Газова турбіна внутрішнього згорання

Реферат: Газова турбіна внутрішнього згорання використовує в своїй роботі камери згорання з соплами в їх верхній частині, негерметичними перетинками в їх середній частині та отворами, виконаними в них з бічної сторони для подачі робочих компонентів. Камери згорання жорстко закріплені на валу відбору потужності та утворюють собою ротор, на якому з зовнішньої його сторони по обидва боки від сопел встановлені дугоподібні лопатки. Ротор розміщений в статорі, на внутрішній стінці якого закріплені дугоподібні лопатки, обернено направлені до лопаток на роторі. В камери згорання для запалення робочої суміші через отвори в їх бокових стінках подається факел полум'я. Охолодження турбіни здійснюється водою, яка подається через порожнину в буксі підшипника до форсунок та надалі в камери згорання через отвори в їх бокових стінках. Вода разом з функцією охолодження змащує антифрикційний диск та виконує функцію запірного клапана в камерах згорання і надалі, перетворившись на пару, дисоціює з подальшим виробленням тепла та тиску. Пара, виходячи з сопел камер згорання, обертає ротор. UA 112224 C2 (12) UA 112224 C2 UA 112224 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області двигунобудування, а саме до газотурбінних установок, і може бути використаний в енергомашинобудуванні, тепловозобудуванні, суднобудуванні, авіабудуванні, тракторобудуванні, автомобілебудуванні та в пристроях, де необхідне перетворення внутрішньої енергії палива в теплову та кінетичну енергію. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю, є газова турбіна внутрішнього згорання [див. патент RU №: 2116480 від 27.07.1998]. Вона складається з корпуса, ротора з пустотілим валом, в якому розташовані канали для палива та робочого тіла, розміщених в порядку, що чергуються, камер згоряння, що обмежені внутрішніми поверхнями газових сопел і з зовнішніми поверхнями, виконаними у вигляді лопаток осьового компресора. Газові сопла розташовані на корпусі з кроком, рівним кутовому кроку камер згоряння і забезпечені встановленими на них клапанами з механізмами регулювання. Електричні контакти системи запалювання камер згоряння розміщені на торцях реактивних сопел. Недоліком даного пристрою є те, що для ініціювання запалювання робочої суміші використовуються електричні контакти, розміщені на торцях реактивних сопел, де вони постійно піддаються високій температурі та тертю, що може призвести до виходу їх з ладу, що для ізохорного спалювання робочої суміші використовуються клапани в газових соплах, які потрібно регулювати, що утворені робочі гази працюють малий відрізок часу, обмежений проміжками між соплами, що розжарені гази використовуються тільки для отримання від них кінетичної енергії в момент їх найвищого тиску, а надалі ці гази викидаються в атмосферу, що сама турбіна, не маючи системи охолодження, має схильність до перегріву, чим може бути викликана повна її зупинка. Також, подача робочих компонентів виконується з середини порожнистого вала, що обмежує масштабування пристрою та ускладнює обслуговування розміщених там механізмів. В основу винаходу поставлено задачу створити таку газову турбіну внутрішнього згорання, в якій ініціювання запалення робочої суміші буде проходити без тертя деталей, дотримання умов для ізохорного згорання палива буде виконано без використання допоміжних механізмів котрі потрібно регулювати. В процесі функціонування газової турбіни камери згорання будуть охолоджуватись з утворенням надлишкової енергії. Камери згорання будуть виконані з вбудованими в них соплами в такій геометричній формі, яка обумовить разом з чітким вектором руху робочих газів їх концентрацію, а конструкція статора та ротора дадуть змогу найбільшою мірою використовувати енергію робочих газів. Висока температура та тиск отримані при згоранні палива в камерах згорання будуть повною мірою використані при їх перетворенні та передачі у вигляді кінетичної енергії на вал відбору потужності без перегрівання турбіни разом з тим відпрацьовані гази будуть використані для отримання теплової енергії. Розташування пристроїв для подачі робочих компонентів в камери згорання буде таким, яке забезпечить вільний доступ до них при їх обслуговуванні, що дасть змогу створювати газові турбіни будьякого розміру. На кресленнях Фіг. 1, Фіг. 2, Фіг. 3, Фіг. 4 та Фіг. 5 схематично зображена газова турбіна внутрішнього згорання де на Фіг. 1 зображені станина та статор, на Фіг. 2 зображена газова турбіна в розрізі, на Фіг. 3 показаний ротор газової турбіни в розрізі та схему розташування лопаток на статорі та на роторі відносно одна до одної, на (Фіг. 4) показана задня кришка газової турбіни з розміщеними на ній штуцерами, форсунками та антифрикційний диск, на (Фіг. 5) показаний пустотілий циліндр з свічкою накалювання, жиклер та трубки. Для вирішення задачі запропонована газова турбіна внутрішнього згорання, яка складається з станини 1, на півкруглих частин корпуса статора 2 та 3 (надалі ЧКС 2 та ЧКС 3) з жорстко прикріпленими до них планками 4, в яких виконані отвори 5. Випускного патрубка 7, вмонтованого в ЧКС 2. Ідентичних дугоподібних лопаток 6, ширина яких менша за ширину ЧКС 2 та ЧКС 3, які жорстко прикріплені до внутрішніх стінок ЧКС 2 та ЧКС 3 в їх центральній частині на рівно віддаленій відстані одна від одної окрім області ЧКС 2 де перед патрубком 7 внутрішня стінка ЧКС 2 залишається вільною від лопаток 6. Ротора 8 циліндричної форми, що утворений з окремих ідентичних камер згорання 9, які в своїй основі жорстко кріпляться до вала відбору потужності (надалі ВВП) 10, в середній частині розширюються, а в верхній частині звужуються та мають нахил, протилежний напрямку обертання ротора 8. В кожній камері згорання 9, біля їх основи, з бічної сторони виконані ідентичні отвори 11, які знаходяться один від одного на відстані, рівній товщині простінок камер згорання 9 та на однаковій відстані від ВВП 10. Над отворами 11, на однаковій відстані від них, в кожній камері згорання 9 виконані отвори 12 з проміжками між ними, більшими, ніж товщина простінків камер згорання 9. В верхній частині камер згорання 9 виконані ідентичні отвори 13 в формі сопел, які направлені у зворотному напрямку відносно обертання ротора 8. В середній частині камер згорання 9 вмонтовано по дві паралельні перетинки 41 під гострим кутом відносно лівого простінка камер згорання 9 таким 1 UA 112224 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 чином, щоб нижня перетинка 41 не мала контакту з лівим простінком камер згорання 9, а верхня перетинка 41 не контактувала з правим простінком камер згорання 9. Відстань між ротором 8 та лопатками 6 є мінімально необхідною для вільного обертання ротора 8. На зовнішній частині ротора 8 по обох сторонах відносно сопел 13 жорстко прикріплюються ідентичні лопатки 14 на однаковій відстані одна від одної, які мають дугоподібну форму і обернено направлені до лопаток 6. Лопатки 14 мають однакову висоту з лопатками 6 та розміщуються на мінімальній відстані від них, необхідній для вільного обертання ротора 8. Задньої кришки 15 з отворами 16, яка кріпиться до ЧКС 2 та ЧКС 3 болтами (на кресленні не вказано). В середині кришки 15 виконаний круглий виступ 17, діаметр якого більший за відстань між протилежними отворами 12 в камерах згорання 9. В кришку 15 вмонтовано штуцер 1 8 з внутрішньою різьбою таким чином, щоб він співпадав з отворами 12 в камерах згорання 9 при обертанні ротора 8 та штуцери 19, 20, 21 та 22 з внутрішньою різьбою таким чином, щоб штуцер 20 був безпосередньо під штуцером 18 та співпадав з отворами 11 в камерах згорання 9 при обертанні ротора 8, штуцер 19 співпадав з отворами 11 та був віддалений від штуцера 20 на відстань, рівну не менше відстані між простінками в камерах згорання 9 в місці знаходження отворів 11, штуцер 21 знаходився напроти отвору 12 та розташовувався в діаметрально протилежній стороні відносно штуцера 18. Штуцер 22 розташовується напроти отвору 11 відразу після штуцера 19. Штуцери 18, 19, 20, 21 та 22 жорстко та герметично вмонтовуються в кришку 15 таким чином, щоб їх кінці виходили з внутрішньої сторони кришки 15 на відстань, рівну висоті виступу 17. Антифрикційного диска 23, зовнішній діаметр якого відповідає діаметру виступу 17, внутрішній діаметр перекриває отвори 11, а його товщина відповідає висоті виступу 17. В диску 23 виконані наскрізні отвори 24 таким чином щоб вони співпадали по своєму розміщенню та діаметру з розміщенням та діаметром штуцерів 18, 19, 20, 21 та 22. Передньої кришки 25 з отворами 26 та жорстко закріпленої на ній буксі 27, в якій виконана внутрішня герметична порожнина 28, в яку по різних її сторонах герметично вмонтовані штуцери 29. Підшипників 30. Форсунок для води 31 та 32, форсунки для окиснювача 33, форсунки для палива 34, пустотілого циліндра 35, свічки накалювання 36, жиклера 37, трубки для палива 38, трубки для повітря 39, шестірні 40, перетинок 41. Пружин, які встановлюються на штуцери 18, 19, 20, 21, 22 між внутрішньою стінкою задньої кришки 15 та антифрикційним диском 23 (на кресленні не вказано). Трубки, що поєднує вихідний штуцер 29 з форсунками 31 та 32 (на кресленні не вказано), зовнішньої теплоізоляції газової турбіни (на кресленні не вказано), стартера (на кресленні не вказано), ущільнювача ВВП 10 (на кресленні не вказано), рекуператора для відпрацьованої парогазової суміші з фільтром (на кресленні не вказано). Пристрій працює таким чином: В буксу 27 встановлюються підшипники 30, в які через ущільнювач (на кресленні не вказано) встановлюється ВВП 10 з ротором 8, після чого на ВВП 10 закріплюється шестірня 40. До станини 1 жорстко прикріплюється ЧКС 3, до якої через отвори 26 болтами (на кресленні не вказано) герметично прикріплюється кришка 25 з ВВП 10 та ротором 8. Надалі поверх ротора 8 встановлюється ЧКС 2 з вихідним патрубком 7 та герметично прикріплюється до ЧКС 3 через отвори 5 та до кришки 25 через отвори 26 болтами (на кресленні не вказано). На кришці 15 в штуцери 18 та 21 відповідно встановлюються форсунки для води 31 та 32, форсунка для окиснювача 33 встановлюється в штуцер 20, форсунка для палива 34 встановлюється в штуцер 19. Пустотілий циліндр 35 встановлюється в штуцер 22. В пустотілий циліндр 35 вкручується свічка накалювання 36 та жиклер 37, до якого під'єднуються трубка для палива 38 та трубка для повітря 39. В подальшому, з внутрішньої сторони задньої кришки 15 в виступ 17 на штуцери 18, 19, 20, 21, 22 надіваються пружини (на кресленні не вказано) та через отвори 24 на вищевказані штуцери встановлюється антифрикційний диск 23, після чого кришка 15 герметично прикручується до ЧКС 2 та ЧКС 3 болтами (на кресленні не вказано) через отвори 16 таким чином, щоб при співпадінні отвору 11 в одній окремо взятій камері згорання 9 з форсункою 33 отвір 13 у цій же камері згорання 9 знаходився перед областю ЧКС 2, де лопатки 6 відсутні. Вихідний штуцер 29 поєднується з форсунками 31 та 32 трубкою (на кресленні не вказано). На початку роботи газової турбіни внутрішнього згорання, ротору 8 з ВВП 10 через шестірню 40 стартером (на кресленні не вказано) надається обертальний рух. Потім в пустотілий циліндр 35 по трубці 38 до жиклера 37 подається паливо, по трубці 39 подається повітря, а на вмонтовану в нього свічку накалювання 36 короткотерміново подається напруга, внаслідок чого всередині циліндра 35 утворюється палаючий факел, який через отвори 11 потрапляє в камери згорання 9, що почергово проходять повз нього внаслідок обертання ротора 8. Одночасно з цим в порожнину 28 букси 27 через один з штуцерів 29 подається вода, яка виходить через інший штуцер 29 і по трубці (на кресленні не вказано), що поєднує вихідний штуцер 29 з форсунками для води 31 та 32 та надалі через отвори 12, почергово подається в камери згорання 9. 2 UA 112224 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Одночасно з цим до форсунки 33 подається окиснювач, який через отвори 11 почергово потрапляє в камери згорання 9 разом з тим на форсунку 34 подається паливо, яке почергово через отвори 11 потрапляє в камери згорання 9. При обертанні ротора 8 утворюються відцентрові сили, внаслідок чого вода, що потрапила в камери згорання 9, піднімається вгору по лівому простінку камер згорання 9 та проходить в отвір між нижньою перетинкою 41 та лівим простінком камер згорання 9, при цьому наштовхується на верхню перетинку 41, що прикріплена під гострим кутом до лівого простінка камери згорання 9 і, не маючи змоги, щоб опуститись вниз для свого переміщення між верхньою та нижньою перетинками 41, вода створює запірний клапан (водяний затвор), тим самим не дозволяючи окиснювачу та паливу розповсюджуватись по всьому внутрішньому об'єму камер згорання 9, утворюючи тим самим замкнутий простір, необхідний для подальшого ізохорного згоряння палива. Після того, як в окремо взяту камеру згорання 9 до окиснювача додається паливо, між перетинками 41 уже створений запірний клапан (водяний затвор) і ця камера згорання 9 з відповідним отвором 11 проходить поряд з палаючим факелом, що виходить з циліндра 35, який потрапляє до неї всередину та запалює суміш палива з окиснювачем, внаслідок чого утворюються великі тиск з температурою та водяна пара, яка, в свою чергу, під дією високої температури, частково дисоціює з виділенням тепла та тиску. Розігріта парогазова суміш проходить між перетинками 41 і вода, яка залишалась між перетинками 41, перетворюється на пару та під великим тиском виходить з отворів 13 камер згорання 9 відразу після ділянки на ЧКС 2, де лопатки 6 відсутні. Перегріта парогазова суміш потрапляє на дугоподібні лопатки 6 та, відбиваючись від них, потрапляє на обернуті лопатки 14 ротора 8, при цьому ротор 8 з ВВП 10 отримують крутний момент як від реактивного струменя з сопел 13, так і від процесу, що продовжується, розширення водяної пари, яка при переміщенні разом з ротором 8 та лопатками 14 знов потрапляє на лопатки 6. Після дисоціації водяної пари утворена при цьому температура частково зберігається в камерах згорання 9 і внаслідок обертання ротора 8 з камерою згорання 9, яка спочатку першою отримала воду, окиснювач та паливо на 180 градусів в відповідну камеру згорання 9 та почергово в кожну наступну з форсунки 32 через отвори 12 впорскується вода, яка охолоджує їх, а знову утворена водяна пара при цьому під тиском проходить поміж перетинок 41 та надалі виходить з отворів 13, де, отримавши опір від лопаток 6, додає крутного моменту на ВВП 10. Після обертання ротора 8 з камерою згорання 9, яка спочатку першою отримала воду, окиснювач та паливо на 360 градусів відпрацьована парогазова суміш виходить через патрубок 7 до рекуператора (на кресленні не вказано), де пара конденсується у воду, вода відфільтровується та знову подається до вхідного штуцера 29. Надалі цикли повторюються. Слід зазначити, що вода, яка подається з форсунок 31 та 32 до камер згорання 9 частково потрапляє під антифрикційний диск 23, внаслідок чого між ротором 8 та диском 23 утворюється водяна плівка, яка зменшує тертя стаціонарно розміщеного антифрикційного диска 23 об ротор 8, що постійно обертається, а пружини (на кресленні не вказано), встановлені на кінцях штуцерів 18,19, 20, 21, 22, притискають диск 23 до ротора 8, що компенсує його поступове зношення. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Газова турбіна внутрішнього згорання, яка в своєму складі має корпус статора, ротор з валом відбору потужності, підшипники, камери згорання, систему подачі робочих компонентів в камери згорання в порядку чергування, систему запалення робочої суміші, сопла, яка відрізняється тим, що камер згорання щонайменше дві, що в середній частині кожної камери згорання вмонтовано по дві паралельні перетинки під гострим кутом відносно лівого простінка відповідної камери згорання таким чином, щоб нижня перетинка не мала контакту з лівим простінком відповідної камери згорання, а верхня перетинка не контактувала з правим простінком вказаної камери згорання, що камери згорання оснащені соплами та звужуються в верхній частині в напрямку, протилежному напрямку обертання ротора, що в камерах згорання з бічної сторони виконані отвори для подачі робочих компонентів, що на роторі по обидві сторони від сопел встановлені дугоподібні лопатки ротора, що на внутрішній стінці статора закріплені дугоподібні лопатки статора, обернено направлені до дугоподібних лопаток ротора. 3 UA 112224 C2 4 UA 112224 C2 5 UA 112224 C2 6 UA 112224 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7