RO121394B1 - Turbomaşină monoax cu dublu flux - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la o turboma?ină monoax cudublu flux, cu o construcţie simetrică, care poate fi folosită ca modul de propulsie în aeronautică, în industria auto-moto sau în aplicaţii neaeronautice. Turboma?ina conform invenţiei este formată din ni?te semistatoare (1 ?i 2) dreapta ?i stânga, în care se află un rotor (3) central care are un arbore (4) rotor, pe care, la capete, se află câte un paletaj (5) rotor al unui compresor axial, executat în trepte, iar în porţiunea centrală a arborelui (4) rotor, coaxial cu axa longitudinală, se află o incintă (6) de egalizare, care comunică prin ni?te ferestre (7) cudirecţionare spre un spaţiu cuprins între ni?te palete (8) ale unui compresor centrifugal cu intrare bilaterală de tip închis, iar în jurul arborelui (4) rotor, se găsesc două tuburi (9) de foc, sub forma unor cavităţi circulare, dispuse simetric una faţă de alta, prin care gazele suntconduse către ni?te palete (10) ale turbinei deantrenare, de unde sunt preluate de ni?te palete(11) inversoare de sens ?i ajung într-o galerie(12), de unde, prin intermediul unor tuburi (13) de evacuare, sunt evacuate în exteriorul ma?inii.

Description

Invenția se referă la o turbomașină monoax cu dublu flux cu o construcție simetrică, folosită ca modul de propulsie în aeronautică, în industria auto-moto, care mai poate fi folosită ca modul generator de putere în aplicații neaeronautice.

Sunt cunoscute o mare varietate de sisteme de propulsie și mașini aeroreactoare, printre care îl putem aminti și pe cel din brevetul GB 819489. în brevetul GB 819489 este prezentat un sistem de propulsie compus din două turbomașini identice, ale căror rotoare coliniare și coaxiale sunt interconectate printr-un mecanism diferențial, deoarece au sensuri de rotație opuse. Fiecare turbomașină are pe rotor un compresor axial și o turbină; aerul absorbit de compresor este trecut printr-un schimbător de căldură încălzit de gazele arse, și este introdus într-o cameră de ardere, iar apoi gazele se destind în turbină. Energia mecanică este preluată prin mecanismul diferențial și utilizată în scopul propus.

Dezavantajele acestor sisteme de propulsie și mașini aeroreactoare sunt:

- au construcție foarte complicată din punct de vedere mecanic;

- au costuri mari de fabricație, de întreținere și exploatare;

- au nivel ridicat de poluare chimică și fonică, datorită proceselor fizico-chimice complexe și multiple care au loc în ele fără ca procesele să poată fi controlate eficace;

- au volum și greutăți mari;

- prezintă dificultăți mari la miniaturizare atunci când se cere proiectarea unor unități de putere mici pentru scopuri aeronautice sau neaeronautice, existând o limită sub care nu se poate trece, datorată în principal formei constructive, sistemelor de lăgăruire și a sistemelor de axe concentrice etc.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția este realizarea unei turbomașini cu un grad mare de comprimare mecanică, asigurându-i prin aceasta maximum de randament tehnic și economic.

Turbomașină monoax cu dublu flux rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că semistatorul stânga și semistatorul dreapta sunt simetrice în oglindă față de un plan median pe care se face montajul cu ajutorul unor flanșe asamblate prin șuruburi semistatoare care mai prezintă încă o simetrie față de o axă longitudinală, coaxial cu care este montat rotorul central, sprijinit pe niște suporturi lagăr, montaj prin care se creează niște zone simetrice față de același plan median, respectiv zonele compresoarelor axiale, zonele camerelor de ardere, iar în partea centrală zonele turbinei de antrenare și între ele, zona compresorului centrifugal.

Turbomașina monoax cu dublu flux conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- simplitate privind dinamica transformărilor energetice și a lanțului cinematic;

- fiabilitate mărită;

- volum și greutate mică;

- poate lucra și la temperaturi foarte înalte ale gazelor de ardere, datorită răcirii uniforme și a paletajelor înglobate;

- nivel scăzut de poluare chimică și fonică;

- costuri de fabricație, întreținere și exploatare scăzute;

- permite miniaturizarea pentru obținerea unor unități de puteri mici, în afară de cele de puteri mari, putând fi folosită cu ușurință în industria auto-moto și energetică, chiar și pentru locuințe personale, asigurându-le autonomie energetică;

- putere mare raportată la unitatea de volum și de masă a sa;

- relansează cursa pentru aplicațiile cu mașini aeroreactoare etc.

RO 121394 Β1 în continuare, invenția va fi prezentată într-un exemplu de realizare nelimitativ, în 1 legătură și cu fig. 1...15, care reprezintă:

- fig. 1, vedere izometrică a turbinei conform invenției;3

- fig. 2, vedere izometrică a schiței turbinei conform invenției;

- fig. 3, vedere izometrică în secțiune a turbinei conform invenției;5

- fig. 4, vedere izometrică a schiței în secțiune a turbinei conform invenției;

- fig. 5, vedere în secțiune a schiței turbinei conform invenției;7

- fig. 6, vedere în secțiune a turbinei conform invenției;

- fig. 7, vedere frontală a rotorului turbinei conform invenției;9

- fig. 8, vedere în secțiune a rotorului turbinei conform invenției;

-fig-	9, vedere izometrică a rotorului turbinei conform invenției;	11
- fig. 10, vedere frontală a semistatorului din dreapta al turbinei conform invenției; -fig. 11, vedere în secțiune a semistatorului din dreapta al turbinei conform invenției; - fig. 12, vedere laterală stânga a semistatorului dreapta conform invenției;	13
- fig. 13, vedere laterală dreapta a semistatorului dreapta conform invenției;	15
- fig. 14, vedere izometrică a semistatorului dreapta conform invenției; - fig. 15, vedere în secțiune a schiței semistatorului stânga conform invenției. în desenele de mai sus, cu litere și numere au fost notate următoarele părți	17
componente ale turbomașinii, conform invenției:	19
A,B	- zona compresorului axial;
C,D	- zona camerei de ardere;	21
E.F	- zona turbinei de antrenare;
G	- zona compresorului centrifugal;	23
P	- plan median și de simetrie;
1	- semistator dreapta;	25
2	- semistator stânga;
3	- rotor central;	27
4	- arbore rotor;
5	- paletaj rotor compresor axial;	29
6	- incintă de egalizare, ce servește la interconectarea fluidelor de lucru ale mașinii;	31
7	- ferestre de direcționare pentru admisia de aer în paletajul compresorului centrifugal cu dublu flux;	33
8	- palete compresor centrifugal cu intrare bilaterală de tip închis;
9	- tub de foc;	35
10	-paletaj turbină antrenare (nu are nevoie de bandaj interior sau exterior pentru a i se mări rezistența și stabilitatea);	37
11	- paletaj inversor de sens al semistatoarelor;
12	- galerie colectoare de gaze arse;	39
13	- tub de evacuare;
14	- flanșe de centrare, montaj și etanșare a semistatoarelor între ele;	41
15	- zonă conică;
16	- paletaj stator compresor axial;	43
17	- carcasă semisferică a camerei de ardere inelare;
18	- membrană deflectoare de aer;	45
19	- cameră de ardere inelară;
20	- sistem de etanșare fără contact cu labirint de formă sinusoidală;	47

RO 121394 Β1

- canal cu direcționare pentru admisia aerului în incinta centrală de egalizare și interconectare;

- piesă de admisie combustibil;

- rampă principală pentru distribuție combustibil de formă inelară;

- conducte de legătură;

- conducte de vaporizare poziționate radial-axial față de carcasa exterioară;

- caneluri interioare pentru transmiterea mișcării de rotație de la axul mașinii în exteriorul ei;

- găuri pentru ansamblarea centrată cu șuruburi a semistatoarelor și eventuala fixare a mașinii pe un șasiu pe care funcționează;

- locașuri de direcționare pentru asigurarea continuității traseului gazelor de la camera de ardere către tuburile de foc 9;

- orificii pentru montarea sistemului de aprindere.

- suport lagăr;

Turbomașina conform invenției este formată din: semistatorul 1 dreapta și semistatorul 2 stânga, de formă semisfero-conică, care de fapt reprezintă vederea în oglindă a unuia față de celălalt, față de un plan P median de simetrie, pe care se face montarea lor, ele prezentând încă o simetrie față de axa de rotație a rotorului 3, central, pe care îl susțin și îl ghidează cu ajutorul unor suporturi lagăr 30. Rotorul 3, central, mai prezintă și o simetrie funcțională stânga-dreapta față de planul P, median, în care se face montajul semistatoarelor 1 și 2. Acest plan P, median, de simetrie taie practic mașina în două părți egale și simetrice.

Având această construcție, distingem următoarele zone (fig. 6) cu rol funcțional:

- zona compresoarelor axiale A și B;

- zona camerelor de ardere C și D;

- zona turbinelor de antrenare E și F;

- zona compresorului centrifugal G.

Rotorul 3, central, are un arbore rotor 4, pe care la capete, se află un paletaj rotor 5 al compresorului axial, executat în trepte (zona A și B), iar în zona centrală arborele rotor 4 este tubular pe o porțiune simetrică ca formă și lungime, în care, are la interior o incintă de egalizare 6, cu rol de interconectare a fluidelor de lucru ale mașinii, care lucrează ca un element comparator de sarcină cu rol de egalizare simultană a încărcării de sarcină pentru cele două părți simetrice ale mașinii. Incinta de egalizare 6, pe lângă aceasta, mai are și rolul de a spăla uniform cu aer proaspăt și rece, toate părțile componente ale mașinii, din direcția intrării aerului către interiorul mașinii și apoi către exteriorul mașinii. Incinta de egalizare 6 comunică prin ferestrele 7, de direcționare spre spațiul cuprins între paletele 8 ale unui compresor centrifugal cu intrare bilaterală de tip închis, care se găsește înglobat în rotorul 3 central, în zona G. Ferestrele 7 de direcționare, au rolul de a permite admisia aerului către paletele 8 ale compresorului centrifugal. în jurul arborelui rotor 4 se găsesc două tuburi de foc 9 (în zona C și D), care sunt niște cavități circulare, dispuse simetric una față de alta și prin care gazele sunt conduse către un paletaj 10, al turbinei de antrenare cu ieșire radială situat în zona E și F. De aici gazele sunt preluate de către niște palete 11, inversoare de sens, care se găsesc înglobate în semistatoarele 1 și 2. Datorită faptului că paletele 10 ale turbinei de antrenare și paletele 11, inversoare de sens, sunt de fapt niște cavități simetrice înglobate în suportul lor, respectiv rotorul 3 central și semistatoarele 1 și 2, nu mai avem nevoie de bandaje exterioare și interioare pentru a mări rezistența și stabilitatea paletelor.

RO 121394 Β1

Gazele, după ce au lucrat în paletele 11 inversoare de sens, ajung într-o galerie 12 colec- 1 toare de gaze, de unde, prin intermediul unor tuburi 13 de evacuare, sunt evacuate în exteriorul mașinii. Semistatoarele 1 și 2 sunt prevăzute cu niște flanșe 14, necesare montajului 3 față în față al lor, asigurându-le centrarea și etanșeitatea, ele fiind prevăzute la capete cu câte o zonă conică 15, în care sunt fixate niște paletaje stator 16 ale compresoarelor axiale. 5 Arborele rotor 4, paletajul rotor 5, zona conică 15 și paletajul stator 16 formează grupate împreună, două compresoare axiale care funcționează sincron. O carcasă semisferică 17 7 aparținând statoarelor 1 și 2 adăpostește într-o incintă circulară profilată, o membrană deflectoare 18 de aer și o cameră de ardere 19. Un sistem de etanșare 20 fără contact, cu labirinți 9 în formă sinusoidală de pe suportul lagăr 30, asigură continuitatea drumului gazelor de la camera de ardere 19 către ieșirea lor din mașină prin tuburile de evacuare 13. Același sistem 11 de etanșare 20 mai asigură și separarea gazelor de aerul ce pătrunde prin canalele 21, cu direcționare către incinta de egalizare 6, pentru a ajunge să lucreze în paletele 8 ale 13 compresorului centrifugal cu intrare bilaterală de tip închis. O piesă de admisie 22 a combustibilului face legătura între un accesoriu situat în afara mașinii, care poate fi și un sistem 15 cunoscut de alimentare automată cu combustibil prin injecție, cu o rampă principală 23 de distribuție, de unde combustibilul este condus prin intermediul unor conducte de legătură 24, 17 către niște conducte de vaporizare 25, poziționate radial-axial etajat, față de carcasa semisferică 17. Arborele rotor 4 este prevăzut la ambele capete cu niște caneluri interioare 26, 19 cu rol de priză de putere pentru transmiterea mișcării de rotație în exteriorul mașinii atunci când acest lucru se dorește. Niște găuri 27, aflate echidistant pe flanșele 14 ale semista- 21 toarelor, servesc pentru fixarea și asamblarea centrată prin șuruburi, a părților componente ale mașinii și a mașinii în sine, față de un șasiu nefigurat, pe care trebuie să funcționeze. 23 Legătura pentru asigurarea continuității traseului gazelor către ieșire dintre camera de ardere și tuburile de foc 9, este asigurată de niște locașuri cu direcționare 28. Aprinderea 25 amestecului format din combustibil și aerul furnizat de compresoarele axiale se poate face folosind unul din sistemele curente, cunoscute pentru inițierea aprinderii rapide și sigure, 27 aprindere care poate fi comandată și în impulsuri, iar sistemul în sine putându-se fixa pe mașină prin intermediul unor orificii 29, aflate pe carcasa semisferică 17, ce adăpostește 29 camera de ardere 19.

Conform invenției, turbomașina monoax cu dublu flux funcționează în felul următor: 31 pentru pornire este necesar ca în rampa principală 23 să se găsească combustibil venit prin piesa de admisie 22 de la un sistem clasic și cunoscut de alimentare automată cu 33 combustibil prin injecție, situat în afara mașinii, cu rol de accesoriu, care pătrunde înspre camera de ardere 19, prin intermediul conductelor de legătură 24 și conductelor de 35 vaporizare 25, unde are loc formarea unui amestec omogen de combustibil și aer, datorat poziționării radial-axiale și etajate a conductelor de vaporizare 25. Aerul venind din părțile 37 frontale, împins de paletele rotor 5 și paletele stator 16 ale compresoarelor axiale, sau provenind tocmai de la sistemul accesorial de injecție care, pentru câteva secunde cât durează 39 pornirea până la atingerea unei turații de regim, va furniza amestec carburant gata preparat, amestec ce îndată a ajuns în camera de ardere este aprins instantaneu prin intermediul unui 41 sistem accesorial cunoscut de inițiere a aprinderii, care se poate fixa în imediata apropiere a camerei de ardere 19, pe carcasa semisferică 17 în orificiile 29, special destinate acestui 43 scop, moment în care are loc arderea cu detentă, iar gazele rezultate își urmează obligatoriu traseul, destinzându-se în paletele turbinei 10 și ferestrele inversoare 11 până la ieșire, 45 punând în mișcare de rotație rotorul 3, central. Intrarea în mișcare de rotație a rotorului 3,

RO 121394 Β1 central, are drept consecință intrarea în funcțiune a compresoarelor axiale formate din arborele rotor 4, paletele rotor 5, paletele stator 16 și zona conică 15, precum și a compresorului centrifugal cu intrare bilaterală de tip închis, ale cărui palete 8 preiau aer proaspăt din incinta de egalizare 6, aer care este împins prin canalele cu direcționare 21 de către compresoarele axiale, în vederea asigurării răcirii uniforme a pieselor mașinii cu aer. Din momentul în care rotorul 3, central, atinge un anumit prag de turație, sistemul de alimentare cu injecție va furniza în loc de amestec carburant, numai combustibil, iar sistemul de aprindere va fi decuplat, întrucât avem deja instalată o zestre termică în camera de ardere cu suficientă temperatură capabilă să provoace autoaprinderea. Din acest moment rolul preparării amestecului carburant îi revine camerei de ardere 19, care are asigurat debitul necesar de aer furnizat de compresoarele axiale. Comanda turației se face prin numărul impulsurilor de injecție și durata lor în unitatea de timp. întrucât mașina prezintă o simetrie perfectă, prin incinta de egalizare 6 se stabilește o legătură pe principiul vaselor comunicante între părțile active ale mașinii, având ca rezultat încărcarea uniformă de sarcină a celor două părți simetrice ale mașinii, încărcare care conduce la o totală autocentrare. Prin construcția bine definită, prin forma cavităților și a suprafețelor ce mărginesc părțile componente ale mașinii, se realizează o lăgăruire perfectă din punct de vedere aerodinamic, ceea ce conduce la compensarea solicitărilor și jocurilor radiale, având în același timp asigurată și etanșarea fără contact, tot prin metoda aerodinamică, folosind tehnica labirinților, care, în exemplul de față, au formă sinusoidală, ei aparținând sistemului de etanșare 20, și sunt niște canale săpate pe suprafața cilindrică a suportului 30 lagăr, mașina funcționând fără lagăre clasice, amortizarea șocurilor și vibrațiilor apărute ca urmare a pornirilor și opririlor făcându-se, dinamic, pe pernă de aer. în continuare, ne vom ocupa de oprirea mașinii, care se poate face astfel: tuburile de evacuare 13 pot fi dotate cu sisteme cunoscute de evacuare comandată, în speță un sistem accesorial de control automat al comenzii începerii și opririi graduale a evacuării, precum și pentru schimbarea direcției de evacuare a jetului de gaze. în momentul în care se dorește oprirea mașinii, se blochează gradual evacuarea gazelor, prin comanda dată asupra sistemului accesorial cunoscut, concomitent cu oprirea sistemului accesorial cunoscut de alimentare prin injecție cu combustibil, după care se închide total evacuarea gazelor. Rotorul 3, central, își păstrează pentru câteva momente mișcarea inerțială de rotație și caută să comprime mai departe aer proaspăt pe traseul parcurs de gazele arse. Traseul parcurs de gazele arse, fiind închis la ieșire din tubul de evacuare 13, se umple cu aer până la o anumită valoare a presiunii, când, prin egalizarea mărimii, momentului cinetic al rotorului 3, central, cu valoarea presiunii din spatele acestuia, rotorul special 3 se oprește și începe o mișcare de rotație în sens invers cauzată de destinderea aerului aflat sub presiune din spatele lui, moment în care intervine din nou deschiderea evacuării. Astfel, prin sincronizarea comenzilor, se obține de fapt o scurtare foarte mare a timpului de frânare și pornire până la regim nominal. Ca durată de timp între aceste comenzi, se pot stabili relații în funcție de greutatea și turația rotorului 3 central la momentul la care ne raportăm. între comenzi, se pot stabili relații funcționale de timp, ca durată dintre operații, în legătură directă cu greutatea și turația rotorului 3 central, relații care să permită automatizarea completă a acestor procese.

Claims (5)

Revendicări 1

1. Turbomașină monoax cu dublu flux, formată în principal dintr-un rotor (3) central 3 montat între două semistatoare (1 și 2) caracterizată prin aceea că semistatorul (1) dreapta și semistatorul (2) stânga sunt simetrice în oglindă față de un plan (P) median pe care se 5 face montajul, cu ajutorul unorflanșe (14) asamblate prin șuruburi, semistatoare (1 și 2) care mai prezintă încă o simetrie față de o axă longitudinală, coaxial cu care este montat rotorul 7 (3) central, sprijinit pe niște suporturi lagăr (30), montaj prin care se creează niște zone, simetrice față de același plan (P) median, respectiv zona compresorului axial (A, B), zona 9 camerei de ardere (C, D) iar în partea centrală, zona turbinei de antrenare (E, F) și între ele, zona compresorului centrifugal (G). 11

2. Turbomașină monoax cu dublu flux, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că semistatorul (1 sau 2) dreapta sau stânga, are o zonă conică (15) în care se 13 găsesc niște paletaje (16) stator, o membrană (18) deflectoare care direcționează aerul comprimat spre o cameră de ardere (19) inelară, în al cărui perete exterior sunt niște orificii (29) 15 în care este montat un sistem de aprindere cunoscut în vecinătatea duzelor unor conducte de vaporizare (25) camera de ardere (19) fiind separată de zona turbinei de antrenare (E sau 17 F) prin intermediul unui perete care se continuă cu un suport lagăr (30), pe suprafața căruia este prevăzut un sistem de etanșare (20) fără contact, și niște locașuri (28) care direc- 19 ționează gazele arse către rotorul (3) central, zona conică (15) continuându-se cu o carcasă (17) semisferică în care, pe direcția de ieșire a gazelor din rotor este înglobat un paletaj (11) 21 inversor de sens, care se continuă cu o galerie (12) colectoare și niște tuburi (13) de evacuare. 23

3. Turbomașină monoax cu dublu flux, conform revendicării 1 caracterizată prin aceea că rotorul (3) central este compus dintr-un arbore (4) rotor, la ale cărui capete sunt 25 montate niște paletaje (5) ale compresorului axial, către planul median se găsesc niște paletaje (10) ale turbinelor de antrenare, între care chiar în planul median (P), se află un 27 paletaj (8) al compresorului centrifugal, arborele (4) rotor fiind tubular pe zonele camerelor de ardere (C și D), ale turbinelor de antrenare (E și F) și pe zona compresorului centrifugal 29 (G), având în interior o incintă de egalizare (6) prin care se face legătura de la ieșirea din zona compresoarelor axiale (A și B) prin niște canale (21), cu paletajul compresorului (8) 31 centrifugal prin niște ferestre (7).

4. Turbomașină monoax cu dublu flux, conform revendicărilor 1 și 3, caracterizată 33 prin aceea că rotorul (3) central este prevăzut la capete cu niște prize de putere, constituite din niște locașuri înfundate, având niște caneluri (26) interioare. 35

5. Turbomașină monoax cu dublu flux, conform revendicărilor precedente caracterizată prin aceea că, datorită simetriei, prin incinta de egalizare (6) se stabilește o legătură 37 între cele două zone ale compresoarelor axiale (A și B) având ca rezultat încărcarea uniformă de sarcină și compensarea dinamică a jocurilor radiale și axiale, concomitent cu 39 răcirea paletajelor turbinelor (10) cu aerul trimis de compresorul (8) centrifugal.