НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ (РЕАКТИВНЫЙ, ВИНТОВОЙ, ТУРБОВАЛЬНЫЙ) ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбореактивным, газотурбовинтовым, газотурбовальным двигателям.

Известны газотурбинные двигатели - силовые установки (1;2), в которых для снижения температуры пламени в зоне горения топлива и продуктов сгорания топлива в зоне смешения камеры (камер) сгорания вводится вода в зону горения и зону смешения.

Ввод распыленной воды в зону смешения камер сгорания отрицательных значений не дает, только положительные.

Ввод распыленной воды непосредственно в зону горения создает отрицательные действия на пламя: происходят локальные, значительные понижения температуры зоны горения из-за неравномерного распределения распыленной воды в зоне горения. По этой причине возрастает значительный недожег топлива, возрастает концентрация окиси углерода, а в местах с высокой температурой происходит интенсивное образование окиси азота.

Известны (3;4) газотурбореактивные, газотурбовинтовые и газотурбовальные двигатели.

Газотурбореактивные двигатели конструктивно состоят из следующих основных элементов, агрегатов и систем:
осевого или центробежного воздушного компрессора;
камеры сгорания топлива;
одно, двух или многоступенчатой турбины зависимых или независимых;
выходного устройства с нерегулируемым или регулируемым насадком;
системы приводов агрегатов двигателя и транспортных агрегатов;
систем запуска двигателя;
систем, обеспечивающих работу двигателя и его защиты;
У газотурбовинтовых двигателей, кроме того, установлены:
редуктор, передающий крутящий момент от вала турбины на вал воздушного винта или другого потребителя механической энергии;
системы работы воздушного винта или потребителя механической энергии.

Газотурбинный реактивный двигатель работает следующим образом.

Осевой или центробежный компрессор забирает воздух через входное устройство и подает при давлении от 5 до 15 кг/см в количестве α- 4-5 в камеру сгорания топлива в зоны горения и смещения.

В камере сгорания за счет сжигания топлива к воздуху подводится тепло, в результате чего температура газа перед турбиной возрастает до температуры 800-1000^oC.

Из камеры сгорания газовый поток, обладая значительной потенциальной энергией, приобретенной за счет динамического напора во входном устройстве, сжатия воздуха в компрессоре и подвода тепла в камере сгорания, поступает в турбину.

В сопловых аппаратах турбины потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую и затем на рабочих лопатках турбины превращается в механическую работу, расходуемую в компрессоре и приводе агрегатов и систем.

Газ после турбины направляется в выходное устройство, где оставшаяся после турбины энергия газа преобразуется в кинетическую энергию для создания тяги.

У газотурбинных винтовых и трубовальных двигателей основная энергия газов превращается в турбине в механическую энергию и через редуктор передается на вал воздушного винта или другой потребитель механической энергии. Газотурбинные реактивные и газотурбовинтовые двигатели получили распространение в воздушном транспорте и газотурбовинтовые двигатели незначительно в морском транспорте.

Причиной тому является низкая тяговая сила при наземных и новодных скоростях, при довольно низком КПД 15-20%.

Для увеличения КПД газотурбинных реактивных (винтовых, турбовальных) двигателей в академическом идеале нужно поднять температуру перед турбиной до температуры пламени в камере сгорания, т.е. 2000^oC и выше. Но температура перед газовой турбиной может быть не более 1200-1250^oC из-за конструктивно-технологических возможностей работы газовой турбины. Максимальная окружная скорость лопаток турбины при температуре 1000^oC. допускается до 450 м/сек.

В газотурбинных реактивных (винтовых, турбовальных) двигателях компрессоры воздуха имеют производительность с коэффициентом избыта 4-4,5 т.е. 1.2 части воздуха расходуется на сжигание топлива в зоне горения камеры сгорания, а 2.8-3.3 части воздуха идет на охлаждение газов - продуктов сгорания топлива в зоне смешения. На сжатие охлаждающего воздуха расходуется 50-60% тепловой энергии сгораемого топлива.

Сущность низкотемпературного газотурбинного двигателя состоит в превращении потенциально-кинетической энергии масс газов с высокой температурой в потенциально-кинетическую энергию масс газов с низкой температурой путем охлаждения водой пламени в зоне горения и газов-продуктов сгорания топлива в зоне смешения камеры (камер) сгорания топлива. В камеру (камеры) сгорания топлива в зону горения подается вода смешанная с топливом через топливные форсунки
Температура парогазовой смеси от зоны горения до входа в сопловой аппарат турбины постепенно снижена в пределах от температуры пламени в зоне горения до температуры точки росы включительно перед турбиной при выбранном давлении парогазовой смеси перед сопловым аппаратом турбины.

Компрессор воздуха выполнен производительностью равным объему(весу) воздуха, необходимого для сгорания топлива с коэффициентом избытка 1,05-1,5 на номинальном расчетном режиме работы двигателя. Впрыскиваемая распылителями вода и вода, подаваемая топливными форсунками в зоне горения и зоне смешения, превращается в водяной пар и в составе газов - продуктов сгорания топлива поступает в турбину и далее в реактивное сопло.

На чертежах для простоты восприятия показано устройство низкотемпературного газотурбинного реактивного двигателя.

На фиг. 1 - двигатель с камерой сгорания топлива, расположенного вокруг вала между компрессором и турбиной, на фиг. 2 - камеры сгорания топлива установлены вокруг компрессора и поток газов пламени в жаровой трубе направлен навстречу направления движения воздуха в компрессоре и газов в турбине и реактивном сопле.

Низкотемпературный газотурбинный реактивный двигатель конструктивно состоит из корпуса и расположенных в нем воздухозаборного устройства 2, осевого или центробежного компрессора 3, камеры сгорания топлива 4 с зоной горения в жаровой трубе 5 и зоной смешения 6, газовой турбины 7. Компрессор 3 воздуха и газовая турбина 7 установлены на одном валу 8, расположенном в корпусе 9 вала. Корпус 1 двигателя заканчивается выходным устройством - реактивным соплом 10 с регулируемым или нерегулируемым насадком. Камера 4 сгорания топлива снабжена коллектором 11 топлива и форсунками 12 распыления топлива, коллекторами 13: 14: 15:16 воды с распылителями 17:18:19 воды, на топливном трубопроводе до коллектора 11 установлен смеситель 20 воды с топливом. Коллектор 13 воды установлен рядом с топливным коллектором 11 и соединен с каждой топливной форсункой 12. Коллектор 14 воды установлен вокруг зон горения 5, коллектор 15 воды установлен вокруг зоны смещения 6 камеры (камер) 4 сгорания топлива. В конце зоны смешения 6 камеры (камер) сгорания - перед сопловым аппаратом турбины 7 установлен коллектор 16. В конце зон горения и смешения 6, перед турбиной 7 установлены датчики 21:22 регуляторов температуры 23:24, на трубопроводах 25:26:27 установлены клапаны 28:29 расхода воды регуляторов температуры 23:24 по температуре в зоне 5 горения топлива и зоне 6 смешения перед турбиной 7. Установлены насос 31. источник воды 32 и трубопроводы 33, соединяющие источник воды 32 через насос 31 с трубопроводами 25: 26:27.

Аналогично устройство тепловой части низкотемпературных газотурбовинтовых, газотурбовальных двигателей со свободными и несвободными силовыми турбинами.

Низкотемпературный газотурбинный реактивный двигатель работает следующим образом. Компрессор 3 забирает через воздухозаборное устройство 2 в количестве, необходимом для полного сгорания топлива с коэффициентом избыта 1,02-1,5 воздух, сжимает его и подает в зону горения 5 камеры (камер) сгорания топлива. Через коллектор 11 форсунки 12 поступает топливоводяная смесь в зону 5 горения топлива. Топливо с водой смешивается в смесителе 20 в регулируемом соотношении. Вода также подается из коллектора 13 в каждую топливную форсунку. Вода из источника 32 насосом 31 по трубопроводам 33 через клапаны расхода 28; 29; 30 воды подается в коллекторы 13; 14; 15; 16 и смеситель 20. Вода распыливается распылителями 18 в зоне 6 смешения. Охлаждение пламени распыленной водой в зоне горения 5 топлива происходит через стенку жаровой трубы, щели прорези в жаровой трубе от распылителей 17 коллектора 14, установленного вокруг зоны горения камеры (камер) сгорания, и непосредственным впрыском распыливаемой топливными форсунками топливоводяной смеси.

В зоне горения топлива камеры (камер) сгорания температура пламени снижена до 1600-1800^oC.

Охлаждение газов - продуктов сгорания топлива в зоне 6 смешения камеры 4 сгорания и перед турбиной 7 происходит непосредственным смешением распыленной воды распылителями 18;19 с газами - продуктами сгорания топлива. При этом распыленная вода превращается в водяной пар и парогазовая смесь с температурой точки росы при выбранном давлении перед турбиной или близкой к температуре точки росы поступает в сопловой аппарат газовой турбины 7, затем в выходное устройство 10 - реактивное сопло. Часть сжатого компрессором воздуха в количестве 1-1,5% подается в корпус вала турбины-компрессора для предотвращения попадания распыленной воды в подшипники и масло.

Низкотемпературный газотурбинный (реактивный, винтовой, турбовальный) двигатель содержит воздухозаборное устройство, компрессор воздуха, подключенный к камере сгорания топлива, соединенной с турбиной. Двигатель также содержит системы регулирования и охлаждения распыленной водой пламени и газов - продуктов сгорания, включающие в себя распылители воды, установленные в зоне смешения газов, насос, источник воды. На топливном трубопроводе для топливного коллектора с форсунками в камере (камерах) сгорания установлен смеситель топлива с водой, к нему подключен водяной трубопровод. Рядом с топливным коллектором установлен водяной коллектор, соединенный с каждой топливной форсункой. Вокруг зон горения камеры (камер) сгорания установлен водяной коллектор с распылителями воды. Пламя в зоне горения камеры сгорания охлаждено распыленной водой через стенки жаровой трубы и прорези-щели жаровой трубы и распыленной топливными форсунками топливоводяной смесью до 1600-1800°С. Температура парогазовой смеси перед турбиной доведена до температуры в пределах от температуры пламени в зоне горения до температуры точки росы включительно. Такое выполнение двигателя приводит к повышению его КПД. 2 ил.

Низкотемпературный газотурбинный (реактивный, винтовой, турбовальный) двигатель, содержащий воздухозаборное устройство, компрессор воздуха, подключенный к камере сгорания топлива, соединенной с турбиной, установленной на одном валу с компрессором воздуха, системы регулирования и охлаждения распыленной водой пламени и газов - продуктов сгорания топлива, выполненные в виде коллектора, установленного вокруг камеры сгорания топлива, и включающие в себя распылители воды, установленные в зоне смешения газов, насос, источник воды, отличающийся тем, что на топливном трубопроводе до топливного коллектора с форсунками в камере (камерах) сгорания установлен смеситель топлива с водой, к нему подключен водяной трубопровод, рядом с топливным коллектором установлен водяной коллектор, соединенный с каждой топливной форсункой, вокруг зон горения камеры (камер) сгорания установлен водяной коллектор с распылителями воды; пламя в зоне горения камеры сгорания охлаждено распыленной водой через стенки жаровой трубы и прорези-щели жаровой трубы и распыленной топливными форсунками топливоводяной смесью до 1600 - 1800^oC, температура парогазовой смеси перед турбиной доведена до температуры в пределах от температуры пламени в зоне горения до температуры точки росы включительно при выбранном давлении парогазовой смеси перед турбиной; установлены системы регулирования расхода воды по температуре в зоне горения камеры (камер) сгорания и температуре парогазовой смеси
перед турбиной, компрессор воздуха установлен производительностью, равной объему (весу) воздуха, необходимому для полного сгорания топлива с коэффициентом избытка 1,05 - 1,5 при номинальном расчетном режиме работы двигателя.