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

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, заключающийся в сжатии окислителя, импульсном сжигании в нем топлива в источнике нагретого рабочего тела, выпуске из источника полученного нагретого рабочего тела и последующей его подаче на вход в турбину для получения механической энергии, отличающийся тем, что при выпуске нагретого рабочего тела из источника нагретого рабочего тела его расширяют, а выпуск производят двумя равнонаправленными потоками, проходящими различные по величине пути до подачи на вход турбины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выходящее из источника нагретого рабочего тела рабочее тело закручивают относительно продольной оси газотурбинного двигателя, после чего смешивают с охладителем перед подачей в турбину.

3. Газотурбинный двигатель, содержащий источник нагретого рабочего тела, сообщающийся с источником сжатого окислителя и импульсной подачи топлива и устройство для создания повышенного полного давления в источнике нагретого рабочего тела, отличающийся тем, что устройство для создания повышенного полного давления в источнике нагретого рабочего тела выполнено в виде размещенных соответственно на входе и выходе источника нагретого тела сопел, постоянно сообщающихся с входом турбины и обеспечивающих изменение направления потока рабочего тела.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что он снабжен источником охладителя, по меньшей мере одним устройством для закручивания нагретого рабочего тела относительно продольной оси газотурбинного двигателя, сообщающимся с соплами, расположенными на входе в источник нагретого рабочего тела, и камерой смешения, подключенной к входу турбины и к выходу из устройства для закручивания нагретого рабочего тела относительно продольной оси газотурбинного двигателя и сообщенной с источником охладителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и к газотурбинным двигателям, реализующим этот способ, 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, при которых рабочее тело импульсно сжимают и сжигают с топливом в источнике нагретого рабочего тела, после чего расширяют полученное нагретое рабочее тело в турбине для совершения полезной работы [1] При этом сгорание топлива в смеси окислителем происходит в импульсном режиме, в результате чего получаемая на выходе турбины механическая мощность имеет импульсный характер, что в значительной мере ограничивает возможности практического применения такого способа преобразования энергии. Несмотря на то, что импульсный режим работы камеры сгорания потенциально обеспечивает значительное повышение доли используемой тепловой энергии цикла благодаря повышению полного давления нагретого рабочего тела, направляемого на расширение в турбине, реализовать эти преимущества на практике не удается из-за того, что пульсации полного давления приводят к импульсному характеру потока в проточном тракте турбины и ухудшают КПД турбины, а также вызывают повышенные нагрузки на конструктивные детали газотурбинного двигателя. Кроме того, в таких двигателях не происходит полной чистки внутренней полости источника нагретого рабочего тела после сгорания очередной порции топлива, в результате чего снижается эффективность сгорания следующей порции топлива. Наличие клапанов также снижается надежность работы двигателя.

В основу изобретения положена задача создания способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе с повышением полного давления, в котором организация потока нагретого рабочего тела изменена таким образом, чтобы смягчить динамический режим потока нагретого рабочего тела, поступающего на вход турбины.

Поставленная задача решается тем, что в способе пpеобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, при котором рабочее тело сжимают и импульсно сжигают с топливом в источнике нагретого рабочего тела, имеющем вход, сообщающийся с источником сжатого окислителя, и выход, сообщающийся с турбиной, с получением нагретого рабочего тела, после чего направляют полученное нагретое рабочее тело для его расширения в турбине для совершения полезной работы, нагретое рабочее тело направляют в турбину одновременно и через вход и через выход источника нагретого рабочего тела с расширением рабочего тела при выпуске из источника нагретого рабочего тела.

При таком способе при сгорании порции топлива образовавшееся нагретое рабочее тело выходит и через вход, и через выход источника нагретого рабочего тела одновременно с расширением нагретого рабочего тела. При этом благодаря тому, что потоки нагретого рабочего тела после импульсного сгорания проходят разные по величине пути перед поступлением в турбину, происходит сглаживание импульса полного давления (т.е. уменьшение его амплитуды). Таким образом, растягивание импульса приводит к сглаживанию пульсаций потока нагретого рабочего тела, поступающего в турбину, что положительно сказывается на ее КПД. Сглаживание пульсаций также повышает надежность двигателя, а отсутствие клапанных устройств способствует улучшению надежности и упрощению конструкции. Дополнительным преимуществом является улучшение чистки внутренней полости источника нагретого рабочего тела от продуктов сгорания благодаря одновременному выпуску нагретого рабочего тела через вход и выход источника нагретого рабочего тела с более полным использованием энергии расширения нагретого рабочего тела для создания сильного разрежения в полости источника нагретого рабочего тела. Это также способствует улучшению полноты сгорания топлива благодаря практическому отсутствию продуктов сгорания от предыдущего цикла горения во вновь образуемой топливно-воздушной смеси.

Целесообразно изменить термодинамическое состояние нагретого рабочего тела, выходящего из источника нагретого рабочего тела, расширяя и закручивая его относительно продольной оси газотурбинного двигателя, и смешать нагретое рабочее тело с измененным таким образом термодинамическим состоянием с охладителем перед подачей в турбину.

При этом расширение нагретого рабочего тела позволяет увеличить его кинетическую энергию и таким образом, более полно использовать тепловую энергию рабочего тела в турбине. В то же время смешение потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием с охладителем обеспечивает не только доведение температуры нагретого рабочего тела до уровня, приемлемого для подачи его в турбину, но и осуществляет торможение потока нагретого рабочего тела с дополнительным сглаживанием пульсаций. Кроме того, это позволяет отказаться от подачи избытка окислителя в источник нагретого рабочего тела и от принудительного охлаждения источника нагретого рабочего тела. Закручивание потока необходимо для интенсификации и облегчения смешения потоков нагретого рабочего тела и охладителя.

Известны газотурбинные двигатели, содержащие источник нагретого рабочего тела, сообщающийся в источниками сжатого окислителя и топлива, турбину, сообщающуюся с выходом источника нагретого рабочего тела, а также клапанные устройства для поддержания повышенного полного давления в источнике нагретого рабочего тела, размещенные по меньшей мере на входе в источник нагретого рабочего тела [2]

Недостаток этих двигателей заключается в том, что наличие клапанных устройств приводит к низкой надежности из-за сложности конструкции и возможности отказов клапанов. Кроме того, происходящие при этом пульсации полного давления приводят к импульсному характеру потока в проточном тракте турбины, а также вызывают повышенные нагрузки на конструктивные детали газотурбинного двигателя. Наряду с тем, что в таких двигателях в источнике нагретого рабочего тела реализуется большая часть полезной тепловой энергии, что позволило бы в значительной мере улучшить из удельные показатели, главным недостатком является пульсирующий характер потока нагретого рабочего тела, приводящий к неравномерности работы турбины и снижающий ее КПД. Все это не позволяет реализовать на практике указанное выше преимущество газотурбинного двигателя с повышением полного давления в источнике нагретого рабочего тела.

В основу изобретения положена задача создания газотурбинного двигателя с повышением полного давления в источнике нагретого рабочего тела, в котором конструктивное выполнение проточной части позволило бы смягчить динамический режим потока нагретого рабочего тела.

Поставленная задача решается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем источник нагретого рабочего тела, сообщающийся с источниками сжатого окислителя и топлива, и турбину, а также устройство для создания повышенного полного давления в источнике нагретого рабочего тела, устройство для создания повышенного полного давления в источнике нагретого рабочего тела выполнено в виде размещенных соответственно на входе и выходе источника нагретого рабочего тела сопловых устройств, постоянно сообщающихся с входом турбины и обеспечивающих изменение направления потока рабочего тела.

При таком устройстве обеспечивается растягивание импульса полного давления рабочего тела в проточной части газотурбинного двигателя. При этом скорость потока снижается, а давление возрастает, что улучшает смесеобразование и сгорание. При сгорании порции топлива образовавшееся нагретое рабочее тело выходит через оба сопловых устройства (на входе и на выходе источника нагретого рабочего тела). При этом благодаря тому, что потоки нагретого рабочего тела после импульсного сгорания проходят разные по величине пути перед поступлением в турбину, происходит сглаживание импульса полного давления (т.е. уменьшение его амплитуды). Таким образом, растягивание импульса приводит к сглаживанию пульсаций потока нагретого рабочего тела, поступающего в турбину, что положительно сказывается на ее КПД. Сглаживание пульсаций также повышает надежность двигателя, а отсутствие клапанных устройств также способствует улучшению надежности и упрощению конструкции. Благодаря тому, что при заполнении источника рабочего тела сжатым окислителем через сопло, расположенное на входе в источник нагретого рабочего тела, происходит торможение потока на входе. Дополнительным преимуществом является улучшение чистки внутренней полости источника нагретого рабочего тела от продуктов сгорания благодаря одновременному выпуску нагретого рабочего тела через вход и выход источника нагретого рабочего тела с более полным использованием энергии расширения нагретого рабочего тела. Это также способствует улучшению полноты сгорания топлива благодаря практическому отсутствию продуктов сгорания от предыдущего цикла горения во вновь образуемой топливно-воздушной смеси.

Целесообразно разместить в проточной части газотурбинного двигателя по меньшей мере одно устройство для закручивания нагретого рабочего тела относительно продольной оси газотурбинного двигателя, сообщающееся с соплом, расположенным на входе источника нагретого рабочего тела и сообщающуюся со входом турбины, и камеру смешения, сообщающуюся с источником охладителя и с устройством для закручивания нагретого рабочего тела, истекающего через сопло, установленное на выходе из источника нагретого рабочего тела относительно продольной оси газотурбинного двигателя.

При такой конструкции обеспечивается снижение пульсаций потока рабочего тела, направляемого в турбину. При этом не только повышается полезная мощность и улучшаются динамические характеристики двигателя как источника механической энергии, но и в значительной мере снижаются динамические нагрузки на его конструкцию, что улучшает надежность двигателя и увеличивает его ресурс.

На фиг.1 представлена схема газотурбинного двигателя, иллюстрирующая осуществление способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе в соответствии с изобретением; на фиг.2 схематичное изображение варианта конструкции газотурбинного двигателя, продольный разрез; на фиг. 3 разрез I-I на фиг.2 (увеличено); на фиг.4 диаграмма полного давления нагретого рабочего тела перед входом в турбину для двигателя на фиг.2; на фиг. 5 схематичное изображение другого варианта конструкции газотурбинного двигателя, продольный разрез; на фиг.6 диаграмма полного давления нагретого рабочего тела перед входом в турбину для двигателя на фиг.5.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На вход источника 1 нагретого рабочего тела от источника 2 сжатого окислителя (например, компрессора) поступает сжатый окислитель (воздух) по стрелке А (фиг. 1). В источник 1 нагретого рабочего тела также поступает топливо по стрелке В от источника импульсной подачи топлива (не показан). В источнике 1 нагретого рабочего тела происходит смешение топлива и окислителя, их воспламенение (известным способом, который здесь не описывается) и сгорание. При этом благодаря импульсной подаче топлива сгорание происходит в импульсном режиме и сопровождается скачками температуры, что приводит к соответствующему повышению полного давления нагретого рабочего тела. Источник 1 нагретого рабочего тела имеет вход 1а и выход 1b. При сгорании порции топлива в источнике 1 нагретого рабочего тела образуется нагретое рабочее тело при 2200-2500К и повышенном полном давлении, превышающем в 1,5-1,7 раза давление на выходе источника сжатого окислителя (компрессора), как это обычно имеет место в двигателях с повышением полного давления в источнике нагретого рабочего тела.

В соответствии с изобретением нагретое рабочее тело, полученное в результате сгорания сжатого окислителя с топливом в источнике 1 нагретого рабочего тела, поступает одновременно и через вход 1а, и через выход 1b источника 1 нагретого рабочего тела с расширением рабочего тела при выпуске из источника нагретого рабочего тела по стрелкам С и D в турбину 3 по стрелке Е. При этом происходит эффективная чистка внутренней полости источника 1 нагретого рабочего тела благодаря полному использованию энергии расширения нагретого рабочего тела. В средней части внутренней полости источника 1 нагретого рабочего тела создается сильное разрежение благодаря наличию двух разнонаправленных потоков рабочего тела, выходящего из источника нагретого рабочего тела. Следует отметить, что потоки нагретого рабочего тела, покидающие источник 1 нагретого рабочего тела через его вход 1а и выход 1b, проходят разные по величине пути до подачи на вход в турбину 3. Это общеизвестно, так как турбина всегда расположена в осевом направлении за выходом источника нагретого рабочего тела. Это позволяет растянуть во времени импульс полного давления нагретого рабочего тела на входе в турбину, уменьшив его амплитуду, а также уменьшить интервал между двумя последовательными импульсами полного давления рабочего тела, поступающего на вход турбины. На входе 1а источника нагретого рабочего тела может быть установлено устройство 4 для закручивания нагретого рабочего тела относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Это устройство 4 сообщается с камерой 5 смешения, в которую поступает охладитель по стрелке F. Устройство 4 может быть установлено и на выходе 1b, но это не обязательно. Это устройство может быть и общим для входа и выхода источника 1 нагретого рабочего тела. Охладитель представляет собой воздух или любую текучую среду, например отработавшие в турбине газы. Единственным требованием к охладителю являются его температура и давление, которое должно обеспечивать подачу охладителя в камеру 5. При смешении потока нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием в камере 5 происходит сложный энерго- и теплообмен, в результате чего, во-первых, происходит охлаждение нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием, а, во-вторых, происходит сглаживание пульсаций давления потока нагретого рабочего тела, вызванных импульсным характером горения в источнике 1 нагретого рабочего тела. Закручивание потока нагретого рабочего тела интенсифицирует и облегчает процесс смешения нагретого рабочего тела с охладителем. Полученное в результате смешения с охладителем рабочее тело поступает по стрелке Е в турбину 3, где оно расширяется и совершает полезную работу. В результате охлаждения нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием путем смешения с охладителем после расширения и закручивания потока рабочего тела пульсации потока на входе в турбину не вызывают резких колебаний давления в проточном тракте турбины и практически не сказываются на ее КПД.

Предлагаемый газотурбинный двигатель (фиг.2, одинаковые детали обозначены теми же позициями, что и на фиг.1) содержит источник 1 нагретого рабочего тела с входом 1а и выходом 1b, в который топливо поступает по стрелке В от источника импульсной подачи топлива (не показан). Такой источник импульсной подачи топлива может представлять собой дозирующий насос или любое другое устройство для прерывистой подачи топлива. Выход источника импульсной подачи топлива (форсунка) также может быть размещен в проточной части двигателя перед входом в источник 1 нагретого рабочего тела. Источник нагретого рабочего тела имеет в этом случае дополнительное устройство для поджигания топливно-воздушной смеси. Кроме того, источник нагретого рабочего тела может иметь это устройство в любом варианте для облегчения запуска двигателя. Вход 1а источника 1 нагретого рабочего тела сообщается с компрессором 2 любого типа для подачи сжатого воздуха по стрелке А. И вход 1а, и выход 1b источника 1 нагретого рабочего тела сообщаются с входом турбины 3. Как показано на фиг. 3, на входе 1а расположено сопловое устройство 6а для изменения направления потока нагретого рабочего тела. Это устройство обеспечивает как впуск окислителя (воздуха) от компрессора 2, так и выпуск нагретого рабочего тела после сгорания порции топлива в источнике 1 нагретого рабочего тела. При этом изменение направления необходимо не только для подачи нагретого рабочего тела от входа 1а источника 1 нагретого рабочего тела к турбине 3, но и для увеличения времени прохождения этой части потока рабочего тела к турбине 3 для растягивания импульса полного давления.

На выходе 1b источника 1 нагретого рабочего тела (фиг.3) расположено сопловое устройство 6b для изменения направления потока нагретого рабочего тела, выходящего из источника 1 нагретого рабочего тела. Это необходимо для подачи потока нагретого рабочего тела с выхода 1b источника 1 нагретого рабочего тела на турбину 3.

Предлагаемый газотурбинный двигатель (фиг.2,3) работает следующим образом.

При вращении компрессора 2 от пускового устройства (не показано) сжатый воздух с расходом, необходимым для горения, поступает через сопловое устройство 6а в источник 1 нагретого рабочего тела, в который импульсно подается топливо по стрелке В. Происходит поджигание смеси воздуха с топливом (не показано) и сгорание смеси порции воздуха с топливом. При этом резко возрастают температура и давление в источнике 1 нагретого рабочего тела, в результате чего импульсно возрастает полное давление нагретого рабочего тела. Поток полученного таким образом нагретого рабочего тела с каждым импульсом выходит одновременно через сопловые устройства 6а и 6b в проточную часть двигателя и поступает к турбине 3, при этом направление потоков с входа и выхода 1а и 1b источника 1 нагретого рабочего тела изменяется для подачи потоков к турбине.

На фиг.4 представлена диаграмма полного давления нагретого рабочего тела перед входом в турбину, при этом Р полное давление нагретого рабочего тела на входе в турбину; Р_к давление на выходе компрессора; t время. I диаграмма для известного двигателя; II диаграмма для предлагаемого двигателя. Как видно на фиг.4, амплитуда полного давления снижена, а импульсы растянуты во времени. В то же время видно, что на участке t₁-t₂ турбина в известном двигателе работает в режиме эксгаустера с давлением на входе, равном нулю. В предлагаемом двигателе нет такого участка, хотя давление на входе в турбину может упасть ниже давления компрессора Р_k.

Как показано на фиг.3, двигатель может иметь устройства 4 для закручивания потока нагретого рабочего тела относительно продольной оси двигателя. При этом можно не устанавливать сопловой аппарат первой ступени турбины 3. Кроме того, это может оказаться полезным при охлаждении нагретого рабочего тела до подачи в турбину, как будет описано ниже при рассмотрении варианта конструкции, представленного на фиг.5.

На фиг. 2.3 представлен вариант конструкции газотурбинного двигателя с центробежным компрессором. На фиг.5 схематично показан вариант конструкции двигателя с осевым компрессором, при этом одинаковые детали обозначены теми же позициями, что и на фиг.2,3. Отличие в данном случае заключается в том, что имеется камера смешения, образованная участками 5а, 5b, в которую поступает охладитель по стрелке F. В данном случае в качестве охладителя используется воздух от того же компрессора 2, однако очевидно, что можно подавать охладитель отдельно в виде любой текучей среды и от любого источника. Так, в качестве охладителя можно использовать отработавшее в турбине рабочее тело (с первой ступени). Диаграмма полного давления нагретого рабочего тела на входе в турбину 3 показана на фиг.6, где все обозначения такие же, как на фиг. 4. На этой диаграмме видно, что смешение нагретого рабочего тела с измененным термодинамическим состоянием с охладителем позволяет повысить степень равномерности полного давления нагретого рабочего тела на входе в турбину.

При использовании принципа изобретения газотурбинный двигатель эффективной мощностью 1500 л.с. имеет следующие технические характеристики: расход топлива 140-150 г/л.с.-ч. габаритные размеры (с редуктором):

длина 720 мм

ширина 390 мм

высота 450 мм

Расход топлива газотурбинного двигателя примерно на 10-15% ниже, чем у известных двигателей аналогичной мощности с таким же циклом (горение с повышением полного давления), возрастает полезная мощность и сокращается масса компрессора и габаритные размеры компрессора и всего двигателя.