ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ДИСПЕРСНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в газодинамических установках для дисперсной химической и биологической обработки при дисперсном опрыскивании зерновых и технических культур, а также лесов против возбудителей болезней и для борьбы с саранчой, колорадским жуком и другими насекомыми.
Данный газотурбинный двигатель своими выхлопными отходящими газами в совокупности с диспергатором рабочей жидкости или эжектором эффективно создает дисперсную жидкостно-газовую и жидкостно-воздушную эмульсию и потоком газов направляет эту эмульсию на обрабатываемые объекты, а эмульсия осаждается на обрабатываемые объекты и поверхности в виде дисперсного облака.
Известен авиационный газотурбинный двигатель модели АИ-9 мощностью 5 квт, который используется по своему прямому назначению во вспомогательной силовой установке самолета или вертолета и вырабатывает сжатый воздух под давлением 0,2 МПа, который используется для запуска основного маршевого газотурбинного двигателя. См. "Газотурбинный двигатель АИ-9", краткое описание и инструкция по технической эксплуатации, М., Внешторгиздат, 1970 г., с 3-9, с 11-16 (1).
Данный газотурбинный двигатель содержит топливный насос-регулятор, электростартер, воздухозаборник-маслобак, компрессор, ресивер, клапан перепуска воздуха, камеру сгорания топлива, турбину, выхлопное сопло и стекатель выхлопных газов и вырабатывает наряду с выхлопными газами и сжатый воздух.
При проведении дисперсной химической и биологической обработки этот двигатель используется для выработки дисперсной жидкостно-газовой и жидкостно-воздушной эмульсии в виде дисперсного облака за счет использования потока выхлопных газов, а также за счет потока сжатого воздуха, пропускаемого через диспергатор вместе с рабочей жидкостью. При этом, можно получать различные по дисперсности частиц эмульсии, начиная от 10 мкм и до 80 мкм и больше.
Вместе с тем, этот газотурбинный двигатель по своим техническим параметрам рассчитан лишь для кратковременной работы в течение 15-20 минут, в основном, при запуске маршевых газотурбинных двигателей самолета или вертолета.
А при использовании его в наземных условиях, в частности для дисперсной химической и биологической обработки двигатель через 15-20 минут непрерывной работы начинает перегреваться, поэтому приходится его заглушать на перерыв для остывания.
Другим недостатком при использовании этого двигателя в установках для химической и биологической обработки является то, что температура выхлопных газов достигает 550-600°С, что в некоторых случаях отрицательно сказывается при использовании биологических препаратов для целей дезинфекционной обработки.
А это в некоторой мере зависит от работы клапана перепуска воздуха данного двигателя. Этот клапан перепуска воздуха - автоматического действия, см. фиг.33 указанного выше источника научно-технической информации (1), ксерокопия одной страницы с описанием системы перепуска воздуха из двигателя прилагается к материалам заявки на 1 листе.
Этот клапан обеспечивает устойчивую работу компрессора двигателя на режимах запуска и холостого хода путем перепуска части воздуха из компрессора двигателя в атмосферу.
При отсутствии отбора воздуха для питания воздушных систем самолета или вертолета заслонка 11 (фиг.33, справа) под действием пружины 9 закрыта, а клапан 2 под действием усилия своей пружины находится в нижнем положении, чем обеспечено соединение полости над поршнем 2 с атмосферой.
А при отборе воздуха для питания систем самолета или вертолета заслонка 11 находится в положении открыто (фиг.33, слева). Подробнее о работе клапана перепуска воздуха см. в описании системы перепуска воздуха из двигателя.
Целью при разработке предлагаемой полезной модели является разработка газотурбинного двигателя для использования в наземных условиях для дисперсной химической и биологической обработки, имеющего ресурс непрерывной работы с номинальными параметрами (без перегревания) в 3-4 раза больший, чем у известного двигателя, а также достичь за счет технического усовершенствования клапана перепуска воздуха существенного снижения температуры выхлопных газов, и как
следствие, снижения расхода топлива.
Указанный технический результат достигается и реализуется следующим образом.
Предлагаемый газотурбинный двигатель для дисперсной химической и биологической обработки, также как и авиационный газотурбинный двигатель модели АИ-9, содержит электростартер, топливный насос-регулятор, воздухозаборник-маслобак, ротор, компрессор, ресивер, клапан перепуска воздуха, камеру сгорания топлива, турбину, выхлопное сопло и стекатель выхлопных газов.
Но в отличие от него содержит усовершенствованный клапан перепуска воздуха, выполненный с возможностью выпуска (стравливания в атмосферу) избытка воздуха лишь при запуске двигателя и выходе его на номинальный режим работы, а после этого - перепускания (направления) части избытка воздуха в камеру сгорания, при этом, клапан перепуска воздуха, дополнительно снабжен электропневмоклапаном, посредством которого производится воздействие на поршень с укрепленным на нем клапаном перекрытия воздушного потока из ресивера двигателя в атмосферу.
В качестве ближайшего аналога предлагаемому двигателю можно принять газотурбинный авиационный двигатель модели АИ-9 по источника научно-технической информации (1).
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 изображен предлагаемый газотурбинный двигатель для дисперсной химической и биологической обработки с частичным разрезом.
На фиг.2 изображен усовершенствованный клапан перепуска воздуха, предлагаемого двигателя в разрезе по А-А фиг.1 в положении его деталей и узлов перед запуском двигателя.
Принцип работы предлагаемого двигателя не отличается от аналога и заключается в следующем.
Воздух из атмосферы поступает в воздухозаборник на вход в центробежный компрессор, сжимается в нем и разделяется за компрессором на два потока. Один поток поступает в камеру сгорания, где часть его (первичный воздух) направляется в зону горения, куда через рабочие форсунки непрерывно впрыскивается тонкораспыленное топливо; остальная часть поступающего в камеру сгорания (вторичный воздух) обтекает снаружи камеру сгорания, охлаждает ее и через смесительные отверстия направляется в зону смешения, где смешивается с потоком горячих газов, обеспечивая требуемое поле температур газа на входе в турбину.
На турбине срабатывается основная часть энергии газового потока,
преобразуясь в механическую работу, выдаваемую на вал турбины. Мощность, полученная на валу турбины, расходуется на вращение ротора компрессора и агрегатов двигателя. После срабатывания энергии на турбине газовый поток через выхлопное сопло выбрасывается в атмосферу. А при использовании предлагаемого двигателя для химической и биологической обработки газовый поток направляется на диспергатор рабочей жидкости и в результате образуется жидкостно-газовая эмульсия, которая этим же потоком выхлопных газов направляется на объекты, подлежащие дезинфекционной обработке.
Второй поток воздуха из компрессора через отверстия в его корпусе поступает в ресивер, приваренный к корпусу компрессора. Из ресивера через перепускной клапан воздух поступает в воздушную систему самолета или вертолета, а при отсутствии его потребления воздух выпускается в атмосферу. А по предлагаемому назначению двигателя - воздух поступает на диспергатор рабочей жидкости, а часть избытка воздуха направляется в камеру сгорания.
Предлагаемый газотурбинный двигатель содержит следующие узлы и агрегаты.
Электростартер 1 прикреплен к воздухозаборнику-маслобаку 2, который скреплен с корпусом компрессора 3, который по каналам для воздуха соединен с ресивером 4. А ресивер 4 охватывает по окружности корпус компрессора 3.
Узел камеры сгорания 5 включает в себя корпус камеры, камеру сгорания, рабочие топливные форсунки, воспламенитель и топливный коллектор. Корпус камеры сгорания 5 выполнен сварной конструкции и скреплен с корпусом компрессора 3 и является силовым узлом и одновременно кожухом камеры сгорания. В нижней части фланца корпуса камеры сгорания выполнены два кронштейна, предназначенные для крепления всего двигателя.
На выходе из камеры сгорания в потоке выхлопных газов установлена турбина 6 - осевая, реактивная, одноступенчатая. Далее расположено выхлопное сопло, состоящее из наружного кожуха 7 и стекателя газового потока 8, соединенные между собой при помощи стоек.
С ресивером 4 по воздушным каналам и воздуховоду 9 соединяется, направляющий воздушный поток на диспергатор, патрубок 10, по которому сжатый воздух из компрессора 3 поступает в клапан 11 перепуска воздуха, а также через переходную втулку 12 далее на диспергатор рабочей жидкости (фиг.1 и 2).
Корпус клапана 11 перепуска воздуха выполнен за одно целое с
направляющим патрубком 10. В корпусе клапана 11 в расточенном отверстии укреплен по герметичной посадке посредством уплотнительного кольца стакан 13, в котором установлен в форме чашечки со стержнем поршень 14. На стержне поршня 14 шарнирно установлен клапан 15, который в рабочем положении сопрягается (садится) с седлом 16 клапана 15. Клапан 15 с поршнем 14 под действием пружины 17 и в нерабочем состоянии и во время запуска двигателя находится в разомкнутом положении, то-есть воздух может свободно выходить из патрубка 10 в атмосферу через несколько окон в стенке корпуса 11 вблизи седла 16 клапана 15.
Стакан 13 с другой стороны герметично закрыт при помощи уплотняющей прокладки и крышки 18, в которой укреплен штуцер 19.
А штуцер 19 посредством эластичного шланга соединен с электропневмоклапаном 20, который соединен с электросетью блока управления. В стенке корпуса 11 клапана перепуска воздуха выполнен сквозной канал В небольшого диаметра, который через два отверстия С, выполненные соответственно в стенке корпуса 11 и стенке стакана 13, сообщается с полостью патрубка 10 и воздух свободно поступает в полость стакана 13 (фиг.2) и далее через открытый алектропневмоклапан 20 в атмосферу.
Предлагаемый газотурбинный двигатель и соответственно клапан перепуска воздуха работают следующим образом.
Перед запуском двигателя клапан 15 расположен с определенным зазором относительно седла 16 под действием пружины 17 и полость патрубка 10 свободно сообщается с атмосферой через окна в стенке корпуса 11, а электропневмоклапан 20 также находится в положении "открыто" и воздух из патрубка 10 может свободно выходить через отверстия В и С в полость стакана 13 и далее через открытый электропневмоклапан 20 в атмосферу.
Это необходимо для того, чтобы при запуске двигателя воздух из компрессора должен в оптимальном объеме поступать лишь в камеру сгорания без избытка, чтобы при запуске от избытка воздуха не произошел помпаж двигателя. Для этого избыток воздуха из компрессора через патрубок 10 стравливается в атмосферу как через открытый клапан 15, так и через открытый электропневмоклапан 20.
После запуска двигателя и набора им номинального режима работы с блока автоматического управления двигателя поступает сигнал на перекрытие электропневмоклапана 20, после чего в полости стакана 13 начинает повышаться давление воздуха и поршень 14 вместе с клапаном
15 перемещаются и клапан 15 плотно садится на седло 16 клапана.
После этого давление воздуха в патрубке 10 также повышается и воздух поступает в диспергатор рабочей жидкости, а сбрасываемый при запуске избыток воздуха из ресивера поступает непосредственно в камеру сгорания.
В результате этого, когда двигатель работает на номинальном режиме, избыток воздуха в камере сгорания способствует снижению температуры выхлопных газов с 550-600°С до 370-450°С. При этом, существенно снижается расход топлива (авиационного керосина) с 60-75 кг/час до 40-50 кг/час.
Далее, в случае, когда насос-регулятор двигателя отрегулирован с возможностью обеспечения номинального режима работы двигателя при 32000 об/мин. ротора вместо 38000 об/мин., предусмотренных техническими условиями работы авиационного газотурбинного двигателя модели АИ-9, то температура выхлопных газов снижается уже до 300-400°С, что положительно сказывается на выработке качественной дисперсной эмульсии, особенно, при использовании биологических препаратов. То-есть, качество и эффективность препарата не снижается под воздействием повышенной до 300-400°С температуры.
При этом, расход топлива становится меньше и составляет около 35-40 кг/час. Проведенные усовершенствования позволили довести непрерывное время работы двигателя без перегрева до 45-50 минут против 15 минут, предусмотренных у двигателя АИ-9.
Опытный образец предлагаемого газотурбинного двигателя был изготовлен и опробован с положительными результатами в августе 2004 года в газодинамической установке для дисперсной химической и биологической обработки при проведении работ на сельскохозяйственных культурах на полях Омской области.
Литература:
1. "Газотурбинный двигатель АИ-9", краткое описание и инструкция по эксплуатации, М., Внешторгиздат, 1970 г., с 3-9, с 11-16.