RU2076936C1

RU2076936C1 - Turbocompressor engine and method to increase its economy

Info

Publication number: RU2076936C1
Application number: RU93037529A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Кузьмич Чуркин; Дмитрий Рудольфович Чуркин
Original assignee: Рудольф Кузьмич Чуркин; Дмитрий Рудольфович Чуркин
Priority date: 1993-07-21
Filing date: 1993-07-21
Publication date: 1997-04-10

Abstract

FIELD: heat power engineering and cooling facilities. SUBSTANCE: air compressed in compressor is heated in its setting before inlet into combustion chamber providing transmission of heat from exhaust gases to heat pump by means of heat tube with radial and axial system of channels filled with low-boiling heat carrying agent. Heat pump has hermetically sealed rotor filled with heavy inert gas or mixture of such gases. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к авиационным, судовым и другим транспортным тепловым двигателям, а также к турбокомпрессорным двигателям для теплоэнергетики, газо- и нефтеперекачивающих комплексов, а также к холодильной технике и тепловым насосам. The invention relates to aircraft, ship and other transport thermal engines, as well as to turbocompressor engines for the power industry, gas and oil pumping complexes, as well as to refrigeration equipment and heat pumps.

Известен турбокомпрессорный двигатель (I), позволяющий повысить экономичность расхода топлива путем нагрева сжатого в компрессоре воздуха посредством подвода тепла выхлопных газов к проточной части компрессора тепловым насосом. В известном решении транспортировка тепла выхлопных газов производится потоком сжатого воздуха с выхода компрессора через байпасную трубу, полую неподвижную лопасть и обтекатель выхлопных газов, осевую полость и радиальные отверстия вала. Known turbocharged engine (I), which allows to increase fuel economy by heating compressed air in the compressor by supplying heat of exhaust gases to the compressor flow path with a heat pump. In a known solution, the heat of exhaust gases is transported by a stream of compressed air from the compressor outlet through a bypass pipe, a hollow stationary blade and a cowl around the exhaust gases, an axial cavity and radial shaft openings.

Недостатком известного решения является слабый теплообмен между выхлопными газами и воздухом, протекающим через полую лопасть, вследствие низкого коэффициента теплопередачи, обусловленная этим необходимость развития теплообменных поверхностей, увеличение массы двигателя. Кроме того, на осуществление теплопередачи от компрессора отбирается часть воздуха, которая не участвует в создании рабочей тяги. A disadvantage of the known solution is the poor heat transfer between exhaust gases and air flowing through the hollow blade, due to the low heat transfer coefficient, which necessitates the development of heat transfer surfaces, an increase in the mass of the engine. In addition, part of the air that is not involved in the creation of working draft is taken from the compressor for heat transfer.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков известного решения и увеличение экономичности расхода топлива на создание рабочей тяги. Поставленная задача достигается тем, что нагрев сжатого в компрессоре воздуха производят в проточной части компрессора пере входов в камеру сгорания, осуществляя при этом передачу тепла выхлопных газов к тепловому насосу посредством тепловой трубы с радиально-осевой артериальной системой каналов, заполненной легкокипящим теплоносителем. The objective of the invention is to remedy these disadvantages of the known solutions and increase the efficiency of fuel consumption to create a working draft. The problem is achieved in that the compressed air in the compressor is heated in the compressor flow path at the entrances to the combustion chamber, while transmitting heat of exhaust gases to the heat pump through a heat pipe with a radial-axial arterial system of channels filled with a low-boiling coolant.

В устройстве двигателя цель достигается тем, что ротор компрессора выполнен в виде полого барабана, тепловой насос с герметичным ротором, заполненным тяжелым инертным газом или смесью из нескольких тактовых, снабженным внутренними лопатками, помещенным в полости барабана компрессора и жестко связанным с ним, при этом полый обтекатель соединен с диском турбины и снабжен спиральным каналом испарительной системы теплопередачи, а общий вал выполнен в виде коаксиальной тепловой трубы с артериальной системой каналов, соединенной с спиральным каналом обтекателя и приосевой зоной ротора теплового насоса. In the engine device, the goal is achieved in that the compressor rotor is made in the form of a hollow drum, a heat pump with a hermetic rotor filled with a heavy inert gas or a mixture of several cycles, equipped with internal blades placed in the cavity of the compressor drum and rigidly connected with it, while the fairing is connected to the turbine disk and is equipped with a spiral channel of the evaporative heat transfer system, and the common shaft is made in the form of a coaxial heat pipe with an arterial channel system connected to the spiral m fairing and the axial channel area of the heat pump rotor.

По новому способу производится не только наиболее эффективное испарительное охлаждение наиболее перегретых элементов двигателя и транспортировка тепла выхлопных газов, но и активное повышение температурного потенциала этого тепла на входе в камеру сгорания с характерным для тепловых насосов высоким отопительным коэффициентом, превышающим I. According to the new method, not only the most efficient evaporative cooling of the most overheated engine elements and the transportation of exhaust gas heat is carried out, but also an active increase in the temperature potential of this heat at the entrance to the combustion chamber with a high heating coefficient characteristic of heat pumps in excess of I.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства, на фиг. 2 поперечный разрез, на фиг. 3 схема циркуляции теплоносителя. In FIG. 1 shows a longitudinal section of the device, FIG. 2 is a cross-sectional view, in FIG. 3 diagram of the circulation of the coolant.

Устройство двигателя включает в себя осевой компрессор с полым барабаном 1 и лопатками 2, турбину с лопаточным диском 3, установленные на общем валу 4, полый обтекатель 5 выхлопных газов, жестко соединенный с диском турбины, центробежный тепловой насос с герметичным ротором 6, заполненный тяжелым инертным газом или смесью из нескольких таковых, снабженным внутренними лопатками 7 и коаксиальной конической перегородкой 8 для меридианальной циркуляции газовой рабочей среды внутри герметичного ротора, помещенным в полости барабана компрессора и жестко связанным с ним. Полый обтекатель выхлопных газов снабжен спиральным каналом 9 испарительной системы охлаждения, а общий вал выполнен в виде коаксиальной тепловой трубы с артериальной системой каналов 10, соединенной со спиральным каналом обтекателя и приосевой зоной ротора теплового насоса. The engine device includes an axial compressor with a hollow drum 1 and blades 2, a turbine with a blade disk 3 mounted on a common shaft 4, a hollow cowl 5 of exhaust gases, rigidly connected to the turbine disk, a centrifugal heat pump with a sealed rotor 6, filled with a heavy inert gas or a mixture of several, equipped with internal blades 7 and a coaxial conical partition 8 for meridian circulation of the gas working medium inside a sealed rotor, placed in the cavity of the compressor drum and tightly bound to it. The hollow exhaust cowl is equipped with a spiral channel 9 of the evaporative cooling system, and the common shaft is made in the form of a coaxial heat pipe with an arterial channel system 10 connected to the spiral channel of the cowl and the axial zone of the heat pump rotor.

Двигатель работает следующим образом. The engine operates as follows.

Осевой компрессор с полым барабаном 1, лопатками 2, установленная с ним на общем валу турбина с лопаточным диском 3 с помощью стартера (на фиг. 1 не показан) разгоняется до заданной угловой скорости. An axial compressor with a hollow drum 1, blades 2, a turbine with a blade disk 3 installed with it on a common shaft, is accelerated to a predetermined angular speed by means of a starter (not shown in Fig. 1).

Воспламеняется распыленное в камере сгорания топливо. Горячие газы раскручивают установленные на общем валу 4 турбину с лопаточным диском 3 и связанным с ним обтекателем 5 выхлопных газов с спиральным каналом 9 и осевой компрессор с полым барабаном 1 и лопатками 2, расположенный внутри него тепловой насос с герметичным ротором 6, заполненным тяжелым инертным газом или газовой рабочей смесью, с его внутренними лопатками и коаксиальной конической перегородкой до заданной рабочей угловой скорости вращения. The fuel sprayed in the combustion chamber is ignited. Hot gases unwind a turbine mounted on a common shaft 4 with a blade disk 3 and an associated exhaust cowl 5 with a spiral channel 9 and an axial compressor with a hollow drum 1 and blades 2, a heat pump located inside it with a hermetic rotor 6 filled with heavy inert gas or a gas working mixture, with its internal blades and a coaxial conical baffle up to a given working angular rotation speed.

Под действием тепла горячих выхлопных газов (см. фиг. 3) разогревается лопаточный диск турбины и обтекатель 5 с спиральным каналом 9, заполненным легкокипящим теплоносителем, например водой, хладоном, аммиаком, керосином. Теплоноситель испаряется в спиральном канале обтекателя, охлаждает его и связанный с ним лопаточный диск турбины. Под действием центробежной силы на место вскипевшего теплоносителя из тепловой трубы, проложенной внутри вала, поступает новая порция жидкого теплоносителя, а легкий пар отжимается жидкостью к вершине колпака обтекателя, расположенной на оси вращения. Нагретый сжатый пар по осевому артериальному каналу тепловой трубы поступает в холодную приосевую зону трубы, конденсируется в нем и отдает тепло конденсации стенке трубы и вала. Under the influence of heat of hot exhaust gases (see Fig. 3), the turbine blade disk and the cowl 5 with a spiral channel 9 are filled with a low-boiling coolant, such as water, chladone, ammonia, kerosene. The coolant evaporates in the spiral channel of the fairing, cools it and the turbine blade disk connected with it. Under the action of centrifugal force, a new portion of the liquid coolant enters the place of the boiled coolant from the heat pipe laid inside the shaft, and light vapor is squeezed by the liquid to the top of the cowl cap located on the axis of rotation. Heated compressed steam through the axial arterial channel of the heat pipe enters the cold axial zone of the pipe, condenses in it and gives off condensation heat to the pipe wall and shaft.

Далее в действие вступает центробежный тепловой насос. Центробежная сила, действующая на вращающийся с высокой (20 30 тыс. об./мин) угловой скоростью герметичный ротор, отбрасывает на периферию ротора заполняющий его тяжелый инертный газ или тяжелые компоненты газовой смеси, сжимает его. В результате центробежного сжатия тяжелого инертного газа на периферии ротора в его приосевой зоне образуется соответствующее ему разрежение. Сжимаемый инертный газ нагревается, а расширяемый в приосевой зоне охлаждается в соответствии с изохорным процессом (закон Шарля, Гей Люссака). Температура газа в приосевой зоне понижается до значений ниже температуры тепловой трубы и стенки вала в конденсатной зоне. Поток тепла от нагретого конденсата из тепловой трубы устремляется к холодному приосевому слою инертного газа внутри ротора. Теплоперенос из приосевой зоны к периферийной с одновременным повышением температурного потенциала происходит в результате меридианальной циркуляции газа под действием центробежного поля с помощью радиальных внутренних лопаток и коаксиальной конической перегородкой, образующих центробежный термосифон, аналогичный обычному гравитационному термосифону. Тепло сжатия от тяжелого инертного газа со стенки барабана компрессора снимается потоком воздуха в его проточной части и поступает на вход камеры сгорания. Next, a centrifugal heat pump enters. A centrifugal force acting on a sealed rotor rotating with a high (20-30 thousand rpm) angular speed, casts heavy inert gas or heavy components of the gas mixture filling it, and compresses it. As a result of centrifugal compression of a heavy inert gas at the periphery of the rotor, a corresponding vacuum is formed in its axial zone. The compressible inert gas is heated, and the expandable in the near-axis zone is cooled in accordance with the isochoric process (Charles law, Gay Lussac). The gas temperature in the near-axis zone decreases to values below the temperature of the heat pipe and the shaft wall in the condensate zone. The heat flux from the heated condensate from the heat pipe rushes to the cold paraxial layer of inert gas inside the rotor. Heat transfer from the near-axis to the peripheral zone with a simultaneous increase in the temperature potential occurs as a result of the meridian circulation of gas under the action of a centrifugal field using radial inner blades and a coaxial conical septum, forming a centrifugal thermosiphon similar to a conventional gravitational thermosiphon. The heat of compression from a heavy inert gas from the wall of the compressor drum is removed by the air flow in its flow part and enters the input of the combustion chamber.

Благодаря предварительному нагреву воздуха при сгорании топлива в камере требуется меньший расход горючего, экономичность двигателя соответственно возрастает. Таким образом, с помощью центробежного теплового насоса обеспечивается активная регенерация тепла выхлопных газов и существенная экономия топлива. Конденсат теплоносителя, отдавший свое тепло рабочему газу теплового насоса, по внешним артериальным каналам тепловой трубы 10 с помощью центробежного поля возвращается в спиральный канал обтекателя. Цикл завершается. Due to the preliminary heating of the air during the combustion of fuel in the chamber, a lower fuel consumption is required, the efficiency of the engine increases accordingly. Thus, with the help of a centrifugal heat pump, active exhaust heat recovery and significant fuel economy are ensured. The condensate of the coolant, which gave its heat to the working gas of the heat pump, returns through the external arterial channels of the heat pipe 10 using a centrifugal field to the spiral channel of the fairing. The cycle ends.

Работа центробежного теплового насоса с герметичным ротором и постоянным объемом рабочей среды, циркулирующей внутри ротора, характеризуется минимальной потребляемой на его вращение механической мощностью, т.к. герметичный ротор, заполненный средой, вращается фактически как твердое тело и потребляет энергию привода, в данном случае турбины, только на раскрутку до заданной скорости, а далее на компенсацию потерь в подшипниках вала, общих для всего барабана компрессора. Вследствие этого центробежный тепловой насос с герметичным ротором и внутренней термосифонной циркуляцией среды должен обеспечивать работу с отопительным коэффициентом, значительно превышающим 1 и значения его для тепловых насосов с внешней циркуляцией. Таким образом, устройство двигателя обеспечивает активную регенерацию тепла выхлопных газов с максимальной эффективностью и обеспечивает выполнение поставленной цели - существенное повышение экономичности расхода топлива на единицу тяги. The operation of a centrifugal heat pump with a sealed rotor and a constant volume of the working medium circulating inside the rotor is characterized by the minimum mechanical power consumed for its rotation, because a sealed rotor filled with medium rotates practically like a solid and consumes drive energy, in this case turbines, only to spin up to a given speed, and then to compensate for losses in shaft bearings common to the entire compressor drum. As a result, a centrifugal heat pump with a sealed rotor and internal thermosiphon circulation of the medium must ensure operation with a heating coefficient significantly exceeding 1 and its values for heat pumps with external circulation. Thus, the engine device provides active heat recovery of exhaust gases with maximum efficiency and ensures the achievement of the goal - a significant increase in fuel economy per unit of thrust.

Claims

1. A method of increasing the efficiency of a turbocompressor engine by heating the compressed air in the compressor by supplying heat of the exhaust gases to the compressor flow path with a heat pump, characterized in that the compressed air in the compressor is heated in the compressor flow path before entering the combustion chamber, while transmitting heat exhaust gases to the heat pump through a heat pipe with a radially axial arterial system of channels filled with low-boiling coolant.

2. A turbocharger engine comprising an axial compressor mounted on a common shaft with a rotor and a turbine with a blade disk, a hollow exhaust cowl and a heat pump, characterized in that the compressor rotor is made in the form of a hollow drum, a heat pump with a sealed rotor filled with heavy inert gas or a mixture of several thereof and equipped with internal blades, its rotor is placed in the cavity of the compressor drum and rigidly connected to it, while the hollow cone of the fairing is connected to the turbine disk and equipped with a spiral th channel of the evaporative heat transfer system, and a common shaft formed as a coaxial tube heat with arterial system of channels connected to the helical channel cone fairing and the axial area of the heat pump rotor.