Двоконтурна турбомашина

1. Двоконтурна турбомашина, що містить вихлопний кожух, з'єднаний радіальними стояками з коаксіальними циліндричними стінками, які обмежують тракти витікання первинного потоку гарячих вихлопних газів і вторинного потоку холодного повітря, яка відрізняється тим, що обладнана щонайменше одним тепловим двигуном з циклом Стірлінга, який встановлений на кінці радіального стояка і містить два теплообмінники, відповідно, для нагрівання і охолоджування робочого текучого середовища, виконані в частинах радіального стояка, що перехоплюють, відповідно, первинний потік і вторинний потік. 2. Турбомашина за п. 1, яка відрізняється тим, що теплообмінники нагрівання і охолоджування з'єднані між собою регенератором, призначеним для акумулювання теплової енергії під час фази охолоджування циклу Стірлінга і для віддачі теплової енергії під час фази нагрівання. 3. Турбомашина за п. 2, яка відрізняється тим, що регенератор розміщений в частині радіального стояка, розташованого між трактами витікання первинного потоку і вторинного потоку. 4. Турбомашина за п. 1, яка відрізняється тим, що двигун Стірлінга містить робочу камеру, розташовану поза первинним і вторинним потоками, в якій розміщений переміщувальний поршень, що взаємодіє з рухомим елементом системи генерування енергії, при цьому робоча камера сполучена 2 (19) 1 3 97357 4 12. Турбомашина за п. 1, яка відрізняється тим, що радіальний стояк містить теплообмінні лопатки на зовнішній і/або внутрішній поверхні, що знахо диться в трактах витікання первинного і вторинного потоків. Даний винахід стосується генерування електрики в турбомашині, зокрема в двоконтурному двигуні, такому як авіаційні турбореактивні двигуни. Електричне живлення літаків, як правило, забезпечується електромеханічними генераторами, які інтегровані в турбореактивні двигуни цих літаків і приводяться в дію за рахунок забору потужності на компресорах високого тиску турбореактивних двигунів. Оскільки механічна потужність не використовується для створення тяги, цей тип електричного генератора суттєво погіршує показники турбореактивних двигунів. Відоме приведення у обертання електричного генератора за допомогою двигуна, працюючого згідно з циклом Стірлінга, однак такий генератор являє собою громіздку машину, задуману для спільного генерування з засобами нагрівання приміщень або будівель, що описано, наприклад, в документі GB-A-2391299, і не призначену для використання в авіаційній турбомашині. Задачею даного винаходу є просте, економічне і ефективне розв'язання проблеми генерування електрики в двоконтурних турбомашинах, яке дозволяє уникнути недоліків відомого рівня техніки. Задачею є також генерування електрики в турбомашині згідно з принципом спільного генерування з використанням теплової енергії, розсіяної у вихлопних газах. Задачею є також інтегрування двигуна Стірлінга в турбомашину таким чином, щоб мінімізувати збільшення загальної ваги турбомашини і габаритів двигуна Стірлінга і пов'язаних з ним засобів генерування електричної енергії. Для вирішення цієї задачі пропонується двоконтурна турбомашина, яка містить вихлопний кожух, з'єднаний радіальними стояками з коаксіальними циліндричними стінками, що обмежують тракти витікання первинного потоку гарячих вихлопних газів і вторинного потоку холодного повітря, відмінну тим, що вона обладнана щонайменше одним тепловим двигуном з циклом Стірлінга, який встановлений на кінці радіального стояка і містить два теплообмінники, відповідно, для нагрівання і охолоджування робочого текучого середовища, виконані в частинах радіального стояка, що перехоплюють, відповідно, первинний потік і вторинний потік. Тепловий двигун з циклом, Стірлінга, звичайно названий "двигуном Стірлінга" або двигуном на гарячому повітрі, дозволяє використовувати різницю температури між первинним потоком вихлопного газу і вторинним потоком холодного повітря для виробництва механічної енергії, яку можна перетворити в електричну енергію. Цей тип двигуна відрізняється дуже хорошим ККД, який може досягати 40 % від теоретичного максимуму, а також високою надійністю і великим терміном служби. Теоретичний цикл роботи такого двигуна включає чотири послідовні фази: фаза ізохорного нагрівання з подальшою фазою ізотермічного розширення робочого текучого середовища, потім фаза ізохорного охолоджування з подальшою фазою ізотермічного стиснення робочого текучого середовища. Двигун Стірлінга містить також робочу камеру, розташовану поза первинним і вторинним потоками, в якій розміщений переміщувальний поршень, взаємодіючий з рухомим елементом системи генерування енергії, при цьому робоча камера сполучається з теплообмінниками для циркуляції робочого текучого середовища. Переважно, теплообмінники нагрівання і охолоджування з'єднані між собою регенератором, призначеним для акумулювання теплової енергії під час фази охолоджування циклу Стірлінга і для віддачі теплової енергії під час фази нагрівання. Цей регенератор є теплообмінником, що утворює тепловий акумулятор, який дозволяє підвищити показники двигуна Стірлінга. Згідно з іншою відмітною ознакою винаходу, регенератор розміщений в частині радіального стояка, розташованого між трактами витікання первинного потоку і вторинного потоку, щоб первинний потік і вторинний потік не порушували теплові обміни між робочим текучим середовищем і регенератором. Через аналогічні причини робочу камеру переважно розміщують на радіально внутрішньому кінці радіального стояка і радіально всередині внутрішньої циліндричної стінки, яка обмежує тракт витікання первинного потоку. Згідно з переважним варіантом здійснення винаходу переміщувальний поршень розміщений таким чином, щоб герметично розділяти робочу камеру на дві зони, перша з яких з'єднана з теплообмінником нагрівання, а друга з'єднана з теплообмінником охолоджування термічно ізольованим трубопроводом, який проходить через теплообмінник нагрівання і регенератор. Це розташування дозволяє зменшити габарити всього пристрою, економлячи простір для регенератора. У першому варіанті здійснення переміщувальний поршень містить циліндричну порожнину, витягнену в напрямі переміщення поршня, всередині якої встановлений нерухомий постійний магніт, причому переміщувальний поршень забезпечений обмоткою з електричного проводу, розміщеною навколо циліндричної порожнини і з'єднаною з електричним інтерфейсом для приведення в дію переміщувального поршня. 5 У іншому варіанті здійснення робоча камера містить колесо, з'єднане з рухомим елементом системи генерування енергії і з переміщувальним поршнем за допомогою тяги. Переважно, двигун Стірлінга виконаний герметичним і заповнений інертним газом під тиском, таким як гелій. Як варіант, він може містити підвід газу під тиском, наприклад, в робочу камеру або в один з теплообмінників, таким чином, щоб підвищувати тиск робочого текучого середовища і, отже, показники двигуна Стірлінга. Радіальний стояк містить, переважно, теплообмінні лопатки на своїй зовнішній і/або внутрішній поверхні, що знаходиться в трактах витікання первинного і вторинного потоків. У переважному варіанті здійснення винаходу рухомий елемент системи генерування енергії встановлений на пружному поворотному засобі, закріпленому в робочій камері, і містить циліндричну порожнину, витягнену в напрямі переміщення, всередині якої встановлений нерухомий постійний магніт, причому рухомий елемент забезпечений обмоткою з електричного проводу, виконаною навколо циліндричної порожнини і з'єднаною з електричним інтерфейсом для забезпечення перетворення механічної енергії в електричну енергію. Таким чином, винахід дозволяє генерувати електрику, призначену, наприклад, для електричного живлення літального апарата, без обов'язкового відбору корисної механічної енергії газотурбінним двигуном. Винахід, його інші деталі, переваги і відмітні ознаки будуть більш очевидні з нижченаведеного опису, представленого як необмежувальний приклад, з посиланнями на прикладені креслення, на яких: Фіг. 1 - схематичний вигляд в осьовому розрізі турбомашини відповідно до даного винаходу. Фіг. 2 - частковий схематичний вигляд в подовжньому розрізі в збільшеному масштабі стояка вихлопного кожуха турбомашини, показаної на фіг. 1. Фіг. 3 - вигляд, аналогічний фіг. 2, що ілюструє фазу охолоджування циклу Стірлінга теплового двигуна, інтегрованого в стояк вихлопного кожуха. Фіг. 4 - вигляд, аналогічний фіг. 3, що ілюструє фазу стиснення циклу Стірлінга. Фіг. 5 - вигляд, аналогічний фіг. 3, що ілюструє фазу нагрівання циклу Стірлінга. Фіг. 6 - вигляд, аналогічний фіг. 3, що ілюструє фазу розширення циклу Стірлінга. Фіг. 7 - вигляд, аналогічний фіг. 2, що представляє варіант винаходу. На фіг. 1 представлений двоконтурний турбореактивний двигун 10, що містить кабіну 12, в якій знаходиться крильчатка 14 вентилятора, встановлена на вході корпусу 16 двигуна, який в основному містить, від входу до виходу, компресор 20, камеру 21 згоряння, турбіну 22, вихлопний кожух 24 і реактивне сопло 26. Крильчатка 14 вентилятора приводиться у обертання турбіною 22 турбореактивного двигуна, що добре відомо фахівцям. Під час роботи двигуна вентилятор 14 створює вторинний повітряний потік А, який проходить в задню частину навколо 97357 6 турбореактивного двигуна у повітроводі 18 вентилятора і який підтримує частину тяги двигуна. Частина повітря, що входить в двигун, утворює первинний потік В, який живить вхідний компресор 20 турбореактивного двигуна, потім змішується з паливом в камері 21 згоряння. Спалені гази, що виходять з камери згоряння, приводять в дію турбіну 22, потім викидаються між двох коаксіальних стінок 32, 34 вихлопного кожуха 24 і виходять з турбореактивного двигуна, проходячи вздовж реактивного сопла 26. Повітровід 18 вентилятора утворений двома по суті циліндричними коаксіальними стінками, відповідно внутрішньою 28 і зовнішньою 30. Внутрішню стінку 28 повітроводу вентилятора звичайно називають I.F.D. (Inner Fun Duct), a зовнішню стінку 30 звичайно називають O.F.D (Outer Fun Duct), і вона оточена кабіною 12. Обидві коаксіальні стінки, відповідно внутрішня 32 і зовнішня 34, вихлопного кожуха 24 з'єднані конструктивними радіальними стояками 36. У представленому прикладі кожний радіальний стояк 36 вихлопного кожуха 24 з'єднує коаксіальні стінки 32, 34 цього кожуха з циліндричними стінками 28, 30 повітроводу 18 вентилятора таким чином, щоб частина стояка 36 перетинала первинний потік В, тоді як інша частина цього стояка перетинала вторинний потік А. Як варіант, стояк 36 може не доходити до зовнішньої стінки 30. Переважно, на зовнішній поверхні радіальних стояків 36 на рівні частин цих стояків, що перетинають первинний В і вторинний А потоки, виконані лопатки 38, схематично показані на фіг. 1. Їх функція буде описана нижче. На фіг. 2 показаний вигляд в розрізі в збільшеному масштабі радіального стояка 36 вихлопного кожуха 24, в якому знаходяться теплообмінники двигуна з циклом Стірлінга. Як буде пояснено нижче, цей двигун призначений і розміщений для кращого використання доступного простору в радіальному стояку 36 і використання температурної різниці між гарячими газами первинного потоку В і холодним повітрям вторинного потоку А для генерування електричної або механічної енергії. У частині, радіальновнутрішній відносно осі турбомашини, двигун Стірлінга містить робочу камеру 40, в якій розміщені переміщувальний поршень 42 і робочий поршень 44, утворений рухомим елементом системи генерування електричної енергії. Переміщувальний поршень 42 встановлений в каналі 46, який, наприклад, має циліндричну форму, розташовується від входу до виходу і утворює деталь, що має форму, відповідну формі каналу, для щільного ковзання в цьому каналі, щоб перешкоджати проходженню повітря навколо поршня в каналі. Переміщувальний поршень 42 містить циліндричну порожнину, відкриту, наприклад, з вхідної сторони поршня, вісь якої паралельна і переважно співпадає з віссю поршня, і в якій встановлений циліндричний магніт 48, закріплений на стінці робочої камери 40. Поршень містить також електричну обмотку 50, розташовану навколо порожнини і призначену для електромагнітного приведення поршня 42 в поступальний рух в його 7 каналі 46, при цьому обмотка з'єднана з електричним інтерфейсом 52, що містить, наприклад, схему фазообертача. Канал 46 переміщувального поршня 42 встановлений в отворі відповідної форми, виконаному в пластині 54, з'єднаній зі стінками радіального стояка 36 таким чином, щоб переміщувальний поршень 42 і пластина 54 герметично розділяли робочу камеру 40 на вхідну зону 56, яка сполучається з теплообмінником 58 нагрівання, розташованим в частині стояка, що перетинає первинний потік В, і на вихідну зону 60, яка сполучається з теплообмінником 62 охолоджування, розташованим в частині стояка, яка перетинає вторинний потік А і знаходиться на радіально-зовнішньому кінці цього стояка 36. Робоча камера 40 і теплообмінники нагрівання 58 і охолоджування 62 містять робоче текуче середовище, таке як повітря або інертний газ під тиском, яке переміщувальний поршень 42 почергово виштовхує в теплообмінник 58 нагрівання або в теплообмінник 62 охолоджування, що буде докладніше описано нижче. Розміщення теплообмінників нагрівання 58 і охолоджування 62, які знаходяться відповідно в тепловому контакті з первинним потоком В гарячих газів і з вторинним потоком А холодного повітря, забезпечує теплообмін первинного потоку в напрямі робочого текучого середовища, коли воно знаходиться в теплообміннику 58 нагрівання, і від робочого текучого середовища в напрямі вторинного потоку, коли робоче текуче середовище знаходиться в теплообміннику 62 охолоджування. Щоб максимально забезпечити вищезгаданий теплообмін, як вже було зазначено з посиланнями на фіг. 1, радіальний стояк 36 може містити лопатки 38 на своїй зовнішній поверхні і лопатки на своїй внутрішній поверхні. Зовнішні лопатки розташовані в напрямі, по суті паралельному осі турбомашини, таким чином, щоб звести до мінімуму свій аеродинамічний вплив на проходження первинного і вторинного потоків. Ці лопатки 38 дозволяють також посилити жорсткість радіального стояка. У варіанті здійснення, представленому на фіг. 2, двигун Стірлінга додатково містить теплообмінник 64 відомого типу, званий регенератором. Цей регенератор 64 виконаний, наприклад, з піноматеріалу або металевих пластинок і встановлений в частині радіального стояка, що знаходиться між трактами витікання первинного і вторинного потоків в просторі 66, часто званому міжтрактовим простором. Таке розташування дозволяє уникнути порушення теплообміну між робочим текучим середовищем і цим регенератором 64 через теплообмін з первинним і вторинним потоками. Переважно, щоб об'єми теплообмінників 58 і 62, які є "мертвими" об'ємами, були зведені до мінімуму, і щоб поверхні теплообміну і об'єм робочої камери були збільшені. Робоча камера 40 і теплообмінник 62 охолоджування з'єднані термічно ізольованим з'єднувальним каналом 68, який перетинає теплообмінник 58 нагрівання і регенератор 64. Переважно, канал 68 дозволяє також скоротити "мертвий" об'єм те 97357 8 кучого середовища, яке міститься в теплообмінниках 58 і 62. Робоча камера 40 містить систему генерування електричної енергії лінійного типу, яка містить порожнистий циліндричний поршень 44, відкритий у бік виходу і підтримуваний поворотною герметичною пружною мембраною 70. Вузол, що складається з поршня 44 і пружної мембрани 70, утворює герметичну кінцеву рухому стінку робочої камери 40 таким чином, щоб поступальний рух поршня 44 в напрямі входу або в напрямі виходу приводив до зменшення і, відповідно, до збільшення об'єму робочої камери 40. Магніт 72, наприклад, циліндричної форми закріплений на стінці робочої камери 40 таким чином, щоб вставлятися в циліндричний поршень 44 системи генерування енергії. Цей поршень містить електричну обмотку 74, з'єднану з електричним інтерфейсом 52 для перетворення механічної енергії поршня 44 в електричну енергію, коли той переміщається поступальним рухом вздовж своєї осі напроти магніту 72. Переважно, двигун Стірлінга містить підвід 76 текучого середовища під тиском, з'єднаний з резервуаром інертного газу, такого як гелій, з клапаном, призначеним для операцій обслуговування, для підвищення тиску робочого текучого середовища і, отже, для підвищення енергетичної продуктивності двигуна Стірлінга. Під час роботи двигун Стірлінга виконує термодинамічний цикл, який включає чотири фази, відповідно показані на фіг. 3-6. На фіг. 3 двигун Стірлінга знаходиться у фазі ізохорного охолоджування робочого текучого середовища. Під час цієї фази електричний інтерфейс 52 подає команду на поступове переміщення 78 переміщувального поршня 42 поступальним рухом у бік входу до крайнього положення, в якому він по суті впирається в радіальний стояк 36 (це положення переміщувального поршня показане на фіг. 4). Цей рух переміщувального поршня зменшує об'єм зони 56 робочої камери і виштовхує основну частину 80 робочого текучого середовища, яке міститься в теплообміннику 58 нагрівання, через регенератор 64 і теплообмінник 62 охолоджування для заповнення вихідної частини робочої камери. Робоче текуче середовище віддає теплову енергію регенератору 64 під час свого проходження через останній і перетинає теплообмінник 62 охолоджування, надходячи у вихідну частину робочої камери. Після цього робоче текуче середовище піддається фазі ізотермічного стиснення, показаній на фіг. 4. Об'єм, що займається робочим текучим середовищем, скорочується у міру підвищення тиску за рахунок переміщення у бік входу 82 поршня 44 системи генерування електричної енергії під дією пружної поворотної мембрани 70 до крайнього віддаленого положення поршня 44 відносно його магніту 72 (показаного на фіг. 5). Фаза стиснення змінюється фазою ізохорного нагрівання робочого текучого середовища, представленою на фіг. 5, під час якої електричний інтерфейс 52 подає команду на поступальний рух переміщувального поршня 42 у бік виходу 84 до 9 крайнього віддаленого положення цього поршня відносно його магніту 48 таким чином, щоб зменшити об'єм зони 60 робочої камери, при цьому щонайменше частина 86 робочого текучого середовища, що міститься в теплообміннику 62 охолоджування, виштовхується через регенератор 64 і теплообмінник 58 нагрівання в напрямі вхідної частини 56 робочої камери. Під час свого проходження всередині регенератора 64 робоче текуче середовище одержує теплову енергію, накопичену в регенераторі, і нагрівається, таким чином, надходячи в теплообмінник 58 нагрівання. Цикл Стірлінга завершується фазою ізотермічного розширення робочого текучого середовища, представленою на фіг. 6. Під час цієї фази об'єм робочого текучого середовища збільшується, тоді як його тиск знижується. Збільшення об'єму цього текучого середовища приводить до переміщення у бік виходу 88 поршня 44 системи генерування енергії і пружної мембрани 70, що підтримує його, таким чином, щоб поршень повернувся в положення, яке він займає під час фази охолоджування. Під час циклу Стірлінга поршень 44 системи генерування енергії виконує, таким чином, зворотно-поступальний рух навколо свого магніту 72, що дозволяє генерувати електричну енергію, яка може бути рекуперована за допомогою електричного інтерфейсу 52. Таким чином, винахід забезпечує генерування електричної енергії з теплової енергії, яка міститься у вихлопних газах турбомашини, використовуючи тепловий двигун з циклом Стірлінга. На фіг. 7 показаний інший варіант здійснення винаходу, в якому приведення в дію переміщувального поршня 42 забезпечується механічним пристроєм відомого типу, використовуваним звичайно в двигунах Стірлінга. Поршень є U-подібною деталлю, відкритою у бік виходу, і пристрій приведення в рух цього поршня містить колесо 90, розташоване в робочій камері 40 між переміщувальним поршнем 42 і поршнем 44 системи генерування енергії і встановлене з можливістю обертання на осі 92, яка перпендикулярна до медіанної площини радіального стояка 36 і закріплена на стінках цього стояка. Колесо 90 з'єднане з переміщувальним поршнем 42 першою тягою 94, 97357 10 передній кінець якої встановлений у вилці 96, або в будь-якому іншому аналогічному засобі, нерухомо з'єднаній з поршнем 42 і розташованій на його вихідній стороні, наприклад, в центрі цієї вихідної сторони, при цьому задній кінець тяги 94 встановлений у вилці 98, або аналогічному засобі, закріпленій на периферії колеса 90. Це колесо з'єднане також з поршнем 44 системи генерування енергії другою тягою 100, задній кінець якої встановлений у вилці 102, або аналогічному засобі, нерухомо з'єднаній з поршнем 44 і розміщеній на його вхідній стороні, наприклад, в центрі цієї вхідної сторони, при цьому передній кінець тяги 100 встановлений у вилці 104, або аналогічному засобі, закріпленій на колесі 90, наприклад, на відстані від центра колеса, яка дорівнює чверті радіуса цього колеса. Вилки кріплення першої і другої тяги 94, 100 на колесі 90 утворюють з центром колеса кут приблизно 90 градусів таким чином, щоб рух другої тяги 100 мав затримку приблизно на чверть циклу відносно руху першої тяги 94. Колесо 90 утворює також інерційний маховик системи генерування енергії. Винахід не обмежується генеруванням, електричної енергії, і, зрозуміло, можна безпосередньо використовувати механічну енергію, створювану поршнем системи перетворення енергії як для приведення обладнання в зворотно-поступальний рух згідно з поступальним рухом, аналогічним руху поршня, так і для приведення у обертання з використанням системи, наприклад, з шатуна і колеса або з шатуна і кривошипа для перетворення руху поршня в рух обертання. Загалом винахід дозволяє використовувати теплову енергію, розсіяну в турбомашині, згідно з принципом спільного генерування. Наприклад, в авіаційному турбореактивному двигуні генерування електрики, як правило, вимагає відбору механічної енергії на рівні компресора турбореактивного двигуна для живлення електромеханічного генератора. Винахід дозволяє уникати відбору корисної механічної енергії, використовуючи теплову енергію вихлопних газів, і забезпечує, таким чином, поліпшення показників турбореактивного двигуна, що дає виграш в переведенні на питому витрату порядку одного процента. 11 97357 12 13 97357 14 15 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 97357 Підписне 16 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601