Патент на изобретение №2268379

(54) ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

(57) Реферат:

Газотурбинный двигатель наземного применения относится к области машиностроения и может быть использован при создании газотурбинных двигателей авиационного типа, предназначенных для привода различных машин, например генераторов тока или газовых компрессорных станций магистральных трубопроводов для транспортировки природного газа. Газотурбинный двигатель наземного применения содержит компрессор, коллектор чистого воздуха, коллектор смешанного воздуха, камеру сгорания, рабочую турбину, свободную силовую турбину, улитку выхлопную. Улитка выхлопная дополнительно снабжена эжектором, соединенным воздуховодом с коллектором чистого воздуха, установленным за компрессором, и воздуховодом подачи смеси воздуха с выхлопными газами с коллектором смешанного воздуха, расположенным перед камерой сгорания. Изобретение повышает КПД. 1 ил.

Газотурбинный двигатель наземного применения относиться к области машиностроения и может быть использован при создании газотурбинных двигателей авиационного типа, предназначенных для привода различных машин, например генераторов тока или газовых компрессорных станций магистральных трубопроводов для транспортировки природного газа.

Известны газотурбинные двигатели (ГТД), например двигатель НК-38СТ ОАО «СНТК им. Н.Д.Кузнецова», двигатель ПС-90ГП-1 ОАО «Пермский моторный завод», используемые в качестве привода газовых компрессоров газоперекачивающих агрегатов, компрессорных станций, генераторов тока на электростанциях, содержащие газогенератор и свободную (или силовую) турбину, преобразующую энергию газового потока после рабочей турбины газогенератора в энергию вращательного движения ее ротора и передающую крутящий момент потребителю («Анализ основных компоновочных и технических решений, принятых различными производителями ГПА при их разработке» альбом ОАО «Сумское НПО им М.В.Фрунзе», 2001 г., стр.77, 80, см. приложение).

Наиболее близкой по технической сущности является компоновка двигателя НК-16-18СТ серии 2, разработанного ОАО КПП «Авиамотор» и ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение» (изготовитель), принятый за прототип, который содержит газогенератор и свободную (или силовую) турбину, преобразующую энергию газового потока после рабочей турбины газогенератора в энергию вращательного движения ее ротора (Рекламный проспект ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», приводной газотурбинный двигатель НК-16-18СТ серии 2, смотри копию в приложении).

Характерной особенностью известных двигателей, в том числе и принятого за прототип, является то, что количество воздуха, подаваемого компрессором газогенератора (цикловой воздух) на вход в его камеру сгорания значительно, в 4 и более раза, превышает необходимое для обеспечения сгорания топлива. Это продиктовано температурными ограничениями со стороны применяемых конструкционных материалов деталей и узлов, работающих в условиях высоких температур.

Известные двигатели обеспечивают относительно низкий коэффициент полезного действия (КПД), составляющий у двигателя НК-16 СТ, например, всего 29%.

Задачей предлагаемого технического решения является существенное повышение КПД по отношению к известньм двигателям, в том числе и двигателей серии НК-16-18 СТ.

Поставленная задача решается за счет того, что газотурбинный двигатель наземного применения содержит компрессор, коллектор чистого воздуха, коллектор смешанного воздуха, камеру сгорания, рабочую турбину, свободную силовую турбину, улитку выхлопную, при этом улитка выхлопная дополнительно снабжена эжектором, соединенным воздуховодом с коллектором чистого воздуха, установленным за компрессором, и воздуховодом подачи смеси воздуха с выхлопными газами с коллектором смешанного воздуха, расположенным перед камерой сгорания.

На чертеже схематично изображен газотурбинный двигатель наземного применения, который содержит компрессор 1, коллектор чистого воздуха 2, коллектор смешанного воздуха 3, камеру сгорания 4, рабочую турбину 5, свободную силовую турбину 6, улитку выхлопную 7 с эжектором, воздуховод отбора чистого воздуха 8, воздуховод подачи смеси воздуха с выхлопными газами 9.

За компрессором 1 установлен коллектор чистого воздуха 2, соединенный воздуховодом отбора чистого воздуха 8 с эжектором выхлопной улитки 7, установленной на выходе свободной силовой турбины 6. За коллектором чистого воздуха 2 расположены коллектор смешанного воздуха 3, соединенный воздуховодом 9 подачи смеси воздуха с выхлопными газами с эжектором выхлопной улитки 7, камера сгорания 4 и рабочая турбина 5.

Газотурбинный двигатель наземного применения работает следующим образом. Атмосферный воздух, забираемый компрессором 1, поступает в установленный на его выходе коллектор чистого воздуха 2 и по воздуховоду отбора чистого воздуха 8 в качестве «активной» составляющей в эжектор, установленный в выхлопной улитке 7 на выходе из свободной силовой турбины 6. При такой компоновке из атмосферы забирают часть необходимого по массе количества циклового воздуха. Вторую, недостающую часть воздуха добирают с помощью эжектора, размещенного в улитке выхлопной 7 из потока выхлопных газов. Воздух сжимают в компрессоре 1 до давления, которое превышает необходимое, рассчитанное для полного количества воздуха, участвующего в цикле. «Активный» воздух, проходя через выхлопную улитку 7 с эжектором, захватывает часть выхлопных газов и в смеси с ними по воздуховоду подачи смешанного воздуха 9 поступает через коллектор сжатого воздуха 3 на вход в камеру сгорания 4. Происходит рециркуляция части циклового воздуха. Последующая часть цикла происходит, как и у двигателя, взятого за прототип.

Сущность предлагаемого технического решении состоит в том, что в качестве циклового воздуха в термодинамическом цикле двигателя используется не только атмосферный воздух, забираемый и нагнетаемый компрессором газогенератора непосредственно из атмосферы, но и воздух, смешанный с продуктами сгорания, забираемый из выхлопной системы на выходе из свободной силовой турбины двигателя, содержащий достаточное количество кислорода и имеющий температуру приблизительно такую же, что и воздух на выходе из компрессора.

Отбор чистого воздуха сразу после компрессора, смешивание его с выхлопными газами с помощью эжектора и подача в камеру сгорания уже разогретой смеси позволяет снизить количество топлива, сжигаемого в камере сгорания, то есть расходуемого двигателем, что и определяет более высокий КПД двигателя с рециркуляцией циклового воздуха по сравнению с известными.

Формула изобретения

Газотурбинный двигатель наземного применения, содержащий компрессор, коллектор чистого воздуха, коллектор смешанного воздуха, камеру сгорания, рабочую турбину, свободную силовую турбину, улитку выхлопную, отличающийся тем, что улитка выхлопная дополнительно снабжена эжектором, соединенным воздуховодом с коллектором чистого воздуха, установленным за компрессором, и воздуховодом подачи смеси воздуха с выхлопными газами с коллектором смешанного воздуха, расположенным перед камерой сгорания.

РИСУНКИ