RU2743777C1 - Bladeless microturbine engine - Google Patents
Bladeless microturbine engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743777C1 RU2743777C1 RU2020116446A RU2020116446A RU2743777C1 RU 2743777 C1 RU2743777 C1 RU 2743777C1 RU 2020116446 A RU2020116446 A RU 2020116446A RU 2020116446 A RU2020116446 A RU 2020116446A RU 2743777 C1 RU2743777 C1 RU 2743777C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microturbine
- grooves
- microturbine engine
- bladeless
- housing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
- F01D1/34—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
- F01D1/34—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes
- F01D1/38—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by non-bladed rotor, e.g. with drilled holes of the screw type
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
- F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к турбиностроению, а именно к газотурбинным двигателям малых размеров (микротурбинным двигателям), которые могут применяться в качестве привода электрогенератора в гибридных транспортных средствах, в беспилотных летательных аппаратах малых размеров, а также в автономных электрогенераторах.The invention relates to mechanical engineering, mainly to turbine engineering, namely to gas turbine engines of small dimensions (microturbine engines), which can be used as a drive for an electric generator in hybrid vehicles, in unmanned aerial vehicles of small dimensions, as well as in autonomous electric generators.
Газотурбинные двигатели (ГТД) наиболее широко используются в авиации. Попытки использовать ГТД малых размеров в наземных транспортных средствах были предприняты в начале пятидесятых годов прошлого века. Первым в мире автомобилем с ГТД считается Rover JET1 фирмы Rover Car Co. Ltd. А в 1954 году General Motors (GM) представила автомобиль Firebird XP-21. Разработкой транспортных средств на ГТД в то время занимались также компании Boeing, Ford, Chrysler. Это были, в основном, единичные экземпляры гоночных автомобилей, экономический аспект для которых не был существенным для разработчиков. Следует отметить, что совместными усилиями этим компаниям удалось решить большинство врожденных проблем ГТД. К примеру, в середине шестидесятых годов компания Chrysler разработала и изготовила газотурбинный седан Chrysler Turbine. Расход топлива этих автомобилей составлял 11,7 литров на 100 км, максимальная скорость 180 км/час, разгон до 100 км/час за 8 секунд. 50, почти готовых к серийному выпуску автомобилей, компания раздала на длительный тест. Испытания прошли успешно, но все компании, в том числе и Chrysler, разработки в этом направлении постепенно свернули. Возможно, что автогиганты не захотели перестраивать давно налаженную систему производства поршневых автомобилей и делать большие капиталовложения в организацию массового производства транспортных средств на ГТД.Gas turbine engines (GTE) are the most widely used in aviation. Attempts to use small-sized gas turbine engines in land vehicles were made in the early fifties of the last century. The first car with a gas turbine engine in the world is considered to be the Rover JET1 of the Rover Car Co. Ltd. And in 1954, General Motors (GM) introduced the Firebird XP-21. At that time, the companies Boeing, Ford, Chrysler were also involved in the development of vehicles on the gas turbine engine. These were, in the main, one-off examples of racing cars, the economic aspect for which was not significant for the developers. It should be noted that through joint efforts these companies managed to solve most of the inborn problems of the gas turbine engine. For example, in the mid-sixties, Chrysler designed and manufactured the Chrysler Turbine gas turbine sedan. The fuel consumption of these cars was 11.7 liters per 100 km, the maximum speed is 180 km / h, acceleration to 100 km / h in 8 seconds. 50, almost ready for serial production of cars, the company handed out for a long test. The tests were successful, but all companies, including Chrysler, gradually curtailed developments in this direction. It is possible that the auto giants did not want to rebuild the long-established system for the production of piston cars and make large investments in organizing the mass production of vehicles using gas turbine engines.
В дальнейшем развитие автомобилестроения привело к созданию гибридных транспортных средств. Это дало второй шанс для использования ГТД. В гибридных автомобилях отсутствует механическое соединение двигателя и колёс, что делает несущественными такие недостатки ГТД малых размеров как высокие номинальные обороты турбины, низкая чувствительность к управлению (отклик на "газ"), отсутствие режима торможения двигателем.Subsequently, the development of the automotive industry led to the creation of hybrid vehicles. This gave a second chance to use the GTE. In hybrid cars, there is no mechanical connection between the engine and the wheels, which makes such shortcomings of small-sized GTEs as high rated turbine speed, low sensitivity to control (response to "gas"), and lack of engine braking mode insignificant.
В 1998 году американская компания Capstone Turbine Corporation (Capstone) продала первую электроэнергетическую установку с газотурбинным двигателем малых размеров, который был назван "Микротурбина". В настоящее время более 9000 микротурбинных установок фирмы Capstone эксплуатируются в 73 странах по всему миру для автономной генерации электроэнергии. Перспективно использование микротурбин в качестве привода электрогенератора для гибридных транспортных средств. Фирмой Capstone был представлен гибридный электрический спорткар СМТ-380, а в 2009 г. совместно с британской фирмой Landford на базе семиместного кроссовера Ford S-Max был разработан последовательный гибрид Eco-Logic с использованием микротурбин С30. Были проведены показательные испытания этого гибрида, однако серийный выпуск так и не начался. Микротурбина С30 установлена в экологичных гибридных автобусах, которые курсируют по набережной Ньюкасла. В России фирма "Тролза" в 2009 г. разработала и провела успешные испытания, названного Экобусом, гибридного автобуса Тролза-5250 на базе микротурбины С65. Было изготовлено несколько экземпляров Экобуса, но в серию он не пошел. Несмотря на экологическую привлекательность автомобили и автобусы на базе микротурбин Capstone не получили широкого применения. Скорее всего это связано с тем, что даже при налаженном серийном производстве, стоимость их микротурбин весьма высока. Кроме того, из-за конструкции воздушного подшипника количество запусков микротурбин Capstone серьезно ограничено, что нежелательно при старт-стопном режиме гибридного автомобиля.In 1998, the American company Capstone Turbine Corporation (Capstone) sold the first small-sized gas turbine power plant, which was named "Microturbine". Currently, more than 9,000 Capstone microturbine units are in operation in 73 countries around the world for autonomous power generation. The use of microturbines as a drive for an electric generator for hybrid vehicles is promising. Capstone presented the SMT-380 hybrid electric sports car, and in 2009, together with the British firm Landford, on the basis of the seven-seat Ford S-Max crossover, a sequential Eco-Logic hybrid was developed using C30 microturbines. Demonstration tests of this hybrid were carried out, but the serial production did not begin. The C30 microturbine is installed in eco-friendly hybrid buses that run along the Newcastle waterfront. In Russia, the Trolza company in 2009 developed and successfully tested the Trolza-5250 hybrid bus, which was named Ecobus, based on the C65 microturbine. Several copies of Ecobus were made, but it did not go into production. Despite the environmental appeal, cars and buses based on Capstone microturbines have not been widely used. Most likely this is due to the fact that even with a well-established serial production, the cost of their microturbines is very high. In addition, due to the design of the air bearing, the number of starts of the Capstone microturbines is severely limited, which is undesirable in the start-stop mode of a hybrid vehicle.
В России разработкой и производством энергоустановок и многофункциональных энергоагрегатов на базе микротурбинных двигателей занимается АО СКБ "Турбина". С 1970 года начался серийный выпуск газотурбинного агрегата ГТА-18А, предназначенного для вспомогательной силовой установки, обеспечивающей электропитание систем танка Т-80У. В настоящее время производятся, в частности, агрегат питания нефтяной АПН-18 и малоразмерный турбореактивный двигатель ТД30. Агрегат АПН-18 мощностью 18 кВт имеет электрический коэффициент полезного действия (КПД) 14% и вес около 1000 кг. Турбореактивный двигатель ТД30 предназначен для легких беспилотных летательных аппаратов в качестве маршевого двигателя для создания тяги и обеспечения бортовой сети. Выходная электрическая мощность ТД30 - 1100 Вт, время непрерывной работы - 2 часа. Нет данных об использовании микротурбинных двигателей этого акционерного общества для гибридных транспортных средств.In Russia, the development and production of power plants and multifunctional power units based on microturbine engines is carried out by JSC SKB "Turbina". Since 1970, the serial production of the GTA-18A gas turbine unit, intended for an auxiliary power plant, which provides power to the systems of the T-80U tank, began. At present, in particular, a power unit for the oil APN-18 and a small-sized turbojet engine TD30 are being produced. The APN-18 unit with a power of 18 kW has an electrical efficiency (COP) of 14% and a weight of about 1000 kg. The TD30 turbojet engine is designed for light unmanned aerial vehicles as a propulsion engine for generating thrust and providing an on-board network. The output electric power of TD30 is 1100 W, the time of continuous operation is 2 hours. There is no data on the use of microturbine engines of this joint stock company for hybrid vehicles.
Как Российские так и зарубежные микротурбинные двигатели в подавляющем большинстве являются лопастными. Системным недостатком лопастных турбин являются ограничения максимальной рабочей температуры газа и, соответственно, КПД, которые зависят от термостойкости и прочности лопастей при соответствующих окружных скоростях ротора. Кроме того у лопастных турбин имеют место большие потери рабочего тела через неплотности газовых стыков, что особенно сказывается при малом диаметре ротора турбины. Для повышения теплостойкости и прочности лопаток турбины используются дорогостоящие сплавы с применением редкоземельных металлов, что приводит к усложнению технологии и увеличению себестоимости микротурбинных двигателей даже при их серийном производстве.Both Russian and foreign microturbine engines are overwhelmingly vane. A systemic disadvantage of blade turbines is the limitation of the maximum operating gas temperature and, accordingly, the efficiency, which depend on the thermal stability and strength of the blades at the corresponding circumferential speeds of the rotor. In addition, blade turbines have large losses of the working fluid through leaks in the gas joints, which is especially true when the diameter of the turbine rotor is small. To increase the heat resistance and strength of the turbine blades, expensive alloys with the use of rare earth metals are used, which leads to a complication of technology and an increase in the cost of microturbine engines even during their serial production.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления, микротурбинных двигателей, что позволит повысить их надежность и срок службы. При этом снизятся затраты на изготовление и эксплуатацию. В отличие от лопастных микротурбинных двигателей, при прочих равных условиях, особенности конструкции винтового ротора предлагаемого микротурбинного двигателя дают возможность выдерживать более высокие обороты при увеличении максимальной рабочей температуры газа, что позволяет получать и более высокий КПД.The aim of the present invention is to simplify the design and manufacturing technology of microturbine engines, which will improve their reliability and service life. This will reduce manufacturing and operating costs. In contrast to vane microturbine engines, all other things being equal, the design features of the helical rotor of the proposed microturbine engine make it possible to withstand higher speeds with an increase in the maximum operating gas temperature, which makes it possible to obtain a higher efficiency.
В соответствие с изобретением, технический результат достигается тем, что безлопастной микротурбинный двигатель, содержащий неподвижный корпус, установленное на валу ротора компрессорное колесо, теплообменник, камеру сгорания с топливным инжектором и запальной свечой, сопловое устройство и выпускной патрубок. Ротор микротурбинного двигателя выполнен в виде установленного на подшипниках винта с многозаходной наружной резьбой, который расположен с зазором относительно неподвижного корпуса, снабженного канавками на его внутренней цилиндрической поверхности. В корпусе могут быть выполнены либо кольцевые канавки глубина которых увеличивается в направлении выпускного патрубка, либо канавки в виде многозаходной внутренней резьбы, направление которой противоположно направлению наружной многозаходной резьбы винта. Благодаря этим канавкам в зазоре между винтом (ротором) и неподвижным корпусом под действием движущегося нагретого газа интенсифицируется процесс турбулентного трения и, по сравнению с гладкой втулкой, существенно увеличивается количество энергии, передаваемой от нагретого газа ротору. Причем эффект передачи энергии, и соответственно скорость вращения ротора, нелинейно растет с увеличением температуры газа в камере сгорания и давления на входе газа в зазор. Увеличение размеров кольцевых канавок корпуса в направлении выпускного патрубка позволяет осуществить продолженное расширение нагретого рабочего газа, что дополнительно увеличивает коэффициент передачи энергии ротору.In accordance with the invention, the technical result is achieved in that a bladeless microturbine engine containing a fixed housing, a compressor wheel mounted on the rotor shaft, a heat exchanger, a combustion chamber with a fuel injector and a spark plug, a nozzle device and an outlet pipe. The rotor of the microturbine engine is made in the form of a screw mounted on bearings with a multi-start external thread, which is located with a gap relative to the stationary body, provided with grooves on its inner cylindrical surface. In the body, either annular grooves, the depth of which increases in the direction of the outlet pipe, or grooves in the form of a multi-start internal thread, the direction of which is opposite to the direction of the external multi-start thread of the screw, can be made. Thanks to these grooves in the gap between the screw (rotor) and the stationary body, under the action of the moving heated gas, the process of turbulent friction is intensified and, in comparison with a smooth bushing, the amount of energy transferred from the heated gas to the rotor significantly increases. Moreover, the effect of energy transfer, and, accordingly, the rotor speed, increases nonlinearly with an increase in the gas temperature in the combustion chamber and the pressure at the gas inlet into the gap. The increase in the size of the annular grooves of the housing in the direction of the outlet pipe allows for the continued expansion of the heated working gas, which additionally increases the energy transfer coefficient to the rotor.
На фигуре 1 изображен продольный разрез микротурбинного двигателя в исполнении с кольцевыми канавками на внутренней цилиндрической поверхности корпуса. На фигуре 2 изображен продольный разрез микротурбинного двигателя в исполнении с многозаходной внутренней резьбой на корпусе. На фигуре 3 изображено сечение А - А по линии разъема.Figure 1 shows a longitudinal section of a microturbine engine in the design with annular grooves on the inner cylindrical surface of the housing. Figure 2 shows a longitudinal section of a microturbine engine in the design with a multi-threaded internal thread on the housing. Figure 3 shows a section A - A along the parting line.
Микротурбинный двигатель (фиг. 1) содержит корпус 1, многозаходный винт 2, установленный на валу 3, подшипниковый узел 4, воздушный фильтр 5, компрессорное колесо 6, которое предназначено для нагнетания воздуха в сужающиеся каналы 7. Эти каналы выполняют функцию теплообменника и диффузора. Очищенный и сжатый воздух подается в камеры сгорания 8 и 9, имеющие сопловые устройства 10 и 11 (фигура 3). Для уравновешивания давления в камерах сгорания в корпусе выполнена кольцевая проточка 12. Крышка 13 (фигура 1) уплотнена металлической прокладкой 14. На корпусе 1 установлены форсунки 15 и 16, а на крышке запальная свеча 17. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнены кольцевые канавки глубина которых увеличивается в направлении выпускного патрубка18. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса 19 (фигура 2) выполнены канавки в виде многозаходной внутренней резьбы, направление которой противоположно направлению наружной многозаходной резьбы винта (если на винте левая резьба, то на корпусе правая).The microturbine engine (Fig. 1) contains a
Канавки на поверхностях винта и корпуса микротурбинного двигателя могут иметь различную форму, например, трапецеидальную, прямоугольную, треугольную. Однако, в соответствие с п. 4 формулы, предпочтительна форма канавок в виде полуокружностей с радиусом равным глубине канавок.The grooves on the surfaces of the propeller and the housing of the microturbine engine can have various shapes, for example, trapezoidal, rectangular, triangular. However, in accordance with claim 4 of the formula, the preferred shape of the grooves in the form of semicircles with a radius equal to the depth of the grooves.
Микротурбинный двигатель работает следующим образом. При запуске мотор-генератор (или сжатый воздух) приводит во вращение вал 3. Компрессорное колесо сквозь воздушный фильтр 5 подает сжатый воздух через каналы 7 теплообменника в камеры сгорания 8 и 9. Затем в эти камеры впрыскивается жидкое топливо или подается сжатый газ. Образованная топливно-воздушная смесь поджигается от запальной свечи 17. Топливо воспламеняется и нагретые до рабочей температуры газы через сопла 10 и 11 направляются в зазор между винтом и корпусом где расширяются и совершают работу по вращению винта (ротора). Микротурбинный двигатель запускается и мотор-генератор переходит в режим генерации, а запальная свеча выключается, так как воспламенение топливно-воздушной смеси происходит самопроизвольно от соприкосновения с разогретыми поверхностями камер сгорания. Регулировка скорости вращения ротора осуществляется путем изменения подачи топлива. При использовании микротурбинного двигателя в гибридных транспортных средствах скорость вращения ротора может быть выбрана постоянной, оптимальной для стабильной работы двигателя и зарядки аккумуляторных батарей от генератора.The microturbine engine works as follows. When starting, the motor-generator (or compressed air) drives the
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020116446A RU2743777C1 (en) | 2020-05-20 | 2020-05-20 | Bladeless microturbine engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020116446A RU2743777C1 (en) | 2020-05-20 | 2020-05-20 | Bladeless microturbine engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2743777C1 true RU2743777C1 (en) | 2021-02-25 |
Family
ID=74672686
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020116446A RU2743777C1 (en) | 2020-05-20 | 2020-05-20 | Bladeless microturbine engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2743777C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU43427A1 (en) * | 1934-09-30 | 1935-06-30 | А.А. Шершнев | Screw turbine |
DE4442215A1 (en) * | 1994-08-08 | 1996-02-15 | Ullrich Dipl Ing Stein | Axial turbine without guide blades |
US6726443B2 (en) * | 1999-12-02 | 2004-04-27 | Micromachines Ltd. | Micromachines |
RU144289U1 (en) * | 2014-04-15 | 2014-08-20 | Михаил Анатольевич Камышев | SUBMERSIBLE LABYRINTH-VORTEX PUMP |
RU2017128437A (en) * | 2017-08-09 | 2019-02-11 | Вазген Сергеевич Багдасарян | AERODYNAMIC GAS TURBINE ENGINE |
RU2018106605A (en) * | 2018-02-22 | 2019-08-22 | Виктор Кузьмич Мазуров | Screw turbine |
-
2020
- 2020-05-20 RU RU2020116446A patent/RU2743777C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU43427A1 (en) * | 1934-09-30 | 1935-06-30 | А.А. Шершнев | Screw turbine |
DE4442215A1 (en) * | 1994-08-08 | 1996-02-15 | Ullrich Dipl Ing Stein | Axial turbine without guide blades |
US6726443B2 (en) * | 1999-12-02 | 2004-04-27 | Micromachines Ltd. | Micromachines |
RU144289U1 (en) * | 2014-04-15 | 2014-08-20 | Михаил Анатольевич Камышев | SUBMERSIBLE LABYRINTH-VORTEX PUMP |
RU2017128437A (en) * | 2017-08-09 | 2019-02-11 | Вазген Сергеевич Багдасарян | AERODYNAMIC GAS TURBINE ENGINE |
RU2018106605A (en) * | 2018-02-22 | 2019-08-22 | Виктор Кузьмич Мазуров | Screw turbine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR20100128300A (en) | Rotary piston internal combustion engine power unit | |
US20100288212A1 (en) | On demand system for using water (HHO) as a sole fuel | |
JP5268173B2 (en) | 3 stroke 6 stroke rocket jet engine | |
RU2743777C1 (en) | Bladeless microturbine engine | |
CN110725748B (en) | Micro turbine electric hybrid distributed power device | |
Nightingale | Automotive Stirling engine: Mod 2 design report | |
Trewby | British Naval Gas Turbines | |
EP0101206A1 (en) | High compression gas turbine engine | |
RU2716633C2 (en) | Screw turbine | |
Vishwakarma et al. | Internal combustion engine | |
US20210003072A1 (en) | Rotary internal combustion engine | |
WO2013061662A1 (en) | Rotary internal combustion engine | |
Ohkubo | Outlook on gas turbine | |
Somerscales | Steam and internal combustion engines | |
US11035298B1 (en) | Turbine engine system | |
CN112283746B (en) | Constant-volume combustion chamber and constant-volume combustion gas turbine | |
RU2725296C1 (en) | Method for reducing fuel consumption of a gas turbine engine (gte) equipped with a starter | |
RU2777154C1 (en) | Energy complex | |
US20230075469A1 (en) | Turbine engine system | |
Yadav et al. | Scope of Quasi Turbine: A Review Analysis | |
RU2095590C1 (en) | Rotary engine | |
Stan | Fire use with the best possible and climate-friendly effect | |
CN102235233A (en) | Spiral plate engine | |
IT201900001213A1 (en) | POWER UNIT WITH ENDOTHERMIC ENGINE, WITH A COMPRESSION STAGE AT THE POWER SUPPLY AND A TURBO EXPANDER AT THE EXHAUST | |
Wilkinson | Design and development of the voyager 200/300 liquid cooled aircraft engine |