СИСТЕМА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ИСТОЧНИКОМ ТЕПЛА
GAS TURBINE ENGINE SYSTEM WITH EXTERNAL HEAT SOURCE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к газотурбинным двигателям, работающим от давления воздуха, которые могут быть использованы в качестве замены электродвигателей для привода различных машин и механизмов, а также в качестве замены двигателей внутреннего сгорания для привода транспортных средств, пароходов и пр.
Из уровня техники известны различные конструкции двигателей, включающие статор с эксцентрично установленным в нем ротором, в радиальных пазах которого расположены лопасти с возможностью их передвижения в плоскостях, проходящих через ось ротора, контактирующие своими концами с внутренней цилиндрической поверхностью статора, см., например, SU 1698459 А1, 15.12.1991 или SU 1165804 А, 07.07.1985, или SU 1188336 А, 30.10.1985, или DE 29811693 U1, 08.10.1998.
Однако, эти двигатели малоэффективны, поскольку требуют источника сжатого воздуха с большим давлением, что приводит к повышенному его расходу, а также чтобы получить больший крутящий момент на выходе, требуются большие габаритные размеры двигателя, поскольку в передаче крутящего момента фактически участвует только одна лопасть, и, следовательно, чем больше рабочая площадь лопасти, тем больший крутящий момент передает двигатель. Кроме того, очень сложна технология изготовления этих двигателей, поскольку требуется высокая точность изготовления ротора с пазами, в которых с минимальными допусками должны двигаться лопасти. КПД этих двигателей также снижается из-за большого трения стенок лопаток в пазах ротора, а также из-за трения их концевых кромок о внутреннюю поверхность статора.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) для заявленной системы газотурбинного двигателя можно принять энергетическую установку на базе газотурбинного двигателя по патенту RU 2622140 С2, 13.06.2017, включающую энергетическую установку, в конфигурацию которой включена рециркуляционная петля, по которой рециркулирует рабочая среда, причем рециркуляционная петля содержит множество компонентов, выполненных с возможностью приема потока рабочей среды с выхода соседнего компонента, расположенного выше по потоку, и обеспечения входного потока рабочей среды для соседнего компонента, расположенного ниже по потоку; в которой рециркуляционная петля включает: рециркуляционный компрессор; камеру сгорания, расположенную ниже по потоку от рециркуляционного компрессора; турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания; и рециркуляционный трубопровод, выполненный с возможностью направления выходного потока от турбины в рециркуляционный компрессор; при этом энергетическая установка содержит:
первое средство отвода для отведения рабочей среды из первой точки отбора на рециркуляционной петле;
второе средство отвода для отведения рабочей среды из второй точки отбора на рециркуляционной петле;
средство для управления энергетической установкой так, чтобы камера сгорания по меньшей мере периодически работала с предпочтительным стехиометрическим отношением; и
средство для отвода рабочей среды по меньшей мере от первого средства отвода и второго средства отвода в течение периодов, когда камера сгорания работает с предпочтительным стехиометрическим отношением.
Данное устройство также имеет существенные недостатки, а именно низкое КПД в камере сгорания, за счет отсутствия подачи воздуха для горения/дожига, отсутствие стабильного потока рабочей среды, за счет отсутствия в установке ресивера, что не обеспечивает высокий КПД и стабильность работы системы, сложность конструкции.
Целью заявленного изобретения является устранение недостатков ближайшего аналога.
В основу предложенного изобретения поставлена задача модернизации конструкции системы газотурбинного двигателя с внешним источником тепла, устраняющую известные недостатки аналогов.
Техническим результатом является повышение эффективности работы системы газотурбинного двигателя, повышение его КПД, повышение надежности работы, при простоте конструкции.
Данный результат достигается тем, что система газотурбинного двигателя с внешним источником тепла включает
газотурбинный двигатель, содержащий турбинную часть, редуктор и компрессорную часть, связанные общим приводным валом, при этом,
турбинная часть включает турбину, установленную на приводном валу, входной патрубок, обеспечивающий прием разогретого воздуха, и выходной патрубок, связанный по трубопроводу с камерой сгорания,
редуктор, связанный с общим приводным валом, включающий выходной вал,
компрессорная часть также включает турбину, установленную на приводном валу и входной патрубок, обеспечивающий забор воздуха, при этом выходной патрубок компрессорной части связан по трубопроводу с ресивером, для нагнетания в него воздуха, на выходном патрубке указанного ресивера установлен регулировочный кран, обеспечивающий выравнивание выходного давления воздуха,
регулировочный кран по трубопроводу связан с камерой сгорания внешнего источника тепла, включающего радиаторный узел нагрева, внешний источник тепла, узел подачи воздуха для горения,
выходной патрубок камеры сгорания связан трубопроводом с входным патрубком турбинной части.
Ресивер имеет клапанные механизмы удержания нагнетенного воздуха и стравливания излишнего воздуха, а также контрольно-измерительные приборы для мониторинга давления внутри него.
Радиаторный узел нагрева выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами.
На пути трубопровода между выходным патрубком турбинной части и узлом подачи воздуха камеры сгорания, установлен шиберный кран, разделяющий потоки на два направления, в узел подачи воздуха камеры сгорания и в камеру сгорания, над источником тепла, причем шиберный кран выполнен с возможностью регулирования степени подачи воздуха по направлениям.
Далее, принцип работы устройства будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг. 1, где изображена предпочтительная схема системы газотурбинного двигателя с внешним источником тепла.
1 - турбинная часть
2 - редуктор
3 - компрессорная часть
4 - приводной вал
5 - шиберный кран
6.1 - входной патрубок турбинной части
6.2 - входной патрубок компрессорной части
7.1- турбина турбинной части
7.2 - турбина компрессорной части
8.1 - выходной патрубок турбинной части
8.2 - выходной патрубок компрессорной части
9 - камера сгорания
10 - ресивер
11 - регулировочный кран
12 - радиаторный узел нагрева
13 - внешний источник тепла
14 - узел подачи воздуха
15 - выходной патрубок камеры сгорания.
Система газотурбинного двигателя с внешним источником тепла включает газотурбинный двигатель, содержащий турбинную часть 1, редуктор 2 и компрессорную часть 3, связанные общим приводным валом 4.
Турбинная часть 1 включает турбину 7.1, установленную на приводном валу 4. Турбина 7.1 выполнена, как правило, в виде одного или нескольких дисков, на которых установлены лопатки, обеспечивающие забор и нагнетание воздушного потока, а также вращение приводного вала 4.
Подача воздушного потока осуществляется через входной патрубок 6.1, обеспечивающий прием разогретого воздуха (рабочая среда). Входной патрубок 6.1 обеспечивает соединение с трубопроводом, для подвода разогретого до заданной температуры воздуха из камеры сгорания 9. Выходной патрубок 8.1 размещен в районе турбины 7.1 и связан по трубопроводу с камерой сгорания 9 для подачи воздуха, для осуществления горения и подогрева радиаторного узла нагрева 12.
Газотурбинный двигатель также включает редуктор 2, связанный с общим приводным валом 4. Редуктор 2, может иметь различную конструкцию, например одноступенчатую, многоступенчатую, коническую, червячную и прочие типы редукторов, для передачи вращения с приводного вала 4 на выходной вал (на чертеже не обозначен позицией). С приводного вала 4 через шестерни и узлы редуктора происходит передача вращения на выходной вал для осуществления работы заданному узлу/механизму, связанному с предлагаемым устройством.
Компрессорная часть 3 газотурбинного двигателя также включает турбину 7.2, установленную на приводном валу 4. Турбина 7.2 также выполнена, как правило, в виде одного или нескольких дисков, на которых установлены лопатки, обеспечивающие забор воздуха извне и нагнетание воздушного потока. На конце компрессорной части 3 установлен входной патрубок 6.2, обеспечивающий забор воздуха. В выходной патрубок 8.2 компрессорной части 3, посредством турбины 7.2, нагнетается воздух, который по трубопроводу направляется (нагнетается) в ресивер 10.
Ресивер 10 является герметичной емкостью, которая предназначена для хранения в ней сжатого воздуха, а также стабилизации давления в пневмосистеме устройства и раздаче воздуха с заданной интенсивностью. Ресивер 10 имеет клапанные механизмы удержания нагнетенного воздуха, а также стравливания излишнего воздуха, узел слива возможного конденсата, а также контрольно-измерительные приборы для мониторинга давления внутри него. На выходном патрубке ресивера 10 установлен регулировочный кран 11, обеспечивающий выравнивание и регулировку выходного давления воздуха.
В качестве регулировочного крана 11 на выходном патрубке ресивера 10 используется, например, электро-магнитный распределительный клапан или редуктор давления или иной механизм, обеспечивающий подачу заданного давления на выходе.
Регулировочный кран 11 по трубопроводу связан с камерой сгорания 9. В качестве камеры сгорания 9 могут применяться различные устройства, например, устройства на базе газового или твердотопливного котлов, дизельный, пеллетный котлы и прочие устройства с камерами сгорания какого-либо топлива. Любой из вариантов должен включать теплообменник в виде радиаторного узла нагрева 12, внешний источник тепла 13 и узел подачи воздуха 14 для горения.
Радиаторный узел нагрева 12 может иметь различную конструкцию, например, трубчатую или пластинчатую или иную другую для выполнения своего назначения - передачи тепла. Радиаторный узел нагрева 12 подогревается внешним источником тепла 13 либо несколькими источниками тепла, например, дровами, углем, газом, мазутом, электричеством или иным/иными источником, подбираемым в зависимости от доступности источника тепла, его цены, места размещения/использования системы и прочих факторов.
Радиаторный узел нагрева 12 предпочтительно выполнен в виде расположенного змейкой трубчатого замкнутого контура, пронизанного радиаторными пластинами, что обеспечивает нагрев воздуха и его непосредственную передачу через камеру сгорания 9 дальше к узлам устройства. Внешний источник тепла 13, в зависимости от конструкции выполнен в виде газовой/дизельной горелки, камеры сгорания твердого топлива и пр.
Узел подачи воздуха 14 для горения выполнен в виде сопла или ряда сопел, через колотые поступает разогретый воздух из выходного патрубка 8.1 турбинной части 1. Воздух все еще имеет высокую температуру. Разогретый воздух усиливает процесс горения при использовании внешнего источника тепла 13 с открытым пламенем и/или обеспечивает обдув и подогрев радиаторного узла нагрева 12 все еще горячим воздухом, выходящим из выходного патрубка 8.1.
На пути трубопровода между выходным патрубком 8.1 и узлом подачи воздуха 14 камеры сгорания 9, может быть установлен шиберный кран 5, разделяющий потоки на два направления, в узел подачи воздуха 14 камеры сгорания 9 и в камеру сгорания 9, где непосредственно происходит горение топлива, для осуществления дожига топлива и повышения эффективности и КПД системы, причем шиберный кран 5 выполнен с возможностью регулирования степени подачи воздуха. Наличие шиберного крана 5 необходимо, в первую очередь, для осуществления дожигания топлива в твердотопливных котлах, работающих на дровах, угле, пеллетах, соломе и пр., что обеспечивает лучшее сгорание топлива и повышает эффективность работы устройства и его КПД.
Выходной патрубок 15 камеры сгорания 9 связан трубопроводом с входным патрубком 6.1 турбинной части 1, для передачи разогретого до рабочей температуры воздуха, для работы газотурбинного двигателя.
Принцип работы системы (пример).
Из выходного патрубка ресивера 10, через регулировочный кран 11, воздух под давлением перемещается в камеру сгорания 9 внешнего источника тепла. В камере сгорания 9 воздух проходит через радиаторный узел нагрева 12, подогреваемого внешним источником тепла 13 и нагревается до заданной температуры.
Из выходного патрубка 15 камеры сгорания 9 разогретый воздух посредством трубопровода перемещается во входной патрубок 6.1 турбинной части. Разогретый до рабочей температуры воздух воздействует на турбину 7.1, установленную на приводном валу 4, что приводит к работе газотурбинного двигателя.
Одновременно, через выходной патрубок 8.1 турбинной части 1 воздух по трубопроводу передается в узел подачи 14 воздуха камеры сгорания 9, тем самым усиливая горение топлива в камере сгорания 9 и прямой нагрев нагретым воздухом, для подогрева радиаторного узла нагрева 12, для повышения КПД системы и уменьшения ее энергозатрат.
Приводной вал 4 передает вращение на редуктор 2, который, в свою очередь передает вращение на выходной вал.
Приводной вал 4 также передает вращение на турбину 7.2 компрессорной части 3, которая нагнетает воздух по трубопроводу в ресивер 10, для осуществления работы системы.
Приводной вал 4 газотурбинного двигателя одновременно обеспечивает передачу вращения на выходной вал редуктора 2, нагнетание воздуха в узел подачи воздуха 14 камеры сгорания 9 и нагнетание воздуха в ресивер 10, что обеспечивает замкнутый цикл работы системы с обеспечением повышения эффективности работы системы газотурбинного двигателя, повышения его КПД, повышения надежности работы, при простоте конструкции.