ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СО СМЕШЕНИЕМ ПОТОКОВ, ОСЕРАДИАЛЬНЫЙ КОМПРЕССОР, КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ОСЕРАДИАЛЬНОГО ТИПА Российский патент 2003 года по МПК F02K3/02 F04D17/02 

Область техники
Турбореактивный двухконтурный двигатель с осерадиальным компрессором со смешением потоков относится к устройствам, предназначенным для преобразования энергии топлива в кинетическую энергию газовой струи, вытекающей из выходного сопла, а получающаяся при этом сила реакции непосредственно используется как движущая сила - сила тяги.

Уровень техники
Аналогами турбореактивного двухконтурного двигателя с осерадиальным компрессором со смешением потоков являются турбореактивные двухконтурные двигатели с осевым компрессором со смешением потоков по одновальной или двухвальной схеме.

Прототипом является турбореактивный двухконтурный двигатель с осевым компрессором со смешением потоков по одновальной схеме. [Малый Б.Д., Шилохвост В. И. Основы теории реактивных двигателей. - М.: Воениздат, 1965. - С. 303-307.]
Прототип имеет существенные признаки: входное устройство, компрессор низкого давления (КНД), осевой компрессор высокого давления (КВД), трубчато-кольцевая камера сгорания, турбина компрессора, камера смешения, реактивное сопло.

Существенными признаками, совпадающими с признаками заявляемого изобретения, являются: входное устройство, компрессор низкого давления (КНД), турбина компрессора, реактивное сопло.

Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются:
- малая степень сжатия (повышения давления) в одной ступени;
- большое количество лопаток КВД, что требует специального регулирования и вызывает большие сложности при их изготовлении;
- аэродинамические потери в камере сгорания;
- большой лобовой размер (мидель) двигателя;
- относительно высокий уровень шума двигателя.

[Нечаев Ю.Н. Теория авиационных двигателей. - М.: ВВИА имени Н.Е. Жуковского, 1990. - С. 52-107, 161-207, 244-278.]
Настоящее изобретение направлено на устранение недостатков существующих прототипов и на решение следующих задач:
- создание высокого давления в одной ступени компрессора;
- обеспечение устойчивых режимов работы во всех диапазонах и исключение возможности возникновения помпажа;
- уменьшение лобового размера (миделя) двигателя;
- обеспечение минимальных аэродинамических потерь внутри камеры сгорания;
- уменьшение уровня шума двигателя.

Решение этих задач достигается с помощью следующих устройств:
1. Турбореактивный двухконтурный двигатель со смешением потоков, содержащий компрессор, кольцевую камеру сгорания, турбину компрессора, отличающийся тем, что компрессор является осерадиальным, имеет воздушный винт, компрессор высокого давления осерадиального типа и осевой компрессор низкого давления; воздушный винт имеет малое количество лопастей, жестко закрепленных внутри переднего кольцеобразного несущего диска, компрессор высокого давления осерадиального типа выполнен одноступенчатым и расположен в первом контуре, а лопасти его ротора установлены на двух несущих дисках параллельно оси вращения ротора; осевой компрессор низкого давления, состоящий из одной или нескольких ступеней, причем первая ступень жестко закреплена внутри заднего кольцеобразного несущего диска, расположен во втором контуре; камера сгорания выполнена без жаровых труб, расположена перед турбиной компрессора и обеспечивает смешивание горячих газов первого контура с холодным воздухом второго контура.

2. Осерадиальный компрессор турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий компрессор высокого давления осерадиального типа и осевой компрессор низкого давления, отличающийся тем, что снабжен воздушным винтом с малым количеством лопастей, жестко закрепленных внутри переднего кольцеобразного несущего диска; компрессор высокого давления осерадиального типа выполнен одноступенчатым, а его лопасти установлены на переднем и заднем несущих дисках параллельно оси вращения ротора; осевой компрессор низкого давления выполнен из одной или нескольких ступеней, причем первая ступень жестко закреплена внутри заднего кольцеобразного несущего диска.

3. Компрессор высокого давления осерадиального типа, содержащий расположенный в корпусе ротор с лопастями, отличающийся тем, что он выполнен одноступенчатым, а его ротор выполнен в виде двух несущих кольцеобразных дисков с установленными на них лопастями, которые выполнены поворотными и установлены параллельно оси вращения ротора, внутренний диаметр лопастей выполнен равным или большим внутреннего диаметра несущих кольцеобразных дисков, а наружный диаметр - равным или меньшим наружного диаметра этих дисков, при этом корпус имеет на внутренней поверхности гребни, расположенные под углом к плоскости вращения несущих кольцеобразных дисков в сторону их вращения.

Сущность изобретения
Существенными признаками, характеризующими изобретение и отличающимися от существенных признаков прототипа, являются:
1. Осерадиальный компрессор, в котором соединены и работают, взаимно влияя друг на друг, три элемента:
- первый элемент - это воздушный винт с малым количеством лопастей, жестко закрепленных внутри переднего кольцеобразного несущего диска;
- второй элемент - это одноступенчатый компрессор высокого давления осерадиального типа первого контура;
- третий элемент - это осевой низконапорный компрессор второго контура, состоящий из одной или нескольких ступеней, причем первая ступень жестко закреплена внутри заднего кольцеобразного несущего диска.

2. Корпус компрессора высокого давления осерадиального типа имеет на внутренней поверхности гребни, расположенные под углом к плоскости вращения несущих кольцеобразных дисков в сторону вращения.

3. Ротор КВД осерадиального типа состоит из поворотных лопастей, установленных параллельно оси его вращения на двух несущих кольцеобразных дисках и имеющих внутренний диаметр, равный или больший внутреннего диаметра несущих кольцеобразных дисков, а наружный диаметр - равный или меньший наружного диаметра этих дисков.

Создание высокого давления в одной ступени КВД осерадиального типа достигается тем, что сжатие воздушного потока происходит под воздействием центробежной силы инерции, чего нет в осевом компрессоре, и силы реакции воздуха при создании подъемной силы лопастей, чего нет в центробежном компрессоре. При малом расстоянии от задних кромок лопастей до внутренней поверхности корпуса КВД возникает так называемый эффект "воздушной подушки", который способствует увеличению давления, причем чем меньше это расстояние, тем сильнее эффект "воздушной подушки".

Большая часть кинетической энергии закрученного сжатого воздушного потока преобразуется в давление при частичном торможении и повороте перед гребнями, расположенными на внутренней поверхности корпуса КВД осерадиального типа под углом к плоскости вращения несущих дисков в сторону их вращения.

Коэффициент заполнения (σ) должен быть в пределах от 0,95 до 1,05.

где К - количество лопастей;
b - ширина лопасти по хорде;
D - наружный диаметр несущего кольцеобразного диска.

При большой длине лопастей КВД осерадиального типа между передними и задними кольцеобразными несущими дисками могут устанавливаться одно или нескольких колец, устраняющих разрушающее воздействие на лопасти центробежной силы.

Поворотные лопасти обеспечивают устойчивый режим работы КВД осерадиального типа во всем диапазоне, что практически исключает возможность возникновения помпажа.

Малый лобовой размер (мидель) двигателя достигается тем, что производительность КВД осерадиального типа можно увеличивать за счет длины лопастей без увеличения окружной скорости (ωR).

4. Кольцевая камера сгорания без жаровых труб обеспечивает минимальные аэродинамические потери внутри нее.

Центробежные силы, возникающие в закрученном вихревом потоке воздуха, вызывают повышение давления у стенки корпуса и понижение его у стенки внутреннего кожуха камеры сгорания. Малые осевые скорости потока воздуха создают благоприятные условия около форсунок для стабилизации пламени. Вихревое течение турбулизирует поток воздуха, что способствует повышению скорости горения. Горячие газы, расположенные на некотором удалении от фронта горения, устремляются в область пониженного давления и вместе с нагретой поверхностью внутреннего кожуха служат источником тепла, необходимого для испарения и надежного воспламенения свежих порций топлива. Работа кольцевой камеры сгорания аналогична работе вихревой горелки.

5. Камера смешения находится перед турбиной компрессора, что обеспечивает понижение температуры горячих газов, выходящих из первого контура за счет относительно холодного воздушного потока, выходящего из второго контура, до требуемого предела.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фигуре 1 изображен турбореактивный двухконтурный двигатель с осерадиальным компрессором со смешением потоков, на фигуре 2 изображен корпус компрессора высокого давления осерадиального типа.

Турбореактивный двухконтурный двигатель с осерадиальным компрессором со смешением потоков содержит: входное устройство 1; воздушный винт 2 с малым количеством (четыре - шесть) лопастей, закрепленных внутри переднего кольцеобразного несущего диска 13; ротор компрессора высокого давления осерадиального типа с поворотными лопастями 3; корпус компрессора высокого давления с гребнями, расположенными на внутренней поверхности под углом к плоскости вращения несущих дисков в сторону их вращения 4; компрессор низкого давления 5, который может быть одно- или многоступенчатым, с жестко закрепленными лопастями первой ступени внутри заднего кольцеобразного несущего диска 14; кольцевая камера сгорания 6; форсунки 7; внутренний кожух камеры сгорания 8; конусообразная камера смешения 9; турбина компрессора, которая может быть одно- или многоступенчатой 10; реактивное сопло 11; опоры подшипников 12.

Воздушный поток через входное устройство 1, проходя воздушный винт 2, частично сжимается и далее разделяется на два потока:
- одна часть воздуха попадает в первый контур, где в компрессоре высокого давления осерадиального типа 3 сильно сжимается и с большой турбулентностью и небольшой скоростью закручивания потока попадает в кольцевую камеру сгорания 6, где происходит образование топливно-воздушной смеси и ее горение. При запуске двигателя зажигание смеси осуществляется запальным устройством, а при дальнейшей работе - от имеющегося факела пламени. Огненный вихрь, образованный в камере сгорания, создает не очаговый фронт горения, а охватывает все пространство по окружности внутри камеры сгорания. Образовавшийся в камере сгорания газовый поток, обладающий высокой температурой и давлением, устремляется в конусообразную камеру смешения 9, где он, перемешиваясь с более холодным потоком воздуха, поступающим из второго контура, уменьшает свою температуру до необходимого предела и одновременно увеличивает свою скорость;
- другая часть воздуха попадает во второй контур, где в компрессоре низкого давления 5 сжимается и, двигаясь к камере смешения, попутно охлаждает стенки внутреннего кожуха камеры сгорания 8, частично нагревается и затем попадает в камеру смешения 9.

Таким образом, потенциальная энергия газовоздушной смеси преобразуется в двигателе в процессе расширения в камере смешения, турбине компрессора и реактивном сопле в кинетическую энергию. Часть кинетической энергии идет на вращение турбины, которая в свою очередь вращает компрессор, другая часть - на создание реактивной тяги.

Турбореактивный двухконтурный двигатель со смешением потоков содержит компрессор, кольцевую прямоточную камеру сгорания и турбину компрессора. Компрессор является осерадиальным, имеет воздушный винт, компрессор высокого давления осерадиального типа и осевой компрессор низкого давления. Воздушный винт имеет малое количество лопастей, жестко закрепленных внутри переднего кольцеобразного несущего диска. Одноступенчатый компрессор высокого давления осерадиального типа расположен в первом контуре, а лопасти его ротора установлены на двух несущих дисках параллельно оси вращения ротора. Осевой компрессор низкого давления состоит из одной или нескольких ступеней и расположен во втором контуре, причем его первая ступень жестко закреплена внутри заднего кольцеобразного диска. Камера сгорания выполнена без жаровых труб, расположена перед турбиной компрессора и обеспечивает смешивание горячих газов первого контура с холодным воздухом второго контура. Изобретение обеспечивает устойчивые режимы работы во всех диапазонах, исключает возможность возникновения помпажа, уменьшает лобовые размеры двигателя. 3 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Турбореактивный двухконтурный двигатель со смешением потоков, содержащий компрессор, кольцевую камеру сгорания, турбину компрессора, отличающийся тем, что компрессор является осерадиальным, имеет воздушный винт, компрессор высокого давления осерадиального типа и осевой компрессор низкого давления, воздушный винт имеет малое количество лопастей, жестко закрепленных внутри переднего кольцеобразного несущего диска, компрессор высокого давления осерадиального типа выполнен одноступенчатым и расположен в первом контуре, а лопасти его ротора установлены на двух несущих дисках параллельно оси вращения ротора, осевой компрессор низкого давления, состоящий из одной или нескольких ступеней, причем первая ступень жестко закреплена внутри заднего кольцеобразного диска, расположен во втором контуре, камера сгорания выполнена без жаровых труб, расположена перед турбиной компрессора и обеспечивает смешивание горячих газов первого контура с холодным воздухом второго контура.2. Осерадиальный компрессор турбореактивного двухконтурного двигателя, содержащий компрессор высокого давления осерадиального типа и осевой компрессор низкого давления, отличающийся тем, что он снабжен воздушным винтом с малым количеством лопастей, жестко закрепленными внутри переднего кольцеобразного несущего диска, компрессор высокого давления осерадиального типа выполнен одноступенчатым, а его лопасти установлены на переднем и заднем несущих дисках параллельно оси вращения ротора, осевой компрессор низкого давления выполнен из одной или нескольких ступеней, причем первая ступень жестко закреплена внутри заднего кольцеобразного несущего диска.3. Компрессор высокого давления осерадиального типа, содержащий расположенный в корпусе ротор с лопастями, отличающийся тем, что он выполнен одноступенчатым, а его ротор выполнен в виде двух несущих кольцеобразных дисков с установленными на них параллельно оси вращения лопастями, которые выполнены поворотными и установлены параллельно оси вращения ротора, внутренний диаметр лопастей выполнен равным или большим внутреннего диаметра несущих кольцеобразных дисков, а наружный диаметр - равным или меньшим наружного диаметра этих дисков, при этом корпус имеет на внутренней поверхности гребни, расположенные под углом к плоскости вращения несущих кольцеобразных дисков в сторону их вращения.