Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ТУРБОВИХРЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ
ТУРБОВИХРЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

ТУРБОВИХРЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Турбовихревой двигатель относится к двигателям, работающим по схеме газотурбинной установки с регенерацией и изобарным подводом теплоты. Турбовихревой двигатель содержит установленные в корпусе на валу совмещенные колеса компрессора и турбины, имеющие разделительную стенку, через которую происходит регенерация теплоты, и камеру сгорания непрерывного действия. Двигатель снабжен двумя крыльчатками, установленными на валу между совмещенными рабочими колесами с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений колес. Одна из крыльчаток - для дополнительного сжатия подогретого газа - выполнена большего радиуса. Другая крыльчатка - для динамической разгрузки рабочих колес в радиальном направлении - выполнена меньшего радиуса. Обе крыльчатки разделяют камеру сгорания и вал двигателя. Корпус выполнен из двух половин с вертикальной полостью разъема и в нем дополнительно установлены конфузоры с винтовыми коническими проточными каналами переменного сечения. Такое осуществление изобретения приводит к повышению мощности и КПД двигателя. 5 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2131529
Класс(ы) патента: F02C3/045
Номер заявки: 97114703/06
Дата подачи заявки: 27.08.1997
Дата публикации: 10.06.1999
Заявитель(и): Горюнов Сергей Владимирович
Автор(ы): Горюнов С.В.
Патентообладатель(и): Горюнов Сергей Владимирович
Описание изобретения: Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.
В качестве аналогов изобретения могут быть рассмотрены следующие устройства.
Вихревая машина. В.Д.Лубенец, В.Н.Хмара, И.Я.Сухомлинов, М.А.Радугин, Н. А. Смирнов, Л. Н. Белотелова. А. с. 306282, СССР. Заявлено 13.01.1970 (N 1398122/24-6), опубл. 11.06.1971 (бюллетень N 19), УДК 621.515 (088.8). МПК F 04 D 23/00.
Одноступенчатый нагнетатель 6400-11-1 конструкции НЗЛ с двусторонним всасыванием. Ф. М.Чистяков, В.В.Игнатенко, Н.Т.Романенко, Е.С.Фролов, книга "Центробежные компрессорные машины", издательство "Машиностроение", Москва, 1969 г.
Центробежный компрессор турбореактивного двигателя ВК-1 с двусторонним входом. К. П. Селезнев, Ю.С.Подобуев, С.А.Анисимов, книга "Теория и расчет турбокомпрессоров", издательство "Машиностроение", Ленинград, 1968 г.
Газотурбинная установка (ГТУ) с регенерацией и изобарным подводом теплоты. В. И. Крутов, книга "Техническая термодинамика", издательство "Высшая школа", Москва, 1991 г. (стр. 289-293).
Способ работы воздушного турбокомпрессора с пaротурбинным приводом. Г.С. Расторгуев. А.с. 85063A, СССР, МПК 6 F 04 D 25/02, 1959.
Jet augmenter for combustion turbine propulsion plants. F.A.M.Heppner. US 2430399, кл. 60-264, 1947.
В качестве аналога (прототипа), наиболее близкого к заявляемому изобретению, можно выделить Jet augmenter for combustion turbine propulsion plants (US 2430399).
Характерными, существенными признаками аналога (прототипа) и заявляемого изобретения являются наличие турбокомпрессора, обеспечивающего рабочее давление в камере сгорания; камеры сгорания непрерывного действия, где происходит повышение температуры смеси при постоянном давлении; рабочей турбины, где осуществляется преобразование потенциальной энергии газовой смеси в кинетическую энергию вращательного движения ротора с расширением и понижением температуры газа в межлопаточных каналах. Схема прототипа работает по циклу ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты. Газ, прошедший через рабочие органы турбины и отведенный в окружающую среду, имеет более высокую температуру, чем воздух поступающий в камеру сгорания после сжатия в компрессоре. Это позволяет использовать теплоту уходящих газов для предварительного подогрева воздуха перед подачей его в камеру сгорания.
Заявляемое изобретение направлено на решение задач уменьшения гидравлических потерь при течении газа в каналах компрессионного и двигательного колеса, в каналах конфузора, обеспечивающего вход газа на лопатки турбины; увеличения рабочего давления и крутящего момента на валу двигателя за счет вихревого воздействия потока газа на лопатки турбины; увеличения мощности и КПД двигателя.
Предлагаемый двигатель работает по схеме ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты.
К существенным признакам этого устройства можно отнести:
1. Наличие вращающихся и неподвижных винтовых каналов в рабочем колесе компрессора, в турбине и в конфузоре, создающих течение газа в форме винтового вихря как течения с наименьшим сопротивлением, что подтверждается природными аналогами:
слив воды через цилиндрическую горловину с образованием винтового вихря в виде воронки;
смерч-винтовой вихрь между зонами с разным давлением;
дальность полета пули из нарезного оружия больше, чем из гладкоствольного.
2. Увеличение крутящего момента и мощности на валу двигателя за счет вихревого воздействия потока на лопатки турбины.
3. Совмещение рабочего колеса компрессора и турбины в радиальной плоскости с целью обеспечения регенерации через стенку, разделяющую каналы компрессора и турбины, вместо использования отдельного теплообменника.
4. Передача вращательного момента от турбинной части рабочего колеса на вал через компрессорную часть, жестко связывающую турбину и вал двигателя.
5. Наличие двух крыльчаток между симметрично расположенными колесами, одна из которых (большего радиуса) обеспечивает дополнительное сжатие подогретого газа, другая (меньшего радиуса) осуществляет динамическую разгрузку рабочих колес в радиальном направлении, а вместе эти крыльчатки уменьшают тепловое воздействие продуктов камеры сгорания на вал двигателя.
К особенностям конструктивного исполнения относятся следующие элементы устройства:
колесо, к отличительным признакам которого относится то, что оно как единое целое совмещает в радиальной плоскости рабочее колесо компрессора и турбину; имеет винтовые конические проточные каналы переменного сечения как в компрессорной части, так и в турбинной части;
конфузор, к отличительным признакам которого относится то, что он имеет винтовые конические каналы, разгоняющие газ по винтовой траектории и обеспечивающие вихревое воздействие потока газа на лопатки турбины;
система двух крыльчаток компрессионной (большего радиуса) и разгрузочной (меньшего радиуса), к отличительным признакам которой относится то, что они расположены между рабочими колесами, от которых на них передается крутящий момент; имеет возможность перемещаться вдоль оси вращения для компенсации температурных деформаций колес; разделяeт камеру сгорания и вал двигателя, предохраняя последний от теплового воздействия.
Фиг. 1 - термодинамические циклы ГТУ и турбовихревого двигателя на (V-P) диаграмме.
Фиг. 2 - термодинамические циклы ГТУ и турбовихревого двигателя на (S-T) диаграмме.
Фиг. 3 - схема ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты.
Фиг. 4 - эскиз конструкции турбовихревого двигателя.
Фиг. 5 - эскиз конструктивного использования системы двух крыльчаток.
Возможность осуществления изобретения рассматривается на конструкции двигателя, работающего на любом жидком топливе, подаваемого через форсунку в камеру сгорания непрерывного действия.
Качественный термодинамический анализ работоспособности турбовихревого двигателя с термическим КПД, адекватным термодинамическому КПД ГТУ, представлен на (V-P) (фиг. 1) и (S-T) (фиг. 2) диаграммах, где в сравнении показаны термодинамические циклы ГТУ с регенерацией и изобарным подводом теплоты и турбовихревого двигателя.
Цикл газотурбинной установки (ГТУ) с регенерацией и изобарным подводом теплоты, схема которой представлена на фиг. 3, состоит из следующих термодинамических процессов: в компрессоре воздух сжимается адиабатно (процесс 1-2), после чего поступает в теплообменник, где подогревается уходящими газами при постоянном давлении (изобара 2-8). Подогретый воздух подается в камеру сгорания, где подогрев рабочего тела продолжается при постоянном давлении за счет теплоты q1, поступающей от горячего источника теплоты, т.е. за счет теплоты, выделяющейся при сгорании топлива (изобара 8-4). Затем газ расширяется адиабатно в газовой турбине (процесс 4-5), поступает в теплообменник и отдает теплоту воздуху при постоянном давлении в изобарном процессе 5-7. Дальнейшее изобарное охлаждение 7-1 происходит вне установки за счет передачи теплоты окружающей среде.
При полной регенерации теплоты T3 = T7 и T5 = T8, поэтому T5 - T7 = T8 - T2. Удельная теплота, подведенная при наличии регенерации к рабочему телу в камере сгорания, равна q1 = cp(T4-T8), отданная холодному источнику теплоты q2 = cp(T7 - T1), поэтому термический КПД цикла с полной регенерацией
ηt = 1 - (T7 - T1)/(T4 - T8) = 1 - T2 - T1)/(T4 - T5)
Так как T2 = T1εk-1; T4 = T1ρvεk-1; T5 = T1ρv, то ηt = 1 - 1/ ρv = 1 - T1/T5 (что справедливо для рассматриваемого цикла), где ε = V1/V2 - степень сжатия, ρv = V4/V2 - степень предварительного расширения.
Но в действительности регенерация не может быть полной, а следовательно, реальное значение термического КПД будет несколько ниже.
Цикл турбовихревого двигателя предполагает регенерацию не в теплообменнике, а через стенку, разделяющую каналы компрессора и турбины. В этом случае сжатие воздуха (процесс 1-8) протекает с подводом тепла, т.е. с показателем политропы n > k. Это приводит к уменьшению степени сжатия ε = V1/V'8, но зато увеличивается степень повышения давления λ = P'8/P1. Подвод тепла при сгорания топлива (процесс 8'-4') будет осуществляться на более высоком энергетическом уровне. Из камеры сгорания газовая смесь, разгоняясь в конфузоре с коническими винтовыми каналами, в виде винтового вихря попадает на лопатки турбины, где имеет место расширение потока, сопровождающееся вихревым воздействием на лопатки турбины и регенерацией тепла (процесс 4'-7). При этом турбина совершает положительную работу (площадь 4''4'77', фиг. 1), расходуемую компрессором на сжатие свежего воздуха (площадь 7'18'4'', фиг. 1) и на преодоление полезной нагрузки lц (площадь 18'4'7, фиг. 1 - работа цикла). Дальнейшее изобарное охлаждение 7-1 происходит вне установки, аналогично ГТУ.
Удельная теплота, подведенная при наличии регенерации к рабочему телу в камере сгорания, равна q'1 = cp(T'4 - T'8) = cp(T4 - T8 ) = q1, отданная холодному источнику теплоты q2 = cp(T7 - T1), поэтому термический КПД цикла турбовихревого двигателя будет соответствовать термическому КПД цикла ГТУ с полной регенерацией
ηt = 1 - (T7 - T1)/(T'4 - T'8) = 1 - (T7 - T1)/(T4 - T8).
Заставляя турбину работать с более высокого уровня давления (P'4) и учитывая значительно большую площадь лопаток турбины по сравнению с ГТУ, можно ожидать соответствующее увеличение величины крутящего момента, передаваемого на вал двигателя, а следовательно, мощности и КПД двигателя.
Конструкция двигателя разработана в эскизном варианте на базе типового компрессора кинетического сжатия (заявка N 97108710(009391)) и представлена на фиг. 4. В предложенном двигателе ротор выполнен в виде вала 12 с установленными на него рабочими колесами, состоящими из компрессорной 13 и турбинной 14 частей, с винтовыми коническими каналами. Между колесами установлены две крыльчатки: компрессионная 15 и разгрузочная 16. Двигатель содержит корпус, выполненный из двух половин 17, 18, в которой установлены конфузоры 19, 20, имеющие винтовые конические каналы. Всасывающие и выхлопные патрубки расположены в каждой половине корпуса. Вертикальные плоскости разъема корпуса обеспечивают хорошую центровку вала и удобство сборки двигателя, а также упрощаются технологии лития и механической обработки соосных поверхностей.
Симметричное расположение колес на валу двигателя обеспечивает динамическое уравновешивание вала в осевом направлении. Вал воспринимает только крутящий момент.
Разгрузочная крыльчатка 16, создавая разрежение в зоне между компрессорными частями колес, уменьшает действие центробежных сил и, следовательно, уменьшает величину давления на поверхность стыка с турбинной частью каждого колеса.
За счет вихревого воздействия винтового потока, сходящего с винтовых лопаток конфузора на винтовые лопатки турбины, происходит преобразование потенциальной энергии сжатой и нагретой газовой смеси, а также ее кинетической энергии, в кинетическую энергию ротора, которая частично передается потребителю, частично возвращается на компрессорную ступень.
На фиг. 4 условно показано направление лопаток конфузора, компрессорной и турбинной частей колеса, а также соответствующее направление вращения вала. Там же показано направление потока газовых смесей по рабочим каналам двигателя.
На фиг. 5 показан вариант конструктивного исполнения системы двух крыльчаток: компрессионной 15 и разгрузочной 16. Крутящий момент от рабочих колес передается на крыльчатки через штифты 21. При сборке ротора обеспечивается зазор (Δ) между крыльчатками и рабочими колесами в осевом направлении, который компенсирует температурные деформации колес вдоль оси вращения. Вследствие адекватности радиальных размеров кральчаток и соответствующих участков рабочих колес, работающих в одинаковых температурных условиях, для компенсации температурных деформаций в радиальном направлении достаточно предела допуска ходовых посадок штифтов и смежных поверхностей крыльчаток и рабочих колес. Разрез (А-А) поясняет принцип действия системы двух крыльчаток. Для объяснения процессов при прохождении рабочего тела через каждую крыльчатку выделяются три области, отличающиеся параметрами состояния газа (P1, T1, P2, T2, P3, T3).
Разгрузочная крыльчатка 16 обеспечивает пониженное давление в зоне вала Р1 < P2 за счет процесса откачки некоторой массы газа из этой зоны. Как видно из треугольников скоростей, в начальный момент газ попадает на лопатки крыльчатки с абсолютной скоростью C1(U1 - переносная скорость газа, W1 - относительная скорость газа) и покидает лопатки с абсолютной скоростью C2. В момент, когда C1 станет равной нулю, а давление понизится до P1, в межлопаточных каналах возникнет циркуляционное течение (вихри), которое устанавливает баланс расходов газа, поступающего и покидающего зону вала. Изменение числа оборотов вала сместит в ту или иную стороны это состояние равновесия, изменив соответственно и величину давления P1. Из баланса сил (фиг. 5) на стенке компрессорной части работы колеса видно, каким образом происходит уменьшение центробежной силы (Fцб) за счет разности давления на стенке (P2 - P1).
Компрессионная крыльчатка 15 работает как центробежный нагнетатель, обеспечивающий дожатие газа с давления P2 до давления P3, и дополнительных пояснений не требует.
Двигатель должен быть оснащен топливным насосом, электродвигателем-генератором для раскручивания вала в момент запуска, редуктором с фрикционной муфтой для передачи механической энергии потребителю. Перечисленные элементы так или иначе привязаны к валу двигателя. Кроме того необходима система поджига топливной смеси.
Формула изобретения: Турбовихревой двигатель, работающий по схеме газотурбинной установки с регенерацией и изобарным подводом теплоты, содержащий установленные в корпусе на валу совмещенные рабочие колеса компрессора и турбины, имеющие разделительную стенку, через которую происходит регенерация теплоты, и камеру сгорания непрерывного действия, отличающийся тем, что двигатель снабжен двумя крыльчатками, установленными на валу между совмещенными рабочими колесами с возможностью осевого перемещения для компенсации температурных расширений колес, при этом одна из крыльчаток - для дополнительного сжатия подогретого газа, выполнена большего радиуса, а другая - для динамической разгрузки рабочих колес в радиальном направлении, выполнена меньшего радиуса, обе крыльчатки разделяют камеру сгорания и вал двигателя, корпус выполнен из двух половин с вертикальной плоскостно разъема и в нем дополнительно установлены конфузоры с винтовыми коническими проточными каналами переменного сечения.