RU2009349C1

RU2009349C1 - Method of operating gas-turbine engine

Info

Publication number: RU2009349C1
Authority: RU
Inventors: Игорь Алексеевич Шевцов
Original assignee: Игорь Алексеевич Шевцов
Priority date: 1990-05-22
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1994-03-15

Abstract

FIELD: heat power engineering. SUBSTANCE: engine has compressor, combustion chamber, gas turbine with a rotor and working passages, and exhaust unit. The engine also has pipe line for returning a part of cyclic air to the compressor and pipe line for recirculation of cyclic air to the combustion chamber. The rotor is conical and the working passages are closed, screwed, and curved in the direction of rotation. The cyclic air is compressed in the compressor, rotor of the turbine is cooled by the air, and then the air is separated into two parts. One part is mixed with fuel and burning out in the combustion chamber, and the other one returns to the compressor. EFFECT: enhanced efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению в частности к турбиностроению, а именно к газотурбинным двигателям и способам их работы. The invention relates to mechanical engineering, in particular to turbine engineering, namely to gas turbine engines and methods of their operation.

Известен способ работы газотурбинного двигателя путем подачи свежего воздуха в компрессор, сжатия его в нем, подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, в которую через форсунку непрерывно под давлением подают топливо, сгорания топлива при коэффициенте избытке воздуха а = 1,0-1,5 при температуре более 1800, добавления за зоной горения топлива дополнительного количества воздуха для снижения температуры топливных газов до 800, переток этих топливных газов между неподвижными направляющими лопатками, а затем между вращающимися рабочими лопатками на диске турбины, расширения топливных газов в каналах между рабочими лопатками, преобразования реакции струи газов во вращательную энергию вала диска турбины с полезной нагрузкой (электрогенератор или др. ), удаления топливных газов наружу. There is a method of operating a gas turbine engine by supplying fresh air to a compressor, compressing it therein, supplying compressed air to a combustion chamber, into which fuel is continuously supplied through a nozzle under pressure, fuel combustion with an excess air coefficient a = 1.0-1.5 with a temperature of more than 1800, adding an additional amount of air behind the fuel combustion zone to reduce the temperature of the fuel gases to 800, the flow of these fuel gases between the stationary guide vanes, and then between the rotating working vanes and the turbine disk, expanding the fuel gases in the channels between the working blades, converting the reaction of the gas stream into the rotational energy of the turbine disk shaft with a payload (electric generator or other), removing the fuel gases to the outside.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, турбину и камеру сгорания, внутри которой устроена топливная форсунка, жаровая труба, направляющие неподвижные лопатки, ротор с рабочими лопатками для преобразования энергии струи горячих топливных газов во вращательную энергию вала с полезной нагрузкой (см. книгу Автомобильные двигатели, Богданов С. Н. и др. , М. : Машиностроение, 1987, с. 351-353). A gas turbine engine is known that contains a compressor, a turbine and a combustion chamber, inside which a fuel nozzle, a flame tube, guide fixed blades, a rotor with working blades for converting the energy of a jet of hot fuel gases into rotational energy of a shaft with a payload are arranged (see book Automotive Engines, Bogdanov S.N. et al., M.: Mechanical Engineering, 1987, p. 351-353).

Однако известный двигатель, работающий по известному способу, характеризуется полезной мощностью, составляющей небольшую долю от мощности турбины, а так же невысокой экономичностью. However, the known engine operating according to the known method is characterized by a useful power that makes up a small fraction of the power of the turbine, as well as low efficiency.

Цель изобретения - повышение экономичности и полезной мощности. The purpose of the invention is to increase efficiency and useful power.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу работы двигателя путем подачи свежего воздуха в компрессор, сжатия в нем воздуха, подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха а = 1,0-1,5 при температуре более 1800, добавления за зоной горения дополнительного количества воздуха, направления после этого топливных газов в устройство для расширения и преобразования энергии струи топливных газов во вращательную энергию ротора, находящегося на валу с полезной нагрузкой, удаления топливных газов наружу, расширение топливных газов производят в винтообразных реактивных соплах, смонтированных на боковой поверхности ротора на одной оси с полезной нагрузкой. This goal is achieved by the fact that according to the method of operation of the engine by supplying fresh air to the compressor, compressing air therein, supplying compressed air to the combustion chamber, burning fuel with a coefficient of excess air a = 1.0-1.5 at a temperature of more than 1800, adding beyond the combustion zone of an additional amount of air, then directing the fuel gases to a device for expanding and converting the energy of the fuel gas stream into rotational energy of the rotor located on the shaft with a useful load, removing fuel gases Aruja, expansion of the flue gases produced in the helical jet nozzles mounted on a side surface of the rotor on the same axis as the payload.

Свежий сжатый воздух направляют для охлаждения ротора и наружных стенок сопел, после чего часть теплого сжатого воздуха из камеры сгорания подвергают рециркуляции с охлаждением в радиаторе и после этого направляют его опять для охлаждения снаружи стенок реактивных сопел и других горячих частей ротора. Fresh compressed air is sent to cool the rotor and the outer walls of the nozzles, after which part of the warm compressed air from the combustion chamber is recycled with cooling in the radiator, and then it is sent again to cool the outside of the walls of the jet nozzles and other hot parts of the rotor.

Указанная цель достигается так же тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор, камеру сгорания, внутри которой располагается жаровая труба, форсунка, ротор с устройством для преобразования энергии струи нагретых газов из жаровой трубы во вращательную энергию ротора, находящегося на одном валу с полезной нагрузкой, на боковой поверхности ротора устроены винтообразные реактивные сопла, имеющие в начале своем сужающееся, а затем расширяющееся сечение. This goal is also achieved by the fact that in a gas turbine engine containing a compressor, a combustion chamber, inside which there is a flame tube, nozzle, rotor with a device for converting the energy of a stream of heated gases from a flame tube into the rotational energy of a rotor located on one shaft with a useful load , screw-shaped jet nozzles are arranged on the side surface of the rotor, having at the beginning a tapering and then expanding section.

Каждое сопло на начальном отрезке своей длины может быть выполнено изогнутым по дуге в сторону направления вращения ротора. Each nozzle in the initial segment of its length can be made curved in an arc in the direction of rotation of the rotor.

На фиг. 1 представлен двигатель для реализации предложенного способа работы; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1. In FIG. 1 shows an engine for implementing the proposed method of operation; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. 1.

Двигатель для реализации предлагаемого способа используется, например в парогазо-турбоустановке с низконапорным парогенератором (см. книгу Газотурбинные установки, Кострюк А. Г. , Шерстюк А. Н. , М. : Высшая школа, 1979, с. 234). An engine for implementing the proposed method is used, for example, in a combined cycle gas turbine unit with a low-pressure steam generator (see book Gas Turbine Units, A. G. Kostryuk, A. N. Sherstyuk, M.: Vysshaya Shkola, 1979, p. 234).

Предлагаемый двигатель содержит ротор 1, который может вращаться на валу 2. Ротор 1 представляет из себя пустотелую конструкцию в виде усеченного конуса. Его боковая поверхность 3 (см. так же фиг. 2), зафиксирована на валу несколькими спицами внутри ротора 1 (не показаны) и основаниями 4. The proposed engine contains a rotor 1, which can rotate on the shaft 2. The rotor 1 is a hollow structure in the form of a truncated cone. Its lateral surface 3 (see also Fig. 2) is fixed on the shaft with several spokes inside the rotor 1 (not shown) and the bases 4.

На боковой поверхности 3 устроены реактивные винтообразные сопла 5 в количестве нескольких штук, имеющие, например на большей части своей длины полукруглое сечение, а на начальном отрезке - круглое. Каждое сопло 5 по своей длине на начальном отрезке имеет сужающееся сечение 6, а затем - расширяющееся сечение 7 вплоть до своего конца. Площадь его расширения на выходе газов определяется исходя из необходимости получения требуемых энергетических показателей для турбины. On the side surface 3, reactive screw-shaped nozzles 5 are arranged in the amount of several pieces, having, for example, a semicircular section over most of their length, and a round one at the initial segment. Each nozzle 5 along its length on the initial segment has a tapering section 6, and then an expanding section 7 up to its end. The area of its expansion at the gas outlet is determined on the basis of the need to obtain the required energy indicators for the turbine.

В начале своей длины вместе с этим сопло 5 может быть изогнуто по дуге 6 вершиной в сторону направления вращения ротора 1. В свободных промежутках между стенками сопел 5 в боковой поверхности 3 ротора 1 устроены отверстия 8 для перетока воздуха из внутреннего объема ротора 1 в пространстве вокруг него в кожухе 9. At the beginning of its length, along with this, the nozzle 5 can be bent along the arc 6 with the apex in the direction of rotation of the rotor 1. In the free spaces between the walls of the nozzles 5 in the side surface 3 of the rotor 1 there are holes 8 for air flow from the internal volume of the rotor 1 in the space around him in the casing 9.

Вокруг вала 2 с одной и другой стороны от ротора 1 устроены трубы 10 и 11. Они предохраняют вал от соприкосновения с горячими газами. Вместе с этим по трубе 10 ведется транспортная свежего сжатого воздуха внутрь ротора 1, куда он поступает через отверстия в малом основании ротора (не показаны). Сжатый воздух поступает в двигатель по воздуховоду 12 от турбокомпрессора (не показан). Pipes 10 and 11 are arranged around the shaft 2 on one and the other side of the rotor 1. They protect the shaft from contact with hot gases. At the same time, transport of fresh compressed air into the rotor 1 is conducted through the pipe 10, where it enters through openings in the small base of the rotor (not shown). Compressed air enters the engine through duct 12 from a turbocharger (not shown).

В трубу 11 свежий сжатый воздух попадает через отверстие 13 в большим основании ротора 1, предохраняя вал 2 и подшипник от соприкосновения с горячими газами. Подшипники для вала 2 и уплотнения от пропуска сжатого воздуха наружу (не показаны), устроены в наружных концах труб 10 и 11. Fresh compressed air enters the pipe 11 through the opening 13 in the large base of the rotor 1, protecting the shaft 2 and the bearing from contact with hot gases. Bearings for shaft 2 and seals against the passage of compressed air to the outside (not shown) are arranged at the outer ends of the pipes 10 and 11.

Топливо сжигают в камере сгорания 14. Для этого в ней устроены форсунки 15 внутри жаровых труб 16 с отверстиями для воздуха 17. Концы жаровых труб объединены кольцеобразной камерой 18, через которую топливные газы непрерывно подаются в устья 6 каждого сопла 5. Стенки жаровых труб 16 и стенки камеры 18 охлаждаются водяной рубашкой (не показана). The fuel is burned in the combustion chamber 14. For this, nozzles 15 are arranged inside the flame tubes 16 with openings for air 17. The ends of the flame tubes are joined by an annular chamber 18 through which fuel gases are continuously supplied to the mouth 6 of each nozzle 5. The walls of the flame tubes 16 and the walls of the chamber 18 are cooled by a water jacket (not shown).

Пространство в кожухе 9 отделено от объема камеры сгорания 14 перегородкой 19, а для перетока теплого воздуха из пространства в кожухе 9 в объем камеры сгорания 14 устроен перепускной трубопровод 20. The space in the casing 9 is separated from the volume of the combustion chamber 14 by a partition 19, and a bypass pipe 20 is arranged for the flow of warm air from the space in the casing 9 into the volume of the combustion chamber 14.

Отработавшие газы из сопел 5 собираются в сборную камеру 21 и отводятся из нее для дальнейшего использования по трубе 22. The exhaust gases from the nozzles 5 are collected in a collection chamber 21 and removed from it for further use through the pipe 22.

Большое и малое основание ротора 1 устроено с краями 23 и 24, выступающими за габариты боковой поверхности 3. Эти края образуют щели (лабиринтные уплотнения) с перегородками 19 и 25. Аналогично устроены и другие места сопряжения: между большим и малым основаниями ротора 1 и неподвижными краями труб 10, 11 и кольцеобразной камерой 18. The large and small base of the rotor 1 is arranged with edges 23 and 24 protruding beyond the dimensions of the side surface 3. These edges form slots (labyrinth seals) with partitions 19 and 25. Other mating points are similarly arranged: between the large and small bases of rotor 1 and fixed the edges of the pipes 10, 11 and the annular chamber 18.

Для рециркуляции сжатого воздуха устроен эксгаустер 26, который отсасывает часть теплого воздуха из камеры сгорания 14 через радиатор 27, охлаждается, а затем возвращает его во внутрь трубы 10, где он смешивается со свежим сжатым воздухом и подается в ротор 1 и т. д. To recirculate the compressed air, an exhauster 26 is arranged, which draws part of the warm air from the combustion chamber 14 through the radiator 27, is cooled, and then returns it to the inside of the pipe 10, where it is mixed with fresh compressed air and fed into the rotor 1, etc.

Способ осуществляют следующим образом. Свежий сжатый воздух от турбокомпрессора (не показан) по воздуховоду 12, подают внутрь трубы 10 и далее через отверстия (не показаны) в малом основании он поступает внутрь ротора 1, где циркулируя между перегородок (не показаны), охлаждает нагретые топливными газами части изнутри ротора 1, а затем проходит в отверстия 8 в боковой стенке 3 ротора 1 в пространство внутри кожуха 9 и охлаждает наружные стенки сопел 5 и другие нагретые места ротора 1. The method is as follows. Fresh compressed air from a turbocharger (not shown) through the duct 12, is fed into the pipe 10 and then through holes (not shown) in a small base, it enters the rotor 1, where it circulates between the partitions (not shown), cools the parts heated from the inside of the rotor heated by fuel gases 1, and then passes into the holes 8 in the side wall 3 of the rotor 1 into the space inside the casing 9 and cools the outer walls of the nozzles 5 and other heated places of the rotor 1.

По перепускному трубопроводу 20 сжатый воздух, нагревшись проходит в объем камеры сгорания 14. Здесь теплый сжатый воздух распределяется между форсунками 15, находящимися в жаровых трубах 16. Горячий воздух от сжигания топлива из жаровых труб собираются в кольцеобразную камеру 18, откуда непрерывно поступает в устья 6 сопел 5. Through the bypass pipe 20, the compressed air, having heated, passes into the volume of the combustion chamber 14. Here, warm compressed air is distributed between the nozzles 15 located in the flame tubes 16. The hot air from the combustion of fuel from the flame tubes is collected in an annular chamber 18, from where it continuously enters the mouth 6 nozzles 5.

В сужающейся их части поток топливных газов ускоряется, а затем еще больше ускоряется в расширяющейся части сопел 5. Топливные газы, проходя в начале по изогнутой части сопел 5 в виде дуги, создают активную реакцию, направленную в сторону вращения ротора 1, а выходя из сопел 5 в сборную камеру 21, создают реактивную реакцию, одна из составляющих которой будет направлена в сторону вращения ротора 1, а другая будет направлена вдоль вала 2 в сторону к устьям 6 сопел 5, которую на практике компенсируют, устраивая на одном валу 2 для ротора 1 располагая их в зеркальном виде. Топливные газы из сопел 5, расширившись и в определенной мере охладившись собираются в камере 21, откуда по трубе 22 отводятся для дальнейшего использования, например, в авиационный турбореактивный двигатель (не показан) приспособленный для работы на топливных газах, подаваемых по трубе 22, а сжатый воздух от их компрессоров поступает в трубу 12, для использования в предлагаемом двигателе. In their narrowing part, the flow of fuel gases accelerates, and then accelerates even more in the expanding part of the nozzles 5. Fuel gases, passing at the beginning along the curved part of the nozzles 5 in the form of an arc, create an active reaction directed towards the rotation of the rotor 1, and leaving the nozzles 5 into the collection chamber 21, create a reactive reaction, one of the components of which will be directed in the direction of rotation of the rotor 1, and the other will be directed along the shaft 2 towards the mouths 6 of the nozzles 5, which in practice is compensated by arranging on one shaft 2 for the rotor 1 positioning and in mirror image. The fuel gases from the nozzles 5, expanding and to some extent cooled, are collected in the chamber 21, from where they are diverted via a pipe 22 for further use, for example, into an aircraft turbojet engine (not shown) adapted to operate on fuel gases supplied through a pipe 22, and compressed air from their compressors enters the pipe 12, for use in the proposed engine.

К трубе 22 могут быть подключены топливные газы от другого вспомогательного обычного турбореактивного двигателя (не показан), который включается в работу для пуска предлагаемого двигателя. To the pipe 22 can be connected fuel gases from another auxiliary conventional turbojet engine (not shown), which is included in the work to start the proposed engine.

Для этого в начале стартером раскручивается упомянутый вспомогательный двигатель и пускается в работу с отводом топливных газов из него в трубу 22. Турбореактивный двигатель, приспособленный для работы на этих газах (не показан), компремирует воздух, который по трубе 12 подается в камеру сгорания 14 и служит для растопки форсунок 15 и пуска предлагаемого двигателя в работу. После чего вспомогательный турбореактивный двигатель останавливается. To do this, at the beginning, the starter auxiliary engine is untwisted by the starter and put into operation with the removal of fuel gases from it into the pipe 22. A turbojet engine adapted to operate on these gases (not shown) compresses the air that is supplied through the pipe 12 to the combustion chamber 14 and serves to kindle nozzles 15 and start the proposed engine in operation. Then the auxiliary turbojet engine stops.

Положительный эффект двигателя в сравнении с прототипом достигается за счет использования в соплах 5 топливных газов с более высокой температурой, что становится возможным из-за интенсивного охлаждения стенок сопел 5, свежим сжатым воздухом в смеси с охлажденным сжатым воздухом после эксгаустера 26, а в варианте двигателя - это охлаждение может быть осуществляться распыленной дистиллированной водой. The positive effect of the engine in comparison with the prototype is achieved by using fuel gases with a higher temperature in the nozzles 5, which is possible due to the intensive cooling of the walls of the nozzles 5, with fresh compressed air mixed with cooled compressed air after the exhauster 26, and in the engine variant - this cooling can be carried out by atomized distilled water.

Положительный эффект двигателя состоит так же и в том, что он работает на полезную нагрузку (электрогенератор, 3000 об/мин) без редуктора, поскольку, как известно, тяга реактивного двигателя, которым в данном случае является каждое сопло 5 в отдельности, остается постоянной при любой скорости полета, а в данном случае - скорости вращения ротора, за счет же соответствующей длины сопел 5 обеспечивается эффективное использование энергии топливного газа. (56) Манушин Э. А. Газовые турбины: проблемы и перспективы. М. : Энергоатомиздат, 1986, с. 131, рис. 5.5 в. The positive effect of the engine also consists in the fact that it operates on a payload (electric generator, 3000 rpm) without a gearbox, because, as you know, the thrust of a jet engine, which in this case is each nozzle 5 individually, remains constant at any flight speed, and in this case, the rotor speed, due to the corresponding length of the nozzles 5, the efficient use of fuel gas energy is ensured. (56) E. Manushin. Gas turbines: problems and prospects. M.: Energoatomizdat, 1986, p. 131, Fig. 5.5 in.

Claims

1. The method of operation of a gas turbine engine, which consists in compressing the cyclic air in a compressor, cooling the turbine rotor, mixing air and fuel in the combustion chamber, expanding the combustion products in the turbine, characterized in that, in order to increase efficiency, the rotor is cooled by all volume of cyclic air, carry out the subsequent separation of air into two parts, one of which is mixed with fuel and burned in the combustion chamber, and the other is cooled and mixed with compressed air behind the compressor.

2. A gas turbine engine containing a compressor, a combustion chamber, a gas turbine with a rotor and working channels, an exhaust device, characterized in that, in order to increase efficiency, the engine is additionally equipped with a recirculation loop for part of the cyclic air to the compressor and a loop for returning part of the cyclic air to the chamber of combustion, the rotor is conical, and the working channels are closed, screw, curved in the direction of rotation, and the entrances to the working channels are connected by gas to the exit of the combustion chamber, and the output odes - with an exhaust device.