WO2021049966A1 - Газотурбинный двигатель - Google Patents

Газотурбинный двигатель Download PDF

Info

Publication number
WO2021049966A1
WO2021049966A1 PCT/RU2019/000633 RU2019000633W WO2021049966A1 WO 2021049966 A1 WO2021049966 A1 WO 2021049966A1 RU 2019000633 W RU2019000633 W RU 2019000633W WO 2021049966 A1 WO2021049966 A1 WO 2021049966A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
engine
gas turbine
heat exchanger
heat
lavrentiev
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000633
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Игоревич ЛАВРЕНТЬЕВ
Original Assignee
Владимир Игоревич ЛАВРЕНТЬЕВ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Владимир Игоревич ЛАВРЕНТЬЕВ filed Critical Владимир Игоревич ЛАВРЕНТЬЕВ
Priority to GBGB2203460.7A priority Critical patent/GB202203460D0/en
Publication of WO2021049966A1 publication Critical patent/WO2021049966A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B29/00—Machines or engines with pertinent characteristics other than those provided for in preceding main groups
    • F01B29/08—Reciprocating-piston machines or engines not otherwise provided for
    • F01B29/10—Engines

Definitions

  • This technical solution generally relates to the field of heat engines, and in particular to external combustion engines.
  • the historically invented heat engine or external combustion engine is known as the Sterling engine. It is a reciprocating piston engine that exploits the fact that gases expand when heated and contract when cooled, converting heat into kinetic energy.
  • This design uses an external heat source that heats and expands the air inside in such a way that it pushes the power piston, which includes a single crankshaft with a compressor piston, which pushes hot air to the cold side, cooling it again and pushing it back to the hot side of the engine. ...
  • a two-circuit turbojet engine is known from the prior art, consisting of an inlet device, a fan, an internal circuit, inside which are located: a compressor with air intake for cooling the turbine of the fan and compressor drive, the combustion chamber, the turbine of the fan and compressor drive, the outlet of the internal circuit; external circuit, inside which there is a heat exchanger, inside which circulates the air coming from the mixer, in which the air coming from the compressor and the air coming from the heat exchanger are mixed, the output device of the external circuit (patent RU 2617026 C1, 2017).
  • the technical problem or problem solved in this technical solution is to provide a temperature difference engine in the form of a rotating fan / turbine configuration to get rid of the problems of using a reciprocating piston engine at high rotation speeds, and also having a heat exchange process in the engine inside, and not on its surface.
  • the technical result achieved by solving the above technical problem or task is to increase the rate of conversion of thermal energy into useful mechanical work with minimal heat / energy losses.
  • the specified technical result is achieved through the implementation of the gas turbine engine Lavrentiev, which contains in its housing at least one supply fan, containing a set of rotating inlet blades, forcing air into the engine; at least one heat exchanger placed in the engine casing upstream of the power turbine, downstream of the fan; at least one set of rotating blades configured to extract mechanical work from air moving through the rear of the engine from the heat exchanger, thereby acting as a power turbine that is coupled to the inlet blade wings to rotate them.
  • the engine comprises a decreasing internal volume after the power turbine that acts as an exhaust nozzle.
  • the thermally conductive materials are made of aluminum or an alloy thereof.
  • the supply fan includes bearings inside.
  • the heat exchanger receives exhaust gases and / or liquid from a vehicle radiator.
  • the supply fan pressure is lower than the pressure at the engine turbine.
  • the heat exchanger is hollow and conductive.
  • the heat exchanger has a hollow streamlined shape.
  • the turbine wings are connected to the supply fan wings through a single shaft.
  • a generator is connected to the turbine, and a motor is connected to the cold air supply fan, and the motors are connected to each other by a wire.
  • the surface area of the heat exchanger is increased by adding heat transfer fins to the trailing edge of the airfoils.
  • the intake fan blade angle is less than the turbine blade angle.
  • FIG. 1 shows a schematic example of the implementation of the Lavrentiev gas turbine engine (3/4 general view).
  • FIG. 2 shows schematic examples of the implementation of the Lavrentiev gas turbine engine (two types of engine shapes), in which air passes through the heat exchanger.
  • FIG. 3 shows a schematic example of the implementation of the Lavrentiev gas turbine engine (side view).
  • a heat engine is any engine that converts thermal energy (usually combusted fuel) into usable mechanical energy.
  • a heat exchanger is an apparatus for transferring heat from a medium with a higher temperature (a heating medium, a heat carrier) to a medium with a lower temperature (a heated body).
  • Aerodynamic profile the shape of the cross-section of a wing, blade (propeller, rotor or turbine), sail or other hydro-aerodynamic structure.
  • Power Turbine A gas turbine coupled to the crankshaft of an engine.
  • a stator (English stator, from Latin sto - I stand) is a fixed part of an electric, blade and other machine interacting with a moving part - a rotor.
  • any radiator, condenser, or any other heat exchanger 110 can be included as shown in FIG. one.
  • a fan is usually added to increase the cooling efficiency sufficient for the engine. This fan is powered by either the car's engine or electricity from an alternator generated by the engine. Thus, not only is 100% of the heat energy from the radiator wasted, the additional input energy is also used to transfer this heat energy to the atmosphere. This technical solution reduces or eliminates the need for any consumed energy required for cooling, and also extracts mechanical work from the existing waste heat energy.
  • hot exhaust gases from, for example, an internal combustion engine can be directed through heat exchanger 110 to Lavrentiev engine 100 and thereby be converted into useful work.
  • This device makes it possible to convert the incoming heat into torque / movement.
  • this technical solution 100 can be implemented in a closed system: a chamber, for example, in the form of a cone, although not limited to a shape filled with air, in which all the walls of the cone are made of a durable material, for example, steel, except for its hollow base, which houses a freely rotating fan / turbine.
  • a chamber for example, in the form of a cone, although not limited to a shape filled with air, in which all the walls of the cone are made of a durable material, for example, steel, except for its hollow base, which houses a freely rotating fan / turbine.
  • the heat source may be, but is not limited to, exhaust gases or a radiator of a motor vehicle, a liquid, a cooling or computer server, and the heat source enters the heat exchanger 110 through the hollow pipes 110.1.
  • one of the heat transfer fluids flows through the pipes and the other through the annular space. Heat from one coolant to another is transferred through the surface of the pipe walls.
  • the heated heat carrier is fed from the bottom, and the cooled heat carrier is fed from top to bottom in countercurrent flow.
  • the tube bundle is divided into sections, or passages, along which the coolant moves sequentially.
  • the number of pipes in each section is usually approximately the same.
  • the speed of its movement through the pipes increases in multiples of the number of strokes.
  • a number of segmented baffles are installed in it.
  • these baffles are also intermediate pipe supports.
  • the heat exchanger may be a floating head heat exchanger, an elemental heat exchanger, a double tube heat exchanger, a coil heat exchanger, a plate heat exchanger, etc., but is not limited to.
  • the hollow tubes through which the coolant flows are formed in the form of an aerodynamic wing (or other aerodynamic streamline profile) so that the flow of air or gas moving from the supply fan 120 through the heat exchanger to the power turbine does not form vortices.
  • the chamber can be made not in the shape of a cone, but of another shape, not limited to, but in the shape of a cone the technical solution works more efficiently. Additionally, it should be noted that the chamber may be filled in some embodiments with any other gas, for example, smoke, and the like, but not limited to.
  • an inlet is needed to supply fresh cold air to this the system, and requires a constant source of heat to expand this fresh air through the turbine fan 130, which may be a supply fan 120.
  • the supply fan 120 may include bearings internally.
  • a supply fan 120 composed of rotating blades 120.1 at the front of engine A at the intake, supplies cold air (which should be colder than the radiator fluid) to the front of engine A.
  • the supply fan may have a water or electric heater for heating, if necessary.
  • the supply fan 120 is comprised of air supply devices; air purifying filters; cooler (freon or water); heater (glycol, water, electric), air intake; automation system (relays, sensors); soundproof materials; hulls; humidification chambers (if necessary).
  • the front section A as shown in FIG. 1 has a reduced internal volume in cross section.
  • the rear section B of the technical solution is defined as the part of the engine from which air comes out, which is already heated and passed through the heat exchanger 110.
  • the pressure of the supply fan 120 is lower than the pressure on the turbine 130 of the engine. This can be achieved, for example, if the blade angle of the supply fan 120 is less than the blade angle of the turbine 130.
  • the solution to this problem is the implementation of the internal cross-sectional area between the planes with a hollow conductive heat exchanger 110, where a diffusion effect appears that slows and straightens the air and helps it stay in contact with the hot conductive surfaces of heat exchanger 110 longer to improve the volumetric efficiency of engine 100.
  • Heat exchanger 110 will be described in detail below.
  • the streamlined shape of the heat exchanger 110 helps to reduce the wake as cold air passes through it, and therefore improves aerodynamic efficiency as well as eliminates possible vortices, as shown in FIG. 2.
  • the leading edge of the airfoil is attached to the front of the hollow tubes 110.1 of the heat exchanger 110, for example, by any mating operation such as gluing, soldering, welding, etc., to reduce the resistance of the incoming air.
  • the air contacts the surfaces of the heat exchanger 110, for example, made of aluminum, thereby cooling the heat exchanger 110 and heating the air, thereby expanding its volume.
  • the heat exchanger 110 is integrated into the rear edge of the blades 110.2 by means of a mating operation such as gluing, soldering, etc., these blades 110.2 being possible examples of implementation. They are illustrated to show that most of the heat transfer should ideally take place in or behind the engine mid-section, with hot air diffusing only upstream of the power turbine 130. Therefore, heat exchanger 130 should be located at the rear of the engine for efficiency.
  • turbine 130 As the air upstream of turbine 130 (in section B) absorbs heat from heat exchanger 110, it expands. This hot air flows along the moving fenders 130.1 of the exhaust turbine 130 and applies force to them, causing them to move / rotate.
  • the wings of the turbine 130.1 can be connected to the wings of the supply fan 120 through a single shaft.
  • a generator may be connected to the turbine 130, and a motor may be connected to the cold air supply fan 120 (or hair dryer), and the motors may be connected to each other by a wire. For example, if the supply fan 120 needs 80 kW for operation, and turbine 130 generates
  • the turbine 130 rotates and the blades, once again pushing fresh cold air into the engine and repeating the process, i. the system is closed because only energy comes in in the form of heat and only energy comes out in the form of rotating turbine 130. This can be done using a mutual shaft or electrical coupling between power turbine 130 and supply fan 120 (or hair dryer).
  • the stators that hold the rear engine casing up to the power turbine 130 around the shaft may have ailerons at the trailing edge. This allows for a nozzle effect to accelerate and decelerate air flow to turbine 130, and to redirect energized air flow to turbine 130, allowing it to be used as a jet and pulse turbine 130 depending on the amount of power supplied.
  • the stator vanes can be used after the supply fan 120 so that the fan 120 cannot cyclone the air flow.
  • the surface area of the heat exchanger can be increased by adding heat transfer fins to the trailing edge of the aerodynamic surfaces.
  • an exemplary embodiment of the engine consists of: a supply fan connected to a turbine with a heat exchanger therebetween, enclosed in one single housing.
  • the shape of the blade is usually biconvex, it would be advantageous for the trailing edge to have a concave shape so that a vortex is formed, which gives the passing air a swirling effect. This promotes greater heat transfer from the conductive surface to the passing air and thereby increases the speed of mechanical work performed per unit mass of air on the turbine.
  • the shape / geometry of the engine should be in the form of a converging and diverging nozzle. This shape can be achieved between aerofoil surfaces when they are stacked on top of each other. Alternatively, this shape can also be achieved simply by forming the inner engine casing in this way, or any combination of both.
  • FIG. 1 illustrates the use of a combination of converging-diverging nozzles and aerodynamic surfaces acting as aerodynamic heat exchangers in the reverse running center.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Данное техническое решение представляет собой тепловой разностный двигатель, который использует внутренний теплообменник, чтобы использовать отходящую теплоту от внешнего источника тепла на входе и производить механическую работу на выходе, в отличие от обычных газотурбинных двигателей, таких как реактивные турбины, двигатели внутреннего сгорания. Газотурбинный двигатель Лаврентьева, содержащий в своем корпусе по меньшей мере, один вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель; по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора; по меньшей мере, один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения. Технический результат - повышение скорости превращения тепловой энергии в полезную механическую работу с минимальными потерями тепла / энергии.

Description

ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Данное техническое решение, в общем, относится к области тепловых двигателей, а в частности к двигателям внешнего сгорания.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Исторически изобретенный тепловой двигатель или двигатель внешнего сгорания известен как двигатель Стерлинга. Это поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением, который использует тот факт, что газы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, превращая тепло в кинетическую энергию. В этой конструкции используется внешний источник тепла, который нагревает и расширяет воздух внутри таким образом, что толкает силовой поршень, который включает один коленчатый вал с поршнем компрессора, который выталкивает горячий воздух на холодную сторону, снова охлаждая его и толкая его назад к горячей стороне двигателя.
[003] Данный тип двигателя невероятно прост и зачастую более эффективен, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания. Однако он все еще является неэффективным поршневым двигателем. При более высокой скорости необходимо преодолеть большое изменение сил инерции из-за наличия возвратно-поступательных масс, причем при увеличении скорости работы трение возрастает, поскольку поршневые кольца с большей скоростью протирают стенки цилиндров. Это проблематично, поскольку эффективность двигателей, работающих на принципе разницы температур, зависит от скорости рассеивания тепла. Поэтому там, где двигатель наиболее эффективен (при высоких оборотах), эти недостатки наблюдаются чаще всего.
[004] Другая проблема с двигателем Стерлинга заключается в том, что тепло, которое двигатель превращается в кинетическую энергию, может проходить только через корпус двигателя. А поскольку тепло находится за пределами двигателя, трудно сфокусировать тепло на поверхности на корпусе двигателя, и большая часть его теряется в окружающей среде.
[005] Из уровня техники известен двухконтурный турбореактивный двигатель, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор с отбором воздуха для охлаждения турбины привода вентилятора и компрессора, камера сгорания, турбина привода вентилятора и компрессора, выходное устройство внутреннего контура; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник , внутри которого циркулирует воздух, поступающий из смесителя, в котором смешиваются воздух, поступающий из компрессора, и воздух, поступающий из теплообменника , выходное устройство внешнего контура (патент RU 2617026 С1, 2017).
[006] Известны газотурбинные двигатели, в которых используется свободная турбина (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М: Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.4).
[007] Известны газотурбинные двигатели, у которых за турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория авиационных газотурбинных двигателей . Ч. 2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).
[008] Известны газотурбинные двигатели с регенерацией тепла (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. С.М. Шляхтенко - М.:
Машиностроение, 1987, с. 354, рис. 11.3).
[009] Основным недостатком данных технических решений является низкая скорость превращения тепловой энергии в полезную механическую работу, которую решает заявляемое техническое решение.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0010] Данное техническое решение направлено на устранение недостатков, свойственных решениям, известным из уровня техники.
[0011] Технической задачей или проблемой, решаемой в данном техническом решении, является создание двигателя, работающего по принципу разницы температур, в форме конфигурации вращающегося вентилятора / турбины, чтобы избавиться от проблем использования поршневого двигателя с возвратно- поступательным движением при больших скоростях вращения, а также имеющего теплообменный процесс в двигателе внутри, а не на его поверхности.
[0012] Техническим результатом, достигающимся при решении вышеуказанной технической проблемы или задачи, является повышение скорости превращения тепловой энергии в полезную механическую работу с минимальными потерями тепла / энергии. [0013] Указанный технический результат достигается благодаря осуществлению газотурбинного двигателя Лаврентьева, который содержит в своем корпусе по меньшей мере, один приточный вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель; по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора; по меньшей мере, один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения.
[0014] В некоторых вариантах реализации технического решения двигатель содержит уменьшающийся внутренний объем после силовой турбины, который действует как выпускное сопло.
[0015] В некоторых вариантах реализации технического решения теплопроводный материалы выполнен из алюминия или его сплава.
[0016] В некоторых вариантах реализации технического решения приточный вентилятор содержит внутри подшипники.
[0017] В некоторых вариантах реализации технического решения в теплообменник поступают выхлопные газы и/или жидкость радиатора автотранспортного средства.
[0018] В некоторых вариантах реализации технического решения давление приточного вентилятора ниже, чем давление на турбине двигателя.
[0019] В некоторых вариантах реализации технического решения теплообменник является полым и проводящим.
[0020] В некоторых вариантах реализации технического решения теплообменник имеет полую обтекаемую форму.
[0021] В некоторых вариантах реализации технического решения крылья турбины связаны с крыльями приточного вентилятора посредством единого вала.
[0022] В некоторых вариантах реализации технического решения к турбине подключен генератор, а к приточному вентилятору холодного воздуха подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом.
[0023] В некоторых вариантах реализации технического решения площадь поверхности теплообменника увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей. [0024] В некоторых вариантах реализации технического решения угол лопастей приточного вентилятора меньше угла лопастей турбины.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0025] Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приведенного ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых:
[0026] На Фиг. 1 показан схематичный пример реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (общий вид на 3/4).
[0027] На Фиг. 2 показаны схематичные примеры реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (два вида формы двигателя), в котором показано через теплообменник проходит воздух.
[0028] На Фиг. 3 показан схематичный пример реализации газотурбинного двигателя Лаврентьева (вид сбоку).
ПОДРОБНОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0029] Ниже будут подробно рассмотрены термины и их определения, используемые в описании технического решения.
[0030] Тепловой двигатель — любой двигатель, который превращает тепловую энергию (обычно сжигаемого топлива) в полезную механическую энергию.
[0031] Теплообменник — аппарат для передачи теплоты от среды с более высокой температурой (греющее тело теплоноситель) к среде с более низкой температурой (нагреваемое тело).
[0032] Аэродинамический профиль — форма поперечного сечения крыла, лопасти (пропеллера, ротора или турбины), паруса или другой гидроаэродинамической конструкции.
[0033] Силовая турбина (СТ) — соединенная с коленчатым валом двигателя газовая турбина.
[0034] Статор (англ stator, от лат. sto — стою) — неподвижная часть электрической, лопаточной и другой машины, взаимодействующая с подвижной частью — ротором.
[0035] Из-за характера охлаждения двигателя в него можно включить любой радиатор, конденсатор или любой другой теплообменник 110, как показано на Фиг. 1. [0036] Например, в автомобильном радиаторе обычно добавляется вентилятор, чтобы повысить эффективность охлаждения, достаточную для двигателя. Этот вентилятор приводится в действие либо от двигателя автомобиля, либо от электричества генератора переменного тока, вырабатываемого двигателем. Таким образом, не только 100% тепловой энергии от радиатора тратится впустую, дополнительная входная энергия также используется для перехода этой тепловой энергии в атмосферу. Данное же техническое решение уменьшает или вообще исключает потребность в любой потребляемой энергии, необходимой для охлаждения, а также извлекает механическую работу из существующей энергии отходящего тепла.
[0037] Аналогично горячие выхлопные газы, например, двигателя внутреннего сгорания, могут направляться через теплообменник 110 в двигатель 100 Лаврентьева и тем самым превращаться в полезную работу. Это устройство дает возможность превращать поступающее тепло в крутящий момент/движение.
[0038] С точки зрения фундаментальной физики данное техническое решение 100 может быть реализовано в замкнутой системе: камера, например, в форме конуса, хотя не ограничиваясь формой, заполненная воздухом, в которой все стенки конуса выполнены из прочного материала, например, из стали, кроме его полого основания, в котором располагается свободно вращающийся вентилятор / турбина.
[0039] Если в конус будет добавлен источник тепла для нагрева внутреннего воздуха, объем этого воздуха должен увеличиться. В качестве источника тепла могут использоваться, не ограничиваясь, выхлопные газы или радиатор автотранспортного средства, жидкость, охлаждающий или компьютерный сервер, причем источник тепла поступает в теплообменник 110 через полые трубы 110.1. В некоторых вариантах реализации один из теплоносителей протекает по трубам, а другой по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стенок труб. Обычно нагреваемый теплоноситель подается снизу, а охлаждаемый теплоноситель - сверху вниз противотоком. Такое движение теплоносителей способствует более эффективному переносу теплоты, так как при этом происходит совпадение направления движения каждого теплоносителя с направлением, в котором стремится двигаться данный теплоноситель под влиянием изменения его плотности при нагревании или охлаждении. Наиболее распространенный способ размещения труб в трубных решетках - по вершинам правильных шестиугольников. Рассмотренный кожухотрубчатый теплообменник является одноходовым, т. е. в этом теплообменнике оба теплоносителя, не изменяя направления, движутся по всему сечению (один по трубному, другой - по межтрубному). В тех случаях, когда скорость движения теплоносителя невелика и, следовательно, низки коэффициенты теплоотдачи, в данном техническом решении могут использовать многоходовый теплообменник. В многоходовом по трубному пространству теплообменнике с помощью поперечных перегородок , установленных в крышках теплообменников, трубный пучок разделен на секции, или ходы, по которым последовательно движется теплоноситель. При этом число труб в каждой секции обычно примерно одинаковое. Очевидно, что в таких теплообменниках при одном и том же расходе теплоносителя скорость его движения по трубам увеличивается кратно числу ходов. Для увеличения скорости в межтрубном пространстве в нем устанавливают ряд сегментных перегородок. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточными опорами для труб. [0040] В некоторых вариантах реализации теплообменник может быть теплообменником с плавающей головкой, элементным теплообменником, двухтрубным теплообменником, змеевиковым теплообменником, пластинчатым теплообменником и т.д., не ограничиваясь.
[0041] Применяются и другие способы размещения труб. В данном техническом решении важно выбрать способ размещения, который обеспечит максимально возможную компактность поверхности теплообмена в устройстве. В некоторых вариантах реализации полые трубы, по которым протекает теплоноситель, выполнены в форме аэродинамического крыла (или другого аэродинамического обтекаемого профиля) таким образом, чтобы поток воздуха или газа, двигающийся от приточного вентилятора 120 через теплообменник к силовой турбине не образовывал вихрей.
[0042] В результате этого появляется давление на стенки устройства 100 и вентилятор/турбину 130, заставляя их вращаться. В некоторых вариантах реализации камера может быть выполнена не в форме конуса, а другой формы, не ограничиваясь, однако в форме конуса техническое решение работает эффективнее. Дополнительно стоит отметить, что камера может быть заполнена в некоторых вариантах реализации любым другим газом, например, дымом и т.п., не ограничиваясь.
[0043] Для того чтобы этот процесс был непрерывным, а не единичным событием, необходимо впускное отверстие для подачи свежего холодного воздуха в эту систему, и необходим постоянный источник тепла для расширения этого свежего воздуха через вентилятор турбины 130, которым может быть приточный вентилятор 120. В некоторых вариантах реализации приточный вентилятор 120 может внутри содержать подшипники.
[0044] Ниже будет подробно раскрыта передняя секция (фронтальная часть двигателя), показанная на Фиг. 1 как секция А.
[0045] Приточный вентилятор 120, состоящий из вращающихся лопастей 120.1 в передней части двигателя А на впуске, подает холодный воздух (который должен быть холоднее жидкости радиатора) во фронтальную часть двигателя А. В некоторых вариантах реализации приточный вентилятор может иметь водяной или электрический калорифер для нагревания, в случае необходимости. Также в некоторых вариантах реализации приточный вентилятор 120 состоит из устройств подачи воздуха; фильтров очищающих воздух; охладителя (фреоновый или водяной); нагревателя (гликолевый, водяной, электрический), воздухоприемного устройства; система автоматики (реле, датчики); звукоизоляционных материалов; корпуса; камеры увлажнения (при необходимости).
[0046] Передняя секция А, как показано на Фиг. 1 , имеет уменьшенный внутренний объем в поперечном сечении. При этом задняя секция В технического решения определяется как часть двигателя, из которой выходит воздух, причем уже нагретый и прошедший через теплообменник 110. Давление приточного вентилятора 120 ниже, чем давление на турбине 130 двигателя. Этого можно добиться, например, если угол лопастей приточного вентилятора 120 меньше угла лопастей турбины 130.
[0047] Поскольку воздух течет из большого объема поперечного сечения в небольшой объем поперечного сечения, его скорость увеличивается в соответствии с принципом Бернулли. Это отрицательно сказывается на эффективности двигателя: так как между поверхностями теплообменника находится место, как показано на Фиг. 2, где сопротивление пограничного слоя является максимальным, и поступающий холодный воздух должен оставаться в контакте с горячей поверхностью теплообменника 110 как можно дольше, чтобы эффективно проводить тепло в t, т.е. чтобы максимальное количество тепла прошло через турбину. Пограничный слой становится больше при повышении объема воздуха.
[0048] Решением этой проблемы является осуществление внутренней площади поперечного сечения между плоскостями с полым проводящим теплообменником 110, где появляется эффект диффузии, который замедляет и распрямляет воздух и помогает ему оставаться в контакте с горячими проводящими поверхностями теплообменника 110 дольше, чтобы улучшить объемный КПД двигателя 100.
[0049] Ниже будет подробно раскрыт теплообменник 110.
[0050] Реализованная обтекаемая форма теплообменника 110 помогает уменьшить след в потоке, когда холодный воздух проходит через него, и, следовательно, повышает аэродинамическую эффективность, а также исключает возможные вихри, как показано на Фиг. 2. Аналогично, передний край аэродинамического наконечника прикреплен к передней части полых трубок 110.1 теплообменника 110, например, с помощью любой операции сочленения, такой как склейка, спайка, сварка и т.п., чтобы уменьшить сопротивление входящего воздуха.
[0051] Когда воздух проходит через теплообменник 110, внутренняя площадь поперечного сечения увеличивается, и воздух начинает диффундировать. Эта диффузия уменьшает скорость воздушного потока, которая увеличивает давление воздуха при его движении к силовой турбине 130.
[0052] Также на этой стадии воздух контактирует с поверхностями теплообменника 110, например, выполненного из алюминия, тем самым охлаждая теплообменник 110 и нагревая воздух, тем самым расширяя его объем.
[0053] Хотя на Фиг. 1 теплообменник 110 встроен в задний край лопастей 110.2, посредством операции сочленения, например, такой как склейка, спайка и т.п., причем эти лопасти 110.2 являются возможными примерами реализации. Они иллюстрируются для того, чтобы показать, что большая часть теплообмена в идеале должна происходить в средней части двигателя или за ней, причем диффузия горячего воздуха происходит только перед силовой турбиной 130. Поэтому теплообменник 130 должен находиться в задней части двигателя для большей эффективности.
[0054] Поскольку воздух до турбины 130 (в секции В) поглощает тепло из теплообменника 110, он увеличивается в объеме. Этот горячий воздух течет по движущимся крыльям 130.1 выхлопной турбины 130 и прилагает к ним силу, заставляя их двигаться / вращаться. Крылья турбины 130.1 могут быть связаны с крыльями приточного вентилятора 120 посредством единого вала. В некоторых вариантах реализации к турбине 130 может подключен генератор, а к приточному вентилятору 120 (или фену) холодного воздуха может быть подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом. Например, если приточному вентилятору 120 для работы необходимо 80 кВт, а на турбине 130 генерируется
100 кВт, то лишние 20 кВт могут идти от батареи. Таким образом, турбина 130 вращается и лопасти, еще раз подталкивая свежий холодный воздух в двигатель и повторяя процесс, т.е. система является замкнутой, потому что входит только энергия в форме тепла, а выходит только энергия в форме вращения турбины 130. Это можно сделать с помощью взаимного вала или электрической муфты между силовой турбиной 130 и приточным вентилятором 120 (или феном).
[0055] Поскольку воздух, проходящий через силовую турбину 130, добавляет к ней тепла, он больше по объему, чем воздух, всасываемый приточным вентилятором 120, в связи с чем создается больше энергии, чем используется. Это предполагает минимальные потери на трение и соответствующую геометрию крыла.
[0056] Статоры, которые удерживают задний кожух двигателя до силовой турбины 130 вокруг вала, могут иметь элероны на задней кромке. Это позволяет создать эффект сопла, чтобы ускорить и замедлить поток воздуха на турбину 130, и перенаправить поток воздуха под напряжением на турбину 130, позволяя использовать его в качестве реактивной и импульсной турбины 130 в зависимости от количества подаваемой энергии. Лопатки статора могут использоваться после приточного вентилятора 120, чтобы вентилятор 120 не мог циклонировать воздушный поток.
[0057] Для более эффективной передачи тепла воздуху площадь поверхности теплообменника может быть увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.
[0058] Чем быстрее вращаются вентиляторы двигателя (120 и 130), тем больше начинается теплообмен, что делает двигатель более эффективным, пока сопротивление аэродинамическому сопротивлению и трению не достигнет критического уровня. В таком случае энергия вращения всех масс будет больше, чем энергия проходящего воздуха, и вращение замедляется.
[0059] Также следует отметить, что передняя часть А двигателя не обязательно должна иметь форму суживающегося сопла: внутреннее поперечное сечение не обязательно должно уменьшаться. Это сделано для того, чтобы поддерживать одинаковый впускной и выпускной диаметры вентилятора 120 и турбины 130, используя эффект диффузии. [0060] Следовательно, примерный вариант реализации двигателя состоит из: приточного вентилятора, соединенного с турбиной с теплообменником между ними, заключенные в один единый корпус.
[0061] Хотя формы лопасти обычно бывают двояковыпуклыми, было бы целесообразно, чтобы задняя кромка содержала вогнутую форму, чтобы образовался вихрь, который придает проходящему воздуху эффект завихрения. Это способствует большей передаче тепла от проводящей поверхности к проходящему воздуху и тем самым увеличивает скорость механической работы, выполняемой на единицу массы воздуха на турбине.
[0062] Форма / геометрия двигателя должны иметь форму сходящегося и расходящегося сопла. Такая форма может быть достигнута между аэродинамическими поверхностями, когда они уложены друг на друга. В качестве альтернативы, эта форма также может быть достигнута просто путем формирования внутреннего кожуха двигателя таким образом, или любой комбинации обоих. Фиг. 1 иллюстрирует использование комбинации сходящихся- расходящихся сопел и аэродинамических поверхностей, действующих в качестве аэродинамических теплообменников в средней части, идущей в обратном направлении.
[0063] Таким образом, выше было показано, что все элементы устройства находятся в конструктивной и функциональной связи.
[0064] Настоящее подробное описание составлено с приведением различных не имеющих ограничительного и исчерпывающего характера вариантов осуществления. В то же время, специалистам, имеющим средний уровень компетентности в рассматриваемой области техники, очевидно, что различные замены, модификации или сочетания любых раскрытых здесь вариантов осуществления (в том числе частично) могут быть воспроизведены в пределах объема настоящего технического решения. Таким образом, подразумевается и понимается, что настоящее описание технического решения включает дополнительные варианты осуществления, суть которых не изложена здесь в явно выраженной форме. Такие варианты осуществления могут быть получены путем, например, сочетания, модификации или преобразования каких-либо действий, компонентов, элементов, свойств, аспектов, характеристик, ограничений и пр., относящихся к приведенным здесь и не имеющим ограничительного характера вариантам осуществления.

Claims

ФОРМУЛА
1. Г азотурбинный двигатель Лаврентьева, содержащий в своем корпусе:
• по меньшей мере, один приточный вентилятор, содержащий набор вращающихся входных лопастей, нагнетающих воздух в двигатель;
• по меньшей мере один теплообменник, помещенный в корпус двигателя до силовой турбины, после вентилятора;
• по меньшей мере, один набор вращающихся лопастей, выполненных с возможностью извлечения механической работы из воздуха, движущегося через заднюю часть двигателя из теплообменника, тем самым действуя в качестве силовой турбины, которая соединена с крыльями входных лопастей для их вращения.
2. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что содержит уменьшающийся внутренний объем после силовой турбины, который действует как выпускное сопло.
3. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что теплопроводный материалы выполнен из алюминия или его сплава.
4. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что приточный вентилятор содержит внутри подшипники.
5. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что в теплообменник поступают выхлопные газы и/или жидкость радиатора автотранспортного средства.
6. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что диаметр приточного вентилятора больше, чем диаметр турбины двигателя.
7. Г азотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что теплообменник является полым и проводящим.
8. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что теплообменник имеет полую обтекаемую форму.
9. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что крылья турбины связаны с крыльями приточного вентилятора посредством единого вала.
10. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что к турбине подключен генератор, а к приточному вентилятору холодного воздуха подключен мотор, причем которые между собой соединены проводом.
11. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что площадь поверхности теплообменника увеличена путем добавления теплопроводящих ребер к задней кромке аэродинамических поверхностей.
12. Газотурбинный двигатель Лаврентьева по п. 1, характеризующийся тем, что угол лопастей приточного вентилятора меньше угла лопастей турбины.
PCT/RU2019/000633 2019-09-13 2019-09-13 Газотурбинный двигатель WO2021049966A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GBGB2203460.7A GB202203460D0 (en) 2019-09-13 2019-09-13 Gas turbine engine

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019128902 2019-09-13
RU2019128902A RU2730691C1 (ru) 2019-09-13 2019-09-13 Газотурбинный двигатель лаврентьева

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021049966A1 true WO2021049966A1 (ru) 2021-03-18

Family

ID=72237988

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000633 WO2021049966A1 (ru) 2019-09-13 2019-09-13 Газотурбинный двигатель

Country Status (3)

Country Link
GB (1) GB202203460D0 (ru)
RU (1) RU2730691C1 (ru)
WO (1) WO2021049966A1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2302545C2 (ru) * 2002-03-01 2007-07-10 Дженерал Электрик Компани Авиационный газотурбинный двигатель встречного вращения с компрессором с высокой общей степенью повышения давления
RU2379532C1 (ru) * 2008-05-27 2010-01-20 Николай Борисович Болотин Атомный газотурбинный авиационный двигатель
RU2425243C1 (ru) * 2010-03-23 2011-07-27 Николай Борисович Болотин Атомный турбовинтовой газотурбинный двигатель
RU2462607C2 (ru) * 2007-04-06 2012-09-27 Турбомека Устройство содействия для переходных фаз разгона и торможения
EA201300386A1 (ru) * 2010-09-21 2013-11-29 Палмер Лэбс, Ллк Система и способ высокоэффективной выработки энергии с использованием рабочего тела на основе азота
US20180274441A1 (en) * 2015-02-17 2018-09-27 Safran Helicopter Engines System for recovering exhaust gas energy

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2376483C1 (ru) * 2008-06-04 2009-12-20 Николай Борисович Болотин Атомный газотурбинный двигатель с форсажем
RU2424441C1 (ru) * 2010-03-17 2011-07-20 Николай Борисович Болотин Атомный турбовинтовой газотурбинный двигатель
CA2858277A1 (en) * 2011-12-16 2013-06-20 Heron Energy Pte Ltd High speed turbine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2302545C2 (ru) * 2002-03-01 2007-07-10 Дженерал Электрик Компани Авиационный газотурбинный двигатель встречного вращения с компрессором с высокой общей степенью повышения давления
RU2462607C2 (ru) * 2007-04-06 2012-09-27 Турбомека Устройство содействия для переходных фаз разгона и торможения
RU2379532C1 (ru) * 2008-05-27 2010-01-20 Николай Борисович Болотин Атомный газотурбинный авиационный двигатель
RU2425243C1 (ru) * 2010-03-23 2011-07-27 Николай Борисович Болотин Атомный турбовинтовой газотурбинный двигатель
EA201300386A1 (ru) * 2010-09-21 2013-11-29 Палмер Лэбс, Ллк Система и способ высокоэффективной выработки энергии с использованием рабочего тела на основе азота
US20180274441A1 (en) * 2015-02-17 2018-09-27 Safran Helicopter Engines System for recovering exhaust gas energy

Also Published As

Publication number Publication date
GB202203460D0 (en) 2022-04-27
RU2730691C1 (ru) 2020-08-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6607566B2 (ja) 空気冷却式のエンジン表面冷却器
US8621867B2 (en) Rotary heat engine powered by radiant energy
US6295803B1 (en) Gas turbine cooling system
US4506502A (en) Gas turbine engines
US9410478B2 (en) Intercooled gas turbine with closed combined power cycle
US20110014028A1 (en) Compressor cooling for turbine engines
EP2904237B1 (en) Low profile compressor bleed air-oil coolers
JP2016090226A (ja) 可変形状熱交換装置
JP2002534627A (ja) ガスタービンエンジン用のレキュペレータ
WO2006126661A1 (ja) 噴流式蒸気エンジン
US20190277199A1 (en) Turbo engine, in particular turbo generator and exchanger for such turbo engine
JP2014148974A (ja) 熱交換器を組み込むガスタービンエンジン
CN102713190A (zh) 热气的使用及设备
CN103029839A (zh) 外燃飞行器
RU2730691C1 (ru) Газотурбинный двигатель лаврентьева
Iancu et al. Feasibility study of integrating four-port wave rotors into ultra-micro gas turbines (UmGT)
JP3832496B1 (ja) 噴流式蒸気エンジン
WO2010036421A1 (en) Improved heat exchanger tube and air-to-air intercooler
CN113266580B (zh) 升压装置、二氧化碳循环机组以及联合循环机组
US20130129496A1 (en) Turbomachine
Cheeda et al. Design and CFD analysis of a regenerator for a turboshaft helicopter engine
WO2013064858A1 (en) Method and apparatus for converting heat energy into mechanical energy
RU2799744C1 (ru) Система комбинированного пневмодвигателя замкнутого контура с подводом тепла природных источников
US20210355839A1 (en) Counter-rotating reversing energy storage turbo machine
JP2011085099A (ja) 熱交換器およびこれを用いたガスタービン発電機

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19945361

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 03/08/2022)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19945361

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1