ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F02K7/16 

Изобретение относится к авиации, в частности к двигателестроению.

Известен воздушно-реактивный двигатель (ВРД), содержащий корпус, к которому крепятся неподвижные части двигателя, вал двигателя с установленным на нем компрессором, диффузор, устройства, создающие крутящий момент на валу двигателя в виде прямоточных воздушно-реактивных двигателей, расположенных на расстоянии от оси вращения вала двигателя и закрепленных на нем, систему подачи топлива, состоящую из насоса, подающего топливо по топливопроводам во внутреннюю полость вала двигателя, из которой топливо под действием центробежной силы подается в прямоточные воздушно-реактивные двигатели, средства для создания воздушно-топливной смеси и сжигания этой смеси, при этом воздухозаборники прямоточных воздушно-реактивных двигателей направлены вперед и по направлению вращения вала двигателя, а их сопла выходят назад в общее сопло двигателя, состоящее из раструба и центрального тела - "иглы", в зазор между которыми истекают из прямоточных воздушно-реактивных двигателей продукты сгорания, в стенках устройства крепления прямоточных воздушно-реактивных двигателей выполнены отверстия для прохода воздуха в их диффузор и для выхода продуктов сгорания из сопел, прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют связь с одним из рабочих колес компрессора и вращаются вместе с ним (см. патент США 2709889, Н.кл. 60-35.6, 1955).

Известны недостатки таких двигателей - большие гидравлические потери в трактах компрессора и турбин, состоящих из большого числа рабочих колес и направляющих аппаратов. Эти недостатки делают экономически невыгодными полеты летательных аппаратов на больших высотах и на больших сверхзвуковых скоростях.

Также ТРД имеют довольно большой вес и это также ограничивает их применение, например, в малой авиации.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение указанных недостатков.

Поставленная задача решается за счет того, что воздушно-реактивный двигатель, содержащий корпус, к которому крепятся неподвижные части двигателя, вал двигателя с установленным на нем компрессором, диффузор, устройства, создающие крутящий момент на валу двигателей, в виде прямоточных воздушно-реактивных двигателей, расположенных на расстоянии от оси вращения вала двигателя и закрепленных на нем, систему подачи топлива, состоящую из насоса, подающего топливо по топливопроводам во внутреннюю полость вала двигателя, из которой топливо под действием центробежной силы подается в прямоточные воздушно-реактивные двигатели, средства для создания воздушно-топливной смеси и сжигания этой смеси, при этом воздухозаборники прямоточных воздушно-реактивных двигателей направлены вперед и по направлению вращения вала двигателя, а их сопла выходят назад в общее сопло двигателя, состоящее из раструба и центрального тела - "иглы", в зазор между которыми истекают из прямоточных воздушно-реактивных двигателей продукты сгорания, в стенках устройства крепления прямоточных воздушно-реактивных двигателей выполнены отверстия для прохода воздуха в их диффузор и для выхода продуктов сгорания из сопел, прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют связь с одним из рабочих колес компрессора и вращаются вместе с ним, согласно изобретению двигатель также содержит стартер-генератор, расположенный впереди компрессора в обтекателе двигателя, системы смазки, системы управления, маслонасос, находящийся в кожухе шестеренчатого редуктора, последний выполнен герметичным и снабжен устройствами для подвода и отвода масла или гидравлической жидкости, при этом устройство крепления прямоточных двигателей выполнено в виде фланцев или барабана.

Поставленная задача решается также за счет того, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели вращаются встречно с ближним к ним рабочим колесом компрессора, а вал двигателя разделен редуктором, синхронизирующим встречное вращение рабочего колеса и прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

Поставленная задача решается также за счет того, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели снабжены сверхзвуковыми диффузорами.

Поставленная задача решается также за счет того, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели вращаются вместе с ближайшим к ним рабочим колесом компрессора, а предыдущее рабочее колесо вращается через редуктор встречно им.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) отличаются небольшим весом, они просты и имеют небольшие гидравлические потери во внутреннем тракте, но ПВРД не имеют статической тяги, т.е. они не могут работать на месте. Работа ПВРД происходит в условиях наличия скоростного наддува, когда летательный аппарат уже движется в атмосфере. Поэтому ПВРД не может быть использован на самолетах, для взлета которых требуется наличие на двигателе статической тяги на месте.

Как известно, для запуска ПВРД требуется сообщить ему некоторую начальную скорость движения, после чего набегающий поток создает необходимую энергию в диффузоре ПВРД и от этого поднимается рабочее давление в камере сгорания (КС) ПВРД.

Для получения такого эффекта предлагается установить два или несколько прямоточных воздушно-реактивных двигателей на фланцах или в барабане, закрепленном на валу воздушно-реактивного двигателя таким образом, чтобы диффузоры ПВРД были бы направлены вперед, в сторону компрессора ВРД и по направлению вращения вала двигателя.

При этом прямоточные двигатели располагаются на некотором расстоянии от оси вращения вала двигателя, чтобы в работе ВРД они имели бы поступательное движение относительно воздуха, поступающего от компрессора ВPД. При вращении вала ВРД происходит cкopocтной наддув ПBPД, а ввиду того, что сопла прямоточных воздушно-реактивных двигателей выходят назад и под углом к оси вращения вала двигателя, создаваемая ПВРД реактивная сила суммируется на валу ВРД в виде крутящего момента и реактивной тяги. Для того чтобы продукты сгорания из сопел ПВРД не ударялись в стенки корпуса двигателя и чтобы направить их более упорядоченно назад, с целью увеличения реактивной силы двигателя ВРД снабжен общим для всех ПВРД соплом, состоящим из раструбной части и центрального тела, так называемой "иглы".

При истечении продуктов сгорания из сопла ПВРД они попадают в зазор между элементами сопла ВРД и истекают из него наружу из двигателя.

Система подачи топлива предложенного двигателя также имеет свои особенности. Поскольку ПВРД вращаются вокруг оси двигателя, то возникающая при этом центробежная сила может помочь подаче топлива в камеры сгорания ПВРД, являющиеся рабочими органами двигателя. Так как давление газов в камерах сгорания прямоточных воздушно-реактивных двигателей достаточно большое, то для преодоления этого давления и подачи топлива в зону горения топливная система двигателя имеет насосы низкого давления, от которых топливо идет по топливопроводам во внутреннюю полость вала двигателя, во внутренний канал вала и далее подается по топливопроводам в камеры сгорания ПВРД. Ввиду того, что в топливной системе предложенного двигателя отсутствуют насосы высокого давления, могущие служить источниками отказов и аварийных ситуаций, то подобное упрощение топливной системы двигателя также является его преимуществом.

Компрессор предлагаемого двигателя может иметь несколько вариантов его исполнения. Например, фланец с ПВРД может быть связан с одним из рабочих колес компресcopa и вращаться вместе с ним. Тогда воздух будет попадать в воздухозаборники ПВРД непосредственно с рабочего колеса компрессора и число этих рабочих колес может быть доведено до одного. В таком случае лопатки рабочего колеса компрессора, например сверхзвукового, становятся сверхзвуковым диффузором ПВРД, так как входящий в такое рабочее колесо воздух имеет скорость больше звуковой до скачка уплотнения между лопатками колеса, а далее скорость потока падает к дозвуковому значению, отчего плотность и давление воздуха при этом растет. Примерно также работают и сверхзвуковые воздухозаборники у известных ПВРД.

Возможен и такой вариант устройства компрессора, где имеется два рабочих колеса или несколько, а фланец с ПВРД вращается с одним из этих колес. Для уменьшения потерь и увеличения компрессии рабочие колеса могут вращаться встречно, например входное активного типа, а выходное - сверхзвуковое колесо, а между ними нет направляющего аппарата.

При более сложном устройстве ВРД фланец с ПВРД вращается встречно с ближним к нему рабочим колесом компрессора, отчего скорость набегающего на ПВРД потока увеличивается, но для того чтобы реализовать такую схему, требуется оснастить каждый прямоточный двигатель собственным сверхзвуковым диффузором.

В среднем для работы предлагаемого воздушно-реактивного двигателя достаточно иметь от одной до трех ступеней компрессора, что позволяет строить легкие и надежные двигатели.

Также исключается во многом и пожар двигателя, потому что протекание топлива под высоким давлением возможно лишь в очень небольшой зоне, близкой к соплам всех двигателей. От этого топливо, нагнетаемое центробежной силой, при прогорании камер сгорания или топливопроводов высокого давления может протекать в основном в полость общего сопла, откуда пламя будет сноситься назад в атмосферу. Попадание топлива на стартер или в систему смазки или еще куда-то на возгораемые узлы почти полностью исключается.

На фиг.1 изображен воздушно-реактивный двигатель с устройством крепления прямоточных воздушно-реактивных двигателей в виде фланцев.

На фиг.2 изображен воздушно-реактивный двигатель с устройством крепления прямоточных воздушно-реактивных двигателей в виде барабана.

Воздушно-реактивный двигатель содержит компрессор, имеющий входной направляющий аппарат 1, рабочее колесо 2, фланцы 3 подвески прямоточных воздушно-реактивных двигателей 19, общее сопло, состоящее из раструба 4 и центрального тела - "иглы" 5. Вал 6 двигателя выполнен с внутренним каналом 7, в котором движется топливо 8. Топливо поступает в этот канал через топливопроводы 9 и после через канал и топливопpoвoды высокого давления 10 осуществляется питание прямоточных воздушно-реактивных двигателей 19 двигателя. Стартер двигателя, служащий и генератором тока 11, расположен в переднем обтекателе 12 впереди компрессора. Корпус двигателя 13, служащий также кожухом для смешивания и выравнивания струй от прямоточных воздушно-реактивных двигателей 19 и компрессора, в двухконтурном варианте двигателя имеет устройства для крепления 14 его к летательному аппарату. Подшипники 15 служат для передачи реактивной силы от сопла ВРД на корпус двигателя и далее на летательный аппарат.

Изображенный на фиг.2 воздушно-реактивный двигатель имеет компрессор, состоящий из входного аппарата 1, рабочих колес 2. Барабан 3 с навешенными в нем прямоточными воздушно-реактивными двигателями 19, являющийся здесь как бы заменой фланцев по фиг.1, имеет отверстия для прохода воздуха и газов.

Общее сопло двигателя состоит из раструба 4 и "иглы" 5. Вал двигателя 6 с внутренним каналом 7 изображен с топливом 8 в этом канале. Топливопроводы 9 и 10 служат для питания прямоточных воздушно-реактивных двигателей 19. Стартер-генератор 11 расположен впереди компрессора в обтекателе 12. Двигатель собран в корпусе 13 с устройствами для крепления 14 на летательном аппарате. Подшипники 15 обеспечивают вращение вала двигателя. Редуктор 16 служит для приведения во встречное вращение рабочих колес 2 компрессора двигателя, а редуктор 17 - для обеспечения также встречного вращения барабана с прямоточно-воздушными двигателями 19 с ближним к нему рабочим колесом 2 компрессора. Оба редуктора 16, 17 заключены в герметичные кожухи 18 и являются маслонасосами двигателя.

Изобретение достаточно простое, не требующее для его реализации никаких сверхсложных технологий.

Воздушно-реактивный двигатель содержит корпус, к которому крепятся неподвижные части двигателя, вал двигателя с установленным на нем компрессором, диффузор, устройства, создающие крутящий момент на валу двигателя в виде прямоточных воздушно-реактивных двигателей, расположенных на расстоянии от оси вращения вала двигателя и закрепленных на нем. Система подачи топлива двигателя состоит из насоса, подающего топливо по топливопроводам во внутреннюю полость вала двигателя, из которой топливо под действием центробежной силы подается в прямоточные воздушно-реактивные двигатели. Воздухозаборники прямоточных воздушно-реактивных двигателей направлены вперед и по направлению вращения вала двигателя, а их сопла выходят назад в общее сопло двигателя, состоящее из раструба и центрального тела -"иглы", в зазор между которыми истекают из прямоточных воздушно-реактивных двигателей продукты сгорания. В стенках устройства крепления прямоточных воздушно-реактивных двигателей выполнены отверстия для прохода воздуха в их диффузор и для выхода продуктов сгорания из сопел. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют связь с одним из рабочих колёс компрессора и вращаются вместе с ним. Впереди компрессора в обтекателе двигателя расположен стартер-генератор. Маслонасос находится в кожухе шестерёнчатого редуктора. Устройство крепления прямоточных двигателей выполнено в виде фланцев или барабана. Изобретение повышает экономичность двигателя на больших высотах и на больших сверхзвуковых скоростях полета летательного аппарата. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Воздушно-реактивный двигатель, содержащий корпус, к которому крепятся неподвижные части двигателя, вал двигателя с установленным на нем компрессором, диффузор, устройства, создающие крутящий момент на валу двигателя в виде прямоточных воздушно-реактивных двигателей, расположенных на расстоянии от оси вращения вала двигателя и закрепленных на нем, систему подачи топлива, состоящую из насоса, подающего топливо по топливопроводам во внутреннюю полость вала двигателя, из которой топливо под действием центробежной силы подается в прямоточные воздушно-реактивные двигатели, средства для создания воздушно-топливной смеси и сжигания этой смеси, при этом воздухозаборники прямоточных воздушно-реактивных двигателей направлены вперед и по направлению вращения вала двигателя, а их сопла выходят назад в общее сопло двигателя, состоящее из раструба и центрального тела - "иглы", в зазор между которыми истекают из прямоточных воздушно-реактивных двигателей продукты сгорания, в стенках устройства крепления прямоточных воздушно-реактивных двигателей выполнены отверстия для прохода воздуха в их диффузор и для выхода продуктов сгорания из сопел, прямоточные воздушно-реактивные двигатели имеют связь с одним из рабочих колёс компрессора и вращаются вместе с ним,отличающийсятем, что двигатель содержит стартер-генератор, расположенный впереди компрессора в обтекателе двигателя, системы смазки, системы управления, маслонасос, находящийся в кожухе шестерёнчатого редуктора, последний выполнен герметичным и снабжён устройствами для подвода и отвода масла или гидравлической жидкости, при этом устройство крепления прямоточных двигателей выполнено в виде фланцев или барабана.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели вращаются встречно с ближним к ним рабочим колесом компрессора, а вал двигателя разделён редуктором, синхронизирующим встречное вращение рабочего колеса и прямоточных воздушно-реактивных двигателей.3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели снабжены сверхзвуковыми диффузорами.4. Двигатель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что прямоточные воздушно-реактивные двигатели вращаются вместе с ближайшим к ним рабочим колесом компрессора, а предыдущее рабочее колесо вращается через редуктор встречно им.