СИСТЕМА ТУРБОКОМПРЕССОРА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
TURBOCHARGER SYSTEM AND METHOD FOR ITS OPERATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики.
Нагнетательные устройства, такие как турбокомпрессоры, используются в устройствах для увеличения мощности и эффективности рабочих систем.
Турбокомпрессор - обобщенное обиходное название любой энергетической машины, функцией которой является использование кинетической энергии отработанных газов для сжатия воздуха с целью последующего его использования в самом этом устройстве для его работы. Конструктивно всегда состоит из связанных общим валом машин - турбины и компрессора.
Недостатком всех известных турбокомпрессоров является их низкий КПД, сложность конструкции, а также низкая надежность.
В основу изобретения поставлена задача - разработать систему турбокомпрессора, лишенную известных недостатков.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является решение - методическое издание "Теплотехника. Термодинамические основы работы тепловых машин", ФБГОУ ВО «Ярославский государственный технический университет» Кафедра двигателей внутреннего сгорания, под ред. кандидат технических наук, доцент Ивневым А.А., Ярославль, 2013-2016, раскрывающее систему работы турбокомпрессора, включающую турбину, камеру сгорания, компрессор, регенератор с подогревом воздуха, а также выходной вал.
Недостатком известной системы является расположение регенератора, обеспечивающего подогрев воздуха до его попадания в компрессор, что приводит к нарушению работы устройства, поскольку за счет попадания в компрессор уже подогретого воздуха не обеспечивает его должного расширения в дальнейшем в системе, что приводит к низкому КПД системы и в частных случаях - даже к невозможности его работы.
Техническим результатом предложенной системы является стабилизация ее работы, повышение ее КПД и мощности.
Согласно первому объекту изобретения предложена система турбокомпрессора, включающая соединенные последовательно трубопроводами компрессор, регенератор, камеру сгорания, турбину, при этом турбина соединена трубопроводом с регенератором. После регенератора и перед камерой сгорания размещен узел регулировки подачи воздуха, в котором воздушный поток делится на два потока, выполненный с возможностью регулирования количества воздуха, направляемого по указанным двум потокам, при этом один поток идет в камеру сгорания на процесс горения, а другой, через дополнительный отвод в верхнюю часть камеры сгорания, для смешивания подогретого воздуха с выхлопными газами.
Согласно второму объекту изобретения предложен способ работы системы турбокомпрессора характеризующийся тем, что из компрессора по трубопроводу направляют воздух в регенератор, далее в камеру сгорания, откуда рабочее тело направляют в турбину, из которой энергию вращения передают на выходной вал, при этом отработанное рабочее тело из турбины направляют в регенератор, где осуществляют предварительный нагрев поступающего из компрессора воздуха. Перед камерой сгорания воздушный поток разделяют на два потока в узле регулировки подачи воздуха, размещенном после регенератора и перед камерой сгорания и регулирующем количество воздуха, направляемого по указанным двум потокам, при этом один поток воздуха подают в камеру сгорания на процесс горения, а другой поток воздуха, через дополнительный отвод, подают в верхнюю часть камеры сгорания, для регулировки температуры рабочего тела на выходе из камеры сгорания.Данный технический результат достигается тем, что система турбокомпрессора включает фиг. 1 компрессор (1), который по трубопроводу (1.1) направляет воздух в регенератор (2) и далее по трубопроводу (2.1) в камеру сгорания (3), откуда нагретое до рабочей температуры рабочее тело (выхлопные газы или газовая смесь, состоящая из подогретого воздуха и выхлопных газов) направляется по трубопроводу (3.1) в турбину (4), энергия вращения турбины передается на выходной вал (7), при этом отработанное рабочее тело из турбины (4) направляется по трубопроводу (4.1) в упомянутый регенератор (2), для осуществления предварительного нагрева поступающего из компрессора воздуха путем отдачи оставшегося тепла. Газы, нагревающие рабочее тело в регенераторе (2), удаляются через выхлопную трубу.
Система турбокомпрессора характеризующаяся тем, что энергия вращения от выходного вала (7) передается предпочтительно на высокоскоростной редуктор (5), однако могут быть использованы и иные узлы и механизмы передачи энергии.
Система турбокомпрессора характеризующаяся тем, что регенератор (2) выполнен в виде воздушного радиатора с трубопроводом и пластинами теплопередачи.
Система турбокомпрессора характеризующаяся тем, что камера сгорания (3) оснащена терморегулятором для обеспечения регулировки рабочей температуры.
Система турбокомпрессора, характеризующаяся тем, что перед камерой сгорания (3) размещен узел (6) регулировки подачи воздушной смеси, а также дополнительный отвод (6.1) воздушного потока в верхнюю часть камеры сгорания (3) для смешивания подогретого воздуха с выхлопными газами.
Регенератор (2), предпочтительно выполнен в виде воздушного радиатора с трубопроводом и пластинами теплопередачи, но может представлять собой и иную конструкцию, обеспечивающую передачу тепла из камеры регенератора (2) на проходящий через него воздух.
Камера сгорания (3) может быть выполнена, например, в виде твердотопливного котла, или иного другого источника нагрева, либо комбинированных источников нагрева, например, твердотопливный котел в паре с солнечным коллектором.
В частном случае камера сгорания (3) может быть выполнена в виде котла полного сгорания, например газового, дизельного и т.д.
Температура подачи рабочего тела в турбину (4) предпочтительно должна находиться в диапазоне 500-1100 градусов, для получения максимальной эффективности работы системы. В случае, если температура будет ниже заданного значения, КПД системы будет падать, если же температура превысит данные показатели, то это может сказаться на долговечности узлов системы.
Далее, принцип работы системы будет описан с учетом прилагаемой схемы по фиг. 1, где изображена система турбокомпрессора.
Краткое описание конструктивных элементов.
1 - компрессор;
1.1 - трубопровод;
2 - регенератор;
2.1 - трубопровод;
3 - камерой сгорания;
3.1 - трубопровод;
4 - рабочая турбина;
4.1 - трубопровод;
5 - редуктор;
6 - узел регулировки подачи воздушной смеси;
6.1 - отвод;
7 - выходной вал
Система турбокомпрессора включает фиг. 1 компрессор (1), имеющий элемент забора воздуха, например, в виде воздушного патрубка. Забирая воздух, компрессор (1) по трубопроводу (1.1) направляет его в регенератор (2). Далее подогретый воздух по трубопроводу поступает в камеру сгорания (3). Камера сгорания (3) предпочтительно оснащена терморегулятором (на чертеже не показан) для обеспечения регулировки температуры рабочего тела.
В частном случае, когда камера сгорания выполнена в виде котла полного сгорания перед камерой сгорания (3) воздушный поток делится на два: один поток идет на процесс горения, другой - для смешивания подогретого воздуха с выхлопными газами. Количество воздуха, направляемого по потокам, регулируется узлом (6) регулировки подачи воздушной смеси, выполненным в виде шибера или клапана, в ручном или автоматическом режиме. Позволяет регулировать температуру воздушного состава на выходе из камеры сгорания (3). Подавая подогретый воздух в верхнюю часть камеры сгорания регулируют температуру рабочего тела. Если подать больше количество воздуха в верхнюю часть, то температура рабочего тела (газовая смесь) на выходе из камеры сгорания будет меньше и наоборот. Из камеры сгорания (3) нагретое до рабочей температуры рабочее тело: выхлопные газы или газовая смесь (выхлопные газы + воздух) в зависимости от конструкции камеры сгорания (3) по трубопроводу направляется в турбину (4). Турбина (4) обеспечивает вращательное движение и передает его на выходной вал (7). Полезная нагрузка от выходного вала снимается через высокоскоростной редуктор (5) или иные узлы и механизмы передачи энергии. Далее, одновременно с обеспечением передачи вращения на выходной вал, турбина (4) осуществляет передачу отработанного рабочего тела в упомянутый регенератор (2) для осуществления предварительного нагрева вновь поступающего воздуха из компрессора (1).
Далее остановимся на принципе работы заявленной системы.
Первичный запуск турбокомпрессора осуществляют нагнетанием воздуха в компрессор (1) или стартером-генератором с вала отбора мощности (на чертеже не показан). Компрессор (1) забирает воздух, который по трубопроводу (1.1) поступает в регенератор (2), где при первом пуске предварительный подогрев не осуществляется, в дальнейшей работе в регенераторе (2) осуществляется предварительный нагрев поступающего воздуха. Температура нагрева при дальнейшей работе зависит от температуры, поступающего отработанного рабочего тела от турбины (4). Далее из регенератора (2) по трубопроводу (2.1) подогретый воздух направляется в камеру сгорания (3). Далее рабочее тело с рабочей температурой поступает в турбину (4), которая передает энергию вращения на выходной вал (7) (ротор). Также параллельно с этим турбина (4) осуществляет передачу отработанного в турбине (4) рабочего тела через трубопровод (4.1) в регенератор (2) для осуществления предварительного нагрева вновь поступающего от компрессора воздуха. Газы, нагревающие рабочее тело в регенераторе (2), удаляются через выхлопную трубу.
Стабильность работы системы, повышение ее КПД и мощности обеспечивается за счет забора компрессором (1) холодного воздуха (обладающего минимальным объемом (расширением)), который в дальнейшем по пути к турбине (4) прогревается, в том числе в регенераторе (2) (что дополнительно поднимает КПД и мощность), обеспечивая достаточное его расширение, для создания избыточного давления, необходимого для надежной и стабильной работы узлов турбины (4), с повышенным КПД и мощностью.