Recherche dans les collections de brevets nationales et internationales
Une partie du contenu de cette demande n'est pas disponible pour le moment.
Si cette situation persiste, contactez-nous auObservations et contact
1. (WO1993018289) PROCEDE DE CONVERSION D'ENERGIE THERMIQUE EN ENERGIE MECANIQUE DANS UN MOTEUR A TURBINE A GAZ ET MOTEUR A TURBINE A GAZ
Note: Texte fondé sur des processus automatiques de reconnaissance optique de caractères. Seule la version PDF a une valeur juridique

ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Область техники

Изобретение относится к энергетике , -а именно к спосо-бу преобразования тепловой энергии в механическую в газо-турбинном двигателе и к газотурбинным двигателям, реализуга-щим этот способ .

Предшествующий уровень техники

Известен газотурбинный двигатель, содержащий по мень-шей мере ДЕе размещенные в проточной части турбинные ступе-ни и источник нагретого рабочего тела (С .И. овинский "Тео-рия авиационных двигателей" , 1982 , "Машиностроение" (Москва ) , с .4-7) .

Воздух забирается из атмосферы компрессором и посту-пает в источник нагретого рабочего тела в виде камеры сго-рания,Е которую подают топливо. Воздух в камере сгорания разделяется на два потока , один из которых используется для собственно сгорания топлива , а другой - для подмепшва-ния к продуктам сгорания с целью 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 являет-ся полезной мощностью двигателя. Полезная мощность газо-турбинного двигателя составляет сравнительно небольшую долю от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Эта доля мощности определяется коэффициентом полезной рабо-ты,который для существующих газотурбинных двигателей сое-тавляет всего 0,3-0,4. При этом описанный двигатель имеет низкий КПД, не превышающий 30$, и небольшую полезную мощ-ность, составляющую максимум 40$ от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Таким образом, основными недостатка-ми этого газотурбинного двигателя является низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбра-сывает 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 мень-шей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень и источник нагретого рабочего тела , при котором изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбин-

ную ступень рабочего тела с его расширением и охлаждением отработавшим рабочим телом турбинной ступени до ввода в турбинную ступень путем соединения потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступе-ни (PCT/su 9T/00I98). При этом обеспечивается повы-шение КПД благодаря тому,- что расширение и закручивание нагретого рабочего тела при повышенной температуре приво-дит к повышению его кинетической энергии, что и повышает эффективность использования энергии рабочего тела. При этом также снижается количество атмосферного воздуха, необходимого для нормальной работы двигателя, и соответст-венно уменьшается количество выхлопных газов. Рост теп-лоемкости рабочего тела благодаря применению отработав-шего рабочего тела для охлаждения рабочего тела перед пер-вой турбинной ступенью также приводит к повышению КПД.

Описанный способ осуществляется с помощью газотурбинного двигателя, имеющего по меньшей мере две размещенные в про-точной части турбинные ступени, источник нагретого рабоче-го тела и эжектор, имеющий два входа и выход. Первый вход эжектора сообщается с источником нагретого рабочего тела, второй вход эжектора сообщается с выходом первой турбин-ной ступени, а выход эжектора сообщается с входом первой турбинной ступени.

Вместе с тем, осуществление этого способа в газо-турбинном двигателе описанного типа требует наличия соп-лового аппарата в проточной части источника нагретого рабочего тела, то есть камеры сгорания. Наличие сопло-вого аппарата в этой высокотемпературной зоне в значи-тельной мере усложняет реализацию описанного способа преобразования энергии и делает газотурбинный двигатель дорогостоящим. Кроме того, наличие протяженного канала для подачи отработавшего рабочего тела для охлаждения нагретого тела приводит к повышенным тепловым и гидрав-лическим потерям, что в целом снижает КПД двигателя и усложняет его конструкцию..Другим не менее существенным не-достатком является падение кинетической энергии в резуль-тате смешения двух потоков: потока нагретого рабочего тела и потока отработавшего рабочего тела вследствие повышения давления из-за падения скорости полу чаемого потока в результате перераспределения скоростей двух соединяемых потоков. Таким образом, имеет место вред-ное преобразование кинетической энергии потока в потен-циальнуго. Следствием этого является недоиспользование возможностей описанного способа преобразования энергии с точки зрения повышения ЦЦ несмотря на некоторое уве-личение габаритов рабочего колеса первой турбинной сту-пени.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача использовать в способе преобразования тепловой энергии в механичес-кую в газотурбинном двигателе такое изменение термоди-намического состояния рабочего тела, чтобы увеличить кинетическую энергию рабочего тела при снижении коли-чества выхлопных газов, и изменить конструкцию газо-турбинного двигателя так, чтобы организация потоков ра-бочего тела обеспечила повышение КПД и надежность дви-гателя в работе при упрощении конструкции.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую в газо-турбинном двигателе , имеющем по меньшей мере одну раз-мещенную в проточной части турбинную ступень и источ-ник нагретого рабочего тела, изменяют термодинамическое состояние вводимого в турбинную ступень рабочего тела с его расширением и последующим охлаждением отработав-шим рабочим телом турбинной ступени до ввода в турбин-ную ступень путем соединения потока рабочего тела с по-током отработавшего рабочего тела турбинной ступени. При этом изменение термодинамического состояния рабоче-го тела включает в себя вторую стадию расширения, осу-ществляемую непосредственно после полного соединения по-тока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени и непосредственно перед подачей рабочего тела в турбинную ступень.

Благодаря тому, что изменение термодинамического состояния рабочего тела включает в себя вторую стадию расширения, осуществляемую непосредственно после полного соединения потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени перед подачей рабочего тела в турбинную ступень, не происходит уменьшения ки-нетической энергии потока рабочего тела, образованного нагретым или первичным рабочим телом и отработавшим в турбинной ступени рабочим телом перед входом потока рабо-чего тела в турбинную ступень. Таким образом, в данном случае не происходит превращения части кинетической энер-гии потока нагретого рабочего тела в потенциальную энер-гию, вызываемого в известном способе перераспределением скоростей соединяемых потоков. Кроме того, при таком способе изменения термодинамического состоян потока нагретого рабочего тела нет необходимости в закручива-нии этого потока относительно оси газотурбинного дви-гателя, что в значительной мере упрощает конструкцию двигателя. Кроме того, такое изменение термодинамичес-кого состояния позволяет уменьшить количество турбинных ступеней по меньшей мере на одну.

Отработавшее рабочее тело турбинной ступени раз-гоняют перед его соединением с потоком рабочего тела путем подвода внешней энергии к потоку отработавшего рабочего тела турбинной ступени.

Разгон отработавшего рабочего тела турбинной сту-пени перед его соединением с потоком рабочего тела пу-тем подвода внешней энергии к потоку отработавшего рабо-чего тела турбинной ступени обеспечивает дополнитель-ное повышение кинетической энергии потока рабочего те-ла, направляемого в первую ступень. Это происходит благодаря тому, что снижается разность между скоростями смешиваемых потоков, что снижает потери энергии на удар.

Отработавшее рабочее тело турбинной ступени раз-гоняют путем подвода к нему тепловой энергии от потока рабочего тела. При этом повышается общий КПД.

Поставленная задача также решается тем, что газо-турбинный двигатель, описанного выше типа, содержащий источники топлива и окислителя, источник нагретого рабочего тела с переменным сечением его проточной час- ти и по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень, имеет проточную часть источника нагре-того рабочего тела с начальным участком, сообщающимся с источником топлива и окислителя. Кроме того, проточная часть источника нагретого рабочего тела имеет криволи-нейный участок, сообщающийся с начальным участком и имеющий монотонную кривизну , а также концевую часть , примыкающую к турбинной ступени. Криволинейный участок проточной части источника нагретого рабочего тела имеет два сужения , одно из которых расположено в зоне , примы-кающей к начальному участку , а другое - перед турбинной ступенью, а также участок увеличения поперечного сечения между указанными сужениями, сообщающийся с выходом тур-бинной ступени. Таким образом, проточная часть источ-ника нагретого рабочего тела изменена путем придания ей определенной кривизны и создания участков с различ-ными поперечными сечениями, что определяет соответствую-щие изменения термодинамического состояния потока сре-ды, движущейся по этой проточной части, и определенный режим соединения потоков рабочего тела.

При такой конструкции наличие криволинейного участ-ка, имеющего монотонную кривизну , обеспечивает смешение двух потоков рабочего тела, благодаря разности их ско-ростей. Кроме того, наличие двух сужений и расположен-ного между ними участка увеличения поперечного сечения обеспечивает три стадии изменения термодинамического состояния потока. На первой стадии происходит требуе-мое расширение потока нагретого рабочего тела. На второй стадии происходит смешение потока нагретого рабочего те-ла с потоком отработавшего рабочего тела , поступающего от турбинной ступени. На третьей стадии происходит дальнейшее смешение соединенных потоков рабочего тела , окончательное охлаждение нагретого рабочего тела и од-новременное расширение объединенного потока перед вхо-дом в турбинную ступень, благодаря чему не происходит превращения части кинетической энергии полученного пото-ка в потенциальную, то есть не происходит снижения кинетической энергии потока перед его подачей в турбин- нуга ступень. Это способствует повышению КПД двигателя. Кроме того, в значительной мере упрощается конструкция двигателя при уменьшении длины канала подвода отработав-шего рабочего тела к зоне охлаждения нагретого рабочего тела. При такой конструкции нет необходимости устанав-ливать сопловой аппарат эжектора в высокотемпературном потоке нагретого рабочего тела, так как нет необходимос-ти в закручивании потока нагретого рабочего тела. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость газотурбинного двигателя.

Источник нагретого рабочего тела выполнен в виде кольцевой камеры сгорания с охватывающей ее рубашкой, имеющей входной коллектор, сообщающийся с выходом

турбинной ступени. Внутренняя полость рубашки сообщает-ся с проточной частью источника нагретого рабочего тела на участке увеличения поперечного сечения проточной части источника нагретого рабочего тела. При этом нагревание отработавшего рабочего тела нагретым рабо-чим телом начинается до начала их смешения. Тем самым интенсифицируется процесс изменения термодинамического состояния рабочего тела, что повышает общий КПД.

Внутренняя полость рубашки выполнена в виде двух сообщающихся с входным коллектором ветвей, одна из ко-торых, имеющая большее поперечное сечение, расположена с выпуклой стороны источника нагретого рабочего тела, а вторая размещена с вогнутой стороны источника нагре-того рабочего тела. При таком распределении потока от-работавшего рабочего тела обеспечивается с одной сто-роны достаточное охлаждение вогнутой части источника нагретого рабочего тела, а с другой стороны - обеепе-чиваетея подача основной части потока отработавшего ра-бочего тела в зону, характеризуемую пониженными потеря-ми кинетической энергии, связанными со смешением пото-ков.

Двигатель может быть снабжен теплообменным устройст-вом, имеющим входы по горячей и холодной сторонам, сооб-щающиеся с выходом первой турбинной ступени. Выход по холодной стороне , связан с последующей турбинной ступенью, а выход по горячей стороне - с коллектором рубашки. При этом с одной стороны появляется возможность уменьшения количества отработавшего рабочего тела, подаваемого для охлаждения нагретого рабочего тела. С другой стороны, производится промежуточный подогрев рабочего тела , пода-ваемого в последующие турбинные ступени. Первое обстоя-тельство увеличивает эффективность охлаждения нагретого рабочего тела и способствует повышению КПД двигателя.

Второе обстоятельство способствует повышению общего ЮЩ многоступенчатого газотурбинного двигателя.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется подробным опи-санием конкретных примеров его осуществления со ссылка-ми на прилагаемые чертежи , на которых:

фиг.1 представляет схему газотурбинного двигателя , иллюстрирующую осуществление способа преобразования теп-лов ой энергии в механическую в газотурбинном двигателе

Е соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 схематичное изображение газотурбинного двига-теля, в соответствии с настоящим изобретением в продоль-ном разрезе.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется в газотурбинном двигателе , структурная схема которого представлена на фиг.1. Газо-турбинный двигатель имеет турбинную ступень I (которая может быть единственной или первой ступенью двигателя) , источник окислителя , например, воздушный компрессор 2 и источник топлива 3 (например, баковую систему с насо-сами) . Источник 2 окислителя связан с турбинной сту-пенью I валом 4. Газотурбинный двигатель имеет источ-ник 5 нагретого -рабочего тела, например , камеру сгора-ния, который сообщается с источником 2 окислителя ли-нией А и линией В с источником 3 топлива. Очевидно , что источник 5 нагретого рабочего тела имеет горелочное устройство (не показано) , которое соединяется с источ-ником 3 топлива и имеет средство зажигания (не показа- но) . Все эти устройства необходимы для образования топ-ливной смеси и ее сжигания с целью создания в источнике 5 высокотемпературного потока нагретого рабочего тела .

Выход турбинной ступени I соединен линией С с кол-лектором 6 рубашки 7 , имеющей две ветви 8 ,9 , располо-женные по сторонам источника 5 нагретого рабочего тела. Источник 5 нагретого рабочего тела имеет участок 10 соединения потоков рабочего тела, соединенный линией D с входом турбинной ступени I.

Предлагаемый способ осуществляется следующим обра-зом. При образовании топливной смеси, а затем продуктов сгорания на начальном участке II источника 5 нагретого рабочего тела создается высокотемпературный поток рабо-чего тела , который расширяется и затем охлаждается от-работавшим рабочим телом турбинной ступени I , поступающим по линии С на участке 10 перед вводом в турбинную сту-пень I по линии D . При этом происходит соединение потока рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела турбинной ступени I. При таком соединении проис-ходит изменение термодинамического состояния рабочего тела. Это изменение включает в себя первую стадию, осуществляемую в зоне Е, примыкающей к начальному участ-ку II источника 5 нагретого рабочего тела; стадию смешения потока нагретого рабочего тела с потоком отра-ботавшего рабочего тела, поступающим по линии С ; и вторую стадию расширения рабочего тела, осуществляемую непосредственно после полного соединения потока нагрето-го рабочего тела с потоком отработавшего рабочего тела от турбинной ступени I и перед подачей рабочего тела в турбинную ступень. Таким образом, поток рабочего тела сначала получает ускорение , что способствует увеличению его кинетической энергии до его охлаждения. Затем проис-ходит соединение потоков , приводящее к частичному охлаж-дению потока нагретого рабочего тела и смешению соеди-няемых потоков. После этого происходит дальнейшее смешение соединенных потоков , окончательное охлаждение нагретого рабочего тела и одновременное расширение объединенного потока рабочего тела, что позволяет избе- жать превращения части кинетической энергии потока рабо-чего тела в потенциальную вследствие перераспределения скоростей соединяемых ПОТОКОЕ . ЭТО объясняется тем, что в любом случае существует разница между скоростями двух соединяемых потоков , что приводит к перераспреде-лению скоростей. Так как скорость потока , поступающего по линии С от турбинной ступени I , всегда будет меньше скорости потока нагретого рабочего тела , образуемого в источнике 5 нагретого рабочего тела , очевидно , что скорость объединенного потока должна стать ниже в резуль-тате перераспределения скоростей. Это приводит к сниже-нию кинетической энергии в известном способе . Более под-робно процессы, происходящие при изменении термодинами-ческого состояния рабочего тела , будут рассмотрены ниже при описании предлагаемого газотурбинного двигателя , представленного на фиг.2 , где одинаковые детали обозна-чены теми же позициями , что и на фиг.1.

Как показано на фиг.2 , газотурбинный двигатель имеет турбинные ступени 1 , 12 и 13. Очевидно , что число ступеней может быть любым и двигатель может иметь только одну ступень I , что несущественно с точки зрения получае-мого в данном случае результата . Как хорошо видно на фиг.2 , источник 5 нагретого рабочего тела выполнен в ви-де начального кольцевого участка II , к которому примы-кает сообщающийся с начальным участком II криволинейный участок 14 , имеющий монотонную кривизну и концевую часть 15 , примыкающую к входу турбинной ступени I . В зоне Е, примыкающей к начальному участку II источника 5 нагрето-го рабочего тела , проточная часть источника 5 нагретого рабочего тела имеет сужение 16. Второе сужение 17 рас-положено в концевой части 15 криволинейного участка 14. Между сужениями 16 и 17 расположен участок 10 соедине-ния потоков рабочего тела с увеличением площади попереч-ного сечения .

Как показано на фиг.2 , коллектор 6 рубашки 7 сооб-щается с турбинной ступенью I и с ветвями 8 и 9 рубаш-ки 7. Ветвь 8 рубашки расположена с выпуклой стороны источника 5 нагретого рабочего тела , а ветвь 9 рубашки расположена с вогнутой стороны источника 5 нагретого

рабочего тела. Стенки источника 5 нагретого рабочего

тела в пределах участка 10 имеют отверстия соотЕетствен-но 18 и 19 , через которые участок 10 сообщается с вет-вями 8 и 9 рубашки 7. Ветвь 8 , имеющая большее попереч-ное сечение , расположена с выпуклой стороны источника « нагретого рабочего тела , а вторая ветвь 9 размещена с

вогнутой стороны источника нагретого рабочего тела .

Ветвь 8 рубажи 7, расположена с выпуклой стороны

источника 5 нагретого рабочего тела, имеет площадь по-перечного сечения в 5-8 раз больше , чем площадь попереч-ного сечения ветви рубажи, размещенной с вогнутой сто-роны источника нагретого рабочего тела. При соотноше-нии площадей поперечного сечения ветвей рубажи 7 мень-ше нижнего предела указанного диапазона увеличивается

доля расхода отработавшего рабочего тела , подаваемого

с вогнутой стороны источника 5 нагретого рабочего тела ,

в результате чего возрастают потери. При соотношении

площадей поперечного сечения ветвей рубажи 7 выше верх-него предела указанного диапазона количества отработав-шего рабочего тела , поступающего в ветвь 9 рубажи 7 ,

будет недостаточно для охлаждения вогнутой стороны источ-ника 5 нагретого рабочего тела, что вызовет необходимость в дополнительных средствах охлаждения и приведет к ус-ложнению конструкции двигателя.

Коллектор 6 рубажи 7 соединен с турбинной ступенью I каналом 20. Этот канал образует горячую сторону теплооб-менного устройства 21, имеющего входы по горячей сторо-не \. . и холодной стороне , образованной проточной частью

турбинных ступеней 12,13. Входы по горячей и холодной

стороне сообщающиеся с выходом первой турбинной ступе-ни I, а также выход по горячей стороне , то есть канал 20 соединен с коллектором 6 рубажи 7, как указано выше . < Описанный газотурбинный двигатель работает следую-щим образом.

Окислитель , например, воздух, сжимаемый в источ-нике окислителя , например, компрессоре 2 , поступает по

каналу А к источнику 5 нагретого рабочего тела, к кото-

- II -рому также подается топливо (не показано) . Нагретое ра-бочее тело образуется на начальном участке II источни-ка 5 нагретого рабочего тела при сжигании топлива с по-мощьго горелочного устройства (не показано) . Такие уст-ройства хорошо известны специалистам и не относятся к данному изобретению. Нагретое рабочее тело расширяется в сужении 16 , благодаря чему кинетическая энергия высо-котемпературного потока нагретого рабочего тела возрас-тает. Далее нагретое рабочее тело движется ϊιο криволи-нейному участку 10 увеличивающегося поперечного сечения и этот поток соединяется с потоками отработавшего рабо-чего тела, которые поступают от турбинной ступени I , как более подробно описано ниже . Эти потоки поступают в учас-ток 10 через отверстия 18 , 19 в стенках источника 5 нагре-того рабочего тела. Благодаря тому , что участок 10 имеет кривизну , а также благодаря разности скоростей по-токов рабочего тела , поступающих с одной стороны через отверстия 18 , 19 и с другой стороны из начального участ-ка II источника нагретого рабочего тела , происходит сое-динение этих потоков , которые далее движутся совместно. Следует отметить , что на этой стадии начинается охлаж-дение нагретого рабочего тела потоками отработавшего рабочего тела , поступающими через отверстия 18 , 19 и сме-шение объединенных потоков .

Объединенные потоки рабочего тела далее движутся к сужению 17 концевого участка 15 источника 5 нагретого рабочего тела , где происходит повторное расширение объе-диненного потока , в результате чего оканчивается смеше-ние потоков и происходит окончательное охлаждение рабо-чего тела без снижения кинетической энергии объединенно-го потока.

От сужения 17 объединенный поток, имеющий оптималь-ные с точки зрения КПД двигателя параметры, поступает непосредственно в первую турбинную ступень I для совер-шения полезной работы. Следует отметить, что повторное расширение объединенного потока в сужении 17 позволяет обойтись без соплового аппарата первой турбинной ступе-ни, вместо которого может быть установлен более простой и дежвый направляющий аппарат (не обозначен) для обес-печения надежного безударного входа потока на рабоее колесо турбины.

После совершения работы в первой турбинной ступе-ни I часть потока отработавшего рабочего тела проходит через вход по горячей стороне теплообменного устройст-ва 21 и выходит по каналу 20 Е коллектор 6 рубашки 7 , по ветвям 8 и 9 которой два потока отработавшего рабочего тела поступают через отверстия 18 и 19 в участок 10 источника 5 нагретого рабочего тела , как описано выше . Остальная часть отработавшего рабочего тела с первой турбинной ступени I по холодной стороне теплообменного устройства 21, образованной проточной частью турбинных ступеней, поступает на последующие турбинные ступени 12, 13 для совершения в них полезной работы. Доля потока отработавшего рабочего тела , отбираемая в коллектор 6 рубашки 7, определяет температуру нагретого рабочего те-ла, подаваемого на первую турбинную ступень I. Б резуль-тате использования теплообменного устройства 21 снижает-ся количество отработавшего рабочего тела, подаваемого для охлаждения нагретого рабочего тела, что повышает КПД двигателя. Кроме того, обеспечивается повторный нагрев части отработавшего в первой ступени I рабочего тела при его расширении в сопловом аппарате второй тур-бинной ступени 12 , которая является частью теплообмен-ного устройства 21. При этом повышается КПД последую-щих турбинных ступеней.

При использовании принципа предлагаемого изобрете-ния газотурбинный двигатель эффективной мощностью

2700 л. с. имеет следующие технические характеристики: расход топлива 145-150 г/л.с.-ч габаритные размеры (с редуктором) :

длина 1250 мм

ширина 460 мм

высота 680 мм.

Расход топлива газотурбинного двигателя примерно на 30$ ниже , чем у известных, и при тех же габаритах мощность его примерно в два раза выше .

Промышленная применимость

Изобретение может быть использовано в газотурбинных двигателя , предназначенных для применения в стационарных энергетических установках и в силовых установках, исполь-зуемых на различных наземных транспортных средствах и воздушных и водных судах.