Безлопастной микротурбинный двигатель
BLADELESS MICROTURBINE ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к турбиностроению, а именно к газотурбинным двигателям малых размеров (микротурбинным двигателям), которые могут применяться в качестве привода электрогенератора в гибридных транспортных средствах, в беспилотных летательных аппаратах малых размеров, а также в автономных электрогенераторах.
Газотурбинные двигатели (ГТД) наиболее широко используются в авиации. Попытки использовать ГТД малых размеров в наземных транспортных средствах были предприняты в начале пятидесятых годов прошлого века. Первым в мире автомобилем с ГТД считается Rover JET1 фирмы Rover Car Co. Ltd. А в 1954 году General Motors (GM) представила автомобиль Firebird XP-21. Разработкой транспортных средств на ГТД в то время занимались также компании Boeing, Ford, Chrysler. Это были, в основном, единичные экземпляры гоночных автомобилей, экономический аспект для которых не был существенным для разработчиков. Следует отметить, что совместными усилиями этим компаниям удалось решить большинство врожденных проблем ГТД. К примеру, в середине шестидесятых годов компания Chrysler разработала и изготовила газотурбинный седан Chrysler Turbine. Расход топлива этих автомобилей составлял 11,7 литров на 100 км, максимальная скорость 180 км/час, разгон до 100 км/час за 8 секунд. 50, почти готовых к серийному выпуску автомобилей, компания раздала на длительный тест. Испытания прошли успешно, но все компании, в том числе и Chrysler, разработки в этом направлении постепенно свернули. Возможно, что автогиганты не захотели перестраивать давно налаженную систему производства поршневых автомобилей и делать большие капиталовложения в организацию массового производства транспортных средств на ГТД.
В дальнейшем развитие автомобилестроения привело к созданию гибридных транспортных средств. Это дало второй шанс для использования ГТД. В гибридных автомобилях отсутствует механическое соединение двигателя и колёс, что делает несущественными такие недостатки ГТД малых размеров как высокие номинальные обороты турбины, низкая чувствительность к управлению (отклик на "газ"), отсутствие режима торможения двигателем.
В 1998 году американская компания Capstone Turbine Corporation (Capstone) продала первую электроэнергетическую установку с газотурбинным двигателем малых размеров, который был назван "Микротурбина". В настоящее время более 9000 микротурбинных установок фирмы Capstone эксплуатируются в 73 странах по всему миру для автономной генерации электроэнергии. Перспективно использование микротурбин в качестве привода электрогенератора для гибридных транспортных средств. Фирмой Capstone был представлен гибридный электрический спорткар СМТ-380, а в 2009 г. совместно с британской фирмой Landford на базе семиместного кроссовера Ford S-Max был разработан последовательный гибрид Eco-Logic с использованием микротурбин С30. Были проведены показательные испытания этого гибрида, однако серийный выпуск так и не начался. Микротурбина С30 установлена в экологичных гибридных автобусах, которые курсируют по набережной Ньюкасла. В России фирма "Тролза" в 2009 г. разработала и провела успешные испытания, названного Экобусом, гибридного автобуса Тролза-5250 на базе микротурбины С65. Было изготовлено несколько экземпляров Экобуса, но в серию он не пошел. Несмотря на экологическую привлекательность автомобили и автобусы на базе микротурбин Capstone не получили широкого применения. Скорее всего это связано с тем, что даже при налаженном серийном производстве, стоимость их микротурбин весьма высока. Кроме того, из-за конструкции воздушного подшипника количество запусков микротурбин Capstone серьезно ограничено, что нежелательно при старт-стопном режиме гибридного автомобиля.
В России разработкой и производством энергоустановок и многофункциональных энергоагрегатов на базе микротурбинных двигателей занимается АО СКБ "Турбина". С 1970 года начался серийный выпуск газотурбинного агрегата ГТА-18А, предназначенного для вспомогательной силовой установки, обеспечивающей электропитание систем танка Т-80У. В настоящее время производятся, в частности, агрегат питания нефтяной АПН-18 и малоразмерный турбореактивный двигатель ТД30. Агрегат АПН-18 мощностью 18 кВт имеет электрический коэффициент полезного действия (КПД) 14% и вес около 1000 кг. Турбореактивный двигатель ТД30 предназначен для легких беспилотных летательных аппаратов в качестве маршевого двигателя для создания тяги и обеспечения бортовой сети. Выходная электрическая мощность ТД30 - 1100 Вт, время непрерывной работы - 2 часа. Нет данных об использовании микротурбинных двигателей этого акционерного общества для гибридных транспортных средств.
Как Российские так и зарубежные микротурбинные двигатели в подавляющем большинстве являются лопастными. Системным недостатком лопастных турбин являются ограничения максимальной рабочей температуры газа и, соответственно, КПД, которые зависят от термостойкости и прочности лопастей при соответствующих окружных скоростях ротора. Кроме того у лопастных турбин имеют место большие потери рабочего тела через неплотности газовых стыков, что особенно сказывается при малом диаметре ротора турбины. Для повышения теплостойкости и прочности лопаток турбины используются дорогостоящие сплавы с применением редкоземельных металлов, что приводит к усложнению технологии и увеличению себестоимости микротурбинных двигателей даже при их серийном производстве.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления, микротурбинных двигателей, что позволит повысить их надежность и срок службы. При этом снизятся затраты на изготовление и эксплуатацию. В отличие от лопастных микротурбинных двигателей, при прочих равных условиях, особенности конструкции винтового ротора предлагаемого микротурбинного двигателя дают возможность выдерживать более высокие обороты при увеличении максимальной рабочей температуры газа, что позволяет получать и более высокий КПД.
В соответствие с изобретением, технический результат достигается тем, что безлопастной микротурбинный двигатель, содержащий неподвижный корпус, установленное на валу ротора компрессорное колесо, теплообменник, камеру сгорания с топливным инжектором и запальной свечой, сопловое устройство и выпускной патрубок. Ротор микротурбинного двигателя выполнен в виде установленного на подшипниках винта с многозаходной наружной резьбой, который расположен с зазором относительно неподвижного корпуса, снабженного канавками на его внутренней цилиндрической поверхности. В корпусе могут быть выполнены либо кольцевые канавки глубина которых увеличивается в направлении выпускного патрубка, либо канавки в виде многозаходной внутренней резьбы, направление которой противоположно направлению наружной многозаходной резьбы винта. Благодаря этим канавкам в зазоре между винтом (ротором) и неподвижным корпусом под действием движущегося нагретого газа интенсифицируется процесс турбулентного трения и, по сравнению с гладкой втулкой, существенно увеличивается количество энергии, передаваемой от нагретого газа ротору. Причем эффект передачи энергии, и соответственно скорость вращения ротора, нелинейно растет с увеличением температуры газа в камере сгорания и давления на входе газа в зазор. Увеличение размеров кольцевых канавок корпуса в направлении выпускного патрубка позволяет осуществить продолженное расширение нагретого рабочего газа, что дополнительно увеличивает коэффициент передачи энергии ротору.
На фигуре 1 изображен продольный разрез микротурбинного двигателя в исполнении с кольцевыми канавками на внутренней цилиндрической поверхности корпуса. На фигуре 2 изображен продольный разрез микротурбинного двигателя в исполнении с многозаходной внутренней резьбой на корпусе. На фигуре 3 изображено сечение А - А по линии разъема.
Микротурбинный двигатель (фиг. 1) содержит корпус 1, многозаходный винт 2, установленный на валу 3, подшипниковый узел 4, воздушный фильтр 5, компрессорное колесо 6, которое предназначено для нагнетания воздуха в сужающиеся каналы 7. Эти каналы выполняют функцию теплообменника и диффузора. Очищенный и сжатый воздух подается в камеры сгорания 8 и 9, имеющие сопловые устройства 10 и 11 (фигура 3). Для уравновешивания давления в камерах сгорания в корпусе выполнена кольцевая проточка 12. Крышка 13 (фигура 1) уплотнена металлической прокладкой 14. На корпусе 1 установлены форсунки 15 и 16, а на крышке запальная свеча 17. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнены кольцевые канавки глубина которых увеличивается в направлении выпускного патрубка18. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса 19 (фигура 2) выполнены канавки в виде многозаходной внутренней резьбы, направление которой противоположно направлению наружной многозаходной резьбы винта (если на винте левая резьба, то на корпусе правая).
Канавки на поверхностях винта и корпуса микротурбинного двигателя могут иметь различную форму, например, трапецеидальную, прямоугольную, треугольную. Однако, в соответствие с п. 4 формулы, предпочтительна форма канавок в виде полуокружностей с радиусом равным глубине канавок.
Микротурбинный двигатель работает следующим образом. При запуске мотор-генератор (или сжатый воздух) приводит во вращение вал 3. Компрессорное колесо сквозь воздушный фильтр 5 подает сжатый воздух через каналы 7 теплообменника в камеры сгорания 8 и 9. Затем в эти камеры впрыскивается жидкое топливо или подается сжатый газ. Образованная топливно-воздушная смесь поджигается от запальной свечи 17. Топливо воспламеняется и нагретые до рабочей температуры газы через сопла 10 и 11 направляются в зазор между винтом и корпусом где расширяются и совершают работу по вращению винта (ротора). Микротурбинный двигатель запускается и мотор-генератор переходит в режим генерации, а запальная свеча выключается, так как воспламенение топливно-воздушной смеси происходит самопроизвольно от соприкосновения с разогретыми поверхностями камер сгорания. Регулировка скорости вращения ротора осуществляется путем изменения подачи топлива. При использовании микротурбинного двигателя в гибридных транспортных средствах скорость вращения ротора может быть выбрана постоянной, оптимальной для стабильной работы двигателя и зарядки аккумуляторных батарей от генератора.