КОНСТРУКЦИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОПЕРЕЧНЫМ ПОТОКОМ И ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ Российский патент 2022 года по МПК F02C3/05 

Изобретение относится к машиностроению: двигатели внутреннего сгорания; радиальные газотурбинные двигатели (ГТД). Области применения: транспорт, малая энергетика и сельскохозяйственные машины.

После приватизации тепловых электростанций, сетей теплового и электрического снабжения расходы на коммунальные услуги у большинства россиян занимают второе место после расходов на продовольствие. С каждым годом увеличивается стоимость содержания тепловых и электрических сетей, которая уже превышает стоимость генерации, растет стоимость подключения к сетям, что пагубно сказывается на производстве, развитии городов, освоении территорий, участившиеся аварии оставляет без тепла и электричества десятки тысяч граждан, нередки взрывы газа, уносящие жизни и разрушающие строения. Решением описанных проблем является развитие малой энергетики и модернизация жилищного фонда, при этом производство электрической и тепловой энергии может осуществляться в каждом отдельном строении, имеющем подвод газа и холодной воды. В статьях: https://www.energovector.com/energoznanie-konstruktivnyy-povorot.htm; https://energybase.ru/equipment/op16-3a; http://www.turbine-diesel.ru/rus/node/3679 сравниваются радиальные и осевые турбины, приводятся области их применения, краткая история создания и использования радиальных турбин, конструкция и характеристики радиальных газотурбинных установок. Из этих источников следует, что в сфере распределенной генерации электроэнергии мощностью до 10-12 МВт преимуществами обладают радиальные газотурбинные установки (ГТУ), благодаря простоте конструкции, высоким КПД и надежности, экономичности, низкой стоимости владения. Стоимость электрической и тепловой энергии для собственников жилья и малой энергоустановки, использующей двигатель, предлагаемой конструкции, снизится не менее чем в три раза, появятся возможности: выбора индивидуальной системы отопления - водяной, электрической или комбинированной; отказа от использования газовых плит. Упрощенная конструкция двигателя также может использоваться при создании простых паровых турбин для небольших геотермальных и коллекторных, солнечных электростанций. Благодаря небольшим размерам, двигатель, предлагаемой конструкции, может применяться на транспорте и в сельскохозяйственной технике: автомобилях, автобусах, тракторах, комбайнах, яхтах, катерах, моторных лодках, легких самолетах и вертолетах. Современные дизельные поршневые двигатели с турбонаддувом имеют максимальный КПД 53%, бензиновые – не более 30%, ГТД обладают КПД порядка 45%, самый высокий КПД имеют электрические двигатели - 95%. Поршневые двигатели имеют большие топливные, тепловые и механические потери, сложную конструкцию, вредные примеси в выхлопных газах. Сложной конструкцией и большими габаритами обладают осевые ГТД, основными недостатками которых является большие расход топлива и тепловые потери. Основными препятствиями для широкого применения транспорта на электрической тяге являются большой вес, габариты и дороговизна автономных источников энергии или дорогая в создании и содержании электрическая сеть, «привязывающая» к себе транспортное средство. Заменой поршневых и дешевой альтернативой электрическим двигателям может служить двигатель, предлагаемой конструкции - одной из самых простых среди тепловых двигателей, обладающий небольшими размерами, высоким КПД (>90%), большой удельной мощностью, малыми механическими и тепловыми потерями, высокой экономичностью, возможностью использования различных видов топлива - жидких и газообразных, невысокими требованиями к топливу, длительным сроком службы, невысокой стоимостью изготовления, обслуживания и ремонта. Ближайшими аналогами газотурбинного двигателя с поперечным потоком и цифровым управлением (ДПП), предлагаемой конструкции являются радиальные ГТУ компаний OPRA Turbines (например: OP16), Kongsberg (KG2) и микротурбины корпорации Capstone Turbine (С200), имеющие схожие конструктивные решения. Радиальные ГТУ имеют одноступенчатый центробежный компрессор на одном валу с одноступенчатой же центростремительной турбиной, внешние камеры сгорания числом от одной до четырех, консольное крепление ротора с опорами в холодной части, тепловые рекуператоры; рабочее колесо и сопловой аппарат радиальных турбин неохлаждаемые, отвод выхлопных газов производится продольно вдоль оси.

Сущность изобретения состоит в радиальном направлении отвода выхлопных газов, что кардинально меняет конструкцию двигателя с радиальной турбиной, при таком решении верхняя и нижняя половины ДПП одинаковы и каждая содержит камеру сгорания (КС), напротив которой по горизонтали располагается система отвода выхлопных газов, при последовательной работе КС для равномерного вращения ротора достаточно трех лопаток, что уменьшает радиальные размеры двигателя. Сущность изобретения состоит в том, что радиальный отвод выхлопных газов позволяет применить линейные многоструйные КС с числом сопел от 3 до 10, что при некотором увеличении осевых размеров двигателя многократно увеличивает его удельную мощность. Увеличение осевых размеров диктует межопорное крепление ротора, в роли опор выступают крышки статора с подшипниками. В аналогах применяют как подшипники качения с ежегодной смазкой, так и лепестковые газодинамические подшипники без смазки, кроме вышеперечисленных, в ДПП возможно применение пассивных магнитных подшипников. Сущность изобретения состоит в том, что при использовании ДПП на транспорте и в с/х машинах, энергия выхлопных газов используется для выработки электроэнергии для питания электродвигателя воздушного компрессора и бортовых устройств, что позволяет: применять простые конструкции компрессоров в наземном транспорте и энергетических установках, сложные и более производительные – для воздушного транспорта; настраивать эффективную работу компрессора под количество кислорода в окружающем воздухе; располагать компрессор в удобном месте; увеличивать число компрессоров. В малой энергетике выхлопные газы ДПП будут использоваться для нагрева воды на нужды отопления и горячего водоснабжения. Размеры двигателя, число сопел в камерах сгорания определяют его мощность. Так как теплотворные способности жидких и газообразных топлив не сильно отличаются, КС может использовать оба вида топлива без переделок с возможностью точного подбора наиболее эффективного процентного состава ТВС программным способом. Использование водорода в качестве топлива для ДПП сделает его экологически чистым.

Профиль ротора-турбины (1) строится при решении геометрической задачи упаковки 7 одинаковых кругов (окружностей) в большем круге: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%BF%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0_%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%B2_%D0%B2_%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3%D0%B5. Три внешних круга, расположенных треугольником, удаляются, от оставшихся трех внешних кругов используются одинаковые половины окружностей. Перпендикулярно радиусам, проложенным от центра внутреннего круга к внутренним концам полуокружностей, проводятся прямые линии, образующие треугольник. Для более эффективной работы турбины, внешние концы полуокружностей отводятся по радиусу от центра на небольшое одинаковое расстояние, от полученных точек проводятся линии сопряжения с полуокружностями и одинаковые плавные линии к углам треугольника. Внутренняя сторона лопатки является рабочей и защищена термостойким покрытием (2). Попеременная работа камер сгорания (КС) (3), с некоторым перекрытием, и определенный вес ротора (1) обеспечивают его равномерное вращение. Ведущий вал (4) ротора снаружи имеет участок меньшего диаметра с резьбой и ключевым выступом для точной установки диска с тремя радиальными прорезями (5), с углом между ними 120°.

Статор (6) представляет собой полый цилиндр с 4-мя рядами отверстий вдоль оси, диаметрально противоположно к боковым поверхностям крепятся КС (3), сопла (7) которых вставляются в соответствующий ряд отверстий. К торцам статора крепятся одинаковой формы крышки (9) с опорными подшипниками. К одной из крышек крепится круглая плата фотодиодов (10) с центральным отверстием, через которое проходит ведущий вал ротора (4) с резьбой. После сборки двигателя и установки диска с прорезями (5) на вал (4), оптическая система датчиков закрывается крышкой (11), на внутренней стороне которой установлена плата светодиодов (12) с отверстием под вал (4). Напротив КС (3) расположен ряд отверстий для отвода выхлопных газов (13), отверстия могут быть любой формы: овальные, прямоугольные, в виде узкой щели и закрываются патрубком системы отвода выхлопных газов (14). Жаровня КС (15) представляет собой цилиндр, с равномерно распределенными по боковой поверхности отверстиями, к которым привариваются конусообразные сопла (7). Жаровня КС (15) задвигается в радиатор-держатель (16) и в сборе помещается в корпус КС (17), который и крепится к статору (6). При необходимости жаровни (15) охлаждаются сжатым воздухом от воздушного компрессора (18). Топливо и сжатый воздух подаются через пневматические клапаны с электромагнитным управлением (19) в патрубки (20) на торцевых сторонах жаровен КС (15), где равномерно смешиваются с помощью топливного распылителя (21), при малом числе сопел заполнение топливно-воздушной смесью (ТВС) осуществляется с одной из сторон. Воспламенение ТВС происходит с помощью электрической искры, вырабатываемой устройством зажигания (22), для ускорения и равномерности воспламенения устанавливается два или три устройства зажигания (22). Устройствами зажигания (22) служат запальные свечи, которым необходим отдельный блок высокого напряжения (48), либо более безопасные и экономичные низкочастотные, высоковольтные пьезотрансформаторы, для работы которых на их низковольтную часть подается пачка импульсов резонансной частоты. Прямоугольные шторки-задвижки (23), скользящие в пазах направляющих планок (24), расположенных в продольных выемках статора (25) перед отверстиями сопел КС (7), препятствуют попаданию ТВС внутрь статора (6) и при работе, после воспламенения ТВС сдвигаются соленоидом (26) или при помощи шагового двигателя (27). На поверхности шторок (23) и внутреннюю часть направляющих планок (24) наносится тонкий слой т.н. «твердой смазки» на основе термостойких материалов с низким коэффициентом трения (например: BAM=AlMgB14+TiB2). К патрубкам выхлопной системы (14) крепятся коллекторы выхлопных газов (28), форма которых определяется одной из схем использования выхлопных газов: две турбины с одним генератором и общей осью (29) или две раздельные турбины, каждая со своим генератором (30). Двухконтурный воздушный компрессор (18) состоит из: защитной решетки (31) и вентилятора (32) во внешнем контуре, который охлаждает радиатор (33) на сужающемся трубопроводе дополнительного сжатия воздуха; воздушного фильтра (34), трехступенчатой осевой (35) и центробежной турбин (36) во внутреннем контуре, сжимающих воздух, общая ось которых приводится во вращение электродвигателем (37) который питается от аккумуляторной батареи (АКБ) (40) при старте и от генератора (57) при работе.

При нажатии кнопки «пуск» (38) цифровое устройство управления и контроля (ЦУ) (39) включает компрессор (18) и, определив по бесконтактным датчикам (10) положение ротора (1) в статоре (6), заполняет обе КС (3) топливом и сжатым охлажденным воздухом, ТВС сбалансирована в той КС (3), напротив сопел (7) которой не находится рабочая поверхность лопатки ротора (2), и обеднена в другой КС (3), напротив сопел (7) которой находится рабочая поверхность лопатки ротора (2), при этом количество топлива определяется расстоянием от сопла (7) до лопатки (по датчикам положения (10)). Затем ЦУ (39) подает сигнал на устройство зажигания КС (22) с обедненной ТВС и после воспламенения смеси с помощью электропривода (26 или 27) сдвигает шторку (23), открывая отверстия сопел (7), выходя из которых горящие газы высокого давления формируют параллельные газовые струи с большой кинетической энергией, воздействующие на лопатки ротора (1), тем самым приводя его во вращение. После сгорания топлива, при определенном повороте ротора (1) открываются отверстия выхлопной системы(13), шторка (23) возвращается в исходное положение, ЦУ (39) подает сигналы, открывающие электромагнитные клапаны (19) подачи сжатого воздуха и топлива в КС (3), происходит заполнение жаровни КС (15) сбалансированной ТВС, при попадании рабочей поверхности (2) другой лопатки в зону действия второй КС (3) происходит воспламенение ТВС, открытие шторки (23) и далее аналогично, как у первой КС (3), формируется полный рабочий цикл двигателя. После раскрутки ротора (1) на холостом ходу подключается нагрузка через редуктор, трансмиссию или коробку передач, электродвигатель компрессора (37) начинает питаться от генератора переменного напряжения (57), который начинает питать бортовую сеть и заряжать АКБ (40). Ускорить запуск двигателя и разгон после торможения может применение небольшого, резервного баллона (41), заполненного сжатым воздухом, который можно также использовать для подкачки шин, очистки лобового стекла и т.п.

ЦУ (39) может быть исполнено в виде: простого цифрового автомата со счетчиком событий, фиксируемых датчиками; либо программируемого контроллера на основе микропроцессора с более широкими возможностями. Для определения необходимых действий, в ЦУ (39) поступает информация от педалей тормоза и газа (43), датчиков положения ротора в статоре (10), датчиков наличия и количества топлива, датчиков давления сжатого газа (44) и т.д. После анализа данных выдаются сигналы управления (47) на исполнительные механизмы через блок силовых ключей (48). Алгоритм работы, примерно, такой: воспламенение топливной смеси производится только при заполнении жаровни (15) и правильном положении лопатки ротора (1) (в режимах движения или ускорения); при увеличении нагрузки фиксируется уменьшение скорости вращения ротора (1), ЦУ (39) будет добавлять необходимое количество топлива и воздуха в КС (3), в которой происходит горение; при уменьшении нагрузки двигателя (при торможении или временной остановке) ЦУ (39) принимает решение о пропуске циклов в его работе или использовании только одной из КС (3), также с возможностью пропуска циклов. Индикатор «авария двигателя» (38) может мигать при неготовности его к работе, гаснуть при готовности, гореть постоянно при неисправности. Из экологических соображений выбор топлива падает на газообразные типы, что продлевает ресурс службы ДПП, возможно применение и жидких видов топлива, в качестве резерва, при этом устанавливается соответствующее оборудование, например: насос и фильтр для жидких, расширители и т.д. для газообразных видов (51).

На чертеже Фиг. 1 приведена структурная схема использования ДПП на воздушном транспорте. Конструкция ДПП представлена на чертеже Фиг. 2.

Краткое описание чертежей:

1. ротор-турбина

2. рабочая сторона лопатки ротора с термостойким покрытием

3. камера сгорания (КС)

4. ведущий вал ротора

5. диск с тремя радиальными прорезями

6. статор-корпус

7. сопла жаровни КС

8. отверстия под сопла жаровни КС

9. крышка статора

10. плата фотодиодов - датчиков положения ротора в статоре

11. крышка оптической системы датчиков

12. плата светодиодов

13. отверстия отвода выхлопных газов

14. патрубок системы отвода выхлопных газов

15. жаровня КС

16. радиатор-держатель жаровни КС

17. корпус КС

18. воздушный компрессор

19. электромагнитный пневматический клапан

20. патрубки подачи топлива и сжатого воздуха

21. топливный распылитель

22. устройство зажигания

23. шторка-задвижка

24. направляющая планка

25. выемка для направляющей планки

26. соленоид

27. шаговый двигатель

28. коллектор выхлопных газов

29. схема отвода выхлопных газов - две турбины, один генератор

30. схема отвода выхлопных газов - две турбины, два генератора

31. защитная решетка компрессора

32. вентилятор

33. радиатор охлаждения сжатого воздуха

34. воздушный фильтр

35. 3-хступенчатая осевая турбина компрессора

36. центробежная турбина компрессора

37. электродвигатель компрессора

38. кнопка «старт», индикатор «авария двигателя»

39. цифровое устройство контроля и управления

40. аккумуляторная батарея (АКБ)

41. резервный баллон сжатого воздуха

42. однонаправленный пневматический клапан с электромагнитным запором

43. педали тормоза и газа

44. датчик давления сжатого газа

45. предохранительный клапан

46. порт входных данных

47. порт управления

48. блок силовых ключей и высокого напряжения

49. сервисное оборудование для программирования, настройки и диагностики

50. блок выпрямителей, стабилизатора и зарядного устройства

51. топливное оборудование

52. блок питания и управления электродвигателя воздушного компрессора

53. прокладка

54. двигатель в продольном и поперечном разрезах

55. камера сгорания в продольном и поперечном разрезах

56. емкость с топливом

57. генератор переменного электрического тока

Осуществление изобретения рационально начать с создания компьютерных моделей работы как самого двигателя, так и камер сгорания, турбин выхлопных газов и воздушного компрессора. Работа может быть выполнена профессиональными специалистами в области разработки ГТД. Затем изготавливаются опытные экземпляры (прототипы), проводятся испытания, снимаются характеристики, устраняются недочеты, разрабатывается техническая карта производства, строятся заводы, производятся двигатели с необходимыми характеристиками. Внедрение двигателя с поперечным потоком и цифровым управлением поможет в решении экономических, экологических и социальных проблем человечества.

Газотурбинные двигатели предлагаемой конструкции могут применяться на транспорте, в энергетике и сельскохозяйственных машинах. Устройство содержит цилиндрический корпус-статор с 4-мя рядами отверстий, расположенными вдоль оси, и ротор-турбину с тремя лопатками «серповидной» в профиле формы, внутренняя сторона которых является рабочей и защищена термостойким покрытием. Приводной вал ротора вращается на подшипниках крышек корпуса. К статору крепятся две внешние линейные многоструйные камеры сгорания (КС): одна - слева сверху, другая - снизу справа, что определяет вращение ротора по часовой стрелке. Расположение КС определяется горизонтальной линией хорды от середины полуокружности рабочей стороны лопатки при ее вертикальном положении. В КС подается в правильных пропорциях топливо и воздух. Прямоугольные шторки-задвижки, скользящие в пазах направляющих планок, расположенных в продольных выемках статора перед отверстиями сопел КС, препятствуют попаданию топливно-воздушной смеси (ТВС) внутрь статора. Напротив КС расположены отверстия выхлопной системы. Цифровое устройство управления и контроля (ЦУ), определив по бесконтактным датчикам, что рабочая поверхность лопатки ротора располагается перед заполненной ТВС КС, подает сигнал на устройство зажигания, производящего электрическую искру, топливно-воздушная смесь в КС воспламеняется, ЦУ с помощью электропривода сдвигает шторку, открывая отверстия сопел, выходя из которых горящие газы высокого давления формируют параллельные газовые струи с большой кинетической энергией, воздействующие на лопатки ротора, тем самым приводя его во вращение. После сгорания топлива, при определенном повороте ротора открываются отверстия выхлопной системы, шторка возвращается в исходное положение, ЦУ подает сигналы, открывающие электромагнитные клапаны подачи сжатого воздуха и топлива в КС, так формируется рабочий цикл одной из КС, аналогично работает вторая КС. Выхлопные газы вращают турбину, вал которой соединен с валом генератора переменного электрического тока. Воздушный компрессор, сжимая воздух из окружающей среды, обеспечивает КС необходимым объемом кислорода, конструкция компрессора зависит от сферы применения двигателя. Ось компрессора приводится во вращение электродвигателем, который питается от аккумуляторной батареи при старте и от генератора при работе. Часть сжатого воздуха, при необходимости, используется для охлаждения жаровен КС. 2 ил.

Конструкция газотурбинного двигателя с поперечным потоком и цифровым управлением, относящегося к радиальным газотурбинным установкам, в которых поток газов движется перпендикулярно оси вала, содержащая ротор-турбину, вал которой вращается на подшипниках крышек цилиндрического корпуса-статора, две внешние камеры сгорания, систему отвода выхлопных газов и отличающаяся тем, что отвод выхлопных газов производится радиально (1), что уменьшает продольный размер двигателя и определяет положение и количество камер сгорания равное двум, определяет оптимальное число лопаток турбины равное трем, что позволяет использовать многоструйные линейные камеры сгорания (2) и уменьшает радиальный размер, что увеличивает удельную мощность, при этом энергия выхлопных газов используется для производства электрического тока, питающего электродвигатель воздушного компрессора и бортовое оборудование (3) на транспорте, либо нагрева воды в малой энергетике, бесконтактные датчики передают информацию о положении ротора в статоре и скорости его вращения в цифровое устройство контроля и управления, циклический характер работы двигателя определяет широкий диапазон регулирования мощности и способствует его экономичности, простота конструкции удешевляет производство, обслуживание, ремонт и стоимость для потребителей.