EA008268B1 - Микрореактивная турбина с объединёнными камерой сгорания и ротором - Google Patents

Abstract

Предложено устройство мелкого масштаба для выработки тепла и энергии, которое содержит маленькую вращательную турбомашину, так что сжатие, нагревание и расширение рабочей среды происходят в соединенных вращающихся элементах с диаметром меньше 200 мм, и которая затем имеет скорость вращения свыше 50000 об./мин, причем ротор полностью или частично вращается в атмосфере, которая создается расширенным газом или паром. Дополнительные упоминаемые отличительные признаки включают в себя многоступенчатый компрессор, внутреннее охлаждение рабочей среды, восстановление остаточного тепла (регенерация) из расширенных газов, внешнее нагревание рабочей среды и способ, основанный на двухфазном веществе в качестве рабочей среды.

Description

Изобретение относится к устройству для получения механической работы (энергии) и тепловой энергии (тепла) из топлива в пределах энергетической шкалы небольшой мощности (порядок величины механической энергии 10 Вт-150 кВт).

В уровне техники известны турбины описанного выше типа. В газовой турбине (цикл Брайтона) газ сжимается в компрессоре, нагревается в камере сгорания (в результате чего объем газа увеличивается) и затем расширяется в турбине. Увеличенный объем газа при расширении приводит к большей подводимой работе расширения, чем необходимая работа сжатия, что приводит к чистому выигрышу в энергии. В цикле паровой турбины (цикл Ренкина) жидкость сжимается с использованием насоса, испаряется в бойлере и затем расширяется в турбине. Разница между работой сжатия и работой расширения означает, что в этом случае также есть чистый выигрыш в энергии, но разность фаз (жидкостная/газовая) означает то, что разница между работой сжатия и расширения гораздо больше, чем в цикле газовой турбины.

В обоих случаях работа осуществляется во вращающейся турбомашине в результате преобразования кинетической энергии (энергии движения) и потенциальной энергии (давление) газов в механическую энергию. Этот принцип может быть описан с использованием интегрального баланса кинетического момента.

Газ (или пар) прилагает усилия, связанные с локальным давлением и с любым изменением скорости потока среды, на стенки каналов (лопаток) вращающегося ротора.

В основном, по меньшей мере три механизма потерь возникают во время сжатия и расширения:

1. утечка газа (или пара) через зазоры между движущимися поверхностями ротора и неподвижным корпусом;

2. потери от соударения при переходе потока из одного канала в другой канал;

3. потери на трение (у стенок канала и ротора и внутри в текущей среде).

Потери от утечек зависят от ширины зазоров. Ввиду ограниченной абсолютной размерной точности, с которой подвижные уплотнения могут быть выполнены (и также ввиду теплового расширения), проблемы, связанные с уплотнением, существенны, в особенности в случае малых габаритных размеров компрессора и ротора турбины.

Кроме того, потери от соударения пропорциональны толщине перегородок между каналами (толщине лопаток), которые также становятся относительно большими, если ротор имеет малые габаритные размеры.

Наконец, скорости и площадь поверхности стенки увеличиваются относительно площади поверхности протекающего потока в случае малых размеров.

В публикации νΟ 00/39440 описана реактивная турбина, содержащая вход, расположенный вблизи центральной оси вращения, причем этот вход фактически разделен на ряд входных каналов, соединяющихся с рядом отдельных зон горения, и выходных каналов, проходящих к периферии.

В публикации νθ 90/01625 раскрыта вращающаяся камера сгорания, границы которой образованы кожухом водяного охлаждения, который образует круговую границу с помощью центробежных воздействий.

Патент ΌΕ 441730 раскрывает устройство без компрессора. В патенте США 846971 (от 1906г.) описан многоступенчатый турбонасос. В патенте США 3226085 описана ротационная турбина, имеющая неподвижную и вращающуюся части.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание устройства вышеописанного типа, в котором потери (которые являются относительно большими, в частности, в случае малых размеров) исключаются или существенно снижаются. Согласно настоящему изобретению эта цель достигается свойствами устройства согласно п.1 формулы изобретения. Согласно настоящему изобретению усовершенствование по сравнению с предшествующим уровнем техники достигается путем

1. выполнения сжатия, нагревания и расширения в одном канале, который закрыт, за исключением входных и выходных отверстий, и не должен быть герметичным по отношению к корпусу турбины;

2. присоединения компрессионного канала без какого-либо лопаточного перехода к камере сгорания, которая, в свою очередь, присоединяется без какого-либо лопаточного перехода к расширительному каналу;

3. обеспечения ротора заранее смешанной газовой/воздушной смесью, которая подлежит сжиганию в роторе;

4. сохранения, где возможно (в частности, ниже по потоку от компрессора), относительно низких скоростей, в результате чего потери на трение уменьшаются;

5. осуществления работы в горячем газе с относительно низкой вязкостью.

За счет того факта, что газ действует на ротор через комбинацию количества движения и сил сжатия, турбина относится к категории реактивных турбин.

Основной вариант осуществления изобретения содержит устройство, имеющее вышеописанные характеристики (1-5), в котором газовая/воздушная смесь с небольшим избытком воздуха всасывается, сжимается в рабочем колесе компрессора, сгорает в камере сгорания, которая жестко присоединена к нему, а затем расширяется в расширительном рабочем колесе, которое жестко присоединено к нему.

Одним отличительным признаком основного варианта осуществления изобретения является небольшой избыток воздуха в газовой/воздушной смеси. Небольшой избыток воздуха позволяет реализовать высокую температуру горения, которая является выгодной для эффективности преобразования (эф

- 1 008268 фективность Карно).

Дополнительным отличительным признаком является то, что ротор вращается в расширенных газообразных продуктах сгорания (которые все еще имеют относительно высокую температуру) и, соответственно, трение стенок является относительно низким.

В связи с вышеупомянутыми отличительными признаками здесь следует отметить, что основной вариант осуществления изобретения представляет собой высокоскоростное применение вращающейся турбомашины. Предполагаемая скорость вращения составляет более 50000 об./мин.

Степень сжатия (конечное давление компрессора относительно начального давления) является важной для эффективности настоящего изобретения. В варианте осуществления изобретения с одноступенчатым центробежным компрессором степень сжатия и, следовательно, эффективность преобразования ограничены. В настоящем изобретении предусматривается использование компрессора с множеством ступеней, с кинетической энергией газа из одной ступени, восстанавливаемого и преобразуемого в механическую энергию передачей количества движения в потоке граничного слоя к дискам ротора. Таким образом, ступень компрессора получает статическое давление, передаваемое от предыдущей ступени, и кинетическая энергия газа накапливается для подведения энергии.

За счет того факта, что весь ротор вращается с большой периферийной скоростью, возможен хороший теплообмен с горячими газообразными продуктами сгорания вокруг ротора. Кроме того, тепло может обмениваться с корпусом ротора посредством излучения. Эти теплообменные свойства ротора делают возможным следующие конкретные варианты осуществления изобретения.

Прежде всего, тепловая энергия, которая все еще доступна в газообразных продуктах сгорания, может быть использована для предварительного нагрева сжатой газовой/воздушной смеси до ее горения в камере сгорания. Это восстановление остаточного тепла известно как регенерация. Это означает, что для получения определенной температуры из камеры сгорания потребуется меньше горючего, а КПД турбины возрастает.

Вторым вариантом для теплообмена со сжимаемой газовой/воздушной смесью является охлаждение газовой/воздушной смеси, во-первых, излучением из ротора к корпусу турбины и, во-вторых, охлаждением ротора с использованием относительно холодного входного воздуха. Охлаждая входную газовую/воздушную смесь, можно реализовать более высокую степень сжатия, что выгодно для эффективности термомеханического преобразования.

Третьим вариантом осуществления изобретения, в котором используется хороший теплообмен ротора с окружающей средой этого типа, является нагревание среды в роторе с помощью внешнего источника тепла. Этот внешний источник тепла может быть образован, например, лучевой горелкой или горячими газами, проходящими за ротором. Это позволяет осуществлять контролируемое горение и означает, что среда в роторе не самовоспламенится. Таким образом, возможны всасывание газа компрессором и нагревание с помощью внешнего источника. Также возможно, чтобы вместо газа ротором всасывалась жидкость, сжималась в роторе и затем нагревалась внешним источником так, чтобы она испарялась. Образуемый пар затем может расширяться в расширительном рабочем колесе. Это приводит к циклу Ренкина (пара). Таким же образом в цикле газовой турбины в этом случае также возможна регенерация с использованием тепла от расширенного пара для предварительного нагрева рабочей среды до нагревания внешним источником тепла.

Изобретение также относится к реактивной турбине, содержащей рабочее колесо турбины, установленное с возможностью вращения, с входом, расположенным вблизи его центральной оси, и с выходом, расположенным вблизи внешней периферии, с компрессором, расположенным между упомянутым входом и упомянутым выходом, причем упомянутый компрессор является многоступенчатым компрессором, причем каждая зона сжатия содержит вход, расположенный вблизи центральной оси, и выход, расположенный вблизи внешней периферии рабочего колеса турбины, и с соединительным трубопроводом, расположенным между выходом первой ступени компрессора и входом второй ступени компрессора. Этот конкретный вариант осуществления компрессора может быть использован по выбору в комбинации с камерой сгорания (ниже по потоку). Конкретный вариант осуществления камеры сгорания, описанный выше, не существенен для этого варианта компрессора. В заключение, существуют известные конструкции реактивных турбин, которые работают без реактивной камеры.

Согласно предпочтительному варианту осуществления данного ступенчатого компрессора соединительный трубопровод образован стенками зоны первой ступени компрессора и второй ступени компрессора. Это заставляет газ двигаться в прямом и обратном направлении зигзагообразным образом.

Этот вариант также может быть использован без конкретного варианта осуществления описанной выше камеры сгорания.

Изобретение относится также к реактивной турбине, содержащей рабочее колесо турбины, установленное с возможностью вращения, с входом, расположенным вблизи его центральной оси, и выходом, расположенным вблизи внешней периферии, с компрессором и камерой сгорания, расположенными между входом и выходом. В этом случае согласно изобретению используется теплообменное средство, с помощью которого образующееся тепло от газа используется для нагревания газа, который выходит из компрессора и подается в камеру сгорания с теплообменом, осуществляемым напрямую, т.е. с газом,

- 2 008268 который вытекает напрямую, нагревая через теплообменник поток газа, выходящего из компрессора. Вариант осуществления компрессора или камеры сгорания не существенен для данного варианта, в котором теплообмен применяется напрямую.

Изобретение также относится к комбинированной тепловой и энергетической системе, в которой используется один из вариантов осуществления реактивной турбины, описанный выше, в комбинации с электрическим генератором. Выделяемое тепло предпочтительно используется для нагревания здания.

Изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 а и Ь представляет собой изображение газовой турбины согласно основному варианту осуществления изобретения;

фиг. 2 а и Ь представляет собой изображение газовой турбины согласно основному варианту осуществления изобретения с многоступенчатым дисковым компрессором;

фиг. 3 представляет собой изображение газовой турбины согласно основному варианту осуществления изобретения, в котором имеет место регенерация остаточного тепла;

фиг. 4 представляет собой изображение газовой турбины согласно основному варианту осуществления изобретения, в котором имеет место охлаждение сжатого газа;

фиг. 5 представляет собой изображение газовой турбины согласно основному варианту осуществления изобретения, в котором имеет место внешнее нагревание;

фиг. 6 представляет собой изображение паровой турбины согласно основному варианту осуществления газовой турбины с внешним горением, интегрированным жидкостным насосом, испарителем и расширительным колесом;

фиг. 7 представляет собой изображение паровой турбины с фиг. 6, в которой имеет место регенерация остаточного тепла.

На фиг. 1 а и Ь показан ротор 1 в форме его основного варианта осуществления с рабочим колесом 2 компрессора, который всасывает газовую/воздушную смесь через отверстие 3. Компрессионный канал 2, в котором давление газа увеличивается под действием центробежного ускорения, действующего на газовый поток, жестко соединен с зоной 4 горения, которая выполнена в виде единой кольцевой камеры. Начальное зажигание предварительно смешанной газовой/воздушной смеси может быть осуществлено зажиганием с использованием искрового воспламенителя (свечи зажигания) 22, с передачей электрической энергии от корпуса 23 (также с помощью искры) к свече зажигания. Зона 4 горения также жестко соединена с расширительным колесом 5, в котором горячие газы вытекают через форсунку 6, придавая преимущественно тангенциальную скорость вытекающей газовой струе. Выходящий поток может быть полностью тангенциальным (на периферии ротора) или может включать в себя осевую компоненту в направлении компрессора (как показано) или в направлении от ротора или комбинацию вышеупомянутых направлений.

За счет того факта, что газы вытекают с большей скоростью и/или с большим радиусом по отношению к газам, которые всасываются, эффективный крутящий момент действует на ротор 1, который может быть использован, через выходной вал для привода устройства, например электрического генератора с мощностью, например, от 10 Вт до 150 кВт. Поскольку абсолютная скорость вытекающей среды показывает потерю кинетической энергии, она должна поддерживаться как можно ниже. С точки зрения сохранения момента количества движения, это означает, что на ротор будет действовать низкий механический крутящий момент. Это означает, что требуемая механическая энергия предпочтительно должна вырабатываться с низким механическим крутящим моментом и высокой скоростью ротора. Предполагаемая скорость вращения составляет более 50000 об./мин.

Для применений, в которых одноступенчатое рабочее колесо компрессора является не достаточным для увеличения давления, на фиг. 2 а и Ь показан вариант осуществления с многоступенчатым рабочим колесом компрессора (в данном случае двухступенчатое рабочее колесо компрессора). В этом варианте осуществления компрессора после каждой (центробежной) компрессионной ступени (канал 2) газ подается в ступень 9 регенерации количества движения. Газ (который имеет более высокую составляющую тангенциальной скорости, чем газ рабочего колеса 2 компрессора) в этом случае, в результате трения в граничных слоях у дисков, передает тангенциальное движение ротору, в результате чего передается механическая энергия. Размещение различных ступеней сериями приводит к статическому увеличению накапливаемого давления, в результате чего степень повышения давления увеличивается без необходимости использования чрезвычайно высокой скорости вращения и/или размера ротора. Отличительный признак дискового компрессора заключается в том, что кинетическая энергия газа после каждой компрессионной ступени в значительной степени преобразуется в механическую энергию (в граничных слоях у дисков) и, таким образом, восстанавливается.

Фиг. 3 представляет собой изображение основного варианта осуществления турбины, в котором тепловая энергия, которая все еще присутствует в выходных газах, используется для предварительного нагрева сжимаемой газовой/воздушной смеси в зоне 10 регенерации. Зона 10 регенерации со стороны входного потока жестко соединена с зоной 4 горения. Регенерация остаточного тепла приводит к повышению термодинамического КПД турбины.

Фиг. 4 представляет собой изображение варианта осуществления основной конструкции, в которой

- 3 008268 сжимаемая газовая/воздушная смесь охлаждается охлаждающим потоком 11. Охлаждение обеспечивает достижение более высокого конечного давления сжатия без нежелательного самовоспламенения рабочей среды. Если среда охлаждается заново не после, а во время сжатия в канале 2, достигается изотермический процесс сжатия, который также предпочтителен для КПД системы. Из области термодинамики известно, что цикл газовой турбины с регенерацией и изотермическим сжатием и расширением близок к идеальному циклу Карно.

Как показано на фиг. 5, сжимаемая газовая/воздушная смесь может быть также предварительно нагрета с помощью внешнего источника тепла 12, который излучает тепло через стенку ротора к воздуху в нагревательном канале 4. Внешнее горение (вне ротора) обеспечивает то, что горением можно лучше управлять (воспламенять) и оно может быть более стабильным. Более того, внешнее горение легче осуществлять за счет большей степени свободы (в геометрии).

Вариант осуществления с внешним источником нагревания на основе парового цикла Ренкина показан на фиг. 6. Этот вариант осуществления работает на основе испаряющейся жидкости. Жидкость высасывается из трубки 14 подачи жидкости через трубку 13 всасывания и сжимается до повышенного давления в крыльчатке 15 насоса. Вертикальное расположение оси вращения означает, что нет необходимости во вращающемся уплотнении между ротором и трубкой подачи жидкости. В зоне 16 испарения, которая жестко соединена с каналом 15 насоса, жидкость испаряется под действием тепла, которое подается с помощью внешнего теплового потока 17. Пар, который образуется, расширяется в окружающую среду в форсунках 18, передавая, таким образом, движение ротору. Преимущество цикла Ренкина заключается в более высоком коэффициенте мощности (требуется меньше работы сжатия по отношению к работе расширения).

В заключение, фиг. 7 представляет собой изображение варианта осуществления, в котором остаточное тепло пара после расширения используется повторно (регенерируется) для предварительного нагревания жидкости до того, как тепловая энергия будет подана с помощью внешнего источника тепла 19, который в этом случае располагается на стенке полого ротора. Так же, как и в случае газовой турбины, КПД использования энергии системы увеличивается в результате регенерации.

Claims (15)

1. Реактивная турбина (1), содержащая рабочее колесо турбины, установленное с возможностью вращения, причем упомянутое рабочее колесо турбины содержит вход (3), расположенный вблизи его центральной оси, и выход (6), расположенный вблизи внешней периферии, с компрессором, имеющим компрессионный канал и камеру (4) сгорания, расположенную между упомянутыми выходом и входом, причем границы упомянутой камеры сгорания и компрессора находятся полностью внутри упомянутого рабочего колеса турбины, причем упомянутый компрессор жестко соединен с упомянутой камерой (4) сгорания, отличающаяся тем, что упомянутая камера сгорания состоит из одной открытой кольцевой камеры, упомянутый компрессор является центробежным компрессором и упомянутый компрессионный канал имеет безлопаточный переход к упомянутой камере сгорания.

2. Реактивная турбина по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый компрессор является многоступенчатым компрессором, причем каждая зона компрессии содержит вход, расположенный вблизи центральной оси, и выход, расположенный вблизи внешней периферии рабочего колеса турбины, и при этом имеется соединительный трубопровод между выходом первой ступени компрессора и входом второй ступени компрессора.

3. Реактивная турбина по п.2, отличающаяся тем, что упомянутый соединительный трубопровод образован стенкой зоны первой ступени компрессора и стенкой зоны второй ступени компрессора.

4. Реактивная турбина по п.2 или 3, отличающаяся тем, что упомянутая стенка содержит фрикционный диск.

5. Реактивная турбина по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что внешний диаметр рабочего колеса турбины меньше 200 мм.

6. Реактивная турбина по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит теплообменное средство для нагревания газа, выходящего из компрессора.

7. Реактивная турбина по п.6, отличающаяся тем, что теплообменная поверхность теплообменного средства образует, с одной стороны, выход выходного канала упомянутого рабочего колеса турбины и, с другой стороны, соединение между компрессором и зоной горения.

8. Реактивная турбина по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит теплообменное средство для охлаждения газа, который подается к компрессору и/или сжимается.

9. Объединенная тепловая и энергетическая система, содержащая реактивную турбину по любому из предшествующих пунктов и электрический генератор.

10. Объединенная тепловая и энергетическая система по п.9, в которой имеется теплообменное средство, соединенное с отопительной системой зданий.

11. Способ приведения рабочего колеса реактивной турбины во вращение, при котором вводят газ через ее вход,

- 4 008268 сжимают газ в компрессионном канале, осуществляют вступление упомянутого газа в реакцию в камере сгорания для образования газообразных продуктов сгорания и отводят упомянутые газообразные продукты сгорания через выход, при этом горение осуществляют только в заданной области в упомянутом рабочем колесе турбины и используют газ, представляющий собой газовую/воздушную смесь с небольшим избытком воздуха.

12. Способ по п.11, при котором сжатие осуществляют по меньшей мере в две операции, с транспортировочной операцией, находящейся между этими операциями, причем кинетическая энергия среды из первой компрессионной операции преобразуется в механическую энергию в упомянутой промежуточной операции с сохранением статического давления среды.

13. Способ по п.12, при котором при упомянутой транспортировочной операции осуществляют пропускание упомянутого газа вдоль фрикционной поверхности.

14. Способ по любому из пп.11-13, при котором используют газовую/рабочую среду, состоящую из предварительно смешанной газовой/воздушной смеси.

15. Способ по любому из пп.11-13, при котором используют газовую/рабочую среду, состоящую из двухфазовой среды, которую сжимают как жидкость и преобразуют с помощью подачи тепловой энергии в пар, выходящий в виде расширенного пара из выходного отверстия.

^а ь