Генерирующая электричество система с кольцевой камерой сгорания
Патент 2243383
Авторы
Классы МПК
Генерирующая электричество система с кольцевой камерой сгорания
Реферат
Генерирующая электричество система содержит корпус, камеру сгорания, турбину, выполненную из множества лопастей турбины, прикрепленных к ротору, компрессорную камеру, множество лопастей компрессора, прикрепленных к упомянутому ротору, воздушный впускной канал, множество магнитов, прикрепленных к упомянутому ротору. Лопасти компрессора расположены в компрессорной камере. В корпусе предусмотрен статор, выполненный из материала, способного притягиваться магнитами, и расположеный в непосредственной близости по отношению к упомянутому множеству магнитов, благодаря чему вращение упомянутого ротора вызывает изменение в потоке вокруг упомянутого статора, тем самым генерируя электричество. Генерирующая электричество система также содержит дозирующий топливо клапан, находящийся в гидравлической связи с упомянутой камерой сгорания. Дозирующий топливо клапан содержит пропорциональный соленоид, имеющий плунжер с наконечником. При этом корпус клапана образует плунжерную полость, впускное отверстие и выпускное отверстие. Плунжер приспособлен выступать вдоль продольной оси в упомянутой плунжерной полости. К корпусу клапана прикреплена пластина потока, имеющая образованное в ней отверстие и расположенная внутри плунжерной полости между впускным и выпускным отверстиями. Изобретение позволяет уменьшить выброс окислов азота и повысить надежность генерирующей электричество системы. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 24 ил.
СУЩЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1) Область техники
Данное изобретение относится в общем случае к генерирующей электричество системе, а конкретнее к компактной системе, которая включает в себя кольцевую камеру сгорания и турбину для выработки электричества.
2) Предшествующий уровень техники
Известны компактные генерирующие электричество системы, использующие кольцевые камеры сгорания и турбины. В настоящее время эти системы используются для выработки от 25 кВт до 50 кВт электроэнергии. Такие системы изготавливаются некоторыми компаниями, такими как Кэпстоун Турбин Корпорэшн (Capstone Turbine Corporation), Marbaix (Марбэкс), Bowman Power Systems Ltd. (Баумэн Пауэр Системе Лтд.) и Allied-Signal Corp. (Эллайд-Сигнал Корп.).
Большинство вышеописанных генерирующих электричество систем разработано для использования военными в боевых условиях, хотя они могут быть использованы и в других областях техники. Следовательно, эти генерирующие системы построены согласно военным характеристикам, что выражается в дорогих системах.
В то время как военные запросы на компактные генерирующие электричество системы уменьшаются, в последнее время существует интерес к этим системам в гражданских областях применения, в первую очередь в качестве резервных источников питания для компьютеров. Однако приемлемость этих систем ограничена из-за их высокой стоимости.
Следовательно, в основу настоящего изобретения положена задача создания недорогой, компактной, легкой по весу и долговечной генерирующей электричество системы, которая включает в себя кольцевую камеру сгорания, использующую углеводородные топлива, такие как дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, бензин, природный газ и топлива спиртового типа.
Обычно выхлопные газы (других газовых турбин), выходящие из камеры сгорания, очищаются с целью сокращения в нем исходящих в атмосферу окислов азота NOx.
Поэтому другой задачей настоящего изобретения является создание камеры сгорания с небольшим выбросом NOx и с небольшим общим уровнем выбросов.
Кроме этого, во многих применениях генерирующие электричество системы этого типа работают с перерывами, и такой режим использования систем может вызвать засорение топливопроводов, инжекторов и/или топливных насосов. Важно, чтобы эти системы работали так сказать по первому требованию, так как они в первую очередь используются как резервные системы для первичных источников питания и/или как основное питание.
Поэтому еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение надежной генерирующей электричество системы, которая может работать с перерывами с соответствующей надежностью.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Генерирующая электричество система, содержащая корпус, кольцевую камеру сгорания, турбину, компрессорную камеру и компрессор, расположенный в компрессорной камере. Впускной канал гидравлически сообщен с компрессорной камерой, а выпускной канал гидравлически сообщен с турбиной и с компрессором, расположенным между ними. Множество магнитов прикреплено к ротору, а в корпусе предусмотрен статор, выполненный из способного притягиваться магнитом материала, такого как железо. Статор расположен в непосредственной близости по отношению к множеству магнитов, поэтому вращение ротора вызывает изменение в потоке вокруг статора, в результате чего генерируя электричество. Предусмотрены топливный насос и масляный насос, которые оба приводятся в действие одним электродвигателем. Предусмотрен дозирующий топливо клапан, который включает в себя пропорциональный электромагнитный клапан с плунжером, который приспособлен, чтобы вытягиваться вдоль продольной оси. Для установки части ротора с возможностью вращения предусмотрен кольцеобразный или гидродинамический подшипник, который удерживается на своем месте запорным приспособлением. Лопасти компрессора и лопасти турбины разделены разрезным кольцевым приспособлением для предотвращения перетекания газов прямо на лопасти турбины с лопастей компрессора и наоборот. Для нагрева входящего сжатого газа и охлаждения выходящих выхлопных газов предусмотрен теплообменник или, иначе говоря, компрессор нагнетает воздух перед его отправкой в камеру сгорания для минимизации потребления топлива.
Настоящим изобретением также является способ работы генерирующей электричество системы, который предусматривает следующие операции: вращение ротора со множеством лопастей компрессора и множеством лопастей турбины, прикрепленных к нему, и множеством магнитов, расположенных вокруг ротора, это множество магнитов расположено в непосредственной близости по отношению к статору, чтобы вызвать вращение ротора; всасывание воздуха в компрессор, который включает в себя множество лопастей компрессора; сжатие всосанного воздуха компрессором; перетекание сжатого воздуха в камеру горения; смешивание топлива с, по меньшей мере, частью сжатого воздуха, перетекшего в камеру горения, что приводит к образованию смеси топливо/воздух; воспламенение топливно-воздушной смеси в камере горения, что дает в результате выхлопные газы или тепловую энергию; пропускание выхлопных газов или тепловой энергии и любых остатков сжатого воздуха через турбину, которая включает в себя множество лопастей турбины; выброс выхлопных газов или тепловой энергии и остатков сжатых газов; прерывание подачи электричества, подведенного к статору, когда ротор вращается на первой скорости; и генерирование электричества вращающимися магнитами, расположенными вокруг ротора и взаимодействующими со статором. Воспламенение топливно-воздушной смеси в камере горения генерирует тепловую энергию для приведения в действие турбинного колеса турбины. Полученное пламя в камере сгорания по мере прохождения к турбинному соплу и турбинному колесу принимает разбавляющий воздух для регулирования температуры входного отверстия турбины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1А и Фиг.1В являются условными блок-схемами генерирующей системы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 является условной блок-схемой системы подачи жидкого топлива для генерирующей системы, показанной на Фиг.1А;
Фиг.3 является условной схемой альтернативной масляной системы для генерирующей системы, показанной на Фиг.1А;
Фиг.4 является видом сверху размещения электродвигателя, топливного насоса и масляного насоса, используемого в генерирующей системе, показанной на Фиг.1А;
Фиг.5 является видом сзади части топливного насоса, показанного на Фиг.4;
Фиг.6 является видом сбоку топливного насоса, показанного на Фиг.5;
Фиг.7 является видом сверху части топливного насоса, показанного на Фиг.5 и на Фиг.6;
Фиг.8А является частичным разрезом дозирующего клапана, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.8В является частичным разрезом дозирующего клапана, показанного на Фиг.8А;
Фиг.9 является частичным разрезом другого выполнения дозирующего клапана, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.10 является разрезом части камеры сгорания в генерирующей системе, показанной на Фиг.1А;
Фиг.11А является частичным разрезом по линии XIA-XIA на Фиг.10;
Фиг.11В является видом сверху и в перспективе наружной стенки рубашки камеры сгорания, показанной на Фиг.10;
Фиг.12 является видом сверху и в перспективе, частично в разрезе, части другого выполнения камеры сгорания, аналогичной камере сгорания, показанной на Фиг.10;
Фиг.13А, 13В, 13С, и 13D являются видами в перспективе альтернативных конструкций камеры первичного/вторичного предварительного смешивания, показанной на Фиг.10;
Фиг.13Е является другим вариантом выполнением наружной стенки рубашки камеры сгорания, вида сверху и в перспективе;
Фиг.13F является частичным разрезом по линии XIIIF-XIIIF на Фиг.13Е;
Фиг.14 является графиком температуры пламени в зависимости от смеси топлива и воздуха;
Фиг.15 является частичным продольным разрезом части турбины, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.16А показывает покомпонентное изображение в перспективе подшипниковой удерживающей системы, используемой в турбине, выполненной соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.16В является видом спереди части подшипникового удерживающего кольца и подшипника, показанного на Фиг.16А;
Фиг.16С является разрезом по линии XVIC-XVIC на Фиг.16А;
Фиг.16В является другим видом спереди части подшипникового удерживающего кольца и подшипника, показанного на Фиг.16В;
Фиг.17 является покомпонентным изображением в перспективе части турбины, содержащей подшипниковую удерживающую систему, показанную на Фиг.16А;
Фиг.18 является видом сбоку, частично в разрезе, силовой установки, показанной на Фиг.1А;
Фиг.19 является видом сбоку, частично в разрезе, другого варианта выполнения силовой установки, показанной на Фиг.1А, включающей теплообменник;
Фиг.20 является видом сбоку, частично в разрезе, части шарикоподшипниковой системы с магнитным натягом, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.21 является видом с торца части стенки рубашки альтернативного выполнения настоящего изобретения;
Фиг.22 является видом в поперечном разрезе камеры вторичного смешивания, показанной на Фиг.21;
Фиг.23 является видом в разрезе части компоновки компрессор/турбина, включающей в себя лопасти компрессора и лопасти турбины, расположенные вокруг вращающегося приводного вала, и разрезное кольцевое приспособление;
Фиг.24 является видом спереди разрезного кольцевого приспособления, показанного на Фиг.23.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Для целей приведенного здесь описания выражения "верхний", "нижний", "левый", "правый", "задний", "передний", "вертикальный", "горизонтальный" и производные от них будут относиться к изобретению так, как это ориентировано на чертежах. Однако должно быть понятно, что изобретение может предполагать различные альтернативные ориентации и последовательности операций, исключая случаи, когда специально выделено обратное. Также должно быть понятно, что конкретные устройства и процессы, показанные на приложенных чертежах и описанные в нижеследующем описании, являются просто примерными выполнениями изобретательских концепций, определенных в формуле изобретения. Следовательно, конкретные размеры и другие физические характеристики, относящиеся к раскрытым ниже выполнениям, не должны рассматриваться как ограничивающие, если в формуле изобретения специально не установлено обратное.
Фиг.1А и 1В показывают условную блок-схему генерирующей электричество системы 10, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Система 10 включает в себя силовую установку 12, имеющую кольцевую камеру 14 сгорания с камерой горения, через которую газовые продукты сгорания проходят перед выходом через выпускной канал 26.
Два конкретных выполнения силовой установки показаны на Фиг.18 и Фиг.19. Вариант выполнения, показанный на Фиг.19, объединяет теплообменник для отбора части тепла выхлопных газов и улучшает общую тепловую эффективность системы. Выполнение, показанное на Фиг.18, не содержит теплообменника. Рассматривая вновь Фиг.1А, можно увидеть, что кольцевая камера 14 сгорания гидравлически сообщена с ротором 16 турбины, который включает в себя ротор 18, поддерживаемый на противоположных концах подшипниками 20 и 21 с возможностью вращения таким образом, что ротор 18 может вращаться вокруг продольной оси. Электрический статор 22 расположен соосно с ротором 18, а теплообменник гидравлически сообщен с ротором 16 турбины. Предусмотрен воздушный впускной канал 28.
Жидкое топливо, такое как печное топливо, содержится в топливном баке 30, который гидравлически сообщен с кольцевой камерой 14 посредством трубопровода 32. Трубопровод 32 подключен к топливному фильтру 34, топливному насосу 36, предохранительному клапану 37 и дозирующему топливо клапану 38, которые гидравлически соединены с кольцевой камерой 14 сгорания или находятся с ней в гидравлической связи. Трубопровод 32 питает множество топливных инжекторов 40, предусмотренных в кольцевой камере 14 сгорания. Фиг.2 изображает топливный продувочный вентиль 38, который подключен к трубопроводу 32 между топливными инжекторами 40 и дозирующим топливо клапаном 38. Трубопровод 41 сообщает топливный продувочный клапан 39 с топливным баком 30 для отвода топлива в топливный бак во время нормального выключения двигателя, позволяя топливу в инжекторах и топливному коллектору продуваться, и, следовательно, предотвращаются тенденции к коксованию/закупориванию топлива.
Как это показано на Фиг.1А и Фиг.3, смазочное масло подается для смазки подшипников 20 и 21 из отстойника 42, который гидравлически сообщен с подшипниками 20 и 21 трубопроводом 44. (Фиг.3 показывает альтернативную компоновку по Фиг.1А и показывает некоторые внешние компоненты двигателя, взаимодействующие с системой смазочного масла, которые не показаны на Фиг.1А. Компоновка, показанная на Фиг.3, может быть соединена с генерирующей системой, показанной на Фиг.1А и Фиг.1В.) Трубопровод 44 соединен с масляным фильтром 46, воздушно-масляным теплообменником 48 и насосом 50 смазочного масла. Смазочное масло, текущее через подшипники 20 и 21, возвращается в отстойник 42 вместе с маслом, находящимся вне статорного теплообменника 24 генератора переменного тока. Масляный предохранительный клапан 51 гидравлически сообщен с трубопроводом 44 или находится в гидравлической связи с ним, и находится в гидравлической связи с отстойником 42. Должно быть понятно, что выражение "гидравлически сообщен с", как использовано здесь, может быть заменено выражением "в гидравлической связи с".
Возвращаясь снова к Фиг.1А и Фиг.1В, и топливный насос 36, и насос 50 смазочного масла являются объемными насосами, которые приводятся в действие механически 24-вольтовым электродвигателем 52. Преобразователи 54, 56, 58 и 60 предусмотрены для измерения температуры смазочного масла, давления смазочного масла, давления топлива и давления газа, выходящего из компрессора, соответственно. Преобразователи 54, 56, 58 и 60 электрически подключены к управляемому микропроцессором контроллеру 62 двигателя. Термопара 64 расположена в выпускном канале 26 ниже по потоку от турбины для измерения температуры выхлопных газов турбины. Термопара электрически подключена к контроллеру 62 двигателя.
Контроллер 62 двигателя электрически подключен к инверторному сборочному блоку 66, который включает в себя выходной инвертор 68 и пусковой инвертор 70. Этот сборочный блок раскрыт в международной патентной заявке, озаглавленной "Электрическая система для турбины/генератора переменного тока на общем валу", поданной от имени изобретателей Suresh E. Gupta, Douglas R. Bumham, Jon W. Teets, J. Michael Teets и Brij Bhargava одновременно с настоящей заявкой и включенной сюда в качестве ссылки. Пусковой инвертор 70 электрически подключен к 24-вольтовому аккумулятору 72 постоянного тока, а также к контроллеру 62 двигателя (входной линией 74). Выходная линия 76 электрически соединяет контроллер 62 двигателя и выходной инвертор 68. Выходной инвертор 68 приспособлен подавать электричество по линии 79 на электропитание 83 пользователя или для питания электрической компоненты, такой как компьютер.
Фиг.4 показывает электродвигатель 52, механически соединенный с топливным насосом 36 и с насосом 50 смазочного масла. Предпочтительно электродвигатель 52 является бесщеточным электродвигателем. Насосы 36 и 50 оперативно соединены или связаны с электродвигателем 52 вращающимися приводными валами или валами 78 и 80 электродвигателя соответственно. Подключение электродвигателя 52 к источнику питания заставляет приводные валы 78 и 80 вращаться вокруг своих продольных осей 81.
Насосы 36 и 50 являются объемными насосами и предпочтительно являются шестеренно-роторными насосами. На Фиг.5-7 каждый топливный насос 36 содержит внутренний ротор 82, расположенный внутри внешнего ротора 84, который расположен внутри корпуса 86. В корпусе 86 образованы дугообразный впускной канал 88 и дугообразный выпускной канал 90. Вал 78 электродвигателя механически связан с внутренним ротором 82 таким образом, что вращения вала вокруг продольной оси 81 заставляет внутренний ротор 82 вращаться относительно внешнего ротора 84. Внешний ротор 84 определяет множество (N) насосных камер 92 и множество (N-1) радиально выступающих шестереночных зубьев 94, которые сформированы на внутреннем роторе и принимаются в насосных камерах 92 общеизвестным в технике способом. Конкретно, когда внутренний ротор 82 вращается или перемещается относительно внешнего ротора 84 и корпуса 86, жидкость, в данном случае смазочное масло закачивается через корпус 86 из впускной трубы 95 во впускной канал 88 через насосные камеры 92, выпускной канал 90 и выпускную трубу 96. Насос 50 смазочного масла работает так же, как и топливный насос 36, за исключением того, что он приводится в действие валом 80 электродвигателя, он не раскрывается ниже в подробностях. Топливный насос не является необходимым, если используется сжатое газообразное топливо, такое как метан. Поток метана может управляться через электромеханический клапан.
Преимущество настоящей компоновки двигателя с масляным насосом и топливным насосом заключается в том, что если насос 50 смазочного масла откажет (что обычно означает, что внутренний ротор 82 защемлен и не может вращаться вокруг продольной оси 81), электродвигатель 52 остановится, предотвращая приводные валы 78 и 80 тем самым от вращения. Также, если откажут электродвигатель или топливный насос, произойдет безопасное отключение. Это заставит систему "отключиться", поскольку топливо не будет подаваться в кольцевую камеру 14 сгорания топливным насосом 36, который приводится в действие валами 78 и 80 электродвигателя. Следовательно, повреждения компонентов системы предотвращаются из-за недостаточной подачи смазочного масла во вращающиеся части системы. Насос 50 смазочного масла и/или электродвигатель 52 должны быть отремонтированы до того, как топливо может быть подано в кольцевую камеру 14 сгорания.
На Фиг.1А, 8А, 8В и 9 показано, что топливо закачивается топливным насосом 36, а сила потока на двигатель изменяется дозирующим топливо клапаном 38. Предпочтительно дозирующий топливо клапан 38 является подпружиненным закрытым пропорциональным электромагнитным клапаном. Положение электромагнитного клапана изменяется как функция потока, проходящего через соленоид, что изменяет скорость потока топлива через дозирующий топливо клапан 38.
Фиг.8А (открытое положение) и 8В (закрытое положение) показывают один из вариантов выполнения дозирующего топливо клапана 38, где клапан обозначен буквой V. Клапан V содержит пропорциональный соленоид S и корпус В клапана, который определяет полость плунжера. Перемещаемый в продольном направлении цилиндрический плунжер Р, который вытянут по продольной оси, включает в себя изменяющийся по диаметру наконечник Т, который изменяется относительно продольной оси. В корпусе В клапана предусмотрена диафрагменная пластина или потоковая пластина F, имеющая расположенную посередине диафрагму или отверстие О. (Альтернативно, только цилиндрический плунжер Р может быть использован для взаимодействия с диафрагмой О.) Диафрагменная пластина F разделяет корпус В клапана на впускную камеру и выпускную камеру. Впускная топливная линия FI соединена с топливным впускным отверстием, предусмотренным во впускной камере, а выпускная топливная линия FO соединена с выпускным отверстием топлива, предусмотренным в выпускной камере. Включение соленоида S заставляет цилиндрический плунжер Р и наконечник Т перемещаться в продольном направлении. Наконечник Т взаимодействует с диафрагмой О в диафрагменной пластине F, позволяя топливу протекать сквозь него, как это показано на Фиг.8А. Это, в ответ, изменяет поток от впускного отверстия к выпускному отверстию через диафрагму О в диафрагменной пластине F. Фиг.8В показывает наконечник Т, закрывающий диафрагму О для предотвращения потока горючего между впускной камерой и выпускной камерой. Следовательно, положение наконечника Т относительно диафрагменной пластины F управляет потоком топлива к кольцевой камере 14 сгорания. Как можно видеть на Фиг.8А и Фиг.8В, наконечник Т изменяется от диаметра, меньшего, чем диаметр диафрагмы О, до диаметра, большего, чем диафрагма О, благодаря чему цилиндрический плунжер Р приспособлен перемещаться как в первом продольном направлении, так и во втором продольном направлении. Цилиндрический плунжер Р выступает через диафрагму О и контактирует с диафрагменной пластиной F, блокируя поток, проходящий через диафрагменную пластину F, в положении блокировки, когда цилиндрический плунжер Р проходит первое расстояние в первом продольном направлении. Когда цилиндрический плунжер Р передвигается во втором направлении из положения блокировки, то наконечник Т располагается вне диафрагменной пластины F, и поток через диафрагменную пластину F изменяется как функция продольного положения наконечника Р.
Фиг.9 показывает другой вариант выполнения дозирующего топливо клапана 38, в котором клапан обозначен как V. Клапан V включает в себя пропорциональный соленоид S’ и корпус В’, который определяет полость плунжера. Предусмотрен цилиндрический плунжер Р’, способный двигаться в продольном направлении и который приспособлен выступать вдоль продольной оси, кроме этого он выступает в полость плунжера корпуса В’ клапана. Цилиндрический плунжер Р’ выполнен из цилиндрического плунжера Р, жестко прикрепленного к коллектору или наконечнику М. Топливо поступает из впускной топливной линии FI через впускное отверстие, образованное корпусом В’ клапана, в цилиндрическую камеру на цилиндрическом плунжере Р’, которая является непрерывным кольцом R1 вокруг цилиндрического плунжера Р’. Поток топлива идет от кольца R1 через соединительное отверстие H1 вала, определяющее впускной канал, соединенный с отверстием Н2 вала, определяющим выпускной канал, через канальный проход Н3 к выпускному отверстию, образованному корпусом В’ клапана, и затем из выпускной топливной линии FO через кольцо R2. Отверстия H 1, H2 и Н3 определяют проход для потока в гидравлической связи с впускным каналом к выпускному каналу.
Закрытое положение имеет место, когда цилиндрический плунжер Р’ полностью расположен слева, как это показано на Фиг.9. Это закрывает кольцо R2 от выпускной топливной линии FO. Дозирование топлива происходит путем помещения кольца R 1 к выпускной топливной линии FO. С полостью на конце областей перемещения плунжера соединены также вентиляционные линии VE1 и VE2.
При работе дозирующего клапана, показанного на Фиг.9, пропорциональный соленоид S’ запитывается для перемещения цилиндрического плунжера Р’ в первом продольном направлении внутри полости корпуса В’ клапана. Цилиндрический плунжер Р’ (позиционирующий кольцо R2) затем помещается либо для блокировки потока топлива от впускной топливной линии FI на выпускную топливную линию FO, либо для разрешения топливу течь сквозь него. Скорость потока топлива зависит от продольного положения кольца R1 относительно выпускной топливной линии FO, обеспечивая, чтобы давление топливного насоса оставалось постоянным. Давление топливного насоса на дозирующий клапан поддерживается через предохранительный клапан. Кольца R1 и R2 образуются на коллекторе М, прикрепленном к цилиндрическому плунжеру Р. Наружные части коллектора М, определяющие кольца R1 и R2 , действуют как блокирующий элемент для блокирования или изменения потока, проходящего через одну или обе линии - впускную топливную линию FI и выпускную топливную линию FO. Следовательно, перемещение коллектора М в продольном направлении заставляет впускной канал, выпускной канал и блокирующий элемент взаимодействовать с впускным отверстием и выпускным отверстием для изменения потока через корпус В’ клапана от впускного отверстия к выпускному отверстию.
Возвращаясь к Фиг.1А и Фиг.2, можно увидеть, что топливный продувочный клапан 39, расположенный внутри трубопровода 41, является нормально закрытым электромагнитным клапаном, таким как 24-вольтовый двухпутевой нормально закрытый электромагнитный клапан постоянного тока. При работе топливный продувочный клапан 39 находится только в открытом состоянии в течение установленного периода времени, когда подача топлива на двигатель (через дозирующий клапан) отключена. Электродвигатель 52 продолжает оставаться включенным до тех пор, пока скорость ротора не достигнет 0 об/мин (оборотов в минуту), и в этот момент электродвигатель 52 выключается. Это позволяет продуть любое остаточное топливо в топливных инжекторах 40 или его связанном коллекторе давлением компрессора в топливный бак 30. Эта продувочная операция минимизирует/предотвращает топливо от коксования, закупоривания или засорения топливных инжекторов 40, что может вызвать проблемы в распределении топлива.
Фиг.10 показывает частичный разрез части кольцевой камеры 14 сгорания. Кольцевая камера 14 сгорания соединена с компрессорно-турбинной установкой 100. Компрессорно-турбинная установка 100 включает в себя лопасти 102 компрессора и лопасти 104 турбины, расположенные вокруг ротора двигателя или вращающегося приводного вала 106. Выступающий в виде консоли от внешнего подшипника ротор 106 двигателя приспособлен вращаться вокруг продольной оси Z и поддерживается подшипниками 20 и 21, которые схематически показаны на Фиг.1А.
Предусмотрена кольцевая наружная стенка 108 корпуса, и она определяет воздухозаборный проход 110, расположенный рядом с лопастями 102 компрессора. Наружная стенка 112 рубашки камеры сгорания и передняя стенка корпуса или внутренняя стенка 114 корпуса определяют кольцевую камеру горения 116. Передняя стенка 114 корпуса и передняя часть наружной стенки 108 корпуса определяют воздушный тракт или проход 118 компрессора/рассеивателя, который начинается рядом с выходом рассеивателя, который находится в гидравлической связи с кольцевой камерой 116 горения. В проходе 118 предусмотрен компрессор/рассеиватель CD. Кольцевая камера 116 горения, турбина и воздушный проход 118 находятся в гидравлической связи друг с другом. Кольцевая охлаждающая область 119 определяется дистальным концом 120 передней стенки 114 корпуса и передним концом наружной стенки 112 рубашки камеры сгорания. Кольцевая охлаждающая область 119 направляет охлаждающий воздух к кольцевому соплу 128 турбины. Кольцевой воздухо-разрежающий проход или воздухо-разрежающее сопло 122 образованы на дальнем конце наружной стенки 112 рубашки камеры сгорания. Рифленая колеблющаяся полоса 124 может быть предусмотрена в воздухо-разрежающем проходе 122. Альтернативно, колеблющаяся полоса 124 может быть удалена и заменена либо отверстиями Н, показанными пунктиром, образованными во наружной стенке 112 рубашки камеры сгорания, либо наличием наружной стенки 112 рубашки камеры сгорания, прилегающей к показанной пунктиром стенке 126’ сопла турбины, и наличием множества отверстий Н и Т, показанных пунктиром, образованных во наружной стенке 112 рубашки камеры сгорания для разрежения пламени, содержащегося внутри кольцевой камеры 116 горения. Предпочтительно, чтобы было предусмотрено кольцо (не показано) для регулировки области поперечного сечения отверстий Т’ для управления количеством воздуха, поступающего во вторичный источник воздуха, и для поддержания таким образом постоянными температуры пламени и выбросов NOx.
Наружная стенка 112 рубашки камеры сгорания прикреплена к наружному корпусу с помощью множества болтов ВО, например двух. Один из болтов ВО определяет отверстие, приспособленное для приема зажигающего электрода GP, приспособленного для запуска топливной системы для жидких видов топлива. Поджигающий электрод GP проходит через соответствующий болт ВО и внутрь кольцевой камеры 116 горения. Вытянутая вверх изогнутая стенка 126 сопла турбины разнесена от воздухоразжижающего сопла 122. Альтернативно, стенка 126 сопла турбины может быть прямой, как показано пунктиром и обозначено позицией 126’. Стенка 126 сопла турбины и передняя стенка 114 корпуса определяют кольцевое сопло 128 турбины, которое находится в гидравлической связи с лопастями 104 турбины, которые образуют турбины. Тракт или проход 129 воздушного потока образуется между наружной стенкой 108 корпуса и наружной стенкой 112 рубашки корпуса.
Множество камер предварительного смешивания или вторичных камер 130 предварительного смешивания расположены по окружности и прикреплены к наружной стенке 112 рубашки камеры сгорания, соседней с задней стенкой кольцевой камеры 116 горения. Множество разнесенных по окружности и расположенных радиально или по касательной топливных инжекторов или сопл 132 выступает через наружную стенку 108 корпуса и в тракт 129 воздушного потока так, чтобы распределить топливо в первичную камеру предварительного смешивания, зону впускного отверстия или первый конец 138 по Фиг.11A.
Как это показано на Фиг.11А и Фиг.11В, топливные инжекторы 132 проходят через наружную стенку 108 корпуса и заканчиваются внутри тракта 129 воздушного потока. Множество первичных трубопроводов 134 предварительного смешивания выступают по окружности вокруг наружной стенки 112 камеры сгорания по соседству с задней стенкой 136 кольцевой камеры 116 горения. Зоны 138 впускных отверстий первичных трубопроводов 134 предварительного смешивания расположены в непосредственной близости к дальним концам инжектора 132 и находятся с ним в гидравлической связи, и загнуты так, что они направлены по стрелкам 140. Вихревая форсунка 142 предусмотрена в каждом из первичных трубопроводов 134 предварительного смешивания для помощи в испарении топлива и быстром распределении жидкого топлива по первичным трубопроводам 134 предварительного смешивания.
Альтернативно вихревые форсунки 142 могут быть исключены. Первичные трубопроводы 134 предварительного смешивания размещены по отношению к выпускным концам топливных инжекторов 132 так, чтобы направлять богатую (негорючую смесь) топливно-воздушную смесь от выхода или второго конца преимущественно в кольцевом направлении внутри камеры 130 предварительного смешивания, где далее для получения горючей смеси добавляется воздух по направлению к передней стенке 114 корпуса кольцевой камеры 116 горения. В наружной стенке 112 рубашки камеры сгорания предусмотрен зажигающий электрод GP, который выступает в кольцевую камеру 116 горения для воспламенения топливно-воздушной смеси, создавая самоподдерживающееся пламя. Топливный инжектор 132 должен быть отнесен от зоны 138 впускного отверстия, как это показано на Фиг.11А. Фиг.11А показывает зону 138 впускного отверстия с изогнутым входным концом и топливный инжектор 132, расположенный перпендикулярно наружной стенке 108 корпуса. Могут быть использованы другие компоновки, например, как показано пунктиром на Фиг.11А, в качестве первичных трубопроводов 134’ предварительного смешивания и топливных инжекторов 132’.
Работа камеры сгорания описана ниже со ссылками на Фиг.10, 11А и 11В. Ротор 106 двигателя вращается, заставляя лопасти 102 компрессора вращаться вокруг оси Z. Воздух засасывается в заборник 110 воздуха, становясь сжатым и протекая по воздушному тракту 118 и тракту 129 воздушного потока в направлении стрелок 140. Направленный сжатый воздух выходит в кольцевую камеру 116 горения через охлаждающий проход 119 и воздухоразрежающее сопло 122 и отверстия Н.
Сжатый воздух также поступает на впускные концы 138 первичных трубопроводов 134 предварительного смешивания. Воздух также поступает в отверстия 143 вторичного источника воздуха, который находится в гидравлической связи со впускным концом Е соответствующих камер 130 предварительного смешивания. Сжатое топливо выходит из концов топливных инжекторов 132 и передается сжатым воздухом (из-за выработанного разностного давления в рубашке камеры сгорания) во впускные концы 138 первичных трубопроводов 134 предварительного смешивания одновременно с формированием богатой топливно-воздушной смеси. Эта топливно-воздушная смесь проходит через опционные вихревые форсунки 142 для усиления испарения топлива от горячих стенок, заставляя ее завихряться, когда инициировано пламя. Могут быть также предусмотрены более длинные первичные трубопроводы 134 предварительного смешивания для большего времени пребывания богатой топливно-воздушной смеси; однако настоящая установка будет достаточной и будет обеспечивать хорошее испарение и однородное смешивание топлива/воздуха. Фиг.12 показывает другой вариант выполнения, имеющий вихревые форсунки 142 с соплом 132, расположенным внутри первичного трубопровода 134 предварительного смешивания. Обращаясь вновь к Фиг.10 и 11А, эта богатая смесь течет из первичных трубопроводов 134 предварительного смешивания в камеры 130 предварительного смешивания, где далее воздух смешивается для получения обедненной топливно-воздушной смеси для горения и выходит из выходных концов в кольцевую камеру 116 горения в преимущественно кольцевом направлении во фронт пламени. Первоначально поджигающий электрод GP зажигает смесь, которая горит для производства энергии для питания. После воспламенения поджигающий электрод GP остается выключенным. Ниже по потоку и до воздухоразрежающего сопла 122 разреженный воздух поступает в пламя для уменьшения температуры продуктов горения.
Отходящие газы затем проходят образованный фронт пламени после того, как разреженный воздух смешивается и проходит внутрь и через сопло турбины, чтобы выработать скорость для выделения энергии связанного турбинного колеса через лопасти 104 турбины, которые приводят в действие лопасти 102 компрессора и генератор переменного тока, показанный на Фиг.18 и Фиг.19.
Фиг.13А, 13В, 13С и 13D показывают альтернативные варианты компоновки описанных ранее камер 130 предварительного смешивания. В частности, по сравнению с Фиг.13А, каждый первичный трубопровод 134 предварительного смешивания подан в скрученную выступающую топливную вторичную камеру предварительного смешивания 150 для усиления вторичного предварительного смешивания перед горением. Каждый выступ 152 имеет скрученную форму, чтобы заставлять топливно-воздушную смесь завихряться. Предусмотрен вторичный воздушный трубопровод 154, который имеет выводной конец, соединенный с соответствующей вторичной камерой 150 предварительного смешивания посередине между концами этой вторичной камеры 150 предварительного смешивания, которая находится в гидравлической связи с трактом 129 воздушного потока. В