Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель

Способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе и газотурбинный двигатель

Реферат

 

Использование: в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: подают в источник 1 нагретого рабочего тела топливо и окислитель, получают нагретое рабочее тело и подают его в турбинную ступень 2. Создают разрежение на выходе из источника нагретого рабочего тела и на выходе из промежуточной турбинной ступени 2, отбирают часть отработавшего в этой ступени рабочего тела, расширяют нагретое рабочее тело после выхода из источника 1 нагретого рабочего тела, закручивают относительно продольной оси двигателя, расширяют, а затем охлаждают его перед подачей в турбинную ступень 2 отобранной частью отработавшего рабочего тела. Газотурбинный двигатель имеет по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень 2, источник 1 нагретого рабочего тела, имеющий вход и выход, сообщающийся с турбинной ступенью 2, устройство для закрутки рабочего тела относительно продольной оси двигателя, устройство 3 для создания разрежения на участке проточной части между выходом и источника нагретого рабочего тела и выходом турбинной ступени 2, при этом вход источника нагретого рабочего тела сообщается с атмосферой, а его выход выполнен в виде участка 5 расширения рабочего тела и сообщается с зоной между выходом турбинной ступени 2 и устройством 3 для создания разрежения. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к энергетике и может найти применение в газотурбинных силовых установках, в частности в установках, предназначенных для приводов наземных транспортных средств.

Известны способы преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинных двигателях, при котором долю полезной мощности увеличивают, либо повышая температуру рабочего тела перед турбиной, либо снижая температуру окислителя, используемого для сжигания топлива в целях получения рабочего тела [1]. Однако такие способы повышения полезной мощности недостаточно эффективны и наносят вред окружающей среде, так как в атмосферу выбpасывается большое количество выхлопных газов.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела, по которому изменяют температуру рабочего тела путем его охлаждения и расширения [2]. По этому способу осуществляют ступенчатое расширение, а в камеру сгорания подают дополнительный окислитель. Сжигание топлива перед промежуточной ступенью расширения производят с недостатком окислителя, а перед последней - с избытком.

Этот способ не обеспечивает достаточного повышения КПД, так как многостадийное сжигание топлива не приводит к уменьшению количества охлаждающего газа. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию потерь мощности двигателя на работу компрессора, а следовательно, к снижению КПД. Кроме того, сжигание обогащенной смеси приводит к снижению долговечности двигателя из-за обильного образования сажи. Наличие второй камеры сгорания для дожигания смеси с избытком окислителя приводит к усложнению способа.

Известен газотурбинный двигатель, содержащий по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени и источник нагретого рабочего тела [3]. Воздух забирается из атмосферы компрессором и поступает в источник нагретого рабочего тела в виде камеры сгорания, в которую подают топливо. Воздух в камере сгорания разделяется на два потока, один из которых используется для собственно сгорания топлива, а другой - для подмешивания к продуктам сгорания в целях снижения их температуры. Получаемое нагретое рабочее тело расширяется в ступенях турбины, в результате чего совершается полезная работа. Мощность газотурбинного двигателя частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть мощности является полезной мощностью двигателя. Полезная мощность газотурбинного двигателя составляет сравнительно небольшую долю от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Эта доля мощности определяется коэффициентом полезной работы, который для существующих газотурбинных двигателей составляет всего 0,3-0,4.

Описанный двигатель имеет низкий КПД, не превышающий 30%, и небольшую полезную мощность составляющую максимум 40% от мощности, развиваемой турбинными ступенями. Таким образом, основными недостатками этого газотурбинного двигателя являются низкий КПД при низкой полезной мощности. Кроме того, этот двигатель выбрасывает в атмосферу большое количество выхлопных газов, что крайне нежелательно с точки зрения охраны окружающей среды.

Следует отметить, что при необходимости создания маломощных газотурбинных двигателей возникает проблема, связанная с резким возрастанием потерь с проточной части, особенно в турбинных ступенях из-за значительного уменьшения геометрических размеров узлов соплового аппарата, турбинных лопаток и других деталей и компонентов двигателя. Так, например, при снижении мощности двигателя ниже 300 л.с. КПД становится менее 20%, что делает применение таких двигателей экономически нецелесообразным. Это явилось одной из основных причин, по которым газотурбинные двигатели до сих пор не смогли найти широкого применения в автомобильной промышленности. Одним из реальных путей повышения КПД маломощных газотурбинных двигателей является увеличение геометpических размеров турбинной части в целях снижения гидравлических сопротивлений. При этом также упрощается изготовление таких сложных деталей двигателя, как сопловые и рабочие лопатки.

В то же время реализация такого маломощного двигателя при существующих схемах не представляется возможной, поскольку воздух, подаваемый для сжигания топлива, подвергается сжатию в компрессоре, в результате чего при подаче меньшего количества топлива, рассчитанного на пониженную мощность двигателя, двигатель работает на обедненной смеси. По достижении коэффициента избытка окислителя 1,7 происходит срыв сгорания, и двигатель остановится.

Возможен другой вариант создания эффективного маломощного газотурбинного двигателя, при котором к турбинной ступени подается уменьшенная масса рабочего тела при сохранении его объема. Это возможно при создании разреженного потока окислителя. В этом случае необходимо пропускать через проточную часть двигателя такие же объемы нагретого рабочего тела, как и в двигателе аналогичных размеров, но большой мощности (свыше 300 л.с.). Вместе с тем, так как уменьшенного количества топлива, подаваемого для питания такого маломощного двигателя, оказывается недостаточно для перемещения этих объемов горячего рабочего тела через проточную часть двигателя, двигатель работать не может, поскольку вся энергия реализуется в турбине, расходуется на перемещение рабочего тела и ее может оказаться недостаточно даже для такого перемещения. Это например, видно из уравнения работы цикла L_c=C_p1T1-1/t -C_p2T - 11/_c где L_c - работа цикла; C_p1 - удельная теплоемкость рабочего тела; С_р2 - удельная теплоемкость воздуха; t - степень расширения рабочего тела в турбине; - показатель адиабаты; _е - КПД расширения; T_g* - температура рабочего тела; Т_ф* - температура воздуха; _с - степень сжатия воздуха; _с - КПД сжатия.

Работа сжатия, представленная вторым членом уравнение в правой части, при температуре окислителя около 300К составляет примерно 70% работы расширения в турбине при температуре расширения около 1000К. Таким образом, при пропуске через проточную часть двигателя рабочего тела, отработавшего в турбине и имеющего температуру 700К, работа сжатия по указанной формуле составит более 140% от работы расширения, что делает такую схему нереализуемой.

Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе путем нагрева топлива и окислителя в источнике нагретого рабочего тела, увеличения скорости нагретого рабочего тела на выходе из источника нагретого рабочего тела и создания разряжения на его выходе, отбора части отработавшего в турбинной ступени рабочего тела и охлаждения нагретого рабочего тела [4].

Недостаток данного способа заключается в его низкой эффективности.

В основу изобретения положена задача создания способа преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, по которому термодинамическое состояние нагретого рабочего тела, проходящего через проточную часть двигателя, изменяют таким образом, чтобы работа сжатия была меньше работы расширения без увеличения гидравлических потерь в проточной части турбины.

Поставленная задача решается тем, что по способу преобразования тепловой энергии в механическую в газотурбинном двигателе, имеющем проточную часть с выхлопным участком, по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень с выходом и источник нагретого рабочего тела с выходом, подают в источник нагретого рабочего тела топливо и окислитель и получают нагретое рабочее тело. Нагретое рабочее тело подают в турбинную ступень и создают разрежение на участке проточной части между выходом источника нагретого рабочего тела и выходом турбинной ступени. После выхода из источника нагретого рабочего тела расширяют нагретое рабочее тело, а затем охлаждают его перед подачей в турбинную ступень.

При таком способе через источник нагретого рабочего тела пропускается количество окислителя, соответствующее количеству топлива, направляемого на сжигание для получения заданной мощности двигателя. При этом окислитель, поступающий для сжигания топлива, не сжимается, как это имеет место во всех современных газотурбинных двигателях, и на это не расходуется энергия двигателя. Подача окислителя путем создания разрежения обеспечивает возможность эффективной работы двигателя с точки зрения гидравлических сопротивлений при размерах турбинной части и источника нагретого рабочего тела (камеры сгорания) таких же, как у турбин большой мощности. Вместе с тем охлаждение нагретого рабочего тела, подаваемого к турбинной ступени после его расширения, исключает необходимость подачи на вход источника нагретого рабочего тела, дополнительных объемов окислителя, которые обычно необходимы для снижения температуры рабочего тела, подаваемого к турбинной ступени, для доведения его параметров до величин, обеспечивающих длительную работу турбины при приемлемых уровнях надежности и долговечности. При этом создается возможность работы двигателя с коэффициентом избытка окислителя 1.

Таким образом, сочетание подачи окислителя под действием разрежения с расширением нагретого рабочего тела и его последующим охлаждением обеспечивает возможность минимизации работы сжатия рабочего тела и приводит к увеличению полезной мощности и КПД. При этом возможно создание газотурбинного двигателя пониженной мощности при геометрических размерах турбинной части и камеры сгорания, сопоставимых с размерами современных газотурбинных двигателей мощностью более 300 л.с., у которых гидравлические сопротивления сведены к приемлемому минимуму.

Нагретое рабочее тело целесообразно охлаждать отработавшим рабочим телом турбинной ступени. При этом охлаждение рабочего тела отработавшим в первой ступени рабочим телом после изменения его термодинамического состояния значительно увеличивает кинетическую энергию рабочего тела, подводимого к первой турбинной ступени, что повышает КПД. Поскольку охлаждение ведется отработавшим рабочим телом, во-вторых, повышается общая теплоемкость рабочего тела, что ведет к увеличению работы расширения в турбинной ступени, а во-вторых, уменьшается количество выхлопных газов (в 2-4 раза). Вместе с тем снижаются потери тепла с выхлопными газами за счет частичной рекуперации тепла отработавшего рабочего тела.

Нагретое рабочее тело целесообразно закручивать относительно продольной оси газотурбинного двигателя перед охлаждением. При этом повышается КПД смешения.

На вход источника нагретого рабочего тела подают множество потоков вспомогательной текучей среды, закрученных относительно продольной оси газотурбинного двигателя, и увеличивают скорость нагретого рабочего тела на выходе из источника нагретого рабочего тела, при этом на участке между входом в источник нагретого рабочего тела и зоной нагрева рабочего тела скорость рабочего тела снижают. Таким образом, обеспечивается закрутка рабочего тела, а точнее дополнительная закрутка рабочего тела перед его нагреванием до рабочей температуры без увеличения гидравлического сопротивления в проточной части источника нагретого рабочего тела. При этом обеспечивается увеличение живого сечения проточной части источника нагретого рабочего тела, что позволяет либо снизить потери, либо увеличить мощность на единицу веса.

В качестве вспомогательной текучей среды используют топливо. Топливо перед подачей на вход источника нагретого рабочего тела нагревают. При этом обеспечивается использование топлива не только по прямому назначению, но и для достижения эффекта изобретения - закручивания потока рабочего тела без повышения гидравлического сопротивления проточной части источника нагретого рабочего тела. Нагревание топлива перед подачей на вход источника нагретого рабочего тела обеспечивает улучшение смесеобразования и повышает эффективность сгорания с увеличением общего КПД.

Нагретое рабочее тело после расширения соединяют с потоком отработавшего рабочего тела турбиной ступени, после чего объединенный поток вторично расширяют. При этом не происходит уменьшения кинетической энергии потока рабочего тела, образованного нагретым или первичным рабочим телом и отработавшим в турбинной ступени рабочим телом перед входом потока рабочего тела в турбинную ступень.

Отработавшее рабочее тело турбинной ступени разгоняют перед его соединением с потоком нагретого рабочего тела путем подвода внешней энергии к потоку отработавшего рабочего тела турбинной ступени. Отработавшее рабочее тело турбинной ступени разгоняют путем подвода к нему тепловой энергии от потока рабочего тела с выхлопного участка проточной части. Разгон отработавшего рабочего тела турбинной ступени перед его соединением с потоком рабочего тела путем подвода внешней (тепловой) энергии к потоку отработавшего рабочего тела турбинной ступени обеспечивает дополнительное повышение кинетической энергии потока рабочего тела, направляемого в первую ступень. Это происходит благодаря тому, что уменьшается разность между скоростями смешиваемых потоков, что снижает потери энергии на удар.

Отработавшее рабочее тело, используемое для охлаждения нагретого рабочего тела, подводимого к турбинной ступени, предварительно охлаждают. При этом снижается количество отработавшего рабочего тела, направляемого на охлаждение нагретого рабочего тела для увеличения КПД.

Отработавшее рабочее тело предварительно охлаждают окислителем, подводимым к источнику нагретого рабочего тела. Это повышает температуру окислителя и, следовательно, температуру нагретого рабочего тела.

Отработавшее рабочее тело предварительно охлаждают топливом, подводимым к источнику нагретого рабочего тела. При этом повышается температура топлива, идущего на сгорание, с одновременным понижением температуры отработавшего рабочего тела, что повышает общий КПД.

Топливо, подводимое к источнику нагретого рабочего тела, распыляют перед охлаждением рабочего тела, подводимого к турбинной ступени. Это способствует улучшению эффективности охлаждения благодаря более интенсивному испарению топлива.

Отработавшее рабочее тело, идущее на выхлоп, охлаждают на участке проточной части между выходом турбинной ступени и выхлопным участком проточной части. При этом уменьшается работа сжатия рабочего тела благодаря промежуточному охлаждению отработавшего рабочего тела, идущего на выхлоп. Отобранное тепло используется для повышения кинетической энергии отработавшего рабочего тела, подаваемого на охлаждение нагретого рабочего тела, идущего в турбинную ступень. При этом повышается скорость отработавшего рабочего тела, возвращаемого в турбинную ступень, что уменьшает разность скоростей этого рабочего тела и нагретого рабочего тела, поступающего из источника нагретого рабочего тела после его расширения, для снижения потерь на удар. Это повышает КПД двигателя.

Поставленная задача также решается тем, что газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере одну размещенную в проточной части турбинную ступень и источник нагретого рабочего тела, имеющий вход и выход, сообщающийся с турбинной ступенью. Двигатель снабжен устройством для создания разрежения на участке проточной части между выходом источника нагретого рабочего тела и выходом турбинной ступени. Вход источника нагретого рабочего тела сообщается с атмосферой, а его выход выполнен в виде участка расширения рабочего тела и сообщается с зоной между выходом турбинной ступени и устройством для создания разрежения.

При таком устройстве обеспечивается создание газотурбинного двигателя мощностью менее 300 л.с., имеющего геометрические размеры турбинной части и камеры сгорания, сопоставимые с размерами современных газотурбинных двигателей мощностью более 300 л.с., имеющих приемлемое гидравлическое сопротивление турбинного тракта. В результате газотурбинный двигатель малой мощности может быть создан с приемлемыми полезной мощностью и КПД.

Двигатель целесообразно выполнить с эжектором, имеющим два входа и выход. Первый вход эжектора сообщается с источником нагретого рабочего тела, второй вход эжектора сообщается с выходом турбинной ступени, а выход эжектора сообщается с входом турбинной ступени. При такой устройстве обеспечивается высокая эффективность смешения потоков нагретого и отработавшего рабочего тела.

Выход первой турбинной ступени выполнен с камерой, сообщающейся с вторым входом эжектора для обеспечения наиболее эффективного забора отработавшего рабочего тела.

Эжектор может быть образован размещенными в проточной части кольцевым каналом и радиально установленными по окружности кольцевого канала пластинами. Каждая пластина расположена под углом к диаметральной плоскости сечения кольцевого канала. Эжектор снабжен охлаждающей рубашкой. При таком устройстве обеспечивается расширение нагретого рабочего тела одновременно с его закруткой и с охлаждением отработавшего рабочего тела, например, топливом.

В другом варианте осуществления изобретения двигатель может иметь устройство для подачи на вход в источник нагретого рабочего тела множества потоков вспомогательной текучей среды, закрученных относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Устройство для подачи множества потоков вспомогательной текучей среды, закрученных относительно продольной оси газотурбинного двигателя, может быть образовано размещенным в проточной части кольцевым каналом и множеством радиально установленных по окружности кольцевого канала сопл, имеющих выпускные каналы, продольные оси которых расположены под углом = 120-60^о к линии пересечения плоскости поперечного сечения сопла с диаметральной плоскостью продольного сечения кольцевого канала, проведенной через выходное сечение выпускного канала сопла. При этом обеспечивается закрутка потока нагретого рабочего тела без применения специального соплового или направляющего аппарата, что повышает надежность и долговечность.

Проточная часть источника нагретого рабочего тела на выходе может иметь вид конфузора, а участок проточной части источника рабочего тела между входом в источник нагретого рабочего тела и зоной нагрева рабочего тела имеет вид диффузора. При этом обеспечивается устойчивое, безотрывное горение путем снижения скорости на первом участке и повышается скорость потока, в следовательно, его кинетическая энергия на втором участке.

Двигатель может быть снабжен эжектором, имеющим три входа и выход. Первый вход эжектора сообщается с источником нагретого рабочего тела, второй вход эжектора сообщается с выходом первой турбинной ступени в зоне проточной части, радиально удаленной от оси газотурбинного двигателя, третий вход эжектора сообщается с выходом первой турбинной ступени в зоне проточной части, радиально расположенной со стороны оси газотурбинного двигателя, а выход эжектора сообщается с входом первой турбинной ступени. При этом обеспечивается эффективный ввод вспомогательной текучей среды для закручивания нагретого рабочего тела.

Сопла предпочтительно сообщаются с источником топлива. Между соплами и источником топлива можно установить устройство для нагревания топлива. На входе устройства для нагревания топлива могут быть установлены распылители, соединенные с источником топлива. Эти устройства обеспечивают повышение КПД двигателя благодаря описанным выше преимуществам.

Устройство для нагревания топлива предпочтительно представляет собой рубашку охлаждения источника нагретого рабочего тела. При этом повышается КПД двигателя.

Проточная часть источника нагретого рабочего тела может иметь начальный участок, сообщающийся с источником топлива и с атмосферой, и сообщающийся с начальным участком криволинейный участок, имеющий монотонную кривизну и концевую часть, примыкающую к турбинной ступени. Криволинейный участок имеет два сужения, одно из которых расположено в зоне, примыкающей к начальному участку, а другое - перед турбинной ступенью, и участок увеличения поперечного сечения между указанными сужениями, сообщающийся с выходом турбинной ступени. При такой конструкции не происходит снижения кинетической энергии потока рабочего тела, объединенного с потоком отработавшего рабочего тела, перед подачей в турбинную ступень.

Источник нагретого рабочего тела может быть выполнен в виде кольцевой камеры сгорания с охватывающей ее рубашкой, имеющей входной коллектор, сообщающийся с выходом турбинной ступени. Внутренняя полость рубашки сообщается с проточной частью источника нагретого рабочего тела на участке увеличения площади поперечного сечения проточной части источника нагретого рабочего тела. При этом обеспечивается компактность конструкции и снижаются тепловые потери.

Внутренняя полость рубашки может быть выполнена в виде двух сообщающихся с входным коллектором ветвей, одна из которых, имеющая большее поперечное сечение, расположена с выпуклой стороны источника нагретого рабочего тела, а другая размещена с вогнутой стороны источника нагретого рабочего тела. При этом обеспечивается избирательное охлаждение нагретого рабочего тела на разных участках проточной части источника нагнетого рабочего тела.

Ветвь рубашки, расположенная с выпуклой стороны источника нагретого рабочего тела, предпочтительно имеет площадь поперечного сечения в 5-8 раз больше, чем площадь поперечного сечения ветви рубашки, размещенной с вогнутой стороны источника нагретого рабочего тела. При такой конструкции обеспечивается необходимое соотношение количеств тепла, отводимого от разных участков смешения потоков рабочего тела с учетом различных величин потерь кинетической энергии при смешении.

Двигатель предпочтительно имеет теплообменное устройство, имеющее входы по горячей и холодной сторонам, сообщающиеся с выходом первой турбинной ступени, и выход по холодной стороне, связанный с последующей турбинной ступенью, а также выход по горячей стороне, соединенный с коллектором рубашки. При этом обеспечивается использование тепла отработавшего в первой турбинной ступени рабочего тела в последующих ступенях для повышения общего КПД двигателя.

Двигатель может быть снабжен теплообменным устройством, у которого горячая сторона соединена с выхлопным участком проточной части, а холодная сторона соединена с выходом турбинной ступени. При такой конструкции двигателя уменьшается работа сждатия рабочего тела благодаря промежуточному охлаждению отработавшего рабочего тела, идущего на выхлоп. При этом полученное тепло используется для повышения кинетической энергии отработавшего рабочего тела, подаваемого на охлаждение нагретого рабочего тела, идущего в турбинную ступень. Этим повышается скорость отработавшего рабочего тела, возвращаемого в турбинную ступень, что снижает разность скоростей этого рабочего тела и нагретого рабочего тела, поступающего из источника нагретого тела после его расширения. При этом снижаются потери на удар и повышается КПД двигателя.

На фиг. 1 схематично изображен газотурбинный двигатель, общий вид; на фиг.2 - тот же газотурбинный двигатель, продольный разрез; на фиг.3 - газотурбинный двигатель с эжектором для возврата отработавшего рабочего тела, продольный разрез; на фиг.4 - газотурбинный двигатель с другим выполнением эжектора для возврата отработавшего рабочего тела, продольный разрез; на фиг.5 - разриез А-А на фиг.4; на фиг.6 - разрез Б-Б на фиг.5; на фи.7 - газотурбинный двигатель с закручиванием нагретого рабочего тела с помощью вспомогательной текучей среды, продольный разрез; на фиг.8 - разрез В-В на фиг. 7; на фиг.9 - разрез Г-Г на фиг.8; на фиг.10 - вид Д на фиг.9; на фиг. 11 - разрез Е-Е на фиг.7; на фиг.12 - газотурбинный двигатель с вторичным расширением рабочего тела перед подачей в турбинную ступень, продольный разрез.

Газотурбинный двигатель (фиг.1) имеет источник 1 нагретого рабочего тела, турбинную ступень 2 и устройство 3 для создания разрежения. Турбинная ступень 2 и устройство 3 соединены валом 4 для привода устроойства, которое может быть, например, выполнено в виде вентилятора. В качестве устройства 3 может быть ипользовано любое устройство для создания разрежения в проточной части двигателя, например источник вакуума или обращенный компрессор. Детали такого устройства должны иметь определенную теплостойкость и геометрические параметры, рассчитанные на работу в потоке отработавшего рабочего тела. На выходюе источника 1 нагретого рабочего тела имеется участок 5 расширения. Топливо и воздух для горения подводятся к источнику нагретого рабочего тела, как показано стрелками А и В. Получаемая при сжигании топлива смесь продуктов сгорания, представляющая собой нагретое рабочее тело, поступает (показано стрелкой С на участок 5 расширения, где нагретое рабочее тело расширяется. В общем случае участок расширения представляет собой конфузор, сопловой аппарат и т.п. и служит для увеличения кинетической энергии потока нагретого рабочего тела. После расширения на участке 5 и приобретения потоком критической скорости от потока нагретого рабочего тела дополнительно отводят тепловую энергию путем охлаждения (показано стрелкой D). Такое охлаждение может осуществляться любым известным способом, например путем теплообмена, обдува, созданием рубашки и т.п. Далее рабочее тело, параметры которого (в частности, температура) доведены до величин, необходимых для обеспечения нормальной работы турбинной ступени, поступает в турбинную ступень (показано стрелкой Е).

Следует отметить, что забор окислителя (воздуха) по стрелке А, а также разгон нагретого рабочего тела, его расширение и подача в турбинную ступень происходит под действием разрежения, создаваемого устройством 3 на участке проточной части газотурбинного двигателя между выходом С источника 1 нагретого рабочего тела и выходом F турбинной ступени 2. Забор воздуха производится в количестве, необходимом для сжигания топлива при коэффициенте избытка воздуха. При этом сообщение входа источника 1 с атмосферой выполнено так, чтобы обеспечить забор необходимого для сгорания количества воздуха. Отработавшее в турбинной ступени рабочее тело проходит через выход F и через устройство 3 для создания разрежения и выходит из проточной части газотурбинного двигателя через выхлопной участок G.

Отработавшее рабочее тело с турбинной ступени 2 поступает по линии Н на участок 5 расширения для охлаждения нагретого рабочего тела после его расширения. Это наиболее целесообразный способ охлаждения нагретого и расширенного рабочего тела перед его подачей в турбинную ступень 2.

Может быть установлен теплообменник 6, горячая сторона которого соединена линией I с участком проточной части между выхлопом G и турбинной ступенью 2. Холодная сторона теплообменника соединена линией J с выходом турбинной ступени 2. При этом кинетическая энергия отработавшего рабочего тела повышается путем подвода к нему тепловой энергии рабочего тела, пропущенного через проточную часть устройства 3 для создания разрежения. Из оказанного очевидно, что при таком способе обеспечивается наиболее целесообразное охлаждение нагретого рабочего тела возвращаемым отработавшим нагретым телом, имеющим повышенную теплоемкость и возвращающим часть тепловой энергии. Такой энергообмен дополнительно повышает кинетическую энергию рабочего тела, направляемого в турбину, и снижает работу сжатия.

Газотурбинный двигатель на фиг.2 имеет две турбинные ступени 2 и 7. Участок 5 расширения имеет вид конфузора. Устройство 3 для создания разрежения представляет собой двухступенчатый вентилятор с сопловым аппаратом 8 и рабочим колесом 9 одной ступени и сопловым аппаратом 10 и рабочим колесом 11 второй ступени. Участок 5 расширения имеет окна 12 в конфузоре, которые сообщаются через канал 13 с выходом 14 первой турбинной ступени 2. При этом осуществляется возврат рабочего тела, отработавшего в первой турбинной ступени 2, на участок 5 расширения для охлаждения нагретого рабочего тела после его расширения. Отработавшее рабочее тело на выхлопе между ступенями 8 и 10, 11 устройства 3 и турбинными ступенями 2, 7 омывает стенки теплообменника 6, через который проходит отработавшее в первой ступени 2 рабочее тело, возвращаемое на участок 5 расширения источника 1 нагретого рабочего тела. Источник нагретого рабочего тела имеет окна 15 на входе, сообщающиеся с атмосферой. Таким образом, устройство 3 для создания разрежения обеспечивает подачу окислителя (воздуха) в источник нагретого рабочего тела.

Газотурбинный двигатель, показанный на фиг.2, работает следующим образом.

После запуска двигателя пусковым устройство (не показано) в проточной части между выходом турбинной ступени 2 и выходом 5 источника 1 нагретого рабочего тела создается разрежение. В результате воздух под действием атмосферного давления поступает через окна 15 в источник 1, в который также поступает топливо (по стрелке В). Поджигание образуемой таким образом топливной смеси с помощью специального устройства (не показано) приводит к образованию продуктов сгорания, которые образуют нагретое рабочее тело, движущееся под действием разрежения в проточной части в сторону участка 5 расширения рабочего тела, где скорость потока возрастает, что приводит к увеличению его кинетической энергии. За участком 5 расширения рабочего тела происходит соединение расширенного рабочего тела с отработавшим рабочим телом, поступающим с выхода первой турбинной ступени 2 и разогнанным в теплообменнике 6. В результате параметры нагретого рабочего тела доводятся до величин, требуемых для нормальной работы первой турбинной ступени 2. Остальная часть рабочего тела с выхода турбинной ступени 2 поступает в следующую турбинную ступень 7 и далее через устройство 3 на выхлоп.

На фиг. 3 представлен вариант конструкции газотурбинного двигателя с эжектором для возврата отработавшего рабочего тела с первой турбинной ступени на участок 5 расширения нагретого рабочего тела. Двигатель имеет по меньшей мере две размещенные в проточной части турбинные ступени 2 и 7, при этом первая турбинная ступень 2 имеет сопловой аппарат 16. Турбина имеет проточную часть 17 и источник 1 нагретого рабочего тела, выполненный в виде камеры сгорания, на входе которой имеются отверстия 15, сообщающиеся с атмосферой для подачи воздуха, необходимого для сгорания топлива, подводимого к источнику 1 с помощью форсунки 18. Газотурбинный двигатель имеет эжектор 19, имеющий первый вход 20, сообщающийся с источником 1 нагретого рабочего тела, и второй вход 21, сообщающийся с выходом первой турбинной ступени 2. Эжектор 19 имеет выход 22,з который сообщается с входом первой турбинной ступени 2. Проточная часть источника 1 имеет участок 23 смешения.

Представленный на фиг.3 газотурбинный двигатель работает так же, как и двигатель, показанный на фиг.2, с той риазницей, что возврат отработавшего рабочего тела производится через эжектор 19, что обеспечивает повышение КПД благодаря более эффективной и правильной организации процесса смешения двух потоков рабочего тела и охлаждения нагретого рабочего тела. Теплообменник 6 в этом варианте не показан, хотя он может быть установлен с получением того же эффекта.

Эжектор 19 обеспечивает закручивание потока нагретого рабочего тела одновременно с его расширением. Его основная часть представляет собой кольцевой канал 24 (фиг.4-6), в котором расположены радиально установленные по окружности кольцевого канала 24 пластины 25. Каждая пластина расположена под углом к диаметральной плоскости 0-0 сечения кольцевого канала 24 (фиг. 6). Выход первой турбинной ступени 2 выполнен с камерой, сообщающейся с вторым входом эжектора, т.е. с окнами 26 (фиг.4). Камера является коллектором для забора отработавшего рабочего тела и направления его в эжектор 19. В этом варианте первая ступень 2 турбины не имеет соплового аппарата, так как его функции выполняет эжектор 19.

Как показано на фиг.4, эжектор 19 имеет охлаждающую рубашку 27 для охлаждения отработавшего рабочего тела, отбираемого от первой турбинной ступени 2. В рубашку 27 подается топливо через распылитель 28 от источника подачи топлива (не показан). Выход охлаждающей рубашки 27 соединен с форсункой горелочного устройства (не показано) источника 1 нагретого рабочего тела.

Вариант газотурбинного двигателя, представленный на фиг.4-6, работает аналогично. Однако, поскольку в данном случае эжектор 19 осуществляет закручивание потока нагретого рабочего тела одновременно с его расширением благодаря наличию наклонных пластин 25, в этом случае нагретое рабочее тело в смеси с охлаждающим его отработавшим рабочим телом направляется непосредственно на рабочее колесо (не показано) первой турбинной ступени 2. При этом обеспечивается значительное укорочение участка 23 смешения.

Как показано на фиг.7-11, закручивание потока нагретого рабочего тела осуществляется до его нагревания и расширения на начальном участке источника 1 нагретого рабочего тела путем подачи вспомогательной текучей среды.

Газотурбинный двигатель на фиг.7 имеет три турбинные ступени 2, 7 и 29, размещенные в проточной части, источник 1 нагретого рабочего тела, источник топлива (обозначен стрелками). Устройство 30 для подачи на вход источника нагретого рабочего тела множества потоков вспомогательной текучей среды, закрученных относительно продольной оси 0-0 газотурбинного двигателя, выполнено в виде кольцевого канала 31 (фиг.8) и множества радиально установленных по окружности кольцевого канала 31 сопл 32 (фиг.8 и 9), имеющих выпускные каналы 33 (фиг.9), продольные оси 0₁-0₁ которых расположены под углом = 120-60^о к линии 0₂-0₂ пересечения плоскости поперечного сечения сопла 32 с диаметральной плоскостью продольного сечения кольцевого канала 31, проведенной через выходное сечение выпускного канала 33 сопла 32. Выпускные каналы 33 могут представлять собой щелевые отверстия, как показано на фиг. 10. Детали устройства 30 для подачи множества потоков вспомогательной текучей среды, включая сопла 32, изготовлены из конструкционных материалов, к которым не предъявляются особые требования по жаропрочности, так как устройство размещено в зоне 34, в которой температура невелика по сравнению с зонам