ОСЕВАЯ МАШИНА, РАБОТАЮЩАЯ НА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЕ, И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ
AXIAL MACHINE OPERATING ON FLUID MEDIUM AND METHOD OF ENERGY GENERATION

Область техники
Изобретение относится к способу получения энергии посредством осевой машины, работающей на текучей среде.
Предшествующий уровень техники
Турбина представляет собой тип машин, работающих на текучей среде, которые позволяют непрерывно получать механическую энергию за счет процесса расширения рабочей текучей среды. Турбины содержат множество аэродинамических профилей или лопаток, образующих проход для потока. Перепад давлений между двумя сторонами аэродинамического профиля или лопатками создает силу давления, которая, в свою очередь, создает крутящий момент, передаваемый на вал машины.
Сверхзвуковые турбины обеспечивают более высокую мощность на единицу объема. Однако в обычных машинах, работающих на текучей среде, не используют каналы с высоким сверхзвуковым прохождением, вследствие высоких потерь, обусловленных как скачками уплотнения, так и возникающими проблемами в сверхзвуковых каналах. В настоящее время не существует доступной литературы по конструкции и характеристикам турбин с осевым входом с высокой сверхзвуковой скоростью потока. В настоящее время имеется опыт исследований сверхзвукового обтекания аэродинамических профилей ротора для турбин и компрессоров, однако, с дозвуковой составляющей скорости обтекания. Lichtfuss Н.J. и Starken Н. в своей работе «Обтекание сверхзвуковой решетки» (Прогресс аэрокосмической науки, том 15, стр. 37-149, 1974) показали, что сочетание сверхзвуковой скорости входа и дозвуковой осевой скорости, характерное для таких аэродинамических профилей ротора, обуславливает специфический угол атаки, который ограничивает рабочий диапазон проходов для потока. В 1970-х Breugelmans, Gallus и Wennerstrom провели эксперименты со ступенями сверхзвукового компрессора, в ходе которых были достигнуты величины от 2,8 до 3,5 для одной ступени. Недавно Ramgen в США разработал ступень сверхзвукового осевого компрессора, создающую степень повышения давления 7,8. Первые попытки создания сверхзвуковых турбин были предприняты для ступеней высокого давления промышленных паровых турбин в 1920-е г. г.Однако вследствие невозможности работы с высокими температурами пара на выходе турбины, исследовательские работы были прекращены до середины века. В районе 1950-х г.г.связанные со сверхзвуковыми турбинами исследования были возобновлены для паровых турбин, реактивных и ракетных двигателей. Сверхзвуковые турбины привлекали интерес представителей промышленности благодаря высокой удельной мощности, которую они могут создавать, возможности уменьшения количества ступеней низкого давления, что обеспечивает уменьшение веса турбины, а также снижение производственных и эксплуатационных расходов. Verneau А. в своей работе «Сверхзвуковые турбины для цикла Ренкина с органической жидкостью от 3 до 1300 кВт», в серии лекций «Малогабаритные турбины с высокой степенью сжатия», прочитанных им в Институте гидродинамики фон Кармана в июне 1987, представил сверхзвуковые турбины, разработанные для солнечных энергетических установок, способ утилизации непроизводительных затрат энергии и способ получения энергии от выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания. Jergeus Н. в своей работе «Аэродинамическая конструкция и полученные в ходе испытаний характеристики сверхзвуковых турбин для ракетных двигателей «Вулкан», в серии лекций «Малогабаритные турбины с высокой степенью сжатия», прочитанных им в Институте гидродинамики фон Кармана в июне 1987, и Wahlen U. в работе «Аэродинамическая конструкция и испытания сверхзвуковой турбины для ракетного двигателя», представленной им на 3-ей Европейской конференции по турбомашинам, посвященной вопросам гидродинамики и термодинамики (Лондон, Великобритания, март 1999), предложил жидководородную и жидкокислородную сверхзвуковые турбины для ракетного двигателя «Вулкан». Verdonk G. и Dufournet Т. в своей лекции «Разработка сверхзвуковой паровой турбины с отношением давлений 200 одной ступени для генератора и механического привода», прочитанной ими в серии лекций «Малогабаритные турбины с высокой степенью сжатия» в Институте гидродинамики фон Кармана в июне 1987, описали турбогенератор, представляющий собой одноступенчатую сверхзвуковую турбину. Все ступени вышеуказанных сверхзвуковых турбин содержат сопло Лаваля с установленным за ним прямым участком поверхности стороны пониженного давления для получения одинаковых условий сверхзвукового обтекания на входе в очень низкореактивный ротор. Как утверждает Goldman L. в своей работе «Конструкция и применение турбин» (гл. 9, Сверхзвуковые турбины, NASASP-290, 1994), для обеспечения минимальных потерь в скачке уплотнения в области сверхзвукового обтекания, поворот всего потока должен осуществляться в сужающейся части канала выше по потоку от критического сечения сопла. Как указывают Goldman L. и Vanco М. в работе «Компьютерная программа для разработки сверхзвуковых двухмерных сопел с критическим сечением с острыми кромками с коррекцией пограничного слоя» (NASA ТМ Х-2343, 1971), были разработаны сверхзвуковые направляющие аппараты с помощью метода характеристик и расчета пограничного слоя для обеспечения поля обтекания без скачков уплотнения. Все создававшиеся в ходе предыдущих попыток сверхзвуковые конструкции отличались пониженной работоспособностью вследствие проблем запуска на сверхзвуке, проблем взаимодействия скачков уплотнения с пограничным слоем и проблем, связанных со специфическим углом атаки.
Для радиальных турбин Tesla N. в патентном документе GB 191024001 А предложил использовать напряжение сдвига для получения энергии с помощью ряда вращающихся дисков.
Недавний прогресс, достигнутый в области горения в сверхзвуковом потоке, вызвал интерес к новым термическим циклам для выработки энергии и использования в воздушном транспорте. Одной из проблем в практическом осуществлении преобразования энергии с помощью вышеупомянутых новых циклов является отсутствие машин, работающих на текучей среде, способных эффективно работать в условиях сверхзвуковых потоков из камеры сгорания. Взаимодействие обычной лопаточной турбомашины со сверхзвуковыми колебаниями, обусловленными работой детонационной камеры сгорания, в числовой форме было исследовано Van Zante D., Envia E., Turner M. в работе «Затухание детонационных волн в ступени осевой турбины двигателя летательного аппарата», представленной на 18-ой Конференции Международного общества развития воздушно-реактивных двигателей (Пекин, Китай, сентябрь 2007), IS ABE 2007-1260, и продемонстрировало неприемлемо низкие аэродинамические характеристики машин, работающая на текучей среде, такой конструкции.
Интеграция авиационных двигателей с детонационным горением была предложена в патентном документе US 7328570, в котором в турбовентиляторном двигателе взамен турбин высокого и/или низкого давления для привода вентилятора и компрессора используется вращающаяся импульсно-детонационная система. В нескольких трубках последовательно происходит детонация, и поворот трубок обеспечивает создание крутящего момента. На выходе такой конструкции возникает пульсирующий сверхзвуковой поток с сильными скачками уплотнения. Кроме того, поток характеризуется определенной степенью завихрения вследствие поворачивания, создаваемого импульсными детонационными трубками. Такие исключительно сложные условия выходного потока делают невозможным использование любых обычных машин, работающих на текучей среде, ниже по потоку от данной системы.
Вследствие эксплуатационных ограничений импульсных детонационных двигателей и сложности их интеграции с силовую установку, в патентном документе ЕР 2525071 А1 предлагается использовать двигатель аэрокосмического применения, работающий на принципе непрерывного детонационного сгорания. В этом двигателе, основанном на другом принципе сгорания топлива, свежая топливовоздушная смесь непрерывно впрыскивается в кольцевую камеру сгорания, и ряд фронтов детонационной волны вращается с высокой частотой, создавая горячий газ, выбрасываемый наружу со сверхзвуковыми скоростями в режиме пульсации. Выходной поток такого двигателя также характеризуется наличием косых скачков уплотнения, распространяющихся ниже по потоку от камеры сгорания, а также возможным наличием тангенциальной составляющей скорости потока.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является извлечение энергии из потока текучей среды посредством осевой машины. Рабочая текучая среда является текучей средой, которая перемещается с высокой скоростью в пространстве, ограниченном аксиально-ориентированным кольцевым каналом. Указанная рабочая текучая среда совершает вращательное движение (завихряется) вокруг оси канала и создает силы сопротивления в результате вязкостного взаимодействия указанной текучей среды с кольцевыми стенками. Отличительной особенностью создаваемой силы является наличие тангенциальной составляющей, которая обеспечивает вращение кольцевых стенок канала. Такая конфигурация позволяет создавать определенный крутящий момент, который передается по меньшей мере на один вал. Двигающаяся со сверхзвуковой скоростью рабочая текучая среда с возникающими в ней скачками уплотнения увеличивает действующие на стенки силы сопротивления, которые обычно считаются отрицательным фактором, препятствующим эффективной работе. Однако этот фактор может быть использован в качестве альтернативного способа получения энергии посредством преобразования сил вязкого взаимодействия рабочей текучей среды с твердыми стенками во вращательное движение канала, окружающего данную текучую среду.
Новейшие конфигурации камер сгорания обеспечивают сверхзвуковую скорость потока на выходе (в камерах сгорания детонационных двигателей и гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей). Однако термомеханические ограничения, налагаемые такими экстремальными условиями на выходе, не позволяют использовать традиционные конструкции турбин с рабочими лопатками. Тем не менее, имеющееся тангенциальное напряжение сдвига обеспечивает возможность реализации изобретения посредством эффективного извлечения этих напряжений вращением кольцевого канала. Конструкция согласно такому концептуальному решению будет легче, проще, и ее техобслуживание также будет проще. Учитывая, что в лопаточной машине значительная часть массового расхода потока из компрессора используется для охлаждения/продувки самих лопаток, изобретение должно обеспечить значительное снижение требований по охлаждению, что приведет к повышению рабочих характеристик двигателя и сокращению выбросов.
Изобретение относится также к газовым турбинам и реактивным двигателям, содержащим сверхзвуковую/околозвуковую ступень турбины, а также к транспортным средствам, таким как летательные аппараты или суда, в качестве силовых установок для которых используют вышеупомянутые газовые турбины или реактивные двигатели, и к энергопроизводящим установкам и газопроводным насосным станциям.
Изобретение относится, в частности, к осевой машине, работающей на текучей среде, предназначенной для получения механической энергии от рабочей текущей среды, содержащей концентричный кольцевой канал, причем указанная рабочая текучая среда вводится во входное отверстие, проходит по указанному концентричному кольцевому каналу, ограниченному внутренней стенкой и внешней стенкой, с по меньшей мере одной осевой составляющей скорости и одной тангенциальной составляющей скорости; вязкостные взаимодействия происходят исключительно между указанной рабочей текучей средой и указанной внутренней стенкой и указанной внешней стенкой, при этом в результате указанных вязкостных взаимодействий возникает сила вязкого сопротивления, и тангенциальная составляющая рабочей текучей среды преобразуется в крутящий момент в результате вращательного движения указанной внутренней и/или внешней стенки, после чего указанная рабочая текучая среда выходит из указанной осевой машины, работающей на текучей среде, через выходной отверстие.
В качестве указанной рабочей текучей среды может использоваться, например, плазма, газ, жидкость или их гетерогенная смесь.
Предпочтительно, указанные внутренняя и внешняя стенки могут иметь гладкую или шероховатую поверхность (распределенную или локальную), пористую, с углублениями, волнистую, или могут представлять собой их гетерогенную комбинацию, что изменяет указанные вязкостные взаимодействия между указанной рабочей текучей средой и указанной поверхностью ротора.
В соответствии с частным вариантом осуществления изобретения указанная рабочая текучая среда может иметь изменяющиеся по времени или стационарные термодинамические и аэродинамические характеристики, которые изменяют указанные вязкостные взаимодействия между указанной рабочей текучей средой и указанными внутренней и внешней стенками. В частности, стационарные или нестационарные скачки уплотнения могут взаимодействовать с пограничным слоем поверхности ротора, внутренней и/или внешней стенками. Эти скачки уплотнения, таким образом, будут изменять вязкостные взаимодействия рабочей текучей среды с соответствующей стенкой или поверхностью ротора.
Предпочтительно, указанные внутренняя и/или внешняя стенки соединены с валом.
Предпочтительно, указанные внутренняя и/или внешняя стенки вращаются в направлении тангенциальной составляющей силы вязкого сопротивления, причем скорость внутренней и/или внешней стенки меньше, чем тангенциальная составляющая скорости указанной рабочей текучей среды.
Изобретение также относится к способу получения энергии от рабочей текучей среды, при котором движение рабочей текучей среды относительно стенок вызывает возникновение фрикционных сил, в результате которых создается крутящий момент, который передается по меньшей мере на один вал.
В этом способе наличие скачков (418) уплотнения в указанной рабочей текучей среде усиливает вязкостные взаимодействия между указанной рабочей текучей средой и указанными стенками.
В соответствии с частным вариантом осуществления изобретения горение происходит при вращающихся стенках.
Изобретение также относится к реактивным/ракетным двигателям, включающим в себя дозвуковую или сверхзвуковую камеру сгорания с дефлаграционным и/или детонационным горением.
В частном применении изобретения осевую машину согласно изобретению, работающую на текучей среде, интегрируют в системы выработки энергии, включающие в себя дозвуковую и/или сверхзвуковую камеру сгорания, с дефлаграционным и/или детонационным горением.
Другие детали и частные особенности изобретения станут более понятными из последующего описания и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показана сверхзвуковая турбина предшествующего уровня техники, имеющая ряд установленных на роторе лопаток и расходящееся поперечное сечение, вид в меридианальном разрезе;
на фиг. 2 схематично показан ряд лопаток ротора сверхзвуковой турбины предшествующего уровня техники в сверхзвуковом поле обтекания, с возникновением скачков уплотнения на передних и задних кромках;
на фиг. 3 схематично показана осевая машина, работающая на текучей среде, согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в разрезе, показывающий показанный на фиг. 1 расходящийся канал для потока, внутренняя стенка которого может свободно вращаться;
на фиг. 4 схематично показана осевая машина, работающая на текучей среде, согласно второму варианту осуществления изобретения, на вращающуюся внутреннюю стенку которой текучая среда действует силой вязкого сопротивления с осевой и тангенциальной составляющими; и
на фиг. 5 схематично показана осевая машина, работающая на текучей среде, согласно третьему варианту осуществления изобретения, содержащая свободно вращающиеся внутреннюю и внешнюю стенки, приводимые в движение воздействием текучей среды, вид в разрезе по проходам для потока.
Варианты осуществления изобретения
Пример ступени осевой турбины предшествующего уровня техники представлен на фиг. 1. В этой турбине текучая среда, поступающая из расположенной выше по потоку части 101, проходит по профилированному участку расположенной выше по потоку кольцевой части 102. Текучая среда проходит через множество профилированных лопаток 103, создавая подъемную силу, действующую на указанные лопатки 103, что обеспечивает вращательное движение ротора 104 вокруг вала 105. Это движение преобразуется в энергию на валу посредством вращения вала 105. Текучая среда, выходящая из проходов между лопатками турбины, продолжает двигаться по расположенной ниже по потоку кольцевой профилированной части 106.
На фиг. 2 схематично показано поле обтекания ступени указанной осевой турбины предшествующего уровня техники в условиях сверхзвукового потока в поперечном сечении 107 на фиг. 1. Текучая среда, со сверхзвуковой скоростью проходящая по траектории 201 течения, входит в проход для потока между лопатками 208 ротора. Вследствие эффекта запирания потока рабочими лопатками на передней кромке указанных лопаток 208 возникают два скачка 202 и 203 уплотнения. Указанные скачки 202 и 203 уплотнения уменьшают полное давление текучей среды, проходящей через них. Скачки 202 и 203 уплотнения распространяются в проходе, ударяются в поверхности 204 и 205 лопаток, после чего образуются отраженные скачки 206 и 207 уплотнения, которые распространяются далее вниз по потоку. Такое воздействие указанных скачков 202 и 203 уплотнения приводит к возмущению пограничного слоя и отделению текучей среды от указанных поверхностей 204 и 205 лопаток. Такое отделение приводит к потере давления и сужению на траектории 201 течения, что приводит к запиранию прохода для потока. Накопление влияния указанных скачков 202, 203, 206 и 207 уплотнения приводит к резкому снижению эффективности ступени осевой ступени турбины предшествующего уровня техники в условиях сверхзвукового потока.
На фиг. 3 показана осевая машина, работающая на текучей среде, согласно первому варианту осуществления изобретения, установленная в высокоскоростном осесимметричном тяговом двигателе, вид в разрезе. Рабочая текучая среда, когда поступает в двигатель через его кольцевой вход 301, становится ограниченной концентричной стенкой 302 меньшего радиуса (относительно оси 304 двигателя) и второй концентричной стенкой 303 большего радиуса. Затем рабочая текучая среда проходит в осевом направлении (параллельно продольной оси двигателя в направлении Z) в камеру 305 сгорания, где к текучей среде подводится тепло. В процессе сгорания текучая среда может приобретать определенное вращательное движение относительно оси 304. Это вращение характеризуется по меньшей мере двумя составляющими скорости, одна из которых направлена параллельно оси 304 (в направлении Z), а другая - перпендикулярно оси 304 (в направлении θ). Конкретные конфигурации камеры сгорания обеспечивают сверхзвуковые скорости на выходе, с несколькими скачками уплотнения, следующими за вращательным движением текучей среды вокруг оси 304. Величина и направление скорости могут зависеть от времени, создавая нестационарные характеристики текучей среды. Затем указанная рабочая текучая среда взаимодействует с внутренней стенкой 308 машины согласно изобретению.
Эта кольцевая внутренняя стенка 308 встроена в ротор 306, таким образом, что поверхность ротора может свободно вращаться относительно оси 304. Тангенциальная составляющая скорости, перпендикулярная оси 304 (направление θ) действует направленной по касательной фрикционной силой на стенку 308 меньшего радиуса, в частности, на поверхность ротора 306, что приводит к его вращению. Этот крутящий момент вырабатывает энергию, которая передается на вал 309. Стенки, в частности, поверхность ротора, на части 308 могут быть вогнутыми, выпуклыми, прямыми, или представлять собой сочетание вышеуказанных форм.
Второй вариант осуществления изобретения поясняется фиг. 4, на которой показан концентричный кольцевой канал, образующий осевую машину, работающую на текучей среде, согласно изобретению. Этот кольцевой канал может обеспечивать возможность прохождения определенной текучей среды, в качестве которой может быть использована плазма, газ, жидкость или их гетерогенная смесь, обеспечивая преимущество выработки энергии. Поступающий на вход 401 осевой машины вихревой поток текучей среды, обладающий скоростью 420 с осевой составляющей 402 скорости, которая может быть выше местной скорости звука, и определенной тангенциальной составляющей 403 скорости. Величина этой входной тангенциальной составляющей 403 зависит от абсолютного угла 404 входа потока, измеряемого от осевого направления 402, а также от величины входной осевой составляющей 402 скорости. Текучая среда проходит вдоль осевого направления машины по каналу, ограниченному внутренней стенкой 408 и внешней стенкой 409, и выходит из канала через выходную часть 410. В показанном на фиг. 4 варианте обе стенки расположены в осевом направлении, и канал имеет постоянное кольцевое поперечное сечение по всей длине 411 осевой машины, работающей на текучей среде. Таким образом, внутренняя стенка имеет постоянный радиус 412, который меньше радиуса 413 внешней стенки. Когда внутренняя стенка 408, образующая поверхность ротора, вращается относительно своей оси 414 симметрии, относительное перемещение между указанным вихревым потоком текучей среды и этой вращающейся стенкой, образующей поверхность ротора, приводит к образованию напряжения 415 вязкого сдвига, обеспечивая энергию для указанной вращающейся стенки. Указанное напряжение сдвига имеет осевую составляющую 416 и тангенциальную составляющую 417, ориентированную в направлении 419 вращения стенки. Тангенциальная составляющая 417 создает тангенциальную сдвигающую силу сопротивления, действующую на вращающуюся стенку 408. Указанная сдвигающая сила сопротивления создает крутящий момент относительно вращающегося вала 414 осевой машины, работающей на текучей среде, позволяя получать энергию согласно варианту осуществления изобретения. Кроме того, указанный вихревой поток текучей среды может создавать систему 418 скачков уплотнения внутри канала, распространяющихся как в осевом, так и в тангенциальном направлениях, еще более способствуя образованию тангенциальных сил сдвига, действующих на стенки 408 и 409.
На фиг. 5 схематично показана осевая машина, работающая на текучей среде, согласно третьему варианту осуществления изобретения в увеличенном масштабе, вид в разрезе. Текучая среда входит в кольцевую часть 508 машины по меньшей мере с двумя составляющими скорости, а именно, составляющей в направлении θ, перпендикулярной оси 503 машины, и составляющей в направлении Z, параллельной оси 503 машины. Осевая машина, работающая на текучей среде, содержит внутреннюю стенку 501 с поверхностью ротора, который может свободно вращаться относительно оси 503 вращения. Благодаря наличию составляющей скорости в направлении θ, перпендикулярной оси 503 вращения машины, такая конструкция позволяет отбирать тангенциальное усилие от текучей среды. Крутящий момент, создаваемый в результате вращательного движения, передается на вал 505 через соединяющий ротор 504. Изобретение согласно этому варианту может дополнительно или исключительно обеспечивать получение энергии от рабочей текучей среды посредством использования поверхности ротора на внешней стенке 502, которая может свободно вращаться вокруг оси 503. Крутящий момент, получаемый в результате вращательного движения поверхности ротора в указанной внешней стенке 502, передается на вал 506 с помощью соединительного элемента 507. Силы сопротивления, действующие на стенки 501 и 502, в частности, на соответствующие поверхности ротора, благодаря которым осуществляется выработка энергии, могут быть увеличены за счет распределенной или локализованной шероховатости поверхности указанных стенок. Поверхности, дополнительно имеющие пористость, углубления или волнистость, могут способствовать усилению вязкостных взаимодействий между указанными стенками и указанной рабочей текучей средой.
Осевая машина, работающая на текучей среде, согласно вышеуказанным вариантам осуществления изобретения, предпочтительно, включает в себя камеру сгорания, расположенную в кольцевом канале выше по потоку от указанной поверхности ротора. С помощью такой камеры сгорания осуществляется подвод тепла к рабочей текучей среде, что вызывает ее расширение.
При необходимости, камера сгорания может содержать форсунку для впрыска топлива в рабочую текучую среду. Кроме того, выше по потоку от указанной поверхности ротора, предпочтительно, расположена система зажигания, служащая для воспламенения рабочей текучей среды, которая, возможно, содержит указанное топливо. Подходящие системы зажигания, которые могут быть использованы, хорошо известны специалистам в данной области техники.
Кроме того, поперечное сечение кольцевого канала может быть постоянным, как показано на фиг. 4 и фиг. 5, или может сужаться или расширяться. Как показано на фиг. 3, поперечное сечение кольцевого канала может постепенно сужаться вплоть до места расположения камеры 305 сгорания, и расширяться ниже по потоку от этой камеры сгорания. Расширяющееся поперечное сечение кольцевого канала позволяет рабочей текучей среде расширяться.