Газотурбінний двигун і спосіб його роботи

1. Газотурбінний двигун, що має компресор, камеру згорання та турбіну, який відрізняється тим, що додатково має турбокомпресор, у корпусі якого є сопловий, всмоктувальний, випускний, нагнітальний і перехідні канали, причому камера згорання розташована між нагнітальним і сопловим каналами, а всередині корпусу встановлено одне робоче колесо, лопатки якого разом із корпусом і всмоктувальним, нагнітальним і сопловим, випускним каналами утворюють відповідно компресорний і турбінний робочі канали, які відокремлюють один від одного перемичками, що є між всмоктувальним, сопловим, нагнітальним і випускним каналами, крім того, перехідний і всмоктувальний канали з'єднують компресор із компресорним робочим каналом, а випускний і перехідний канали відповідно турбінний робочий канал турбокомпресора з турбіною. 2. Газотурбінний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що робоче колесо турбокомпресора виконано або діагональним, або радіальним, причому середній діаметр компресорного робочого каналу від входу до ви ходу збільшується, а турбінного робочого каналу - зменшується або постійний. 3. Газотурбінний двигун за п. 1, який відрізняється тим, що в сопловому, всмоктувальному, ви хло C2 2 UA 1 3 84679 Недоліком цих турбокомпресорів є складність їх конструкції. Вони ефективні лише при великих об'ємних витратах газу, а турбіни ГТД працюють при початковій температурі газу, суттєво нижчої від необхідної для забезпечення високої ефективності цього типу двигунів. У багатьох енергетичних установках при високій температурі газу на ви ході з камери згорання (ТГ > 1250 К) використовують лопатки турбін, що охолоджуються [Пономарёв Б.А. Настоящее и будущее авиационных двигателей.- М.: Воениздат, 1982. - 240с.], тому що підвищення початкової температури газу перед турбіною - один із головних шляхів удосконалення ГТД. Найбільш поширеним способом охолодження газових турбін сучасних ГТД є спосіб відкритого повітряного охолодження. Як охолоджуючий агент у цьому випадку використовують повітря, що відбирається за останнім (або проміжним) ступенем компресора. Після охолодження гарячих частин турбіни підігріте повітря випускають у її проточну частину, де воно змішується з основним газовим потоком і бере участь у подальшому робочому процесі двигуна. Недоліком використання лопаток турбін, що охолоджуються, є висока складність і вартість їх виготовлення, а також суттєве ускладнення конструкції двигуна. При великих температурах газу витрата повітря, необхідного для охолодження лопаток турбін, стає порівнянною із загальною витратою повітря у ГТД, що сприяє значному викривленню структури газового потоку і зменшенню ефективності роботи турбіни та двигуна в цілому. При малих витратах газу у ракетних двигуна х застосовують турбіни з парціальним підведенням газу [Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчет агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1986.- 376 с.]. Їх використання дозволяє мати необхідну висоту соплових і робочих лопаток, що дає змогу підвищити ефективність турбіни. Недоліком парціальних турбін є досить нераціональне використання лопаток робочого колеса. Відомий турбокомпресор [Пат. 61913 Україна, МПК7 F02 С6/12 Опубл. 15.12.2003], який при малих витрата х газ у має переваги перед традиційними турбомашинами, тому що при парціальному підведенні пасивного і активного газів досить раціонально використовують лопатки робочого колеса. З урахуванням особливості його роботи він має назву "турбокомпресор із спільним робочим колесом" [Шкабура В.А. Особенности теории расчёта турбокомпрессоров с общим рабочим колесом// Авиационно-космическая техника и технология.2003. - №41/6. - С.74-76]. Цей турбокомпресор має корпус, всередині якого встановлено робоче колесо таким чином, що його лопатки періодично знаходяться у турбінній і в компресорній частинах, при цьому турбінна частина відділена від компресорної двома перемичками, встановленими з боків підведення і відведення газів до робочого каналу. Відомі газотурбінні двигуни, що мають камеру згоряння, відцентровий компресор і доцентрову турбіну, робочі колеса яких об'єднані в один спільний "моноротор". Будову за такою схемою є як вітчизняні двигуни [Техническое описание газоту 4 рбинного двигателя ДГ4М-1. Альбом рисунков. 1970. -С.5-8.], так і зарубіжні [Пат. 5454222 США, МПК6 F02 С7/12, Заявл. 2.8.93. Опубл. 3.10.95]. Один із цього типу двигунів вибрано як прототипу [Иностранные авиационные двигатели / Под общ. ред. Г.В. Скворцова. - 10-е изд., перераб. и доп. М.: ЦИ АМ, 1984. - С.281]. Його турбіна містить корпус із сопловим і вихлопним каналами, всередині якого встановлено робоче колесо, що створює разом із корпусом турбінний робочий канал. Компресор також має корпус із всмоктувальним і нагнітальним каналами, в якому розташовано відцентрове робоче колесо, що теж разом з корпусом створює компресорний робочий канал. Недоліком цієї будови газотурбінного двигуна є порівняно складна конструкція ротора з досить великими його розмірами та порівняно низькою температурою газу перед турбіною. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип, є спосіб роботи газотурбінного двигуна простої теплової схеми, який має газогенератор, створюваний компресором, камерою згорання і турбіною [Казанджан П.К., Ти хонов Н.Д., Янко А.К. Теория авиационных двигателей. - М.: Машиностроение, 1983. - 223 с.]. Спосіб роботи такого двигуна здійснюється таким чином. Атмосферне повітря спочатку стискають у компресорі, а потім подають у камеру згорання для забезпечення процесу згоряння палива та підвищення температури газу. Далі відбувається розширення газу в турбіні і передача їй механічної енергії, яка потім по валу передається компресору. Залишок потенційної енергії газу може бути перетворений у тягу або в потужність двигуна різними способами залежно від його призначення. Недоліком цього способу роботи газотурбінного двигуна є порівняно великі витрати коштів для створення ГТД, щоб він міг робити при високих температурі газу перед турбіною та ступені підвищення тиску у компресорі і таким чином забезпечувати його високу е фективність. Технічною задачею винаходу є створення простого, з меншими габаритними розмірами і витратами коштів, але е фективного у роботі газотурбінного двигуна, здатного працювати при високих температурах газ у (T Г³1500...1800К) перед турбіною і більш високих ступенях підвищення тиску порівняно з відомим газотурбінним двигуном і способом його роботи. Вказана технічна задача вирішується тим, що у газотурбінному двигуні, який має компресор, камеру згорання та турбіну, згідно з винаходом, цей двигун має додатково турбокомпресор, у корпусі якого є сопловий, всмоктувальний, випускний і нагнітальний канали, між нагнітальним і сопловим каналами розташована камера згорання, завдяки перехідним каналам компресор з'єднаний із всмоктувальним каналом, а турбіна - з випускним каналом турбокомпресора, всередині корпусу встановлено одне робоче колесо, лопатки якого разом із корпусом і всмоктувальним, нагнітальним і сопловим, випускним каналами створюють відповідно компресорний і турбінний робочі канали, які відокремлені один від одного завдяки перемичкам між 5 84679 всмоктувальним, сопловим, нагнітальним і випускним каналами. Вказана технічна задача вирішується також тим, що колесо турбокомпресора виконано або діагональним, або радіальним і середній діаметр компресорного робочого каналу від входу до виходу збільшується, а турбінного робочого каналу або постійний, або зменшується. Вказана технічна задача вирішується також тим, що в сопловому, всмоктувальному, вихлопному та нагнітальному каналах корпуса турбокомпресора розташовані напрямні лопатки. Спосіб роботи газотурбінного двигуна, який полягає в тому, що повітря стискають у компресорі за допомогою енергії турбіни при розширенні в ній газу, до якого була підведена теплова енергія при згоранні палива у камері згорання, відрізняється тим, що завершальне стиснення повітря перед камерою згорання і початкове розширення газу після камери згорання здійснюють за допомогою лопаток одного робочого колеса, які періодично беруть участь у створенні компресорного і турбінного робочих каналів, причому повітря подають до компресорного робочого каналу на меншому радіусі лопаток робочого колеса, чим його виводять, а газ, навпаки, подають до турбінного робочого каналу на більшому радіусі лопаток робочого колеса, чим виводять з нього, або з постійним радіусом. Вказаний спосіб роботи газотурбінного двигуна відрізняється тим, що повітряний поток перед турбокомпресором із спільним робочим колесом розділяють на два рівних потоки і поєднують у єдиний газовий потік перед турбіною. Вказаний спосіб роботи газотурбінного двигуна відрізняється тим, що підведення та відведення механічної енергії відповідно до повітря і газу здійснюється за допомогою лопаток одного робочого колеса, причому залежно від розташування всмоктувального, соплового, нагнітального і випускного каналів у корпусі відносно робочого колеса рух повітря та газу в осьовому напрямку у робочих каналах або збігається, або протилежний. Використання у газотурбінному двигуні турбокомпресора із спільним робочим колесом завдяки особливостям його роботи дає змогу підвищити температуру газу перед турбіною і мати вищий ступінь підвищення тиску у компресорі, тому що лопатки півоберту взаємодіють із гарячим газом, а потім півоберту з більш прохолодним повітрям, і тому їх висота у два рази більша, а температура лопаток значно менша, ніж у інших схемах двигунів. Ураховуючи ці особливості, доцільно завершальне стиснення повітря перед камерою згорання і початкове розширення газу після камери згорання здійснювати за допомогою робочих лопаток цього турбокомпресора. Якщо колесо турбокомпресора виконано або діагональним, або радіальним, причому середній діаметр компресорного робочого каналу від входу до виходу збільшується, а турбінного робочого каналу - зменшується, то це дає змогу мати високу ефективність роботи турбокомпресора. Якщо потрібно, щоб газотурбінний двигун мав найпростішу будову, то достатньо, щоб він у своє 6 му складі мав лише турбокомпресор із спільним робочим колесом і камеру згорання. Використання напрямних лопаток у сопловому, всмоктувальному, ви хлопному та нагнітальному каналах корпусу турбокомпресора дає змогу забезпечити необхідний напрямок руху повітря та газу перед і за робочими каналами турбокомпресора. Щоб зменшити втрати механічної енергії повітря і газу в перехідних каналах між компресором, додатковим турбокомпресором і турбіною, є сенс у деяких двигунах повітряний потік після компресора розділити на два рівних потоки, а після випускного каналу турбокомпресора їх поєднати. На Фіг.1 зображено будову газотурбінного двигуна в поперечному перерізі при протиточній схемі течії газу і повітря у турбокомпресорі; на Фіг.2 варіант розташування турбокомпресора у ГТД при прямоточній схемі течії; на Фіг.3 - варіант найпростішої будови ГТД; на Фіг.4 - конічний переріз по лінії А-А на Фіг.3. Газотурбінний двигун містить компресор 1, камеру згорання 2, турбіну 3 та додатковий турбокомпресор 4, у корпусі 5 якого є всмоктувальний 6, нагнітальний 7, сопловий 8 і випускний 9 канали, між нагнітальним 7 і сопловим 8 каналами розташована камера згорання 2, всередині корпусу 5 встановлено робоче колесо 10 таким чином, що його лопатки разом із корпусом 5 та всмоктувальним 6, нагнітальним 7 і сопловим 8, випускним 9 каналами створюють відповідно компресорний 11 і турбінний 12 робочі канали, які відокремлені один від одного завдяки перемичкам 13 між всмоктувальним 6, нагнітальним 7, сопловим 8, і випускним 9 каналами, а завдяки перехідному 14 і всмоктувальному 6 каналам компресор 1 з'єднаний з компресорним робочим каналом 11 турбокомпресора 4, а турбінний робочий канал 12 - за допомогою перехідного 15 і випускного 9 каналів з'єднується з турбіною 3, крім того, у всмоктувальному 6, нагнітальному 7, сопловому 8 і випускному 9 каналах розташовані напрямні лопатки 16. Колесо турбокомпресора може розташовуватися як на спільному валу з компресором і турбіною, так при потребі і на окремому. Спосіб роботи газотурбінного двигуна реалізується таким чином. Спочатку атмосферне повітря стискають у компресорі 1, а потім завдяки перехідному каналу 14 повітря потрапляє до всмоктувального каналу 6, в якому воно набуває необхідного напрямку і швидкості руху для компресорного робочого каналу 11, де повітря додатково стискають. Після чого повітря направляють у нагнітальний канал 7, в якому зменшується швидкість його руху і збільшується термодінамічний тиск, а потім повітря подають у камеру згорання 2, де воно внаслідок згорання палива нагрівається і перетворюється у газ. За допомогою соплового каналу 8 газ прискорюють до необхідної швидкості і спрямовують у турбінний робочий канал 12, де він при подальшому своєму розширенні передає частку своєї механічної енергії лопаткам робочого колеса 10. Після чого він надходить у випускний канал 9, де набуває необхідного напрямку руху і тиску, після чого 7 84679 газ виводять до навколишнього середовища або за допомогою перехідного каналу 15 до наступної турбіни 3 для подальшого енергообміну. Перемички 13 між всмоктувальним 6, нагнітальним 7, сопловим 8 і випускним 9 каналами перешкоджують перетіканню газу і повітря між компресорним 11 і турбінним 12 робочими каналами. Використання напрямних лопаток 16 у всмоктувальному 6, нагнітальному 7, сопловому 8 і випускному 9 каналах дозволяє забезпечити необхідний напрямок руху повітря та газу перед і за компресорним 11 і турбінним 12 робочими каналами. Для деяких технічних потреб газотурбінний двигун може складати лише з турбокомпресора із спільним робочим колесом і камери згорання (Фіг.5). Завдяки тому, що лопатки робочого колеса періодично знаходяться у взаімодії з повітрям і з газом, температура матеріалу на їх поверхнях буде суттєво нижче від температури газу після камери згорання. Вона залежить від середньої температури повітряного та газового потоків Т G + Тг GГ Т ср » К К , GК + GГ где ТК, ТГ - температури повітря і газу після компресора та перед турбіною; GК, GГ - массові витрати повітря та газу відповідно через компресорний і турбінний робочі канали. 8 Крім того, внаслідок особливості пристрою та способу роботи турбокомпресора є можливість підвищити у два рази висоту лопаток робочого колеса у порівнянні з іншими схемами турбомашин, що дозволяє зменшити кінцеві втрати енергії. Таким чином, запропонований газотурбінний двигун має. можливість підвищити як температуру газу перед турбіною, так і ступінь підвищення тиску у компресорі. Запропонований пристрій газотурбінного двигуна та спосіб його роботи досліджувався розрахунковим шляхом, здійснено також пошук оптимальної геометрії та розмірів турбокомпресора із спільним робочим колесом. Внаслідок чого встановлено, що запропонований газотурбінний двигун у порівнянні з відомими має такі переваги: - більш проста конструкція і менша вартість виготовлення; - може працювати при більш високій температурі газу перед турбіною і мати вищий ступінь підвищення тиску у компресорі, тому що лопатки періодично взаємодіють із повітрям і газом, інакше кажучи, є можливість підвищити параметри циклу роботи двигуна. Все це дає змогу підвищити питомі показники газотурбінного двигуна у порівнянні з прототипом без використання дорогих те хнологій. Відзначені властивості запропонованого двигуна повинні зацікавити спеціалістів з двигунобудування, оскільки вони суттєво розширують їх можливості при створенні нових двигунів. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84679 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601