RU2336429C1 - Nuclear gas turbine engine - Google Patents
Nuclear gas turbine engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2336429C1 RU2336429C1 RU2007101408/06A RU2007101408A RU2336429C1 RU 2336429 C1 RU2336429 C1 RU 2336429C1 RU 2007101408/06 A RU2007101408/06 A RU 2007101408/06A RU 2007101408 A RU2007101408 A RU 2007101408A RU 2336429 C1 RU2336429 C1 RU 2336429C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- gas turbine
- compressor
- turbine
- stirling
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным газотурбинным двигателям ГТД и может найти применение в авиастроении, судостроении, на газоперекачивающих станциях и для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.The invention relates to engine building, including aircraft and stationary gas turbine engines of gas turbine engines and can find application in aircraft building, shipbuilding, gas pumping stations and for peak power plants as a drive for an electric generator designed to generate electricity.
Недостаток - очень большой расход топлива, потребляемый ракетным двигателем.The disadvantage is the very high fuel consumption consumed by the rocket engine.
Известен авиационный ГТД по патенту РФ №2211935, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло.Known aviation gas turbine engine according to RF patent No. 2211935, containing a compressor, a combustion chamber, a turbine and a jet nozzle.
Недостатки: повышенный расход топлива, плохая приемистость на переходных режимах и низкая надежность.Disadvantages: increased fuel consumption, poor pickup during transient conditions and low reliability.
Известен атомный газотурбинный двигатель, содержащий два контура, компрессор, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, установленное на одном валу с компрессором, воздухозаборник, реактивное сопло и ядерный реактор с трубопроводами циркуляции теплоносителя (Шляхтенко С.М., Теория воздушно-реактивных двигателей, Москва, Машиностроение, 1975, стр.549-551, рис.15.03), прототип.Known nuclear gas turbine engine containing two circuits, a compressor, at least one impeller of the turbine mounted on the same shaft with a compressor, an air intake, a jet nozzle and a nuclear reactor with coolant circulation pipelines (Shlyakhtenko S.M., Theory of air-jet engines Moscow, Engineering, 1975, pp. 549-551, Fig. 15.03), prototype.
Недостатки: низкие КПД и надежность двигателя.Disadvantages: low efficiency and engine reliability.
Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными исследованиями. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, as evidenced by patent research. To implement the invention, it is sufficient to use the known components and parts previously developed and implemented in the design of gas turbine engines and in mechanical engineering.
Решение указанных задач достигнуто в атомном газотурбинном двигателе, содержащем первый и второй контуры, установленные на внешнем валу компрессор и, по меньшей мере, одно рабочее колесо турбины, воздухозаборник, реактивное сопло и ядерный реактор с трубопроводами циркуляции теплоносителя, тем, что двигатель снабжен установленным за турбиной двигателем Стирлинга, вентилятором и камерой сгорания, двигатель Стирлинга соединен кинематически с внутренним валом, трубопроводами циркуляции теплоносителя - с ядерным реактором, вентилятор установлен на внутреннем валу, а камера сгорания размещена между компрессором и турбиной. Двигатель Стирлинга выполнен из рабочих и вытеснительных цилиндров, при этом рабочие цилиндры размещены в первом контуре, а вытеснительные - во втором. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы воздушных патрубков выходят в атмосферу. Концы воздушных патрубков подсоединены к воздухозаборнику. Концы воздушных патрубков подсоединены к выходу из первых ступеней компрессора.The solution of these problems was achieved in an atomic gas turbine engine containing the first and second circuits, a compressor and at least one turbine impeller, an air intake, a jet nozzle and a nuclear reactor with coolant circulation pipelines installed on the external shaft, so that the engine is equipped with a turbine with a Stirling engine, a fan and a combustion chamber, the Stirling engine is kinematically connected to the internal shaft, the coolant circulation pipelines are connected to a nuclear reactor, the fan is anovlen on the inner shaft, and a combustion chamber arranged between the compressor and the turbine. The Stirling engine is made of working and displacement cylinders, while the working cylinders are located in the first circuit, and the displacement cylinders are in the second. Air tubes are connected to the Stirling engine. The ends of the air pipes exit into the atmosphere. The ends of the air pipes are connected to the air intake. The ends of the air pipes are connected to the outlet of the first stages of the compressor.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1...6, гдеThe invention is illustrated in figure 1 ... 6, where
на фиг.1 приведена схема двигателя,figure 1 shows a diagram of the engine,
на фиг.2 приведена схема охлаждения двигателя Стирлинга,figure 2 shows the cooling circuit of the Stirling engine,
на фиг.3 и 4 приведена схема двигателя Стирлинга,figure 3 and 4 shows a diagram of a Stirling engine,
на фиг.5 и 6 приведена схема двигателя с вытеснительным цилиндром внутри второго контура.figure 5 and 6 shows a diagram of an engine with a displacement cylinder inside the second circuit.
Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит два контура: первый 1 и второй 2, соответственно два вала: внутренний 3 и наружный 4, т.е. двигатель выполнен двухконтурным по двухвальной схеме. Кроме того, двигатель содержит воздухозаборник 5, вентилятор 6, компрессор 7, камеру сгорания 8 и турбину 9. Турбина 9 может содержать одну или несколько ступеней. Далее конструкция двигателя описывается на примере одноступенчатой турбины. Турбина 9 содержит рабочее колесо 10. На выходе из обеих контуров 1 и 2 выполнено реактивное сопло 11, внутри которого установлен смеситель 12, для перемешивания потоков первого и второго контуров.The proposed technical solution (figure 1) contains two circuits: the first 1 and second 2, respectively, two shafts: inner 3 and outer 4, i.e. the engine is double-circuit in a two-shaft design. In addition, the engine includes an
Атомный газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 13, подключенным к входу в топливный насос 14, имеющий привод 15, топливопровод высокого давления 16, вход которого соединен с топливным насосом 14, а выход соединен с кольцевым коллектором 17, кольцевой коллектор 17 соединен с форсунками 18 камеры сгорания 8.A nuclear gas turbine engine contains a fuel supply system with a low
Компрессор 7 содержит ротор компрессора 19 с внешним валом 4. На внешнем валу 4 установлено рабочее колесо турбины 10.The
Внутренний вал 3 проходит внутри внешнего вала 4 и установлен на опорах 20, внешний вал 4 установлен на опорах 21. Внутренний вал 3 соединен с одной стороны с вентилятором 6, а с другой - с двигателем Стирлинга 22. К двигателю Стирлинга 22 подсоединен воздушный патрубок 23 (или несколько воздушных патрубков 23) другой конец которого выходит либо в атмосферу, либо в воздухозаборник 5, либо к первым ступеням компрессора 7, либо выходят во второй контур 2. Выхлопные патрубки 24 предназначены для выброса подогретого воздуха из двигателя Стирлинга 22 и выходят внутрь реактивного сопла 11 в полость В.The
Отличительной особенностью двигателя является наличие двигателя Стирлинга 22 за турбиной 9, конкретно за рабочим колесом турбины 10.A distinctive feature of the engine is the presence of the Stirling
Двигатель Стирлинга 22 состоит из двух частей: группы рабочих цилиндров 25 и группы вытеснительных цилиндров 26, которые соединены трубопроводами 27. Группу вытеснительных цилиндров 26 предпочтительно теплоизолировать от газового тракта газотурбинного двигателя ГТД. Число рабочих цилиндров 25 равно числу вытеснительных цилиндров 26. По объему вытеснительные цилиндры 26 больше, чем рабочие цилиндры 25.The Stirling
Атомный газотурбинный двигатель содержит (фиг.1) ядерный реактор 28, соединенный трубопроводами рециркуляции теплоносителя: соответственно подводящим 29 и отводящим 30 с двигателем Стирлинга 22, точнее с полостями нагрева Г рабочих цилиндров 25 (фиг.2). Между ядерным реактором 28 и подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 29 установлен насос теплоносителя 31 с приводом 32, а отводящий трубопровод рециркуляции теплоносителя 30 соединяет двигатель Стирлинга 22 с ядерным реактором 28 для отвода теплоносителя. В качестве теплоносителя предпочтительно использовать жидкий натрий.A nuclear gas turbine engine contains (Fig. 1) a nuclear reactor 28 connected by coolant recirculation pipelines:
В одном из вариантов исполнения возможно подсоединение воздушного патрубка 23 (воздушных патрубков 23) к воздухозаборнику 5 или к первым ступеням компрессора 6 посредством одного или нескольких трубопроводов 33 (фиг.2).In one embodiment, it is possible to connect the air pipe 23 (air pipes 23) to the
Возможна установка расширительных цилиндров 26 во втором контуре 2 (фиг.5 и 6), в этом случае охлаждение производится воздухом второго контура, имеющим температуру около 100°С, что значительно ниже температуры теплоносителя ядерного реактора.It is possible to install
На фиг.3 и 4 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 22, который содержит группу рабочих цилиндров 25, имеющих оребрение и заключенных в рабочие кожуха 35, имеющие наружное оребрение 36 с образованием между ними полости нагрева Г, заполненной теплоносителем. Внутри каждого рабочего цилиндра 25 установлен рабочий поршень 37, который шатуном 38 соединен с внутренним валом двигателя 3. Между рабочим цилиндром 25 и рабочим поршнем 37 образуется рабочая полость Д, заполненная рабочим телом, например, гелием.Figures 3 and 4 show a diagram of one embodiment of the Stirling
Также двигатель Стирлинга 22 содержит группу вытеснительных цилиндров 26, которые могут быть установлены в кожуха охлаждения 39 или установлены без них во втором контуре 2 двигателя (фиг.5 и 6). Между кожухом охлаждения 39 и вытеснительным цилиндром 26 образуется полость охлаждения Е. При установке вытеснительных цилиндров 26 во втором контуре 2 кожух охлаждения 39 не нужен.Also, the Stirling
Внутри каждого вытеснительного цилиндра в полости Ж установлен вытеснительный поршень 40. Вытеснительный поршень 40 соединен шатуном 41 с внутренним валом двигателя 3. Трубопровод (ы) 27 соединяет (ют) полости Д и Ж для перетекания рабочего тела из рабочих цилиндров 25 в вытеснительные цилиндры 26. К полости Г подсоединены воздушные патрубки 23, а выхлопные трубы 24 соединяют полость Г с внутренней полостью В реактивного сопла 11 (фиг.1)Inside each displacement cylinder, a
При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1...4 не показан). Потом включают привод топливного насоса 15 и топливный насос 14 подает топливо в камеру сгорания 8 к форсункам 18, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 не показано). В результате продукты сгорания проходят через рабочее колесо турбины 10 и раскручивают его и внешний вал 4, а также ротор компрессора 18. Через 5...7 мин тепло выхлопных газов и одновременно теплоноситель, подаваемый по подводящим трубопроводом рециркуляции теплоносителя 29 прогревает рабочие цилиндры 25 двигателя Стирлинга 22. Двигатель Стирлинга 22 приводится в действие и через внутренний вал 3 и редуктор 3 раскручивает винт 1. Подогретое рабочее тело расширяется в расширительных цилиндрах 26. В результате двигатель запущен и готов к работе. Отключение двигателя производится в обратном порядке. Управление двигателем по режимам не отличается от управления традиционными ГТД.During the operation of the gas turbine engine, it is started by the starter (the starter in Figs. 1 ... 4 is not shown). Then they turn on the drive of the
При работе двигателя по его контурам температуры распределяются следующим образом:When the engine is running, temperatures are distributed along its contours as follows:
- Т0 - температура воздуха на входе в двигатель,- T 0 - air temperature at the inlet to the engine,
- Т1 - температура воздуха во втором контуре,- T 1 - air temperature in the second circuit,
- Т2 - температура воздуха во втором контуре после вытеснительных цилиндров,- T 2 - air temperature in the second circuit after the displacement cylinders,
- Т3 - температура продуктов сгорания на выходе из камеры сгорания,- T 3 - temperature of the combustion products at the outlet of the combustion chamber,
- Т4 - температура продуктов сгорания на выходе из турбины,- T 4 - temperature of the combustion products at the outlet of the turbine,
- Т5 - температура продуктов сгорания на выходе из двигателя Стирлинга,- T 5 - temperature of the combustion products at the exit of the Stirling engine,
- Т6 - температура смеси на выходе из реактивного сопла.- T 6 - temperature of the mixture at the outlet of the jet nozzle.
Применение изобретения позволило следующее.The application of the invention allowed the following.
1. Улучшить запуск и приемистость двигателя на переходных режимах, за счет применения углеводородного топлива и тепловой энергии, вырабатываемой ядерным реактором одновременно.1. To improve the start-up and throttle response of the engine during transient conditions, through the use of hydrocarbon fuel and thermal energy generated by a nuclear reactor at the same time.
2. Повысить надежность двигателя за счет того, что при отказе одной энергетической системы: ядерной или углеводородной, двигатель может продолжать работу, не снижая своей мощности или тяги, что особенно важно в авиации.2. To increase the reliability of the engine due to the fact that in the event of a failure of one energy system: nuclear or hydrocarbon, the engine can continue to operate without reducing its power or thrust, which is especially important in aviation.
3. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, второго контура, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между двумя валами. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину, и двигатель Стирлинга с вентилятором..3. To increase the efficiency of the gas turbine engine due to a more rational layout of the engine, the second circuit, which gives additional traction, the absence of a rigid kinematic connection between the two shafts. This made it possible to design the optimal compressor and turbine, and the Stirling engine with a fan.
4. Улучшить надежность силовой установки за счет уменьшения числа ступеней турбины до одной ступени и распределения большей части нагрузки на двигатель Стирлинга.4. Improve the reliability of the power plant by reducing the number of turbine stages to one stage and distributing most of the load on the Stirling engine.
5. Создать благоприятные условия для работы вентилятора и двигателя Стирлинга, согласовав их оптимальные расчетные угловые скорости вращения вентилятора. Кроме того, применение двухвальной схемы двигателя позволит развязать механически рабочее колесо и ротор турбины и компрессора с одной стороны от вентилятора и двигателя Стирлинга, работа которых при запуске и на переходных режимах значительно различаются, например, по частоте вращения валов и по приемистоти.5. Create favorable conditions for the operation of the fan and the Stirling engine by agreeing on their optimal calculated angular rotational speeds of the fan. In addition, the use of a two-shaft engine circuit will allow you to mechanically decouple the impeller and rotor of the turbine and compressor on the one hand from the fan and the Stirling engine, the operation of which at startup and in transient conditions varies significantly, for example, in terms of shaft speed and acceleration speed.
6. Обеспечить оптимальную работу двигателя на переходных режимах, вследствие того, что основная составляющая тяги на взлете, если двигатель используется в авиации, создается углеводородным топливом, а ядерный реактор вступает в работу на крей-скерском режиме и может обеспечить нахождение самолета в воздухе до одного года непрерывно. Несмотря на плохую приемистость двигателя Стирлинга при резком изменении расхода топлива через камеру сгорания суммарная тяга двигателя будет изменяться практически мгновенно за счет реактивной составляющей. Через 5...7 мин мощности, развиваемые винтом и газогенератором перераспределятся, например, при форсировании основную тяговую нагрузку будет нести вентилятор, имеющий хороший КПД на дозвуковых скоростях, в результате экономичность двигателя на крейсерском режиме полета значительно возрастет.6. Ensure optimal engine operation during transient conditions, due to the fact that the main component of take-off thrust, if the engine is used in aviation, is created by hydrocarbon fuel, and the nuclear reactor enters into operation in the crater mode and can ensure the aircraft is in the air for up to one years continuously. Despite the poor throttle response of the Stirling engine with a sharp change in fuel consumption through the combustion chamber, the total thrust of the engine will change almost instantly due to the reactive component. After 5 ... 7 min, the power developed by the propeller and the gas generator will be redistributed, for example, during forcing, the main traction load will be borne by a fan having good efficiency at subsonic speeds, as a result, engine efficiency during cruising flight will increase significantly.
7. Значительно уменьшить расход топлива при эксплуатации самолета. Это имеет важное значение в связи с исчерпанием ресурсов углеводородного топлива, его удорожанием и отсутствием альтернативы этому виду топлива. Применение водорода, имеющего стоимость в сотни раз большую, чем керосин, в ближайшие 100 лет бесперспективно, а использование сжиженного природного газа из-за его плохих энергетических характеристик и сложности в эксплуатации криогенной техники пока весьма ограничено.7. Significantly reduce fuel consumption during aircraft operation. This is important in connection with the exhaustion of hydrocarbon fuel resources, its cost and lack of alternatives to this type of fuel. The use of hydrogen, which is hundreds of times more expensive than kerosene, is unpromising in the next 100 years, and the use of liquefied natural gas due to its poor energy characteristics and difficulty in operating cryogenic equipment is still very limited.
8. Облегчить условия работы вентилятора за счет его нежесткой связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и ротора вентилятора.8. To facilitate the working conditions of the fan due to its non-rigid connection with the compressor shaft and the possibility of their mutual slippage and mismatch of the rotor speeds of the compressor rotor and the fan rotor.
9. Облегчить запуск и остановку двигателя за счет применения двухвальной схемы.9. Facilitate starting and stopping the engine through the use of a two-shaft scheme.
10. Уменьшить вес и габариты двигателя и общий вес энергетической установки или самолета за счет компактности ядерного топлива..10. To reduce the weight and dimensions of the engine and the total weight of the power plant or aircraft due to the compactness of nuclear fuel ..
11. Снизить стоимость двигателя за счет отказа от дорогостоящих материалов, используемых при изготовлении турбины и решить проблему охлаждения турбины, во первых, снизив температуру перед ней, во-вторых, направив весь охлаждающий воздух на охлаждение только одной ступени турбины, вместо 4-х...5-ти ступеней, применяемых ранее на мощных газотурбинных двигателях.11. To reduce the cost of the engine due to the rejection of expensive materials used in the manufacture of the turbine and solve the problem of cooling the turbine, firstly, by lowering the temperature in front of it, and secondly, by sending all the cooling air to cool only one stage of the turbine, instead of 4. ..5 steps previously used on powerful gas turbine engines.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007101408/06A RU2336429C1 (en) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | Nuclear gas turbine engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007101408/06A RU2336429C1 (en) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | Nuclear gas turbine engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2336429C1 true RU2336429C1 (en) | 2008-10-20 |
Family
ID=40041283
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007101408/06A RU2336429C1 (en) | 2007-01-15 | 2007-01-15 | Nuclear gas turbine engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2336429C1 (en) |
-
2007
- 2007-01-15 RU RU2007101408/06A patent/RU2336429C1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ШЛЯХТЕНКО С.М. Теория воздушно-реактивных двигателей. - М.: Машиностроение, 1975, с.549-555. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11828200B2 (en) | Hydrogen-oxygen fueled powerplant with water and heat recovery | |
US11542869B2 (en) | Dual cycle intercooled hydrogen engine architecture | |
EP4227513A1 (en) | Turbine engine with mass rejection | |
EP1992811B1 (en) | Aircraft combination engines exhaust thrust recovery | |
RU2424441C1 (en) | Nuclear turboprop gas turbine engine | |
EP4123146A1 (en) | Dual cycle intercooled engine architectures | |
RU2379532C1 (en) | Nuclear gas turbine aircraft engine | |
RU2594828C1 (en) | Propulsion engine of supersonic aircraft | |
RU2349775C1 (en) | Nuclear gas-turbine aviation engine | |
RU2376483C1 (en) | Nuclear gas turbine engine with afterburning | |
RU2336429C1 (en) | Nuclear gas turbine engine | |
RU2375219C1 (en) | Nuclear gas turbine locomotive and its power plant | |
RU2425243C1 (en) | Nuclear turboprop gas turbine engine | |
RU2334115C1 (en) | Double-stage gas turbine engine | |
RU2363604C1 (en) | Gas turbine locomotive and its power plant | |
RU2424438C1 (en) | Turboprop gas turbine engine with nuclear power plant | |
US11987377B2 (en) | Turbo expanders for turbine engines having hydrogen fuel systems | |
RU2591361C1 (en) | Engine of hypersonic aircraft | |
RU2334892C1 (en) | Turboprop gas turbine engine | |
RU2374468C1 (en) | Gas turbine for gas-compressor plant | |
US20240229717A9 (en) | Gas turbine engine fuel system | |
US20240133343A1 (en) | Gas turbine engine fuel system | |
RU2435049C1 (en) | Nuclear turboprop gas turbine engine | |
US20230258126A1 (en) | Hydrogen-oxygen fueled powerplant with water and heat recovery | |
RU2391525C1 (en) | Combined nuclear boost aircraft engine |