Газотурбинный двигатель с винтовым компрессором

Авторы патента:

F04C18/16 - с геликоидальными зубьями, например шевронными или винтовыми

F02C3/055 - с компрессором, работающим по принципу объемного вытеснения

Газотурбинный двигатель с винтовым компрессором. Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к газотурбинным двигателям и может найти применение в авиастроении, судостроении, железнодорожном транспорте, генераторах электроэнергии, на газоперекачивающих станциях. Газотурбинный двигатель содержит компрессор для выработки и подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, в качестве которого используют винтовой компрессор. Технический результат - упрощение конструкции и увеличение коэффициента полезного действия, снижение себестоимости изготовления и повышение надежности, увеличение срока службы.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий компрессор высокого давления для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания (патент RU 2463465 C1 FО2C 7/20, опубл. 10.10.2011, бюл. 30). Однако недостатком указанного двигателя является сложная конструкция, высокая себестоимость, низкий коэффициент полезного действия.

В техническом отношении указанный газотурбинный двигатель является наиболее близким предлагаемой полезной модели и принят в качестве прототипа.

Перед полезной моделью была поставлена задача увеличения коэффициента полезного действия, упрощения, удешевления конструкции.

Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции и увеличение коэффициента полезного действия, снижение себестоимости изготовления и повышение надежности, увеличение срока службы.

Технический результат достигается за счет того, что в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор для выработки и подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, в качестве компрессора используют винтовой компрессор.

На чертеже условно изображен газотурбинный двигатель.

Газотурбинный двигатель содержит винтовой компрессор 1 с винтовым блоком 2, включающим два винта 3 и 4, устройство подачи компрессорного масла 5 в винтовой блок 2, воздушно-масляный сепаратор 6, воздушно-масляный радиатор 7, рекуператор 8, камеру сгорания 9 с устройством подачи топлива 10, газовую турбину 11.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Атмосферный воздух всасывается в винтовой блок 2, где смешивается с компрессорным маслом, подаваемым отдельными порциями из устройства подачи компрессорного масла 5. Сжатый в винтовом блоке 2 воздух попадает в воздушно-масляный сепаратор 6, в котором происходит разделение масла и воздуха. Масло, отделяемое в сепараторе 6, возвращается обратно в винтовой блок 2.

Очищенный от масла в воздушно-масляном сепараторе 6 воздух через воздушно-масляный радиатор 7 и теплообменник рекуператора 8 поступает в камеру сгорания 9, куда одновременно подается топливо посредством устройства подачи топлива 10. Продукты сгорания топлива проходят через газовую турбину 11, в которой энергия направленной струи газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию, передаваемую далее на исполнительный механизм (не показан). Работа, производимая исполнительным механизмом, является полезной работой газотурбинного двигателя. Часть энергии на валу газовой турбины 11 может расходоваться на приведение в действие винтов 3 и 4 винтового блока 2 компрессора 1.

Продукты сгорания топливно-воздушной смеси, пройдя через турбину 11, подаются в теплообменник рекуператора 8, где отдают часть своей энергии воздуху, поступающему в камеру сгорания 9, и лишь затем выбрасываются в атмосферу. Винтовой компрессор 1 относится к машинам объемного принципа действия, в которых рабочий процесс осуществляется в результате изменения объема рабочей среды. Винты 3 и 4 во время работы находятся на некотором расстоянии друг от друга, и этот зазор уплотняется масляной пленкой. Трущихся элементов нет. Пыль и другие мелкие твердые частицы при попадании в винтовой блок 2 не вызывают существенных повреждений. Указанное удлиняет срок службы не только компрессора 1, но и газотурбинного двигателя в целом, повышает его надежность. В ходе рабочего процесса сжимаемый воздух постоянно охлаждается маслом, что снижает затраты механической энергии, требуемой для его сжатия. Тепло, отведенное маслом, выбрасывается в атмосферу через воздушно-масляный радиатор 7. Через этот же радиатор проходит и сжимаемый воздух, где он дополнительно охлаждается. Конструкция винтового компрессора 1, содержащего винтовой блок 2 из винтов 3 и 4, является наиболее простой по сравнению с конструкцией других компрессоров, содержащих, к примеру, требующие высокой точности и чистоты обработки лопатки осевого компрессора. Применение винтового компрессора в газотурбинном двигателе позволяет повысить его коэффициент полезного действия.

Принцип работы винтового компрессора позволяет уменьшить энергетические затраты на сжатие воздуха, поскольку воздух охлаждается маслом непосредственно в процессе сжатия. Это же обстоятельство позволяет эффективно использовать тепловую энергию продуктов сгорания газотурбинного двигателя (в процессе рекуперации), что так же ведет к повышению коэффициента полезного действия.

Особенностью предлагаемого газотурбинного двигателя является то, что на входе в камеру сгорания имеется рекуператор, через который проходят газообразные продукты сгорания топлива.

Причиной повышения коэффициента полезного действия газотурбинного двигателя с винтовым компрессором является следующее:

1. Низкая температура воздуха, подающегося в камеру сгорания 9.

На вход камеры сгорания 9 после винтового компрессора 1 подается более холодный, а значит, более плотный, сжатый воздух с большим содержанием кислорода в единице объема, что повышает интенсивность горения топлива в камере сгорания 9. Кроме того, это позволяет более эффективно использовать процесс рекуперации.

2. Эффективная рекуперация.

Эффективная рекуперация обеспечивается тем, что на входе в камеру сгорания 9 установлен рекуператор 8, через теплообменник которого проходят газообразные продукты сгорания топлива. Рекуперация в двигателе с винтовым компрессором осуществляется так же, как и в других газотурбинных двигателях с рекуператорами путем отбора тепловой энергии продуктов сгорания для нагрева и расширения воздуха на входе в камеру сгорания 9. При этом рекуператор 8, в котором происходит теплообменный процесс, устанавливается непосредственно перед камерой сгорания 9. В случае с использованием винтового компрессора рекуперация происходит более эффективно за счет большей, чем в других двигателях, разницы между температурой воздуха на входе камеры сгорания 9, близкой к температуре окружающей среды, и температурой продуктов сгорания на выходе газотурбинного двигателя (не ниже 650°C). За счет дополнительной энергии, получаемой путем ее отбора у продуктов сгорания, уменьшаются безвозвратные потери энергии и повышается коэффициент полезного действия.

3. Простота конструкции винтового компрессора.

Простота конструкции позволяет снизить себестоимость изготовления газотурбинного двигателя в целом, что повышает экономический эффект от применения винтового компрессора. Таким образом, повышение коэффициента полезного действия происходит не только за счет применения более эффективного, чем другие, винтового компрессора, но и за счет более эффективной рекуперации - использования части теплоты продуктов сгорания для нагрева и расширения холодного сжатого воздуха, поступающего от винтового компрессора в камеру сгорания посредством теплообменного процесса, происходящего в рекуператоре.

В настоящее время имеет место массовое производство недорогих винтовых компрессоров промышленного типа с широкой номенклатурой характеристик, которые могут быть использованы в предлагаемых газотурбинных двигателях. Газотурбинный двигатель с винтовым компрессором обладает новизной, промышленной применимостью.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор для выработки и подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, отличающийся тем, что в качестве компрессора используют винтовой компрессор.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на входе в камеру сгорания содержит рекуператор, через который проходят газообразные продукты сгорания топлива.