тепловой двигатель с высоким кпд

Формула изобретения

1. Тепловой двигатель, содержащий:

два независимых ротора (3, 4, 4'), предпочтительно коаксиальных (XX), каждый из которых установлен соответственно в одном из двух картеров (5, 6, 6'), при этом первый ротор (3) входит в состав ступени (1) низкого давления, а второй ротор (4, 4') входит в состав ступени (2, 2') высокого давления, при этом каждая ступень (1, 2, 2'), оборудованная своим ротором (3, 4, 4') и соответствующими неподвижными органами (9, 10, 13, 14, 89, 91, 92, 93) подготовки текучей среды в комбинации со средствами сжатия газов, называемыми компрессором (15, 16, 90), и средствами расширения газов, называемыми детандером (17, 18, 90); и

по меньшей мере, одну камеру (19, 20) сгорания,

отличающийся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера сгорания расположена в центральном, по существу, цилиндрическом объеме, ограниченном

по своим основаниям двумя роторами (3, 4, 4') и их картерами (5, 6, 6') и по своей боковой поверхности первой стенкой (22), по существу, цилиндрической и в радиальном внутреннем положении,

при этом указанная первая стенка является, по существу, коаксиальной со второй стенкой (23), по существу, цилиндрической и в радиальном промежуточном положении, при этом указанные первая и вторая стенки ограничивают между собой первый канал (26), соединяющий выход компрессора (16, 90) ступени высокого давления с входом первой камеры (19) сгорания,

и указанная вторая стенка (23) является, по существу, коаксиальной с третьей стенкой (24), по существу, цилиндрической и в радиальном наружном положении, при этом указанные вторая и третья стенки ограничивают между собой второй канал (25), наружный по отношению к первому каналу (26) и соединяющий выход компрессора (15) ступени (1) низкого давления с входом компрессора (16, 90) ступени (2, 2') высокого давления,

при этом выход первой камеры (19) сгорания питает детандер (18, 90) ступени (2, 2') высокого давления газами сгорания, направляемыми от выхода детандера (18, 90) ступени (2, 2') высокого давления к входу детандера (17) ступени (1) низкого давления, выход которого сообщается с наружным пространством картера (24, 27, 31) двигателя, по меньшей мере, через одно отверстие (41) выпуска отработавших газов.

2. Тепловой двигатель по п.1, в котором оба независимых картера (3, 4, 4') являются коаксиальными (XX).

3. Тепловой двигатель по п.1, в котором картер (24, 27, 31) двигателя, содержащий третью стенку (24), ограничивающую в радиальном направлении снаружи второй кольцевой и наружный канал (25) циркуляции сжатого газа низкого давления, такого как воздух, выполняют из теплопроводящего материала.

4. Тепловой двигатель по п.3, в котором указанный картер (24, 27, 31) оборудуют ребрами (48) и/или выступами (48') на его наружной и/или внутренней стороне.

5. Тепловой двигатель по любому из пп.1-4, в котором первый кольцевой и внутренний канал (26) циркуляции сжатого газа высокого давления, такого как воздух, ограничен, радиально снаружи, второй стенкой (23), выполненной в виде промежуточного картера из теплоизоляционного материала и отделяющей его от второго канала (25), и, радиально изнутри, первой стенкой (22), выполненной в виде внутреннего картера из теплопроводящего материала и отделяющей его от первой камеры (19) сгорания.

6. Тепловой двигатель по п.1, в котором выпуск наружу газов, выходящих из детандера (17) ступени (1) низкого давления обеспечивается отдельными каналами (41), направленными в виде лучей радиально наружу относительно оси (XX) первого ротора (3).

7. Тепловой двигатель по п.1, содержащий две камеры (19, 20) сгорания, выполненные в центральном объеме между двумя роторами (3, 4), из которых первая камера сгорания, называемая главной камерой (19) сгорания, питаемая газом, таким как воздух, сжатым под высоким давлением, выходящим из компрессора (16) ступени (2) высокого давления через первый канал (26), выполнена сужающейся, по существу, в направлении оси (XX) второго ротора (4) в сторону входа детандера (18) ступени (2) высокого давления, выход (38) которого сообщается с входом второй камеры сгорания, называемой вспомогательной камерой (20) сгорания, которая охвачена первой камерой (19) сгорания и сужается в осевом направлении к своему выходу, соединенному радиально наружу с входом детандера (17) ступени (1) низкого давления, при этом циркуляция газов в двух камерах (19, 20) сгорания происходит, по существу, в осевом направлении противоположными потоками.

8. Тепловой двигатель по п.7, в котором обе камеры (19, 20) сгорания отделены друг от друга, по существу, конической центральной перегородкой (21) из теплопроводящего материала, выполненной таким образом, чтобы ограничивать сужающиеся противопоточные каналы обеих (19, 20) камер сгорания.

9. Тепловой двигатель по п.6, в котором каналы (41) выпуска наружу отработавших газов, выходящих из детандера (17) ступени (1) низкого давления, ограничены двумя, по существу, радиальными внутренними теплоизолирующими стенками (39, 42), одна (39) из которых охватывает выход (40) детандера (17) ступени (1) низкого давления, тогда как вторая стенка (42) отклоняет радиально наружу отработавшие газы, выходящие из указанной, по меньшей мере, одной камеры (19, 20) сгорания и из детандера (18) ступени (2) высокого давления.

10. Тепловой двигатель по п.1, в котором соотношение его, по существу, радиального и осевого размеров относительно оси (XX), по меньшей мере, одного из роторов (3, 4) близко к 1.

11. Тепловой двигатель по п.1, в котором ступень (1) низкого давления содержит первый ротор (3), содержащий на стороне, обращенной наружу двигателя, лопаточное колесо (7) центробежного компрессора (15), вращающееся радиально внутри кольцевого диффузора (9) с неподвижными лопатками относительно картера (5) первого ротора (3), а на внутренней стороне первого ротора - лопаточное колесо (11) центростремительной турбины (17), вращающееся радиально внутри центростремительного кольцевого направляющего аппарата (13) с неподвижными лопатками относительно картера (5) первого ротора (3), при этом колеса (7, 11) компрессора (15) и турбины (17) неподвижно соединены и вращаются вместе вокруг общей оси (XX), которая является осью первого ротора (3).

12. Тепловой двигатель по п.11, в котором ступень (2) высокого давления имеет архитектуру, аналогичную ступени (1) низкого давления, при этом обе ступени расположены «валетом», при этом ступень (2) высокого давления содержит второй ротор (4), содержащий на стороне, обращенной наружу двигателя, лопаточное колесо (8) центростремительного компрессора (16), вращающееся радиально внутри кольцевого диффузора (10) с неподвижными лопатками относительно картера (6) второго ротора (4), а на внутренней стороне второго ротора (4) - лопаточное колесо (12) центростремительной турбины (18), вращающееся радиально внутри центростремительного кольцевого направляющего аппарата (14) с неподвижными лопатками относительно картера (6) второго ротора (4), при этом колеса (8, 12) компрессора (16) и турбины (18) неподвижно соединены и вращаются вместе вокруг общей оси (XX), которая является осью второго ротора (4).

13. Тепловой двигатель по п.11, в котором ступень (2') высокого давления содержит волновой компрессор-детандер, называемый «волновым ротором», в котором передача энергии между сжатием газа, такого как воздух, и расширением отработавших газов происходит внутри колеса (4') с каналами путем непосредственного контакта между указанным газом и указанными отработавшими газами в указанных каналах (90) и при помощи процесса, основанного на перемещении волн расширения и волн сжатия в указанных каналах (90) указанного колеса (4') с каналами, при этом указанный «волновой ротор» содержит вход (89) газа (воздуха), выход (92) сжатого газа (воздуха), соединенный с первой камерой (19) сгорания, вход (91) отработавших газов, поступающих от выхода первой камеры (19) сгорания, и выход (92) указанных отработавших газов, к второй камере сгорания (20), в случае необходимости, и к детандеру (17) ступени (1) низкого давления.

14. Тепловой двигатель по п.1, в котором роторы (3, 4) поддерживаются в осевом и радиальном направлениях газовыми подшипниками (44, 45, 46, 47).

15. Тепловой двигатель по п.1, в котором картер (24, 27, 31) двигателя, ограничивающий радиально снаружи второй канал (25), по меньшей мере, частично погружен в закрытый герметичный водяной резервуар (51), предпочтительно с двойной стенкой (52), предназначенный для производства пара под давлением и для тепловой изоляции теплового двигателя от наружного пространства и облегчения его интегрирования в предназначенный для этого корпус.

16. Тепловой двигатель по п.15, в котором давление водяного пара, получаемого в первой камере (56) резервуара (51), регулируется при помощи клапана (58) сообщения со второй камерой (54) резервуара, которая, в свою очередь, сообщается с входом детандера (17) ступени (1) низкого давления таким образом, чтобы водяной пар смешивался с газами сгорания, выходящими из указанной, по меньшей мере, одной камеры (19, 20) сгорания, прежде чем попасть в детандер (17) ступени (1) низкого давления.

17. Тепловой двигатель по п.15, в котором выпуск газов и водяного пара, поступающих из детандера (17) ступени (1) низкого давления, происходит через отдельные каналы (41), предпочтительно выполненные в виде, по существу, радиально направленных лучей, продолженные (55) через водяной резервуар и сообщающиеся с окружающей средой, обеспечивая предварительный нагрев воды в резервуаре (51).

18. Тепловой двигатель по п.1, в котором поток газа (воздух), выходящий из компрессора (15) ступени (1) низкого давления, может быть разделен на два потока, один из которых направляется в компрессор (16) ступени (2) высокого давления, а другой - в пневматическом виде, - к потребителю (60) полезной мощности.

19. Тепловой двигатель по п.18, в котором поток сжатого газа (воздуха) низкого давления, соответствующий полезной мощности, предаваемой компрессором (15) ступени (1) низкого давления, питает турбину (61) турбогенератора (68), электрогенератор (65-66) которого питает батарею (72), соединенную, по меньшей мере, одним выходом (75) электрической мощности, по меньшей мере, с одним электрическим потребителем.

20. Тепловой двигатель по п.19, в котором турбоэлектрогенератор (68) термически изолирован (67) от картера двигателя, охватывающего оба ротора (3, 4), указанную, по меньшей мере, одну камеру (19, 20) сгорания и каналы (25, 26) циркуляции сжатого газа (воздуха) низкого давления и высокого давления и газов сгорания низкого давления и высокого давления.

21. Тепловой двигатель по п.19, в котором электрогенератор (65-66) турбогенератора (68) является генератором магнитного типа, содержащим, по меньшей мере, один постоянный магнит (65), установленный на одной стороне лопаточного колеса (63) центростремительной турбины (61) турбогенератора (68), противоположной стороне, содержащей лопатки указанной центростремительной турбины (61), при этом указанный, по меньшей мере, один постоянный магнит (65) неподвижно соединен во вращении с колесом (63) центростремительной турбины турбогенератора (68) и вращается напротив, по меньшей мере, одной плоской катушки (66) индуктивности электрогенератора (65-66).

22. Тепловой двигатель по п.19, в котором батарея (72), питаемая электрогенератором (65-66) турбогенератора (68), питает, в свою очередь, по меньшей мере, один электрический воспламенитель смеси газ (воздух) - топливо в указанной, по меньшей мере, одной камере (19, 20) сгорания, в которую топливо впрыскивается через, по меньшей мере, один канал (49, 49') подачи топлива.

23. Тепловой двигатель по п.19, в котором батарея (72), питаемая электрогенератором (65-66) турбогенератора (68), в свою очередь, питает, по меньшей мере, одно нагревательное сопротивление (77), установленное в камере (56) водяного резервуара (51), для производства водяного пара под давлением, питающего детандер (17) ступени (1) низкого давления для запуска теплового двигателя с электрическим стартером и с нагревательным сопротивлением (77).

24. Тепловой двигатель по п.19, в котором поток сжатого газа (воздуха) низкого давления, поступающий от компрессора (15) ступени (1) низкого давления, питает центростремительную турбину (61) турбогенератора (68) после срабатывания клапана (74), предпочтительно проходя через центростремительный кольцевой направляющий аппарат (62) с неподвижными лопатками, охватывающий лопаточное колесо (63) указанной центростремительной турбины (61) турбогенератора (68), или через улитку, охватывающую указанную центростремительную турбину (61) турбогенератора (68).

25. Тепловой двигатель по п.1, оборудованный стартером (79) на твердом пропеголе (80), в котором стартер (79) выполняют в виде газогенератора с зажиганием (82), предпочтительно электрическим воспламенением твердого проперголя (80), от батареи (72) таким образом, чтобы газовый поток, получаемый в результате сгорания твердого проперголя, направлялся, по меньшей мере, через один вход (86) в радиальную концевую сторону картера двигателя, предпочтительно вокруг отверстия (30) впуска газа (воздуха) в тепловой двигатель, приводя во вращение ротор (3) ступени (1) низкого давления.

26. Тепловой двигатель по п.25, в котором стартер (79), выполненный в виде газогенератора, содержит проперголевый пиропатрон (80), устанавливаемый для каждого запуска теплового двигателя, при этом указанный газогенератор сообщается с внутренним пространством картера теплового двигателя через, по меньшей мере, один почти тангенциальный вход (86), чтобы приводить во вращение ротор (3) ступени (1) низкого давления.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к тепловому двигателю с высоким коэффициентом полезного действия типа газотурбинных двигателей, мощность которого находится в диапазоне от 10 ватт и примерно до 1 кВт, то есть до верхнего предела диапазона мощности газотурбинных ультрамикродвигателей.

Уровень техники

Такие газотурбинные ультрамикродвигатели известны, в частности, из патентов US 5932940 и US 6392313, к которым следует обратиться для любых уточнений по данному вопросу. Эти патенты касаются реализации различных газовых турбин, таких, в частности, как газовые турбины турбокомпрессоров, турбогенераторов, турбонасосов, турбореактивных двигателей, и их самых разных комбинаций, при этом их компоненты выполняют из одинакового материала, предпочтительно из SiC, при этом различные детали или компоненты можно получать при помощи технологий изготовления электромеханических микросистем, называемых MEMS (от англосаксонского акронима «Micro Electro Mechanical System»), и, в частности, путем механической обработки по двум размерам.

Такие тепловые микродвигатели типа газотурбинных микродвигателей в основном применяются в качестве движителей для миниатюрных беспилотных самолетов, в качестве автономных или индивидуальных так называемых встроенных источников механической, пневматической или электрической энергии для роботов, мобильных систем, миниатюрных спутников, приводов и для охлаждения электронных схем, причем этот перечень является далеко не полным.

Действительно, как оказалось совсем недавно, тепловые микродвигатели могли бы вытеснить батареи с точки зрения удельной мощности и удельной энергии при условии, что они будут иметь достаточный КПД, поскольку общей характеристикой различных концепций предлагаемых тепловых микродвигателей является то, что их энергия происходит от микросгорания или экзотермической химической микрореакции. Действительно, использование процесса горения для генерирования электрической мощности имеет огромные преимущества по сравнению с традиционными батареями с точки зрения накапливания энергии на единицу массы, а также с точки зрения генерирования мощности на единицу объема. Среди различных типов предложенных тепловых двигателей наибольший интерес представляет газовая микротурбина благодаря ее высоким потенциальным возможностям с точки зрения удельной мощности и удельной энергии.

Основой микросистем, раскрытых в двух вышеуказанных американских патентах, является газовая микротурбина в двух предложенных версиях, одной из которых является микротурбина с ротором небольшого диаметра (4 мм) и двумя дисками, соединенными валом, а другая имеет удвоенный диаметр и содержит два расположенных рядом диска.

Основными компонентами микротурбины являются камера сгорания, а также центробежный компрессор и центростремительная турбина, которые в первой версии установлены на одном полом валу, вращающемся с периферической скоростью порядка 500 м/с. Электрический привод-генератор, расположенный над ротором компрессора, предназначен для производства электрической энергии во время работы, а также для приведения во вращение общего вала компрессора и турбины во время запуска микротурбины. Топливо впрыскивается за лопаточным диффузором, охватывающим в радиальном направлении колесо компрессора, и предварительно смешивается с потоком сжатого воздуха, выходящим из диффузора в центробежный канал предварительного смешивания, прежде чем попасть в камеру сгорания, откуда рабочие газы выходят по центростремительному каналу, выходящему на ротор турбины, через лопаточный направляющий аппарат, охватывающий этот ротор в радиальном направлении. Направление вала ротора обеспечивается газовыми опорными подшипниками, принимая во внимание высокую скорость вращения.

В примере выполнения эти различные узлы выполняют из огнеупорной керамики путем укладки в стопку и выравнивания шести слоев SiC, при этом каждый из этих слоев получают при помощи известного способа ионной микрогравировки, причем используют скорее SiC, чем Si, так как он обладает способностью выдерживать напряжения, возникающие при высокой скорости вращения и при высокой температуре цикла, выбранного для газовой микротурбины, который может быть циклом Брайтона-Джоуля или классическим циклом газовых турбин.

Во второй версии микротурбины, предложенной в двух вышеуказанных американских патентах, диаметр микротурбины удвоен (21 мм), диски компрессора и турбины соединены своими сторонами, противоположными соответствующим лопаткам компрессора или турбины, что является интересной конструкцией в плане снижения аэродинамических потерь от трения диска и повышения механической прочности ротора путем уменьшения его осевого габарита, при этом диаметр диска со стороны турбины существенно уменьшен, а его толщина увеличена, и, наконец, вход компрессора и выход турбины охватывают центральное тело, позволяя выполнить в этом месте опорный подшипник в виде газового упора.

Общие энергетические исследования этого типа газотурбинного двигателя, описанные в статье И.Рибо «Overall thermodynamic study of an ultra micro turbine», Journal of Thermal Science, том 13, № 4, ноябрь 2004 г., учитывающие интенсивную внутреннюю теплопередачу, проявляющуюся в таких газотурбинных двигателях и выражающуюся в тепловом перемешивании, приводящем к ухудшению энергетических характеристик, выявили, что их концепция и конструкция не представляются удовлетворительными с точки зрения аэротермодинамики.

Действительно, камера сгорания этих газотурбинных двигателей является кольцевой, уплощенной в осевом направлении и по существу охватывающей ротор газотурбинного двигателя, откуда большое миделевое сечение и большая поверхность контакта с рабочими газами, а следовательно, значительные тепловые утечки, приводящие к неполному сгоранию и к проблемам воспламенения в камере сгорания. Кроме того, компрессор и турбина ведут себя как теплообменники, в частности, во второй версии, в которой диски компрессора и турбины находятся рядом друг с другом, что очень нежелательно с точки зрения теплопередачи, поскольку повышение температуры в компрессоре ухудшает степень сжатия и, следовательно, снижает полезную мощность, и одновременно охлаждение турбины снижает также падение энтальпии и, следовательно, полезную мощность. Это неблагоприятное тепловое перемешивание является еще более значительным из-за того, что для выполнения этих компонентов газотурбинного двигателя используют единственный материал, обладающий высокой теплопроводностью, в данном случае карбид кремния. Кроме того, механическая обработка монокристаллического карбида кремния является очень сложной, что повышает себестоимость двигателя в промышленном производстве. Кроме того, электрогенератор магнитного типа, используемый для газотурбинного двигателя, подвергается воздействию высоких температур, что может привести к размагничиванию при достижении точки Кюри.

На основе этой второй версии микротурбины в статье «Micro Combustion Principles Dedicated to Micro-Turbines», O.Dessones, C.Dumand, D.Gaffie, J.Guidez, Y.Ribaud, опубликованной в POWERMEMS, 2003, Б. Макухари, Япония, была предложена производная версия, в которой камера сгорания не охватывает ротор, а смещена в осевом направлении относительно ротора, будучи выполненной в виде отдельной камеры, причем «по объему», а не «по площади», например, путем формования или микрообработки лазером, в гибридной конструкции микротурбины.

Преимуществом такой гибридной конструкции является возможность адаптации камеры сгорания к используемому типу топлива с уменьшением миделевого сечения, возможность уменьшения поверхности теплообмена с наружным пространством, использования изолирующих материалов в некоторых частях для существенного повышения теплового КПД и выполнения выхода центростремительной турбины, который может быть радиальным, что более предпочтительно с энергетической точки зрения, чем осевой выход, указанный в вышеуказанных американских патентах.

Тем не менее, эта производная версия лишь частично позволяет устранить вышеуказанные недостатки микротурбин, раскрытых в двух упомянутых американских патентах.

Раскрытие изобретения

Основополагающей задачей настоящего изобретения является создание конструкции теплового микродвигателя, которая позволяет устранить основные вышеуказанные недостатки газотурбинных микродвигателей, раскрытых в упомянутых американских патентах, и которая больше отвечает различным требованиям практического характера, чем известные газотурбинные микродвигатели, в частности, благодаря тому, что предложенная, довольно общая архитектура может применяться для тепловых двигателей более высокой мощности, примерно от 10 до 300 кВт, что позволяет получить автономный, так называемый встроенный источник энергии в механической, пневматической или электрической форме, при этом предложенная архитектура позволяет также отказаться от использования только одного материала, такого как SiC, который обладает высокой теплопроводностью и тяжело поддается механической обработке, и дает возможность применять разные типы материалов (Si, керамические материалы, металлические сплавы), как проводящих, так и изолирующих, в зависимости от функций разных компонентов, выполняемых из этих различных материалов.

В этой связи настоящим изобретением предлагается тепловой двигатель, содержащий:

- два независимых ротора, предпочтительно коаксиальных, каждый из которых установлен соответственно в одном из двух картеров, при этом первый ротор входит в состав ступени низкого давления, а второй ротор входит в состав ступени высокого давления, при этом каждая ступень, оборудованная своим ротором и неподвижными органами подготовки газовой смеси в комбинации со средствами сжатия газов, называемыми компрессором, и средствами расширения газов, называемыми детандером; и

- по меньшей мере, одну камеру сгорания, расположенную в центральном по существу цилиндрическом объеме, ограниченном

по своему основанию - двумя роторами и их картерами, и

по своей боковой поверхности первой стенкой, по существу цилиндрической и в радиальном внутреннем положении,

при этом указанная первая стенка является по существу коаксиальной со второй стенкой, по существу цилиндрической и в радиальном промежуточном положении, при этом стенки ограничивают между собой первый канал, соединяющий выход компрессора ступени высокого давления с входом первой камеры сгорания,

а указанная вторая стенка является по существу коаксиальной с третьей стенкой, по существу цилиндрической и в радиальном наружном положении, при этом указанные стенки ограничивают между собой второй канал, наружный по отношению к первому каналу и соединяющий выход компрессора ступени низкого давления с входом компрессора ступени высокого давления,

при этом выход первой камеры сгорания питает детандер ступени высокого давления газами, полученными в результате сгорания, направляемыми от выхода детандера ступени высокого давления к входу детандера ступени низкого давления, выход которого сообщается с наружным пространством картера двигателя, по меньшей мере, через одно отверстие выпуска отработавших газов.

Такая конструкция характеризуется многими преимуществами: за счет установки камеры сгорания или камер сгорания в центральном по существу цилиндрическом объеме двигателя, ограниченном двумя роторами и их картерами, в практически осевом направлении и радиально внутри трех по существу коаксиальных и цилиндрических стенок, ограничивающих между собой, изнутри наружу, канал газа, такого как сжатый воздух высокого давления, между выходом компрессора ступени высокого давления и входом первой камеры сгорания, и канал указанного газа, такого как сжатый воздух низкого давления, между выходом компрессора ступени низкого давления и входом компрессора ступени высокого давлением, получают конструкцию газотурбинного двигателя в виде «термодинамического кокона», в которой горячие части сконцентрированы в центральном объеме двигателя или обращены внутрь двигателя и могут быть, по меньшей мере, частично термически изолированы от холодных периферических частей за счет выбора теплоизоляционных материалов для получения, по меньшей мере, одной промежуточной стенки или картера между внутренними стенками или картерами, с одной стороны, и наружными стенками или картерами, с другой стороны, выполненными из теплопроводящих материалов. Кроме того, периферическую скорость каждого ротора можно уменьшить за счет выполнения двухступенчатой конструкции таким образом, чтобы снизить механические напряжения, и, кроме того, становится легче применять газовые подшипники при этих скоростях, уменьшенных по сравнению со скоростями одноступенчатых вариантов из предшествующего уровня техники. Кроме того, с энергетической точки зрения благодаря двухступенчатой конструкции становится возможным повысить степень сжатия.

В частности, предпочтительно наружный картер двигателя, содержащий третью стенку, ограничивающую в радиальном направлении снаружи второй кольцевой и наружный канал циркуляции сжатого газа низкого давления, выполняют из теплопроводящего материала и предпочтительно оборудуют ребрами и/или выступами на его наружной и/или внутренней стороне, тогда как первый кольцевой и внутренний канал циркуляции сжатого газа высокого давления ограничен радиально снаружи между второй стенкой, выполненной в виде промежуточного картера из термоизоляционного материала и отделяющей его от второго канала, и, радиально изнутри, первой стенкой, выполненной в виде внутреннего картера из теплопроводящего материала и отделяющей его от первой камеры сгорания. Эти технические решения улучшают изолированность горячих частей (камеры или камер сгорания и обоих детандеров) газотурбинного двигателя в его центральной части и сохранение на периферии двигателя «холодных» частей (наименее горячих, в частности, обоих компрессоров), что облегчает контроль за их температурами и тепловыми потоками за счет установки «валетом» обоих роторов и расположения, по меньшей мере, одной камеры сгорания в центральной части двигателя между двумя находящимися друг против друга детандерами, тогда как оба компрессора обращены в сторону наружного пространства двигателя.

По этим же соображениям выпуск наружу газов, выходящих из детандера ступени низкого давления, предпочтительно обеспечивается отдельными каналами, направленными в виде лучей практически радиально наружу относительно оси первого ротора.

В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения тепловой двигатель содержит две камеры сгорания, выполненные в центральном объеме между двумя роторами, из которых первая камера сгорания, называемая главной камерой сгорания, питаемая газом, таким как воздух, сжатым под высоким давлением, выходящим из компрессора ступени высокого давления через первый канал, выполнена сужающейся по существу в направлении оси второго ротора в сторону входа детандера ступени высокого давления, выход которого сообщается с входом второй камеры сгорания, называемой вспомогательной камерой сгорания, которая охвачена первой камерой сгорания и сужается в осевом направлении к своему выходу, соединенному радиально наружу с входом детандера ступени низкого давления, при этом циркуляция газов в двух камерах сгорания происходит по существу в осевом направлении противоположными потоками.

Таким образом, получают тепловой двигатель с очень высоким КПД с двумя камерами сгорания, одна из которых охватывает другую, при этом обе камеры находятся между детандерами двух роторов и их картерами и внутри трех по существу коаксиальных и цилиндрических стенок, из которых промежуточная стенка предпочтительно является теплоизолирующей, при этом через обе камеры противоположными потоками проходят газы, полученные в результате сгорания, что позволяет еще лучше контролировать их температуру. Для этого обе камеры предпочтительно отделены друг от друга по существу конической центральной перегородкой из теплопроводящего материала, выполненной таким образом, чтобы ограничивать сужающиеся противопоточные каналы обеих камер сгорания.

Опять-таки с целью улучшения теплового баланса двигателя в соответствии с настоящим изобретением каналы выпуска наружу отработавших газов, выходящих из детандера ступени низкого давления, предпочтительно ограничены двумя по существу радиальными внутренними теплоизолирующими стенками, одна из которых охватывает выход детандера ступени низкого давления, тогда как вторая стенка отклоняет радиально наружу отработавшие газы, выходящие, по меньшей мере, из одной камеры сгорания и из детандера ступени высокого давления.

Кроме того, в конструкции в виде так называемого «термодинамического кокона» теплового двигателя в соответствии с настоящим изобретением двигатель предпочтительно выполняют таким образом, чтобы соотношение его по существу радиального и осевого размеров, относительно оси, по меньшей мере, одного из роторов, было близко к 1.

В предпочтительном варианте выполнения ступень низкого давления содержит первый ротор, который на стороне, обращенной наружу двигателя, содержит лопаточное колесо центробежного компрессора, вращающееся радиально внутри кольцевого диффузора с неподвижными лопатками относительно картера первого ротора, а на внутренней стороне ротора - лопаточное колесо центростремительной турбины, вращающееся радиально внутри центростремительного кольцевого направляющего аппарата с неподвижными лопатками относительно картера первого ротора, при этом колеса компрессора и турбины неподвижно соединены и вращаются вокруг общей оси, которая является осью первого ротора.

В этом случае и согласно первому варианту выполнения ступень высокого давления имеет архитектуру, аналогичную ступени низкого давления, при этом обе ступени расположены «валетом», при этом ступень высокого давления содержит второй ротор, содержащий на стороне, обращенной наружу двигателя, лопаточное колесо центростремительного компрессора, вращающееся радиально внутри кольцевого диффузора с неподвижными лопатками относительно картера второго ротора, а на внутренней стороне ротора - лопаточное колесо центростремительной турбины, вращающееся радиально внутри центростремительного кольцевого направляющего аппарата с неподвижными лопатками относительно картера второго ротора, при этом колеса компрессора и турбины неподвижно соединены и вращаются вокруг общей оси, которая является осью второго ротора.

Таким образом, получают газотурбинный двигатель с турбокомпрессорной ступенью высокого давления и турбокомпрессорной ступенью низкого давления, между которыми происходит сгорание смеси газа, такого как воздух, сжатого под высоким давлением, и топлива в одной или двух центральных камерах сгорания, и которые образуют одновременно радиальную и осевую ступенчатость, что намного облегчает выполнение различных компонентов теплового двигателя из соответствующих материалов и путем применения более привычных и более экономичных технологий изготовления и, в частности, механической обработки, чем способы изготовления при помощи технологий MEMS.

Согласно второму варианту выполнения ступень высокого давления содержит волновой компрессор-детандер, называемый «волновым ротором», в котором передача энергии между сжатием газа, такого как воздух, и расширением отработавших газов происходит внутри колеса с каналами путем непосредственного контакта между указанным газом (воздухом) и отработавшими газами в указанных каналах указанного колеса с каналами, при этом указанный «волновой ротор» содержит вход газа (воздуха), выход сжатого газа (воздуха), соединенный с первой камерой сгорания, вход отработавших газов, поступающих от выхода первой камеры сгорания, и выход указанных отработавших газов ко второй камере сгорания, в случае необходимости, и к детандеру ступени низкого давления.

Такие волновые компрессоры-детандеры или волновые роторы, называемые также «обменниками давления», являются устройствами, примеры выполнения которых описаны в старых патентах DE 485386 и СН 225426 и 229280, которым соответствуют патенты US 2399394 и 2461186, причем эти устройства стали предметом многих усовершенствований, описанных в многочисленных более поздних патентах.

Как и в известных решениях, роторы теплового двигателя в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно поддерживаются в осевом и радиальном направлениях газовыми подшипниками.

Тепловой двигатель в соответствии с настоящим изобретением в том виде, как он был представлен до этого в описании, может быть центральной частью более сложной системы, сочетающей в себе, например, газовую микротурбину с комбинированным циклом, турбогенератор и стартер, который может работать на твердом проперголе и/или на электричестве и содержать нагревательное сопротивление.

В этом случае картер двигателя, ограничивающий радиально или снаружи второй канал, может быть, по меньшей мере, частично погружен в закрытый герметичный водяной резервуар, предпочтительно с двойной стенкой, предназначенный для производства пара под давлением и для тепловой изоляции теплового двигателя от наружного пространства и облегчения его интегрирования в предназначенный для этого корпус.

Предпочтительно в этом тепловом двигателе с комбинированным циклом водяной пар, получаемый в первой камере резервуара, регулируется по давлению при помощи клапана сообщения со второй камерой резервуара, которая, в свою очередь, сообщается с входом детандера ступени низкого давления таким образом, чтобы водяной пар смешивался с газами сгорания, выходящими из указанной, по меньшей мере, одной камеры сгорания, прежде чем попасть в детандер ступени низкого давления.

В этом тепловом двигателе с комбинированным циклом выпуск газов и водяного пара из детандера ступени низкого давления происходит через отдельные каналы, предпочтительно выполненные в виде по существу радиально направленных лучей, продолженные через водяной резервуар и сообщающиеся с окружающей средой, обеспечивая предварительный нагрев воды в резервуаре.

Независимо от того, является ли этот двигатель с комбинированным циклом или нет, поток газа (воздух), выходящий из компрессора ступени низкого давления, может быть разделен на два потока, один из которых направляется в компрессор ступени высокого давления, а другой, в пневматическом виде, - к потребителю полезной мощности.

В этом случае для получения теплового двигателя, связанного с турбогенератором, поток сжатого газа (воздуха) низкого давления, соответствующий полезной мощности, предаваемой компрессором ступени низкого давления, питает турбину турбогенератора, электрогенератор которого питает батарею, соединенную, по меньшей мере, одним выходом электрической мощности, по меньшей мере, с одним электрическим потребителем.

В этом случае предпочтительно турбоэлектрогенератор термически изолирован от картера двигателя, охватывающего оба ротора, указанную, по меньшей мере, одну камеру сгорания и каналы циркуляции газа (воздуха) низкого давления и высокого давления и газов сгорания низкого давления и высокого давления.

В предпочтительном примере выполнения электрогенератор турбогенератора является генератором магнитного типа, содержащим, по меньшей мере, один постоянный магнит, установленный на одной стороне лопаточного колеса центростремительной турбины турбогенератора, противоположной стороне, содержащей лопатки указанной центростремительной турбины, при этом указанный, по меньшей мере, один постоянный магнит неподвижно соединен во вращении с колесом центростремительной турбины турбогенератора и вращается напротив, по меньшей мере, одной плоской катушки индуктивности электрогенератора.

Для обеспечения работы и запуска газотурбинного двигателя согласно первому варианту выполнения батарея, питаемая электрогенератором турбогенератора, питает, в свою очередь, по меньшей мере, один электрический воспламенитель смеси газ (воздух) - топливо в указанной, по меньшей мере, одной камере сгорания, в которую топливо впрыскивается через, по меньшей мере, один канал подачи топлива.

В случае когда наружный картер теплового двигателя, по меньшей мере, частично погружен в закрытый герметичный водяной резервуар, батарея, питаемая электрогенератором турбогенератора, может, в свою очередь, питать, по меньшей мере, одно нагревательное сопротивление, установленное в камере водяного резервуара, для производства водяного пара под давлением, питающего детандер ступени низкого давления для запуска теплового двигателя с электрическим стартером и с нагревательным сопротивлением.

В варианте поток сжатого газа (воздуха) низкого давления, поступающий от компрессора ступени низкого давления, питает центростремительную турбину турбогенератора после срабатывания клапана, предпочтительно проходя через центростремительный кольцевой направляющий аппарат с неподвижными лопатками, охватывающий лопаточное колесо указанной центростремительной турбины турбогенератора, или через улитку, охватывающую указанную центростремительную турбину турбогенератора.

Если тепловой двигатель в соответствии с настоящим изобретением оборудован стартером на твердом проперголе, стартер выполняют в виде газогенератора с зажиганием, предпочтительно с электрическим воспламенением твердого проперголя от батареи таким образом, чтобы газовый поток, получаемый в результате сгорания твердого проперголя, направлялся, по меньшей мере, через один вход в радиальную концевую сторону картера двигателя, предпочтительно вокруг отверстия впуска газа (воздуха) в тепловой двигатель, приводя во вращение ротор ступени низкого давления.

В этом случае предпочтительно стартер, выполненный в виде газогенератора, содержит проперголевый пиропатрон для каждого запуска теплового двигателя, при этом указанный газогенератор сообщается с внутренним пространством картера теплового двигателя через, по меньшей мере, один почти тангенциальный вход, чтобы приводить во вращение ротор ступени низкого давления.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе газовой микротурбины в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - схематичный вид в осевом разрезе теплового двигателя, центральная часть которого образована газовой микротурбиной, аналогичной микротурбине, показанной на фиг.1, встроенного в водяной резервуар и работающего по принципу комбинированного цикла с газами сгорания и водяным паром, оборудованного электрическим и/или проперголевым стартером и связанного с турбогенератором;

фиг.3 - вид, аналогичный фиг.1, варианта выполнения газовой микротурбины, в которой ступень высокого давления образована волновым компрессором-детандером или волновым ротором;

фиг.4 - схематичный вид в поперечном разрезе радиального волнового ротора, который может быть использован в качестве ступени высокого давления в варианте микротурбины, показанной на фиг.3.

Осуществление изобретения

Тепловой двигатель, показанный на фиг.1, является газовой микротурбиной, называемой «объемной» или «термодинамическим коконом», содержащей две ступени 1 и 2, имеющие в основном одинаковую конфигурацию, из которых одна является ступенью 1 низкого давления (НД), а другая - ступенью 2 высокого давления (ВД), и они находятся на уровне двух оснований цилиндрического объема, занимаемого микротурбиной.

Каждая ступень 1 или 2 содержит ротор соответственно 3 или 4, установленный с возможностью вращения вокруг своей оси независимо от другого ротора.

В этом примере оба ротора НД 3 и ВД 4 выполнены коаксиально вокруг оси XX, но оси обоих роторов могут быть смещены в боковом направлении относительно друг друга и/или слегка наклонены относительно друг друга в вариантах выполнения.

Каждый ротор 3 или 4 установлен с возможностью вращения в соответствующем картере НД 5 или ВД 6, конструкция которых будет подробнее описана ниже.

На своей стороне, противоположной другому ротору 4 или 3, то есть на стороне, обращенной наружу двигателя, каждый ротор 3 или 4 содержит лопаточное колесо центробежного компрессора НД 7 или ВД 8, которое вращается радиально внутри соответствующего центробежного кольцевого диффузора 9 или 10 с неподвижными лопатками на соответствующем картере 5 или 6.

На своей противоположной стороне, обращенной к другому ротору или внутрь двигателя, или внутренней стороне каждый ротор 3 или 4 содержит лопаточное колесо соответствующей центростремительной турбины НД 11 или ВД 12, которое вращается радиально внутри соответствующего центростремительного кольцевого направляющего аппарата 13 или 14 с неподвижными лопатками на соответствующем картере 5 или 6, при этом обе ступени 1 и 2 двух роторов 3 и 4 расположены «валетом».

Каждая ступень НД 1 или ВД 2 содержит, таким образом, средства сжатия газов, выполненные в виде центробежного компрессора НД 15 или ВД 16 и связанные со средствами расширения газов, выполненными в виде соответствующей центростремительной турбины НД 17 ил ВД 18, лопаточные колеса 7 и 11 или 8 и 12 которых выполнены в виде единой детали с соответствующим ротором НД 3 или ВД 4 и, следовательно, вращаются вместе вокруг общей оси XX, при этом в каждой ступени НД 1 или ВД 2 ротор НД 3 или ВД 4 связан с неподвижными органами подготовки текучей среды (диффузор 9 или 10 и направляющий аппарат 13 или 14) в картере 5 или 6.

В центральном по существу цилиндрическом объеме двигателя между ступенями НД 1 и ВД 2 выполнена, по меньшей мере, одна камера сгорания. В предпочтительном примере выполнения центральный объем, предназначенный для сгорания, вмещает две камеры сгорания, выполненные коаксиально вокруг оси XX и расположенные валетом в осевом направлении, а именно первую кольцевую камеру 19 сгорания, называемую главной, которая охватывает другую, центральную камеру сгорания, называемую вспомогательной камерой 20, отделенную от главной камеры 19 сгорания центральной перегородкой 21 из теплопроводящего материала, имеющей по существу форму усеченного конуса в своей центральной осевой части 21а между двумя цилиндрическими осевыми концевыми частями 21b и 21с, придавая двум камерам 19 и 20 сгорания вид каналов, сужающихся в осевых противоположных направлениях от их соответствующего входа к их соответствующему выходу.

Обе камеры 19 и 20 сгорания термически изолированы от окружающей среды двумя ступенями НД1 и ВД 2 в осевом направлении, а в радиальном направлении изнутри наружу - тремя стенками 22, 23 и 24, по существу цилиндрическими и коаксиальными вокруг оси XX, из которых первая и третья, то есть внутренняя 22 и наружная 24, стенки выполнены из теплопроводящего материала, а вторая, то есть промежуточная, стенка 23 выполнена из теплоизолирующего материала.

Наружная 24 и промежуточная 23 стенки ограничивают между собой наружный кольцевой канал 25 циркуляции газа, в данном примере сжатого воздуха НД, от выхода, в наружном радиальном положении, диффузора 9 центробежного компрессора 15 ступени НД 1 к осевому кольцевому входу, во внутреннем радиальном положении, центробежного компрессора 16 ступени ВД 2, тогда как промежуточная 23 и внутренняя 22 стенки ограничивают между собой внутренний кольцевой канал 26 (радиально внутри относительно наружного канала 25) для циркуляции этого же газа, то есть сжатого воздуха ВД, от выхода диффузора 10 центробежного компрессора 16 ступени ВД 2 к кольцевому и радиальному входу главной камеры сгорания 19, причем этот вход ограничен между свободным концом (в сторону ступени НД 1) внутренней стенки 22 и находящейся напротив кольцевой радиальной стенкой 21d, выполненной заодно с концом цилиндрической осевой части 21b центральной перегородки 21 и из того же теплопроводящего материала, что и перегородка 21, при этом радиальная стенка 21d опирается своей периферией на внутреннюю сторону промежуточной стенки 23, ограничивая в осевом направлении главную камеру 19 сгорания.

Для этого наружную цилиндрическую стенку 24 на ее осевом конце выполняют заодно с кольцевой радиальной стенкой 27 из того же теплопроводящего материала, что и стенка 24, образующей наружную стенку картера НД 5 и содержащей центральное тело 28, выступающее наружу и ограничивающее вместе с периферическим буртиком 29, также выступающим наружу, осевой кольцевой вход 30 компрессора НД 15 для входящего газа (воздуха). На своем противоположном осевом конце наружная цилиндрическая стенка 24 также выполнена заодно с радиальной стенкой 31, выполненной в виде круглого диска из того же теплопроводящего материала, что и стенка 24, и содержащей центральное тело 32, выступающее внутрь двигателя, при этом стенка 31 закрывает в осевом направлении наружу картер ВД 6, при этом все три наружные стенки 24, 27 и 31 образуют наружный картер двигателя.

Промежуточная цилиндрическая стенка 23 из теплоизолирующего материала на своем осевом конце со стороны ступени НД 1 неподвижно соединена с кольцевым радиальным фланцем 33, образующим промежуточную в осевом направлении часть картера НД 5, которая охватывает центральную часть ротора НД 3 и на которой установлены неподвижные лопатки диффузора 9 и направляющего аппарата 13 ступени НД 1, тогда как на своем противоположном осевом конце стенка 23 выполнена заодно с кольцевой радиальной стенкой 34, которая образует наружную в осевом направлении стенку картера ВД 6 и ограничивает осевой кольцевой вход 35 компрессора ВД 16 вокруг центрального тела 32 наружной осевой стенки 31 наружного картера двигателя. Таким образом, вместе с радиальным фланцем 33 и радиальной стенкой 34 промежуточная стенка 23 образует теплоизолирующий промежуточный картер.

Теплопроводящая внутренняя цилиндрическая стенка 22, осевой конец которой направлен к ступени ВД 1, ограничивает вместе с находящейся напротив теплопроводящей радиальной стенкой 21d вход главной камеры 19 сгорания, неподвижно соединена своим противоположным осевым концом с кольцевым радиальным фланцем 36, аналогичным фланцу 33, образующим, таким образом, промежуточную в осевом направлении часть картера ВД 6, которая охватывает центральную часть ротора ВД 4 и на которой установлены неподвижные лопатки диффузора 10 и направляющего аппарата 14 ступени ВД 2. Таким образом, внутренняя стенка 22 вместе с фланцем 36 образует теплопроводящий внутренний картер, охватывающий камеры сгорания 19 и 20.

Картер ВД 6 содержит также, в осевом направлении внутрь двигателя, теплопроводящую кольцевую радиальную стенку 21е, выполненную заодно с осевым концом цилиндрической части 21с центральной перегородки 21, отделяющей камеры 19 и 20 сгорания друг от друга, при этом указанная кольцевая стенка 21е ограничивает вокруг теплопроводящего центрального тела 37, установленного на центральной перегородке 21 и в осевом продолжении центрального тела 32, осевой кольцевой выход 38 турбины ВД 18, который одновременно является осевым входом вспомогательной камеры 20 сгорания.

Картер НД 5 дополнен также, в осевом направлении внутрь, кольцевой радиальной стенкой 39, которая выполнена из теплоизоляционного материала и охватывает осевой кольцевой выход 40 турбины НД 17, сообщающийся с наружным пространством наружного картера 24-27-31 двигателя через выпускные отверстия, выполненные в виде отдельных каналов 41, имеющих форму лучей, направленных по существу радиально наружу относительно оси XX и ограниченных между внутренней радиальной стенкой 39 и другой, теплоизолирующей внутренней радиальной стенкой 42, которая, с одной стороны, выполнена заодно с теплоизолирующим внутренним центральным телом 43 в осевом продолжении наружного центрального тела 28 и, с другой стороны, ограничивает с радиальной стенкой 21d радиальный канал, отводящий радиально наружу газы сгорания, выходящие в осевом направлении из вспомогательной камеры 20 сгорания. Следует отметить, что радиальное пространство между теплоизолирующими стенками 39 и 42 может быть разделено на радиальные каналы 41 нервюрами, выполненными заодно со стенкой 42 и центральным телом 43, а выпускные каналы 41 продолжены втулками, не показанными на чертеже, но обозначенными на фиг.1 пунктирной линией, проходящими радиально через промежуточный и наружный картеры двигателя и, в частности, через промежуточную 23 и наружную 24 цилиндрические стенки, выходя наружу двигателя.

Необходимо также отметить, что роторы НД 3 и ВД 4 поддерживаются в осевом и радиальном направлениях газовыми подшипниками, такими как два газовых упора 44, между ротором 3 и центральными телами 28 и 43, а также два газовых упора 45 между ротором 4 и центральными телами 32 и 37 для удержания в осевом направлении, и аэродинамические подшипники, схематично показанные под обозначениями 46 и 47, для удержания в радиальном направлении роторов 3 и 4 соответственно вокруг центральных корпусов 28 и 32, при этом указанные газовые подшипники имеют автономное питание (гидродинамические подшипники) или питаются сжатым воздухом (гидростатические подшипники), отбираемым на выходе, по меньшей мере, одного компрессора, предпочтительно компрессора ВД 16, и направляемым к этим подшипникам через небольшие каналы (не показаны), выполненные в толще стенок. Как известно, эти газовые подшипники могут быть гладкими подшипниками скольжения, подшипниками с листовыми или поворотными вкладышами, тогда как осевые газовые упоры 44 и 45 могут быть гидростатического или гидродинамического типа, предпочтительно со спиральными канавками, и используются наиболее часто с учетом простоты изготовления и эффективности.

Циркуляция газов в этой газовой микротурбине, габаритный диаметр которой составляет примерно 15 мм, а соотношение между осевым и радиальным размерами близко к 1, происходит следующим образом, с учетом того, что входящим газом является окружающий воздух.

Наружный воздух всасывается через кольцевой вход 30 (стрелки F1) центробежного компрессора НД 15 при вращении колеса 7 ротора НД 3 и проходит в это колесо 7, затем в лопаточный диффузор 9, и после первого сжатия (стрелки F2) сжатый воздух НД направляется (стрелки F3) на кольцевой вход 35 компрессора ВД 16 через наружный канал 25 сжатого воздуха НД, в котором этот воздух предпочтительно может охлаждаться, если внутренняя поверхность и/или наружная поверхность наружной цилиндрической стенки 24 картера двигателя оборудована ребрами, или выступами, или аналогичными радиаторными элементами, как схематично показано пунктирной линией в виде ребер 48, выступающих снаружи на наружной стороне наружной стенки 24. Поскольку промежуточная стенка 23, ограничивающая канал 25 сжатого воздуха НД, является теплоизолирующей, эта стенка 23 позволяет избежать нагрева сжатого воздуха НД горячими или нагреваемыми внутри этой стенки 23 газами или компонентами.

Сжатый воздух НД, поступивший на вход 35 центробежного компрессора ВД 16, проходит затем в диффузор 10, и после этого второго сжатия (стрелки F4) сжатый воздух ВД направляется внутренним каналом 26 (стрелки F5) к входу главной камеры 19 сгорания, в которой сжатый воздух ВД смешивается с топливом (топливо или водород), впрыскиваемым в эту камеру 19 сгорания через один или несколько трубопроводов подачи топлива, таких как радиальный трубопровод 49, после чего эта смесь воспламеняется при помощи воспламенителя 50 электрического типа, который, как и топливный трубопровод 49, радиально проходит через стенки 24, 23 и 22 от наружной стороны двигателя и заходит в главную камеру 19 сгорания. Двойным преимуществом того, что внутренний картер или внутренняя стенка 22, отделяющая внутренний канал 26 подачи сжатого воздуха ВД от главной камеры 19 сгорания, выполнена из теплопроводящего материала, является охлаждение этого материала с одновременным нагреванием сжатого воздуха ВД, направляемого в канал 26 перед его подачей в главную камеру 19 сгорания, ограниченную теплопроводящими стенкой 22 и перегородкой 21. Газы, полученные в результате сгорания в камере 19, направляются сужающимся каналом вокруг части 21а в виде усеченного конуса перегородки (стрелки F6) к входу направляющего аппарата 14 турбины ВД 18, затем проходят в колесо 12 центростремительной турбины ВД, в котором они расширяются, и эти отработавшие газы выходят из детандера ступени ВД 2 через кольцевой выход 38, проходят на вход вспомогательной камеры 20 сгорания (стрелки F7) и попадают в объем в виде усеченного конуса, ограниченный центральной перегородкой 21а и сужающийся в осевом направлении к выходу вспомогательной камеры 20 (стрелки F8), откуда газы сгорания направляются (стрелки F9) радиальным каналом, ограниченным между стенками 21d и 42, а затем в осевом направлении (стрелки F10) внутрь промежуточной стенки 23 до наружного радиального входа направляющего аппарата центростремительной турбины НД 17, колесо 11 и ротор НД 3 которой приводятся во вращение газами сгорания, которые расширяются, затем выходят из ступени НД 1 через осевой кольцевой выход 40 турбины 17 (стрелки F11), затем через радиальные выпускные каналы 41 наружу картера двигателя (стрелки F12).

Преимуществом наличия вспомогательной камеры 20 сгорания, объем в виде усеченного конуса которой ограничен центральной перегородкой 21, является то, что она позволяет повторно нагревать газы сгорания, поступающие от выхода главной камеры 19 сгорания и охлаждающиеся во время расширения в турбине ВД 18, чтобы получить больше мощности в турбине НД 17. Для этого во вспомогательную камеру 20 сгорания подается топливо через один или несколько топливных трубопроводов, таких как радиальный трубопровод 49', аналогичный топливному трубопроводу 49 подачи топлива в главную камеру 19, но заходящий вблизи входа вспомогательной камеры 20 сгорания не только через стенки 24, 23 и 22, но также через цилиндрическую стенку 12с, при этом в этой вспомогательной камере 20 сгорания горение смеси топлива, поступающего через трубопровод 49', и газов, выходящих из турбины ВД 18, обеспечивается либо самовоспламенением за счет высокой температуры газов, выходящих из турбины ВД 18, либо при помощи другого воспламенителя (не показан), аналогичного воспламенителю 50, предусмотренному для главной камеры 19 сгорания, и проходящего также через стенки 24, 23, 22 и 21с, заходя своим концом во вспомогательную камеру 20 сгорания, немного сзади конца топливного трубопровода 49', при этом газы сгорания в камерах 19 и 20 сгорания циркулируют противоположными потоками, что дополняет другие технические признаки конструкции и выбора материалов, обеспечивая с ними отличный контроль за тепловыми потоками в этой газовой микротурбине, имеющей в результате такой комбинации повышенный КПД. Действительно, каждый из элементов конструкции (стенки 23, 34, 39, 42 и, в частности, фланец 33), отделяющих холодные части (колеса 7, 8 компрессоров и стенки 24, 27, 31) от горячих частей (камеры 19, 20 сгорания, стенка 22, перегородка 21 и колеса 11, 12 турбин), выполнен из теплоизоляционного материала, тогда как каждый из элементов конструкции, входящих в состав только одной части, выполнен, по меньшей мере, из одного теплопроводящего материала, что улучшает аэродинамические характеристики газотурбинного двигателя, способствуя охлаждению наружного картера 24-27-31 газотурбинного двигателя и обоих колес 7, 8 компрессоров за счет радиации, и/или теплопроводности, и/или конвекции и одновременно поддерживая температуру в горячих частях центрального объема газотурбинного двигателя.

На фиг.2 показан вариант выполнения газовой микротурбины, «объемной» или в виде «термодинамического кокона», который является более сложным и более эффективным с точки зрения энергетики по своей конструкции, которая в принципе предусмотрена для наземных вариантов применения, для которых основным критерием является не масса установки, а высокий энергетический КПД.

В этом варианте выполнения наружный картер 24-27-31 микротурбины погружен большей частью своей осевой высоты в герметично закрытый водяной резервуар 51 с наружным теплоизолирующим кожухом 52 предпочтительно с двойной стенкой таким образом, чтобы только часть наружного картера, охватывающего картер 5 ступени НД 1, выступала над верхней стенкой наружного кожуха 52 резервуара 51. Микротурбина, частично погруженная в резервуар 51, по существу аналогична микротурбине, показанной на фиг.1, за исключением трех моментов: во-первых, внутренняя сторона наружной цилиндрической стенки 24 содержит радиаторные выступы 48' вместо охлаждающих ребер 48 на наружной стороне этой стенки 24 на фиг.1. Другим отличием является то, что наружный буртик 29, охватывающий воздушный вход 30 в ступени НД 1 на фиг.1, в варианте на фиг.2 выполнен в виде канала 29' подачи газа в стартерное устройство, описанное ниже, для обеспечения запуска микротурбины. Третьим существенным отличием является наличие входа 53, выполненного в виде небольшого по существу радиального канала, проходящего через наружную 24 и промежуточную 23 цилиндрические стенки, и канала 25 сжатого воздуха НД, чтобы установить сообщение между внутренним пространством верхней кольцевой камеры 54 резервуара 51 и частью наружной радиальной периферии радиального канала, ограниченного в микротурбине между радиальными стенками 21d и 42, при этом части и компоненты микротурбины, показанной на фиг.2, идентичные соответствующим частям и компонентам микротурбины на фиг.1, обозначены одинаковыми позициями, и их описание опускается.

В варианте выполнения, показанном на фиг.2, отработавшие газы, выходящие из турбины НД 17 через по существу радиальные каналы 41 микротурбины, направляются в окружающую атмосферу (стрелки F13) через изолированные каналы 55, проходящие через резервуар 51, из которых на фиг.2 показан только один, и выходящие наружу на уровне нижней стенки его кожуха 52. Вода, содержащаяся в нижней камере 56 резервуара 51, нагревается микротурбиной при контакте с ее наружным картером 24-31, а также выпускными каналами 55 таким образом, что эта вода, попадающая в нижнюю камеру 56 резервуара 51 через нижний боковой водяной вход 57, преобразуется в водяной пар под давлением. Когда давление водяного пара в нижней камере 56 становится, по меньшей мере, равным давлению отработавших газов, выходящих из вспомогательной камеры 20 сгорания, клапан 58, установленный в поперечной перегородке 59, разделяющей камеры 54 и 56 резервуара, и откалиброванный на соответствующее давление, открывается, и водяной пар заполняет верхнюю камеру 54 и попадает через боковое отверстие 53 (стрелки F14) в микротурбину, где водяной пар смешивается с отработавшими газами, выходящими из вспомогательной камеры 20 сгорания, и затем проходит в турбину НД 17.

Преимуществом этого варианта выполнения с термодинамическим циклом в комбинации со смешиванием водяного пара с отработавшими газами является снижение температуры отработавших газов до уровня, более приемлемого для направляющего аппарата 13 и колеса 11 турбины НД, а также повышение расхода газа, проходящего в турбину НД 17, и, следовательно, увеличение производимой мощности. Водяная оболочка (в виде пара или жидкости), окружающая турбину, изолирует ее от наружного пространства, снижая, таким образом, энергетические потери и облегчая ее интегрирование в предназначенный для нее корпус потребителя, для которого необходимо наличие встроенного источника энергии.

В варианте выпускные каналы, такие как каналы 55, могут быть продолжены до конденсатора (не показан), чтобы собирать воду, содержащуюся в выхлопных газах турбины.

Что касается формы полезной энергии, производимой микротурбиной, то механическую энергию можно отбирать на валу (не показан), соединенном с ротором НД 3, на котором установлено колесо 11 турбины НД или силовой турбины, вращающееся с высокой скоростью (несколько сотен тысяч оборотов в минуту), учитывая его небольшой размер в этой микротурбине.

Вместе с тем, наиболее предпочтительной и наиболее подходящей для использования формой полезной энергии, производимой турбиной НД 17 или силовой турбиной, является электричество.

Учитывая небольшие размеры, предпочтительно используют электрогенератор магнитного типа. Действительно, электрогенераторы электростатического типа требуют значительного уменьшения воздушного зазора, что приводит к гораздо большему рассеянию энергии из-за трения между воздухом и стенками и, следовательно, к значительному нагреванию. Поэтому для получения полезной энергии порядка 100 Вт используют электрогенератор магнитного типа, воздушный зазор которого составляет, по меньшей мере, 10 мкм. Как правило, на роторе (обычно подвижный диск) закрепляют, по меньшей мере, один постоянный магнит и напротив него на статоре крепят, по меньшей мере, одну плоскую катушку. В случае микротурбины, как было предложено в вышеупомянутых патентах US 5932940 и 6392313, постоянный магнит можно установить непосредственно на диске, неподвижно соединенном с лопатками ротора компрессора НД, при этом катушки устанавливают напротив на картере. Однако, учитывая наличие горячей окружающей среды, существует опасность достижения точки Кюри и потери постоянным магнитом его магнитных свойств.

Чтобы предохранить электрогенератор магнитного типа от воздействия высоких температур вблизи роторов 3 и 4 микротурбины в соответствии с настоящим изобретением, предпочтительно применяют расположение, показанное на фиг.2 и описанное ниже.

В этой конструкции центробежный компрессор НД 19, имеющий соответствующие размеры, питает на выходе своего диффузора 9 два параллельных контура сжатого газа (воздуха) НД. Первый контур, как на фиг.2, питает (стрелки F2) компрессор ВД 16 через наружный канал 25 сжатого воздуха НД, тогда как второй контур содержит канал 60, выходящий за пределы наружного картера микротурбины через цилиндрическую стенку 24, продолжая по существу в радиальном направлении диффузор 9, и питает сжатым воздухом НД (стрелка F15) центростремительную турбину 61, содержащую кольцевой направляющий аппарат 62 с неподвижными лопатками, охватывающими колесо 63 центростремительной турбины, лопатки которого установлены на стороне ротора 64, выполненной в виде диска. На стороне роторного диска 64, противоположной лопаткам центростремительной турбины 61, на роторе 64 приклеен или соединен в паз постоянный магнит 65 в виде кольцевого диска, который вращается вместе с ротором 64 и с колесом 63 турбины напротив плоских катушек 66 индуктивности, закрепленных на дне цилиндрической выточки, выполненной в кронштейне 67 из теплоизоляционного материала, консольно закрепленном сбоку на кожухе 52 резервуара 51 и образующем часть картера турбогенератора 68, при этом дополняющая часть картера образована продолжением 69 кольцевой осевой концевой стенки 27 микротурбины. В этой части 69 картера турбогенератора 68 вокруг цилиндрического центрального тела 70 выполнено кольцевое отверстие, образующее осевой выход 71 центростремительной турбины 61, при этом поток сжатого воздуха НД, поступающий в эту турбину 61 через канал 60, направляется стороной роторного диска 64, обращенной к лопаткам колеса 63 турбины, в направлении оси вращения роторного диска 64, а после прохождения через эту турбину 61 расширенный воздух выходит через осевой кольцевой выход 71. Электрические токи, индуцируемые в катушках 66 при вращении магнита 65, поступают в аккумуляторную батарею 72 накопления электрической энергии и в ее электронные схемы управления и регулирования, при этом батарея 72 установлена под изолирующим кронштейном 67, который термически изолирует электрогенератор 65-66 и турбину 61 турбогенератора 68 от картера 24-31 микротурбины, охватывающего оба ротора 3 и 4, камеры 19 и 20 сгорания, а также каналы циркуляции сжатого воздуха НД 25 и ВД 26 и каналы циркуляции отработавших газов. Таким образом, в электрогенераторе 65-66 присутствуют только умеренные температуры, и он сохраняет свою электрическую эффективность. Как и роторы 3 и 4 микротурбины, ротор 64 турбогенератора 68 поддерживается в осевом и радиальном направлениях газовыми подшипниками, такими как аэродинамический подшипник 73, схематично показанный вокруг центрального корпуса 70 и аналогичный аэродинамическим подшипникам 46 и 47, показанным на фиг.1.

Кроме того, питание центростремительной турбины 61 турбогенератора 68 потоком сжатого воздуха НД, поступающего по каналу 60 от компрессора 15 ступени НД 1 микротурбины, может управляться открытием микроклапана 74, селективно перекрывающего канал 60.

В варианте питание центростремительной турбины 61 может обеспечиваться по каналу 60 через улитку (не показана), охватывающую эту центростремительную турбину 71, вместо центростремительного кольцевого диффузора 62 с неподвижными лопатками.

Батарея 72 может быть соединена силовым выходом мощности, схематично показанным на фиг.2 в виде двух проводников 75, по меньшей мере, с одним электрическим потребителем.

Частный вариант потребителя, питаемого проводником 76 от батареи 72, представлен электрическим(и) воспламенителем(ями) 50, связанным(и) с главной камерой 19 сгорания, а также возможными аналогичными воспламенителями (не показаны), связанными с вспомогательной камерой 20 сгорания.

Другим потребителем может быть нагревательное сопротивление 77, установленное внутри нижней камеры 56 резервуара 51 на дне кожуха 52 и питаемое электрическим проводником 78 от батареи 72 для производства водяного пара под давлением, питающего центростремительную турбину НД 17 микротурбины для запуска этой микротурбины, оборудованной электрическим стартером с нагревательным сопротивлением.

Вместе с тем, предпочтительно запуск микротурбины осуществляют при помощи пневматического устройства, так как другие компоненты, предназначенные для приведения во вращение ротора НД для запуска микротурбины, такие как, например, электрический привод, слишком чувствительны к горячей окружающей среде.

В варианте выполнения, показанном на фиг.2, пневматическое пусковое устройство является стартером 79, выполненным в виде газогенератора, работающего на горении твердого проперголя, при этом проперголевый патрон 80 устанавливают в трубчатой камере 81 сгорания стартера 79 перед каждым запуском микротурбины, при этом воспламенение патрона 80, например, с так называемым «низкотемпературным» проперголем управляется электрическим воспламенителем 82 или пиротехническим воспламенителем с электрическим приводом, установленным на дне камеры 81 сгорания, при этом воспламенитель 82 питается при помощи электрического проводника 83 от батареи 72, при этом трубчатая камера 81 сгорания воспламенителя 79 сообщается через сужающийся канал 84 с улиткой 85, выполненной внутри наружного буртика 29', охватывающего кольцевой воздушный вход 30 компрессора НД 15 микротурбины, таким образом, чтобы поток газов, полученный в результате сгорания твердого проперголя, направлялся по сужающемуся каналу 84, улитке 85 и входам 86 в осевую радиальную концевую стенку 27 картера микротурбины, приводя во вращение ротор 3 ступени НД 1. В частности, внутреннее пространство улитки 85 сообщается с внутренним пространством наружного картера микротурбины через почти тангенциальные отдельные входы 86, проходящие через этот картер и выходящие в канал колеса 7 компрессора НД, передавая крутящий момент на ротор 3 ступени НД 1.

Пока номинальные условия давления не достигнуты, микроклапан или вентиль 74, регулирующий поток сжатого воздуха НД в направлении турбины 61 турбогенератора 68, остается закрытым, чтобы облегчить запуск микротурбины.

В варианте вместо проперголевого патрона 80 можно использовать патрон со сжатым воздухом, устанавливаемый в пневматическом стартере, который является взаимозаменяемым с газогенераторным стартером 79.

Когда в некоторых вариантах применения более предпочтительным является использование на силовой турбине НД 17 полезной мощности в пневматическом виде, то в этом случае сжатый воздух получают непосредственно в виде потока сжатого воздуха НД, направляемого в канал 60. В этом случае канал 60 выполняют в виде улитки, охватывающей снаружи картер 5 ступени НД 1 для отбора сжатого рабочего воздуха в канале, типа трубки соединения с пневматическим потребителем.

На фиг.3 показан вариант микротурбины, показанной на фиг.1, в котором изменена только ступень ВД, поэтому другие части и компоненты микротурбины обозначены на фиг.3 теми же позициями, что и на фиг.1, и работают так же, в связи с чем их описание опускается.

На фиг.3 средства сжатия газов и средства расширения газов ступени ВД 2' уже не являются соответственно центробежным компрессором ВД 16, соединенным с кольцевым диффузором 10, и центростремительной турбиной ВД 18, соединенной с кольцевым направляющим аппаратом 14 и содержащей ротор 4, неподвижно соединяющий колесо 8 центробежного компрессора ВД с колесом 12 центростремительной турбины ВД, а выполнены в виде устройства, называемого волновым компрессором-детандером или «волновым ротором» (английское название «wave rotor») и еще иногда называемого «обменником давления», который содержит цилиндрический ротор, вращающийся вокруг своей оси в коаксиальном цилиндрическом картере, охватывающем ротор и содержащем, как правило, четыре стационарных окна или отверстия в картере, напротив которых движутся каналы, выполненные в роторе и, таким образом, поочередно оказывающиеся открытыми или закрытыми с концов, когда ротор вращается в картере, таким образом, чтобы воздух, поступающий через впускное воздушное окно, сразу же вступал в непосредственный контакт с горячими и сжатыми газами, поступающими через впускное газовое окно, и чтобы передача энергии происходила внутри каналов ротора путем перемещения волн расширения и волн сжатия соответственно в горячих газах и в воздухе, находящихся в непосредственном контакте в каналах, при этом сжатый воздух выходит из каналов через окно выпуска сжатого воздуха, а расширенные газы выходят через окно выпуска расширенных газов. Волновые компрессоры-детандеры или «волновые роторы» являются известными устройствами, основанными на принципах вышеуказанных немецкого и швейцарских патентов, а также нижеуказанных патентов США, и такие устройства с окнами впуска и выпуска воздуха и горячего газа, смешиваемых в двух радиальных концевых частях цилиндрического ротора, выпускаются под зарегистрированным товарным знаком COMPREX. Волновой компрессор-детандер, называемый также CODETON от французского наименования, раскрыт также в статье, озаглавленной «Волновой компрессор-детандер (CODETON) для газовых турбин и турбореактивных двигателей», Yves RYBAUD & Véronique QUINTILLA, NOUVELLE REVUE D'AERONAUTIQUE ET D'ASTRONAUTIQUE, № 5-1998, а усовершенствования конструкции и варианты применения волнового компрессора-детандера описаны во многих патентах, среди которых можно указать патенты US 3879937, US 4288203, US 4971524, US 5052895, US 5522217 и US 5894719. Волновые компрессоры-детандеры уже были предложены в качестве компонентов для повышения эффективности газовых турбин и для обеспечения наддува в двигателях внутреннего сгорания вместо классических турбокомпрессоров.

Хотя, как правило, каналы или ячейки, в которых передача энергии между сжатием и расширением происходит при непосредственном контакте между воздухом и горячими и сжатыми газами, являются в основном осевыми каналами или ячейками (прямые каналы, параллельные оси ротора, или изогнутые каналы, выходящие на обе радиальные концевые стороны ротора), недавно было предложено выполнять каналы или ячейки в основном радиальном направлении в роторе, в основном имеющем форму цилиндрического колеса, как правило, с двумя окнами, смещенными относительно друг друга в окружном направлении в стенке, находящимися во внутреннем радиальном положении относительно ротора и выполненными в статорном картере, и, как правило, с двумя окнами, смещенными относительно друг друга в окружном направлении в стенке, находящимися в наружном радиальном положении относительно ротора и выполненными в статорном картере, таким образом, чтобы в основном радиальные каналы (прямолинейные каналы или каналы, изогнутые в виде участка спирали) поочередно открывались или закрывались на своих внутреннем и наружном радиальных концах, при этом открывание происходит при прохождении напротив окон, выполненных в стационарных положениях во внутренней и наружной стенках статорного картера в виде отверстий, выполненных в этих стенках. Эти окна, как правило, в количестве четырех, обеспечивают как в ступени сжатия/расширения газотурбинных двигателей сообщение для текучей среды с остальной частью установки при помощи воздушного входа, выхода сжатого воздуха, соединенного с камерой сгорания, входа отработавших газов, поступающих от выхода камеры сгорания, и выхода отработавших газов, расширенных в радиальных каналах и направляемых к детандеру, такому, например, как турбина. Такой радиальный «волновой ротор» раскрыт, в частности, в публикации «NUMERICAL SIMULATION OF UNSTEADY-FLOW PROCESSES IN WAVE ROTORS», в «Proceedings of IMECE04, 2004 ASME International Mechanical Engineering Congress, November 13-19, 2004 Anaheim, California USA» (IMECE2004-60973).

В варианте, показанном на фиг.3, такой радиальный «волновой ротор», ротор 4' которого и четыре окна статорного картера 6' схематично показаны на фиг.4, используют в качестве ступени ВД 2' вместо турбокомпрессорной ступени ВД 2, показанной на фиг.1.

В варианте, показанном на фиг.3 и 4, сжатый воздух ВД, поступающий по наружному каналу 25 от выхода центробежного компрессора НД 15, заходит через осевой вход 35', выполненный в теплоизолирующей радиальной стенке 34' только на участке периферии центрального тела 32 теплопроводящей радиальной концевой стенки 31, сообщаясь с внутренней радиальной камерой 87 (см. фиг.4), ограниченной с одной стороны стенкой 88, выполненной в основном в виде закругленного Z из теплоизолирующего материала и закрепленной, не вращаясь, в радиальном направлении внутри кольцевого ротора 4', при этом камера 87 открыта через окно 89 в сторону радиальных каналов 90, проходящих через ротор 4', в которых сжатый воздух НД претерпевает новое сжатие при непосредственном контакте с горячими отработавшими газами, поступающими под давлением от выхода главной камеры 19 сгорания и заходящими в радиальные каналы 90 ротора 4' через окно 91, выполненное в картере 6' только на участке наружной радиальной периферии ротора 4' таким образом, чтобы сжатый воздух ВД выходил из каналов ротора 4' через окно 92, ограниченное в картере 6' на другом участке наружной радиальной периферии ротора 4' и сообщающееся с кольцевым каналом 26 сжатого воздуха ВД, направляемого на вход главной камеры 19 сгорания, и чтобы горячие газы, заходящие через окно 91 в каналы 90 ротора 4', выходили в расширенном и охлажденном состоянии через окно 93, выполненное на другом участке внутренней радиальной периферии ротора 4', в направлении внутренней радиальной камеры 94 на другой стороне Z-образной стенки 88 статорного картера, откуда эти расширенные горячие газы выходят через осевой выход 38', выполненный только на части периферии теплопроводящего центрального тела 37, выполненного заодно с теплопроводящей радиальной стенкой 21'е, в направлении вспомогательной камеры 20 сгорания, в которой газы опять нагреваются, как было описано со ссылкой на фиг.1, и затем направляются на центростремительную турбину НД 17 или силовую турбину, в которой газы расширяются и удаляются в окружающую атмосферу.

Как показано на фиг.3, в картере 6' ступени ВД 2', в котором находится волновой ротор 4', для того чтобы ограничить расширение в окружном направлении выходного окна 92 сжатого воздуха ВД, выходящего из радиальных каналов 90, и расширение в окружном направлении входного окна 91 отработавших газов, выходящих из главной камеры 19 сгорания и заходящих в радиальные каналы 90 ротора 4', кольцевой радиальный фланец 36', неподвижно соединенный с осевым концом теплопроводящей внутренней стенки 22, своим концом, обращенным к волновому ротору 4', неподвижно соединяют с теплопроводящей радиальной стенкой 21'е, за исключением участка на уровне входного окна 91, с одной стороны, и, с другой стороны, неподвижно соединяют с изолирующей радиальной стенкой 34', за исключением участка на уровне выходного окна 92. Точно так же, чтобы ограничить осевые входное 35' и выходное 38' отверстия, соответственно в камеру 87 и из камеры 93, ограниченные внутренней радиальной Z-образной перегородкой, неподвижно установленной внутри ротора 4', изолирующая радиальная стенка 34' находится в контакте с периферией центрального тела 32, за исключением участка на уровне осевого входа 35', а теплопроводящая стенка 21'е находится в контакте с теплопроводящим центральным корпусом 37 на периферии последнего, за исключением участка на уровне осевого выхода 38'.

Разумеется, в этой конфигурации использование волнового ротора 4', интегрированного в ступень 2' высокого давления, имеет свои преимущества, в частности, выражающиеся в простоте конструкции и в эффективности работы.