ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С СОПРЯЖЕННЫМИ ТУРБИНАМИ Российский патент 2001 года по МПК F02C5/12 

Изобретение относится к тепловым двигателям с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении с частичным использованием рабочего тела в замкнутом цикле, преобразующем энергию рабочего тела в механическую работу, и может найти самое широкое применение в машиностроении во всех видах транспортных средств, а также в бытовой и с/хозяйственной технике.

В настоящее время наибольшее распространение получили газотурбинные двигатели с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении, содержащие разъемный корпус с двумя полостями, сообщающимися между собой сопловыми агрегатами, в одной из которых установлено колесо компрессора, а в другой - рабочее колесо турбины, которые жестко закреплены на одном валу, установленном в корпусе, камеру сгорания, теплообменник, выпускной и впускной патрубки (см. стр. 101 "Политехнический словарь". Издательство "Советская энциклопедия", Москва, 1977 г. и стр.200 "Краткий политехнический словарь", Гос.издательства технико-теоретической литературы, Москва, 1956 г.).

В таких газотурбинных двигателях сжатие атмосферного воздуха производится в специальных компрессорах и подается в камеру сгорания вместе с топливом, которое, сгорая, нагревает воздух и в результате этого образуется избыточное давление газов, которое затем в турбине преобразуется в механическую работу, большая часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре.

Для повышения КПД тепло, содержащееся в газе, выходящем из турбины, используется в рабочем цикле двигателя для подогрева сжатого воздуха в теплообменнике, поступающего затем в камеру сгорания.

Газотурбинные двигатели могут работать на газообразном, жидком и твердом топливах.

Характерной конструктивной особенностью у всех известных турбинных двигателей является то, что каждый термодинамический процесс цикла осуществляется в отдельном устройстве, которые располагаются вдоль общего вала в определенной последовательности, т. е. сжатие рабочего тела производится в компрессоре, подвод тепла - в камере сгорания и расширение с совершением полезной работы - в газовой турбине.

Наличие разрозненных механизмов приводит к усложнению и габаритам газотурбинных двигателей.

Однако известно, что газотурбинные двигатели по сравнению с поршневыми двигателями имеют более простую конструкцию, значительно меньшие габариты и вес. Современные газотурбинные двигатели дешевы в производстве и удобны в эксплуатации, хорошо запускаются в зимний период.

Принцип действия газотурбинных двигателей основан на взаимодействии струи рабочего тела с криволинейными лопатками, закрепленными по окружности рабочего колеса, причем струя рабочего тела подводится к лопаткам перпендикулярно к плоскости рабочего колеса. Для более эффективного использования напора рабочего тела на лопатки рабочего колеса рабочее колесо выполняется многодисковым, многорядным.

Известен также газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами, являющийся ближайшим к предложенному, включающий разъемный корпус с подводящими окнами, установленные в полости корпуса на параллельных валах две сопряженные турбины, каждая из которых выполнена в виде плоскостенного диска, жестко закрепленного на валу, на его окружности выполнены радиальные впадины, отстоящие друг от друга через равные выступы, равномерно распределенные по окружности диска (см. DE 3424310 А1, МПК F 02 С 5/04, 1986).

Недостатками известных двигателей являются большие габариты, низкая экономичность и мощность.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение экономичности и мощности газотурбинного двигателя и уменьшение его габаритов.

Поставленная задача решается за счет того, что в основу предлагаемого двигателя взят принцип действия вихревого насоса, который опубликован в бюллетене N 25 от 05.08.1969 г., ПМК F 04 В N 234150, содержащий разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, вал с рабочим колесом, состоящий из двух дисков, облопаченных с торцов и разделенных втулкой, облопаченной по внешней окружности, образуя между лопатками с трех сторон проточный гидравлический канал, в профиль которого установлен между входным и выходным окнами разделяющий затвор, жестко связанный с корпусом. Принцип действия его основан на взаимодействии струи рабочего тела с лопатками, расположенными с трех сторон проточного канала, причем движение рабочей струи направлено вдоль окружности рабочего колеса, вдоль гидравлического канала.

Поставленная задача решается за счет того, что газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами включает в себя разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, установленные в полости корпуса на параллельных валах две сопряженные турбины, каждая из которых содержит плоскостенный диск, жестко закрепленный на валу и по окружности которого выполнены впадины, отстоящие друг от друга через равные выступы, равномерно распределенные по окружности диска, при этом каждая из сопряженных турбин состоит из набора плоскостенных дисков равного диаметра, разделенных между собой междисковыми втулками, жестко закрепленных вместе с дисками на ступицах, которые жестко закреплены на валах, причем диски турбин взаимно входят в промежутки между дисками друг к другу и сопрягаются своими окружными поверхностями с окружными поверхностями втулок, каждая турбина снабжена съемными затворами, установленными между выпускным окном и камерой сгорания, выполненными из пакета пластин с промежутками между ними и закрепленными на общих основаниях к корпусу, причем профили затворов выполнены в обратной конфигурации профилям дисков и промежутков у турбин и свободно входят между дисков, причем внутренние окружные поверхности обоих затворов сопрягаются с окружными поверхностями междисковых втулок, а окружные поверхности выступов сопрягаются с окружными поверхностями промежутков между пластинами, затворы снабжены поперечными продувочными окнами, камерами сжатия и камерами зажигания, которые разнесены между собой и от торцов затворов на расстояние, превышающее расстояние между центрами двух соседних выступов на одном диске, причем продувочные окна сообщаются с окнами, выполненными в стенках корпуса, и с выпускными окнами, выполненными в корпусе, камеры сжатия сообщаются с выходными окнами, выполненными в стенках корпуса, камеры зажигания, выполненные в корпусе с установленными свечами зажигания, сообщаются с полостями между пластинами затворов, выходные окна камер сжатия сообщаются с смесителями, а смесители, в свою очередь, сообщаются с баллоном высокого давления, который сообщается с нагнетательным окном, выполненным на стенке корпуса, сообщающимся с полостью камеры сгорания, снабженной топливной форсункой, с наружной стороны корпуса, на концах выходящих валов, установлены зубчатые колеса, находящиеся в постоянном зацеплении между собой.

Все указанные выше недостатки газотурбинных двигателей отсутствуют у предлагаемого газотурбинного двигателя, кроме того, он имеет ряд преимуществ, а именно:
- отсутствует компрессорный механизм, в результате этого не расходуется энергия на сжатие рабочей смеси, т.к. сжатие происходит за счет избыточного давления в камере сгорания газов, находящихся в замкнутом цикле;
- принцип действия основан на взаимодействии давления расширяющихся газов в закрытой камере сгорания с выступами (лопатками) сопряженных турбин, что значительно повышает КПД (камеры сгорания у всех известных турбин являются открытыми);
- все термодинамические процессы протекают также непрерывно, но вдоль окружности рабочих колес, причем продув полостей от отработанных газов, заполнение полостей свежим зарядом рабочей смесью осуществляются в каждой турбине независимо друг от друга и без затраты дополнительной энергии, т.е. без дополнительных механизмов, автоматически, в результате вся полученная энергия при расширении газов в камере сгорания будет приложена к лопаткам сопряженных турбин для получения механической энергии;
- подача рабочего тела в закрытую камеру сгорания происходит порционно обеими турбинами одновременно с частотой находящихся полостей между лопатками при непрерывном вращении турбин, что позволяет также поддерживать в камере сгорания непрерывное сгорание топлива и создавать высокое давление газов и высокую температуру для полного сгорания топлива, что позволит обеспечить высокую экономичность;
- лопатки турбин проходят все стадии термодинамических процессов: нагревание, продувание и сжатие, поэтому лопатки успевают охлаждаться от высоких температур в процессе продува полостей и не требуется для этих целей специальных устройств, что позволяет выполнять лопатки турбин из более низкожаропрочных материалов.

На фиг. 1 показан газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами без передней стенки.

На фиг. 2 показан баллон высокого давления с двумя смесителями.

На фиг. 3 показан корпус с задней стенкой, с левым и правым затворами.

На фиг. 4 показан газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами в разрезе по А-А на фиг. 1.

На фиг. 5 показан левый затвор.

На фиг. 6 показан левый затвор в разрезе по А-А на фиг. 3.

На фиг. 7 показан правый затвор.

На фиг. 8 показан правый затвор в разрезе по А-А на фиг. 7.

Газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами содержит разъемный корпус 1 с боковыми стенками 2 и 3. В полости корпуса установлены две сопряженные турбины, жестко закрепленные своими ступицами 4 и 5 на параллельных валах 6 и 7, установленных в стенках корпуса со свободным вращением. Конструктивно турбины выполнены одинаково и включают в себя плоские диски 8 и 9 равных диаметров (фиг. 4), разделенные между собой междисковыми втулками 10 и 11. Диски и втулки жестко закреплены на ступицах 4 и 5 (практически диски можно выполнить без ступиц, они служат с целью облегчения выполнения вала). На каждом диске выполнены несколько радиальных впадин 12 и 13 и выступов 14 и 15, равномерно распределенных по окружности дисков (каждый диск содержит 12 впадин и 12 выступов). Выступы и впадины у турбин расположены рядами в диаметральной плоскости. Радиальная глубина впадин 12 и 13 выполнена до уровня поверхности междисковых втулок. Между дисками 8 и 9 с выступами 14 и 15 образуются проточные каналы 16 и 17 (фиг. 4). Набор дисков и наличие проточных каналов у левой турбины относительно набора дисков и проточных каналов правой турбины подобраны в обратной конфигурации таким образом, что диски левой турбины свободно входят в проточные каналы правой турбины и, наоборот, диски правой турбины свободно входят в проточные каналы левой турбины, а окружные поверхности выступов каждого диска сопрягаются с поверхностью междисковых втулок (фиг. 4) 8 и 9, 10 и 11, образуя кратковременно сборный поршень (т. е. в моменты их сопряжений), разделяющий полость корпуса на две части, камеру сгорания 18 с высоким давлением рабочих газов от полости с выпускным окном 19. Таким образом, левая турбина содержит три диска 8 и четыре междисковые втулки 10 и является вспомогательной турбиной. Правая турбина содержит четыре диска 9 и три междисковые втулки 11 и является основной, у которой с вала 7 снимается мощность. Турбины установлены относительно друг друга таким образом, что каждый ряд выступов 8 левой турбины совпадает в одной плоскости с рядом 9 правой турбины по линии А-А (фиг. 1). Для обеспечения синхронного вращения двух турбин на концах их валов, за пределами корпуса, установлены два сопряженных зубчатых колеса 20 и 21, находящиеся в постоянном зацеплении между собой, и закрыты крышкой 22. В результате этого вращения турбины происходят в разные стороны, левая турбина вращается по часовой стрелке, а правая - против часовой стрелки. В промежутки между дисков обоих турбин, со стороны корпуса, установлены разделяющие затворы 23 и 24 (см. фиг. 1,3 и 5,7), запирающие проходы проточных каналов между дисков от газов, прорывающихся из области камеры сгорания с высоким давлением в области выпускных и продувочных окон, затворы выполнены съемными и устанавливаются в полости корпуса неподвижно за счет расклинивающей жаропрочной плиты 25, установленной между торцами затворов с выполненным окном 26 для установки топливной форсунки 27.

Левый и правый затворы выполнены конструктивно одинаково (фиг. 5,6,7,8), отличающиеся друг от друга только набором пластин. У левого затвора (фиг. 5 и 6) набор пластин и промежутки между ними подобраны в обратной конфигурации профиля левой турбины и включает в себя четыре пластины 28 и три промежутка 29 между ними. Пластины закреплены на общем основании 30. Стенки пластин 31 левого затвора плотно прилегают к стенкам корпуса. В стенках пластин затвора выполнены два поперечных окна. Одно продувочное окно 32 проходит насквозь через стенки корпуса и сообщается с выпускным окном 33, выполненным в корпусе. Другое поперечное окно 34 выполнено для камеры сжатия и сообщается с входным окном 35 (фиг. 1), выполненным в стенке корпуса, которое в свою очередь сообщается через систему патрубков (не показано) с патрубком 36 левого смесителя (карбюратора) фиг. 2. Окно 37 выполнено для установки свечи зажигания 38, которое сообщается с полостями 29 между пластинами затвора и камерой зажигания 39. Камера зажигания 39, камера сжатия 34, продувочное поперечное окно 32 разнесены между собой и от торцов (профилей) 40 и 41 затвора на расстояния, превышающие расстояния между выступами на дисках по их окружной поверхности.

У правого затвора набор пластин и промежутков между ними подобраны в обратной конфигурации профиля правой турбины (см. фиг. 7 и 8) и включает в себя три пластины 42 и четыре промежутка 43 между ними. Пластины закреплены на общем основании 44. Кромки 45 правого затвора плотно прилегают к стенкам корпуса. В пластинах затвора выполнены два поперечных окна. Одно поперечное продувочное окно 46 проходит насквозь через стенки корпуса и сообщается с выпускным окном 47, выполненным в корпусе. Другое поперечное окно 48 выполнено для камеры сжатия и сообщается с входным окном 49 (фиг.1), выполненным в стенках корпуса, которое в свою очередь сообщается через систему патрубков (не показано) с патрубком 50 правого смесителя (фиг. 2). Окно 51 выполнено для установки свечи зажигания 52, которое сообщается с полостями 43 между пластинами (фиг. 8) затвора и камерой зажигания 53. Камера зажигания 53, камера сжатия 48, поперечное продувочное окно 46 разнесены между собой и от торцов (профиля) 54 и 55 затвора на расстояние, превышающее расстояние между выступами на дисках по окружной поверхности.

Междисковые втулки 10 и 11 левой и правой турбин сопряжены с минимальным зазором с внутренними окружными поверхностями 56 и 57 пластин затворов. Полость камеры сгорания 18 заключена между жаростойкой плитой 25, торцевыми поверхностями 40 и 54 левого и правого затворов и сопряженными выступами 8 и 9 двух турбин, в результате чего камера сгорания имеет переменный объем с замкнутым пространством.

Выпускная полость заключена между торцевыми поверхностями 41 и 55 левого и правого затворов и сопряженными выступами 8 и 9 двух турбин и сообщаются с выпускным окном 19.

Левый смеситель 58 (фиг. 2) сообщается через разъем 59 с левым патрубком 60 баллона высокого давления 61.

Правый смеситель 62 сообщается через разъем 63 с правым патрубком 64 баллона высокого давления 61.

Сам баллон сообщается входным патрубком 65 через систему патрубков (не показано) с нагнетательным окном 66, выполненным в стенке 3 корпуса и сообщающимся с камерой сгорания 18.

Топливо подается к смесителям 58 и 62 через патрубки 67 и 68. Для удержания давления в баллоне 61 предусмотрены запорные устройства (не показаны), которые устанавливаются в разъемы 59, 63 и 65 патрубков.

Отверстия 69 предусмотрены для шпилек, закрепляющих стенки к корпусу. Отверстия 70 и 71 на фиг. 3 выполнены в стенках корпуса и предусмотрены для установки валов 6 и 7.

Работает двигатель следующим образом.

Запуск двигателя может быть произведен двумя способами. Запуск может производиться за счет избыточного давления газов, находящихся в баллоне 61. При открытии запорного устройства в патрубке 65 газ высокого давления будет подаваться через систему патрубков и окно 66 в камеру сгорания 18. В результате этого в камере будет создаваться избыточное давление. При одновременной подаче топлива через топливную форсунку 27 и искры зажигания (свеча в камере сгорания не показана) топливо воспламенится, давление газов увеличится и будет воздействовать на сопряженные выступы 8 и 9 (фиг. 1 и 4) двух турбин как на поршень, состоящий из семи выступов, и турбины начнут вращаться навстречу друг другу (по стрелкам). Синхронное совпадение выступов и впадин обеспечивается за счет сопряженных зубчатых колес 20 и 21. Например, как только ряд выступов переместится в положения 72 и 73, следующий ряд выступов 74 и 75 займет положение выступов 8 и 9 и т.д. газы, которые прорвутся вместе с полостями между выступов в полость выходного окна 19, выйдут в окно в атмосферу. Часть газов, которая окажется захваченной полостями 12 и 13 между выступов, будет переноситься по каналам между пластинами затворов 28 и 42 к поперечным продувочным окнам 32 и 46, где произойдет вторичное очищение от газов за счет принудительного продува полостей, образующегося в результате неодновременного схождения кромок у выступов и кромок у окна (эффект ножниц). Сначала будут сходиться нижние кромки выступов, а затем верх кромок. Свежий воздух будет входить через окна 35 и 49 (фиг. 2, 3 и 4), а газы вытесняться через выходные окна 33 и 47. Очищенные полости от отработанных газов и заполненные свежим зарядом воздуха, пройдя далее все полости на затворах (камеры сжатия и зажигания в этом варианте не используются), поступят в камеру сгорания 18, где смешаются с новыми порциями топлива, подаваемого форсункой 27, будут поддерживать непрерывное сгорание топлива и постоянное рабочее давление газов в камере. При дальнейшей работе двигателя зажигание от свечи отключается. Избыточное давление газов, которое будет присутствовать в камере сгорания, при максимальной развиваемой мощности двигателя будет нагнетаться обратно в баллон высокого давления 61 через нагнетательное окно 66 и патрубок 65, восполняя запас газов для следующего запуска двигателя. Подача свежего заряда воздуха в камеру сгорания осуществляется порционно с частотой находящихся полостей между выступов на дисках у двух турбин. Одновременно поступают в камеру сгорания две порции свежего воздуха по одной порции от каждого ряда впадин. Объем одной порции будет состоять из суммы нескольких впадин между выступами, входящих в один ряд. Один ряд для левой турбины будет состоять из трех впадин, а один ряд для правой турбины будет состоять из четырех впадин.

Опорной точкой (площадью) у расширяющихся газов в камере сгорания будет являться площадь двух торцов у затворов 40 и 54. Вращающий момент будет приложен к площади, состоящей из суммы площадей боковых поверхностей сопряженных выступов у турбин (7 шт.). Боковые площади камеры сгорания, образующие ее полный объем, будут играть пассивную роль.

Второй способ запуска.

Запуск производится путем принудительного вращения основной турбины за вал 7 против часовой стрелки. При этом вспомогательная турбина будет вращаться по часовой стрелке. Свежий забор воздуха будет поступать через поперечные продувочные окна 32 и 46, откуда полости 12 и 13 между выступами будут захватывать порции воздуха и переносить их в камеры сжатия 34 и 48. Одновременно с этим в камеры сжатия будет поступать сжатый газ из баллона высокого давления 61 через смесители 58 и 62 и входные окна 35 и 49 при открытии запорных устройств в разъемах 59 и 63 (не показаны). При подаче топлива к смесителям 58 и 62 через патрубки 67 и 68 топливо будет поступать вместе с отработанными газами под давлением в камеры сжатия 34 и 48, где произойдет смешивание газа, топлива и порций свежего воздуха. В результате этого произойдет сжатие смеси до уровня давления газов в баллоне 61. Из камеры сжатия порции сжатой рабочей смеси переместятся вместе с выступами к камерам зажигания 39 и 53 (фиг. 1). При подаче искры на свечи зажигания 38 и 52 рабочая смесь воспламенится. Не успев полностью сгореть в камере зажигания, полости с горячим газом вместе с выступами переместятся в полость камеры сгорания 18, где произойдет дополнительное впрыскивание топлива от топливной форсунки 27. В камере сгорания быстро создастся высокая температура и необходимое давление газов, которые своим давлением будут воздействовать на площади сопряженных выступов и приведут во вращательное движение сопряженные турбины.

Избыточное давление газов из камеры сгорания будет поступать через нагнетательное окно 66 и систему патрубков к входному патрубку 65 баллона 61, далее круг замкнется, газы из баллона через смесители 58 и 62 снова поступят в камеры сжатия 34 и 48 вместе с топливом и снова поступят в камеру сгорания 18. В результате этого газы высокого давления будут задействованы в замкнутом цикле. При этом все тепло, которое они несут с собой, будет приложено на нагрев свежего заряда топлива и воздуха. Наличие двух камер, поперечной продувочной камеры и камеры сжатия позволяет произвести полную очистку камер от отработанных газов, а следовательно, и осуществить более полное заполнение свежим зарядом воздуха, а в камере сжатия произвести сжатие и нагрев рабочей смеси за счет газов, задействованных в замкнутом цикле.

Двигатель с сопряженными турбинами может работать на легких и тяжелых топливах, по отдельности на каждом из них, или использовать их одновременно, например, запуск можно производить на легком топливе, а при дальнейшей работе можно использовать тяжелые топлива.

Двигатель можно использовать на газообразном и распыленном твердом топливах.

Разделение камер друг от друга на расстояния, превышающие расстояние между центрами двух выступов по окружной поверхности, не позволяет газам прорываться из камер высокого давления в камеры низкого давления. Наличие отдельных камер зажигания 39 и 53 с небольшим их постоянным объемом позволяет улучшить запуск двигателя в зимний период.

Непрерывное перемещение выступов 14 и 15 из областей низкого давления в области камер высокого давления препятствует газам прорываться в обратном направлении, т.е. из области высокого давления в области с низким давлением, и увлекает их за собой в камеру сгорания.

Газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами содержит установленные на параллельных валах две сопряженные турбины. Каждая из турбин выполнена в виде набора плоскостенных дисков, жестко закрепленных на валу и по окружности которых выполнены радиальные впадины. Диски турбин взаимно входят в промежутки между дисками друг к другу и сопрягаются своими окружными поверхностями с окружными поверхностями втулок. Каждая турбина снабжена съемными затворами, установленными между выпускным окном и камерой сгорания. Съемные затворы выполнены из пакета пластин с промежутками между ними и закреплены на общих основаниях к корпусу. Профили затворов выполнены с обратной конфигурацией профилям дисков и промежутков у турбин и свободно входят между дисков. Внутренние окружные поверхности обоих затворов сопрягаются с окружными поверхностями междисковых втулок. Окружные поверхности выступов сопрягаются с окружными поверхностями промежутков между пластинами. Такое выполнение газотурбинного двигателя приводит к уменьшению габаритов. 8 ил.

Газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами, включающий в себя разъемный корпус с подводящими и отводящими окнами, установленные в полости корпуса на параллельных валах две сопряженные турбины, каждая из которых содержит плоскостенный диск, жестко закрепленный на валу и по окружности которого выполнены радиальные впадины, отстоящие друг от друга через равные выступы, равномерно распределенные по окружности диска, отличающийся тем, что каждая из сопряженных турбин состоит из набора плоскостенных дисков равного диаметра, разделенных междисковыми втулками, жестко закрепленных вместе с дисками на ступицах, которые жестко закреплены на валах, причем диски турбин взаимно входят в промежутки между дисками друг к другу и сопрягаются своими окружными поверхностями с окружными поверхностями втулок, каждая турбина снабжена съемными затворами, установленными между выпускным окном и камерой сгорания, выполненными из пакета пластин с промежутками между ними и закрепленными на общих основаниях к корпусу, причем профили затворов выполнены в обратной конфигурации профилям дисков и промежутков у турбин и свободно входят между дисками, причем внутренние окружные поверхности обоих затворов сопрягаются с окружными поверхностями междисковых втулок, а окружные поверхности выступов сопрягаются с окружными поверхностями промежутков между пластинами, затворы снабжены поперечными продувочными окнами, камерами сжатия и камерами зажигания, которые разнесены между собой и от торцов затворов на расстояние, превышающее расстояние между центрами двух соседних выступов на одном диске, причем продувочные окна сообщаются с окнами, выполненными в стенках корпуса и с выпускными окнами, выполненными в корпусе, камеры сжатия сообщаются с входными окнами, выполненными в стенках корпуса, камеры зажигания, выполненные в корпусе с установленными свечами зажигания, сообщаются с полостями между пластинами затворов, входные окна камер сжатия сообщаются с смесителями, а смесители, в свою очередь, сообщаются с баллоном высокого давления, который сообщается с нагнетательным окном, выполненным на стенке корпуса, сообщающимся с полостью камеры сгорания, снабженной топливной форсункой, с наружной стороны корпуса, на концах выходящих валов, установлены зубчатые колеса, находящихся в постоянном зацеплении между собой.