RU67186U1

RU67186U1 - GAS TURBINE ENGINE

Info

Publication number: RU67186U1
Application number: RU2007106543/22U
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Егоров
Original assignee: Алексей Михайлович Егоров
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2007-10-10

Abstract

Газотурбинный двигатель (ГТДЕ), состоящий из асимметричного компрессора объемного сжатия роторного типа, прямоточной камеры сгорания, закрепленной на корпусе двигателя, своим выходом соединенная с торцом корпуса турбины, реактивной турбины, находящейся в закрытом корпусе и жестко сидящей на валу двигателя, который соединен с ротором компрессора. Такая конструкция двигателя обеспечивает большую степень сжатия в компрессоре, лопасти которого скользят по корпусу. В отличие от аналогов с осевыми и центробежными компрессорами и активными турбинами, ГТДЕ работает с малым объемом рабочего тела потому, что в турбине используется не только кинетическая энергия рабочего тела (воздуха), а и его потенциальная составляющая (энергия сжатия). Конструкция турбины такова, что лопасть находится в закрытом пространстве и имеет только одну степень свободы (вращение на валу двигателя). Сжатый компрессором, воздух разогревается в камере сгорания, приобретая дополнительное сжатие, т.к. его отток ограничен объемом камеры турбины. Продвигаемый компрессором, воздух через газовод турбины наполняет межлопастное пространство (камеру) перед лопастью. Имея большую степень сжатия рабочее тело, находящееся в камере, давит на лопасть, заставляя ее вращаться вместе с валом. Продвинув лопасть до выходного отверстия, воздух устремляется в регенератор или выхлопную трубу. Поток нагнетаемого воздуха перпендикулярен плоскости лопасти. Плоскость лопасти параллельна оси вращения. Таким образом, используются все возможности полной передачи энергии в ГТДЕ. Малый расход воздуха автоматически снижает расход топлива. Так, при одинаковой мощности полезной модели (ГТДЕ) и известных моделей газотурбинных двигателей с осевым компрессором и центробежной турбиной расход топлива в ГТДЕ в 8-15 раз ниже, что автоматически влечет за собой снижение вредных выбросов в 8-15 раз.A gas turbine engine (GTDE), consisting of an asymmetric rotary-type compression compressor, a once-through combustion chamber mounted on the engine casing, is connected by its output to the end of the turbine casing, a jet turbine located in a closed casing and rigidly sitting on the motor shaft, which is connected to the rotor compressor. This design of the engine provides a large degree of compression in the compressor, the blades of which slide along the body. Unlike analogues with axial and centrifugal compressors and active turbines, GTE works with a small volume of the working fluid because the turbine uses not only the kinetic energy of the working fluid (air), but also its potential component (compression energy). The design of the turbine is such that the blade is in an enclosed space and has only one degree of freedom (rotation on the motor shaft). Compressed by the compressor, the air is heated in the combustion chamber, acquiring additional compression, because its outflow is limited by the volume of the turbine chamber. Promoted by the compressor, air through the gas duct of the turbine fills the inter-blade space (chamber) in front of the blade. Having a large compression ratio, the working fluid in the chamber presses on the blade, forcing it to rotate with the shaft. Moving the blade to the outlet, air rushes into the regenerator or exhaust pipe. The flow of forced air is perpendicular to the plane of the blade. The plane of the blade is parallel to the axis of rotation. Thus, all the possibilities of complete energy transfer in a gas turbine engine are used. Low air consumption automatically reduces fuel consumption. So, with the same utility model power (GTE) and well-known models of gas turbine engines with an axial compressor and a centrifugal turbine, the fuel consumption in the GTE is 8-15 times lower, which automatically entails a reduction in harmful emissions by 8-15 times.

Description

Модель относится к области двигателей внутреннего сгорания, в частности, к газотурбинным двигателям.The model relates to the field of internal combustion engines, in particular to gas turbine engines.

Газотурбинный двигатель используется на автомобильном, воздушном, водном, железнодорожном транспорте, в системах перекачки жидкостей и газов, мобильных и стационарных электрогенераторах.The gas turbine engine is used in automobile, air, water, rail transport, in liquid and gas pumping systems, mobile and stationary electric generators.

Сущность полезной модели: газотурбинный двигатель (ГТДЕ) содержащий асимметричный компрессор объемного сжатия роторного типа с малым числом лопастей, прямоточную камеру сгорания, закрепленную на корпусе, и реактивную турбину, находящуюся на одной оси с компрессором, имеющую общий вектор направленности вращения вала и движения потока рабочего тела.The essence of the utility model: a gas turbine engine (GTE) containing an asymmetric rotary-type volumetric compressor with a small number of blades, a direct-flow combustion chamber mounted on the housing, and a jet turbine located on the same axis as the compressor, having a common directional axis of shaft rotation and working flow body.

Известен газотурбинный двигатель, принятый за прототип, с осевым и центробежным компрессором, состоящим из нескольких секций, камерой сгорания, закрепленной на корпусе, и двухсекционной турбины, сидящей на одной оси с компрессором. (Учебное пособие под редакцией В.И.Крутова. Техническая термодинамика. Москва, «Высшая школа», 1991 г. стр.288)Known gas turbine engine, adopted for the prototype, with an axial and centrifugal compressor, consisting of several sections, a combustion chamber mounted on the housing, and a two-section turbine sitting on the same axis as the compressor. (Textbook edited by V. I. Krutov. Technical thermodynamics. Moscow, "Higher School", 1991, p. 288)

Известен газотурбинный двигатель аналогичной конфигурации (Э.А.Манушин, В.Е.Михальцев, А.П.Чернобровкин. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок, под. Редакцией д.т.н. В.В.Уварова. Москва, «Машиностроение», 1977 г. стр.359, 361, 369)A well-known gas turbine engine of a similar configuration (E.A. Manushin, V.E. Mikhaltsev, A.P. Chernobrovkin. Theory and design of gas turbine and combined installations, edited by Doctor of Technical Sciences V.V. Uvarova. Moscow, " Engineering ", 1977, pp. 359, 361, 369)

Известен газотурбинный двигатель, который содержит размещенные на роторе систему подачи топлива, центробежный компрессор, камеру сгорания, центробежную турбину. (Патент России №2084666 С1 опубликован в 1997 г.)Known gas turbine engine, which contains placed on the rotor fuel supply system, a centrifugal compressor, a combustion chamber, a centrifugal turbine. (Russian Patent No. 2084666 C1 published in 1997)

Недостатки вышеперечисленного газотурбинного двигателя заключаются в том, что компрессор, примененный в нем, имеет значительные потери от протекания газа при сжатии в зазоры между лопастями и корпусом, что сказывается на эффективности этого процесса.The disadvantages of the above gas turbine engine are that the compressor used in it has significant losses from the flow of gas during compression into the gaps between the blades and the casing, which affects the efficiency of this process.

Достижение заданных параметров сжатия рабочего тела в 5-6 раз вынуждает увеличивать объем захватываемого воздуха, применять многоступенчатые процессы сжатия и увеличивать число оборотов вращения вала компрессора. Это сказывается на габаритах и массе устройства.Achieving the specified parameters of the compression of the working fluid by 5-6 times forces to increase the volume of entrained air, apply multi-stage compression processes and increase the number of revolutions of rotation of the compressor shaft. This affects the size and weight of the device.

Турбина, имеющая решетчатую форму, не обеспечивает хорошее использование энергии газа, т.к. он проникает между лопастями и передает последним только часть своей кинетической энергии. Отсюда многоступенчатость и громоздкость конструкции. Для создания большой мощности требуется повышение массы рабочего тела, его температуры, что влечет за собой большой расход топлива.The lattice-shaped turbine does not provide good use of gas energy, as it penetrates between the blades and transfers to the latter only part of its kinetic energy. Hence the multi-stage and cumbersome design. To create a large capacity requires an increase in the mass of the working fluid, its temperature, which entails a large fuel consumption.

Задача, решаемая предлагаемым вариантом газотурбинного двигателя (ГТДЕ), заключается в повышении полезного действия двигателя, упрощении конструкции, снижении расхода топлива на единицу полезной мощности.The problem solved by the proposed version of the gas turbine engine (GTDE) is to increase the efficiency of the engine, simplifying the design, reducing fuel consumption per unit of usable power.

Указанные технические результаты достигаются применением односекционного компрессора объемного сжатия роторного типа, позволяющего доводить степень сжатия рабочего тела (воздуха) до 10-15 раз, прямоточной камеры сгорания, аналогичной прототипу, выход из которой перпендикулярен к оси вращения турбины, турбины закрытого типа с перпендикулярно расположенными лопастями относительно вектора потока воздуха. Вектор потока воздуха совпадает с направлением вращения вала.These technical results are achieved by using a single-section rotary-type volumetric compressor, which allows to increase the degree of compression of the working fluid (air) up to 10-15 times, a direct-flow combustion chamber similar to the prototype, the exit from which is perpendicular to the axis of rotation of the turbine, closed-type turbines with perpendicular blades relative to the air flow vector. The air flow vector coincides with the direction of rotation of the shaft.

Возможно исполнение такого типа ГТДЕ с несколькими компрессорами, камерами сгорания и турбинами в различных комбинациях, в том числе, и со свободными осями вращения.It is possible to perform this type of gas turbine engine with several compressors, combustion chambers and turbines in various combinations, including those with free rotation axes.

Применение регенератора в предлагаемом ГТДЕ позволяет еще больше повышать эффективность использования топлива.The use of a regenerator in the proposed gas turbine engine makes it possible to further increase fuel efficiency.

В данном описании опускается вопрос применения видов топлива, т.к. конструкция может работать на любом топливе, вид которого допускает применяемая камера сгорания.In this description, the question of the use of fuels is omitted, as the design can operate on any fuel, the type of which allows the combustion chamber used.

Предложенная конструкция турбины имеет маленький объем межлопастного пространства, что позволяет компрессору захватывать и сжимать небольшую массу рабочего тела и в камере сгорания использовать на разогрев рабочего тела небольшое количество топлива. Снижение расхода топлива прямо пропорционально снижает вредные выбросы двигателя.The proposed turbine design has a small amount of inter-blade space, which allows the compressor to capture and compress a small mass of the working fluid and use a small amount of fuel in the combustion chamber to warm up the working fluid. Reduced fuel consumption directly reduces harmful engine emissions.

Поскольку лопасть турбины, до достижения ее выходного отверстия, находится в закрытом пространстве, она испытывает давление, превышающее давление компрессора от 2-х и более раз, за счет этого крутящий момент на валу двигателя может достигать величины, существенно превышающей аналоги.Since the turbine blade, before reaching its outlet, is in a closed space, it experiences a pressure exceeding the compressor pressure by 2 or more times, due to this the torque on the motor shaft can reach a value significantly exceeding the analogues.

Регулируя положение входного отверстия на корпусе компрессора во время работы двигателя, меняется объем рабочего тела в двигателе, что приводит к резкому изменению мощности двигателя.By adjusting the position of the inlet on the compressor housing during engine operation, the volume of the working fluid in the engine changes, which leads to a sharp change in engine power.

На рисунке 1 изображен простейший вариант ГТДЕ, который содержит вал 1, закрепленный на опорах вращения 2 в защищенном корпусе, компрессор объемного сжатия 3, камеру сгорания 4, турбину 5, лопасти которой жестко сидят на оси вращения.Figure 1 shows the simplest version of a gas turbine engine, which contains a shaft 1 mounted on rotation supports 2 in a protected casing, a volume compressor 3, a combustion chamber 4, a turbine 5, the blades of which are rigidly seated on the axis of rotation.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом. Рабочее тело (воздух) входит в заборный канал компрессора 3, закрепленного на корпусе двигателя, лопасти которого связаны с осью вращения. По мере вращения вала 1 происходит сжатие рабочего тела и продвижение по выходному каналу компрессора в камеру сгорания 4.The gas turbine engine operates as follows. The working fluid (air) enters the intake channel of the compressor 3, mounted on the engine casing, the blades of which are connected with the axis of rotation. As the shaft 1 rotates, the working fluid is compressed and advanced along the compressor output channel into the combustion chamber 4.

В камере сгорания происходит процесс нагревания рабочего тела. Рабочее тело, расширяясь, через газовод-выход устремляется в межлопастное пространство турбины 5, заполняя его. При этом происходит выравнивание давления в выходном канале камеры сгорания и межлопастном пространстве, поскольку межлопастное пространство закрыто на заданный угол вращения.In the combustion chamber, the process of heating the working fluid. The working fluid, expanding through the gas outlet, rushes into the inter-blade space of the turbine 5, filling it. In this case, the pressure is equalized in the output channel of the combustion chamber and the inter-blade space, since the inter-blade space is closed by a predetermined angle of rotation.

Лопасть имеет свободу движения в корпусе турбины.The blade has freedom of movement in the turbine housing.

Созданное давление передается на лопасть турбины, которая передает усилие на вал 1, жестко связанный с лопастью.The created pressure is transmitted to the turbine blade, which transfers force to the shaft 1, rigidly connected with the blade.

Проходя по закрытому каналу, образованному корпусом турбины и самой турбиной, лопасть открывает выходной канал турбины 5.Passing through a closed channel formed by the turbine body and the turbine itself, the blade opens the outlet channel of the turbine 5.

Рабочее тело устремляется в выхлопную трубу или в регенератор, а следующая лопасть попадает под действие рабочего тела, непрерывно выходящего из камеры сгорания 4.The working fluid rushes into the exhaust pipe or into the regenerator, and the next blade falls under the action of the working fluid, continuously leaving the combustion chamber 4.

Для наглядности процессов происходящих в компрессоре приводится рисунок-схема 2, принципиальная конструкция турбины изображена на рисунке 3.For clarity, the processes occurring in the compressor are shown in Figure 2, the basic design of the turbine is shown in Figure 3.

Пример.: Проведенными расчетами и моделированием работы ГТДЕ установлено, что при скорости вращения 3000 об/мин, температуре рабочего тела перед турбиной 1053 градуса К, диаметре 300 мм., длине 450 мм двигатель развивает мощность 550 квт. При этом расход воздуха (рабочего тела) составляет 0,25 кг./сек., расход условного топлива составляет 24 кг в час при полной нагрузке, что на порядок ниже аналогов. Крутящий момент на валу двигателя может достигать 525 кг.м., масса двигателя ориентировочно составит 50-70 кг.Example: By calculations and simulations of GTDE operation, it was found that at a rotation speed of 3000 rpm, the temperature of the working fluid in front of the turbine is 1053 degrees K, diameter 300 mm., Length 450 mm, the engine develops a power of 550 kW. At the same time, the air (working fluid) consumption is 0.25 kg / sec., Equivalent fuel consumption is 24 kg per hour at full load, which is an order of magnitude lower than analogues. The torque on the motor shaft can reach 525 kg.m., the mass of the engine is approximately 50-70 kg.

Claims

1. A gas turbine engine containing an asymmetric rotary-type volumetric compressor with a small number of blades, a direct-flow combustion chamber and a jet turbine located on the same axis as the compressor, having a common directional vector of shaft rotation and the flow of the working fluid.

2. The engine according to claim 1, characterized in that the blades of a single-section compressor do not have gaps, slide on the surface of the housing, are parallel to the axis of rotation.

3. The engine according to claim 1, characterized in that the compressor housing, having an oval shape, is asymmetrically located relative to the axis of rotation, which, together with the surface of the rotor, provides volumetric compression of the working fluid.

4. The engine according to claim 1, characterized in that the compressor has the ability to adjust the volume of air supply during engine operation, thereby providing the ability to drastically set or reset engine power.

5. The engine according to claim 1, characterized in that the blade integrated in the turbine rotor slides inside the turbine housing, and the rotor has a gas-groove and a pre-blade chamber (inter-blade space).

6. The engine according to claim 1, characterized in that the turbine is in a closed housing having an inlet and outlet.