Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель

 

Использование: в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: окислитель закручивают в источнике окислителя относительно оси двигателя и изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбину рабочего тела путем его сжатия, нагревания, расширения и последующего охлаждения охладителем. Во время расширения рабочего тела увеличивают окружную скорость рабочего тела в зоне источника нагретого рабочего тела, расположенной перед зоной охлаждения нагретого рабочего тела, и подают охладитель в зону источника нагретого рабочего тела, расположенную между зонами расширения и охлаждения нагретого рабочего тела. Газотурбинный двигатель имеет турбину 3, источник 1 закрученного потока окислителя и источник 2 нагретого рабочего тела, имеющий зоны нагревания C и расширения D рабочего тела и зону E охлаждения рабочего тела охладителем и выполненный в виде наружной и внутренней обечаек, расположенных параллельно оси двигателя и образующих между собой кольцевое пространство. Диаметр кольцевого пространства в зоне D расширения нагретого рабочего тела уменьшается в сторону зоны E охлаждения, при этом внутренняя кольцевая обечайка выполнена по меньшей мере с одним отверстием, сообщающимся с источником охладителя нагретого рабочего тела. 2 с.и 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в газотурбинных двигателях, предназначенных для применения в стационарных энергетических установках и в силовых установках, используемых на различных наземных транспортных средствах и воздушных и водных судах.

Известны способы преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинных двигателях, по которым долю полезной мощности увеличивают, либо повышая температуру рабочего тела перед турбиной, либо снижая температуру окислителя, используемого для сжигания топлива в целях получения рабочего тела [1]. Однако такие способы повышения полезной мощности недостаточно эффективны и наносят вред окружающей среде, так как в атмосферу выбрасывается большое количество выхлопных газов.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, по которому изменяют температуру рабочего тела путем его охлаждения и расширения [2]. По этому способу осуществляют ступенчатое расширение рабочего тела перед ступенями расширения, а в камеру сгорания подают дополнительный окислитель. Сжигание топлива перед промежуточной ступенью расширения производят недостатком окислителя, а перед последней - с избытком.

Этот способ не обеспечивает достаточного повышения КПД, так как многостадийное сжигание топлива не приводит к уменьшению количества охлаждающего газа. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию потерь мощности двигателя на работу компрессора, а следовательно, к снижению КПД. Кроме того, сжигание обогащенной смеси приводит к снижению долговечности двигателя из-за обильного образования сажи. Наличие второй камеры сгорания для дожигания смеси с избытком окислителя приводит к усложнению способа.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела [3]. Воздух забирается из атмосферы компрессором и поступает в источник нагретого рабочего тела в виде камеры сгорания, в которую подают топливо. Воздух в камере сгорания разделяется на два потока, один из которых используется для собственно сгорания топлива, а другой - для подмешивания к продуктам сгорания в целях снижения их температуры. Получаемое нагретое рабочее тело расширяется в ступенях турбины, в результате чего совершается полезная работа. Мощность газотурбинного двигателя частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть мощности является полезной мощностью двигателя. Полезная мощность газотурбинного двигателя составляет сравнительно небольшую долю от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Эта доля мощности определяется коэффициентом полезной работы, который для существующих газотурбинных двигателей составляет всего 0,3-0,4.

Описанный двигатель имеет низкий КПД, не превышающий 30%, и небольшую полезную мощность, составляющую максимум 40% от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Таким образом, основным недостатком этого газотурбинного двигателя является низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбрасывает в атмосферу большое количество выхлопных газов, что крайне нежелательно с точки зрения охраны окружающей среды.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, по которому изменяют термодинамическое состояние вводимого в первую турбинную ступень рабочего тела [4]. Во время изменения термодинамического состояния вводимого в турбинную ступень рабочего тела рабочее тело, подаваемое в первую турбинную ступень, до ввода в нее расширяют, после чего рабочее тело с измененным термодинамическим состоянием охлаждают охладителем - отработавшим рабочим телом первой турбинной ступени. Указанный способ осуществляется в газотурбинном двигателе, содержащем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела.

По такому способу повышается КПД. Отбор отработавшего в первой турбинной ступени рабочего тела, обладающего достаточно высокой потенциальной энергией, на охлаждение нагретого рабочего тела приводит к неполному использованию энергии нагретого рабочего тела, что не позволяет увеличить эффективность работы двигателя выше некоторого предела. Целесообразно полнее использовать энергию отработавшего в первой ступени рабочего тела, т.е. пропустить через все ступени турбины все рабочее тело либо полностью использовать потенциальную энергию нагретого рабочего тела в одной ступени турбины. Таким образом, целесообразно использовать для охлаждения нагретого рабочего газа охладитель с низким давлением, например воздух из атмосферы или выхлопные газы за турбиной, которые практически полностью реализовали свою потенциальную энергию, и их температура и давление значительно ниже, чем у рабочего тела, отработавшего в первой турбинной ступени. До настоящего времени это не удавалось сделать из-за того, что давление в источнике нагретого рабочего тела выше, чем давление охладителя.

В основу изобретения положена задача использовать в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе такое изменение термодинамического состояния нагретого рабочего тела и изменить конструкцию газотурбинного двигателя так, чтобы организация потоков рабочего тела обеспечила повышение КПД и полезной мощности газотурбинного двигателя при снижении количества выхлопных газов.

Эта задача решается тем, что по способу преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем турбину, источник окислителя и источник нагретого рабочего тела, подают окислитель, закрученный в источнике окислителя относительно оси двигателя, в источник нагретого рабочего тела для образования рабочего тела и изменяют в источнике нагретого рабочего тела термодинамическое состояние вводимого в турбину рабочего тела путем его сжатия, нагревания, расширения и последующего охлаждения охладителем. В соответствии с изобретением во время расширения рабочего тела увеличивают окружную скорость рабочего тела в зоне источника нагретого рабочего тела, расположенной перед зоной охлаждения нагретого рабочего тела, и подают в эту зону охладитель.

Благодаря тому, что окружная скорость рабочего тела в зоне источника нагретого рабочего тела, расположенной перед зоной охлаждения нагретого рабочего тела увеличена, обеспечивается повышение центробежных сил в этой зоне, что приводит к снижению статического давления в центральной части потока нагретого рабочего тела. Это создает возможность подачи в эту зону охладителя, имеющего низкое давление. Такой средой может являться атмосферный воздух, вода, водяной пар и т.п., а также рабочее тело, отработавшее в турбине (т. е. выхлопные газы). При этом повышается КПД двигателя благодаря тому, что рабочее тело, полностью не реализовавшее свою энергию в турбине, не отбирается для охлаждения нагретого рабочего тела перед его подачей в турбину. Это способствует более полному использованию тепловой энергии, затраченной на нагревание рабочего тела. В принципе подача охладителя, например выхлопных газов, для изменения температуры нагретого рабочего тела известна. Однако при этом требуется доведение параметров охладителя (давления) до величины, позволяющей подать охладитель в поток нагретого рабочего тела в зоне, где давление существенно выше атмосферного. Увеличение окружной скорости потока нагретого рабочего тела в зоне подачи охладителя обеспечивается необходимое снижение давления в центральной части потока, в результате чего в нее можно подавать охладитель под низким давлением (при атмосферном давлении или ниже этого давления).

Целесообразно в качестве охладителя использовать выхлопные газы турбины, так как они имеют теплоемкость почти в 1,5 раза выше, чем теплоемкость воздуха, что повышает эффективность охлаждения. Кроме того, использование выхлопных газов для охлаждения позволяет уменьшить количество выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу, что уменьшает тепловое и химическое загрязнение окружающей среды и снижает шум двигателя.

Охладитель перед подачей на охлаждение нагретого рабочего тела целесообразно разгонять. Это снижает потери на удар при смешении охладителя с нагретым рабочим телом, что в конечном счете способствует повышению КПД.

Целесообразно охлаждать охладитель перед подачей на охлаждение нагретого рабочего тела. При этом повышается эффективность охлаждения нагретого рабочего тела.

Целесообразно увеличить осевую скорость нагретого рабочего тела после его смешения с охладителем для сохранения пропускной способности тракта подачи нагретого рабочего тела к турбине.

Поставленная задача также решается тем, что газотурбинный двигатель содержит турбину, источник закрученного потока окислителя и источник нагретого рабочего тела, имеющий зоны нагревания и расширения рабочего тела и зону охлаждения нагретого рабочего тела отработавшим рабочим телом. Источник нагретого рабочего тела выполнен в виде наружной и внутренней обечаек, расположенных параллельно оси двигателя и образующих между собой кольцевое пространство. Диаметр кольцевого пространства в зоне расширения нагретого рабочего тела уменьшается в сторону турбины, при этом внутренняя кольцевая обечайка выполнена по меньшей мере с одним отверстием, сообщающимся с источником охладителя.

При таком устройстве газотурбинного двигателя уменьшение диаметра кольцевого пространства в зоне расширения нагретого рабочего тела в сторону турбины обеспечивает увеличение окружной скорости потока закрученного нагретого рабочего тела, что приводит к повышению центробежных сил и снижению давления во внутренней зоне кольцевого пространства, в которой расположено отверстие, сообщающееся с источником охладителя. Таким образом, газотурбинный двигатель в соответствии с изобретением позволяет подавать охладитель в зону охлаждения нагретого рабочего тела под низким давлением (атмосферным или даже ниже). Это позволяет отказаться от подачи отработавшего рабочего тела для охлаждения с промежуточных ступеней турбины или от затрат энергии на доведение давления охладителя до уровня, позволяющего подать его в поток нагретого рабочего тела, в котором давление (в существующих двигателях) значительно превышает атмосферное.

Целесообразно, чтобы площадь поперечного сечения кольцевого пространства в зоне расширения нагретого рабочего тела, по меньшей мере, не уменьшалась в сторону турбины. При этом не происходит увеличение осевой скорости: увеличивается только окружная скорость закрученного потока нагретого рабочего тела. Целесообразно несколько увеличивать площадь кольцевого пространства для некоторого снижения осевой скорости потока нагретого рабочего тела для компенсации повышения абсолютной скорости потока нагретого рабочего тела, вызванного повышением его окружной скорости. Это позволяет подавать поток нагретого рабочего тела на турбину с заданной абсолютной скоростью.

Целесообразно, чтобы отверстие внутренней обечайки сообщалось с выхлопной стороной турбины. При этом в качестве охладителя используется отработавшее в турбине рабочее тело с указанными выше преимуществами.

Целесообразно снабдить двигатель теплообменником, размещенным между источником окислителя и источником нагретого рабочего тела и имеющим вход и выход по горячей стороне и вход и выход по холодной стороне. Вход и выход по горячей стороне соединены соответственно с выхлопной стороной турбины и с зоной источника рабочего тела, расположенной между зонами расширения и охлаждения нагретого рабочего тела, а вход и выход по холодной стороне сообщаются соответственно с источником окислителя и с источником нагретого рабочего тела. При этом снижается температура охладителя (например, выхлопных газов), что повышает эффективность охлаждения нагретого рабочего тела и уменьшает количество охладителя, необходимого для охлаждения нагретого рабочего тела. Кроме того, нагревание окислителя повышает КПД.

Теплообменник может быть образован наружной и внутренней обечайками, расположенными параллельно оси двигателя и образующими кольцевой канал, разделенный на расположенные по его окружности чередующиеся камеры, образованные радиально установленными по окружности кольцевого канала пластинами, расположенными под углом к диаметральной плоскости сечения кольцевого канала, при этом камеры одной группы имеют торцовые стенки и отверстия в кольцевых обечайках, а камеры другой группы выполнены сквозными. При таком устройстве теплообменника обеспечивается оптимальная организация потоков, участвующих в теплообменнике, а наклонные пластины позволяют обеспечить безударный вход потока закрученного окислителя в теплообменник. Это способствует снижению потерь энергии и повышает КПД.

Внутренняя обечайка источника нагретого рабочего тела может быть выполнена с рядом расположенных по окружности продольных щелей между зонами расширения и охлаждения нагретого рабочего тела. При этом обеспечивается повышение скорости потока охладителя для оптимизации смешения потоков нагретого рабочего тела и охладителя и снижения потерь на удар при смешении.

Участки внутренней обечайки, прилегающие к передним кромкам щелей, могут быть выполнены с уменьшенной наружной кривизной. При этом усиливается эффект Коанда, что способствует дополнительному снижению давления в центральной части потока нагретого рабочего тела.

Участки внутренней обечайки, прилегающие к задним кромкам щелей, выполнены с увеличенной наружной кривизной. При этом оптимизируется вход охладителя в источник нагретого рабочего тела.

Участки внутренней обечайки, прилегающие к передним и задним кромкам щелей, могут быть выполены соответственно с уменьшенной и увеличенной кривизной. При этом обеспечивается сочетание указанных выше преимуществ.

В другом варианте газотурбинный двигатель содержит турбину, источник закрученного потока окислителя и источник нагретого рабочего тела, имеющий зоны нагревания и расширения рабочего тела и зону охлаждения нагретого рабочего тела отработавшим рабочим телом и выполненный в виде наружной и внутренней стенок, расположенных параллельно оси двигателя и образующих между собой колцьевое пространство. Лопатки по меньшей мере одного рабочего колеса турбины разделены в радиальном направлении кольцевой перегородкой на два участка с противоположными углами атаки, образующих наружную и внутреннюю полости проточной части турбины. Диаметр кольцевого пространства в зоне расширения нагретого рабочего тела уменьшается в сторону турбины, при этом внутренняя кольцевая стенка выполнена по меньшей мере с одним отверстием, сообщающимся с внутренней полостью проточной части турбины.

Известны турбины с рабочим колесом, в котором лопатки разделены на два радиальных участка кольцевой перегородкой, при этом участки могут иметь различный профиль. В этих турбинах образованы две проточные полости с одинаковым направлением потоков рабочего тела в этих проточных полостях.

Применение такого рабочего колеса, в котором в отличие от известных радиальные участки лопаток, разделенные кольцевой перегородкой, имеют противоположные углы атаки, обеспечивает встречное движение потоков рабочего тела через проточноые полости рабочего колеса турбины с одновременным обеспечением удобства отбора выхлопных газов для охлаждения нагретого рабочего тела и уменьшением осевой нагрузки на рабочем колесе турбины.

Газотурбинный двигатель может иметь участок с поперечным сечением, уменьшающимся в сторону турбины между зоной подачи охладителя и турбиной. При этом увеличивается абсолютная скорость потока нагретого рабочего тела до величины, необходимой для эффективной работы турбины.

На фиг. 1 схематично изображен газотурбинный двигатель, общий вид; на фиг. 2 - газотурбинный двигатель, иллюстрирующий вариант осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую, общий вид; на фиг.3 - газотурбинный двигатель, иллюстрирующий другой вариант осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую, общий вид; на фиг.4 - газотурбинный двигатель, иллюстрирующий еще один вариант осуществления способа преобразования тепловой энергии в механическую, общий вид; на фиг.5 - газотурбинный двигатель, продольный разрез; на фиг.6 - разрез А-А на фиг.5; на фиг.7 - разрез Б-Б на фиг.6; на фиг.8 - газотурбинный двигатель с другим выполнением турбины, продольный разрез; на фиг.9 - разрез В-В на фиг.8; на фиг. 10 - разрез Г-Г на фиг.9; на фиг.11 - разрез Д-Д на фиг.9; на фиг.12 - разрез Е-Е на фиг.8; на фиг.13 - другой вариант газотурбинного двигателя, продольный разрез.

Как показано на фиг.1, окислитель, например воздух, поступает от источника 1 окислителя, который подает закрученный поток окислителя (показано стрелкой А) в источник 2 нагретого рабочего тела. В качестве источника окислителя целесообразно использовать осевой или центробежный компрессор. Источник 2 нагретого рабочего тела, от которого нагретое рабочее тело поступает по стрелке В в турбину 3, имеет зону С сжатия и нагрева, зону D расширения и зону Е охлаждения нагретого рабочего тела. В зону С сжатия и нагрева поступает топливо (показано стрелкой F) для образования нагретого рабочего тела в результате смешения топлива с окислителем и их горения. В зоне D происходит расширение нагретого рабочего тела, в результате чего повышается его кинетическая энергия. Между зонами D и Е в источник 2 нагретого рабочего тела подают охладитель (показано стрелкой G). При этом в зоне D расширения нагретого рабочего тела окружную скорость потока нагретого рабочего тела увеличивают, в результате чего возрастают центробежные силы, и давление в центральной части потока нагретого рабочего тела снижается. Благодаря этому охладитель, подаваемый как показано стрелкой G, может поступать, например, под атмосферным давлением. В качестве охладителя может использоваться атмосферный воздух, водяной пар и т.п. Однако целесообразно использовать в качестве охладителя выхлопные газы от турбины 3. При этом, поскольку теплоемкость выхлопных газов турбины примерно в 1,5 раза выше, чем у воздуха, охлаждение нагретого рабочего тела происходит более эффективно. При этом уменьшается количество выхлопных газов, попадающих в атмосферу. Вариант конструкции газотурбинного двигателя с ипользованием выхлопных газов турбины для охлаждения нагретого рабочего тела представлен на фиг.2.

Как показано на фиг.2 часть отработавшего в турбине 3 рабочего тела или выхлопных газов отбирают с выхлопной стороны турбины и направляют по стрелке G в источник 2 нагретого рабочего тела. Остальное отработавшее в турбине рабочее тело направляют по стрелке Н в атмосферу. Перед поступлением в источник 2 нагретого рабочего тела отработавшее рабочее тело охлаждают в теплообменнике 4, через который целесообразно пропускать окислитель от источника 1 окислителя перед его подачей в источник нагретого рабочего тела. При этом охлаждение выхлопных газов обеспечивает повышение эффективности охлаждения нагретого рабочего тела. Кроме того, нагревание окислителя в теплообменнике 4 перед его подачей для окисления топлива позволяет снизить расход топлива и повысить КПД. В остальном этот вариант осуществления предлагаемого способа не отличается от описанного выше.

Другой вариант осуществления предлагаемого способа (фиг.3) предусматривает использование двухпоточной турбины 3. Турбина 3 имеет две проточные полости: наружную 5 и внутреннюю 6. Нагретое рабочее тело поступает сначала в наружную проточную полость 5, а затем во внутреннюю проточную полость 6, из которой часть отработавшего рабочего тела поступает по стрелке G в источник 2 нагретого рабочего тела, а часть удаляется в атмосферу. В остальном этот вариант осуществления предлагаемого способа не отличается от описанных выше.

В варианте осуществления предлагаемого способа, представленном на фиг. 4, часть отработавшего рабочего тела из внутренней проточной полости 6 турбины 3 направляют по стрелке G в источник 2 нагретого рабочего тела. Остальное отработавшее рабочее тело поступает по стрелке J в теплообменник 4 для нагревания окислителя и затем выпускается в атмосферу по стрелке I. В остальном этот вариант предлагаемого способа не отличается от описаных выше.

Следует отметить, что во всех описанных выше вариантах осуществления предлагаемого способа под отработавшим рабочим телом или выхлопными газами подразумевается рабочее тело, энергия которого полностью использована в турбине. Это означает, что для охлаждения нагретого рабочего тела используют рабочее тело с выхода последней ступени турбины.

На фиг. 5 предлагаемый газотурбинный двигатель для осуществления описанного выше способа имеет источник 1 окислителя, например осевой или центробежный компрессор, обеспечивающий подачу потока А окислителя, закрученного относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Двигатель имеет источник 2 нагретого рабочего тела, образованный внутренней обечайкой 7 и наружной обечайкой 8, между которыми образовано кольцевое пространство. Источник 2 нагретого рабочего тела имеет зону С сжатия и нагрева рабочего тела, в которой происходит нагревание рабочего тела теплотой сгорания топлива, подаваемого через горелочное устройство (не показано), сжигаемого с закрученным потоком окислителя. В результате в зоне С образуется поток нагретого рабочего тела, закрученный относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Этот поток поступает в зону D расширения нагретого и закрученного рабочего тела, в которой происходит повышение окружной скорости потока нагретого и закрученного рабочего тела. Расширение нагретого рабочего тела производится и в известных газотурбинных двигателях. Однако в них повышают осевую составляющую скорости потока нагретого рабочего тела. В данном случае диаметр кольцевого пространства, образованного между обечайками 7 и 8, в зоне D расширения уменьшается в сторону зоны охлаждения с образованием конического, гиперболического и т. п. участка 9 обечайки 8. Такое уменьшение диаметра кольцевого пространства может быть обеспечено также выполнением соответствующего конического или подобного участка обечайки 7 либо и тем, и другим образом. Любое уменьшение диаметра одной из обечаек 7, 8 ведет к уменьшению диаметра кольцевого пространства, образованного между ними. В зоне между зонами расширения D и охлаждения Е имеется отверстие 10 для подачи охладителя в источник 2 нагретого рабочего тела для охлаждения последнего в зоне Е. Это отверстие может быть расположено в конце зоны расширения, в начале зоны охлаждения или в любой промежуточной точке.

На фиг.5 выхлопная сторона турбины 3 соединена каналом 11 с теплообменником 4, расположенным между источником 1 окислителя и источником 2 нагретого рабочего тела, для подачи части выхлопных газов от турбины 3 в зону охлаждения источника нагретого рабочего тела через отверстие 10. Кроме того, на выхлопной стороне турбины 3 имеется выхлопная труба 12 для выпуска части выхлопных газов в атмосферу.

Теплообменник 4 может быть выполнен любым известным способом, однако целесообразно выполнить его так, как показано на фиг.5-7. Теплообменник 4 имеет вход 13 и выход 14 по горячей стороне и вход 15 и выход 16 по холодной стороне. Вход 13 и выход 14 по горячей стороне соединены соответственно с выхлопной стороной турбины 3 каналом 11 и с зоной источника 2 нагретого рабочего тела, расположенной между зонами расширения D и охлаждения Е нагретого рабочих тела. Вход 15 и выход 16 по холодной стороне сообщаются соответственно с источником 1 окислителя и с источником 2 нагретого рабочего тела.

Конструктивно теплообменник 4 образован дополнительными наружной 17 и внутренней 18 обечайками (фиг.6, расположенными параллельно оси двигателя и образующими кольцевой канал (не обозначен), разделенный на расположенные по его окружности чередующиеся камеры 19, 20, образованные радиально установленными по окружности кольцевого канала дополнительными пластинами 21, расположенными под углом к диаметральной плоскости 0-0 сечения кольцевого канала (фиг.7). Камеры 19 одной группы имеют торцевые стенки 22 и отверстия в дополнительных кольцевых обечайках 17, 18, образующие входы и выходы 13 и 14 по горячей стороне теплообменника 4, а камеры 20 другой группы выполнены сквозными. Угол наклона дополнительных пластин 21 выбирают из условий оптимального входа закрученного потока окислителя в теплообменник 4.

На фиг.5 в зоне Е расширения имеется сужение 23, на котором осуществляется дополнительное расширение охлажденного рабочего тела для его дополнительного разгона. Сужение 23 имеет уменьшающуюся в сторону турбины площадь поперечного сечения.

Отличие варианта газотурбинного двигателя на фиг.8 от описанного выше заключается в том, что турбина 3 имеет рабочее колесо 24 (фиг.8 и 9), образующее две проточные полости: наружную 5 и внутреннюю 6. Как показано на фиг. 9, лопасти 25 рабочего колеса 24 турбины разделены в радиальном направлении кольцевой перегородкой 26 на два участка 27, 28, имеющих противоположные углы атаки, как показано на фиг.10 и 11, где стрелки К обозначают направление вращения рабочегно колеса 24. При этом очевидно, что в случае, когда поток нагретого рабочего тела движется, как показано стрелками В на фиг. 10 и 11, т.е. в противоположных направлениях, рабочее колесо вращается по стрелке К.

Как показано на фиг.8 и 12, внутренняя обечайка 29 источника 2 нагретого рабочего тела имеет между зонами расширения D и охлаждения Е нагретого рабочего тела ряд расположенных по окружности продольных щелей 30, сообщающихся с выхлопной стороной турбины 3. Эти щели могут быть образованы вырезанием или любым другим образом.

Участки 31 внутренней обечайки 29, прилегающие к передним кромкам 32 щелей 30, выполнены с уменшенной наружной кривизной. Это может быть выполнено либо отгибом обечайки в этом месте, либо механической обработкой и т. п. Участки 33 внутренней обечайки 29, прилегающие к задним кромкам 34 щелей 30, могут быть выполнены с увеличенной наружной кривизной (показано пунктиром на фиг.12). Участки 31 и 33 внутренней обечайки 29, прилегающие к передним 32 и задним 34 кромкам щелей 30, выполнены соответственно с уменьшенной и увеличенной кривизной. Продольные щели 30 сообщаются с выхлопной стороной турбины 3 по внутренней проточной полости 6, образованной участками 28 лопаток 25 рабочего колеса 24 (фиг.9). Турбина 3 имеет выхлопную трубу 12.

Вариант конструкции газотурбинного двигателя, представленный на фиг.13, отличается тем, что весь поток отработавшего в турбине 3 рабочего тела отводится из внутренней проточной полости 6 в газотурбинный двигатель. Внутренняя проточная полость 6 сообщается со щелями 30 источника 2 нагретого рабочего тела и с теплообменником 4. Разница заключается в том, что выход теплообменника 4 по горячей стороне сообщается с атмосферой (показано стрелкой Н).

Газотурбинный двигатель, показанный на фиг.5, работает следующим образом.

Нагретое рабочее тело, образованное в зоне С сжатия и нагрева источника 2 нагретого рабочего тела при сгорании топлива с закрученным потоком окислителя, поступающим от источника 1 окислителя, поступает в зону D расширения, где происходит увеличение центробежных сил благодаря наличию участка 9. При этом возрастает окружная скорость потока нагретого рабочего тела. В результате статическое давление в центральной части потока, прилегающей к внутренней обечайке 7, снижается до уровня, достаточного для впуска охладителя в эту зону источника 2 нагретого рабочего тела. Охладитель в виде выхлопных газов поступает в источник нагретого рабочего тела через отверстие 10 непосредственно за зоной D. Далее в зоне Е происходит смешение потока нагретого, закрученного и расширенного рабочего тела с охладителем, в результате чего параметры нагретого рабочего тела доводятся до необходимых для его подачи в турбину 3. Во время смешения перед зоной Е происходит увеличение осевой скорости потока рабочего тела на участке 23. Это необходимо для поддержания необходимой пропускной способности проточного тракта источника 2 нагретого рабочего тела перед турбиной 3. В турбине происходит отдача энергии нагретого рабочего тела, в результате чего тепловая энергия, затраченная на образование нагретого рабочего тела и изменение его термодинамического состояния, превращается в механическую энергию. На выхлопной стороне турбины 3 часть отработавшего в турбине рабочего тела отводится в атмосферу (стрелка H) через выхлопную трубу 12. Другая часть выхлопных газов поступает по каналу 11 на вход 13 по горячей стороне теплообменника 4 (фиг. 5 и 6), проходит через камеры 19, выходит через выходы 14 по горячей стороне и направляется к отверстию 10 для подачи в зону Е охлаждения. Закрученный поток окислителя от источника 1 окислителя поступает на входы 15 по холодной стороне и проходит через камеры 20 для подачи в зону С источника 2 нагретого рабочего тела. В результате происходит нагревание окислителя теплом выхлопных газов для улучшения КПД источника нагретого рабочего тела и охлаждение выхлопных газов для интенсификации охлаждения нагретого рабочего тела. Таким образом, происходит охлаждение нагретого рабочего тела охладителем низкого давления.

Вариант, представленный на фиг.8, работает аналогично с той лишь разницей, что поток отработавшего рабочего тела для охлаждения нагретого рабочего тела отбирается от внутренней проточной полости турбины 3, а часть этого потока выбрасывается в атмосферу. При этом применение двухпоточной турбины обеспечивает снижение осевой нагрузки на рабочее колесо турбины, так как происходит уравновешивание осевых составляющих противоположно направленных потоков. Кроме того, впуск охладителя в зону смешения источника 2 нагретого рабочего тела осуществляется через продольные щели 30, чем обеспечивается оптимальный режим смещения потоков. Следует отметить, что изменение наружной кривизны участков обечайки 29 (фиг.12), способствует снижению потерь и повышению эффективности смешения.

Вариант, представленный на фиг.13, отличается от описанного выше тем, что часть отработавшего рабочего тела не выбрасывается сразу в атмосферу, а направляется в теплообменник 4 для нагревания окислителя.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе путем подачи топлива и окислителя в источник нагретого рабочего тела, изменения термодинамического состояния вводимого в турбину рабочего тела в источнике нагретого рабочего тела путем его нагревания, расширения и охлаждения охладителем, отличающийся тем, что окислитель в источнике нагретого тела закручивают относительно оси двигателя, а расширение рабочего тела осуществляют перед охлаждением с одновременным увеличением его окружной скорости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве охладителя используют отработавшее в турбине рабочее тело.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что охладитель перед подачей на охлаждение нагретого рабочего тела разгоняют.

4. Способ по пп.1,1-3, отличающийся тем, что охладитель перед подачей на охлаждение нагретого рабочего тела охлаждают.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что увеличивают осевую скорость потока нагретого рабочего тела после подачи охладителя.

6. Газотурбинный двигатель, содержащий турбину, имеющую по меньшей мере одно рабочее колесо с лопатками, источник окислителя и источник нагретого рабочего тела, имеющий зону нагрева и расширения рабочего тела и зону охлаждения рабочего тела охладителем, выполненный в виде наружной и внутренней обечаек, отличающийся тем, что обечайки источника нагретого тела расположены параллельно оси двигателя с образованием между ними кольцевого пространства, выходной участок наружной обечайки выполнен с сужением, диаметр которого в зоне расширения нагретого рабочего тела уменьшается в сторону зоны охлаждения, при этом внутренняя кольцевая обечайка выполнена по крайней мере с одним отверстием для подачи охладителя рабочего тела.

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что кольцевое пространство в зоне расширения нагретого рабочего тела выполнено с постоянной или увеличивающейся в сторону турбины площадью поперечного сечения.

8. Двигатель по пп.6-7, отличающийся тем, что отверстие внутренней обечайки сообщено с выхлопной стороной турбины.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником, размещенным между источником окислителя и источником нагретого рабочего тела, вход и выход по горячей стороне которого сообщены соответственно с выхлопной стороной турбины и с зоной источника рабочего тела, расположенной между зонами расширения и охлаждения нагретого рабочего тела, а вход и выход по холодной стороне - соответственно с источником окислителя и с источником нагретого рабочего тела.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что теплообменник образован дополнительными наружной и внутренней обечайками, расположенными параллельно оси двигателя и образующими кольцевой канал, разделенный на расположенные по его окружности чередующиеся камеры, образованные радиально установленными по окружности кольцевого канала дополнительными пластинами, расположенными под углом к диаметральной плоскости сечения кольцевого канала, при этом камеры одной группы имеют торцевые стенки и отверстия в кольцевых обечайках, а камеры другой группы выполнены сквозными.

11. Двигатель по пп.6-10, отличающийся тем, что внутренняя обечайка источника нагретого тела между зонами расширения и охлаждения выполнена цилиндрической формы с рядом расположенных по окружности продольных щелей.

12. Двигатель по п. 11, отличающийся тем, что участки внутренней обечайки, прилегающие к передним кромкам щелей, расположены на большем радиусе по сравнению с радиусом обечайки.

13. Двигатель по п. 11, отличающийся тем, что участки внутренней обечайки, прилегающие к задним кромкам щелей, расположены на меньшем радиусе по сравнению с радиусом обечайки.

14. Двигатель по п. 11, отличающийся тем, что участки внутренней обечайки, прилегающие к передним и задним кромкам щелей, расположены соответственно на большем и меньшем радиусах по сравнению с радиусом обечайки.

15. Двигатель по пп.9-14, отличающийся тем, что он имеет участок с площадью поперечного сечения, уменьшающейся в сторону турбины, и расположенный между зоной подачи охладителя и турбиной.

16. Двигатель по п. 15, отличающийся тем, что лопатки по меньшей мере одного рабочего колеса турбины снабжены кольцевой перегородкой, делящей их в радиальном направлении на два участка с противоположными углами атаки, образующими внутреннюю и наружную полости проточной части турбины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 15-2002

Извещение опубликовано: 27.05.2002        

---