СИСТЕМА ТУРБОКОМПРЕССОРА ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕЁ РАБОТЫ Российский патент 2022 года по МПК F01D15/00 F02C7/08 F02C1/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики.

Нагнетательные устройства, такие как турбокомпрессоры, используются в устройствах для увеличения мощности и эффективности рабочих систем.

Турбокомпрессор - обобщенное обиходное название любой энергетической машины, функцией которой является использование кинетической энергии отработанных газов для сжатия воздуха с целью последующего его использования в самом этом устройстве для его работы. Конструктивно всегда состоит из связанных общим валом машин - турбины и компрессора.

Недостатком всех известных турбокомпрессоров является их низкий КПД, высокий расход энергии, сложность конструкции, а также низкая надежность.

В основу изобретения поставлена задача - разработать систему работы турбокомпрессора внешнего сгорания, лишенную указанных недостатков.

Известно решение ЕА 201190014 включающее последовательно соединенные трубопроводами компрессор (11), камеру сжатия (12), турбину (13), камеру сгорания (15), при этом камера сгорания и камера сжатия имеют общий регенеративный теплообменник (14) вращающийся по часовой стрелке.

Недостатком данного решения является сложность конструкции, а также низкая надежность.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является решение - методическое издание "Теплотехника. Термодинамические основы работы тепловых машин", ФБГОУ ВО «Ярославский государственный технический университет» Кафедра двигателей внутреннего сгорания, под ред. кандидат технических наук, доцент Ивневым А.А., Ярославль, 2013-2016, раскрывающее систему работы турбокомпрессора, включающую турбину, камеру сгорания, компрессор, регенератор, а также выходной вал.

Недостатком известной системы является расположение регенератора, обеспечивающего подогрев воздуха до его попадания в компрессор, что приводит к нарушению работы устройства, поскольку за счет попадания в компрессор уже подогретого воздуха не обеспечивается его должного расширения в дальнейшем в системе, что приводит к низкому КПД системы и в частых случаях - даже к невозможности его работы. Также недостатком является низкий КПД камеры сгорания, а соответственно и всей системы в целом.

Техническим результатом предложенной системы является стабилизация ее работы, повышение ее КПД и мощности, экономия энергии.

Данный технический результат достигается тем, что система турбокомпрессора внешнего сгорания включает фиг. 1 компрессор (1), который по трубопроводу (1.1) направляет воздух в теплообменник (2) камеры сгорания (3), откуда нагретый до нужной температуры воздух, по трубопроводу (2.1) направляется в турбину (4), из которой энергия вращения передается на выходной вал (6), при этом отработанный воздух из турбины (4) по трубопроводу (4.1) направляется в поддув камеры сгорания (3), для эффективности горения топлива.

Система турбокомпрессора внешнего сгорания характеризующаяся тем, что энергия вращения от выходного вала (6) передается предпочтительно, на высокоскоростной редуктор (5), установленный между турбиной и компрессором, однако могут быть использованы и иные узлы и механизмы передачи энергии.

Система турбокомпрессора внешнего сгорания характеризующаяся тем, что теплообменник (2) выполнен в виде воздушного радиатора с трубопроводом и пластинами теплопередачи.

Система турбокомпрессора внешнего сгорания характеризующаяся тем, что камера сгорания оснащена терморегулятором, для обеспечения регулировки рабочей температуры.

Теплообменник (2), предпочтительно выполнен в виде воздушного радиатора с трубопроводом из стойкого к температурам материала и пластинами теплопередачи, обеспечивающими хорошую передачу тепла на трубопровод, но может представлять собой и иную конструкцию, обеспечивающую передачу тепла из камеры сгорания на проходящий через теплообменник 2 воздух.

Камера сгорания (3) может быть выполнена, например, в виде твердотопливного котла, газового, или дизельного котла или иного другого источника нагрева, либо комбинированных источников нагрева, например, газовый котел в паре с ветрогенератором.

Камера сгорания (3) предпочтительно оснащена терморегулятором (на чертеже не показан), считывающим температуру внутри камеры сгорания 3, и регулирующую интенсивность/мощность нагрева, для обеспечения регулировки температуры рабочего тела.

Температура подачи воздуха в турбину (4) предпочтительно должна находиться в диапазоне 500-1100 градусов для получения максимальной эффективности работы системы. В случае, если температура воздуха будет ниже заданного значения, КПД системы будет падать, если же температура превысит данные показатели, то это может сказаться на долговечности узлов системы.

Далее, принцип работы системы будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг.1, где изображена система турбокомпрессора внешнего сгорания.

Краткое описание конструктивных элементов.

1 - компрессор;

1.1 - трубопровод;

2 - теплообменник;

2.1 - трубопровод;

3 - камера сгорания;

3.1 - трубопровод;

4 - турбина;

4.1 - трубопровод;

5 - редуктор;

6 - выходной вал

Система турбокомпрессора внешнего сгорания включает компрессор (1), имеющий элемент забора воздуха, например, в виде воздушного патрубка. Забирая воздух, компрессор (1) по трубопроводу (1.1) направляет его в теплообменник (2) камеры сгорания (3). Камера сгорания (3) предпочтительно оснащена терморегулятором (на чертеже не показан). Из камеры сгорания (3), нагретый до рабочей температуры воздух, по трубопроводу (2.1) направляется в турбину (4). Турбина (4) обеспечивает вращательное движение и передает его на выходной вал (6). Полезная нагрузка от выходного вала снимается через высокоскоростной редуктор (5) или через иные узлы и механизмы передачи энергии. Далее, одновременно с обеспечением передачи вращения на выходной вал (6), турбина (4) осуществляет передачу отработанного, но все еще имеющего высокую температуру рабочего тела (воздуха) в поддув камеры сгорания (3) для более эффективного горания топлива, обеспечивая повышение КПД, экономию энергии, стабилизацию работы системы.

Принцип работы заявленной системы.

Первичный запуск турбокомпрессора осуществляют нагнетанием воздуха в компрессор (1) или стартером-генератором с вала отбора мощности (на чертеже не показан). Компрессор (1) забирает воздух, который по трубопроводу (1.1) поступает в теплообменник (2) камеры сгорания (3), где осуществляется его нагрев до заданной температуры при первом пуске. При дальнейшей работе температура нагрева зависит от температуры отработанного воздуха, поступающего от турбины (4) и мощности нагрева в камере сгорания (3). Далее, нагретый до рабочей температуры воздух, поступает в турбину (4), которая передает энергию вращения на выходной вал (6) (ротор). Также параллельно с этим турбина (4) осуществляет передачу отработанного, но все еще горячего воздуха в поддув камеры сгорания (3), для эффективности горения внутри камеры сгорания (3).

Стабильность работы системы, повышение ее КПД и мощности, экономия энергии, обеспечивается за счет забора компрессором (1) холодного воздуха (обладающего минимальным объемом (расширением)), который в дальнейшем по пути к турбине (4) нагревается в теплообменнике камеры сгорания, а отработанный в турбине еще горячий воздух подается в поддув камеры сгорания (3), повышая эффективность сгорания топлива, что дополнительно поднимает КПД и мощность и экономит энергию.

Система турбокомпрессора внешнего сгорания и способ ее работы относятся к области теплоэнергетики. Система включает соединенные последовательно трубопроводами компрессор 1, теплообменник 2 в камере сгорания, турбину 4, при этом турбина 4 соединена трубопроводом 4.1 с камерой сгорания 3. Из компрессора 2 по трубопроводу 1.1 направляют воздух в теплообменник 2 камеры сгорания, откуда нагретый до рабочей температуры воздух направляют в турбину 4. Из турбины 4 энергия вращения передается на выходной вал 6. При этом отработанный воздух из турбины 4 направляют в поддув камеры сгорания 3 для эффективности горения топлива в камере сгорания. На выходном валу 6 между турбиной 4 и компрессором 1 установлен высокоскоростной редуктор 5. Достигается стабилизация работы, повышение КПД и мощности, экономия энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система турбокомпрессора внешнего сгорания, включающая последовательно соединенные трубопроводами компрессор, теплообменник камеры сгорания, турбину, при этом выход турбины соединен трубопроводом с поддувом камеры сгорания, отличающаяся тем, что на выходном валу между турбиной и компрессором установлен высокоскоростной редуктор.

2. Способ работы системы турбокомпрессора внешнего сгорания, характеризующийся тем, что из компрессора по трубопроводу направляют воздух в теплообменник камеры сгорания, откуда нагретый до рабочей температуры воздух направляют по трубопроводу в турбину, вращая выходной вал, при этом отработанный воздух из турбины направляют в поддув камеры сгорания, отличающийся тем, что вращение выходного вала передают на высокоскоростной редуктор, установленный между турбиной и компрессором.