ТУРБОВИХРЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02C3/45 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

В качестве аналогов изобретения могут быть рассмотрены следующие устройства.

Вихревая машина. В.Д.Лубенец, В.Н.Хмара, И.Я.Сухомлинов, М.А.Радугин, Н. А. Смирнов, Л. Н. Белотелова. А. с. 306282, СССР. Заявлено 13.01.1970 (N 1398122/24-6), опубл. 11.06.1971 (бюллетень N 19), УДК 621.515 (088.8). МПК F 04 D 23/00.

Одноступенчатый нагнетатель 6400-11-1 конструкции НЗЛ с двусторонним всасыванием. Ф. М.Чистяков, В.В.Игнатенко, Н.Т.Романенко, Е.С.Фролов, книга "Центробежные компрессорные машины", издательство "Машиностроение", Москва, 1969 г.

Центробежный компрессор турбореактивного двигателя ВК-1 с двусторонним входом. К. П. Селезнев, Ю.С.Подобуев, С.А.Анисимов, книга "Теория и расчет турбокомпрессоров", издательство "Машиностроение", Ленинград, 1968 г.

Газотурбинная установка (ГТУ) с регенерацией и изобарным подводом теплоты. В. И. Крутов, книга "Техническая термодинамика", издательство "Высшая школа", Москва, 1991 г. (стр. 289-293).

Способ работы воздушного турбокомпрессора с пaротурбинным приводом. Г.С. Расторгуев. А.с. 85063A, СССР, МПК 6 F 04 D 25/02, 1959.

Jet augmenter for combustion turbine propulsion plants. F.A.M.Heppner. US 2430399, кл. 60-264, 1947.

В качестве аналога (прототипа), наиболее близкого к заявляемому изобретению, можно выделить Jet augmenter for combustion turbine propulsion plants (US 2430399).

Характерными, существенными признаками аналога (прототипа) и заявляемого изобретения являются наличие турбокомпрессора, обеспечивающего рабочее давление в камере сгорания; камеры сгорания непрерывного действия, где происходит повышение температуры смеси при постоянном давлении; рабочей турбины, где осуществляется преобразование потенциальной энергии газовой смеси в кинетическую энергию вращательного движения ротора с расширением и понижением температуры газа в межлопаточных каналах. Схема прототипа работает по циклу ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты. Газ, прошедший через рабочие органы турбины и отведенный в окружающую среду, имеет более высокую температуру, чем воздух поступающий в камеру сгорания после сжатия в компрессоре. Это позволяет использовать теплоту уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед подачей его в камеру сгорания.

Заявляемое изобретение направлено на решение задач уменьшения гидравлических потерь при течении газа в каналах компрессионного и двигательного колеса, в каналах конфузора, обеспечивающего вход газа на лопатки турбины; увеличения рабочего давления и крутящего момента на валу двигателя за счет вихревого воздействия потока газа на лопатки турбины; увеличения мощности и КПД двигателя.

Предлагаемый двигатель работает по схеме ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты.

К существенным признакам этого устройства можно отнести:
1. Наличие вращающихся и неподвижных винтовых каналов в рабочем колесе компрессора, в турбине и в конфузоре, создающих течение газа в форме винтового вихря как течения с наименьшим сопротивлением, что подтверждается природными аналогами:
слив воды через цилиндрическую горловину с образованием винтового вихря в виде воронки;
смерч-винтовой вихрь между зонами с разным давлением;
дальность полета пули из нарезного оружия больше, чем из гладкоствольного.

2. Увеличение крутящего момента и мощности на валу двигателя за счет вихревого воздействия потока на лопатки турбины.

3. Совмещение рабочего колеса компрессора и турбины в радиальной плоскости с целью обеспечения регенерации через стенку, разделяющую каналы компрессора и турбины, вместо использования отдельного теплообменника.

4. Передача вращательного момента от турбинной части рабочего колеса на вал через компрессорную часть, жестко связывающую турбину и вал двигателя.

5. Наличие двух крыльчаток между симметрично расположенными колесами, одна из которых (большего радиуса) обеспечивает дополнительное сжатие подогретого газа, другая (меньшего радиуса) осуществляет динамическую разгрузку рабочих колес в радиальном направлении, а вместе эти крыльчатки уменьшают тепловое воздействие продуктов камеры сгорания на вал двигателя.

К особенностям конструктивного исполнения относятся следующие элементы устройства:
колесо, к отличительным признакам которого относится то, что оно как единое целое совмещает в радиальной плоскости рабочее колесо компрессора и турбину; имеет винтовые конические проточные каналы переменного сечения как в компрессорной части, так и в турбинной части;
конфузор, к отличительным признакам которого относится то, что он имеет винтовые конические каналы, разгоняющие газ по винтовой траектории и обеспечивающие вихревое воздействие потока газа на лопатки турбины;
система двух крыльчаток компрессионной (большего радиуса) и разгрузочной (меньшего радиуса), к отличительным признакам которой относится то, что они расположены между рабочими колесами, от которых на них передается крутящий момент; имеет возможность перемещаться вдоль оси вращения для компенсации температурных деформаций колес; разделяeт камеру сгорания и вал двигателя, предохраняя последний от теплового воздействия.

Фиг. 1 - термодинамические циклы ГТУ и турбовихревого двигателя на (V-P) диаграмме.

Фиг. 2 - термодинамические циклы ГТУ и турбовихревого двигателя на (S-T) диаграмме.

Фиг. 3 - схема ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты.

Фиг. 4 - эскиз конструкции турбовихревого двигателя.

Фиг. 5 - эскиз конструктивного использования системы двух крыльчаток.

Возможность осуществления изобретения рассматривается на конструкции двигателя, работающего на любом жидком топливе, подаваемого через форсунку в камеру сгорания непрерывного действия.

Качественный термодинамический анализ работоспособности турбовихревого двигателя с термическим КПД, адекватным термодинамическому КПД ГТУ, представлен на (V-P) (фиг. 1) и (S-T) (фиг. 2) диаграммах, где в сравнении показаны термодинамические циклы ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты и турбовихревого двигателя.

Цикл газотурбинной установки (ГТУ) с регенерацией и изобарным подводом теплоты, схема которой представлена на фиг. 3, состоит из следующих термодинамических процессов: в компрессоре воздух сжимается адиабатно (процесс 1-2), после чего поступает в теплообменник, где подогревается уходящими газами при постоянном давлении (изобара 2-8). Подогретый воздух подается в камеру сгорания, где подогрев рабочего тела продолжается при постоянном давлении за счет теплоты q₁, поступающей от горячего источника теплоты, т.е. за счет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива (изобара 8-4). Затем газ расширяется адиабатно в газовой турбине (процесс 4-5), поступает в теплообменник и отдает теплоту воздуху при постоянном давлении в изобарном процессе 5-7. Дальнейшее изобарное охлаждение 7-1 происходит вне установки за счет передачи теплоты окружающей среде.

При полной регенерации теплоты T₃ = T₇ и T₅ = T₈, поэтому T₅ - T₇ = T₈ - T₂. Удельная теплота, подведенная при наличии регенерации к рабочему телу в камере сгорания, равна q₁ = c_p(T₄-T₈), отданная холодному источнику теплоты q₂ = c_p(T₇ - T₁), поэтому термический КПД цикла с полной регенерацией
η_t = 1 - (T₇ - T₁)/(T₄ - T₈) = 1 - T₂ - T₁)/(T₄ - T₅)
Так как T₂ = T₁ε^k-1; T₄ = T₁ρ_vε^k-1; T₅ = T₁ρ_v, то η_t = 1 - 1/ ρ_v = 1 - T₁/T₅ (что справедливо для рассматриваемого цикла), где ε = V₁/V₂ - степень сжатия, ρ_v = V₄/V₂ - степень предварительного расширения.

Но в действительности регенерация не может быть полной, а следовательно, реальное значение термического КПД будет несколько ниже.

Цикл турбовихревого двигателя предполагает регенерацию не в теплообменнике, а через стенку, разделяющую каналы компрессора и турбины. В этом случае сжатие воздуха (процесс 1-8) протекает с подводом тепла, т.е. с показателем политропы n > k. Это приводит к уменьшению степени сжатия ε = V₁/V'₈, но зато увеличивается степень повышения давления λ = P'₈/P₁. Подвод тепла при сгорания топлива (процесс 8'-4') будет осуществляться на более высоком энергетическом уровне. Из камеры сгорания газовая смесь, разгоняясь в конфузоре с коническими винтовыми каналами, в виде винтового вихря попадает на лопатки турбины, где имеет место расширение потока, сопровождающееся вихревым воздействием на лопатки турбины и регенерацией тепла (процесс 4'-7). При этом турбина совершает положительную работу (площадь 4''4'77', фиг. 1), расходуемую компрессором на сжатие свежего воздуха (площадь 7'18'4'', фиг. 1) и на преодоление полезной нагрузки l_ц (площадь 18'4'7, фиг. 1 - работа цикла). Дальнейшее изобарное охлаждение 7-1 происходит вне установки, аналогично ГТУ.

Удельная теплота, подведенная при наличии регенерации к рабочему телу в камере сгорания, равна q'₁ = c_p(T'₄ - T'₈) = c_p(T₄ - T₈ ) = q₁, отданная холодному источнику теплоты q₂ = c_p(T₇ - T₁), поэтому термический КПД цикла турбовихревого двигателя будет соответствовать термическому КПД цикла ГТУ с полной регенерацией
η_t = 1 - (T₇ - T₁)/(T'₄ - T'₈) = 1 - (T₇ - T₁)/(T₄ - T₈).

Заставляя турбину работать с более высокого уровня давления (P'₄) и учитывая значительно большую площадь лопаток турбины по сравнению с ГТУ, можно ожидать соответствующее увеличение величины крутящего момента, передаваемого на вал двигателя, а следовательно, мощности и КПД двигателя.

Конструкция двигателя разработана в эскизном варианте на базе типового компрессора кинетического сжатия (заявка N 97108710(009391)) и представлена на фиг. 4. В предложенном двигателе ротор выполнен в виде вала 12 с установленными на него рабочими колесами, состоящими из компрессорной 13 и турбинной 14 частей, с винтовыми коническими каналами. Между колесами установлены две крыльчатки: компрессионная 15 и разгрузочная 16. Двигатель содержит корпус, выполненный из двух половин 17, 18, в которой установлены конфузоры 19, 20, имеющие винтовые конические каналы. Всасывающие и выхлопные патрубки расположены в каждой половине корпуса. Вертикальные плоскости разъема корпуса обеспечивают хорошую центровку вала и удобство сборки двигателя, а также упрощаются технологии лития и механической обработки соосных поверхностей.

Симметричное расположение колес на валу двигателя обеспечивает динамическое уравновешивание вала в осевом направлении. Вал воспринимает только крутящий момент.

Разгрузочная крыльчатка 16, создавая разрежение в зоне между компрессорными частями колес, уменьшает действие центробежных сил и, следовательно, уменьшает величину давления на поверхность стыка с турбинной частью каждого колеса.

За счет вихревого воздействия винтового потока, сходящего с винтовых лопаток конфузора на винтовые лопатки турбины, происходит преобразование потенциальной энергии сжатой и нагретой газовой смеси, а также ее кинетической энергии, в кинетическую энергию ротора, которая частично передается потребителю, частично возвращается на компрессорную ступень.

На фиг. 4 условно показано направление лопаток конфузора, компрессорной и турбинной частей колеса, а также соответствующее направление вращения вала. Там же показано направление потока газовых смесей по рабочим каналам двигателя.

На фиг. 5 показан вариант конструктивного исполнения системы двух крыльчаток: компрессионной 15 и разгрузочной 16. Крутящий момент от рабочих колес передается на крыльчатки через штифты 21. При сборке ротора обеспечивается зазор (Δ) между крыльчатками и рабочими колесами в осевом направлении, который компенсирует температурные деформации колес вдоль оси вращения. Вследствие адекватности радиальных размеров кральчаток и соответствующих участков рабочих колес, работающих в одинаковых температурных условиях, для компенсации температурных деформаций в радиальном направлении достаточно предела допуска ходовых посадок штифтов и смежных поверхностей крыльчаток и рабочих колес. Разрез (А-А) поясняет принцип действия системы двух крыльчаток. Для объяснения процессов при прохождении рабочего тела через каждую крыльчатку выделяются три области, отличающиеся параметрами состояния газа (P₁, T₁, P₂, T₂, P₃, T₃).

Разгрузочная крыльчатка 16 обеспечивает пониженное давление в зоне вала Р₁ < P₂ за счет процесса откачки некоторой массы газа из этой зоны. Как видно из треугольников скоростей, в начальный момент газ попадает на лопатки крыльчатки с абсолютной скоростью C₁(U₁ - переносная скорость газа, W₁ - относительная скорость газа) и покидает лопатки с абсолютной скоростью C₂. В момент, когда C₁ станет равной нулю, а давление понизится до P₁, в межлопаточных каналах возникнет циркуляционное течение (вихри), которое устанавливает баланс расходов газа, поступающего и покидающего зону вала. Изменение числа оборотов вала сместит в ту или иную стороны это состояние равновесия, изменив соответственно и величину давления P₁. Из баланса сил (фиг. 5) на стенке компрессорной части работы колеса видно, каким образом происходит уменьшение центробежной силы (F_цб) за счет разности давления на стенке (P₂ - P₁).

Компрессионная крыльчатка 15 работает как центробежный нагнетатель, обеспечивающий дожатие газа с давления P₂ до давления P₃, и дополнительных пояснений не требует.

Двигатель должен быть оснащен топливным насосом, электродвигателем-генератором для раскручивания вала в момент запуска, редуктором с фрикционной муфтой для передачи механической энергии потребителю. Перечисленные элементы так или иначе привязаны к валу двигателя. Кроме того необходима система поджига топливной смеси.

Турбовихревой двигатель относится к двигателям, работающим по схеме газотурбинной установки с регенерацией и изобарным подводом теплоты. Турбовихревой двигатель содержит установленные в корпусе на валу совмещенные колеса компрессора и турбины, имеющие разделительную стенку, через которую происходит регенерация теплоты, и камеру сгорания непрерывного действия. Двигатель снабжен двумя крыльчатками, установленными на валу между совмещенными рабочими колесами с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений колес. Одна из крыльчаток - для дополнительного сжатия подогретого газа - выполнена большего радиуса. Другая крыльчатка - для динамической разгрузки рабочих колес в радиальном направлении - выполнена меньшего радиуса. Обе крыльчатки разделяют камеру сгорания и вал двигателя. Корпус выполнен из двух половин с вертикальной полостью разъема и в нем дополнительно установлены конфузоры с винтовыми коническими проточными каналами переменного сечения. Такое осуществление изобретения приводит к повышению мощности и КПД двигателя. 5 ил.

Турбовихревой двигатель, работающий по схеме газотурбинной установки с регенерацией и изобарным подводом теплоты, содержащий установленные в корпусе на валу совмещенные рабочие колеса компрессора и турбины, имеющие разделительную стенку, через которую происходит регенерация теплоты, и камеру сгорания непрерывного действия, отличающийся тем, что двигатель снабжен двумя крыльчатками, установленными на валу между совмещенными рабочими колесами с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений колес, при этом одна из крыльчаток - для дополнительного сжатия подогретого газа, выполнена большего радиуса, а другая - для динамической разгрузки рабочих колес в радиальном направлении, выполнена меньшего радиуса, обе крыльчатки разделяют камеру сгорания и вал двигателя, корпус выполнен из двух половин с вертикальной плоскостно разъема и в нем дополнительно установлены конфузоры с винтовыми коническими проточными каналами переменного сечения.