Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель (ГТДЕ), состоящий из асимметричного компрессора объемного сжатия роторного типа, прямоточной камеры сгорания, закрепленной на корпусе двигателя, своим выходом соединенная с торцом корпуса турбины, реактивной турбины, находящейся в закрытом корпусе и жестко сидящей на валу двигателя, который соединен с ротором компрессора. Такая конструкция двигателя обеспечивает большую степень сжатия в компрессоре, лопасти которого скользят по корпусу. В отличие от аналогов с осевыми и центробежными компрессорами и активными турбинами, ГТДЕ работает с малым объемом рабочего тела потому, что в турбине используется не только кинетическая энергия рабочего тела (воздуха), а и его потенциальная составляющая (энергия сжатия). Конструкция турбины такова, что лопасть находится в закрытом пространстве и имеет только одну степень свободы (вращение на валу двигателя). Сжатый компрессором, воздух разогревается в камере сгорания, приобретая дополнительное сжатие, т.к. его отток ограничен объемом камеры турбины. Продвигаемый компрессором, воздух через газовод турбины наполняет межлопастное пространство (камеру) перед лопастью. Имея большую степень сжатия рабочее тело, находящееся в камере, давит на лопасть, заставляя ее вращаться вместе с валом. Продвинув лопасть до выходного отверстия, воздух устремляется в регенератор или выхлопную трубу. Поток нагнетаемого воздуха перпендикулярен плоскости лопасти. Плоскость лопасти параллельна оси вращения. Таким образом, используются все возможности полной передачи энергии в ГТДЕ. Малый расход воздуха автоматически снижает расход топлива. Так, при одинаковой мощности полезной модели (ГТДЕ) и известных моделей газотурбинных двигателей с осевым компрессором и центробежной турбиной расход топлива в ГТДЕ в 8-15 раз ниже, что автоматически влечет за собой снижение вредных выбросов в 8-15 раз.

Модель относится к области двигателей внутреннего сгорания, в частности, к газотурбинным двигателям.

Газотурбинный двигатель используется на автомобильном, воздушном, водном, железнодорожном транспорте, в системах перекачки жидкостей и газов, мобильных и стационарных электрогенераторах.

Сущность полезной модели: газотурбинный двигатель (ГТДЕ) содержащий асимметричный компрессор объемного сжатия роторного типа с малым числом лопастей, прямоточную камеру сгорания, закрепленную на корпусе, и реактивную турбину, находящуюся на одной оси с компрессором, имеющую общий вектор направленности вращения вала и движения потока рабочего тела.

Известен газотурбинный двигатель, принятый за прототип, с осевым и центробежным компрессором, состоящим из нескольких секций, камерой сгорания, закрепленной на корпусе, и двухсекционной турбины, сидящей на одной оси с компрессором. (Учебное пособие под редакцией В.И.Крутова. Техническая термодинамика. Москва, «Высшая школа», 1991 г. стр.288)

Известен газотурбинный двигатель аналогичной конфигурации (Э.А.Манушин, В.Е.Михальцев, А.П.Чернобровкин. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок, под. Редакцией д.т.н. В.В.Уварова. Москва, «Машиностроение», 1977 г. стр.359, 361, 369)

Известен газотурбинный двигатель, который содержит размещенные на роторе систему подачи топлива, центробежный компрессор, камеру сгорания, центробежную турбину. (Патент России №2084666 С1 опубликован в 1997 г.)

Недостатки вышеперечисленного газотурбинного двигателя заключаются в том, что компрессор, примененный в нем, имеет значительные потери от протекания газа при сжатии в зазоры между лопастями и корпусом, что сказывается на эффективности этого процесса.

Достижение заданных параметров сжатия рабочего тела в 5-6 раз вынуждает увеличивать объем захватываемого воздуха, применять многоступенчатые процессы сжатия и увеличивать число оборотов вращения вала компрессора. Это сказывается на габаритах и массе устройства.

Турбина, имеющая решетчатую форму, не обеспечивает хорошее использование энергии газа, т.к. он проникает между лопастями и передает последним только часть своей кинетической энергии. Отсюда многоступенчатость и громоздкость конструкции. Для создания большой мощности требуется повышение массы рабочего тела, его температуры, что влечет за собой большой расход топлива.

Задача, решаемая предлагаемым вариантом газотурбинного двигателя (ГТДЕ), заключается в повышении полезного действия двигателя, упрощении конструкции, снижении расхода топлива на единицу полезной мощности.

Указанные технические результаты достигаются применением односекционного компрессора объемного сжатия роторного типа, позволяющего доводить степень сжатия рабочего тела (воздуха) до 10-15 раз, прямоточной камеры сгорания, аналогичной прототипу, выход из которой перпендикулярен к оси вращения турбины, турбины закрытого типа с перпендикулярно расположенными лопастями относительно вектора потока воздуха. Вектор потока воздуха совпадает с направлением вращения вала.

Возможно исполнение такого типа ГТДЕ с несколькими компрессорами, камерами сгорания и турбинами в различных комбинациях, в том числе, и со свободными осями вращения.

Применение регенератора в предлагаемом ГТДЕ позволяет еще больше повышать эффективность использования топлива.

В данном описании опускается вопрос применения видов топлива, т.к. конструкция может работать на любом топливе, вид которого допускает применяемая камера сгорания.

Предложенная конструкция турбины имеет маленький объем межлопастного пространства, что позволяет компрессору захватывать и сжимать небольшую массу рабочего тела и в камере сгорания использовать на разогрев рабочего тела небольшое количество топлива. Снижение расхода топлива прямо пропорционально снижает вредные выбросы двигателя.

Поскольку лопасть турбины, до достижения ее выходного отверстия, находится в закрытом пространстве, она испытывает давление, превышающее давление компрессора от 2-х и более раз, за счет этого крутящий момент на валу двигателя может достигать величины, существенно превышающей аналоги.

Регулируя положение входного отверстия на корпусе компрессора во время работы двигателя, меняется объем рабочего тела в двигателе, что приводит к резкому изменению мощности двигателя.

На рисунке 1 изображен простейший вариант ГТДЕ, который содержит вал 1, закрепленный на опорах вращения 2 в защищенном корпусе, компрессор объемного сжатия 3, камеру сгорания 4, турбину 5, лопасти которой жестко сидят на оси вращения.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом. Рабочее тело (воздух) входит в заборный канал компрессора 3, закрепленного на корпусе двигателя, лопасти которого связаны с осью вращения. По мере вращения вала 1 происходит сжатие рабочего тела и продвижение по выходному каналу компрессора в камеру сгорания 4.

В камере сгорания происходит процесс нагревания рабочего тела. Рабочее тело, расширяясь, через газовод-выход устремляется в межлопастное пространство турбины 5, заполняя его. При этом происходит выравнивание давления в выходном канале камеры сгорания и межлопастном пространстве, поскольку межлопастное пространство закрыто на заданный угол вращения.

Лопасть имеет свободу движения в корпусе турбины.

Созданное давление передается на лопасть турбины, которая передает усилие на вал 1, жестко связанный с лопастью.

Проходя по закрытому каналу, образованному корпусом турбины и самой турбиной, лопасть открывает выходной канал турбины 5.

Рабочее тело устремляется в выхлопную трубу или в регенератор, а следующая лопасть попадает под действие рабочего тела, непрерывно выходящего из камеры сгорания 4.

Для наглядности процессов происходящих в компрессоре приводится рисунок-схема 2, принципиальная конструкция турбины изображена на рисунке 3.

Пример.: Проведенными расчетами и моделированием работы ГТДЕ установлено, что при скорости вращения 3000 об/мин, температуре рабочего тела перед турбиной 1053 градуса К, диаметре 300 мм., длине 450 мм двигатель развивает мощность 550 квт. При этом расход воздуха (рабочего тела) составляет 0,25 кг./сек., расход условного топлива составляет 24 кг в час при полной нагрузке, что на порядок ниже аналогов. Крутящий момент на валу двигателя может достигать 525 кг.м., масса двигателя ориентировочно составит 50-70 кг.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий асимметричный компрессор объемного сжатия роторного типа с малым числом лопастей, прямоточную камеру сгорания и реактивную турбину, находящуюся на одной оси с компрессором, имеющую общий вектор направленности вращения вала и движения потока рабочего тела.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти односекционного компрессора не имеют щелей, скользят по поверхности корпуса, расположены параллельно оси вращения.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что корпус компрессора, имеющий овальную форму, асимметрично расположен относительно оси вращения, чем, совместно с поверхностью ротора, обеспечивает объемное сжатие рабочего тела.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что компрессор имеет возможность регулировать во время работы двигателя объем подачи воздуха, обеспечивая тем самым возможность резкого набора или сброса мощности двигателя.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасть, встроенная в ротор турбины, скользит внутри корпуса турбины, а ротор имеет газоводную канавку и предлопастную камеру (межлопастное пространство).

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что турбина находится в закрытом корпусе, имеющим входное и выходное отверстие.