ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02K3/04 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к реактивным двигателям для летательных аппаратов, к двухконтурным турбореактивным двигателям большой степени двухконтурности или к винтовентиляторным реактивным двигателям.

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель [1] содержащий компрессор внутреннего контура, подключенный выходом к камере сгорания внутреннего контура и к камерам дожигания с жаровыми трубами, размещенными во внутренней полости лопаток вентилятора, имеющего установленные на задней кромке лопаток сопла с осями, направленными под углом к плоскости вращения вентилятора.

Однако двигатель имеет сравнительно сложную и тяжелую конструкцию из-за несовершенных устройств регулирования числа оборотов вентилятора, недостаточно эффективна работа самой вентиляторной системы из-за ограниченных возможностей изменения степени сжатия самой рабочей ступени при фиксированном числе оборотов. Кроме того, система управления и регулирования поворота лопатки и перепуска воздуха или газа обладает повышенной инерционностью.

Цель изобретения упрощение и облегчение конструкции, повышение эффективности вентилятора в работе, повышение быстродействия системы управления и регулирования двигателя.

Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит компрессор внутреннего контура, подключенный выходом к камерам сгорания с жаровыми трубами, размещенными во внутренней полости лопаток вентилятора, имеющего установленные на задней кромке лопаток сопла с осями, направленными под углом к плоскости вращения вентилятора. При этом сопла снабжены устройством регулирования площади их среза, установлены в верхней части лопаток с возможностью поворота вокруг своей оси, а выход из жаровых труб подключен непосредственно к входу в сопла.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель, продольный разрез; на фиг.2 регулируемое сопло на задней кромке лопаток вентилятора с фиксированной площадью среза и с возможностью поворота оси сопла в плоскости, перпендикулярной к плоскости вращения ротора вентилятора; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 регулируемое сопло на задней кромке лопаток вентилятора с возможностью изменять площадь среза сопла, а также вектора направления оси реактивной струи относительно хорды лопатки вентилятора; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг. 4.

Двигатель (см. фиг.1) содержит компрессор 1 внутреннего контура, подключенный выходом диффузора 2 к входу 3 в камеры сгорания, установленные на диске 4 рабочего вентилятора внутри полых рабочих лопаток 6 вентилятора. Жаровая труба 6 каждой камеры сгорания установлена вдоль по размаху рабочей лопатки 5 вентилятора, а выход из жаровой трубы 6 соединен с соплом 7 на задней кромке рабочей лопатки 5. Сопло 7 имеет ось, направленную под углом к плоскости вращения вентилятора и под углом к хорде его рабочих лопаток 5. Камеры сгорания с жаровыми трубами 6 могут быть установлены в нескольких или во всех полых лопатках 5 вентилятора, что зависит от степени двухконтурности, от объема внутренней полости пустотелых лопаток 5 и от необходимого крутящего момента на рабочем колесе вентилятора. Рабочие лопатки 5 вентилятора выполнены поворотными. Сопла 7 могут быть и сверхзвуковыми, что зависит от скорости потока в наружном контуре. Проточная часть наружного контура двигателя ограничена с внешней стороны кольцевым кожухом 8, на наружной стороне которого установлены две поворотные цапфы 9 крепления двигателя. С внутренней стороны наружный контур ограничен кольцевым разделительным кожухом 10, наружной стороной диска 4 рабочего колеса вентилятора и укороченным центральным телом 11 выходного сопла 12. наружный кожух 8 в передней части соединен с разделительным кожухом 10 стойками 13. Разделительный кожух 10 через лопатки диффузора 2 связан с передней опорой 14, в средней части которой установлен передний подшипник 15 диска 4 вентилятора, а на внутренней части передний подшипник 16 ротора компрессора 1. Наружный кожух 8 в задней части через стойки 17 или через лопатки спрямляющего аппарата вентилятора, через укороченное центральное тело 11 выходного сопла 12 связан с задними подшипниками 18 и 19 диска 4 вентилятора и ротора компрессора 1 соответственно. Роторы компрессора и вентилятора выполнены двухопорными (возможно применение и трехопорной силовой схемы). Ротор компрессора содержит вал 20, установленный на переднем 16 и заднем 19 подшипниках. К переднему концу вала 20 консольно крепят диск 21 центробежного компрессора 1, к лобовой части которого крепят кок 22. Возможно применение и осевого компрессора. В хвостовой части вала 20 установлена ведомая шестерня 23 мультипликатора. Зубья ведомой шестерни 23 входят в зацепление с зубьями сателлитов 24. зубьями противоположной стороны сателлиты 24 входят в зацепление с зубьями неподвижного колеса 25 с внутренним расположением зубьев, которое закреплено с внутренней стороны укороченного центрального тела 11 сопла 12. Сателлиты 24 при помощи подшипников 26 установлены на водиле 27, которое закреплено на диске 4 вентилятора. В передней и задней частях диска 4 установлено газовое уплотнение 28. Топливо и электроэнергия для форсунки 29 и свечи зажигания 30, установленных в головке жаровой трубы 6, подводят по каналам в теле диска 4 от коллектора 31 с уплотнениями, закрепленного на передней опоре 14. Сопло 7 на задней кромке пустотелых лопаток 5 вентилятора выполнено следующим образом (фиг.2 и 3). Плоское сопло 32 нижней и верхней цапфами 33 при помощи втулок скольжения 34 установлено в задней кромке рабочей лопатки 5 вентилятора. Нижняя цапфа 33 при помощи муфты 35 связана с валом 36 привода. Регулируемое сопло 7 (фиг.4 и 5) содержит две плоские створки 37 сопла и цапфы 38. Полки 39 закреплены на задней кромке рабочей лопатки 5 вентилятора. К нижним цапфам 38 каждой створки 37 сопла подведен свой вал 40 привода.

Двигатель работает следующим образом.

Сжатый воздух из лопаточного диффузора 2 поступает через вход 3 камеры сгорания (кольцевая полость в верхней части диска 4 вентилятора) и попадает во внутреннюю полость пустотелых лопаток 5, которые служат наружным кожухом вращающихся камер сгорания. Затем воздух попадает в жаровую трубу 6, где происходит сгорание топлива, подведенного форсункой 29. На процессы течения газа в камере и горение будут влиять центробежные силы при вращении камер сгорания. При расположении жаровой трубы 6 вдоль по размаху лопатки 5 возможно снижение гидравлических потерь из-за дополнительного подпора воздуха и газов центробежными силами. Затем газ из кожуха жаровой трубы 6 направляется в сопло 7, установленное на задней кромке рабочей лопатки 5, ближе к ее периферии. Ускоренные в сопле газы выходят под углом к плоскости вращения лопаток 5 вентилятора. При этом на лопатках 5 возникает реактивная сила, которая создает момент, вращающий рабочее колесо вентилятора. Диском 4 через сателлиты 24 мультипликатора производят вращение ротора компрессора. В свою очередь компрессор 1 обеспечивает сжатие и подачу сжатого воздуха во вращающуюся камеру сгорания. Подбором передаточного отношения обеспечивают эффективную работу компрессора и вентилятора. Кроме традиционного управления работой двигателя путем изменения количества подаваемого через форсунку 29 топлива, появляется возможность изменять скорость вращения роторов путем поворота плоского сопла 32 в цапфах 33 валом 36 привода поворота сопла. При этом изменяется направление истечения реактивной струи из сопла 32, а значит изменяется и крутящий момент, действующий на рабочее колесо вентилятора, а через него и на ротор компрессора, без изменения количества подаваемого топлива. Регулируемое сопло обеспечивает изменение вектора истечения газа из сопла и изменение площади среза сопла. При этом появляется возможность регулировки вращения ротора двигателя изменением скорости газа на выходе из сопла, ограниченного створками 37. Изменение скорости газа также приводит к изменению крутящего момента на рабочем колесе вентилятора, а значит и во всем двигателе.

Преимущества предлагаемого двухконтурного турбореактивного двигателя:
возможность регулирования числа оборотов ротора изменением крутящего момента на лопатках вентилятора путем изменения вектора тяги сопл на задней кромке лопаток, а также путем изменения скорости истечения газа из задних кромок лопаток;
повышенная степень сжатия в вентиляторной ступени за счет аэродинамического эффекта струйного закрылка на каждой лопатке;
простота, компактность и снижение веса конструкции;
снижение вредных веществ в выхлопной струе двигателя за счет повышения температуры в камерах сгорания, а также за счет интенсивного перемешивания газов и воздуха в наружном контуре.

Использование: в двигателестроении, а именно в реактивных двигателях, в двухконтурных турбореактивных двигателях большой степени двухконтурности или винтовентиляторных реактивных двигателях. Сущность изобретения: упрощение и облегчение конструкции, повышение эффективности в работе вентилятора, повышение быстродействия системы управления и регулирования двигателя. Двигатель содержит компрессор 1 внутреннего контура, подключенный выходом диффузора 2 к входу 3 в камеры сгорания, установленные на диске 4 рабочего вентилятора внутри полых рабочих лопаток 5 вентилятора. Жаровая труба 6 каждой камеры установлена вдоль по размаху рабочей лопатки 5 вентилятора, а выход из жаровой трубы 6 соединен с соплом 7 на задней кромке рабочей лопатки 5. Сопло 7 имеет ось, направленную под углом к плоскости вращения вентилятора и под углом к хорде его рабочих лопаток 5. Сопла 7 снабжены устройством регулирования площади их среза, установлены в верхней части лопаток 5 с возможностью поворота вокруг своей оси, а выход из жаровых труб 6 подключен непосредственно к входу в сопла 7. 5 ил.

ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий компрессор внутреннего контура, подключенный выходом к камерам сгорания с жаровыми трубами, размещенными во внутренней полости лопаток вентилятора, имеющего установленные на задней кромке лопаток сопла с осями, направленными под углом к плоскости вращения вентилятора, отличающийся тем, что сопла снабжены устройствами регулирования площади их среза, установлены в верхней части лопаток с возможностью поворота вокруг своей оси, а выход из жаровых труб подключен непосредственно к входу в сопла.