ТРАНСПОРТНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВУХВАЛЬНЫЙ И ТРЕХВАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1999 года по МПК F02K11/00 F02C3/16 

Изобретение относится к конструкциям газотурбинных двигателей, а именно к транспортным - роторным двигателям, и может в качестве силовой установки широко применяться на всех видах транспортных средств.

Известен воздушно-реактивный роторный двигатель, содержащий статор, установленный на валу ротор с камерами сгорания и выхлопными соплами, систему дозированной подачи воздуха и топлива, систему зажигания. /А.с. СССР, N 1719695, F 02 K 11/00. 1992 г./ [1].

Недостатком данного двигателя является: отсутствие собственного компрессора, турбины, имеет ненадежную систему подачи топлива, воздуха, низкую мощность и т.д.

Известен авиационный двухвальный двигатель, содержащий ротор свободной силовой турбины, ротор турбокомпрессора, где частота вращения ротора турбокомпрессора связана с режимом работы двигателя, а частота вращения ротора свободной турбины поддерживается в режиме вращения винта. /Б.А. Соловьева, "Устройство и эксплуатация силовых установок самолетов", стр. 100, Москва, "Транспорт", 93 г./ [2].

К недостаткам данного двигателя следует отнести: невозможность его использования в силу конструктивных особенностей в качестве силовой установки на всех видах транспортных средств, например на автомобильном, при этом имеет неприемлемый расход топлива, высокую температуру выхлопных газов, высокий уровень шумности и т.д.

Известен турбовентиляторный, трехвальный авиационный двигатель, содержащий вал турбокомпрессора низкого давления, вал турбокомпрессора высокого давления и вал привода вентилятора от турбины низкого давления, которые между собой кинематически не связаны, турбокомпрессор низкого давления и турбокомпрессор высокого давления связаны с режимом работы двигателя, а турбина привода вентилятора работает на второй контур двигателя /Г.С. Скубачевский, "Авиационные газотурбинные двигатели", стр. 10, Москва "Машиностроение", 1981 г./ [3].

Недостатком данного двигателя является его конструктивная непригодность для работы в качестве силовой установки на наземном транспорте, высокая шумность, отсутствие регенератора на выхлопном устройстве, большой расход топлива и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому является транспортный газотурбинный двигатель, содержащий воздухозаборное устройство с воздухоочистителем, статор, ротор с центробежным компрессором и турбиной, вал свободной силовой турбины, камеру сгорания, теплообменник, рубашку охлаждения статора, систему зажигания, подачи топлива и систему пуска двигателя /Г. Н.Рытвинский, "Знакомьтесь двигатель", стр. 41, Москва, "Машиностроение" 1993 г./ [4].

Недостатком данного двигателя является то, что из-за неприемлемых для, например, легкового автомобильного транспорта конструктивных особенностей, таких как сложность конструкции, металлоемкость, расход топлива, дороговизна в изготовлении и эксплуатации, габаритные размеры и т.д., он не нашел широкого применения.

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании простого, экономичного в изготовлении и в эксплуатации турбокомпрессорного роторного двигателя, который может широко применяться в качестве силовой установки на всех видах транспортных средств взамен поршневых двигателей.

Поставленная задача решается тем, что предлагаемый транспортный газотурбинный двухвальный двигатель выполнен в виде статора цилиндрической формы с двумя параллельно друг другу и независимо друг от друга работающими роторами с центробежным компрессором и с центробежными турбинами на своей периферии, где статор выполнен с воздухозаборным устройством, выполненным в виде направляющего аппарата компрессора и воздухоочистителя, в виде сетки перед направляющим аппаратом, и кожуха с окнами для забора воздуха из атмосферы, и разъемно закрепленного на двигателе. По окружности статора выполнены выхлопные сопловые окна по числу камер сгорания у двигателя, к которым на некотором расстоянии от двигателя патрубками крепится выхлопной коллектор с теплообменником-регенератором, где теплообменник разгорожен индивидуально для каждой камеры сгорания, а выхлопной коллектор выполнен из двух половин из листовой стали методом штамповки и сварки. При этом выхлопной коллектор и теплообменник могут устанавливаться радиально или в тендр к статору двигателя. Ротор турбокомпрессора выполнен на одной ступице, на одном диске и на одной плоскости вращения, где и компрессор и турбина выполнены одноступенчатыми центробежными, и на двух опорах свободно вращается на силовом валу двигателя, а турбина вынесена на периферию диска ротора, что дает выгодное плечо рычага по отношению к его опоре. Колесо компрессора с односторонним входом, полуоткрытое с лопастями, загнутыми в направлении вращения, выполнено за одно целое с диском и ступицей, например, из штамповок алюминиевых сплавов. Лопатки центробежной турбины компрессора выполнены охлаждаемыми продувкой воздуха, отбираемого из улитки компрессора по каналу в диске ротора. Крепятся лопатки турбины в пазы "елочка" на диске ротора или выполняются венцом и крепятся к диску болтами. Свободная силовая турбина выполнена центробежной, могоступенчатой с не менее ступенями, чем для расширения газов до атмосферного давления, на периферии диска ротора и ступицей прочно, съемно, например на шпонке, посажена на силовой вал двигателя и свободно вращается на своих двух опорах параллельно диску турбокомпрессора. Лопатки силовой турбины охлаждаются продувкой воздуха по каналу в диске, отбираемого из улитки компрессора. Крепятся турбинные лопатки к диску "елочным" замком или выполняются венцом и крепятся болтами. Для компенсации осевой нагрузки на ротор выполнено в каждом диске ротора отверстие, через которое отбирается сжатый воздух из улитки компрессора. Элементы статора двигателя выполнены из алюминиевых штамповок или собраны из силуминовых отливок. При этом между ступенями турбин выполнены сплошные, охлаждаемые в пазах циркуляцией окружающего воздуха кольцевые перегородки статора, где также выполнены сопловые окна по числу камер сгорания у двигателя, в которых установлены лопатки спрямляющего аппарата статора, которые охлаждаются естественной циркуляцией воздуха в их пазах. Улитка центробежного компрессора и кожух камеры сгорания выполнены одним блоком из листовой стали методом штамповки и сварки, и разъемно закреплен на статоре двигателя между центробежным компрессором и его турбиной на одной с ними плоскости, уплотнение с колесом компрессора выполнено лабиринтным, при этом блок улитки центробежного компрессора и кожуха камеры сгорания состоит не менее чем из одной улитки и одного кожуха камеры сгорания, причем детали и элементы улитки и кожуха взаимно использованы для создания друг друга, а кожух камеры сгорания при этом теплоизолирован, например стеклотканью, от внешне окружающих его деталей, что повышает КПД двигателя. Камера сгорания двигателя выполнена трубчатой - индивидуальной, крепится в теплоизолированном кожухе болтами, температурные расширения компенсируются в сторону головки за счет телескопического ее выполнения. Воздух после регенерации теплообменника подается в каждый кожух камеры сгорания индивидуально у ее сопловой части и противотоком, охлаждая камеру сгорания, поступает в зону горения и на подмешивание. Изготовлена методом штамповки и сварки из жаростойкой листовой стали. Для улучшения охлаждения корпуса статора и повышения КПД двигателя выполнен кожух, штампованный из металла, забор атмосферного воздуха двигателем производится через его окна и направленно обдувает наиболее напряженные по температуре участки статора, кроме того, на статоре выполнены теплообменные ребра - рубашка охлаждения двигателя, которая увеличивает теплообмен статора. Для пуска двигателя предусмотрена система сжатого воздуха, содержащая бортовой ресивер, наполнительную, расходную запорную арматуру, выполненную в виде электромагнитных клапанов и трубками соединенную с проточной частью камер сгорания для пуска двигателя и для наполнения ресивера соединенную с воздухопроводом, перед теплообменником.

Поставленная задача для создания транспортного газотурбинного трехвального двигателя решается тем, что двигатель выполнен двусторонним трехвальным - трехроторным, где воздухозаборные устройства с воздухоочистителями выполнены для каждой стороны в виде сетки на воздухозаборном устройстве статора. Свободная силовая турбина выполнена центробежной двусторонней, каждая сторона которой выполнены многоступенчатыми, с не менее ступенями, чем для расширения газов до атмосферного давления, в рассматриваемом двигателе обе стороны турбины - двуступенчатые, на периферии диска ротора ступицей прочно, съемно посаженного на силовой вал двигателя, с опорами на статоре и имеющего возможность для свободного вращения параллельно роторам центробежных турбокомпрессоров, установленных по сторонам свободного силового ротора двигателя и выполненных в виде центробежного компрессора с центробежной турбиной на периферии диска ротора, и своими ступицами на подшипниковых опорах закрепленные на силовом валу двигателя и имеющие возможность независимо друг от друга и от силового ротора работать. Статор выполнен двусторонним, разъемно соединенным по середине болтами, в два ряда цилиндрической формы и с сопловыми окнами по этой окружности по числу камер сгорания у двигателя с каждой его стороны, при этом между ступенями турбин с каждой стороны половин статора выполнены сплошные охлаждаемые пазами в них кольцевые перегородки статора с сопловыми окнами по числу камер сгорания у двигателя, в которых выполнены охлаждаемые естественной циркуляцией воздуха в их пазах лопатки спрямляющего аппарата. Улитка центробежных компрессоров и кожухов камер сгорания с каждой стороны выполнены одним блоком, который разъемно закреплен на каждой стороне половин статора между центробежным компрессором и его турбиной на периферии на одной с ними плоскости. При этом каждый блок улитки и кожуха камеры сгорания состоит не менее чем из одной улитки компрессора и одного кожуха камеры сгорания, причем детали и элементы улитки и кожуха взаимно использованы для создания друг друга, а кожухи камер сгорания выполнены теплоизолированными от внешне окружающих их деталей. Двигатель снабжен регенератором на выхлопном коллекторе, разделен - отгорожен для каждой камеры сгорания индивидуально, выполнен радиально статору или в тендр двигателю, воздух после регенерации в кожух камеры сгорания подается у ее сопловой части и в зону горения и смешения поступает противотоком. Охлаждение двигателя выполнено за счет обдувания статора с теплообменными ребрами на поверхности засасываемым компрессорами из атмосферы под кожух двигателя воздухом. Пуск двигателя производится сжатым воздухом из бортового рессивера.

Предлагаемые двигатели уверенно могут работать во всех отраслях народного хозяйства, заменяя поршневые двигатели, в том числе и на легковом транспорте.

Сущность изобретения показана на чертеже, где на фиг. 1 дана схема общего вида двигателя, вид сбоку; на фиг. 2 - схема общего вида двигателя от воздухозаборника; на фиг. 3 - схема разреза двигателя по А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - схема крепления камеры сгорания в кожухе; на фиг. 5. - схема разреза трехвального двигателя по Б-Б на фиг. 2; на фиг. 6 - схема разреза двухвального двигателя по Б-Б на фиг. 2.

Пример выполнения предлагаемого решения.

Транспортный газотурбинный двухвальный и трехвальный двигатель содержит односторонний статор 1 цилиндрической формы, двусторонний статор 2 цилиндрической формы, образованные невращающимися элементами двигателя с воздухозаборными устройствами 3, снабженными очистителем воздуха в виде сетки 4. Для охлаждения двигателя выполнены теплообменные ребра 5 и кожух 6 с окнами 7 для забора атмосферного воздуха под кожух, который разъемно крепится к двигателю болтами 8, образуя рубашку охлаждения. Выхлопной коллектор 9 с теплообменником-регенератором 10, который на некотором расстоянии от двигателя крепится патрубками 11 и болтами 12 к статору двигателя, к сопловым окнам 13, которых выполнено по числу газовых камер с каждой стороны двигателя. Газы из выхлопного коллектора в атмосферу сбрасываются по патрубку 14. У двустороннего двигателя две стороны статора болтами 15 соединены в один корпус, а у двухвального двигателя противоположная воздухозаборнику сторона закрывается крышкой 16, крепится болтами 17 к статору. Центробежная силовая свободная турбина 18 выполнена в виде диска, на периферии которого закреплены турбинные лопатки 19 в замок "елочка" или выполнены в виде венца и закреплен болтами /на чертеже не показано/ у трехвального двигателя 20 с двух сторон диска, а у двухвального двигателя 21 с одной стороны. При этом силовые турбины выполнены многоступенчатыми для расширения газов до атмосферного давления, своими ступицами 22 прочно, съемно, например на шпонке 23, напрессованные на силовой вал 24, который на опороупорном 25 и опорном 25 подшипниках крепится в статоре двигателя, мощность отбирается с конца вала 27. Для охлаждения лопаток силовой турбины продувкой воздуха и для компенсации осевой нагрузки на ротор турбины выполнено сквозное отверстие 28 и канал 29. Между ступенями турбин выполнены сплошные кольцевые перегородки 30 с пазами 31 для охлаждения их и с сопловыми окнами, где установлены лопатки 32 спрямляющего аппарата статора. На силовой вал двигателя, консольно, ступицей 33, на опороупорном подшипнике 34 и на опорном 35 закреплен ротор центробежного турбокомпрессора 36, у трехвального-двустороннего с каждой стороны, а у двухвального - с одной стороны, которые на периферии ротора выполнены с центробежной одноступенчатой турбиной 37, лопатки 38 которой закреплены на диске в замок "елочка" или выполнены венцом и закреплены болтами. Для охлаждения лопаток турбины и осевой ее разгрузки выполнены сквозное отверстие 39 и канал 40 в диске турбины, уплотнение между роторами выполнено лабиринтным. Центробежный компрессор 41 с полуоткрытым колесом, лопатки 42 изогнуты в направлении вращения. Улитка 43 центробежного компрессора и кожух 44 камеры сгорания 45 выполнены одним блоком, который разъемно закреплен на каждой стороне статора болтами 46, между центробежным компрессором и его турбиной, при этом блок улитки и кожуха камеры сгорания состоит не менее чем из одной улитки и одного кожуха камеры сгорания, а кожух камеры сгорания выполнен с теплоизоляцией 47, камера сгорания крепится к кожуху болтами 48. Воздух из улитки компрессора по теплоизолированному патрубку 49 подается на регенерацию в теплообменник, который перегородками 50 разделен для каждой камеры сгорания, откуда по теплоизолированному обратному патрубку 51 подается к сопловой части 52 кожуха камеры сгорания. Для пуска двигателя выполнен ресивер 53 с наполнительной линией 54, наполнительным электромагнитным клапаном 55 и пусковая линия 56 с пусковым клапаном 57 на каждую сторону двигателя, свеча зажигания 58, форсунка подачи топлива 59.

Транспортный газотурбинный двухвальный и трехвальный двигатель работает следующим образом.

Для пуска двухвального 21 или трехвального 20 двигателя в каждую камеру сгорания 45 подают искровое или калильное зажигание по свече 58 и через форсунку 59 топливо, из ресивера 53 по пусковой линии 56, и через пусковой клапан 57 сжатый воздух, в результате в камере сгорания 45 происходит нормальное горение топливовоздушной смеси и расширение газов в сторону турбины 37 ротора турбокомпрессора 35, через сопловую часть 52 камеры сгорания 45. Газы отдавая, свою кинетическую энергию на лопатках 38 турбины 37 центробежного компрессора 41, расширяются в сопловых окнах 13 и двигатель начинает работать. При этом у трехвального двигателя 20 не обязательно пускать сразу обе стороны двигателя или же, например, при холостом-порожнем пробеге транспортного средства двигатель 20 нормально может работать на одной из своих сторон турбокомпрессоров 35, что повышает КПД двигателя 20.

Но при необходимости вторая сторона двигателя 20 легко запускается вышеописанным образом. Для наполнения ресивера 53 сжатым воздухом открывают электромагнитный клапан 55 на линии 54 и при наполнении ресивера 53 оба клапана закрывают до следующего пуска двигателя.

В последующей работе двигателя 20 или 21 атмосферный воздух засасывается через окна 7 в кожухе 6, который направленной струей охлаждает наиболее напряженные по температуре части двигателя, например сплошные перегородки статора 30 между ступенями турбин, через пазы 31 или лопатки спрямляющего аппарата 32 в их пазах и ребра 5 рубашки охлаждения двигателя. Затем немного подогретый воздух через воздухоочиститель 4 воздухозаборным устройством 3 направляется на лопатки 42 центробежного компрессора 41, откуда с повышением примерно в шесть раз воздух поступает в улитку 43 компрессора 41 и по патрубку 49 подается на регенерацию теплообменника 10, откуда сжатый горячий воздух по патрубку 51 подается к сопловой части 52 с теплоизоляцией 47 кожух 44 камеры сгорания 45, и противотоком, охлаждая камеру сгорания 45 поступает в зону горения и смешения, куда так же подается топливо через форсунку 59 и зажигание через свечу 58, где воздух смешивается с топливом и происходит горение. Далее газы, расширяясь, отдают свою кинетическую энергию сначала на одноступенчатой турбине 37 центробежного компрессора 41, затем на лопатках 19 двухступенчатой силовой турбины 18 и через сопловые окна 13, через патрубки 11 газы поступают в выхлопной коллектор 9 с теплообменником 10, который разгорожен перегородками 50 для каждой камеры сгорания 45 индивидуально, чем ликвидируется возможность перераспределения сжатого воздуха по камерам сгорания 45. Затем сравнительно холодные выхлопные газы по патрубку 14 отводятся в атмосферу. Турбинные лопатки 38 ротора компрессора 36 и турбинные лопатки 19 свободной силовой турбины 18 охлаждаются продувкой сжатого воздуха, отобранного из улитки 43 компрессора 41 по сквозным отверстиям 28 и 39 и по каналам 29 и 40, поданным к ним, этим же воздухом производится компенсация осевой нагрузки роторов двигателя 20 и 21. Для остановки двигателя отключают подачу топлива и зажигания. Мощность у предлагаемого двигателя, как и у всякого газотурбинного двигателя, может быть весьма значительной, при сравнительно малом весе и малых габаритах, простоте в изготовлении и эксплуатации, нетребовательности к высоким качествам топлива и экономичном его расходовании, практически в полном отсутствии трущихся деталей, а следовательно и системы смазки, сравнительно низкой шумности, что достигается за счет изолированности всех вращающихся деталей двигателя и полном расширении выхлопных газов до атмосферного давления. Предлагаемый двигатель 20 и 21 имеет высокий КПД за счет полной реализации тепла от сгораемого в камерах сгорания топлива турбинами, затем регенератором на выхлопном коллекторе и кожухом 6 для охлаждения двигателя при воздухозаборе из атмосферы, и наконец в результате того, что двусторонний двигатель 20 при необходимости может работать лишь на одной из своих сторон.

Предлагаемый двигатель с легкостью заменит поршневой двигатель во всех областях народного хозяйства, в том числе и на легковом транспорте.

Транспортные газотурбинные двухвальный и трехвальный двигатели содержат входное устройство с воздухоочистителем, выполненным в виде сетки, статор с рубашкой охлаждения, ротор центробежного компрессора с турбиной и опорами. Ротор турбокомпрессора выполнен центробежным, с одной ступицей, на одном диске, а турбина вынесена на его периферию. Силовая турбина выполнена центробежной, многоступенчатой на статоре выполнены по окружности сопловые окна в количестве равном числу камер сгорания у двигателя. Такое выполнение двигателя повышает его экономичность при изготовлении. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Транспортный газотурбинный двухвальный двигатель, содержащий входное устройство с воздухоочистителем, статор с рубашкой и опорами, вал свободной силовой турбины с опорами, камеры сгорания, теплообменник, выхлопное устройство, систему подачи топлива, систему зажигания и систему пуска двигателя, отличающийся тем, что ротор турбокомпрессора выполнен центробежным с одной ступицей, на одном диске и на одной плоскости вращения, ступица которого двумя опорами закреплена на силовом валу двигателя, а турбина вынесена на его периферию, статор выполнен цилиндрической формы с сопловыми окнами по своей окружности, по числу камер сгорания у двигателя, свободная силовая турбина выполнена центробежной, многоступенчатой с не менее ступенями, чем для расширения газов до атмосферного давления, на периферии диска ротора, ступицей прочно, съемно посаженного на силовой вал двигателя и свободно вращающегося на двух опорах параллельно ротору центробежного турбокомпрессора, при этом между ступенями турбин выполнены сплошные, охлаждаемые кольцевые перегородки статора, в сопловых окнах которых выполнены лопатки спрямляющего аппарата, улитка центробежного компрессора и кожух камеры сгорания выполнены одним блоком, который разъемно закреплен на статоре двигателя, между центробежным компрессором и его турбиной, на одной плоскости, при этом блок улитки центробежного компрессора и кожуха камеры сгорания состоит не менее чем из одной улитки центробежного компрессора и одного кожуха камеры сгорания, причем детали и элементы улитки и кожуха взаимно использованы для создания друг друга, а кожух камеры сгорания выполнен теплоизолированным от внешне окружающих его деталей. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что воздух после регенерации в кожух камеры сгорания подается у сопловой части камеры сгорания и противотоком поступает в зону горения и смешения. 3. Транспортный газотурбинный трехвальный двигатель, содержащий входное устройство с воздухоочистителем, статор с рубашкой охлаждения, ротор центробежного компрессора с турбиной и опорами, вал свободной турбины с опорами, камеру сгорания, теплообменник, выхлопное устройство, системы подачи топлива, зажигания и систему пуска двигателя, отличающийся тем, что выполнен двусторонним, трехвальным-трехроторным, где воздухозаборные устройства выполнены для каждой стороны, силовая турбина выполнена центробежной, двусторонней, каждая сторона которой выполнена многоступенчатой, с не менее ступенями, чем для расширения газов до атмосферного давления, на периферии диска, ступицей прочно, съемно посаженного на силовой вал двигателя с опорами и имеющего возможность свободного вращения, параллельно роторам центробежных турбокомпрессоров, установленных по его сторонам и выполненных в виде центробежного компрессора с центробежной турбиной на периферии и своими ступицами на опорах закрепленные на силовом валу двигателя, и имеющие возможность работать независимо друг от друга и от силового ротора, статор выполнен двусторонним цилиндрической формы, разъемно соединен по окружности и с сопловыми окнами в два ряда, по числу камер сгорания у двигателя, при этом между ступенями турбин, с каждой стороны, выполнены сплошные, охлаждаемые кольцевые перегородки статора, в сопловых окнах которых выполнены лопатки спрямляющего аппарата, улитка центробежного компрессора и кожух камеры сгорания выполнен одним блоком, который разъемно закреплен на каждой стороне половин статора, между центробежным компрессором и его турбиной, на одной с ними плоскости, при этом блок улитки и кожуха камеры сгорания состоит не менее чем из одной улитки центробежного компрессора и одного кожуха камеры сгорания, причем детали и элементы улитки и кожуха использованы для создания друг друга, а кожух камеры сгорания выполнен теплоизолированным от внешне окружающих его деталей. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что воздух после регенерации в кожух камеры сгорания поступает у сопловой части и противотоком идет в зону горения и смешения.