ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F02C3/14 F23R3/16 

Изобретение относится к области газотурбостроения, а именно к двигателям, работающим на газообразном топливе, и может найти применение для электростанций и других потребителей.

Известен двухконтурный газотурбинный двигатель по патенту №2224905, который содержит компрессор высокого давления, радиально-упорный подшипник, камеру сгорания, турбину низкого давления с радиальным подшипником, разгрузочную и воздушную полость.

Однако в связи с имеющимся перепадом давления снижается нагрузка на опорные подшипники, что приводит к снижению давления и износу подшипников, вместе с тем лопатки турбины не выдерживают высокую температуру.

Известна газотурбинная установка по авт. св. 181449, по кл. F 02 С 7/26, публ. 15.04.66., которая содержит противопомпажную линию для перепуска сжатого воздуха, компрессор, турбину, инжектирующее или эжектирующее устройство.

Недостатком известного аналога является усложненная и трудоемкая конструкция газотурбинной установки.

Наиболее близким к заявляемому двигателю является газотурбинный двигатель по авт. св. №853135, по кл. F 02 С 1/00, публ. 07.08.81., который содержит два автономных компрессора с камерами сгорания, силовую турбину, выхлопной патрубок, перед силовой турбиной расположена компрессорная турбина, вал которой соединен при помощи зубчатой передачи и разъединительных муфт с валами компрессоров.

Недостатком данного аналога является сложная конструкция двигателя из-за наличия редуктора зубчатой передачи, которая приводит к ненадежности работы двигателя. Кроме того, в камере сгорания не представляется возможным использовать высокой температуры газ, подаваемый на лопатки турбины, что не позволяет полностью использовать энергию высокой температуры камеры сгорания, а это, в свою очередь, отрицательно влияет на производительность данного газотурбинного двигателя.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание двигателя надежным и долговечным в работе, с возможностью полного использования предельно-высокой температуры газа камеры сгорания с высоким коэффициентом полезного использования в работе расширения и преобразования энергии.

Задача решается тем, что газотурбинный двигатель, включающий камеру сгорания, компрессор с камерой высокого давления, турбину, выхлопной коллектор и муфту сцепления с потребителем (признаки, сходные с ближайшим аналогом), снабжен воздушным резервуаром, выполненным из жаропрочного материала и установленным внутри рабочей камеры сгорания. С одного конца воздушный резервуар имеет отверстие в виде удлиненной горловины для выхода воздуха, которая установлена по центру горловины рабочей камеры сгорания, причем обе горловины установлены на одном уровне. С другого конца воздушный резервуар имеет полусферу, на которой с внешней стороны установлен конусообразный насадок из жаропрочного материала, по боковым сторонам воздушного резервуара установлены полые, плоской формы лопасти, посредством которых воздушный резервуар прикреплен к рабочей камере сгорания. На удлиненной горловине запального устройства камеры сгорания с внешней стороны установлены форсунки прибора преобразования топлива с газопроточными каналами, вокруг запального устройства камеры сгорания по внешней поверхности двигателя установлен кожух воздушного охлаждения. На задней части двигателя установлен осевой воздушный компрессор с вентилятором низкого давления. На одном валу с осевым воздушным компрессором установлен генератор тока (стартер), который через автоматическую муфту сцепления соединен с газовоздушной турбиной, к которой жестко прикреплено буферное устройство с направляющим конусом, при этом к корпусу буферного устройства жестко закреплен один из подшипников вала газовоздушной турбины. Прибор преобразования энергии своим третьим цилиндром с наибольшим диаметром его отверстия установлен во входную часть смесительной камеры, с другой стороны которой в нее установлен направляющий конус буферного устройства газовоздушной турбины. По внешней поверхности двигателя по всей длине смесительной камеры и прибора преобразования энергии от осевого воздушного компрессора и вентилятора установлены трубный воздуховод низкого давления и трубный воздуховод высокого давления.

На чертеже изображен двигатель, общий вид, в разрезе.

Двигатель содержит запальное устройство 1 с входным воздушным устройством 2, форсункой 3 жидкого топлива, вокруг запального устройства по его внешней поверхности установлен кожух 4 для воздушного охлаждения и снабжения воздухом камеры сгорания 5, имеющей свечи 6 электрического зажигания и удлиненную горловину 7, с газопроточными каналами и которая входит в отверстие диффузора 9 рабочей камеры сгорания 11.

С внешней стороны на удлиненной горловине 7 запального устройства 1 камеры сгорания 5 установлены форсунки 8 прибора преобразования топлива, с внутренней стороны, вдоль удлиненной горловины 7 выполнены газопроточные каналы. За диффузором 9 установлено входное воздушное устройство 10 лепесткового типа для возможности изменения направления движения воздуха внутри рабочей камеры сгорания 11, вокруг которой по внешней ее поверхности установлен кожух 12, вокруг запального устройства 1 камеры сгорания 5 всей ее внешней поверхности установлен кожух 4 для воздушного охлаждения. Во внутренней части рабочей камеры сгорания 11 установлены электрические свечи зажигания 13 и воздушный резервуар 14, выполненный из жаропрочного материала и имеющий с одного конца отверстие в виде удлиненной горловины 15 для выхода воздуха, которая установлена по центру горловины 19 рабочей камеры сгорания 11, с другого конца воздушный резервуар 14 имеет полусферу 16, на которой с внешней стороны установлен конусообразный насадок 17 из жаропрочного материала, по боковым сторонам воздушного резервуара 14 установлены полые, плоской формы лопасти 18, посредством которых воздушный резервуар прикреплен к рабочей камере сгорания 11. Удлиненная горловина 15 воздушного резервуара и горловина 19 рабочей камеры сгорания 11 установлены на одном уровне и входят одновременно в прибор преобразования энергии, который состоит из трех цилиндров, входящих друг в друга и имеющих разные диаметры отверстий: первый цилиндр 20 наименьшего диаметра, второй цилиндр 21 среднего диаметра и третий цилиндр 22 большего диаметра, который установлен во входную часть смесительной камеры 23, с другой стороны которой установлен направляющий конус 24 буферного устройства 25 газовоздушной турбины 26, к корпусу буферного устройства 25 жестко закреплен один из подшипников 27 вала газовоздушной турбины.

Газовоздушная турбина 26 установлена на валу 28 и соединена с генератором тока 36 автоматической муфтой сцепления 29 перед осевым воздушным компрессором 34.

По внешней поверхности двигателя по всей длине смесительной камеры 23 и длине прибора преобразования энергии от осевого воздушного компрессора 34 и вентилятора 35 установлены трубный воздуховод 30 низкого давления и трубный воздуховод 31 высокого давления. За газовоздушной турбиной 26 на валу генератора тока установлены гидравлические насосы: насос масляный 32 и насос топливный 33.

На задней части двигателя установлен осевой воздушный компрессор 34 высокого давления и вентилятора 35 низкого давления. Генератор тока 36, выполняющий так же функции стартера, с одной стороны через автоматическую муфту сцепления 29 соединен с газовоздушной турбиной 26, с другой стороны соединен с валом 37 осевого воздушного компрессора 34 и вентилятором 35 низкого давления. На одном валу 37 с осевым воздушным компрессором установлен генератор тока 36, который через автоматическую муфту сцепления 29 соединен с газовоздушной турбиной 26. На выходе корпуса двигателя установлены подшипники 38 осевого воздушного компрессора 34 и муфта 39 сцепления двигателя с потребителем. От газовоздушной турбины выходит выхлопной газовоздушный коллектор 40.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Запуск и работа газотурбинного двигателя осуществляется электронной станцией управления или компьютерной Программой.

На генератор электрического тока 36 подается напряжение. Станция электронного управления переключает генератор тока 36 на режим работы стартера, который вращает масляный насос 32, топливный насос 33 и одновременно осевой воздушный компрессор 34 с вентилятором 35.

Газовоздушная турбина 26 не вращается, автоматическая муфта сцепления 29 не включена. Воздух от осевого воздушного компрессора 34 подается по трубному воздуховоду 31 высокого давления в рабочую камеру сгорания 11 и камеру сгорания 5 запального устройства 1. Воздух от вентилятора 35 компрессора низкого давления подается по трубопроводу 30 в прибор преобразования энергии, в первый цилиндр 20, во второй цилиндр 21, третий цилиндр 22 и воздушный резервуар 14. Электронная станция управления по заданной Программе "запуск двигателя" включает свечи 6 электрического зажигания запального устройства 1 и одновременно свечи 13 электрического зажигания рабочей камеры сгорания 11. Затем включается клапан подачи топлива на форсунку 3 жидкого топлива запального устройства 1. В камере сгорания 5 запального устройства 1 происходит возгорание топлива с воздухом, и поступающий из диффузора входного воздушного устройства 2 воздух меняет направление движения во входном воздушном устройстве 2 на 90°. В камере сгорания 5 поток воздуха вращается, перемещается с топливом, улучшается процесс горения. Энергия тепла газа в удлиненной части горловины 7 переходит в кинетическую энергию движения газа. Полусфера 16 воздушного резервуара 14 определяет жаровую часть рабочей камеры сгорания 11 и направляет газовый поток в ее удлиненную горловину, в сужающуюся часть (конфузор), где создается кинетическая энергия движения потока газа.

По программе электронной станции включаются клапаны подачи топлива на форсунки 8 прибора преобразования топлива рабочей камеры сгорания 11. Распыленное топливо впрыскивается в газопроточные каналы удлиненной горловины 7 камеры сгорания 5 запального устройства 1, впрыскивается в поток высокой температуры газа, нагревается до парогазового состояния, газотопливная смесь подается в полость рабочей камеры сгорания 11. Сжатый осевым воздушным компрессором 34 воздух из кожуха 12 рабочей камеры сгорания 11 поступает в диффузор 9 рабочей камеры сгорания 11, затем на воздушное устройство лепесткового типа 10, где воздух меняет направление движения в полости рабочей камеры сгорания 11 на 90°, в результате создается циклонное вращательное движение воздуха. В центр меньшей плотности воздуха поступает газотопливная смесь высокой температуры. Вращательное движение воздуха способствует быстрому перемешиванию подготовленного в парогазовое состояние топлива, возгоранию от свечей 13 электрического зажигания рабочей камеры сгорания 11.

Резервуар 14 с полусферой 16 определяют объем жаровой части рабочей камеры сгорания 11, где происходит постоянно действующая, непрерывная реакция горения высокой температуры газа. Полусфера 16 направляет газовый поток кинетической энергии движения в канал удлиненной части горловины 19 рабочей камеры сгорания 11.

Прогретое коническое тело конусообразного насадка 17, полусферы 16 стабилизирует процесс горения внутри рабочей камеры сгорания 11, способствует ускоренной реакции горения топлива при высокой температуре газа в жаровой части рабочей камеры сгорания 11. Таким образом образуется потенциальная энергия тепла газа высокой температуры большой плотности и давления, которая переходит в кинетическую энергию движения потока газа рабочей камеры сгорания 11 в канале, образованном в сужающейся горловине 19 (конфузоре) рабочей камеры сгорания 11 и удлиненной горловиной 15 воздушного резервуара 14. Так как рабочая камера сгорания 11 своей сужающейся частью горловины 19 входит в первый цилиндр 20 прибора преобразования энергии, то при этом образуется щель, в которую подается воздух от вентилятора 35 осевого воздушного компрессора. Воздух также поступает в полость воздушного резервуара 14 через его полые, плоской формы лопасти 18 через воздуховоды и выходит из удлиненной горловины 15 воздушного резервуара 14 в центр горловины 19 рабочей камеры сгорания 11, коническое тело 17 стабильно удерживает реакцию горения высокой температуры в жаровой части рабочей камеры сгорания 11, одновременно направляет газовый поток к центру горловины 19 рабочей камеры сгорания 11, таким образом предотвращается образование "стержня" с выхода из горловины 19, несущего сжатый поток газа энергии высокой температуры, который не подвергается расширению и не используется полезно в приборе преобразования энергии.

Таким образом, вентилятор 35 осевого воздушного компрессора выполняет двойную работу: подает воздух в компрессор высокого давления 34 и нагнетает воздух низкого давления в прибор преобразования энергии и в воздушный резервуар 14. Кинетическая энергия звуковой скорости движения потока газа высокой температуры в горловине 19 рабочей камеры сгорания 11 производит работу расширения. В щели происходит разрежение, в эту разреженную зону подается воздух вентилятором 35 осевого воздушного компрессора низкого давления и засасывается потоком газа звуковой скорости движения, в первом цилиндре 20 прибора преобразования энергии образуется газовоздушная смесь. Энергия тепла высокой температуры газа нагревает поступивший воздух. Энергия холода атмосферного воздуха поглощает энергию тепла рабочей камеры сгорания 11. Скорость потока поступившего воздуха в первом цилиндре 20 прибора преобразования энергии увеличивается и газовоздушный поток первого цилиндра производит работу расширения во второй щели, далее происходит все тот же процесс расширения, всасывания, нагнетания во второй, третьей и четвертой щели, в результате чего увеличивается масса рабочего тела. В работе расширения и преобразования энергии участвуют одновременно две энергии: энергия "тепла" высокой температуры газа рабочей камеры сгорания 11 и энергия "холода" /космоса/ в виде атмосферного воздуха.

Далее увеличенная и частично преобразованная газовоздушная масса рабочего тела поступает в смесительную камеру 23, где на направляющем конусе 24 и лопастях буферного устройства 25 продолжается теплообмен энергией, преобразованная тепловая энергия увеличенной газовоздушной массы кинетической энергии инерционного прямолинейно-направленного движения оказывает воздействие на лопатки газовоздушной турбины 26, при этом площади лопаток увеличены с учетом увеличенной массы рабочего тела. В каждой ступени газовоздушной турбины 26 производится работа расширения. Отработавшая, увеличенная газовоздушная масса пониженной температуры по коллектору 40 уходит в атмосферу. Газовоздушная турбина набрала обороты, муфта 29 автоматического сцепления соединилась. Электронная станция управления или Программа компьютера отключает стартер 36 и включает в работу генератор 36 электрического тока, так как генератор тока выполняет также функции стартера.

Газотурбинный двигатель находится в рабочем состоянии под управлением электронной станции, но возможна его работа и при ручном управлении.

Предлагаемый к патентованию газотурбинный двигатель по сравнению с аналогичными двигателями позволяет использовать предельно-высокую температуру газа камеры сгорания с высоким коэффициентом полезного использования в работе расширения, преобразования энергии, увеличения массы рабочего тела, за счет чего увеличивается производительность работы газовоздушной турбины и двигателя в целом.

Кроме того, конструкция двигателя надежна и долговечна в эксплуатации, так как газовоздушная турбина защищена от воздействия газов высокой температуры.

Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания, компрессор с камерой высокого давления, турбину, выхлопной коллектор и муфту для соединения с потребителем. Двигатель также снабжен воздушным резервуаром, выполненным из жаропрочного материала и установленным внутри рабочей камеры сгорания. С одного конца воздушный резервуар имеет отверстие в виде удлиненной горловины, которая установлена по центру горловины рабочей камеры сгорания. Обе горловины установлены на одном уровне. С другого конца воздушный резервуар имеет полусферу, на которой с внешней стороны установлен конусообразный насадок из жаропрочного материала. По боковым сторонам воздушного резервуара установлены полые, плоской формы лопасти, посредством которых воздушный резервуар прикреплен к рабочей камере сгорания. На удлиненной горловине запального устройства камеры сгорания с внешней стороны установлены форсунки прибора преобразования топлива с газопроточными каналами. Вокруг запального устройства камеры сгорания по внешней поверхности двигателя установлен кожух воздушного охлаждения. На задней части двигателя установлен осевой, воздушный компрессор с вентилятором низкого давления. На одном валу с осевым, воздушным компрессором установлен генератор тока - стартер, который через автоматическую муфту сцепления соединен с газовоздушной турбиной, к которой жестко прикреплено буферное устройство с направляющим конусом. К корпусу буферного устройства жестко закреплен один из подшипников вала газовоздушной турбины. Прибор преобразования энергии своим третьим цилиндром, с наибольшим диаметром его отверстия установлен во входную часть смесительной камеры, с другой стороны которой в нее установлен направляющий конус буферного устройства газовоздушной турбины. По внешней поверхности двигателя по всей длине смесительной камеры и прибора преобразования энергии от осевого, воздушного компрессора и вентилятора установлены трубный воздуховод низкого давления и трубный воздуховод высокого давления. Изобретение повышает надежность и долговечность двигателя. 1 ил.

Газотурбинный двигатель, включающий камеру сгорания, компрессор с камерой высокого давления, турбину, выхлопной коллектор и муфту для соединения с потребителем, отличающийся тем, что двигатель снабжен воздушным резервуаром, выполненным из жаропрочного материала и установленным внутри рабочей камеры сгорания, причем с одного конца воздушный резервуар имеет отверстие в виде удлиненной горловины, которая установлена по центру горловины рабочей камеры сгорания, причем обе горловины установлены на одном уровне, с другого конца воздушный резервуар имеет полусферу, на которой с внешней стороны установлен конусообразный насадок из жаропрочного материала, по боковым сторонам воздушного резервуара установлены полые плоской формы лопасти, посредством которых воздушный резервуар прикреплен к рабочей камере сгорания, на удлиненной горловине запального устройства камеры сгорания с внешней стороны установлены форсунки прибора преобразования топлива, с газопроточными каналами, а вокруг запального устройства камеры сгорания по внешней поверхности двигателя установлен кожух воздушного охлаждения, на задней части двигателя установлен осевой воздушный компрессор с вентилятором низкого давления, причем на одном валу с осевым воздушным компрессором установлен генератор тока - стартер, который через автоматическую муфту сцепления соединен с газовоздушной турбиной, к которой жестко прикреплено буферное устройство с направляющим конусом, при этом к корпусу буферного устройства жестко закреплен один из подшипников вала газовоздушной турбины, а прибор преобразования энергии своим третьим цилиндром с наибольшим диаметром его отверстия установлен во входную часть смесительной камеры, с другой стороны которой в нее установлен направляющий конус буферного устройства газовоздушной турбины, причем по внешней поверхности двигателя по всей длине смесительной камеры и прибора преобразования энергии от осевого воздушного компрессора и вентилятора установлены трубный воздуховод низкого давления и трубный воздуховод высокого давления.