ПАРОГАЗОВЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02K3/00 F02C3/30 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к реактивным двигателям и может быть использовано на морском и воздушном транспорте.

Известен комбинированный двигатель "Зульцер" [1]
Недостатком данного двигателя является наличие двух турбин, газовой и паровой, снабженных лопатками, работающими в тяжелых высокотемпературных условиях, а также большая масса и габариты.

Известен также турбореактивный двигатель с осевым компрессором "Алиссон" и "Вайпер" [2] выбранные автором в качестве прототипа, состоящие из компрессора, камеры сгорания, турбины, соплового аппарата и реактивного сопла. Причем компрессор и газовая турбина находятся на одном валу.

Недостатком этих двигателей является: дороговизна изготовления лопаток и их монтаж на роторе. Из-за того, что газ обязательно должен омывать лопатки, КПД газовых турбин вдвое меньше того, что можно получить на современных топливах. В камере сгорания газовой турбины температура 2500^oC, а лопатки выдерживают только 1000^oC, приходится охлаждать их добавкой свежего воздуха, которого надо в 3 4 раза больше, чем необходимо для сгорания. Увеличивается мощность компрессора, подающего воздух в камеры сгорания, уменьшается полезная работа, утяжеляется конструкция, снижается КПД. Прогресс в области газотурбостроения упирается в "лопаточный барьер".

Сущность изобретения заключается в том, что ротор осевого компрессора с закрепленными на нем направляющими лопатками и лопатками спрямляющего аппарата, обтекаемый водяной коллектор, размещенный внутри реактивного сопла, реактивное сопло, жестко соединены с кожухом двигателя в один узел, а корпус осевого компрессора с закрепленными в нем рабочими лопатками и камера сгорания, на задней торцовой стенке которой выполнена водяная рубашка, на которой вырабатывается в парогенераторе, независимо от положения двигателя в пространстве, состоящем из обтекаемого водяного коллектора с размещенным в нем пароводяным коллектором и внутренней полости реактивного сопла, разделенной на три объема: водяной, пароводяной и кольцевой сухопарник.

Пароводяной коллектор сообщен с пароводяным объемом реактивного сопла, сообщается с помощью пустотелых обтекаемых стоек. Вода в водяном коллекторе и в водяном объеме реактивного сопла нагревается до высокой температуры, но не кипит, так как находится под высоким давлением. При этой температуре вода подается в пароводяной коллектор и пароводяной объем реактивного сопла, где давление меньше, превращаясь в пар, пройдя кольцевой сухопарник, совершает работу. Турбина содержит цилиндрический ротор, закрепленный на водяной рубашке, выполненной на задней торцевой стенке камеры сгорания, и сопла Лаваля. Сопла преобразуют насыщенный пар высокого давления, в высокоскоростные струи пара, и подаваемые наклонно на углубления, выполненные на внутренней поверхности кольца, закрепленного на внутренней поверхности ротора. Из струй пара на внутренней поверхности ротора формируется плоский поток с обеих сторон от кольца, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора. Сопла, установленные на внешней поверхности ротора преобразуют поток в высокоскоростные струи пара, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора.

Для существенного снижения температуры стенок, сохранения прочности и долговечности камеры сгорания, в водную рубашку на задней стенке камеры сгорания и в камеру сгорания по питательному трубопроводу подается вода в сторону вращения камеры сгорания, в нее также подается вода. При работе двигателя, в результате вращения всего узла, жестко связанного с камерой сгорания, вода под действием центробежной силы, равномерно распределяется по наружным стенкам камеры сгорания, образуя защитный слой, препятствующий повышению температуры стенок камеры сгорания и реактивного сопла до предельных значений. Температура, при сгорании топлива в камере сгорания, достигает 2500 ^oC. С зеркала воды происходит активный срыв частиц воды высоким, скоростным напором раскаленного газа. Под действием высокой температуры факела топлива частицы воды почти взрывообразно превращаются в пар. Таким образом, не смотря на некоторую потерю температуры в камере сгорания, частицы воды, преобразующейся в пар создают давление, в камере сгорания большее, чем при сгорании топлива в сухой камере, а это позволяет не увеличивая мощности компрессора резко поднять КПД двигателя. Парогазовая смесь, с большой скоростью проходя (огневой объем парогенератора), состоящий из невращающегося реактивного сопла, нагревает стенки сопла и обтекаемый водяной коллектор, сообщенные пустотелыми обтекаемыми стойками. Под действием высокой температуры, независимо от положения двигателя в пространстве, пар вырабатываемый в парогенераторе, проходя кольцевой сухопарник подается к соплам "Лаваля". Паровое пространство в пароводяном коллекторе и пароводяном объеме регулируется с помощью подачи нагретой воды через редукционный клапан. Постоянный объем воды в камере сгорания, пароводяном коллекторе, водяной рубашке и внутренней полости реактивного сопла поддерживается средствами питания двигателя водой.

Таким образом, все поверхности камеры сгорания находятся постоянно под защитным слоем воды, без прямого воздействия на них раскаленных газов. Реактивное сопло и пароводяной коллектор также находятся в более легких условиях, чем при работе сухого двигателя. Находящаяся внутри реактивного сопла и водяного коллектора вода, также не дает нагреваться оболочке реактивного сопла и водяного коллектора до предельных температур. Кроме того, при работе двигателя в режиме высоконапорного парогенератора в комплексе с реактивным движителем, см. заявку "Реактивный движитель", поданную мной в НИИ ГПЭ 4.11.93 г. вода в камеру сгорания может подаваться и через распылители в пустотелых лопатках спрямляющего аппарата. При этом вода под воздействием высокой температуры будет превращаться в пар, повышая паропроизводительность. В результате описанных решений, получаем возможность резко снизить расход дорогостоящего топлива, заполняя часть баков водой, повысить моторесурс реактивных двигателей в результате работы конструкции в условиях более низких температур, повысить коэффициент полезного действия.

На чертежах представлены: на фиг. 1 парогазовый реактивный двигатель, разрез по оси, на фиг. 2 невращающийся узел двигателя, на фиг. 3 - вращающийся узел двигателя, на фиг. 4 радиально-осевая турбина, вид с торца, на фиг. 5 радиально-осевая турбина, вид с боку, на фиг. 6 кольцевой отражатель, вид с торца, на фиг. 7 передняя часть камеры сгорания и корпуса компрессора, на фиг. 8 передняя часть камеры сгорания, вид изнутри, на фиг. 9 передняя часть пароводяного коллектора и реактивного сопла, на фиг. 10 - реактивное сопло и пароводяной коллектор, вид сбоку, на фиг. 11 реактивное сопло и пароводяной коллектор, разрез по А-А.

Парогазовый реактивный двигатель состоит из осевого компрессора 1, камеры сгорания 2, радиально-осевой турбины 3, водяного коллектора 4, реактивного сопла 5, центрального отверстия 6. Осевой компрессор 1 состоит из невращающегося ротора 7 с закрепленными на нем направляющими лопатками 8 и лопатками спрямляющего аппарата 9. Корпус компрессора 10 жестко соединен с камерой сгорания 2 в один узел. На задней торцевой стенке камеры сгорания 2 закреплена водяная рубашка 11, на которой закреплена радиально-осевая турбина 3. Узел, состоящий из корпуса компрессора 10, камеры сгорания 2, турбины 3, водяных рубашек 11, размещен в кожухе 12 с возможностью вращения вокруг центральной оси в подшипниках 13. Ротор 7 с установленными на его задней части электросвечами 14 и форсунками 15, реактивное сопло 5 с размещенным водяным коллектором 4 жестко соединены с кожухом 12 в один невращающийся узел. Водяной коллектор 4 закреплен внутри реактивного сопла 5.

На переднем торце (парогенератора) внутренней полости сопла 5 размещены сопла "Лаваля" 16, свободно входящие через кольцевую щель 17 в цилиндрический ротор 18, радиально-осевой турбины 3 и направлены в сторону вращения ротора 18, на углубления 19 в кольце 20, на внутренней стороне ротора 18. На внешней поверхности ротора 18 с обеих сторон от внутреннего кольца 20 установлены сопла 21, направленные в сторону, противоположную вращению ротора 18. В водяном коллекторе 4, закрепленном внутри сопла 5 с помощью обтекаемых, пустотелых стоек 22, сообщающих внутреннюю полость 23 с коллектором 4, введена труба 24 для подачи воды в водяной коллектор 4 и внутреннюю полость 23 сопла 5, и размещен цилиндрический пароводяной коллектор 25, сообщенный патрубками 26 с пароводяной полостью 27. В передней торцевой части сопла 5 имеется кольцевой сухопарник 28, сообщенный с коллектором 25 трубой 29.

С наружной поверхности пароводяной полости 27 выполнена водяная полость 30, сообщенная с полостью 23, снабженной невозвратным редукционным клапаном 31, патрубками 32. Для создания защитного слоя воды на внутренних стенках камеры сгорания 2 введена труба 33 через невращающуюся часть компрессора, направленная на внутреннюю поверхность камеры сгорания, в сторону ее вращения. Внутри камеры сгорания 2 установлены кольцевые отражатели 34. В корпусе компрессора 10 закреплены рабочие лопатки 35. Часть направляющих лопаток спрямляющего аппарата 9 выполнены с водяными каналами 36 и отверстиями (распылителями) 37 в торцевой части, обращенной к камере сгорания и сообщаются с питательным трубопроводом 33. Вода в водяные рубашки 11 подается по трубам 38. По трубе 39 нагретая в передней водяной рубашке 11, отводится для питания парогенератора. Нагретая вода из задней водяной рубашки 11, отводится через кольцевые зазоры между ротором 18 и торцевой стенкой сухопарника 28 во внутреннюю часть ротора 18 и в реактивное сопло 5.

При работе двигателя, воздух входит через центральное отверстие 6, сжимается компрессором 1 и пройдя лопатки 9 спрямляющего аппарата подается во вращающуюся камеру сгорания 2. Внутренние стенки камеры сгорания 2 защищены регулируемым слоем воды, подаваемой по трубе 33 на внутреннюю поверхность передней стенки камеры сгорания 2, в сторону ее вращения. Газы полученные при сгорании топлива, срывают частицы воды высоким скоростным напором, которые под действием высокой температуры факела топлива, превращаются в пар и смешиваются с газами. Парогазовая смесь, поступает в сопло 5 и вырываясь из него со сверхзвуковой скоростью создает реактивную тягу. Парогазовая смесь, проходя сопло 5, отдает часть тепла воде в водяном коллекторе 4 и в полости 23, обеспечивая производство пара парогенератором, для работы турбины3. Непрерывная работа парогенератора обеспечивается постоянной подачей воды по трубе 24. Пар поступает в сопла "Лаваля" 16, преобразуется в высокоскоростные струи пара, подаваемого наклонно на углубления 19 в кольце 20 и внутреннюю поверхность ротора 18, заставляя его вращаться. На внутренней поверхности ротора 18 с обеих сторон от кольца 20, формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого также преобразуется в силу вращения ротора 18. Высокоскоростные струи пара из сопел 21, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора 18, создают дополнительный вращающий момент ротору 18, водяным рубашкам 11, камере сгорания 2, корпусу компрессора 10 с рабочими лопатками 35.

Отработавший пар, пройдя между кожухом 12 и наружной стенкой полости 30 вырывается в атмосферу. При работе двигателя в режиме высоконапорного парогенератора, в комплексе с реактивным движителем, в камеру сгорания 2 дополнительно может подаваться вода, через распылители 37 и превращаясь в пар, будет увеличивать паропроизводительность.

Для пуска двигателя, стартером раскручивается корпус компрессора 10, вместе с камерой сгорания 2, водяными рубашками 11, и ротором 18, выполненных как одно целое. Воздух входит через центральное отверстие 6, сжимается компрессором 1 и подается в камеру сгорания 2. Для предотвращения закрутки в камере сгорания 2, воздух подается в нее через лопатки 9, спрямляющего аппарата, одновременно средствами подачи воды, через трубопроводы 24, 33, 38 подается вода в камеру сгорания 2, водяной коллектор 4, полость водяных рубашек 11, полость 23, сопла 5.

После того, как внутренние стенки камеры сгорания 2 и водяные рубашки 11, будут защищены слоем воды, а водяной коллектор 4 и полость 23, начнут заполняться водой, включают в работу топливные форсунки 15 и подают напряжение на свечи 14, для первоначального воспламенения топлива в камере сгорания 2. Благодаря непрерывной подаче топлива, поступающего в камеру сгорания 2, горение идет непрерывно. Температура факела жидкого топлива достигает 2000 2500^oC. Из камеры сгорания 2 газы устремляются в реактивное сопла 5, давление газов в сопле падает, а скорость их истечения возрастает, они нагревают коллектор 4 и внутренние стенки реактивного сопла 5, отдают часть тепла воде в парогенераторе. В связи с тем, что в водяном коллекторе 4 и в полости 23 воды еще мало, она быстро нагревается.

Насыщенный пар под высоким давлением из сухопарника 28 поступает в сопла Лаваля 16, преобразуется в высокоскоростные струи пара, содержащие частицы воды подаваемые наклонно на углубления 19 в кольце 20, и внутреннюю поверхность ротора 18. Из струй пара на внутренней поверхности ротора 18, формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора 18. Сопла 21 установлены на внешней поверхности ротора 18, с обеих сторон от кольца 20, установленного на внутренней поверхности ротора 18 и преобразуют плоский водяной поток в высокоскоростные струи пара, направление движения которых противоположно вращению ротора 18, камеры сгорания 2 и корпуса компрессора 10, и водяной рубашки 11, жестко соединенных между собой, увеличивают обороты всего узла. После того, как в камере сгорания 2 наступит устойчивое горение факела топлива, прекращается подача энергии на электросвечи 14 и стартер. В камеру сгорания 2, коллектор 4, внутреннюю полость 23, реактивного сопла 5, продолжается ускоренная подача воды. После заполнения объемов коллектора 4 и полостей 23 водой, подача ее регулируется приборами поддержания давления и уровня в необходимом рабочем режиме.

При входе двигателя в рабочий режим с зеркала защитного слоя воды прижатой центробежной силой к внутренним стенкам камеры сгорания 2, происходит срыв частиц воды, высоким скоростным напором раскаленных газов. Под действием высокой температуры факела топлива частицы воды почти взрывообразно превращаются в пар. Таким образом, несмотря на некоторую потерю температуры в камере сгорания, частицы воды, преобразующиеся в пар создают давление в камере сгорания 2 большее, чем при сгорании топлива в сухой камере, а это позволяет, не увеличивая мощности компрессора резко поднять КПД двигателя. Парогазовая смесь, с большой скоростью проходя реактивное сопло, отдает часть тепла воде в парогенераторе, обеспечивая производство пара для работы радиально-осевой турбины и вырываясь из него со сверхзвуковой скоростью, создает реактивную тягу. В зависимости от слоя воды, на внутренних стрелках камеры сгорания 2, благодаря кольцевым отражателям 34, зеркало испарения будет различным, а следовательно и паропроизводительность будет разной.

Таким образом, варьируя толщиной защитного слоя воды в камере сгорания 2 и количеством подаваемого через форсунки топлива, можно изменять режим работы двигателя и достичь резкого сокращения расхода топлива. При этом, основную тягу двигателя создают продукты сгорания жидкого топлива с кислородом воздуха. Для остановки двигателя необходимо прекратить подачу воды в двигатель. После чего прекратить подачу топлива к форсункам 15.

Использование: машиностроение. Сущность изобретения: двигатель состоит из кожуха 12 с размещенной внутри его в подшипниках вращающей части, состоящей из корпуса компрессора 10, жестко соединенного с камерой сгорания 2, с закрепленным на ее задней стенке ротором 3 радиально-осевой турбины. Реактивное сопло 5 с полостью 23 и водяным коллектором 4 жестко соединены с кожухом 12 и представляют парогенератор. Вращение радиально-осевой турбины происходит вследствие реакции высокоскоростных струй пара, вырывающихся из сопел Лаваля 16 и 21. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. Реактивный двигатель, содержащий осевой компрессор, камеру сгорания и реактивное сопло, размещенные в кожухе, отличающийся тем, что камера сгорания, снабженная водяными рубашками на передней и задней стенках, корпус осевого компрессора с рабочими лопатками, закрепленный на передней стенке камеры сгорания, цилиндрический ротор с установленными на наружной поверхности соплами Лаваля, направленными в сторону, противоположную вращению ротора, закрепленный на водяной рубашке задней стенки камеры сгорания, соединены в один узел, размещенный в кожухе двигателя с возможностью вращения и снабженный системой подачи воды в водяные рубашки и на внутреннюю поверхность камеры сгорания в сторону ее вращения, а ротор компрессора с закрепленными на нем направляющими лопатками и лопатками спрямляющего аппарата, обтекаемый водяной коллектор, с размещенным внутри пароводяным коллектором, закреплен внутри реактивного сопла с водяной полостью с помощью обтекаемых, пустотелых стоек, представляет невращающийся узел, размещенный в кожухе двигателя, снабженный системой подачи топлива и воды, с сухопарником в водяной полости реактивного сопла, соединенным с соплами Лаваля, выходные отверстия которых направлены на внутреннюю поверхность ротора в сторону его вращения. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на задней части ротора компрессора установлены электросвечи и топливные форсунки. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в камере сгорания установлены кольцевые отражатели.