RU2730691C1 - Lavrentiev gas turbine engine - Google Patents

Lavrentiev gas turbine engine Download PDF

Info

Publication number
RU2730691C1
RU2730691C1 RU2019128902A RU2019128902A RU2730691C1 RU 2730691 C1 RU2730691 C1 RU 2730691C1 RU 2019128902 A RU2019128902 A RU 2019128902A RU 2019128902 A RU2019128902 A RU 2019128902A RU 2730691 C1 RU2730691 C1 RU 2730691C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
engine
heat exchanger
heat
gas turbine
turbine engine
Prior art date
Application number
RU2019128902A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Игоревич Лаврентьев
Original Assignee
Владимир Игоревич Лаврентьев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Игоревич Лаврентьев filed Critical Владимир Игоревич Лаврентьев
Priority to GBGB2203460.7A priority Critical patent/GB202203460D0/en
Priority to PCT/RU2019/000633 priority patent/WO2021049966A1/en
Priority to RU2019128902A priority patent/RU2730691C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730691C1 publication Critical patent/RU2730691C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B29/00Machines or engines with pertinent characteristics other than those provided for in preceding main groups
    • F01B29/08Reciprocating-piston machines or engines not otherwise provided for
    • F01B29/10Engines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

FIELD: machine building.SUBSTANCE: present invention represents a heat differential engine which uses an internal heat exchanger to use waste heat from an external heat source at the inlet and perform mechanical operation at the output, unlike conventional gas turbine engines, such as jet turbines, internal combustion engines. Lavrentiev gas-turbine engine includes in its housing at least one fan comprising a set of rotating inlet blades which inject air into the engine; at least one heat exchanger placed in engine housing to power turbine, after fan; at least one set of rotating blades designed to extract mechanical work from air, moving through the engine rear part from heat exchanger, thereby acting as power turbine, which is connected to input blades wings for their rotation.EFFECT: technical result is an increase in the rate of conversion of heat energy into useful mechanical work with minimum loss of heat/energy.11 cl, 3 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[001] Данное техническое решение, в общем, относится к области тепловых двигателей, а в частности к двигателям внешнего сгорания.[001] This technical solution generally relates to the field of heat engines, and in particular to external combustion engines.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY

[002] Исторически изобретенный тепловой двигатель или двигатель внешнего сгорания известен как двигатель Стерлинга. Это поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением, который использует тот факт, что газы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, превращая тепло в кинетическую энергию. В этой конструкции используется внешний источник тепла, который нагревает и расширяет воздух внутри таким образом, что толкает силовой поршень, который включает один коленчатый вал с поршнем компрессора, который выталкивает горячий воздух на холодную сторону, снова охлаждая его и толкая его назад к горячей стороне двигателя.[002] The historically invented heat engine or external combustion engine is known as the Sterling engine. This is a reciprocating piston engine that exploits the fact that gases expand when heated and contract when cooled, converting heat into kinetic energy. This design uses an external heat source that heats and expands the air inside in such a way that it pushes the power piston, which includes a single crankshaft with a compressor piston, which pushes hot air to the cold side, cooling it again and pushing it back to the hot side of the engine. ...

[003] Данный тип двигателя невероятно прост и зачастую более эффективен, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Однако он все еще является неэффективным поршневым двигателем. При более высокой скорости необходимо преодолеть большое изменение сил инерции из-за наличия возвратно-поступательных масс, причем при увеличении скорости работы трение возрастает, поскольку поршневые кольца с большей скоростью протирают стенки цилиндров. Это проблематично, поскольку эффективность двигателей, работающих на принципе разницы температур, зависит от скорости рассеивания тепла. Поэтому там, где двигатель наиболее эффективен (при высоких оборотах), эти недостатки наблюдаются чаще всего.[003] This type of engine is incredibly simple and often more efficient than reciprocating internal combustion engines. However, it is still an inefficient piston engine. At a higher speed, it is necessary to overcome a large change in inertial forces due to the presence of reciprocating masses, and with an increase in the operating speed, friction increases, since the piston rings wipe the cylinder walls with a higher speed. This is problematic because the efficiency of temperature difference motors depends on the rate of heat dissipation. Therefore, where the engine is most efficient (at high rpm), these disadvantages are most often observed.

[004] Другая проблема с двигателем Стерлинга заключается в том, что тепло, которое двигатель превращается в кинетическую энергию, может проходить только через корпус двигателя. А поскольку тепло находится за пределами двигателя, трудно сфокусировать тепло на поверхности на корпусе двигателя, и большая часть его теряется в окружающей среде.[004] Another problem with the Sterling engine is that the heat that the engine converts into kinetic energy can only pass through the engine housing. And since the heat is outside the engine, it is difficult to focus the heat on the surface of the engine housing, and most of it is lost to the environment.

[005] Из уровня техники известен двухконтурный турбореактивный двигатель, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор с отбором воздуха для охлаждения турбины привода вентилятора и компрессора, камера сгорания, турбина привода вентилятора и компрессора, выходное устройство внутреннего контура; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник, внутри которого циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора, и воздух, поступающий из теплообменника, выходное устройство внешнего контура (патент RU 2617026 С1, 2017).[005] A two-circuit turbojet engine is known from the prior art, consisting of an inlet device, a fan, an internal circuit, inside of which are located: a compressor with air extraction for cooling the fan and compressor drive turbine, a combustion chamber, a fan and compressor drive turbine, an internal circuit outlet ; external circuit, inside which there is a heat exchanger, inside which circulates the air coming from the mixer, in which the air coming from the compressor and the air coming from the heat exchanger are mixed, the output device of the external circuit (patent RU 2617026 C1, 2017).

[006] Известны газотурбинные двигатели, в которых используется свободная турбина (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.4).[006] Known gas turbine engines that use a free turbine (Theory and calculation of air-jet engines / Ed. By SM Shlyakhtenko - M: Mechanical Engineering, 1987, S. 354, Fig. 11.4).

[007] Известны газотурбинные двигатели, у которых за турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. 2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).[007] Known gas turbine engines, in which a diffuser pipe is installed behind the turbine, allowing to increase the pressure drop in the turbine more than the available one (Nechaev YN, Fedorov PM Theory of aircraft gas turbine engines. Part 2. M .: Mashinostroenie, 1978, p. 268, fig.19.2).

[008] Известны газотурбинные двигатели с регенерацией тепла (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.3).[008] Known gas turbine engines with heat recovery (Theory and calculation of air-jet engines / Ed. By SM Shlyakhtenko - M .: Mashinostroenie, 1987, S. 354, Fig. 11.3).

[009] Основным недостатком данных технических решений является низкая скорость превращения тепловой энергии в полезную механическую работу, которую решает заявляемое техническое решение.[009] The main disadvantage of these technical solutions is the low rate of conversion of thermal energy into useful mechanical work, which is solved by the claimed technical solution.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[0010] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.[0010] This technical solution is aimed at eliminating the disadvantages inherent in solutions known from the prior art.

[0011]Технической задачей или проблемой, решаемой в данном техническом решении, является создание двигателя, работающего по принципу разницы температур, в форме конфигурации вращающегося вентилятора / турбины, чтобы избавиться от проблем использования поршневого двигателя с возвратно-поступательным движением при больших скоростях вращения, а также имеющего теплообменный процесс в двигателе внутри, а не на его поверхности.[0011] The technical problem or problem solved in this technical solution is to provide a temperature difference engine in the form of a rotating fan / turbine configuration to get rid of the problems of using a reciprocating piston engine at high rotation speeds, and also having a heat exchange process in the engine inside, and not on its surface.

[0012] Техническим результатом, достигающимся при решении вышеуказанной технической проблемы или задачи, является повышение скорости превращения тепловой энергии в полезную механическую работу с минимальными потерями тепла / энергии.[0012] The technical result achieved by solving the above technical problem or task is to increase the rate of conversion of thermal energy into useful mechanical work with minimal heat / energy losses.

[0013] Указанный технический результат достигается благодаря осуществлению газотурбинного двигателя Лаврентьева, который содержит в своем корпусе по меньшей мере, один приточный вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель; по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора; по меньшей мере, один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения.[0013] The specified technical result is achieved due to the implementation of the gas turbine engine Lavrentiev, which contains in its housing at least one supply fan containing a set of rotating inlet blades forcing air into the engine; at least one heat exchanger placed in the engine casing before the power turbine, after the fan; at least one set of rotating blades configured to extract mechanical work from air moving through the rear of the engine from the heat exchanger, thereby acting as a power turbine that is coupled to the inlet blade wings to rotate them.

[0014] В некоторых вариантах реализации технического решения двигатель содержит уменьшающийся внутренний объем после силовой турбины, который действует как выпускное сопло.[0014] In some embodiments, the engine includes a decreasing internal volume after the power turbine that acts as an exhaust nozzle.

[0015] В некоторых вариантах реализации технического решения теплопроводный материалы выполнен из алюминия или его сплава.[0015] In some embodiments of the technical solution, the thermally conductive materials are made of aluminum or an alloy thereof.

[0016] В некоторых вариантах реализации технического решения приточный вентилятор содержит внутри подшипники.[0016] In some embodiments of the technical solution, the supply fan includes bearings inside.

[0017] В некоторых вариантах реализации технического решения в теплообменник поступают выхлопные газы и/или жидкость радиатора автотранспортного средства.[0017] In some embodiments, the heat exchanger receives exhaust gases and / or liquid from a vehicle radiator.

[0018] В некоторых вариантах реализации технического решения давление приточного вентилятора ниже, чем давление на турбине двигателя.[0018] In some embodiments, the intake fan pressure is lower than the pressure at the engine turbine.

[0019] В некоторых вариантах реализации технического решения теплообменник является полым и проводящим.[0019] In some embodiments, the heat exchanger is hollow and conductive.

[0020] В некоторых вариантах реализации технического решения теплообменник имеет полую обтекаемую форму.[0020] In some embodiments of the technical solution, the heat exchanger has a hollow streamlined shape.

[0021] В некоторых вариантах реализации технического решения крылья турбины связаны с крыльями приточного вентилятора посредством единого вала.[0021] In some embodiments, the turbine wings are connected to the supply fan wings through a single shaft.

[0022] В некоторых вариантах реализации технического решения к турбине подключен генератор, а к приточному вентилятору холодного воздуха подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом.[0022] In some embodiments of the technical solution, a generator is connected to the turbine, and a motor is connected to the cold air supply fan, and the motors are connected to each other by a wire.

[0023] В некоторых вариантах реализации технического решения площадь поверхности теплообменника увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.[0023] In some embodiments of the technical solution, the surface area of the heat exchanger is increased by adding heat transfer fins to the trailing edge of the airfoils.

[0024] В некоторых вариантах реализации технического решения угол лопастей приточного вентилятора меньше угла лопастей турбины.[0024] In some embodiments, the supply fan blade angle is less than the turbine blade angle.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

[0025] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:[0025] The features and advantages of the present technical solution will become apparent from the following detailed description and the accompanying drawings, in which:

[0026] На Фиг. 1 показан схематичный пример реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (общий вид на 3/4).[0026] FIG. 1 shows a schematic example of the implementation of the Lavrentiev gas turbine engine (3/4 view).

[0027] На Фиг. 2 показаны схематичные примеры реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (два вида формы двигателя), в котором показано через теплообменник проходит воздух.[0027] FIG. 2 shows schematic examples of the implementation of the Lavrent'ev gas turbine engine (two types of engine shapes), in which air passes through the heat exchanger.

[0028] На Фиг. 3 показан схематичный пример реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (вид сбоку).[0028] FIG. 3 shows a schematic example of the implementation of the Lavrentiev gas turbine engine (side view).

ПОДРОБНОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

[0029] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании технического решения.[0029] Below will be discussed in detail the terms and their definitions used in the description of the technical solution.

[0030] Тепловой двигатель - любой двигатель, который превращает тепловую энергию (обычно сжигаемого топлива) в полезную механическую энергию.[0030] A heat engine is any engine that converts thermal energy (usually combusted fuel) into usable mechanical energy.

[0031] Теплообменник - аппарат для передачи теплоты от среды с более высокой температурой (греющее тело теплоноситель) к среде с более низкой температурой (нагреваемое тело).[0031] A heat exchanger is an apparatus for transferring heat from a medium with a higher temperature (a heat-carrying medium) to a medium with a lower temperature (a heated body).

[0032] Аэродинамический профиль - форма поперечного сечения крыла, лопасти (пропеллера, ротора или турбины), паруса или другой гидроаэродинамической конструкции.[0032] Aerodynamic profile - the shape of the cross-section of a wing, blade (propeller, rotor or turbine), sail, or other hydroaerodynamic structure.

[0033] Силовая турбина (СТ) - соединенная с коленчатым валом двигателя газовая турбина.[0033] Power Turbine (ST) —A gas turbine coupled to the engine crankshaft.

[0034] Статор (англ. stator, от лат. sto - стою) - неподвижная часть электрической, лопаточной и другой машины, взаимодействующая с подвижной частью - ротором.[0034] A stator (English stator, from Latin sto - I stand) is a fixed part of an electric, blade and other machine interacting with a moving part - a rotor.

[0035] Из-за характера охлаждения двигателя в него можно включить любой радиатор, конденсатор или любой другой теплообменник 110, как показано на Фиг. 1.[0035] Because of the cooling nature of the engine, any radiator, condenser, or any other heat exchanger 110 can be included as shown in FIG. 1.

[0036] Например, в автомобильном радиаторе обычно добавляется вентилятор, чтобы повысить эффективность охлаждения, достаточную для двигателя. Этот вентилятор приводится в действие либо от двигателя автомобиля, либо от электричества генератора переменного тока, вырабатываемого двигателем. Таким образом, не только 100% тепловой энергии от радиатора тратится впустую, дополнительная входная энергия также используется для перехода этой тепловой энергии в атмосферу. Данное же техническое решение уменьшает или вообще исключает потребность в любой потребляемой энергии, необходимой для охлаждения, а также извлекает механическую работу из существующей энергии отходящего тепла.[0036] For example, in a car radiator, a fan is usually added to increase the cooling efficiency sufficient for the engine. This fan is powered by either the car's engine or the electricity from the alternator generated by the engine. Thus, not only is 100% of the heat energy from the radiator wasted, the additional input energy is also used to transfer this heat energy to the atmosphere. This technical solution also reduces or eliminates the need for any consumed energy required for cooling, and also extracts mechanical work from the existing waste heat energy.

[0037]Аналогично горячие выхлопные газы, например, двигателя внутреннего сгорания, могут направляться через теплообменник 110 в двигатель 100 Лаврентьева и тем самым превращаться в полезную работу. Это устройство дает возможность превращать поступающее тепло в крутящий момент/движение.[0037] Similarly, hot exhaust gases from, for example, an internal combustion engine, can be directed through heat exchanger 110 to Lavrentiev engine 100 and thereby be converted into useful work. This device makes it possible to convert incoming heat into torque / motion.

[0038] С точки зрения фундаментальной физики данное техническое решение 100 может быть реализовано в замкнутой системе: камера, например, в форме конуса, хотя не ограничиваясь формой, заполненная воздухом, в которой все стенки конуса выполнены из прочного материала, например, из стали, кроме его полого основания, в котором располагается свободно вращающийся вентилятор / турбина.[0038] From the point of view of fundamental physics, this technical solution 100 can be implemented in a closed system: a chamber, for example, in the form of a cone, although not limited to a shape filled with air, in which all the walls of the cone are made of a strong material, for example, steel, except for its hollow base, which houses a freely rotating fan / turbine.

[0039] Если в конус будет добавлен источник тепла для нагрева внутреннего воздуха, объем этого воздуха должен увеличиться. В качестве источника тепла могут использоваться, не ограничиваясь, выхлопные газы или радиатор автотранспортного средства, жидкость, охлаждающий или компьютерный сервер, причем источник тепла поступает в теплообменник 110 через полые трубы 110.1. В некоторых вариантах реализации один из теплоносителей протекает по трубам, а другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Наиболее распространенный способ размещения труб в трубных решетках - по вершинам правильных шестиугольников. Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник является одноходовым, т.е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой - по межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, в данном техническом решении могут использовать многоходовый теплообменник. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок, установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое. Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб.[0039] If a heat source is added to the cone to heat the indoor air, the volume of this air must increase. The heat source may be, but is not limited to, exhaust gases or a radiator of a motor vehicle, a liquid, a cooling or computer server, and the heat source enters the heat exchanger 110 through the hollow pipes 110.1. In some embodiments, one of the heat transfer fluids flows through the pipes, and the other through the annular space. Heat from one coolant to another is transferred through the surface of the pipe walls. Typically, the heated heat carrier is fed from below, and the cooled heat carrier is fed from top to bottom in counterflow. Such a movement of heat carriers contributes to a more efficient transfer of heat, since in this case the direction of movement of each heat carrier coincides with the direction in which this heat carrier seeks to move under the influence of a change in its density during heating or cooling. The most common way of placing pipes in tube sheets is along the tops of regular hexagons. The considered shell-and-tube heat exchanger is one-pass, i.e. in this heat exchanger, both coolants, without changing direction, move along the entire section (one along the pipe, the other along the annular). In cases where the speed of movement of the coolant is low and, therefore, the heat transfer coefficients are low, in this technical solution, a multi-pass heat exchanger can be used. In a multi-pass heat exchanger along the tube space, with the help of transverse partitions installed in the heat exchanger covers, the tube bundle is divided into sections, or passages, along which the coolant moves sequentially. Moreover, the number of pipes in each section is usually approximately the same. It is obvious that in such heat exchangers at the same flow rate of the coolant, the speed of its movement through the pipes increases in multiples of the number of strokes. To increase the speed in the annular space, a number of segmented baffles are installed in it. In horizontal heat exchangers, these baffles are also intermediate pipe supports.

[0040] В некоторых вариантах реализации теплообменник может быть теплообменником с плавающей головкой, элементным теплообменником, двухтрубным теплообменником, змеевиковым теплообменником, пластинчатым теплообменником и т.д., не ограничиваясь.[0040] In some embodiments, the heat exchanger may be a floating head heat exchanger, an elemental heat exchanger, a double tube heat exchanger, a coil heat exchanger, a plate heat exchanger, etc., but is not limited to.

[0041] Применяются и другие способы размещения труб. В данном техническом решении важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в устройстве. В некоторых вариантах реализации полые трубы, по которым протекает теплоноситель, выполнены в форме аэродинамического крыла (или другого аэродинамического обтекаемого профиля) таким образом, чтобы поток воздуха или газа, двигающийся от приточного вентилятора 120 через теплообменник к силовой турбине не образовывал вихрей.[0041] Other pipe placement methods are also used. In this technical solution, it is important to choose a placement method that will provide the maximum possible compactness of the heat exchange surface in the device. In some embodiments, the hollow tubes through which the coolant flows are formed in the form of an airfoil (or other airfoil) such that the flow of air or gas moving from the supply fan 120 through the heat exchanger to the power turbine does not form vortices.

[0042] В результате этого появляется давление на стенки устройства 100 и вентилятор/турбину 130, заставляя их вращаться. В некоторых вариантах реализации камера может быть выполнена не в форме конуса, а другой формы, не ограничиваясь, однако в форме конуса техническое решение работает эффективнее. Дополнительно стоит отметить, что камера может быть заполнена в некоторых вариантах реализации любым другим газом, например, дымом и т.п., не ограничиваясь.[0042] This creates pressure on the walls of the device 100 and fan / turbine 130, causing them to rotate. In some embodiments, the chamber can be made not in the form of a cone, but of another shape, not limited to, however, in the form of a cone, the technical solution works more efficiently. Additionally, it should be noted that the chamber may be filled in some embodiments with any other gas, such as smoke, etc., but not limited to.

[0043] Для того чтобы этот процесс был непрерывным, а не единичным событием, необходимо впускное отверстие для подачи свежего холодного воздуха в эту систему, и необходим постоянный источник тепла для расширения этого свежего воздуха через вентилятор турбины 130, которым может быть приточный вентилятор 120. В некоторых вариантах реализации приточный вентилятор 120 может внутри содержать подшипники.[0043] For this process to be a continuous rather than a one-off event, an inlet is needed to supply fresh cold air to the system, and a constant source of heat is needed to expand this fresh air through the turbine fan 130, which may be a supply fan 120. In some embodiments, the supply fan 120 may include bearings internally.

[0044] Ниже будет подробно раскрыта передняя секция (фронтальная часть двигателя), показанная на Фиг. 1 как секция А.[0044] The front section (engine front) shown in FIG. 2 will be explained in detail below. 1 as section A.

[0045] Приточный вентилятор 120, состоящий из вращающихся лопастей 120.1 в передней части двигателя А на впуске, подает холодный воздух (который должен быть холоднее жидкости радиатора) во фронтальную часть двигателя А. В некоторых вариантах реализации приточный вентилятор может иметь водяной или электрический калорифер для нагревания, в случае необходимости. Также в некоторых вариантах реализации приточный вентилятор 120 состоит из устройств подачи воздуха; фильтров очищающих воздух; охладителя (фреоновый или водяной); нагревателя (гликолевый, водяной, электрический), воздухоприемного устройства; система автоматики (реле, датчики); звукоизоляционных материалов; корпуса; камеры увлажнения (при необходимости).[0045] A supply fan 120, consisting of rotating blades 120.1 at the front of engine A at the intake, supplies cold air (which should be colder than the radiator fluid) to the front of engine A. In some embodiments, the supply fan may have a water or electric heater for heating, if necessary. Also, in some embodiments, the supply fan 120 is comprised of air supply devices; air purifying filters; cooler (freon or water); heater (glycol, water, electric), air intake; automation system (relays, sensors); soundproof materials; housing; humidification chambers (if necessary).

[0046] Передняя секция А, как показано на Фиг. 1, имеет уменьшенный внутренний объем в поперечном сечении. При этом задняя секция В технического решения определяется как часть двигателя, из которой выходит воздух, причем уже нагретый и прошедший через теплообменник 110. Давление приточного вентилятора 120 ниже, чем давление на турбине 130 двигателя. Этого можно добиться, например, если угол лопастей приточного вентилятора 120 меньше угла лопастей турбины 130.[0046] The front section A, as shown in FIG. 1 has a reduced internal volume in cross section. In this case, the rear section B of the technical solution is defined as the part of the engine from which air comes out, which is already heated and passed through the heat exchanger 110. The pressure of the supply fan 120 is lower than the pressure on the turbine 130 of the engine. This can be achieved, for example, if the blade angle of the supply fan 120 is less than the blade angle of the turbine 130.

[0047] Поскольку воздух течет из большого объема поперечного сечения в небольшой объем поперечного сечения, его скорость увеличивается в соответствии с принципом Бернулли. Это отрицательно сказывается на эффективности двигателя: так как между поверхностями теплообменника находится место, как показано на Фиг. 2, где сопротивление пограничного слоя является максимальным, и поступающий холодный воздух должен оставаться в контакте с горячей поверхностью теплообменника 110 как можно дольше, чтобы эффективно проводить тепло в t, т.е. чтобы максимальное количество тепла прошло через турбину. Пограничный слой становится больше при повышении объема воздуха.[0047] Since air flows from a large cross-sectional volume to a small cross-sectional volume, its velocity increases in accordance with the Bernoulli principle. This negatively affects the efficiency of the engine: since there is a space between the surfaces of the heat exchanger, as shown in FIG. 2, where the boundary layer resistance is at its maximum, and the incoming cold air must remain in contact with the hot surface of the heat exchanger 110 as long as possible in order to efficiently conduct heat at t, i.e. so that the maximum amount of heat passes through the turbine. The boundary layer becomes larger with increasing air volume.

[0048] Решением этой проблемы является осуществление внутренней площади поперечного сечения между плоскостями с полым проводящим теплообменником 110, где появляется эффект диффузии, который замедляет и распрямляет воздух и помогает ему оставаться в контакте с горячими проводящими поверхностями теплообменника 110 дольше, чтобы улучшить объемный КПД двигателя 100.[0048] A solution to this problem is the implementation of the internal cross-sectional area between the planes with the hollow conductive heat exchanger 110, where a diffusion effect appears that slows down and straightens the air and helps it stay in contact with the hot conductive surfaces of the heat exchanger 110 longer to improve the volumetric efficiency of the engine 100 ...

[0049] Ниже будет подробно раскрыт теплообменник 110.[0049] Heat exchanger 110 will be described in detail below.

[0050] Реализованная обтекаемая форма теплообменника 110 помогает уменьшить след в потоке, когда холодный воздух проходит через него, и, следовательно, повышает аэродинамическую эффективность, а также исключает возможные вихри, как показано на Фиг. 2. Аналогично, передний край аэродинамического наконечника прикреплен к передней части полых трубок 110.1 теплообменника 110, например, с помощью любой операции сочленения, такой как склейка, спайка, сварка и т.п., чтобы уменьшить сопротивление входящего воздуха.[0050] The streamlined shape of the heat exchanger 110 helps to reduce the wake as cold air passes through it, and therefore improves aerodynamic efficiency as well as eliminates possible vortices, as shown in FIG. 2. Likewise, the leading edge of the airfoil is attached to the front of the hollow tubes 110.1 of the heat exchanger 110, for example, by any mating operation such as gluing, soldering, welding, etc., to reduce the resistance of the incoming air.

[0051] Когда воздух проходит через теплообменник 110, внутренняя площадь поперечного сечения увеличивается, и воздух начинает диффундировать. Эта диффузия уменьшает скорость воздушного потока, которая увеличивает давление воздуха при его движении к силовой турбине 130.[0051] As air passes through the heat exchanger 110, the internal cross-sectional area increases and the air begins to diffuse. This diffusion decreases the air flow rate, which increases the air pressure as it travels towards the power turbine 130.

[0052] Также на этой стадии воздух контактирует с поверхностями теплообменника 110, например, выполненного из алюминия, тем самым охлаждая теплообменник 110 и нагревая воздух, тем самым расширяя его объем.[0052] Also at this stage, the air contacts the surfaces of the heat exchanger 110, for example, made of aluminum, thereby cooling the heat exchanger 110 and heating the air, thereby expanding its volume.

[0053] Хотя на Фиг. 1 теплообменник 110 встроен в задний край лопастей 110.2, посредством операции сочленения, например, такой как склейка, спайка и т.п., причем эти лопасти 110.2 являются возможными примерами реализации. Они иллюстрируются для того, чтобы показать, что большая часть теплообмена в идеале должна происходить в средней части двигателя или за ней, причем диффузия горячего воздуха происходит только перед силовой турбиной 130. Поэтому теплообменник 130 должен находиться в задней части двигателя для большей эффективности.[0053] Although FIG. 1, the heat exchanger 110 is integrated in the rear edge of the blades 110.2 by means of a mating operation such as gluing, brazing, etc., these blades 110.2 being possible examples of implementation. They are illustrated to show that most of the heat transfer should ideally take place in or behind the engine midsection, with hot air diffusing only upstream of the power turbine 130. Therefore, heat exchanger 130 should be located at the rear of the engine for efficiency.

[0054] Поскольку воздух до турбины 130 (в секции В) поглощает тепло из теплообменника 110, он увеличивается в объеме. Этот горячий воздух течет по движущимся крыльям 130.1 выхлопной турбины 130 и прилагает к ним силу, заставляя их двигаться / вращаться. Крылья турбины 130.1 могут быть связаны с крыльями приточного вентилятора 120 посредством единого вала. В некоторых вариантах реализации к турбине 130 может подключен генератор, а к приточному вентилятору 120 (или фену) холодного воздуха может быть подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом. Например, если приточному вентилятору 120 для работы необходимо 80 кВт, а на турбине 130 генерируется 100 кВт, то лишние 20 кВт могут идти от батареи. Таким образом, турбина 130 вращается и лопасти, еще раз подталкивая свежий холодный воздух в двигатель и повторяя процесс, т.е. система является замкнутой, потому что входит только энергия в форме тепла, а выходит только энергия в форме вращения турбины 130. Это можно сделать с помощью взаимного вала или электрической муфты между силовой турбиной 130 и приточным вентилятором 120 (или феном).[0054] As the air upstream of turbine 130 (in section B) absorbs heat from heat exchanger 110, it expands. This hot air flows through the moving fenders 130.1 of the exhaust turbine 130 and applies force to them, causing them to move / rotate. The wings of the turbine 130.1 can be connected to the wings of the supply fan 120 through a single shaft. In some embodiments, a generator can be connected to the turbine 130, and a motor can be connected to the cold air supply fan 120 (or hair dryer), and which are connected to each other by a wire. For example, if the supply fan 120 needs 80 kW to operate, and the turbine 130 generates 100 kW, then the extra 20 kW can come from the battery. Thus, the turbine 130 rotates and the blades, once again pushing fresh cold air into the engine and repeating the process, i. the system is closed because only energy comes in in the form of heat and only energy comes out in the form of rotating turbine 130. This can be done using a mutual shaft or electrical coupling between power turbine 130 and supply fan 120 (or hair dryer).

[0055] Поскольку воздух, проходящий через силовую турбину 130, добавляет к ней тепла, он больше по объему, чем воздух, всасываемый приточным вентилятором 120, в связи с чем создается больше энергии, чем используется. Это предполагает минимальные потери на трение и соответствующую геометрию крыла.[0055] Since the air passing through the power turbine 130 adds heat to it, it is larger in volume than the air sucked in by the supply fan 120, thereby generating more energy than used. This assumes minimal frictional losses and adequate wing geometry.

[0056] Статоры, которые удерживают задний кожух двигателя до силовой турбины 130 вокруг вала, могут иметь элероны на задней кромке. Это позволяет создать эффект сопла, чтобы ускорить и замедлить поток воздуха на турбину 130, и перенаправить поток воздуха под напряжением на турбину 130, позволяя использовать его в качестве реактивной и импульсной турбины 130 в зависимости от количества подаваемой энергии. Лопатки статора могут использоваться после приточного вентилятора 120, чтобы вентилятор 120 не мог циклонировать воздушный поток.[0056] The stators that hold the rear engine casing up to the power turbine 130 around the shaft may have ailerons at the trailing edge. This allows for a nozzle effect to accelerate and decelerate air flow to turbine 130 and redirect energized air flow to turbine 130, allowing it to be used as a jet and pulse turbine 130 depending on the amount of power supplied. The stator blades can be used after the supply fan 120 so that the fan 120 cannot cyclone the air flow.

[0057] Для более эффективной передачи тепла воздуху площадь поверхности теплообменника может быть увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.[0057] For more efficient heat transfer to air, the surface area of the heat exchanger can be increased by adding heat transfer fins to the trailing edge of the airfoils.

[0058] Чем быстрее вращаются вентиляторы двигателя (120 и 130), тем больше начинается теплообмен, что делает двигатель более эффективным, пока сопротивление аэродинамическому сопротивлению и трению не достигнет критического уровня. В таком случае энергия вращения всех масс будет больше, чем энергия проходящего воздуха, и вращение замедляется.[0058] The faster the engine fans (120 and 130) rotate, the more heat exchange begins, which makes the engine more efficient until the drag and friction resistance reaches a critical level. In this case, the rotation energy of all masses will be greater than the energy of the passing air, and the rotation will slow down.

[0059] Также следует отметить, что передняя часть А двигателя не обязательно должна иметь форму суживающегося сопла: внутреннее поперечное сечение не обязательно должно уменьшаться. Это сделано для того, чтобы поддерживать одинаковый впускной и выпускной диаметры вентилятора 120 и турбины 130, используя эффект диффузии.[0059] It should also be noted that the front part A of the engine does not have to be in the form of a converging nozzle: the inner cross section does not have to be reduced. This is done in order to maintain the same inlet and outlet diameters of the fan 120 and turbine 130 using the diffusion effect.

[0060] Следовательно, примерный вариант реализации двигателя состоит из: приточного вентилятора, соединенного с турбиной с теплообменником между ними, заключенные в один единый корпус.[0060] Therefore, an exemplary embodiment of the engine consists of: a supply fan connected to a turbine with a heat exchanger therebetween, enclosed in one single housing.

[0061] Хотя формы лопасти обычно бывают двояковыпуклыми, было бы целесообразно, чтобы задняя кромка содержала вогнутую форму, чтобы образовался вихрь, который придает проходящему воздуху эффект завихрения. Это способствует большей передаче тепла от проводящей поверхности к проходящему воздуху и тем самым увеличивает скорость механической работы, выполняемой на единицу массы воздуха на турбине.[0061] Although the shape of the blade is usually biconvex, it would be advantageous for the trailing edge to have a concave shape in order to form a vortex, which gives the passing air a swirling effect. This promotes greater heat transfer from the conductive surface to the passing air and thereby increases the speed of mechanical work performed per unit mass of air on the turbine.

[0062] Форма / геометрия двигателя должны иметь форму сходящегося и расходящегося сопла. Такая форма может быть достигнута между аэродинамическими поверхностями, когда они уложены друг на друга. В качестве альтернативы, эта форма также может быть достигнута просто путем формирования внутреннего кожуха двигателя таким образом, или любой комбинации обоих. Фиг. 1 иллюстрирует использование комбинации сходящихся-расходящихся сопел и аэродинамических поверхностей, действующих в качестве аэродинамических теплообменников в средней части, идущей в обратном направлении.[0062] The shape / geometry of the engine should be in the form of a converging and diverging nozzle. This shape can be achieved between aerodynamic surfaces when they are stacked on top of each other. Alternatively, this shape can also be achieved simply by forming the inner engine casing in this way, or any combination of both. FIG. 1 illustrates the use of a combination of converging-diverging nozzles and aerodynamic surfaces acting as aerodynamic heat exchangers in the reverse mid section.

[0063] Таким образом, выше было показано, что все элементы устройства находятся в конструктивной и функциональной связи.[0063] Thus, it was shown above that all elements of the device are in a constructive and functional relationship.

[0064] Настоящее подробное описание составлено с приведением различных не имеющих ограничительного и исчерпывающего характера вариантов осуществления. В то же время, специалистам, имеющим средний уровень компетентности в рассматриваемой области техники, очевидно, что различные замены, модификации или сочетания любых раскрытых здесь вариантов осуществления (в том числе частично) могут быть воспроизведены в пределах объема настоящего технического решения. Таким образом, подразумевается и понимается, что настоящее описание технического решения включает дополнительные варианты осуществления, суть которых не изложена здесь в явно выраженной форме. Такие варианты осуществления могут быть получены путем, например, сочетания, модификации или преобразования каких-либо действий, компонентов, элементов, свойств, аспектов, характеристик, ограничений и пр., относящихся к приведенным здесь и не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления.[0064] The present detailed description has been compiled with various non-limiting and exhaustive embodiments. At the same time, it will be obvious to those skilled in the art with an average level of expertise that various substitutions, modifications or combinations of any of the embodiments disclosed herein (including in part) can be reproduced within the scope of the present technical solution. Thus, it is intended and understood that the present description of the technical solution includes additional options for implementation, the essence of which is not set forth here in an explicit form. Such embodiments can be obtained by, for example, combining, modifying, or transforming any of the actions, components, elements, properties, aspects, characteristics, limitations, and so forth, related to the non-limiting embodiments disclosed herein.

Claims (14)

1. Газотурбинный двигатель, содержащий в своем корпусе:1. A gas turbine engine containing in its housing: по меньшей мере один приточный вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель;at least one supply fan containing a set of rotating inlet blades forcing air into the engine; по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора, причем в теплообменник осуществляется поступление жидкости радиатора автотранспортного средства;at least one heat exchanger placed in the engine casing before the power turbine, after the fan, wherein the heat exchanger is supplied with the liquid from the vehicle radiator; по меньшей мере один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения.at least one set of rotating blades configured to extract mechanical work from air moving through the rear of the engine from the heat exchanger, thereby acting as a power turbine that is coupled to the inlet blade wings to rotate them. 2. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что содержит уменьшающийся внутренний объем после силовой турбины, который действует как выпускное сопло.2. The gas turbine engine of claim. 1, characterized in that it contains a decreasing internal volume after the power turbine, which acts as an exhaust nozzle. 3. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что теплопроводный материал выполнен из алюминия или его сплава.3. Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the heat-conducting material is made of aluminum or an alloy thereof. 4. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что приточный вентилятор содержит внутри подшипники.4. The gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the supply fan contains bearings inside. 5. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что диаметр приточного вентилятора больше, чем диаметр турбины двигателя.5. Gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the diameter of the supply fan is greater than the diameter of the engine turbine. 6. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что теплообменник является полым и проводящим.6. The gas turbine engine of claim 1, wherein the heat exchanger is hollow and conductive. 7. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что теплообменник имеет полую обтекаемую форму.7. Gas turbine engine according to claim. 1, characterized in that the heat exchanger has a hollow streamlined shape. 8. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что крылья турбины связаны с крыльями приточного вентилятора посредством единого вала.8. A gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the turbine wings are connected to the supply fan wings by means of a single shaft. 9. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что к турбине подключен генератор, а к приточному вентилятору холодного воздуха подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом.9. The gas turbine engine according to claim 1, characterized in that a generator is connected to the turbine, and a motor is connected to the cold air supply fan, and which are connected to each other by a wire. 10. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что площадь поверхности теплообменника увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.10. The gas turbine engine of claim. 1, characterized in that the surface area of the heat exchanger is increased by adding heat-conducting fins to the trailing edge of the aerodynamic surfaces. 11. Газотурбинный двигатель по п. 1, характеризующийся тем, что угол лопастей приточного вентилятора меньше угла лопастей турбины.11. A gas turbine engine according to claim 1, characterized in that the angle of the supply fan blades is less than the angle of the turbine blades.
RU2019128902A 2019-09-13 2019-09-13 Lavrentiev gas turbine engine RU2730691C1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB2203460.7A GB202203460D0 (en) 2019-09-13 2019-09-13 Gas turbine engine
PCT/RU2019/000633 WO2021049966A1 (en) 2019-09-13 2019-09-13 Gas turbine engine
RU2019128902A RU2730691C1 (en) 2019-09-13 2019-09-13 Lavrentiev gas turbine engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019128902A RU2730691C1 (en) 2019-09-13 2019-09-13 Lavrentiev gas turbine engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730691C1 true RU2730691C1 (en) 2020-08-25

Family

ID=72237988

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019128902A RU2730691C1 (en) 2019-09-13 2019-09-13 Lavrentiev gas turbine engine

Country Status (3)

Country Link
GB (1) GB202203460D0 (en)
RU (1) RU2730691C1 (en)
WO (1) WO2021049966A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2376483C1 (en) * 2008-06-04 2009-12-20 Николай Борисович Болотин Nuclear gas turbine engine with afterburning
RU2424441C1 (en) * 2010-03-17 2011-07-20 Николай Борисович Болотин Nuclear turboprop gas turbine engine
RU2608386C2 (en) * 2011-12-16 2017-01-18 Херон Энерджи Пте Лтд High-speed turbine

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6732502B2 (en) * 2002-03-01 2004-05-11 General Electric Company Counter rotating aircraft gas turbine engine with high overall pressure ratio compressor
FR2914697B1 (en) * 2007-04-06 2012-11-30 Turbomeca DEVICE FOR ASSISTING THE TRANSIENT PHASES OF ACCELERATION AND DECELERATION
RU2379532C1 (en) * 2008-05-27 2010-01-20 Николай Борисович Болотин Nuclear gas turbine aircraft engine
RU2425243C1 (en) * 2010-03-23 2011-07-27 Николай Борисович Болотин Nuclear turboprop gas turbine engine
US9410481B2 (en) * 2010-09-21 2016-08-09 8 Rivers Capital, Llc System and method for high efficiency power generation using a nitrogen gas working fluid
FR3032747B1 (en) * 2015-02-17 2019-03-15 Safran Helicopter Engines EXHAUST GAS ENERGY RECOVERY SYSTEM

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2376483C1 (en) * 2008-06-04 2009-12-20 Николай Борисович Болотин Nuclear gas turbine engine with afterburning
RU2424441C1 (en) * 2010-03-17 2011-07-20 Николай Борисович Болотин Nuclear turboprop gas turbine engine
RU2608386C2 (en) * 2011-12-16 2017-01-18 Херон Энерджи Пте Лтд High-speed turbine

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Analysis of a high-temperature heat exchanger for an externally-fired micro gas turbine. F. Baina, A. Malmquist, L. Alejo, B. Palm, T. H. Fransson. Applied Thermal Engineering. Volume 75, 22 January 2015, Pages 410-420. *

Also Published As

Publication number Publication date
GB202203460D0 (en) 2022-04-27
WO2021049966A1 (en) 2021-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8621867B2 (en) Rotary heat engine powered by radiant energy
US6295803B1 (en) Gas turbine cooling system
JP6607566B2 (en) Air-cooled engine surface cooler
US9410478B2 (en) Intercooled gas turbine with closed combined power cycle
US20110014028A1 (en) Compressor cooling for turbine engines
JP2008144752A (en) Gas turbine engine heat exchanger and gas turbine engine
WO2006126661A1 (en) Jet steam engine
US20190277199A1 (en) Turbo engine, in particular turbo generator and exchanger for such turbo engine
CN102713190A (en) Use of hot gases and devices
JP2009057969A (en) Electricity generation in turbomachine
RU2730691C1 (en) Lavrentiev gas turbine engine
JP2008088957A (en) Steam turbine
Iancu et al. Feasibility study of integrating four-port wave rotors into ultra-micro gas turbines (UmGT)
CN110388271A (en) A kind of the liquid metal heat radiation system and aero-engine of aero-engine
CN213748039U (en) Integrated inter-cooling heat exchanger for unmanned aerial vehicle
JP3832496B1 (en) Jet steam engine
GB2074249A (en) Power Plant
Iancu et al. Ultra-micro wave rotor investigations
WO2010036421A1 (en) Improved heat exchanger tube and air-to-air intercooler
CN113266580B (en) Boosting device, carbon dioxide circulating unit and combined circulating unit
RU2799744C1 (en) Closed loop combined air motor system with natural heat supply
Cheeda et al. Design and CFD analysis of a regenerator for a turboshaft helicopter engine
Vlahostergios et al. Efforts to improve aero engine performance through the optimal design of heat recuperation systems targeting fuel consumption and pollutant emissions reduction
WO2013064858A1 (en) Method and apparatus for converting heat energy into mechanical energy
Moosmann et al. Recuperator Integration with Small Turbine Engine