ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS-TURBINE ENGINE

Данное изобретение относится к области тепловых двигателей и, конечно, к области газотурбинных двигателей всевозможного назначения.
Уровень техники
Известны газотурбинные двигатели, содержащие в себе компрессор с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, камеру сгорания и турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения, в том числе как с неохлаждаемыми, так и с охлаждаемыми турбинами. Смотрите, например, книгу Г.С.Жирицкий. Авиационные газовые турбины. Москва. Издательство оборонной промышленности. 1950 г. /Л-1/, фиг.2,32 на вклейке между странницами 62 и 63 и фиг.2,33 на стр.64. Смотрите, например, и Л.А.Шубенко-Шубин и другие. Газотурбинные установки. Атлас конструкций и схем. Москва. Машиностроение. 1967 г. /Л-2/, стр.91, фиг.1-252 с ГТУ фирмы Джейнерал электрик, стр.97, фиг.2-2 с ГТУ-20 Ленинградского Кировского завода, стр.114, фиг.3-2 с ГТУ Коломенского тепловозостроительного завода, стр.116, фиг.3-6 с ГТУ Метрополитен Виккерс, стр.150 с ГТУ модели 6002 фирмы БМВ, стр.151, фиг.4-77 с ГТУ фирмы Боинг. Смотрите, например, и книгу С.А.Вьюнов и другие, под общей редакцией Д.В.Хронина. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. Москва. Машиностроение. 1989 г. /Л-3/, стр.6, фиг.1,2, стр.7, фиг 1,2, стр.8, фиг.1,3 и фиг.1,4 со схемой ТРДД 1Т9Д компании Пратт-Уитни с большой степенью двухконтурности. Смотрите, например, книгу Б.А.Пономарев. Двухконтурные турбореактивные двигатели. Оборонгиз. Москва. 1973 г. /Л-4/, фиг.1 на вклейке в конце книги с двухконтурным турбореактивным двигателем АИ-25, фиг.43 там же на других вклейках ДТРД РВ-211-22 компании Роллс-Ройс.
х
Нетрудно заметить, что во всех этих газотурбинных двигателях /ГТД/, начиная с 50 годов прошлого столетия и до сих пор, уже в 3 тысячелетии их воздушно-газовые тракты, в том числе и двухконтурных ДТРД, в том числе и таких известных компаний как Джейнерал-Электрик, Роллс-Ройс, Пратт-Уитни, а также и российских НПО Сатурн и УМПО, выполнены по самому простейшему термодинамическому циклу из числа давно известных в термодинамике теоретических термодинамических циклов, а потому, и по самому наименее эффективному из числа давно известных. Ибо, как нетрудно заметить, воздушно-газовые тракты всех этих ГТД, в том числе и двухконтурных ДТРД, имеют компрессор с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, имеющим наибольшую работу сжатия и максимально уменьшающим полезную работу турбины, и турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения, имеющим наоборот наименьшую работу расширения, а также из-за отсутствия в их термодинамических циклах процесса возврата тепла отработанных газов, что приводит к достаточно большим потерям тепловой энергии с отработанными газами, покидающими двигатель.
Все это относится и к двигателям внутреннего сгорания /ДВС/, имеющим в большинстве случаев теоретический адиабатический процесс сжатия и полное отсутствие регенерации тепла отработанных газов.
И хотя в вышеотмеченных ГТД термический кпд, определяемый выражением
, где ,
3
1
достаточно интенсивно растет с повышением температуры газов перед турбиной Т по отношению к температуре окружающей среды Т, смотрите, например, книгу Я.И.Шнеэ. Газовые турбины. Москва. Машгиз. 1960 г. /Л-5/, стр.20-22. Несомненно следует отметить, что в ГТД возросло качество исполнения охлаждаемых турбин и соответственно существенно возросли температуры газов перед турбиной и соответственно возросли термические кпд ГТД. Однако с повышением температуры газов перед турбиной интенсивно растет и оптимальная степень повышения давления. Смотрите, например, табл.3 в /Л-5/ на стр.32. И например, в соответствии с Л-4 на стр.82-83 в ДТРД модели 1Т9Д компании Пратт-Уитни самолета Боинг -747 его компрессор имеет 3 ступени низкого давления и 11 ступеней высокого давления. А его турбина высокого давления имеет 2 ступени, а турбина низкого давления имеет 4 ступени. И соответственно, многоколесный ротор ГТД получился не только очень дорогим, но и очень длинным и тяжелым. Длинным, и толстостенным, и тяжелым стал и корпус двигателя, в том числе из-за высокого внутреннего давления в нем. И в целом двигатель, несомненно, очень дорогой, длинный, тяжелый, а экономичность очень далека от превосходной. Ибо существенно возросла работа сжатия, отнимаемая компрессором от турбины. И потому потребителям мало интересен высокий термический кпд, так как он ничего не говорит о том, что остается в турбине для полезной работы. Несомненно, потребителям более интересен внутренний кпд, определяемый уже разностью располагаемых работ турбины и компрессора. Ибо внутренний кпд определяется выражением
1
в Л-5 на стр.23, где Q - количество подведенной тепловой энергии с учетом потерь в камере сгорания,
кс
t
к
η, η и η - кпд камеры сгорания, турбины и компрессора,
т
q - количество подведенного топлива в камеру сгорания на 1 кг воздуха.
И согласно Л-5 на стр.21 при даже
и
опт.
3
1
у вышеотмеченных ГТД теоретический внутренний кпд всего лишь равен 0,346. И даже при ∑=5,40 и соответствующим φ=30 их теоретический внутренний кпд может быть равным 0,444. Тогда как теоретический внутренний кпд ГТД даже с одноступенчатым теоретическим адиабатическим процессом сжатия и таким же процессом расширения и ∑=Т/Т=4,31, но имеющим уже регенерацию тепла отработанных газов, достаточно близкую к идеальной, может быть уже равным 0,55-0,60. Смотрите, например, графики внутренних кпд ГТД на фиг.55 и 56 и Л-5 на стр.70.
Конечно, внутренний кпд ГТД это еще не есть эффективный кпд, ибо в нем еще не учтены механические потери в подшипниках, на привод топливного и масляного насосов и прочие расходы на собственные нужды. И согласно Л-5 на стр.89 эффективный кпд ГТД определяется выражением
где
мт
мк
η и η - соответственно механический кпд турбины и компрессора,
гидр.
кс
Δh - перепад, эквивалентный гидравлическим сопротивлениям, η - кпд камеры сгорания.
И согласно Л-5 на стр.89 теоретический эффективный кпд может быть меньше теоретического внутреннего кпд всего на 1÷2% от установленной мощности. Однако в реальности эти потери могут быть существенно большими. И учитывая, что механические потери, в том числе и в подшипниках, и на привод насосов, относительно невелики, а также и то, что предметом изобретения является и существенное снижение суммарных гидравлических потерь и тепловых потерь до относительно небольшого уровня, а также учитывая, что в Л-5 представлены наглядные графики, позволяющие судить о совершенстве теоретических термодинамических циклов между собой, а также являющихся ориентиром, к чему может быть приближена эффективность создаваемых ГТД с тем или иным теоретическим термодинамическим циклом, воспользуемся ими в дальнейшем для относительной оценки известных двигателей относительно друг друга.
И несомненно, учитывая изложенное выше, Г.С.Жирицкий еще в своей книге Л-1 1950 г. выпуска на стр.37 поставил задачу о первоочередном создании ГТД с регенерацией тепла отработанных газов, конструктивно-схематично представленным на фиг.2.34 на стр.65, а вторым этапом он считал необходимым переходить к созданию ГТД с охлаждаемым процессом сжатия для снижения работы сжатия и регенерацией тепла отработанных газов для возврата тепла отработанных газов в термодинамический цикл.
И несомненно, что в соответствии с этим стали известны ГТД, содержащие в себе компрессор с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, камеру сгорания, турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения и устройство возврата тепла отработанных газов в виде регенератора. Смотрите, например, двигатель А-831 компании Крайслер на фиг.4-90 и фиг.4-91 в Л-2 на стр.153 с вращающимся теплообменником диаметром 458 мм и с глубиной радиальных ходов для воздуха в ней 76 мм. Однако его экономичность оказалась даже чуть хуже, чем у бензинового карбюраторного ДВС автомобиля Москвич 412. Ибо согласно технической характеристике автомобильный АГТД А-831 в Л-2 на стр.153 имеет наименьший удельный расход топлива 231 г/лсч, тогда как согласно, например, книге Л.И.Белкин и другие. Автомобиль Москвич 412. Москва. Машиностроение. 1971 г., /Л-6/, стр.9 минимальный удельный расход топлива автомобилем Москвич 412 составляет 225 г/лсч. А согласно книге М.О.Высоцкий и другие. Автомобиль МАЗ 500 и его модификации. Москва. Машиностроение. 1968 г. /Л-7/, стр.16, минимальный удельный расход топлива дизельного двигателя ЯМЗ-236 составляет всего 175 г/лсч << 231 г/лсч. Т.е. созданный компанией Крайслер АГТД 1-831 по своей экономичности оказался хуже, чем даже карбюраторный ДВС с искровым воспламенением, а тем более хуже, чем дизельный ДВС с простейшим термодинамическим циклом хотя их, может быть, не совсем корректно сравнивать, ибо максимальные температуры циклов ДВС с искровым воспламенением составляют 2500-2800 К, а у дизелей 1800-2200 К. Смотрите, например, книгу В.М.Архангельский и другие. Автомобильные двигатели. Москва. Машиностроение. 1977 г. /Л-8/, стр.45. Однако и никто не препятствовал компании Крайслер создать АГТД с более высокой температурой газов перед турбиной. Во-вторых, из схемы АГТД А-831 в /Л-2/ на стр.153 и фиг.4-91 видно, что температура газов перед регенератором 647°С, а после него 260°С, что соответствует тепловому перепаду "срабатываемого" в регенераторе 387°С, хотя температура рабочего воздуха перед регенератором 218°С. В результате имеет место утерянный температурный перепад с отработанными газами 42°С. 42°С это, несомненно, существенная потеря тепловой энергии с отработанными газами, чтобы можно было считать регенерацию близкой к идеальной, а термодинамический цикл АГТД А-831 близким к теоретическому. Далеко не идеальный регенератор получился еще и потому, что при диаметре теплообменного тела регенератора 458 мм и глубине его ходов-каналов 76 мм для движения в них и сжатого рабочего воздуха это, несомненно, приводит к достаточно большим потерям сжатого рабочего воздуха в полость с отработанными газами перемещением в этих каналах сжатого рабочего воздуха в результате вращения теплообменного тела между полостями со сжатым рабочим воздухом и отработанных газов. Несомненно имеют место и потери сжатого рабочего воздуха и в уплотнениях регенератора. Несомненно имеют место и существенные гидравлические потери в воздушно-газовом тракте АГТД по причине его непрямоточности, а тем более с неоднократными и с достаточно крутыми поворотами, а также по причине увеличения в разы воздушно-газового тракта от этого, а также из-за несомненных потерь /гидравлических/ потоком рабочего тела в самом теплообменном теле регенератора.
Известны и авиационные газотурбинные двигатели, содержащие в себе компрессор с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, камеру сгорания, турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения и устройство возврата тепла отработанных газов в виде регенератора. Смотрите, например, книгу Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. Москва. Машиностроение. 1974 г. /Л-9/, стр.13, фиг.1.09. И как сказано в Л-9 на стр.14, "Регенераторы для утилизации тепла отходящих газов и подогрева входящего воздуха в двигатель применяются редко, так как они имеют большую массу и малую эксплуатационную надежность".
Известны и газотурбинные двигатели, содержащие в себе компрессор со ступенчатым процессом сжатия и с промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха, камеру сгорания, турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения и устройство возврата тепла отработанных газов в виде рекуператора. Смотрите, например, Л-2, фиг.2-6, стр.98 с судовой ГТУ РМ 60 компании Роллс-Ройс. Однако несмотря на то что компания Роллс-Ройс создала свою ГТУ с еще более совершенным термодинамическим циклом, включающим в себя еще и охлаждаемый процесс сжатия рабочего воздуха помимо процесса регенерации тепла отработанных газов, их ГТУ РМ 60 оказалась еще более прожорливой, чем АГТД А-831 компании Крайслер. Ибо согласно технической характеристики ГТУ РМ 60 в Л-2 на стр.98 имеет кпд всего лишь 21,2%, а удельный расход топлива составляет 295 г/лсч. И несомненно, это имеет место по следующим причинам. Ибо, во-первых, как видно из фиг.2-5 в Л-2 на стр.98 температура газов перед рекуператором тепла отработанных газов 327°С, а после него - 263°С. Т.е. в рекуператоре имеет место утилизация лишь температурного перепада в 62°С, а температура сжатого воздуха перед рекуператором 151°С, утерянный температурный перепад составляет 92°С>62°С. Нетрудно заметить, что этот рекуператор достаточно далек от идеального. И более того, как полагает автор, что от этого рекуператора больше вреда, чем пользы. Ибо конструкторы компании Роллс-Ройс за регенерацию всего 62-градусного теплового перепада придумали гонять туда и обратно рабочий воздух по весьма длинным воздуховодам с многочисленными поворотами, в том числе в достаточно крутоизогнутых трубках в самом рекуператоре. И несомненно, что это техническое решение привело к достаточно существенным гидравлическим потерям в сравнении с ГТД с прямоточным потоком рабочего тела через проточную часть ГТД. И в соответствии с Л-5 на стр.74-89 несомненно недостаточно эффективная регенерация тепла отработанных газов и несомненно существенные гидравлические потери в воздушно-газовом тракте ГТД, а также и весьма невысокая температура газов перед турбиной в 827°С и не позволили компании, Роллс-Ройс получить хотя бы преемлемой экономичности в их газотурбинном двигателе РМ 60.
Известны газотурбинные двигатели и с еще более совершенными теоретическими термодинамическими циклами, содержащими в себе компрессор со ступенчатым процессом сжатия и промежуточным охлаждением, камеру сгорания, турбину со ступенчатым процессом расширения и промежуточным подогревом, а также устройство возврата тепла отработанных газов в виде рекуператора. Смотрите, например, газотурбинный двигатель компании Форд модели 704 на фиг.4-81 и фиг.4-82 в Л-2 на стр.152 и газотурбинный двигатель модели Форд 705 в немецком журнале ATZ “Automobiltechnieche Zeitschrift”.
3
1
Автомобильная промышленность №11, 1967 г. /Л-10/, стр.393-396, в том числе фиг.51 на стр.393, и фиг 52 и 53 на стр.394, и фиг.65 на стр.396 с графиком удельного расхода топлива от минимального в 179 г/лсч до 196 г/лсч при максимальной мощности. Нетрудно заметить, что топливная экономичность и АГТД Форд 705 с еще более совершенным термодинамическим циклом оказалась чуть хуже, чем у просто дизельного двигателя ЯМЗ-236 с простейшим термодинамическим циклом, который, как уже отмечено выше, имеет минимальный удельный расход топлива 175 г/лсч. Тогда как согласно графику №5 на фиг.56 в Л-5 на стр.70 внутренний кпд ГТД при ∑=Т/Т=4,31 мог бы быть на уровне 0,55-0,60, если бы он был реализован достаточно близко к теоретическому.
Но, во-первых, согласно фиг.51 на стр.393 в Л-10 проточная часть АГТД Форд 705 выполнена не прямоточной, а с неоднократными и достаточно крутоизогнутыми поворотами потока рабочего тела и имеет соответственно значительно большую длину воздушно-газового тракта, если бы он был прямоточным. Это, несомненно, привело к существенным гидравлическим потерям и к соответствующему снижению внутреннего и эффективного кпд. Дополнительные гидравлические потери создают и теплообменники, в том числе и промежуточный охладитель сжимаемого воздуха, и рекуператор тепла отработанных газов, а также и не прямоточная камера сгорания. Это все также снижает внутренний и эффективный кпд.
Во-вторых, достаточно далека от идеальной и регенерация тепла отработанных газов. Ибо согласно фиг.51 в Л-10 на стр.393 температура газов перед рекуператором - 582°С, а после него - 395°С, в то время как температура сжатого воздуха перед рекуператором - 330°С. В результате имеет место утерянный тепловой перепад с отработанными газами 65°С при «сработанном» тепловом перепаде в рекуператоре 187°С. Достаточно далек от идеального и промежуточный охладитель сжимаемого воздуха. Ибо температура сжатого рабочего воздуха после промежуточного охладителя 106°C, тогда как температура окружающей среды 38°C. Теоретическое недоохлаждение составляет 68°C, что привело к увеличению работы сжатия в сравнении с теоретической, а соответственно к уменьшению полезной работы турбины.
3
1
В-третьих, температура газов перед турбиной 927°С, что соответствует ∑=Т/Т=3,86<4,31. В то время, как уже отмечено выше, максимальные температуры циклов у дизельных ДВС 1800-2200 К, а у ДВС с искровым воспламенением 2500-2800 К. Но ДВС для этого имеют достаточно эффективные системы охлаждения.
х
Известны и газотурбинные двигатели, содержащие в себе компрессор с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, камеру сгорания, турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения, выполненную из керамики, и устройство возврата тепла отработанных газов, выполненное в виде регенератора с теплообменным телом из керамики. И, как утверждают некоторые средства информации, такие гтд способны работать при температурах газов перед турбиной до 1250°С. Смотрите, например, журнал «Automobil» №12, 1981 г. Чехословакия /Л-11/, стр.25-27. И в том числе в этом журнале представлен газотурбинный двигатель компании Мерседес-Бенц, созданный в качестве экспериментального для автомобиля Аито-2000 наряду с дизельным и бензиновым вариантами. И как оказалось, что топливная экономичность АГТД Аито-2000 уже чуть лучше, чем у его дизельного собрата. И при скорости движения автомобиля Аито-2000 90 км/час расход топлива составляет 5,5 л, а у его дизельного собрата 5,7 л. Смотрите, например, статью из болгарской газеты Автомотосвят /AMС/ №12 80 годов под названием "Минералокерамиката - Газовая турбина". /Л-12/. Однако несомненно, что реализованный в АГТД Аито-2000 термодинамический цикл с керамической неохлаждаемой турбиной и с регенератором тепла отработанных газов еще не эквивалентен теоретическому термодинамическому циклу с теоретическими термодинамическими адиабитическими процессами сжатия и расширения и регенерацией тепла отработанных газов, а во-вторых, потому что воздушно-газовый тракт АГТД Аито-2000 выполнен не прямоточным и имеет неоднократные и достаточно крутоизогнутые повороты потока рабочего тела при его движении с достаточно высокими скоростями. Во-вторых, и здесь в разы увеличилась протяженность воздушно-газового тракта. В-третьих, имеют место гидравлические потери при движении рабочего тела через регенератор. В-четвертых, выходные кромки лопаток керамического колеса турбины имеют более толстые кромки, приводящие к увеличению гидравлических потерь при их обтекании рабочим телом. В-пятых, не прямоточной выполнена и камера сгорания. В-шестых, несомненно имеют место и существенные потери сжатого рабочего воздуха в достаточно длинных и очень многочисленных каналах вращающегося теплообменного тела регенератора тепла обработанных газов при их перемещении из полости высокого давления в полость с низким давлением с отработанными газами. В-седьмых, несмотря на отсутствие информации о температурах отработанного газа до и после регенератора и о температуре сжатого рабочего воздуха перед регенератором несомненно имеет место существенный утерянный температурный перепад с отработанными газами в атмосферу. А потому и АГТД Аито-2000 еще достаточно далек до теоретически возможной эффективности.
Известны и газотурбинные двигатели, содержащие в себе компрессор с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, камеру сгорания и турбину с теоретическим адиабатическим процессом расширения и с достаточно эффективным воздушным охлаждением, в том числе и рабочих лопаток колес турбины. Смотрите, например, статью д.т.н. Н.Г.Ольховского из ВТИ "Разработки перспективных энергетических ГТУ" из журнала "Теплоэнергетика" №4, 1996 г. /Л-13/, стр.66-74. И согласно Л-13 в ГТУ компании Сименс с воздушно охлаждаемой турбиной температура газов перед турбиной 1310°C. И при φ=16,6 кпд ГТУ 38%. Это без регенерации. Смотрите таблицу 1 в Л-13 на стр.66. В том числе согласно Л-13 на стр.68 рабочие лопатки первой и второй ступени турбины выполнены монокристаллическими.
А в ГТУ компании Вестингауз с воздушно охлаждаемой турбиной температура газов перед турбиной уже составляет 1410°С. И уже при φ=19,2 кпд ГТУ без регенерации составляет 38,5%. Смотрите, например, таблицу 1 в Л-13 на стр.66. Нетрудно заметить, что и уже при достаточно высоких температурах газов перед турбиной кпд таких ГТД с простейшим термодинамическим циклом, т.е. не имеющим даже регенерации тепла отработанных газов, все-таки невелик. Ибо коэффициент, выражающий отношение мощности, развиваемой турбиной, к мощности, отнимаемой от нее компрессором, определяемый выражением , - наихудший в ГТД с простейшим термодинамическим циклом. Смотрите, например, стр.28 в Л-5, где
т
N - мощность турбины,
к
N - мощность компрессора,
т
к
в
η и η - соответственно кпд турбины и компрессора, а также смотрите графики изменения λ на фиг.59 и 60 в Л-5 на стр.72. В связи с чем некоторые известные в мире компании, в том числе Сименс и Вестингауз, вместо регенераторов либо рекуператоров тепла отработанных газов использовали комплекс, содержащий в себе парогенератор и паровую турбину. Парогенератор отнимает теплоту отработанных газов, а паровая турбина превращает ее в работу, в том числе и в полезную. В результате кпд их парогазовых установок /ПГУ/ вырос до 58%. Смотрите, например, таблицу 1 в Л-13 на стр.66. Это наглядно подтверждает, что даже ГТД с теоретическими адиабатическими процессами сжатия и расширения, но имеющие регенерацию тепла отработанных газов, близкую к идеальной, могут иметь кпд около 58%. И потому есть прямой смысл создавать ГТД с регенерацией тепла отработанных газов. Ибо ИГУ приемлемы лишь для стационарных энергетических установок, но для транспортных средств они, несомненно, и громоздки и тяжелы.
Сущность изобретения
1. Газотурбинный двигатель, содержащий компрессор с охлаждаемым процессом сжатия либо с теоретическим адиабатическим процессом сжатия, устройство либо устройства для воспламенения и сжигания топлива, турбину, охлаждаемую либо неохлаждаемую, с подогреваемым процессом расширения либо с теоретическим адиабатическим процессом расширения, устройство либо устройства возврата тепла отработанных газов в термодинамический цикл двигателя, содержащее либо содержащие в себе вращающееся теплообменное тело либо вращающиеся теплообменные тела с теплообменными элементами либо с блоками теплообменных элементов, содержащими теплообменные поверхности, омываемые рабочим телом двигателя, в том числе рабочим воздухом после компрессора и отработанными газами после турбины, отличающийся тем, что его теплообменное устройство либо устройства возврата тепла отработанных газов выполнено либо выполнены в виде рекуператора тепла отработанных газов, а его теплообменные тела выполнены разнесенными друг от друга и установлены и после компрессора, но до турбины, и после турбины, либо выполнены не разнесенными на до и после турбины, а, например, выполнены в виде теплообменного блока, а сами теплообменные тела рекуператора тепла отработанных газов выполнены содержащими трубки, в том числе, возможно, и не только круглые, либо выполнены содержащими элементы трубчатого типа, либо из элементов, содержащих внутренние полости-каналы, а внутренние полости-каналы теплообменных элементов теплообменных тел заполнены промежуточным теплоносителем и включены в систему циркуляции промежуточного теплоносителя между вращающимися теплообменными элементами, нагреваемыми отработанными газами после турбины и вращающимися теплообменными элементами, греющими рабочий воздух двигателя после компрессора, и теплообменные элементы сбалансированно и соосно либо осесимметрично установлены в теплообменных телах с противоточным либо с поперечно-противоточным, либо с противоточно-угловым омыванием их теплообменных элементов рабочим телом двигателя, а между собой трубчатые теплообменные элементы либо теплообменные элементы трубчатого типа установлены с межтрубными зазорами, либо с межповерхностными зазорами для теплообменных элементов, содержащих внутренние полости-каналы для омывания их внешних теплообменных поверхностей рабочим телом двигателя, в том числе и для движения рабочего тела между ними с радиальными составляющими его движения, причем теплообменные элементы теплообменных тел выполнены вращающимися с угловой скоростью, обеспечивающей достаточно интенсивный отрыв от их внешних по отношению к оси вращения теплообменных поверхностей /"спинок"/, соударяющихся с ними и соответственно теплообменивающихся с ними при этом элементов рабочего тела, и одновременно обеспечивающей и достаточно интенсивный "сброс" элементов рабочего тела и с боковых теплообменных поверхностей, и с "брюшек" теплообменных поверхностей, прикоснувшихся к теплообменным поверхностям и соответственно теплообменявшихся с ними при этом в момент их сокасания.
2. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1 теплообменные тела его рекуператора тепла отработанных газов предпочтительно установлены по одностороннему ходу движения рабочего тела двигателя от входа в ГТД к его выходу из ГТД, и в том числе и после компрессора, и после турбины, и в том числе либо соосно оси вращения турбины и оси вращения компрессора, и в том числе, например, выполнены вращающимися относительно осей вращения турбины и компрессора, и в том числе вращающимися и со скоростями, отличными от скорости вращения турбины и компрессора, либо теплообменные тела также могут быть выполнены установленными по одностороннему ходу движения рабочего тела от входа его к его выходу из ГТД и после компрессора, и после турбины, и вокруг осей вращения турбины и компрессора, но выполнены, например, вращающимися и не соосно осей вращения турбины и компрессора, либо выполнены установленными и не вокруг осей вращения турбины и компрессора, и вращающимися вокруг своей либо своих осей вращения.
3. Сущность изобретения состоит и в том, что ГТД по п.1 отличается тем, что теплообменные элементы теплообменных тел его рекуператора тепла отработанных газов предпочтительно сбалансированно и соосно либо осесимметрично установлены в его теплообменных телах и предпочтительно выполнены в виде витых трубчатых змеевиков разных диаметров и предпочтительно установлены один в другом, а другой - в следующем и т.д., в том числе витые трубчатые змеевики могут быть выполнены и по 2 змеевика одинаковых диаметров с соответственно продольно растянутыми витками и вложенными как бы один в другой с последовательным чередованием витков одного змеевика с витками другого змеевика, т.е. как бы выполненными в виде двухзаходных змеевиков, а также могут быть выполнены и в виде и трехзаходных и более заходных змеевиков, а также могут быть выполненными и в виде спирально навитых труб с витками, уложенными один около другого в радиальных трубных слоях с боковыми зазорами между трубными витками, в том числе и уложенными трубными витковыми рядами и трубными витковыми слоями, в том числе и с радиальными зазорами между трубными слоями, либо теплообменные элементы выполнены в виде многослойно установленных комплектов труб, навитых по винтовой линии, в том числе и составляющих часть витка, либо выполненных и в виде прямых осепродольных труб, сбалансированно и предпочтительно осесимметрично установленных в теплообменных телах, либо и в виде радиально установленных труб, установленных на периферию теплообменных тел, выполненных, например, разной длины от периферии теплообменных тел по мере уменьшения круговой площади сечения теплообменного тела по мере приближения к оси теплообменного тела, а также, например, и в виде прямых радиальных труб, либо и в виде радиально-разветвленных труб типа "снежинка", либо и в виде спирально навитых трубчатых змеевиков, либо элементов, содержащих элементы трубчатого типа, а теплообменные элементы, в том числе и трубчатые, либо и из элементов трубчатого типа предпочтительно выполнены раскрепленными между собой, в том числе и в продольно-осевых направлениях, в том числе и в радиальных слоях, если они есть, а также и в радиальных направлениях, в том числе между радиальными слоями, если они имеются, а также предпочтительно раскреплены и на опорных элементах теплообменных тел опорно-распорными элементами, в том числе и аэродинамически спрофилированными с оптимальным обтеканием их рабочим телом двигателя, в том числе и выполненных с учетом угловых скоростей вращения теплообменных элементов, их радиусов вращения и скорости движения рабочего тела через теплообменные тела, в том числе и с учетом принятого противоточного, либо поперечно-противоточного, либо противоточно-углового обтекания рабочим телом теплообменных элементов, а входные и выходные участки опорно-распорных и направляющих элементов предпочтительно выполнены с разницей их входных и выходных углов, обеспечивающих принудительное движение рабочего тела через теплообменные тела.
4. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.3 опорно-распорные и направляющие элементы теплообменных тел выполнены, например, в виде аэродинамически спрофилированных гребенок, предпочтительно выполненных, по крайней мере, с монтажными разъемами по осям постелей в них под теплообменные элементы, в том числе, при необходимости, содержат и упругие опорно-распорные элементы, в том числе, при необходимости, и регулируемые, в том числе предпочтительно замыкающиеся "накоротко" в нагретом рабочем состоянии теплообменных тел.
5. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1 внутренние диаметры трубок теплообменных элементов предпочтительно выполнены с относительно небольшими размерами, вплоть до минимальных по условиям достаточно эффективной циркуляции в них промежуточного теплоносителя, в том числе и по условиям эффективности его теплообмена с внутренними стенками.
6. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1 оси внутренних полостей-каналов теплообменных элементов, в том числе и оси трубок теплообменных элементов, далее просто внутренних полостей-каналов теплообменных элементов, начиная от входных отверстий в теплообменные элементы до выходных отверстий из теплообменных элементов предпочтительно установлены относительно осей их вращения с относительно небольшим радиально-осевым уклоном, имея в виду, что находящийся в теплообменных элементах теплоноситель находится в поле центробежных сил и меняет свою температуру и соответственно свою плотность по ходу его движения в них, либо оси полостей-каналов теплообменных элементов выполнены и без радиального уклона, а оси выходных отверстий из внутренних полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после компрессора, предпочтительно установлены на таких же радиальных расстояниях от осей их вращения, что и оси соединяемых с ними системой циркуляционных трубопроводов либо каналов, либо и каналов, что и оси входных отверстий полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после турбины, соответственно оси выходных отверстий полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после турбины, предпочтительно расположены на таких же радиальных расстояниях от осей их вращения, что и оси соединяемых с ними циркуляционными трубопроводами, либо каналами, либо и каналами, входных отверстий полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после компрессора, либо на радиальных расстояниях от осей их вращения, достаточно близких к одинаковым, а система циркуляции промежуточного теплоносителя предпочтительно селективно соединяет между собой выходные отверстия из полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после компрессора, с входными отверстиями полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после турбины и предпочтительно расположенных на одинаковых радиальных расстояниях от осей их вращения, либо достаточно близких к одинаковым, и предпочтительно аналогично соединены между собой циркуляционными трубопроводами промежуточного теплоносителя выходные отверстия из полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после турбины, с входными отверстиями полостей-каналов теплообменных элементов, установленных после компрессора.
7. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.6 система циркуляции промежуточного теплоносителя предпочтительно содержит циркуляционные устройства в каждом контуре циркуляции, либо содержит интегральное циркуляционное устройство, либо и без него, либо и не селективную систему циркуляции промежуточного теплоносителя, и предпочтительно каждый контур циркуляции промежуточного теплоносителя между теплообменными элементами теплообменных тел, либо единый контур циркуляции промежуточного теплоносителя между теплообменными телами предпочтительно содержат полости либо полость расширения промежуточного теплоносителя, выполненную, например, в виде состыкованных с ними трубок либо каналов с предпочтительно небольшим отклонением осей их каналов-полостей от осевых линий окружностей внутренних полостей-каналов теплообменных элементов в сторону к оси вращения, а полости расширения и запаса промежуточного теплоносителя, в свою очередь, предпочтительно соединены трубопроводами либо каналами, либо и каналами, либо и непосредственно с индивидуальными либо с групповыми парогазовыми расширителями, либо с расширителем парогазовой среды, предпочтительно выполненных в виде сильфонов, либо и в виде расширительных устройств иного типа, в том числе, например, в виде устройства, содержащего парогазовый ресивер избыточного объема парогазовой среды, компрессор откачки избыточного объема парогазовой среды в ресивер из полостей расширения и запаса промежуточного теплоносителя, в том числе через предпочтительно содержащийся промежуточный охладитель, обратный клапан между компрессором и ресивером, реле давления в полости расширения и запаса промежуточного теплоносителя для включения и выключения компрессора, парогазовых редукторов либо редуктора возврата парогазовой среды из ресивера в полости расширения и запаса промежуточного теплоносителя либо в полость расширения и запаса промежуточного теплоносителя после уменьшения там объема либо объемов сред по мере охлаждения промежуточного теплоносителя, например, после остановки ГТД.
8. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1 трубки теплообменных элементов теплообменного тела либо теплообменных тел, установленного либо установленных после компрессора и предпочтительно содержащих турбулентные пульсации промежуточного теплоносителя в них, предпочтительно выполнены с большей толщиной "спинок", чем "брюшек".
9. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1 элементы системы циркуляции промежуточного теплоносителя между теплообменными элементами его теплообменных тел предпочтительно расположены на радиальных расстояниях от оси либо от осей их вращения, не меньших, чем радиальные расстояния от оси либо от осей вращения соединяемых ими внутренних полостей-каналов теплообменных элементов.
10. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1, содержащем компрессор, турбину и вращающиеся теплообменные тела его рекуператора тепла отработанных газов, его теплообменные тела предпочтительно установлены через опорно-силовые элементы на подшипники, предпочтительно установленные на шейки осепродольных опор ГТД, предпочтительно выполненные вокруг валов турбины и компрессора, либо вокруг вала турбины и компрессора и предпочтительной соосно с ними, в том числе и выполненными, например, на поперечных перегородках корпуса ГТД, а по осям этих осепродольных опор предпочтительно выполнены осепродольные внутренние полости для прохода через них валов турбины и компрессора либо вала турбины и компрессора, а также в осепродольных опорах предпочтительно выполнены внутренние радиально-осевые расточки-полости для подшипников валов турбины и компрессора либо вала турбины и компрессора либо расточки-постели для подшипников валов турбины и компрессора либо вала турбины и компрессора выполнены в торцевых крышках-корпусах осепродольных опор, либо расточки-постели для подшипников валов турбины и компрессора либо вала турбины и компрессора выполнены в корпусах-стаканах, установленных, например, на осепродольных опорах со стороны их внутренних торцов после подшипников теплообменных тел, считая от поперечных перегородок корпуса ГТД, в том числе, при необходимости, корпуса-стаканы выполнены и с большими диаметральными размерами расточек-постелей для подшипников валов турбины и компрессора либо вала турбины и компрессора, чем диаметры опорных шеек под подшипники теплообменных тел на осепродольных опорах, а поперечные перегородки корпуса ГТД предпочтительно выполнены содержащими центральные части, в том числе содержащими осепродольные опоры и периферические части, прикрепленные к корпусу ГТД, а также содержащими кольцевые проходы между ними, т.е. между центральными и периферийными частями для движения через них рабочего тела двигателя, а между собой центральные и периферические части поперечных перегородок корпуса ГТД предпочтительно соединены аэродинамически спрофилированными опорно-силовыми элементами, либо поперечные перегородки корпуса ГТД выполнены и без периферических частей с креплением опорно-силовых элементов, например, к корпусу ГТД, а турбина ГТД предпочтительно выполнена содержащей внутренний корпус с предпочтительно закрепленными на нем неподвижными элементами проточной части турбины, а сам внутренний корпус турбины предпочтительно закреплен через предпочтительно аэродинамически спрофилированные опорно-силовые элементы на предпочтительно те же осепродольные опоры, что и подшипники теплообменных тел, в том числе предпочтительно после подшипников теплообменных тел, считая от поперечных перегородок корпуса ГТД, либо внутренний корпус турбины закреплен на торцевые крышки осепродольных опор, либо на имеющуюся торцевую крышку на какой-то осепродольной опоре, если они или она имеются, либо внутренний корпус турбины закреплен на корпусах-стаканах подшипников валов на осепродольных опорах, либо на корпусе-стакане какой-либо из осепродольных опор, если они или он имеется на осепродольных опорах, либо закреплен во взаимном сочетании между ними, а также какие-либо из подшипников валов турбины и компрессора либо какой-либо из подшипников вала турбины и компрессора установлены в расточках-постелях корпусов либо в корпусе, выполненными, например, опирающимися на внутренний корпус турбины либо на опорные элементы внутреннего корпуса турбины.
11. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.10 опорно-силовые элементы его теплообменных тел предпочтительно выполнены опирающимися на подшипники через вращающиеся подшипниковые корпуса и предпочтительно содержат в себе ограниченно теплопроводные элементы, а также предпочтительно выполнены термокомпенсирующимися либо содержащими устройства термокомпенсации.
12. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.11 термокомпенсирующие устройства опорно-силовых элементов его теплообменных тел выполнены, например, содержащими в себе не менее трех двухшарнирных рычагов на каждой из опор теплообменных тел, не лежащих в одной плоскости, либо содержащими и 4 двухшарнирных рычага и более, в том числе предпочтительно содержащими опорно-ограничительные элементы предельных деформаций, в том числе и предпочтительно регулируемые.
13. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.11 термокомпенсирующиеся опорно-силовые элементы его теплообменных тел выполнены, например, содержащими упругодеформируемые элементы, в том числе предпочтительно содержащими опорно-ограничительные элементы предельных деформаций, в том числе предпочтительно регулируемые.
14. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.11 вращающиеся опорные подшипниковые корпуса опорно-силовых элементов его теплообменных тел предпочтительно выполнены охлаждаемыми.
15. Сущность изобретения состоит и в том, что в ГТД по п.1 теплообменные тела либо блоки теплообменных тел его рекуператора тепла отработанных газов, установленные и после компрессора, и после турбины и вращающиеся предпочтительно на подшипниках соосно осей вращения турбины и компрессора, предпочтительно соединены между собой предпочтительно сбалансированным и предпочтительно соосным либо осесимметричным соединительным элементом, либо элементами, а в зоне турбины расположенным либо расположенными вокруг периферии турбины, и предпочтительно содержащим либо содержащими циркуляционные каналы для промежуточного теплоносителя либо циркуляционные трубки.
16.Сущность изобретения состоит и в том, что ГТД по п.1 содержит механизм принудительного вращения теплообменных тел.
17. Сущность изобретения состоит и в том, что ГТД по п.1 предпочтительно содержит устройство либо устройства автоматической балансировки ротора рекуператора, в том числе содержащее либо содержащие балансировочные тела-грузы, установленные на роторе рекуператора, исполнительные механизмы, перемещающие балансировочные тела-грузы, а также отслеживающие устройства возросших центробежных сил на роторе рекуператора в каком-либо либо в каких-либо из радиальных направлений в сравнении с остальными, например тензодатчиковые устройства, установленные, например, на опорно-силовых элементах теплообменных тел, а тензодатчиковые устройства включены, например, в электрическую схему аппарата управления либо в электрические схемы аппаратов управления исполнительными механизмами, в том числе содержащей в себе либо содержащие в себе, например, элементы электрических мостовых схем.
18. Сущность и в том, что в ГТД по п.17 автоматическое балансировочное устройство его ротора рекуператора выполнено, например, содержащим вращающиеся на осях исполнительных механизмов, например, эксцентрично расположенные балансировочные тела-грузы, либо выполнено, например, содержащим вращаемые исполнительными механизмами и перемещаемые в радиальных либо в радиально содержащих направлениях, например, на резьбах, например резьбосодержащие балансировочные тела-грузы.
Перечень представленных чертежей
ФИГ.1 - продольно-осевой разрез газотурбинного двигателя.
ФИГ.2 - рекуператор тепла отработанных газов в сборе, теплообменные элементы условно не показаны.
ФИГ.3 - разрез по А-А фиг 2.
ФИГ.4 - вариант исполнения передней комплексной опоры двигателя /со стороны компрессора/.
ФИГ.5 - еще один вариант передней комплексной опоры двигателя /со стороны компрессора/.
ФИГ.6 - продольно-осевой разрез варианта механизма привода ротора рекуператора тепла отработанных газов.
ФИГ.7 - продольно-осевой разрез варианта исполнения теплообменного тела рекуператора тепла отработанных газов.
ФИГ.8 - участок сечения теплообменного тела по Б-Б фиг.7 и вид В фиг.7.
ФИГ.9 - вид Г фиг.7 и виды Д и Е вида Г.
ФИГ.10 - вариант гидравлической схемы циркуляции промежуточного теплоносителя.
ФИГ.11 - разрез демонстрационного устройства высокой эффективности способа теплообмена по патенту РФ № 2130156.
Устройство газотурбинного двигателя
х
х
а
Один из возможных вариантов предлагаемого газотурбинного двигателя в продольно-осевом разрезе представлен на фиг.1. Он предпочтительно имеет внешний корпус 1, выполненный, например, в виде трубы, и имеет с обеих сторон фланцы. Корпус может быть и в виде конического перехода, либо в виде сочетания труб и конического перехода, либо и в виде трубчатого каркаса с фланцами. Корпус может иметь лючки и съемные либо открывающиеся крышки для сборки, разборки, наладки, контроля. К фланцам корпуса 1 на посадочных центрирующих поясках устанавливаются с обеих сторон крышка-корпус 2 и крышка-корпус 3 и прикрепляются к фланцам корпуса болтами либо шпильками с гайками. Во внешней осецентральной расточке в корпусе-крышке 2 установлен, например, радиально-упорный подшипник 4 вала 5 компрессора 6. Подшипник может быть выполнен и в виде блока из 2 радиально-упорных подшипников, либо в виде блока из упорного и радиального, либо и радиальных подшипников. Подшипник 4 установлен и закреплен на валу 5, например, втулкой 7, посаженной «на горячую» и предпочтительно в круговую шлифованную канавку на валу глубиной, например, в несколько микрон с плавными шлифованными радиусными переходами. Подшипник 4 в крышке-корпусе 2 закрыт, например, крышкой 8, закрепленной на крышке-корпусе 2, например, болтами. Выход вала 5 из крышки 8 предпочтительно уплотнен, например, комплексным бесконтактным уплотнением, содержащим, например, центробежный коническиобразный маслосбрасывающий диск и маслозащитную втулку с буртиком на свободном торце, выполненную на крышке с ее внутренней стороны вокруг выходного отверстия в крышке для вала 5, как, например, в книге Ю.M.Никитин. Конструирование элементов деталей и узлов авиадвигателей. Машиностроение. Москва. 1968 г. /Л-14/, стр.187. Уплотнение вала 5 в отверстии крышки 8 предпочтительно содержит и условно не показанное на фиг.1 лабиринтно-суфлерное уплотнение, показанное, например, на фиг.5,71 в Л-14 на стр.180, в том числе между шейкой вала 5 и внутренней поверхностью маслозащитной втулки на крышке 8, а также, например, между внешней торцевой поверхностью крышки 8 вокруг ее выходного отверстия и фланцем вала 5 для крепления колеса компрессора 6. Внутренний опорный подшипник 9 вала компрессора надет на вал, например, по скользящей посадке, однако предпочтительней использовать опорный цилиндрический подшипник для осевых тепловых удлинений вала 5. На подшипник 9 надет внешний съемный с опоры 2 подшипниковый корпус 10, который "садится" на цапфу внутренней осецентральной консоли крышки-корпуса 2 и закрепляется на ней, например, штифтами и болтами. Это позволяет обеспечить минимальный посадочный диаметр подшипника теплообменного тела рекуператора. Внешний подшипниковый корпус 10 имеет осевое отверстие в его торцевой стенке для выхода вала 5. Выход вала 5 из отверстия во внешнем подшипниковом корпусе уплотнен аналогично комплексным уплотнением 11, что и из крышки 8. Лабиринтно-суфлерное уплотнение здесь также условно не показано, ибо оно не есть предмет изобретения. Со стороны внутреннего торца вала 5 в нем выполнены осепараллельные шлицы, в которые установлен шлицевой конец шарнирного вала 12, например, на дисульфит молибденовой смазке. Второй конец шарнирного вала 12 своим фланцем соединен, например, с первым колесом турбины 13. Так как возможные взаимные угловые смещения валов компрессора и турбины, несомненно, относительно невелики, то шарниры вала 12 могут быть всевозможные, в том числе и с карданными шарнирами, но вместо игольчатых подшипников предпочтительно использование антифрикционных втулок да еще и с высокотемпературной смазкой. Шарнирный вал 12 предварительно балансируется по месту с турбиной и с валом компрессора до установки в двигатель всего остального вращением валоповоротным устройством либо стартером. На внутреннем торце внешнего подшипникового корпуса 10, на посадочных центрирующих поясках и на фланцах закреплено опорное устройство 14 передней опоры 15 внутреннего корпуса 16 турбины и камеры сгорания. Соединение передней опоры 15 с опорным устройством 14 предпочтительно выполнено шлицевым для удобства вертикальной сборки и разборки блока компрессора с блоком турбины в корпусе 1 с турбиной вверху. /Наоборот/ вал турбины 17 установлен в крышке-корпусе 3. Радиально-упорный подшипник 18 вала турбины 17 установлен на валу в упор в проточку на валу турбины и во внешней расточке в крышке-корпусе 3 и аналогично закреплен крышкой 19 с выходным отверстием для вала турбины. Уплотнение вала турбины выполняется аналогично подшипнику 4 вала компрессора. Радиально-упорный подшипник 18 также может быть выполнен в виде блока подшипников, в том числе в виде блока из радиального и упорного подшипников либо в виде 2 радиально-упорных подшипников. Крышка 19 подшипника 18 крепится на крышке-корпусе 3 аналогично крышке 8. На внешний конец вала турбины в упор в подшипник 18 установлена, например, шлицевая втулка 20, выходящая из крышки 19 наружу. Втулка 20 выполнена в блоке с коническиобразным маслосбрасывающим диском. В упор во внешний конец втулки 20, выходящий из крышки 19, на шлицевой конец вала турбины 17 установлен шлицевой фланец вала турбины, условно не показанный. Этот шлицевой фланец закреплен на валу турбины гайкой, условно не показанной. На внутренней части вала турбины 17 и в упор в ступицу колеса турбины и аналогично фиг.7-25 из Л-14 на стр. 253 предпочтительно установлена термоизолирующая и охлаждаемая втулка 21, а на ее проточке в упор к ней установлен опорный роликовый подшипник 22. И втулка 21 и внутреннее кольцо подшипника 22 закреплены общим кольцом 23, установленным «на горячую» в неглубокую, в несколько микрон, проточку на валу турбины. Проточка под кольцо предпочтительно выполнена шлифованием с плавными радиусными переходами. Уплотнение втулки 21 на валу турбины 17 условно не показано. Снаружи на подшипник 22 надет внешний подшипниковый корпус 24 с проточкой-постелью в нем для подшипника 22 с аналогичной целью обеспечить минимальный посадочный диаметр опорного подшипника теплообменного тела рекуператора. А сам внешний подшипниковый корпус 24 "посажен" на цапфу минимального диаметра внутренней консольной части крышки-корпуса 3 и закреплен на ней штифтами и болтами. К фланцу внешнего подшипникового корпуса 24 на центрирующей проточке осесимметрично закреплен опорный элемент 25 внутреннего корпуса турбины 16, одновременно выполняющий и функцию крышки подшипника 22. Для чего в нем выполнено центральное отверстие для выхода через него вала турбины, а также имеющей полость уплотнения с маслозащитной втулкой вокруг выходного отверстия для вала. Центробежный маслосбрасывающий диск 11 уплотнения посажен на проточке термоизоляционной втулки 21. Лабиринтно-суфлерное уплотнение условно не показано и выполняется аналогично известным. Ибо это не есть предмет изобретения. Опорный элемент 25 внутреннего корпуса турбины 16 имеет аэродинамически спрофилированную проточную часть для беспроблемного движения через нее отработанных газов в рекуператор. Его распорно-упорные элементы соединены с внутренним корпусом турбины 16 предпочтительно штифтами и болтами. А также возможен вариант и на сварке. Диск колеса второй турбины 17, имея в виду по ходу движения рабочего тела, может быть выполнен заодно с валом турбины, а также и раздельно, как, например, на фиг.5.03 в Л-9 на стр.114, либо как на фиг.2.14 в Л-14 на стр.54. И это также не есть предмет изобретения. Диски колес турбины соединены между собой силовой проставкой 26, как, например, на фиг.5.01 в Л-9 на стр.112, на штифтах и болтах. Направляющие лопатки турбины 27 и 28 крепятся, например, к внутреннему корпусу турбины 16, например, с помощью шпилек 29 и 30, проходящих, например, через полые лопатки, в том числе и с возможным использованием пружин с тарелками, либо упругих шайб с информацией о них ниже, либо болтами с гайками за полки лопаток, как, например, на фиг.5.23 на стр.129 и как на фиг.5.32 на стр.134 в Л-9. Уплотнения проточной части ГТД, в том числе и турбины, условно не показаны, ибо они тоже не есть предмет изобретения. Они хорошо известны и могут быть выполнены, например, аналогично фиг.5.04 в Л-9 на стр.115. Турбина, в том числе и ее сопловые и рабочие лопатки колес, предпочтительно выполнены эффективно охлаждаемыми. Однако их система охлаждения условно не показана, ибо она тоже не есть предмет данного изобретения. Системы охлаждения весьма разнообразны и хорошо известны, хотя и не лишены недостатков.
ой
В ГТД предпочтительно используется кольцевая камера сгорания 31, аналогичная, например, как на фиг.9.23-9.25 в Л-9 на стр.386-387. Камера сгорания также не есть премет изобретения и потому побробно не рассматривается. Камера сгорания предпочтительно закреплена на внутреннем корпусе турбины 16 и предпочтительно таким же образом, как и в обычных ГТД, в том числе с возможным использованием шпилек, пружин, тарелок и гаек, поз.32. А ее выходная часть предпочтительно телескопически соединена с сопловым аппаратом турбины 1 ступени либо с газосборником при других типах камеры сгорания. Аэродинамически спрофилированные опорно-силовые элементы передней опоры 15 внутреннего корпуса турбины 16 проходят к внутреннему корпусу турбины предпочтительно в промежутках между жаровыми трубами.
Сжатый рабочий воздух ГТД от компрессора 6 предпочтительно отводится по кольцевому воздухопроводу 33, закрепленному, например, на крышке-корпусе 2 с ее внешней стороны. Для осевого прохода сжатого рабочего воздуха через крышку-корпус 2 в ней предпочтительно выполнен соответствующий кольцевой проход. В связи с этим периферийная часть крышки-корпуса 2 предпочтительно соединена с ее центральной частью аэродинамически спрофилированными опорно-силовыми элементами. Между крышкой-корпусом 2 и предпочтительно кольцевой камерой сгорания 31 предпочтительно установлено греющее сжатый рабочий воздух двигателя после компрессора предпочтительно кольцевое теплообменное тело 34 рекуператора тепла отработанных газов и предпочтительно соосно оси турбины и компрессора, и интенсивно вращающееся на подшипнике 35, установленном, например, на шейке внутренней осецентральной консоли крышки-корпуса 2. Подшипник 35 предпочтительно выполнен самоцентрирующимся. По обе стороны подшипника 35 предпочтительно установлены уплотнительные кольца 36 с внешними уплотнительными поверхностями, выполненными по радиусу. На внешнем кольце подшипника 35 установлен подшипниковый корпус 37. Подшипниковый корпус 37 предпочтительно имеет охлаждающие маслоканалы, включенные в систему смазки и охлаждения, условно не показанные. По обеим сторонам подшипник 35 закрыт маслоуплотнительными крышками 38, закрепленными на подшипниковом корпусе 37, например, болтами. Уплотнение между крышками 38 и кольцами 36 выполняется, например, центробежно-лабиринтно-суфлерным. Внутренняя обечайка 39 теплообменного тела 34 опирается на подшипниковый корпус 37 через термокомпенсирующие опорные элементы 40. Между крышкой-корпусом 2 и теплообменным телом 34 установлен кольцевой расширяющийся переход 41, закрепленный, например, на крышке-корпусе 2. Уплотнение теплообменного тела с обеих его торцов условно не показано и выполняется, например, лабиринтным, аналогичным уплотнению проточной части турбины и компрессора. Периферийная обечайка 42 теплообменного тела 34 соединена с периферийной обечайкой 43 теплообменного тела 44 рекуператора тепла отработанных газов, установленного после турбины и отнимающим тепло от отработанных газов, соединительным элементом 45, выполненным, например, в виде трубы и вращающимся совместно с теплообменными телами 34 и 44 между внешним корпусом турбины 1 и внутренним корпусом турбины 16. Соединительный элемент 45 предпочтительно соединен ограниченно телескопически подвижно в осевом направлении с обечайками теплообменных тел 34 и 44. Это выполняется в случае существенной разницы температур внешнего корпуса турбины 1 и внутреннего корпуса турбины 16 после пуска и прогрева ГТД. В этом случае центрирование и передачу крутящего момента между теплообменными телами и соединительным элементом предлагается выполнить, например, на широких шлицах трапециидального профиля либо на нескольких шпонках, предпочтительно равномерно расположенных по окружности, например, как рекомендуется на фиг.2.43а и 2.43б в Л-14, на стр.70. Теплообменное тело 44, установленное после турбины и предпочтительно сосно с ней, предпочтительно установлено на самоцентрирующемся подшипнике 46, установленном, например, на шейке внутренней осецентральной консоле крышки-корпуса 3, аналогично подшипнику 35. И также имеет по обе стороны аналогичные уплотнительные кольца 47. На внешнем кольце подшипника 46 аналогично установлен маслоохлаждаемый подшипниковый корпус 48 с боковыми уплотнительными крышками 49. Подшипниковый корпус 48 аналогично соединен с внутренней обечайкой 50 теплообменного тела 44 термокомпенсирующим опорным элементом 51. Оба термокомпенсирующих опорных элемента 40 и 51 предпочтительно выполнены направленными от подшипниковых корпусов вверх и навстречу друг другу, а их корневые части предпочтительно и соответственно направлены к оси турбины и компрессора и в сторону к крышкам-корпусам 2 и 3. Для выхода отработанных газов из теплообменного тела 44 в крышке-корпусе 3 выполнен аналогичный кольцевой проход, а периферийная часть крышки-корпуса 3 соединена с ее центральной частью аэродинамически спрофилированными опорно-силовыми элементами. Уплотнение теплообменного тела 44 также условно не показано и выполняется аналогично теплообменному телу 34. Уплотнение маслосистемы, в том числе системы смазки подшипника 46 и охлаждения его корпуса выполняется аналогично подшипнику 35.
х
х
На очень "насыщенной" фиг.1 для простоты изображения представлен упрощенный вариант исполнения термокомпенсирующих опорных элементов 40 и 51 теплообменных тел 34 и 44 и аналогично, например, изображенному варианту на фиг.3.21 и фиг.3.22 в Л-9 на стр.70 и 71. Однако, несомненно, предпочтительнее вариант соединения внутренних обечаек 39 теплообменного тела 34 и 50 теплообменного тела 44 с корпусами подшипников 37 и 48 с помощью шарнирных рычагов 52, как это изображено на фиг.2 и на фиг.3, представляющей совмещенный разрез по А-А фиг.2. Корпуса подшипников 37 и 48 предпочтительно имеют кольцевую либо винтовую маслоохлаждающую полость 53. Корпуса подшипников 37 и 48 соединены шарнирно с рычагами 52 с помощью кронштейнов 54 на корпусах и пальцев 55, фиксируемых от выпадания замковыми пружинными кольцами 56. А с обечайками 39 и 50 теплообменных тел рычаги 52 соединены с помощью кронштейнов 57 и пальцев 58, зафиксированных замковыми кольцами 56. Внешние обечайки 42 и 43 теплообменных тел соединены с соединительным элементом 45 на широких шлицах 59 трапецевидного профиля в "упор" в нагретом рабочем состоянии в концы шлицевых пазов соединительного элемента. Подгонка упора шлицов в торец канавок выполняется, например, перемещением в осевых направлениях подшипников теплообменных тел на их опорных шейках набором регулировочных колец либо упорно-регулировочными винтами-сухарями на соединительном элементе и препочтительном наличии в торцах шлицевых пазов пружинных буферов, исключающих осевое "гуляние" соединительного элемента на внешних обечайках теплообменных тел. Использование высокотемпературной смазки в шлицевых соединениях предпочтительно. Опорные рычаги 52 на каждой из опор теплообменных тел располагаются предпочтительно равномерно по окружностям внутренних обечаек и их количество должно быть не менее 3-4.
Комплексный опорный узел на крышке-корпусе 2 может быть выполнен, например, и как на фиг.4. При этом внешний подшипник 4 вала 5 компрессора 6 устанавливается на валу и в корпусе аналогично фиг.1 в расточке внешнего прилива крышки-корпуса 2 и на валу 5 кольцом 7. Внутренний подшипник 9 вала 5 установлен в расточке внутренней консольной опоры крышки-корпуса 2 и закрыт крышкой 60, установленной в расточку крышки-корпуса под подшипник 9, закрепленной по периферии, например, болтами в торец крышки-корпуса 2. Однако их соединение может быть выполнено и на флацах, например, болтами с гайками. А опорный подшипник 35 теплообменного тела 34 может быть уже установлен на внешней опорной шейке крышки 60. Подшипниковый корпус 37 и опорный элемент 40 теплообменного тела выполняются аналогично уже отмеченному. Уплотнение и смазка подшипников условно не показаны и выполняются известным образом. Шлицевой конец шарнирного вала 12 установлен аналогично во внутренние шлицы вала 5. Передняя опора 15 внутреннего корпуса турбины 16 предпочтительно устанавливается на шлицевой цапфе крышки 60.
Еще один вариант исполнения комплексной опоры на крышке-корпусе 2 показан на фиг.5. Передний радиально-упорный подшипник 4 вала 5 компрессора 6 закреплен на валу аналогично втулкой 7 и установлен в передней расточке крышки-корпуса 2 и закрыт крышкой 8 с уплотнением. Передний радиально-упорный подшипник также может быть комплексным и содержать в себе еще дополнительный упорный подшипник либо 2 радиально-упорных подшипника. Внутренний опорный подшипник 9 предпочтительно выполняется с цилиндрическими роликами, обеспечивающими беспроблемное тепловое расширение вала 5 по внешнему кольцу подшипника 9. Подшипник 9 предпочтительно "посажен" в микроканавку вала 5 "на горячую" с нагревом в масле. Внешнее кольцо подшипника фиксируется дополнительной втулкой 61. Уплотнение выхода вала 5 аналогичное и предпочтительно комплексное. На шейку консоли крышки-корпуса 2 установлен подшипник 35 теплообменного тела 34. Подшипник в осевом направлении зафиксирован опорой 62, "посаженной на горячую" в микроканавку цапфы внутренней консоли крышки-корпуса 2. Шлицевой периферический конец опоры 62 является опорой передней опоры 15 внутреннего корпуса турбины 16. На подшипник 35 надет аналогично внешний охлаждаемый корпус 37. Подшипник 35 уплотнен, например, комплексным центробежно-лабиринтным уплотненим 63. Шлицевой конец шарнирного вала 12 установлен во внутренние шлицы вала 5. Шарнирный конец вала 12 может быть и валом турбины 3- опорного ГТД.
ой
3-опорный ГТД с валами турбины и компрессора может быть выполнен и со средней промежуточной опорой, закрепленной в том числе и на внутреннем корпусе турбины 16. И в том числе это может быть выполнено с комплексной опорой, крепящейся, например, шпильками к корпусу 16 через полые сопловые лопатки турбины 1 ступени, например, как на фиг.5.23 в Л-9 на стр.129, но применительно к фиг.1 по изобретению, либо как на фиг.2.6 в Л-14 на стр.50.
х
Интенсивное вращение теплообменных тел 34 и 44 вместе с соединительным элементом 45 предпочтительно выполняется принудительным, в том числе и чтобы обеспечить принудительную прокачку рабочего тела через теплообменные тела. Это обеспечивает достаточно близкие к нулю гидравлические потери рабочим телом двигателя. Один из возможных вариантов механизма вращения теплообменных тел представлен на фиг.6. Вал 5 компрессора 6 вместе с ведущей шестерней 64, посаженной на него, например, на 2 шпонках 65, с дистанционной втулкой 66 между шестерней 64 и подшипником 4, закрепленном на валу 5 втулкой 7, "посаженной на горячую", вставлен в осецентральную расточку в крышке-корпусе 2, где уже предварительно установлен подшипник 9 с дистанционной втулкой 61 и закреплен крышкой 8, закрепленной на крышке-корпусе 2, например, болтами. Крышка 8 предварительно надета на вал 5 до подшипника 4. Шарнирный вал 12 также вставлен во внутренние шлицы вала 5. Внутренний конец вала 5 также уплотнен комплексным уплотнителем 11, выполненным на валу 5 и на опоре 67 передней опоры 15 внутреннего корпуса турбины 16. Опора 67 прицентрована, например, по внутреннему кольцу подшипника 35 теплообменного тела 34 и закреплена к крышке-корпусу 2, например, болтами. Передняя шейка вала 5 уплотнена в осевом отверстии крышки зубчатой передачи 68 комплексным уплотнением, содержащим, например, маслозащитную втулку с буртиком 69 и центробежный сбрасыватель 70. Крышка 8 крепится к крышке-корпусу 2, например, через проставку 71 крышки 68 винтами либо болтами 72. А сама крышка 68 зубчатой передачи крепится, например, по своей периферии, например, болтами к крышке-корпусу 2. На крышке-корпусе 2 выполнен корпус 73. В корпусе 73 установлены подшипники 74 промежуточного вала 75. На валу 75 установлено, например на шпонке, зубчатое колесо 76, входящее в зацепление с шестерней 64, а на другом конце вала 75, например на шпонке, установлена приводная шестерня 77. Зубчатое колесо 76 и приводная шестерня 77 относительно подшипников 74 дистанцированы, например, промежуточными втулками 78 и закреплены стопорными кольцами 79. Внешний корпус 37 подшипника 35 по своей периферии имеет зубчатый венец, обточенный по радиусу. Зубчатый венец корпуса подшипника 37 входит в зацепление с приводной шестерней 77. Опорные элементы 40 теплообменного тела 34 прицентрированы, напрмер, на внешнем кольце подшипника 35 и закреплены, например, болтами 80. Внутренняя часть привода закрыта крышкой 81, прикрепленной к крышке-корпусу 2, например, болтами. Комплексное уплотнение между крышкой 81 и опорными элементами 40 теплообменного тела 34 выполняется аналогично, в том числе содержащим центробежный сбрасыватель 82, укрепленный на корпусе-шестерне 37 подшипника 35, а на крышке 81 выполнена маслозащитная втулка с буртиком вокруг осевого отверстия в крышке. Лабиринтно-суфлерное уплотнение условно не показано полностью, а лишь частично. Уплотнение подшипника 35 также выполняется комплексным центробежно-суфлерно-лабиринтным, содержащим, например, внутренние уплотнительные кольца 83 на опорном элементе 40 и внешние уплотнительные кольца 84 на опоре 67. У корневой части опорного элемента 40 выполнены радиально-осевые каналы 85 для слива масла, собираемого центробежными силами между кольцами 83.
Один из вариантов исполнения теплообменного тела, в частности теплообменного тела 44, представлен на фиг.7, 8 и 9. Оно имеет, например, внутреннюю обечайку 50 с внутренними кронштейнами 57 для соединения с опорными рычагами 52 и внешнюю обечайку 43, соединяемую с соединительным элементом 45, например, на фланцах 86 и 87. В этом случае соединительный элемент выполняется составным, например телескопическим, а его составные части могут быть выполнены соединяемыми между собой на широких центрирующих шлицах, как уже отмечено выше, в том числе, например, как на фиг.2.43а и 2.43б в Л-14 на стр.70. Обечайки 43 и 50 теплообменного тела 44 выполнены, например, с небольшим коническим расширением по ходу движения рабочего тела. Между внешней и внутренней обечайками установлены и закреплены теплообменные элементы, выполненные, например, в виде витых из труб змеевиков 88, разных диаметров и установленных соосно друг другу и сбалансированных относительно оси вращения теплообменного тела и с относительно небольшими воздушными зазорами между витками в змеевиковых слоях и с воздушными зазорами между слоями трубчатых змеевиков для движения в них рабочего тела, в том числе и в радиальных направлениях. Змеевиковые трубки как в слоях, так и между слоями раскреплены между собой межслойными гребенками 89, а между змеевиками 88 и обечайками 50 и 43 опорными гребенками 90 и 91, на которых они предварительно собираются на штифтах 92 и вставляются в сборе между обечайками и закрепляются между обечайками, например, болтами 93 и при необходимости с пружинными шайбами 94 /смотрите Б-Б/, выполняемых, например, по типу фиг.236 в книге П.И.Орлов. Основы конструирования. Москва. Машиностроение. 1977 г. Том 1 /Л-15/, стр.364 и, например, из высокотемпературного пружинного сплава ХН80ТБЮА. Смотрите, например, Руководящие указания. Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении. Часть 3. ЦКТИ. Ленинград. 1967 г. /Л-16/, стр.29. Опорные гребенки 90 и 91 зафиксированы в обечайках и концевыми штифтами 95. Внутренние полости змеевиковых труб 88 заполнены предпочтительно промежуточным жидкометаллическим теплоносителем, например натрием либо литием. Смотрите, например, Б.Г.Ганчев и др. Ядерные энергетические установки. Москва. Энергоатомиздат. 1990 /Л-17/, стр.70-71. Выходные трубки 96 из змеевиков выведены, например, из теплообменного тела через радиальные отверстия, выполненные в стыке фланцев 86 и 87 /ось по плоскости стыка/ в соответствии с условиями балансировки, равномерно расположенными по окружности. Смотрите вид В фиг 8. Входные трубки предпочтительно вводятся аналогично через такие же радиальные отверстия, выполненные по плоскости стыков фланцев, и равномерно по окружности в соответствии с условиями балансировки и поворачиваются "уточкой" или просто отводом под 90° и укладываются между слоями змеевиков, между гребенок и в осевом направлении прокладываются к другому концу змеевиков. Гребенки 89, 90 и 91 предпочтительно аэродинамически спрофилированы в соответствии с угловой скоростью вращения теплообменного тела, радиусами вращения гребенок и относительной скоростью рабочего тела, омывающего гребенки, а также обеспечивающими вентиляторный эффект на рабочее тело, обеспечивая принудительную прокачку рабочего тела через проточную часть, как минимум, теплообменного тела, чтобы исключить гидравлические потери у рабочего тела, очень сильно влияющие на внутренний кпд ГТД. Смотрите Л-5 на стр.74-89. Выходные кромки гребенок предпочтительно выполняются заостренными. Теплообменное тело 34 выполняется аналогично. Выходные трубки из змеевиков теплообменного тела, установленного после турбины /44/, соединены с входными трубками змеевиков теплообменного тела 34, установленного после компрессора, циркуляционными трубками 97, проложенными, например, по соединительному элементу 45, а выходные трубки из змеевиков теплообменного тела 34, установленного после компрессора, аналогично соединены с входными трубками змеевиков теплообменного тела 44, установленного после турбины, циркуляционными трубками 98 в соответствии с гидравлической схемой, представленной на фиг.10, где поз.100 - рабочее тело ГТД до рекуператора, а поз.101 - рабочее тело после рекуператора. И в соответствии со схемой на фиг.10 система циркуляции предпочтительно содержит расширительную трубку промежуточного теплоносителя и его запаса 102 и ресивер для теплоносителя в паровой фазе 103, имеющий устройство 104 для пополнения теплоносителя в систему циркуляции. В связи с тем что при интенсивном вращении рекуператора промежуточный теплоноситель будет в поле центробежных сил и более холодная его часть будет находится в периферийной части контура циркуляции, а более горячая часть теплоносителя будет располагаться ближе к оси вращения, поэтому и расширительные трубки 102 и ресиверы контуров циркуляции выполнены направленными к оси вращения, но предпочтительно не радиально, а в виде части окружной трубки 102 фиг.7 и 9, плавно опускаемой ниже трубок соответствующего змеевика на минимальную величину ΔR, но с достаточным объемом расширения. Расширительные трубки 102 закреплены в смещенных к оси вращения постелях гребенок и предпочтительно выполняются из трубок большего диаметра, чем трубки змеевиков. Предпочтительно большим диаметром выполняются и циркуляционные трубки 97 и 98. И, как видно на виде Г фиг.7, представленном на фиг.9, к трубкам змеевиков пристыкованы тройники 103, а к ним уже пристыкованы циркуляционные трубки 96 и расширительные трубки 102. Тройник 103 может быть и предварительно состыкован с коническими переходами к циркуляционным и к расширительным трубкам. В конце расширительных трубок 102 пристыкованы концевые тройники 104 с заглушенным осевым торцом и с пристыкованными трубками 105, идущими к расширителям теплоносителя в паровой фазе, выполняемые, например, в виде сильфонов и устанавливаемые, например, во внутренней полости внутренней обечайки 50. Эта подробность условно не показана.
R
a
Известно, что минимальная толщина стенки трубки поверхностей нагрева и трубопроводов прямо пропорциональна диаметру трубки и внутреннему давлению среды в ней. Смотрите, например, выражение  где S - минимальная толщина стенки без прибавка, Р - давление в трубке, Д - диаметр трубки, [δ] - допускаемое напряжение, φ - коэффициент прочности. Для бесшовных труб φ=1. Смотрите, например, Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды. РД 10 - 249 - 98 Москва. Росгостехнадзор. 2003 /Л-18/, стр.47. В связи с чем трубки змеевиков предпочтительно выполняются минимального диаметра по условиям т/обмена и циркуляции теплоносителя в них. Это обеспечивает максимальное снижение толщины теплопроводной стенки между рабочим телом и промежуточным теплоносителем и одновременно увеличивает объемную площадь теплопередачи между ними.
2
Предпочтительность конструкции теплообменных элементов в виде витых трубчатых змеевиков состоит в том, что напряжение в стенках трубок, даже интенсивно вращаемых в виде колец, не зависит от толщины их стенок, что позволяет обеспечить максимальную теплопроводность стенок трубок, так как напряжение во вращающемся кольце определяется выражением δ=ρu /201/, смотрите, например, Г.С.Жирицкий и В.А.Стрункин. Конструкция и расчет на прочность деталей паровых и газовых турбин. Москва. Машиностроение. 1968 г. /Л-19/, стр.187, где u - окружная скорость, ρ - плотность.
1
2
2
2
1
1
2
1
макс
мин
макс
мин
Уменьшение теплопроводной толщины стенок трубок змеевиков достигается и снижением рабочего давления в трубках змеевиков. Ибо внутреннее давление во вращающемся канале относительно какой-то оси вращения с угловой скоростью ω и расположенном от оси вращения на расстояниях от R до R определяется выражением . Смотрите, например, Л-19, стр.41, где u=ωR, u=ωR и где R-R=ΔR и при ΔR=0 внутреннее давление Р=0. С этой целью смотрите фиг.7, диаметры начала змеевика Д и диаметры конца змеевика Д предпочтительно выполняются минимальными, вплоть до Д-Д=0. Минимальной выполняется и величина ΔR - радиальная длина трубки расширения. Смотрите фиг.7.
мин
мин
макс
С этой же целью диаметры змеевиков со стороны Д, установленных после турбины, предпочтительно выполняются одинаковыми с диаметрами змеевиков Д, установленных после компрессора. Также предпочтительно одинаковыми выполняются и диаметры змеевиков Д, установленных как после турбины, так и после компрессора.
мин
макс
С этой же целью предпочтительно попарно соединены между собой змеевики с одинаковыми Д и Д, но установленные по разные стороны от турбины.
макс
мин
С этой же целью выходные 96 и входные радиальные трубки змеевиков и соединительные циркуляционные трубопроводы 97 и 98 между змеевиками теплообменных тел, установленных по обе стороны турбины, предпочтительно располагаются на диаметрах, больших чем Д, либо хотя бы не менее чем Д.
С этой же целью предпочтительна индивидуальная установка циркуляционных насосов 99 в контурах циркуляции каждой пары змеевиков и с минимальным рабочим давлением, либо даже по два в каждом контуре перед входом в змеевики с половинным давлением, либо возможна и установка многосекционного насоса. Большие диаметры циркуляционных трубопроводов и соответственно и большие их толщины стенок естественно на теплообмене не отразятся.
макс
мин
Теплообменные элементы теплообменных тел могут быть выполнены и 2- и 3- и более заходными, имея в виду с одинаковыми Д и Д, но с увеличенным шагом навивки и со змеевиками, вложенными друг в друга и установленными ближе к внешней обечайке, при, например, однозаходном змеевике около внутренней обечайки теплообменного тела, либо внешние змеевики должны иметь значительно большие массовые расходы теплоносителя, в том числе как увеличенными диаметрами трубок, так и скоростей теплоносителя. Теплообменные элементы могут быть выполнены в виде многослойно установленных комплектов труб, навитых по винтовой линии, в том числе с растянутыми шагами навивки, при котором труба составляет даже часть витка, а также и возможны другие варианты исполнения теплообменных тел.
Внутренние полости ГТД предпочтительно термоизолированы и охлаждаются. Внешний корпус ГТД также предпочтительно термоизолирован для исключения тепловых потерь в окружающую среду.
Вопрос циркуляционных насосов не является предметом настоящего изобретения. Однако, во-первых, уже имеются достаточно работоспособные натриевые циркуляционные насосы, используемые, например, на реакторе БН-350 ядерной энергетической установки. Смотрите, например, фиг.7.70 в Л-17 на стр.402.
Известны и электромагнитные индукционные насосы для перекачивания жидкометаллических теплоносителей. Смотрите, например, патент №1144588 А1 /Л-20/. Имеется и собственное конструктивное решение электрического индукционного насоса, но это уже предмет другого изобретения.
Ротор рекуператора имеет автоматическую систему динамической балансировки, условно не показанную на прилагаемых чертежах.
Ротор рекуператора тепла отработанных газов предпочтительно содержит автоматическую систему динамической балансировки, хотя условно и не показанной на прилагаемых чертежах, но, несомненно, понятную и так.
мя
х
Для чего, например, на каждом из теплообменных тел 34 и 44, опирающихся на подшипниковые корпуса 48 4 опорными рычагами 52, устанавливаются, например, по 2 исполнительных механизма, например, "шагового" типа, вкручивающие либо выкручивающие резьбосодержащие балансировочные тела-грузы в резьбовые радиальные отверстия, выполненные на теплообменных телах и расположенные в 2 взаимно-перпендикулярных и диаметрально-осевых плоскостях, проходящих через оси пальцев 55 рычагов 52. Для отслеживания возросших ц/б сил на роторе рекуператора в каком-либо либо в каких-либо из радиальных направлений в центральных и предпочтительно охлаждаемых полостях ГТД на рычаги 52 прикрепляются, например, проволочные тензодатчики. В охлаждаемых подшипниковых корпусах 48 могут быть установлены и кремнеевые либо германиевые тензодатчики сжатия с рабочей температурой от -60°C до +200°C. Проволочные - от -100°C до +400°C. Тензодатчики включаются попарно в плечи электрических мостовых схем аппаратов управления исполнительными механизмами. Электрические схемы имеют отключающие устройства переменной токовой составляющей в электрических цепях тензодатчиков от циркулирующего воздействия на них веса ротора. Более подробное изложение исполнения исполнительных механизмов и аппаратов их управления будут представлены в дополнительных заявках на изобретения, ибо они не могут войти в объем данной заявки.
Привод ротора рекуператора тепла отработанных газов может быть и гидравлическим и электрическим, в том числе и вращающимся электромагнитным полем.
Работа ГТД
-2
Предлагаемый ГТД работает аналогично уже известным регенеративным ГТД. Однако имеются и существенные отличия, заключающиеся в том, что после прогрева ГТД сжатый рабочий воздух из компрессора прямиком проходит через теплообменное тело, греющее его, где он, омывая теплообменные трубки змеевиков, нагревается и далее поступает в камеру сгорания. При этом рабочий воздух, проходя через теплообменное тело, не имеет потерь давления, так как он принудительно прокачивается аэродинамически спрофилированными гребенками, как лопатки осевых машин. В камере сгорания уже нагретый рабочий воздух без проблем будет сжигать в себе впрыскиваемое топливо, нагреваясь до рабочей температуры. После камеры сгорания рабочее тело расширяется в турбине, как и обычно, и производит работу, в том числе по сжатию рабочего воздуха в компрессоре, прокачку рабочего тела через теплообменные тела рекуператора на привод топливного и масляного насосов. Однако существенно большая часть работы турбины остается для полезной работы. После турбины отработанные газы прямотоком поступают в теплообменное тело, где теплообменные трубки змеевиков будут отнимать теплоту до температуры, достаточно близкой к температуре сжатого рабочего воздуха после компрессора. И аналогично отработанные газы будут проходить через теплообменное тело без гидравлических потерь за счет принудительной прокачки отработанных газов гребенками, спрофилированными как лопатки осевых машин. Теплообменные тела, установленные и до и после турбины и соединенные между собой соединительным телескопическим раздвижным соединительным элементом, вращаются на подшипниках приводным механизмом. Учитывая, что сжатия рабочего тела в теплообменных телах не происходит, а лопатки-гребенки аэродинамически спрофилированы и имеют острые выходные кромки, а трубки витков змеевиков сближены друг с другом, то работа привода не будет большой, зато термодинамический цикл будет приближен достаточно близко к теоретическому и еще и потому, что и регенерация будет приближена к идеальной. При этом теплообменные тела будут иметь существенно меньшую теплообменную поверхность, а значит, иметь и меньшие габариты и вес из-за более эффективного способа теплообмена, реализованного в ГТД по патенту РФ №2130156. Передача же потока теплоты, отнимаемой от отработанных газов теплообменными элементами в теплообменном теле 44, к нагреваемому рабочему воздуху теплообменными элементами в теплообменном теле 34 осуществляется предпочтительно жидкометаллическим теплоносителем, предпочтительно принудительно циркулирующим между теплообменными элементами теплообменных тел, установленных и до и после турбины. Эффективность переноса больших потоков теплоты жидкометаллическими теплоносителями подтверждается их удовлетворительной работой на ядерных энергоустановках, в том числе и с переносом этих тепловых потоков на гораздо большие расстояния, чем между теплообменными телами ГТД, установленными и до и после турбины. Эффективность и сущность способа теплообмена по патенту РФ №2130156 изложена в описании к патенту. Однако вкратце суть состоит в том, что при обычном теплообмене между средой и теплообменной поверхностью какого-либо теплообменного тела и при любой степени турбулентности турбулентные пульсации среды интенсивно затухают по мере приближения к стенке, а на самой стенке скорость среды равна 0. Это есть явление "прилипания". Оно имеет место быть в результате явления адсорбции между средой и поверхностью тела. Однако эти силы относительно невелики. Смотрите, например, Б.В.Некрасов. Основы общей химии. ТI. Москва. Химия. 1973 г. /Л-21/, стр.266-268. В результате в пристенном слое среды имеется тепловой подслой, в пределах которого перенос теплоты между потоком среды, омывающей теплообменное тело, и теплообменной поверхностью тела осуществляется молекулярной теплопроводностью. Смотрите, например, В.А.Григорьев и В.М.Зорин. Тепло и массообмен: теплотехнический эксперимент. Москва. Энергоиздат. 1982 г. /Л-22/, стр.162-163. А в соответствии с Л-22 теплопроводность воздуха более чем в 8490 раз хуже, чем у хорошо теплопроводного металла меди. Смотрите, например, таблицу 2.3 в Л-22 на стр.119-120, где теплопроводность меди, при 573 К, равна 371 Вт/м К, а в таблице 2.20, на стр 159, теплопроводность воздуха, при 300°C, равна 4,37 10 Вт/мК. И вообще, общеизвестно, что неподвижный воздух является очень хорошим термоизолятором. В предложенном же ГТД трубы змеевиков интенсивно вращаются относительно осей компрессора и турбины, а элементы рабочего тела /молекулы и т.д./ подлетают к поверхностям вращающихся труб змеевиков, соударяются с ними и теплообмениваются с ними. Те же молекулы рабочего тела, которые при этом "прилипнут" к поверхностям стенок, в то же мгновение окажутся в интенсивном вращательном движении вместе с поверхностями, на которых они "сидят". В результате они мгновенно окажутся в поле центробежных сил. И именно интенсивность вращения теплообменных тел должна быть такой, чтобы центробежные силы на элементы рабочего тела превышали силы адсорбции. В результате элементы рабочего тела после соударения с теплообменной поверхностью и после в результате этого произведенного теплообмена с ней мгновенно будут отброшены от "спинок" и боковин трубок змеевиков и сброшены с брюшек трубок, например, как с волчка. В результате будут иметь место интенсивные турбулентные пульсации рабочего тела, уже идущие от теплообменных поверхностей, чего и нет при обычном способе теплообмена. В результате будет осуществляться прямой кинетический теплообмен между средой и теплообменными поверхностями без молекулярной теплопроводности и у поверхностей стенок. И интенсивность теплообмена уже, несомненно, будет определяться теплопроводностью стенок трубок, толщину которых, как отмечено выше, можно свести к минимуму. Так как можно обеспечить и высокоэффективный теплообмен между внутренней поверхностью стенок трубок змеевиков и жидкометаллическим теплоносителем. Так как, во-первых, жидкометаллический теплоноситель во внутренних каналах также будет находиться в поле центробежных сил, нет и проблем обеспечить более высокую температуру теплоносителя у спинок теплообменных трубок и меньшую у брюшек трубок змеевиков в обоих теплообменных телах, в том числе как и в нагреваемых, так и в охлаждаемых, в том числе худшим охлаждением теплоносителя в зоне спинок, в том числе увеличением термического сопротивления стенок спинок их чуть большей толщиной по отношению к остальной части стенок трубок. Это обеспечит чуть большую плотность теплоносителя у спинок. И подъемными силами в поле центробежных сил будет обеспечена вынужденная циркуляция теплоносителя в пристенных зонах трубок. Смотрите, например, Л-19 на стр.40-41. Во-вторых, в трубках змеевиков может быть обеспечена и хорошая турбулентность и без центробежных сил для перемещаемого в трубках теплоносителя при относительно небольшой толщине теплового подслоя согласно выражения для числа Рейнольдса  Смотрите, например, Х.Хаузен. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе. Москва. Энергоиздат. 1981 г. /Л-23/, стр.23 и 36, где
v - скорость теплоносителя, d - диаметр трубки, υ - кинематическая вязкость.
-8
2
-6
2
-2
-2
И согласно табл.2.21 в /Л-22/ на стр.159 коэффициент кинематической вязкости, например, жидкометаллического натрия, например, при 500°С составляет 27,2·10 м/сек, тогда как для воды, например, при 50°С коэффициент кинематической вязкости всего лишь 0,56·10 м/сек. Смотрите, например, П.Г.Киселев. Справочник по гидравлическим расчетам. Москва. Энергия. 1974 г. /Л-24/, стр.13. В-третьих, теплопроводность, например, жидкометаллического натрия в тепловом подслое у стенок трубок, например, при 500°С составляет 63,8 Вт/мк. Смотрите, например, табл.2.21 в Л-22 на стр.159, тогда как, например, теплопроводность воды, например, при 90°С всего лишь 68·10 Вт/мк, т.е. почти в 100 раз худшая. Смотрите, например, таблицу 2.18 в Л-22 на стр.157, а теплопроводность сухого воздуха при 500°С всего-то 5,45·10, т.е. более чем в 1000 раз худшая, чем у жидкометаллического натрия. Смотрите таблицу 2.20 в Л-22 на стр.159.
В-четвертых, в горизонтальных труках имеется еще и свободная конвекция. Смотрите, например, Л-24 на стр.38-39.
И несомненно, изложенное выше гарантирует создание высокоэффективных рекуператоров тепла отработанных газов вплоть до идеальной степени регенерации, а уровень гидравлических потерь в воздушно-газовом тракте выдержать на уровне, достаточно близком к 0.
3
И в соответствии с графиками на фиг.56 в Л-5 на стр.70 и графиками на фиг.68 на стр.81 при уровне гидравлических потерь, близких к нулю, и степени регенерации, достаточно близкой к 1 и даже при T/Т=4,31, внутренний кпд создаваемых ГТД может быть более 50% даже в ГТД с теоретическими адиабатическими процессами сжатия и расширения. Предлагаемый ГТД рассчитан и на реализацию в нем и более совершенных термодинамических циклов, содержащих в том числе процесс интенсивно охлаждаемого сжатия вплоть до изотермического и процесс подогреваемого процесса расширения вплоть до изотермического, внутренний кпд ГТД может превышать и 60%. А при реализации в предлагаемом ГТД и уже достигнутый уровень максимальных температур термодинамических циклов на уровне 1300-1400°С, смотрите, например, Л-13, таблицу на стр.66, то создаваемые ГТД смогут иметь кпд на уровне 60-70% в зависимости от реализуемых термодинамических циклов и степени их приближенности к теоретическим.