Импульсная газожидкостная турбина

Полезная модель направлена на повышение экономичности, надежности и увеличение срока службы газотурбинных двигателей (ГТД).

Указанные задачи решаются с помощью добавления к известным конструкциям ГТД системы подачи жидкости с возвратным циклом. Система подачи жидкости оборудована клапанными механизмами, широко распространенными в гидросистемах различных типов. С помощью распределителя (например, золотникового типа) в сопло, соединенное с накопительной камерой, а затем на лопатки турбины, под действием рабочего газа порциями подается рабочее тело, в состав которого входит жидкость. Рабочее тело с большой удельной плотностью, образующееся при слиянии потоков газа и жидкости, позволяет эффективно использовать рабочий газ, повысить экономичность, надежность и увеличить срок службы ГТД.

Газовые турбины распространены в качестве мощных силовых установок. Преимущество газотурбинных двигателей (ГТД) в их легкости, простоте устройства и длительном сроке службы. Недостатки всех газовых турбин в их малой экономичности. В последнее время все острее встают проблемы экономии природных ресурсов, используемых в качестве топлива, и отсюда следуют задачи повысить эффективность используемых и проектируемых ГТД. В качестве рабочего тела в ГТД используется газовая струя. Большой удельный расход рабочего тела, а вследствие этого и энергии для его получения, не позволяют распространить газотурбинные двигатели для маломощных и бытовых установок.

Эффективность газовой турбины зависит от массы рабочего тела, скорости, с которой оно взаимодействует с лопатками турбины, а также от организации потока газа.

Однако простое увеличение указанных параметров не приводит к прямому результату увеличения эффективности ГДТ.

Например, для увеличения массы газа, действующего на лопатки турбины, нужно увеличить его расход, а это ведет к обратному результату. Для повышения скорости истечения газовой струи необходимо увеличивать давление и температуру рабочего газа, что ведет к необходимости использовать специальные конструкционные материалы, подшипники, смазки, дополнительные устройства, приборы и механизмы, а это усложняет конструкцию ГДТ, нивелируя его преимущество в простоте и надежности.

Поток газа поступает непрерывной струей, вследствие чего часть его теряется в зазорах между лопатками, расход топлива повышается, снижая эффективность ГТД.

Повысить эффективность ГТД можно за счет порционной подачи газа на лопатки турбины, как это предложено в полезной модели «Пульсирующий двигатель детонационного типа» патент RU 67190 U1 от 15.06.2007 г.

Выбрав указанную конструкцию в качестве прототипа, считаю ее недостатками:

1. Сложность конструкции, обусловленную составной детонационной камерой и многочисленным дополнительным оборудованием.

2. Сложность обеспечения эффективности порционной подачи рабочего газа на скоростях вращения подобной газовой турбины.

3. Дополнительное снижение надежности и долговечности конструкции ГДТ за счет размещенного на выходе детонационной камеры регулируемого клапана, который работает в условиях повышенных температур и давлений.

Я предлагаю техническое решение, которое позволяет упростить конструкцию, снизить рабочие обороты турбины без снижения крутящего момента на рабочем валу, увеличить эффективность и срок службы установки. Схема импульсной газожидкостной турбины в варианте №1 показана на фиг.1.

1 - резервуар; 2 - всасывающая магистраль; 3 - подкачивающий насос; 4 - газовая магистраль; 5 - нагнетающая магистраль; 6 - сливная магистраль; 7 - обратный клапан; 8 - распределитель; 9 - накопительная камера; 10 - регулируемый клапан; 11 - сопло; 12 - лопатка турбины.

Жидкость из резервуара 1 с помощью подкачивающего насоса 3 по всасывающей магистрали 2 и нагнетающей магистрали 5 подается через открытый распределитель 8 в накопительную камеру 9. При этом обратный клапан 7 закрыт под давлением своей пружины, а регулируемый клапан 10 открыт для выпуска оставшегося газа. При дальнейшем повороте распределителя 8 перекрывает нагнетающую магистраль 5 и открывает газовую магистраль 4. Жидкость под давлением открывает обратный клапан 7 и перетекает в резервуар 1, а газ под давлением подается в накопительную камеру 9 и выталкивает порцию жидкости на лопатку турбины 12. Отработанная жидкость стекает обратно в резервуар 1 по возвратной магистрали (на рисунке не показана).

Во время работы турбины на ее лопатки воздействуют порции жидкости, температура которых намного ниже температуры рабочих газов, что упрощает конструкцию, дает возможность применять обычные материалы. Плотность жидкости выше плотности газа,

соответственно заряд жидкости при меньшей скорости движения обладает такой же кинетической энергией, что и соответствующий заряд потока газа. Это позволяет снизить скорость вращения турбины и износ движущихся частей установки, продляя ее срок службы и повышая надежность. Для выталкивания заряда жидкости на каждую лопатку турбины используется потенциальная энергия рабочего газа, а закрытые полости, в которые поступают заряды жидкости и газа, уменьшают их потери, что повышает эффективность установки, снижая ее энергопотребление.

Основные отличия от прототипа:

1. замена сложной детонационной камеры, в которой находятся газы под большим давлением и высокой температурой, и дополнительного оборудования на накопительную камеру для жидкости под малым давлением (давление подкачки) и невысокой температурой.

2. регулируемый клапан работает в принципиально других условиях.

3. использование жидкости в составе рабочего тела газовой турбины.

Технический результат:

1. повышение экономичности установки за счет регулировки подачи рабочего тела, в состав которого входит жидкость, порциями отдельно на каждую лопатку турбины.

2. увеличение надежности и срока службы всей установки за счет того, что ответственные детали работают в некритических условиях.

Импульсная газожидкостная турбина, содержащая турбину с лопатками и выходным валом, по крайней мере, одно сопло, узел регулировки и присоединенную к нему газовую магистраль, отличающаяся тем, что к узлу регулировки дополнительно присоединена система подвода жидкости, содержащая бак, подкачивающий насос, всасывающую, нагнетающую магистрали и систему возврата жидкости в бак, а сопло соединено с накопительной камерой, оборудованной регулируемым клапаном.