RU2227850C2

RU2227850C2 - Tunnel nanoturbocompressor

Info

Publication number: RU2227850C2
Application number: RU2002100717/06A
Authority: RU
Inventors: А.В. Сударев; нинов А.А. Сурь; А.А. Сурьянинов; В.Ю. Тихоплав; В.Я. Подгорец; В.В. Гришаев; А.С. Молчанов
Original assignee: Закрытое акционерное общество Научно-инженерный центр керамические тепловые двигатели им. А.М. Бойко
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2004-04-27

Abstract

FIELD: gas-turbine engineering; superlow power gas-turbine engines. SUBSTANCE: use of tunnel nanoturbocompressor in gas-turbine engineering, owing to use of constructional ceramics, makes it possible to solve the problem of creating effective gas-turbine engines of superlow power output. Such gas-turbine engines can be used in space vehicles, power plants with electrochemical fuel elements and in other power-generating systems, for instance, in steam-gas plants, and in road vehicles as engines. To increase efficiency of nanoturbomachines special tunnel channel are proposed for use in flow passage parts. Gas in said tunnel channels flows at high Reynolds numbers and, consequently, at low hydraulic resistance. Cylindrical rotor of turbocompressor is made shaftless, with gas static support and thrust being arranged on periphery of rotor to increase vibration reliability of turbocompressor. EFFECT: enlarged operating capabilities. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к газотурбостроению, в частности, к высокотемпературным керамическим газотурбинным двигателям с турбомашинами минимальных размеров.The invention relates to gas turbine construction, in particular, to high-temperature ceramic gas turbine engines with turbomachines of minimum size.

Известны керамические турбины минимальных размеров [1, 2]. Имея только 4 мм в диаметре, колесо такой радиальной турбины было изготовлено из карбида кремния технологией реактивного ионного давления. При этом лопаточный аппарат турбины создан на базе сопловой и рабочей радиальных решеток обыкновенных турбинных профилей. Такие решетки широко используются в центростремительных турбинах обычных и максимальных размеров. Недостатками такой конструкции являются: во-первых, низкий кпд малорасходной турбомашины минимальных размеров, обусловленный недопустимо малыми высотами сопловых и рабочих лопаток, и, во-вторых, сложность обеспечения вибрационной надежности вальной конструкции ротора. Конструкция [1] принята в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения.Ceramic turbines of minimum dimensions are known [1, 2]. With only 4 mm in diameter, the wheel of such a radial turbine was made of silicon carbide by reactive ion pressure technology. In this case, the turbine blade apparatus is based on the nozzle and working radial gratings of ordinary turbine profiles. Such lattices are widely used in centripetal turbines of ordinary and maximum sizes. The disadvantages of this design are: firstly, the low efficiency of the low-consumption turbomachine of the smallest size, due to unacceptably low heights of the nozzle and rotor blades, and, secondly, the difficulty of ensuring the vibrational reliability of the rotor shaft structure. Design [1] adopted as the closest analogue of the present invention.

Целью изобретения является, во-первых, повышение кпд турбомашин минимальных размеров - центробежного компрессора и центростремительной турбины - и, во-вторых, повышение вибрационной надежности турбокомпрессора, содержащего такие турбомашины.The aim of the invention is, firstly, to increase the efficiency of minimum size turbomachines — a centrifugal compressor and a centripetal turbine — and, secondly, to increase the vibrational reliability of a turbocompressor containing such turbomachines.

Эта цель достигается тем, что:This goal is achieved by the fact that:

во-первых, турбомашины центробежный компрессор и центростремительная турбина снабжена туннельными каналами малых расходов, течение воздуха и высокотемпературного газа в которых не сопряжено с возникновением в них чрезмерно высокого гидравлического сопротивления, приводящего к недопустимому снижению кпд турбомашин;firstly, turbomachines a centrifugal compressor and a centripetal turbine are provided with low-flow tunnel channels, the flow of air and high-temperature gas in which is not associated with the appearance of excessively high hydraulic resistance in them, leading to an unacceptable decrease in the efficiency of turbomachines;

во-вторых, подвижный элемент турбокомпрессора выполнен в виде безвального составного цилиндрического, преимущественно короткого, ротора, свободно установленного в составном статоре на газостатических опорных и упорных подшипниках, причем концы составного ротора выполнены в виде рабочих колес турбомашин минимальных размеров, а цилиндрические и торцевые плоскоконические вращающиеся поверхности концов ротора выполнены в виде рабочих поверхностей газостатических подшипников, сопряженных с соответствующими рабочими неподвижными поверхностями газостатических подшипников, содержащимися на составном статоре.secondly, the movable element of the turbocompressor is made in the form of a shaftless composite cylindrical, mainly short, rotor freely mounted in the composite stator on gas-static support and thrust bearings, the ends of the composite rotor being made in the form of impellers of turbomachines of minimum dimensions, and cylindrical and end-plane conical rotating the surfaces of the ends of the rotor are made in the form of working surfaces of gas-static bearings, conjugated with the corresponding working stationary bearings rhnostyami gas-static bearings contained in the composite stator.

Изобретение поясняется соответствующей конструктивной схемой, изображенной на чертеже, где представлен продольный разрез туннельного нанотурбокомпрессора.The invention is illustrated by the corresponding structural diagram shown in the drawing, which shows a longitudinal section of a tunneling nanoturbocompressor.

На чертеже обозначено:The drawing indicates:

1 - наружный диск рабочего колесо нанотурбины;1 - the outer disk of the impeller of a nanoturbine;

2 - внутренний диск рабочего колеса нанотурбины;2 - the inner disk of the impeller of a nanoturbine;

3 - соединительный диск безвального ротора;3 - a connecting disk of a shaftless rotor;

4 - внутренний диск рабочего колеса нанокомпрессора;4 - the inner disk of the impeller of the nanocompressor;

5 - наружный диск рабочего колеса нанокомпрессора;5 - the outer disk of the impeller of the nanocompressor;

6 - туннельная проточная часть рабочего колеса нанокомпрессора;6 - tunneling flow part of the impeller of the nanocompressor;

7 - наружный компрессорный диск статора;7 - external compressor disk of the stator;

8 - туннельная проточная часть статора нанокомпрессора;8 - tunneling flow part of the stator of the nanocompressor;

9 - внутренняя соединительная часть статора;9 - the inner connecting part of the stator;

10 - фильтр тонкой очистки воздуха при входе в газостатические упорные и опорные подшипники;10 - filter for fine air purification at the entrance to the gas-static and thrust bearings;

11 - туннельная проточная часть статора нанотурбины;11 - tunnel flow of the stator of the nanoturbine;

12 - наружный турбинный диск статора;12 - the outer turbine disk of the stator;

13 - туннельная проточная часть рабочего колеса нанотурбины;13 - tunneling flow part of the impeller of a nanoturbine;

14 - газостатические опорные подшипники;14 - gas-static support bearings;

15 - газостатические упорные подшипники.15 - gas-static thrust bearings.

Туннельный нанотурбокомпрессор состоит из безвального ротора, включающего элементы 1-5, 6, 13 и 14, 15, составного статора, включающего элементы 7-12 и 14, 15. При этом элементы 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 7 и 8, 8 и 12 попарно соединены между собой диффузионной сваркой. В результате такого соединения образованы составные безвальный ротор и статор туннельного нанотурбокомпрессора, первый из которых установлен на втором с возможностью свободного вращения в статоре на газостатических опорных и упорных подшипниках.The tunneling nanoturbocompressor consists of a shaftless rotor including elements 1-5, 6, 13 and 14, 15, a composite stator including elements 7-12 and 14, 15. Moreover, elements 1 and 2, 2 and 3, 3 and 4, 4 and 5, 7 and 8, 8 and 12 are connected in pairs by diffusion welding. As a result of this connection, a composite shaftless rotor and stator of the tunneling nanoturbocompressor are formed, the first of which is mounted on the second with the possibility of free rotation in the stator on gas-static thrust and thrust bearings.

Радиальные и осевые зазоры в газостатических подшипниках лежат в пределах δ_r=0,08-0,10 мм и δ_z=0,025-0,030 мм соответственно, расход воздуха на все подшипники составляет 2-3% от расхода воздуха через нанотурбокомпрессор.Radial and axial clearances in gas-static bearings are in the range of δ _r = 0.08-0.10 mm and δ _z = 0.025-0.030 mm, respectively, the air flow for all bearings is 2-3% of the air flow through the nanoturbocompressor.

Расчетные параметры нанотурбокомпрессора следующие:The calculated parameters of the nanoturbocompressor are as follows:

- начальная температура газа перед нанотурбиной Т₃=1350°С;- the initial temperature of the gas in front of the nanoturbine T ₃ = 1350 ° C;

- степень повышения давления в нанокомпрессоре П_к=3-3,5;- the degree of pressure increase in the nanocompressor P _k = 3-3.5;

- внутреннее кпд нанокомпрессора и нанотурбины лежат в пределах η_k=0,6-0,62, η_т=0,62-0,65.- the internal efficiency of the nanocompressor and nanoturbines lie in the range η _k = 0.6-0.62, η _t = 0.62-0.65.

В качестве фильтров тонкой очистки использованы питатели, изготовленные из пористой алюмоборонитридной керамики.As fine filters used feeders made of porous aluminoboronitride ceramics.

Материалом всех элементов нанотурбокомпрессора служит принципиально новая алюмоборонитридная безусадочная и равнопрочно свариваемая диффузионным методом конструкционная керамика (3).The material of all elements of the nanoturbocompressor is a fundamentally new non-shrink aluminoboronitride non-shrink and structurally uniformly welded structural ceramic (3).

Туннельные проточные части нанокомпрессора и нанотурбины выполнены в виде особых туннельных каналов с поперечными сечениями, описанными замкнутыми кривыми второго и более высоких порядков, а также лемнискатой и другими кривыми. Эффект туннельных каналов проточных частей турбомашин и соответствующего увеличения их кпд получен благодаря существенному увеличению критерия Рейнольдса потоков рабочих тел в нанокомпрессоре и в нанотурбине за счет увеличения гидравлического диаметра каждого туннельного канала по сравнению с лопаточными турбомашинами.The tunneling flow parts of the nanocompressor and nanoturbines are made in the form of special tunnel channels with cross sections described by closed curves of the second and higher orders, as well as lemniscate and other curves. The effect of the tunnel channels of the flowing parts of the turbomachines and the corresponding increase in their efficiency were obtained due to a significant increase in the Reynolds criterion for the flows of working fluids in the nanocompressor and in the nanoturbine due to an increase in the hydraulic diameter of each tunnel channel in comparison with the blade turbomachines.

Благодаря принятой конструкции опорных и упорных газостатических подшипников, рабочие поверхности которых образованы на периферии безвального ротора, ротор обладает высокой критической частотой вращения, многократно превышающей рабочую частоту вращения нанотурбокомпрессора и является в связи с этим хорошо уравновешенной и динамически высоко устойчивой системой, свободной от возникновения опасных автоколебаний.Owing to the adopted design of thrust and thrust gas-static bearings, the working surfaces of which are formed on the periphery of the shaftless rotor, the rotor has a high critical rotational speed that is many times higher than the operating rotational speed of the nanoturbocompressor and is therefore a well-balanced and dynamically highly stable system that is free from the occurrence of dangerous self-oscillations .

Нанотурбокомпрессор является основным элементом турбореактивного газотурбинного двигателя (ГТД).Nanoturbocompressor is the main element of a turbojet gas turbine engine (GTE).

Запуск такого газотурбинного двигателя осуществляется, как обычно, путем раскручивания ротора и зажигания камеры сгорания, после чего ГТД выходит на устойчивый режим холостого хода. Форсирование реактивной тяги ГТД осуществляется путем подачи в камеру сгорания дополнительного количества топлива. The start of such a gas turbine engine is carried out, as usual, by untwisting the rotor and ignition of the combustion chamber, after which the gas turbine engine reaches a stable idle mode. GTE thrust boost is carried out by supplying an additional amount of fuel to the combustion chamber.

В процессе раскручивания ротора, от компрессора к газостатическим подшипникам поступает сжатый воздух, который обеспечивает всплывание ротора и устранение контакта между ротором и статором.In the process of spinning the rotor, compressed air enters from the compressor to the gas-static bearings, which ensures the rotor floats up and eliminates the contact between the rotor and the stator.

Вся мощность нанотурбины поглощается нанокомпрессором. При этом свободная мощность потока газа, выпускаемого из нанотурбины, генерирует реактивную тягу за счет превышения количества движения выпускаемых газов по сравнению с количеством движения поступающих в ГТД воздуха и топлива.The entire power of the nanoturbine is absorbed by the nanocompressor. In this case, the free power of the flow of gas discharged from the nanoturbine generates jet thrust due to the excess amount of movement of the discharged gases compared to the amount of movement of the air and fuel entering the gas turbine engine.

Источники информации:Sources of information:

1. Turbines on a Dime. Steven Acheley. Mechanical Engineering, 78 Oktober 1997, p.78-81.1. Turbines on a Dime. Steven Acheley. Mechanical Engineering, 78 Oktober 1997, p. 78-81.

2. How insects point the way ahead in modern warfare. DERA news, September 2000, p.8-9.2. How insects point the way ahead in modern warfare. DERA news, September 2000, p. 8-9.

3. A.Soudarev, V.Grichaev, P.Avran. Procede de fabrication d’une piese ceramique strukturale frittee en nitrure d’aluminium, патент Франции №9616135 от 27.12.1996.3. A. Soudarev, V. Grichaev, P. Avran. Procede de fabrication d’une piese ceramique strukturale frittee en nitrure d’aluminium, French patent No. 9616135 of 12/27/1996.

Claims

1. Туннельный нанотурбокомпрессор, содержащий сблокированные нанотурбину и нанокомпрессор минимальных размеров, вращающиеся в рабочем состоянии в газостатических подшипниках, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндрического короткого безвального ротора, свободно установленного в статоре, причем один из концов ротора представляет собой радиально-осевую центростремительную нанотурбину, а второй - радиально-осевой центробежный компрессор, и что на концах ротора наружные цилиндрические и торцевые плоскоконические поверхности выполнены в виде рабочих опорного и упорного газостатических подшипников соответственно.1. Tunnel nanoturbocompressor containing interlocked nanoturbine and nanocompressor of minimum size, rotating in working condition in gas-static bearings, characterized in that it is made in the form of a cylindrical short shaftless rotor freely mounted in the stator, and one of the ends of the rotor is a radial-axial centripetal nanoturbine, and the second is a radial-axial centrifugal compressor, and at the ends of the rotor there are outer cylindrical and end plane-conical surfaces in made in the form of working support and persistent gas-static bearings, respectively.

2. Турбинный нанотурбокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что его детали выполнены преимущественно из алюборонитридной конструкционной керамики.2. The turbine nanoturbocompressor according to claim 1, characterized in that its parts are mainly made of structural aluminum ceramics.

3. Туннельный нанокомпрессор по п.1, отличающийся тем, что каналы турбины выполнены преимущественно кривыми второго и более высокого порядков, например эллипс, овал, окружность, лемниската и другие.3. The tunnel nanocompressor according to claim 1, characterized in that the turbine channels are mainly made by curves of the second and higher orders, for example, an ellipse, oval, circle, lemniscate and others.