток Uт достигла лишь 200 м/с.

По теории энергообмена между реактивной струей и лопаткой должно соблюдаться соотношение Uт/C 0,5 для турбины активного типа, какой являлась и турбина Лаваля. Это означало, что при C 1150 м/с лопатка могла переработать с наибольшим эффектом кинетическую энергию потока при окружной скорости Uт 575 м/с. Теоретически в одновенцовой турбине при указанной скорости Uт и выполнении соотношения Uт/C 0,5 можно при повороте потока в лопатках турбины до 180^o почти полностью переработать располагаемый теплоперепад . При этом кинетическая энергия струи пара будет полностью израсходована и поток пара будет остановлен и будет выходить из турбины перпендикулярно ее плоскости.

Следует пояснить, что располагаемый теплоперепад полностью реализуется в реактивных соплах одноименного с турбиной Лаваля названия. Это означает, что почти полностью переходит в кинетическую энергию потока. Следовательно, зная скорость C потока из реактивного сопла или (пара) в камере перед соплом, можно записать mc²/2 для 1 кГ пара. В нашем примере 660 КДж/кГ. Следует указать, что представленная окружная скорость лопатки Uт 575 м/с является очень большой, но реализовать ее с использованием современных материалов можно. Однако неполноценность обтекания лопатки струей пара при его относительной скорости в 575 м/с будет очень сильно сказываться на КПД турбины.

Если принять во внимание Uт 200 м/с в турбине Лаваля, то там эти потери бы ли еще больше. Следовательно, турбина Лаваля перерабатывала ≈ 14% , это и был ее КПД.

Работы по повышению КПД паротурбинных устройств привели к появлению многоступенчатых (многовенцовых) паровых турбин, где в каждой ступени срабатывалась с достаточной экономичностью небольшая часть общего располагаемого теплоперепада при прохождении пара по проточной части турбины. См. например, турбину К 1000-60/3000 ЛМЗ.

В результате КПД паровых турбин увеличился до 40% однако все попытки повысить КПД и этих аналогов натолкнулись на неразрешимые трудности, обусловленные прежде всего существующими конструктивными решениями. Теплоперепады современных паротурбинных устройств почти полностью до 88% перерабатываются в турбинах и имеют большие значения по сравнению с турбиной Лаваля, достигая 1100 1800 КДж/кГ, и, конечно, переработать их в одновенцовой турбине, к тому же при ограниченных окружных скоростях, Uт было бы невозможно.

Предлагаемая конструкция паротурбинного устройства, как уже указывалось, снабжается вторым ротором с реактивными соплами, приводящими его в движение в обратном направлении относительно ротора турбины, что сразу дает главное преимущество перед прототипом это появление возможности перерабатывать значительно большие теплоперепады , причем даже выше существующих.

Проиллюстрируем это простым примером, используя данные прототипа. Пусть окружная скорость ротора, снабженного реактивными соплами, произвольно будет Up 250 м/с, а ротора турбины Uт 450 м/с, современные материалы допускают еще большие окружные скорости до 700 м/с (см. Uт лопаток последней ступени турбины K -1000-60/3000 ЛМЗ, где Uт 670 м/с). Тогда ротор с реактивными соплами перерабатывает отдельно Ho m Up²/2 31 КДж/кГ с учетом 660 КДж/кГ КПД ротора будет 31/660 ≈ 5% С другой стороны на ротор турбины, снабженный лопатками, действует реактивная струя пара с относительной скоростью Сф 900 м/с. При соблюдении вышеуказанного соотношения Un/Cф 0,5 турбина перерабатывает теоретически 62% общего теплоперепада , без учета механических потерь, при этом скорость лопатки получилась Uт 450 м/с и совпала с выбранной. Таким образом, система, которую назовем ротор-турбина, перерабатывает в сумме 67% кинетической энергии потока, или иначе 67% .

Если изменим значения Up и Uт, то при теоретической переработке ротором 50% кинетической энергии потока это наступит при Up 800 м/с, КПД всей системы ротор-турбина будет примерно 59% хотя эти величины очень условны и не отражают всей совокупности газодинамических процессов.

Таким образом, в данной образованной системе имеется какой-то оптимум, который находится в пределах с большей переработкой рабочего потока турбиной. При этом граница находится в пределах данной системы между 59% и ≈ 90% теоретической переработки располагаемого теплоперепада . При этом возникает вопрос, как уменьшить потери при достижении оптимума в представленной системе ротор-турбина, указанные ранее для прототипа. Охарактеризуем их, начиная со второго пункта.

В парообразующем (котловом) устройстве прототипа теряется значительное количество тепла при нагревании конденсата и доведения его до начальных параметров. По пути к турбине пара по сетям передачи также теряется тепловая энергия в виде передачи тепла через стенки сетей в окружающую среду. Все эти потери характеризуются КПД парообразующего устройства, равного 0,7 0,8, те же значения имеют и существующие аналоги (ср. 0,75).

Рассматривая третий пункт, где говорится об обтекании паром лопатки, следует помнить, что известно, чем выше скорость обтекания лопатки рабочей средой, тем больше потерь возникает при передаче кинетической энергии от рабочей среды.

В данном примере для прототипа рабочей средой является струя пара, выходящая из сопел со скоростью C 1150 м/с. Струя падает на лопатки с относительной скоростью C_отн. 950 м/с, поэтому практикой был определен КПД турбины при таком "неполноценном" обтекании в пределах 0,7 - 0,9.

С другой стороны, в изобретении падение паровой струи будет уменьшено в 2 3 раза, следовательно, КПД турбины будет расти, начиная от наибольшего из представленного для прототипа, и может достичь 0,95 0,98.

Рассматривая последний пункт, видим потери от трения диска роста турбины о рабочую среду. Этот вид потерь и в существующих аналогах многоступенчатых турбин имеет место и учитывается в общих потерях. Однако при росте единичной мощности паровой турбины эти потери мало заметны и составляют доли процентов. Однако в прототипе они весьма существенны и составляют уже целые проценты от общей мощности. Это обстоятельство и не позволяет до сих пор создать эффективный компактный паровой мотор. Так как прототип устройства небольшой мощности, то дисковые потери ориентировочно могут доходить в нем до 5 10% мощности, вырабатываемой турбиной.

Таким образом, если в общую эффективность системы ротор-турбина по условию переработки кинетической энергии потока, принятую как оптимальную и равную 67% мы введем вышеперечисленные коэффициенты потерь, имеющие место у прототипа, то получим соотношение КПД новой связки ротор-турбины.

0,67 • 0,75 • 0,9 • 0,9 0,40 (40%) (1)
Этот КПД по условию переработки будет расти при выборе оптимальной Uт и Uр, а также за счет трех последних коэффициентов.

Рассмотрим это на примере развития конструкции предлагаемого изобретения.

В представленном выше примере подвода пара к реактивным соплам ротора оси вращения имеет место ограничение окружной скорости ротора Uр=250 м/с, потому что материал ротора нагревается до температуры пара, подаваемого из парообразующего устройства.

Дополнительно это ведет к появлению большой, излучающей тепло поверхности с соответствующими потерями. Однако такой пример осуществления изобретения дает не только приемлемый усредненный КПД 40% по , но и возможность работать стационарной камере сгорания (топке) на различных видах топлива от газообразного до твердого, что важно с экологической точки зрения, например, возможности утилизации твердых отходов.

Предлагаемый паротурбинный двигатель может иметь больший КПД, и вторая составляющая выражения (1) измениться с ≈ 0,75 до 0,95-0,97, если установим камеру сгорания по периферии второго ротора вместе с парообразующим устройством. Причем и парообразующее устройство, и камера сгорания снабжаются реактивными соплами, установленными с возможностью совместного воздействия их реактивных струй на лопатки ротора турбины. При этом КПД камеры сгорания с соплом становится равным КПД реактивных сопел 0,95-0,97, то же реализуется и в парообразующем устройстве, таким образом, общий усредненный кпд такого блока при соответствующей термоизоляции составит 0,95-0,97.

Как видно из этого конструктивного решения, источники тепла, которые нагревали до этого весь второй ротор, теперь ограниченно могут нагревать только его периферийную часть. Подача топлива, конденсата и воздуха от компрессора, которым снабжается при этом варианте паротурбинный двигатель, к камере сгорания и парообразующему устройству позволит локализовать распространение тепла от них на поверхность диска второго ротора. В связи с этим сокращаются тепловые потери с большой площади ротора и одновременно появляется возможность использования больших окружных скоростей Up и также применение более дешевых материалов с обычными конструкционными свойствами.

В представленном конструктивном варианте, когда реактивные сопла и камеры сгорания, и парообразующего устройства лежат в одной плоскости, невозможно реализовать паровой двигатель как постоянно действующую по замкнутому паровому циклу машину. Дело в том, что пар вместе с выхлопными газами будет удаляться из паровой камеры, однако при этом КПД паротурбинного двигателя может быть самым высоким, так как не тратится энергия на получение конденсата и введение его вновь в оборот парового цикла.

При другом варианте конструктивного исполнения двигателя, который представляется как наиболее оптимальный, на паровую камеру устанавливается дополнительная газотурбинная секция, в которой устанавливается третий ротор газовой турбины. Ротор с размещенными камерами сгорания вместе с парообразующим устройством частично пропущен при этом через кольцевое уплотнение паровой камеры.

Реактивные паровые сопла вместе с турбиной остаются в паровой камере, а реактивные сопла камеры сгорания приводят в действие третий дополнительный ротор газовой турбины, установленной с возможностью коаксиального вращения относительно сопел камер сгорания, воздействующих своими струями на лопатки для приведения третьего ротора турбины во вращение. При этом пар от парообразующего устройства, установленного вместе с камерой сгорания, подается через закрытые каналы, сообщающиеся с реактивными соплами паровой камеры и размещенные в теле частично пропущенной части ротора.

Такой конструктивный вариант позволяет использовать конденсат и вновь вводить его в оборот паротурбинного двигателя. Причем подача жидкостей по закрытым радиальным каналам к камере сгорания (топлива) и к камере парообразующего устройства (конденсата) происходит за счет закрутки ротора и позволяет в упомянутых камерах создавать очень большие напоры, которые будут гарантированно подавать туда рабочие жидкости. В связи с этим необходимость в насосах отпадает.

Подача окислителя (воздуха) в камеру сгорания происходит по закрытым радиальным каналам от компрессора, кинематически связанного с валом ротора, например, через зубчатую передачу. Установка компрессора еще больше увеличит КПД камеры сгорания за счет того, что повышение в ней давления Pк влечет за собой увеличение скорости истечения газовой струи из реактивного сопла.

Разделение на две секции предлагаемого двигателя позволяет, как и в современных паровых турбинах, создать условия для образования вакуума в паровой камере, и в связи с этим условия выпадения и сбора конденсата в паровой камере и далее введение его в оборот работы устройства. При этом существенным отличием от представленных паротурбинных устройств является то, что для увеличения момента на втором роторе используются реактивные сопла камеры сгорания. Установка третьего дополнительного ротора газовой турбины также дает возможность съема дополнительной энергии, а значит, увеличение КПД всего устройства.

В связи с образованием вакуумной камеры диски ротора и турбины будут испытывать в ней минимальные сопротивления от трения разряженного пара. Потери от трения диска при этом могут составлять доли кВт и будут мало влиять на эффективность всего устройства.

Температура в паровой камере будет по условиям работы реактивных сопел и конденсации пара очень низкой, в результате материалы указанных роторов не будут испытывать действие высоких температур. Следует отметить, что скорость истечения пара C из паровых сопел в вакуумной камере будет в связи с разряжением максимальной для данного . Соответственно будет произведено большее окружное усилие реактивными соплами. Также в связи с уменьшением скорости падения пара Cф на лопатку турбины при противоположных вращениях роторов обтекаемость паром ее улучшится и КПД увеличится. Выполнение лопаток короткими снизит их массу, что позволит уменьшить их вибрацию и в связи с этим шум. Вакуум в паровой камере также будет препятствовать распространению шума.

Вакуум в паровой камере может быть получен новым конструктивным решением установкой на реактивное сопло, например, камеры сгорания, эжектора, закрытый канал которого сообщается через тело пропущенной части ротора с паровой камерой. В связи с тем что скорость истечения C из реактивного сопла камеры сгорания продуктов сгорания в 1,5-2 раза выше, чем у паровой струи, можно добиться получения более глубокого вакуума в паровой камере. Также при вращении ротора участок закрытого канала вакуумного эжектора является участком элементарной ступени центробежного компрессора, что также будет способствовать более эффективной работе эжектора и всего устройства в целом.

Все перечисленные конструктивные решения для паровой камеры могут быть реализованы и для газотурбинной секции с той лишь разницей, что разряжение на дисках роторов может быть создано лишь по участку открытых торцевых поверхностей ротора и турбины, в который не включаются лопатки турбины и реактивные сопла камер сгорания второго ротора.

Разряжение на этих поверхностях может быть осуществлено также при помощи эжекторов, о чем будет подробнее сказано ниже. Это позволит сократить дисковые потери до 0,98 от в двигателях малой мощности.

Целесообразным является и установка компрессора непосредственно на вал ротора, этим достигается уменьшение механических потерь от кинематической передачи и одновременно уменьшаются гидравлические сопротивления трактов за счет сокращения их длины.

Лучшими компрессорами для паротурбинного двигателя небольших мощностей представляются роторные компрессоры объемного типа с двумя или тремя ступенями сжатия, например ротационно-пластинчатый или винтовой компрессор.

Тем самым, возвращаясь к предыдущему выражению (1) и подставляя новые значения коэффициентов, получим:
0.67•0.97•0.98•0.98=0.62 (62%) (2).

То есть из этого соотношения (2) видно, что за счет новой системы ротор-турбина и установки камеры сгорания с парообразующим устройством на ротор повысилась возможность переработки кинетической энергии паровой струи, т.е. располагаемого теплоперепада в 1,5 раза.

Очевидно, что при более высоких теплопередачах скорость струи пара будет возрастать, и при теплоперепаде, например, в 1800 КДж/кГ скорость C может достигнуть 1600 м/с. Скорость в реактивных соплах газотурбинной секции также могут возрасти при применении повышенных параметров продуктов сгорания до 2000 м/с. Следовательно, могут возникнуть проблемы с повышенными окружными скоростями Up и Uт и выбора материала для роторов паротурбинного двигателя. Однако и эта задача решается в изобретении тем, что группа сопел, например, камер сгорания, снабжается эжектором, в проточный канал которого набегает поток воздуха с продуктами сгорания в газотурбинной секции.

Смешение в камере эжектора активной струи из реактивного сопла и пассивной, поступающей из проточного канала эжектора может снизить общую скорость потока в 2-3 раза, в зависимости от K смешения, что может быть осуществлено и в паровой камере. При смешении указанных потоков их общая масса вырастает, общая средняя скорость потоков снижается, а сила тяги блока эжектор-реактивное сопло увеличивается. Это может отразиться на увеличении мощности и КПД всего устройства, и самое главное в этом случае могут снижаться до оптимальных значений окружных скоростей Up и Uт. Снабжение эжекторами паровых сопел рассматривается ниже.

Практически применение эжекторов может позволить при сокращении окружной скорости Up ротора переработать максимально возможные теплопередачи одиночного ротора по условиям переработки кинетической энергии струи до 50% Это позволит создать очень экономичные, например, движители (винты) вертолетов, самолетов и др. объектов с КПД порядка 40%-45%
С учетом термического КПД цикла, который и для паротурбинной и для газотурбинной секции могут возрастать в представленном устройстве выше существующих и достигать значений 0,85, оценочный КПД газотурбинной секции с компрессором, установленным непосредственно на вал ротора, может достигать значений 60-65% а паротурбинной 60-75% то средний КПД всего устройства может быть самым высоким из всех существующих тепловых и паровых машин, порядка 60-70% В связи с этим в паротурбинном двигателе имеется возможность реализовать наивысший термодинамический цикл Ренкина за счет увеличения еще более существующих первоначальных параметров пара по температуре и давлению.

Все рассмотренные предложения позволяют создать компактный высокоэффективный тип паротурбинного двигателя с гораздо большей широтой применения, чем в настоящее время, при этом будут использованы замечательные возможности пара, такие, как высокая газовая постоянная способность конденсации и т.д. а также замечательные свойства роторных двигателей, характеризующиеся малыми механическими потерями до 1-2% от общей мощности.

На фиг. 1, разрез А-А, представлен лучший для использования вариант конструкции паротурбинного двигателя, где в паровой камере 1 установлен ротор 2, снабженный закрытыми каналами 3, проходящими в радиальных направлениях. По периферии ротора 2 установлены реактивные сопла 4, которые соединены с закрытыми каналами 3.

В паровой камере 1 размещен ротор турбины 5, снабженный лопатками 6, установленными с возможностью коаксиального вращения относительно реактивных сопел 4. Тело ротора 2 частично пропущено через кольцевое уплотнение 7 паровой камеры 1, и по его периферии установлены камеры сгорания 8, снабженные реактивными соплами 9 (см. фиг. 2, разрез Б-Б) вместе с парообразующим устройством 10, которое представляет собой рабочий объем, образованный оболочкой камеры сгорания 8 и внешней теплоизолирующей оболочкой парообразующего устройства 10.

Рабочий объем парообразующего устройства 10 соединен с емкостью 11 для сбора конденсата через группу закрытых каналов 12, проходящих в радиальных направлениях в роторе 2. Одновременно рабочий объем камеры сгорания 8 соединен с группой закрытых каналов 13 для подачи одного из компонентов горючей смеси топлива. Подвод топлива осуществляется через штуцер 14. По группе закрытых каналов 15 подается другой компонент горючей смеси окислитель (воздух) от компрессора 16, установленного на вал ротора 2.

Необходимо отметить и предпочтительное расположение камеры сгорания 8 вместе с парообразующим устройством 10 на роторе 2 в радиальном направлении для снижения напряжений в материалах этих элементов от действия центробежных сил.

Ротор компрессора 16 соединен со стартовым электродвигателем 17 ременной передачей через обгонную муфту 18. Между валом ротора 2 и полым ротором компрессора 16 установлена вторая обгонная муфта 19 с противоположным направлением передаваемого момента. На паровую камеру 1 установлен кожух 20, в котором размещен третий ротор турбины 21, снабженный лопатками 22 и установленный с возможностью коаксиального вращения относительно реактивных сопел 9, расположенных на частично пропущенном роторе 2 через паровую камеру 1.

Ротор турбины 21 снабжен магнитной обмоткой генератора электрического тока 23. Другая магнитная обмотка 24 установлена на кожухе 20. Аналогичные обмотки 25 и 26 установлены на роторе турбины 5 и в корпусе паровой камеры 1. По открытому торцу третьего ротора турбины 21 установлена с уплотняющим зазором кольцевая обечайка 27, которая снабжена предохранительным клапаном 28, отрегулированным на определенное давление разряжения в объеме, где расположены ротор 2, снабженный реактивными соплами 9, и ротор турбины 21, которые размещены между собой также с уплотняющим зазором.

В кожухе 20 имеется отверстие 29 для удаления продуктов сгорания. На паровой камере 1 установлена вторая кольцевая обечайка 30 с уплотняющим зазором к открытому торцу ротора 2 камеры сгорания 8, которые вместе с парообразующим устройством 10 закрыты аэродинамической крышкой 31, снабженной отверстием 32 для сообщения разделенных объемов между собой.

Сама аэродинамическая крышка 31 снабжена кольцевым выступом, который создает уплотняющий зазор между роторами 2 и 21. Для создания разряжения в объеме, образованном обечайками 27 и 30 и роторами 2 и 21, реактивное сопло 9, например, камеры сгорания 8 (см. фиг. 2, разрез Б-Б) снабжено эжектором 33, закрытый канал 34 которого пропущен через тело ротора 2 к сообщающемуся с разряжаемыми объемами отверстию 35. Для создания вакуума (разряжения) в паровой камере 1 реактивное сопло 9, например, камеры сгорания 8 снабжено эжектором 36, закрытый канал 37 которого сообщается с паровой камерой 1 через тело пропущенной части ротора 2.

Неопределенность установки эжектора объясняется возможностью его установки также и на реактивное сопло 4 парообразующего устройства 10 на оболочке парообразующего устройства 10 в обоснованных случаях.

Таким случаем может быть работа паротурбинного устройства в режиме чистой паровой турбины (см. фиг. 3, разрез В-В), когда необходимо уменьшить дисковые потери и в паровой камере 1. Группа сопел 9 снабжена также эжектором 38, закрытый канал 39 которого установлен с возможностью увеличения КПД устройства.

Для эффективной работы эжектора 33, 36 к поверхности вала ротора 2 установлены кольцевые лабиринтные уплотнения 40 и 41 (см. фиг.1). В паровой камере 1 установлен также трубный пучок 42 конденсаторной системы, однако конденсатор может быть установлен и отдельно от паротурбинного устройства. Под ним имеется перегородка, снабженная клапаном с отверстием 43, через которое образовавшийся конденсат может сливаться в емкость 11 для сбора конденсата. Емкость 11 соединена с каналом 44, который пропущен через рубашку охлаждения компрессора 16 и соединен штуцером 45. Чтобы отделить продольные каналы для подачи конденсата, проходящие по валу ротора 2, от центрального воздушного канала, в нем между каналами для подачи конденсата имеются сквозные отверстия 46 для прохода воздуха в центральный канал.

Группа отверстий 46 охвачена скользящей муфтой, снабженной нагревательным патрубком 47, который соединен с нагнетательной камерой компрессора 16. Емкость 11 соединена с нагнетательным патрубком 47 каналом 48.

На фиг.4 представлен разрез варианта конструктивного исполнения соединения вала ротора 2 и турбины 21 в случае, когда целесообразно отказаться от использования магнитных обмоток электрогенератора 23 и 24 (см. фиг.1), но при этом необходимо передать момент вращения от турбины 21 к ротору 2. Для этой цели на вал ротора 2 и вал турбины 21 установлены, например, цилиндрические зубчатые колеса 49 и 50. Между ними установлены шестерни 51, валы которых размещены в неподвижном фланце 52.

В случае когда целесообразно использовать кинетическую энергию газа, выходящего с лопаток 22 турбины 21, паротурбинное устройство снабжается дополнительным ротором турбины 53 (см. фиг.3). При этом съем крутящего момента может производиться, например, цилиндрическими зубчатыми колесами 54 и 55, установленные на дополнительный ротор турбины 2 на вал генератора электрического тока 56.

На фиг. 3, разрез В-В, представлен вариант использования паротурбинного устройства в режиме "чистой" паровой турбины, где ниже разреза В-В помещена упрощенная система использования дополнительного необходимого оборудования для этой цели. Следует подчеркнуть, что представленный вариант конструкции не дает, как указывалось выше, высокого КПД только порядка 30 35% (если применяются обычные конструкционные материалы), однако позволяет сжигать различные твердые сорта топлива или неиспользованные остатки производственного мусора и т.д. засоряющие окружающую среду. При этом на схеме зубчатое колесо 57 вала ротора 2 соединено с зубчатым колесом 58 водяного насоса 59, закрытый канал которого соединен с парообразующим устройством 60 в составе с камерой сгорания (топкой) 61. Паровая камера 1 оборудована стационарным эжектором 62.

Для добавления конденсата в систему паротурбинного устройства имеется резервная емкость 63, например, для дистиллята или дождевой воды и др.

Работа паротурбинного двигателя, представленная на фиг.1, осуществляется следующим образом. Включенный электродвигатель 17 начинает через ременную передачу и обгонную муфту 18 вращать ротор компрессора 16. Через рабочую камеру компрессора 16 начинает поступать сжатый воздух в нагнетательный патрубок 47, снабженный скользящей муфтой, которая охватывает группу воздушных отверстий 46, подводящих сжатый воздух к центральному каналу вала ротора 2. По этому каналу сжатый воздух поступает к группе закрытых каналов 15, проходящих в радиальных направлениях в камеру сгорания 8, снабженную реактивным соплом 9. Одновременно по другой группе закрытых каналов 13 в камеру сгорания 8 поступает топливо из топливной емкости через штуцер 14, где, смешиваясь с воздухом, оно поддерживается. Вытеснение топлива из топливной емкости при пусковом режиме можно осуществлять сжатым воздухом, отбираемым от компрессора 16. Также одновременно с пуском в третью группу закрытых каналов 12 парообразующего устройства 10 начинает поступать конденсат (вода) по продольным каналам, расположенным в валу ротора 2.

При этом конденсат вытесняется из емкости 11 для сбора конденсата за счет нагнетания в канал 48 сжатого воздуха от компрессора 16. На пусковом режиме отверстие 43 клапана, установленного на перегородке емкости 11, закрыто. Далее конденсат поступает через канал 44 в рубашку охлаждения компрессора 16. Здесь конденсат подогревается и одновременно охлаждает компрессор и поступает далее через штуцер 45 в каналы вала ротора 2. Как видно из чертежа, каналы выполнены с радиальными ступеньками в теле вала.

Это сделано для гарантированной подачи конденсата от уровня емкости 11 на высоту уровня закрытых каналов 12, т.к. над уровнем конденсата в емкости 11 при работе устройства будет существовать сильное разряжение. Пройдя по каналам 12, подогретый конденсат поступает на участок регенеративного охлаждения сопла 9 камеры сгорания 8, где он еще более подогревается, охлаждая при этом теплонапряженные участки сопла 9.

По мере прохождения конденсата по рабочему объему парообразующего устройства 10 его энтальпия возрастает от тепла, получаемого от нагретой оболочки камеры сгорания 8, в которой происходит процесс окисления топлива, и конденсат полностью превращается в пар. При этом на парообразование предварительно подогретого конденсата, как указывалось выше, будет затрачено меньше топлива, что повысит КПД паротурбинного устройства.

Образовавшийся пар по закрытым тепоизолированным каналам 3, пропущенным через тело ротора 2, далее поступает в паровую камеру 1 к реактивным соплам 4. Пар в соплах 4 расширяется, заставляя ротор 2 вращаться.

Реакция горения топлива и воздуха приводит к повышению давления в камере сгорания 8, и продукты сгорания, которые поступают в реактивное сопло 7, также расширяются в нем, заставляя ротор 2 вращаться. Одновременная работа реактивных сопел 4 и 9 разгоняет ротор 2, и по мере набора необходимой для устойчивой работы устройства скорости вращения топливо и конденсат втягиваются в соответствующие закрытые каналы 12 и 13 за счет центробежных сил.

Сжатый воздух также дополнительно сжимается в каналах 15, что повышает КПД реактивных камер сгорания 8, снабженных соплами 9. После этого отключается электродвигатель 15, и его шкив с ременной передачей вместе со шкивом обгонной муфты 18 останавливается, а сама обгонная муфта 18 переходит в режим скольжения. Одновременно вал ротора 2, снабженный второй обгонной муфтой 19 с противоположной передачей крутящего момента, сцепляется с полым ротором компрессора 16 и заставляет его вращаться. Производимый сжатый воздух таким образом обеспечивает постоянную работу всего паротурбинного двигателя. До момента отключения электродвигателя 15 прекращается нагнетание сжатого воздуха по каналу 48, и отверстие 43 клапана, установленного на перегородке емкости 11, открывается.

Прекращается нагнетание сжатого воздуха и в топливную емкость, и она сообщается с атмосферой путем использования, например, обратного клапана.

При одновременном выходе ротора 2 на расчетный режим вращения роторы 5 и 21 турбин, снабженных лопатками 6 и 22, при взаимодействии с реактивными струями, создаваемыми реактивными соплами 4 и 9, также выходят на рабочие режимы вращения. На фиг.3 сопла 4 и 9 установлены под углом α и β к плоскости вращения турбин 5 и 21. В представленном виде такое расположение снижает осевые нагрузки на опоры ротора 2.

Соответствующие магнитные обмотки 23 и 25 роторов 5 и 21 турбин взаимодействуют с соответствующими магнитными обмотками 24 и 36 с регенерированием электрического тока, что еще более повышает КПД всего устройства.

Для сохранения конденсата и введения его в постоянный оборот паротурбинного двигателя паровая камера 1 оборудована трубным пучком 42 конденсационной системы, через которую поступает охлаждающая вода (см. фиг.1). Конденсат образуется при сходе пара с лопаток 6 турбины 5 на трубный пучок 42. Необходимо отметить, что в представленной конструкции в соплах 4 может быть отобрана значительная часть скрытой теплоты парообразования, и в результате объем циркуляции охлаждающей воды может быть значительно уменьшен по сравнению с существующими объемами, достигающими кратности 50-70 объемов охлаждающей воды на 1 объем конденсата.

В предлагаемой конструкции это достигается тем, что помимо значительного снижения энтальпии пара в соплах 4 имеется возможность направлять отработанный пар с лопаток 6 турбины 5 непосредственно на охлаждающие трубки трубного пучка 42 и тем самым повысить эффективность конвективного теплообмена.

В предлагаемой конструкции может существовать и такой режим работы, при котором по трубному пучку 42 надо будет пропускать не охлаждающую воду, а наоборот, подогретую, т.к. сопла 4 на некоторых режимах могут выдавать пар с присутствием повышенных мелких фракций с температурой ниже 0^oC.

Применение таких режимов работы реактивного сопла 4 будет оправдано увеличением КПД паротурбинного устройства в обоснованных случаях.

Для нормальных условий образования конденсата в объеме, где находится конденсационная система, требуется создать вакуум. Это осуществляется тем, что реактивное сопло 9, из которого с большой скоростью истекает реактивная струя, снабжает эжектором 36 закрытый канал 37, который пропущен через тело ротора 2 в паровую камеру 1.

Втянутая в канал 37 паровоздушная смесь поступает в камеру смешения эжектора 36, где происходит энергообмен между активной и пассивной струей, отсасываемой из канала 37. В результате в паровой камере 1 создается сильное разряжение, которое способствует эффективному образованию конденсата. При этом несколько снижается скорость реактивной струи, но за счет увеличения ее массы из-за притока паровоздушной смеси из паровой камеры 1 увеличивается тяга реактивной пары сопла 9 вместе с эжектором 36. Направление вытяжки паровоздушной смеси из паровой камеры 1 показано на фиг. 1 стрелками. Такая же задача решается применением эжектора 33, установленного на указанное сопло 9 закрытый канал 30, который пропущен через тело ротора 2 к сквозному отверстию 35.

Этот эжектор 33 вытягивает атмосферный воздух и частично выхлопные газы из объема, образованного кольцевыми обечайками 27 и 30 и роторами 2 и 21. Разряжение в вышеупомянутом объеме позволяет снизить дисковые потери от трения поверхностей 2 и 21 о смесь газов, находящихся в этом объеме под атмосферным давлением. При этом парообразующее устройство 10 вместе с камерой сгорания 8 закрыто аэродинамической крышкой 31, снабженной отверстием 32 для сообщения с разряжаемыми объемами.

Крышка 31 имеет кольцевой выступ, установленный с уплотняющим зазором к торцевой поверхности ротора 21 так же, как и кольцевые обечайки 27 и 30 к открытым торцевым поверхностям ротора 2 и 21.

Для эффективного разряжения как в паровой камере, так и в объеме работающих роторов 2 и 21 к валу ротора 2 установлены кольцевые лабиринтные уплотнения 7, 40 и 41.

С целью увеличения мощности устройства группа реактивных сопел 9 камер сгорания 8 снабжена эжектором 38, в закрытый канал 39 которого набегает атмосферный воздух вместе с продуктами сгорания в кожухе 20. При окружной скорости закрытого проточного канала 39 эжектора 38 порядка 400 500 м/с, скорости реактивной струи 1500 м/с и кратности смешения 1:1 и 1:2 в камере эжектора 38 можно получить общее увеличение мощности паротурбинного устройства в 1,2 1,5 раза. Работа по совершенствованию камеры смешения эжектора 38 позволит увеличить его КПД и уменьшить массу, при этом подача пассивной струи в эжектор 38 может осуществляться и из центра вращения, по закрытым дополнительным каналам, не указанным на чертежах.

Такая подача может способствовать охлаждению теплонапряженных участков ротора 2 рабочей средой, например водой, и одновременно по ходу движения рабочей среды по радиальным каналам к эжектору 38 способствовать повышению его энтальпии. Рабочая среда, входящая в камеру смешения с большей энтальпией, произведет большую работу, чем та же рабочая среда с низкой энтальпией, при этом может быть снижена и кратность смешения активной и пассивной рабочей среды.

В случае когда нецелесообразно осуществлять съем энергии с ротора турбины 5 и 21 при помощи магнитных обмоток электрогенератора, например в условиях повышенных температур, это можно сделать механическим путем.

На фиг.4 представлен вариант такой конструкции, где момент вращения, получаемый ротором турбины 21 (см. фиг.1), передается цилиндрическим зубчатым колесом 50 на шестерни 51, установленные в неподвижном фланце 52.

Шестерни 51 передают момент от ротора турбины 21, при этом противоположного направления, на цилиндрическое зубчатое колесо 49, установленное на роторе 2, что согласуется с противоположным вращением обоих роторов. В результате момент с ротора турбины 21 передается ротору 2 и, наоборот, т.е. существует жесткая связь. То же самое может быть осуществлено в паровой камере 1.

В случае когда вектор выходной скорости пара Сф или продуктов сгорания сильно отклонен от перпендикуляра к плоскости роторов турбин 5 и 21, т.е. не вся кинетическая энергия движения струи пара и продуктов сгорания использована в профилях лопаток (см. фиг.3) целесообразно оснастить паротурбинное устройство дополнительными роторами турбин (показаны на фиг.3 штрихпунктирной линией).

Съем энергии с дополнительного ротора 53 (см. фиг.4) производится при помощи передачи момента вращения от него цилиндрическими зубчатыми колесами 54 и 55 к генератору электрического тока 56, установленному на кожухе 20 (показано тонкой линией).

Как указывалось выше, предлагаемое паротурбинное устройство может использоваться при наличии большого количества топлива твердых сортов и в режиме "чистой" паровой турбины. При этом газотурбинная секция отключается от паровой камеры 1, например, разделяющей муфтой, установленной на валу ротора 2 (на чертежах не показана). Пар в этом варианте направляется от парообразующего устройства 60, оборудованного топкой 61, к реактивным соплам 4. Совершив работу в паровой камере 1, пар конденсируется на трубном пучке 42 и направляется из емкости 11 для сбора конденсата к насосу 59 и далее снова в парообразующее устройство 60. Вращение насоса 59 осуществляется цилиндрическими зубчатыми колесами 57 и 58, установленными на вращающемся валу ротора 2 и валу насоса 59. Для создания вакуума в паровой камере 1 она оборудуется стационарной эжекторной установкой 62. По мере расхода конденсата его добавление производится из резервной емкости 63.

Возможно использование и такого варианта предлагаемого паротурбинного устройства, при котором предварительно подогретый конденсат в парообразующем устройстве 60, размещенном в камере сгорания 61, направляется в парообразующее устройство 10 ротора 2, где конденсат, имеющий уже определенную повышенную энтальпию (фиг. 1), доводится до парообразования теплом камеры сгорания 8. При этом варианте используется часть топлива твердых сортов в камере сгорания 61 и часть газообразных и жидких сортов топлива в камере сгорания 8. При этом варианте КПД паротурбинного устройства будет занимать промежуточное положение между "чистой" паровой турбиной и паротурбинным устройством по фиг.1. Такая комбинация применения топлив возможна только в предлагаемом изобретении.

Предлагаемый паротурбинный двигатель можно применять, как уже указывалось, в качестве двигательной установки транспортного средства. В этом случае наиболее целесообразным представляется его расположение в корпусе транспортного средства так, как указано на фиг.1. При этом нижний конец вала ротора 2 устанавливается на шарнир равномерной угловой скорости Макферсона, который передает вращение колесам через передаточный блок. Штуцер 45 заменяется на скользящий по валу ротора 2, а корпус паровой камеры 1 поддерживается в корпусе транспортного средства демпферными пружинами. Необходимость такой установки объясняется тем, что паротурбинный двигатель при своей работе является эквивалентом гироскопа, и необходимо разгрузить опоры вала ротора 2 при колебаниях корпуса транспортного средства при движении.

Использование: в паротурбинных устройствах. Сущность изобретения: одновенцовая паровая турбина снабжена вторым ротором, по периферии которого установлены камеры сгорания с парообразующим устройством, снабженные реактивными соплами, установленными с возможностью совместного воздействия их реактивных струй на лопатки ротора турбины для приведения ротора турбины во вращение. При этом рабочий объем камеры сгорания соединен с первой группой закрытых каналов, проходящих в радиальных направлениях для подачи одного из компонентов горючей смеси, и со второй группой закрытых каналов, проходящих к компрессору, кинематически связанному с ротором для подачи в камеру сгорания другого компонента горючей смеси, а рабочий объем парообразующего устройства соединен с третьей группой закрытых каналов, проходящих к емкости с конденсатом. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Паротурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания, парообразующее устройство, закрытые каналы которого содержат реактивные сопла, установленные по периферии ротора турбины, снабженной лопатками и размещенной в паровой камере с возможностью коаксиального вращения относительно реактивных сопел, воздействующих своими реактивными струями на лопатки для проведения ротора турбины во вращение, отличающийся тем, что паротурбинный двигатель снабжен вторым ротором, по периферии которого установлены камера сгорания вместе с парообразующим устройством, снабженные реактивными соплами, установленными с возможностью совместного воздействия их реактивных струй на лопатки ротора турбины для приведения его и второго ротора во вращение, при этом рабочий объем камеры сгорания соединен с первой группой закрытых каналов, проходящих в радиальных направлениях для подачи одного из компонентов горючей смеси и со второй группой закрытых каналов, проходящих к компрессору, кинематически связанному с ротором, для подачи в камеру сгорания другого компонента горючей смеси, а рабочий объем парообразующего устройства соединен с третьей группой закрытых каналов, проходящих к емкости с конденсатом с возможностью его подачи в парообразующее устройство через рубашку охлаждения компрессора и участок регенеративного охлаждения реактивного сопла камеры сгорания. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессор установлен на вал второго ротора. 3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержит третий дополнительный ротор турбины, снабженный лопатками и установленный с возможностью коаксиального вращения относительно реактивных сопел камер сгорания, воздействующих своими реактивными струями на лопатки для приведения третьего ротора турбины во вращение и установленных вместе с парообразующим устройством по периферии второго ротора, частично пропущенного через кольцевое уплотнение паровой камеры, при этом в теле пропущенной части ротора размещены сообщающиеся с паровой камерой; закрытый канал, снабженный эжектором, установленный на реактивное сопло, например камеры сгорания, и закрытые каналы парообразующего устройства с возможностью подачи пара к реактивным соплам, размещенным в паровой камере. 4. Двигатель по любому из пп.1 3, отличающийся тем, что содержит кольцевые обечайки, установленные с уплотняющим зазором к открытым торцевым поверхностям ротора, снабженного реактивными соплами, и ротора турбины, снабженного лопатками, размещенными между собой также с уплотняющим зазором, при этом реактивное сопло, например камеры сгорания, снабжено эжектором, закрытый канал которого пропущен через тело ротора с возможностью сообщения с объемом, образованным обечайками и роторами. 5. Двигатель по любому из пп.1 4, отличающийся тем, что содержит группу реактивных сопел, например камеры сгорания, снабженных эжектором, установленным с возможностью увеличения КПД каждого реактивного сопла, причем проточный закрытый канал эжектора для подачи рабочей среды в камеру смешивания эжектора установлен, например, по оси вектора тяги каждого реактивного сопла.