СПОСОБ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K3/10 

Изобретение относится к реактивным двигательным установкам и предназначено для использования на летательных аппаратах.

Известен способ создания реактивной тяги, используемый в прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ПВРД), при котором сжатие воздуха производят скоростным напором при полете летательного аппарата, сжатый воздух прямым потоком подают в камеру сгорания, а продукты сгорания направляют в сопло (см. Политехнический словарь под ред. А.Ю.Ишлинского. М., Советская энциклопедия. - 1980, стр. 420-421) (1).

Недостатком этого способа создания реактивной тяги с использованием ПВРД является возможность его осуществления только при скорости полета, в 2-3 раза превышающей скорость звука.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному изобретению является способ создания реактивной тяги, применяемый в турбореактивных двигателях (ТРД), при котором предварительное сжатие воздуха, подаваемого в камеру сгорания, производят при помощи связанного с турбиной компрессора, а также используют возможность кратковременного повышения мощности двигателя путем сжигания дополнительного горючего в форсажной камере в прямом потоке воздуха, проходящего через двигатель (см. (1), стр. 544-545).

Недостатком этого способа создания реактивной тяги является сложность обеспечения достаточного по величине предварительного сжатия подаваемого в камеру сгорания воздуха, который в пределах двигателя имеет прямоточный характер движения преимущественно в осевом направлении. При этом многоступенчатость, сложное устройство и большая масса применяемого осевого номперессора связаны в основном с затруднениями сжатия свободного потока воздуха в направлении его прямоточного движения.

Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), содержащий корпус в виде профилированной трубы, передняя часть которой выполнена в виде диффузора, способствующего сжатию поступающего воздуха, а задняя часть трубы выполнена в виде сопла, в средней части трубы размещается камера сгорания (см. (1), стр. 420-421).

Недостатком ПВРД является то, что эффективная его работа возможна только при скоростях полета, в 2-3 раза превышающих скорость звука, а также то, что для взлета самолета с ПВРД необходимо дополнительное стартовое устройство.

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков является турбореактивный двигатель (ТРД), содержащий корпус с входным отверстием, компрессор, турбину, камеру сгорания, размещенную между компрессором и турбиной, дополнительную форсажную камеру сгорания с кратковременным режимом работы и сопло (см.(1), стр. 544-545).

Недостатком ТРД является сложное его устройство и большая масса прежде всего в связи с необходимостью применения многоступенчатого компрессора и турбины большой мощности для достижения необходимого по величине предварительного сжатия воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

Предлагаемое изобретение по способу создания реактивной тяги и устройству для его осуществления в виде двухступенчатого турбореактивного двигателя позволяет получить технический результат, заключающийся в упрощении устройства и уменьшении массы двигателя за счет сокращения ступеней сжатия в компрессоре и уменьшении при этом мощности турбины при обычной для действующих двигателей величине сжатия воздуха или повышении сжатия используемого воздуха без существенного изменения сложности устройства и массы применяемых в настоящее время двигателей. При этом имеется в виду, что при повышении сжатия используемого воздуха возрастает создаваемая реактивная тяга без увеличения расхода горючего.

Указанный технический результат по способу создания реактивной тяги достигается тем, что в турбореактивном двигателе используют связанный с турбиной компрессор, при помощи которого производят предварительное сжатие воздуха, который подают в камеру сгорания, получаемый при сгорании горючего газ применяют для приведения в действие турбины. Помимо этого используют возможность сжигания дополнительного горючего во второй камере сгорания, установленной за турбиной. Получаемый в камерах сгорания газ направляют в сопло и при этом создают реактивную тягу. Согласно изобретению, за турбиной образуют равномерный по окружности кольцеобразный поток вышедшего из турбины газа, направление движения которого изменяют и направляют его к линии оси двигателя в размещенную за турбиной вторую камеру сгорания. При этом создают встречные радиальные концентрические потоки газа, которые сталкивают в центре второй камеры сгорания с взаимным их торможением и переходом кинетической энергии газа в его нагревание и сжатие и в этой области повышенного сжатия газа осуществляют сжигание дополнительного горючего. За счет этого дополнительно повышают энергонасыщенность и сжатие газа, который с соответствующим увеличением скорости по указанным выше причинам направляют в сопло и создают повышенную по величине реактивную тягу. При этом во вторую камеру сгорания подают газ с достаточным количеством кислорода для сжигания дополнительного горючего.

Двухступенчатый турбореактивный двигатель содержит корпус с входным отверстием, компрессор, первую камеру сгорания, турбину, размещенную за турбиной вторую камеру сгорания и сопло, отличающийся тем, что за турбиной установлен направляющий вкладыш, имеющий дно, обращенное внешней поверхностью в сторону сопла, и боковую поверхность, симметричную линии оси двигателя. Боковая поверхность направляющего вкладыша совместно с внешней относительно ее круговой оболочкой образуют за турбиной кольцевой канал для прохода газа из первой камеры сгорания. За окончанием кольцевого канала размещена соединенная с корпусом симметричная линии оси двигателя вогнутая поверхность, внутренняя полость которой совместно с дном направляющего вкладыша образуют вторую камеру сгорания, которая в средней части вогнутой поверхности сообщается с соплом. По внешней своей окружности вторая камера сгорания сообщается с кольцевым каналом. Кривизна внутренней части вогнутой поверхности выполнена с возможностью осуществления равномерного отклонения потока газа из кольцевого канала в радиальных концентрических направлениях в сторону центральной части второй камеры сгорания с возможностью взаимного торможения поступающих из кольцевого канала со всех сторон окружности концентрических встречных радиальных потоков газа, обеспечивающих его сжатие путем соответствующего превращения кинетической энергии газа при столкновении в центральной части второй камеры сгорания. В пределы второй камеры сгорания обращена форсунка с возможностью распыления горючего преимущественно в зону наибольшего сжатия газа в ее центральной части. Вторая камера сгорания выполнена с учетом преимущественно постоянного ее функционирования во время работы двухступенчатого турбореактивного двигателя, двухступенчатость которого определяется последовательно размещенными первой и второй камерами сгорания.

В двухступенчатом турбореактивном двигателе между кольцевым каналом и второй камерой сгорания установлены направляющие поверхности в виде одного или нескольких профилированных ободов, симметрично охватывающих вторую камеру сгорания и обеспечивающих возможность более точного концентрического направления радиальных потоков газа из кольцевого канала в центральную часть второй камеры сгорания.

Дно направляющего вкладыша имеет большие диаметр и площадь по сравнению с диаметром и площадью сечения сопла при выходе из второй камеры сгорания.

На приведенном чертеже в разрезе по осевой фронтальной плоскости показано в общем виде осуществление способа создания реактивной тяги на примере соответствующего устройства в виде двухступенчатого турбореактивного двигателя. Стрелками на чертеже показано направление движения воздуха и образованного от сжигания горючего газа.

Двухступенчатый турбореактивный двигатель содержит корпус 1 с входным отверстием 2, компрессор 3, первую камеру сгорания 4, турбину 5, размещенную за турбиной вторую камеру сгорания 6 и сопло 7. За турбиной 5 установлен направляющий вкладыш 8, имеющий дно 9, обращенное внешней поверхностью в сторону сопла 7, и боковую поверхность 10, симметричную линии оси О-О двигателя. Боковая поверхность направляющего вкладыша 8 совместно с внешней относительно ее круговой оболочкой 11 образуют за турбиной кольцевой канал 12 для прохода газа из первой камеры сгорания 4. За окончанием кольцевого канала 12 размещена соединенная с корпусом 1 симметричная линии оси О-О двигателя вогнутая поверхность 13, внутренняя полость которой совместно с дном 9 направляющего вкладыша 8 образуют вторую камеру сгорания 6, которая в средней части вогнутой поверхности 13 сообщается с соплом 7. По внешней своей окружности вторая камера сгорания 6 сообщается с кольцевым каналом 12. Кривизна внутренней части вогнутой поверхности 13 выполнена с возможностью осуществления равномерного отклонения потока газа из кольцевого канала 12 в радиальных концентрических направлениях в сторону центральной части второй камеры сгорания 6 с возможностью взаимного торможения поступающих из кольцевого канала 12 равномерно со всех сторон окружности концентрических встречных радиальных потоков газа, обеспечивающих его сжатие путем соответствующего превращения кинетической энергии газа при столкновении в центральной части второй камеры сгорания 6. В пределы второй камеры сгорания обращена форсунка 14 с возможностью распыления горючего преимущественно в зону наибольшего сжатия газа в ее центральной части. Вторая камера сгорания 6 выполнена с учетом преимущественно постоянного ее функционирования во время работы двухступенчатого турбореактивного двигателя, двухступенчатость которого определяется последовательно размещенными первой 4 и второй 6 камерами сгорания.

Между кольцевым каналом 12 и второй камерой сгорания 6 установлены направляющие поверхности 15 в виде одного или нескольких профилированных ободов, симметрично охватывающих вторую камеру сгорания и обеспечивающих возможность более точного концентрического направления радиальных потоков газа из кольцевого канала в центральную часть второй камеры сгорания.

Дно 9 направляющего вкладыша 8 имеет большие диаметр и площадь по сравнению с диаметром и площадью сечения сопла 7 при выходе из второй камеры сгорания 6.

Приведенное устройство в виде двухступенчатого турбореактивного двигателя осуществляет предложенный способ создания реактивной тяги следующим образом.

Компрессор 3 двухступенчатого турбореактивного двигателя осуществляет предварительное сжатие воздуха, который поступает в первую камеру сгорания 4, куда одновременно подают горючее и сжигают его. Получаемый в первой камере сгорания газ направляют в турбину 5 и приводят ее вместе с компрессором 3 во вращение. Из турбины газ направляют в кольцевой канал 12, где он во время движения равномерно охватывает со всех сторон боковые поверхности направляющего вкладыша 8 и попадает на вогнутую поверхность 13 и профилированные ободы направляющих поверхностей 15, которые совместно изменяют направление движение газа из кольцевого канала 12 в радиальных направлениях в сторону центральной части второй камеры сгорания 6, где осуществляется взаимное торможение поступающих концентрично радиальных встречных потоков газа. При этом происходит дополнительное сжатие газа в связи с переходом кинетической энергии потоков газа в тепловую энергию с соответствующим увеличением его сжатия. Наибольшее сжатие газа осуществляется в центральной части второй камеры сгорания 6, куда из форсунки 14 производят распыление горючего, что обеспечивает его сгорание с максимальным повышением температуры и с созданием максимального сжатия и давления продуктов сгорания на окружающие поверхности второй камеры сгорания 6. Это обеспечивает увеличение скорости истечения газа из сопла 7 с соответствующим возрастанием реактивной тяги.

С целью эффективной работы двигателя»в составе газа, поступающего во вторую камеру сгорания 6,содержится достаточное количество кислорода для полного и надежного сгорания распыляемого из форсунки 14 горючего.

С целью наиболее полного использования повышенного давления газа на все поверхности второй камеры сгорания 6 для создания реактивной тяги дно 9 направляющего вкладыша 8 имеет большую площадь по сравнению с площадью сечения начала сопла 7 при выходе его из второй камеры сгорания 6.

Предлагаемый двухступенчатый турбореактивный двигатель обеспечивает увеличение реактивной тяги в используемых в настоящее время известных ТРД или обеспечивает возможность упрощения устройства по сравнению с известными ТРД без уменьшения величины реактивной тяги.

Способ создания реактивной тяги в турбореактивном двигателе, имеющем связанный с турбиной компрессор, осуществляется путем предварительного сжатия воздуха, который подают одновременно с горючим в камеру сгорания. Полученный при сгорании горючего газ применяют для приведения в действие турбины. Сжигают дополнительное горючее во второй камере сгорания, установленной за турбиной. Получаемый в камерах сгорания газ направляют в сопло и при этом создают реактивную тягу. При этом за турбиной образуют равномерный по окружности кольцеобразный поток вышедшего из турбины газа, направление движения которого изменяют, направляя его к линии оси двигателя в размещенную за турбиной вторую камеру сгорания. Создают встречные радиальные концентрические потоки газа, которые сталкивают в центре второй камеры сгорания с взаимным их торможением и переходом кинетической энергии газа в его нагревание и сжатие. В этой области повышенного сжатия газа осуществляют сжигание дополнительного горючего. При этом во вторую камеру сгорания подают газ с достаточным количеством кислорода для сжигания дополнительного горючего. Изобретение позволяет повысить тягу. 2 н. и 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания реактивной тяги, при котором в турбореактивном двигателе используют связанный с турбиной компрессор, при помощи которого производят предварительное сжатие воздуха, который подают одновременно с горючим в камеру сгорания, полученный при сгорании горючего газ применяют для приведения в действие турбины, помимо этого используют возможность сжигания дополнительного горючего во второй камере сгорания, установленной за турбиной, получаемый в камерах сгорания газ направляют в сопло и при этом создают реактивную тягу, отличающийся тем, что за турбиной образуют равномерный по окружности кольцеобразный поток вышедшего из турбины газа, направление движения которого изменяют и направляют его к линии оси двигателя в размещенную за турбиной вторую камеру сгорания, при этом создают встречные радиальные концентрические потоки газа, которые сталкивают в центре второй камеры сгорания с взаимным их торможением и переходом кинетической энергии газа в его нагревание и сжатие и в этой области повышенного сжатия газа осуществляют сжигание дополнительного горючего, за счет этого дополнительно повышают энергонасыщенность и сжатие газа, который с соответствующим увеличением скорости по указанным выше причинам направляют в сопло и создают повышенную по величине реактивную тягу, при этом во вторую камеру сгорания подают газ с достаточным количеством кислорода для сжигания дополнительного горючего.2. Турбореактивный двигатель, содержащий корпус с входным отверстием, компрессор, первую камеру сгорания, турбину, размещенную за турбиной вторую камеру сгорания и сопло, отличающийся тем, что за турбиной установлен направляющий вкладыш, имеющий дно, обращенное внешней поверхностью в сторону сопла, и боковую поверхность, симметричную линии оси двигателя, боковая поверхность направляющего вкладыша совместно с внешней относительно ее круговой оболочкой образуют за турбиной кольцевой канал для прохода газа из первой камеры сгорания, за окончанием кольцевого канала размещена соединенная с корпусом симметричная линия оси двигателя вогнутая поверхность, внутренняя полость которой совместно с дном направляющего вкладыша образуют вторую камеру сгорания, которая в средней части вогнутой поверхности сообщается с соплом, по внешней своей окружности вторая камера сгорания сообщается с кольцевым каналом, кривизна внутренней части вогнутой поверхности выполнена с возможностью осуществления равномерного отклонения потока газа из кольцевого канала в радиальных концентрических направлениях в сторону центральной части второй камеры сгорания с возможностью взаимного торможения поступающих из кольцевого канала равномерно со всех сторон окружности концентрических встречных радиальных потоков газа, обеспечивающих его сжатие путем соответствующего превращения кинетической энергии газа при столкновении в центральной части второй камеры сгорания, в пределы второй камеры сгорания обращена форсунка с возможностью распыления горючего преимущественно в зону наибольшего сжатия газа в ее центральной части, при этом вторая камера сгорания выполнена с учетом преимущественно постоянного ее функционирования во время работы двигателя, двухступенчатость которого определяется последовательно размещенными постоянно функционирующими первой и второй камерами сгорания.3. Турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что между кольцевым каналом и второй камерой сгорания установлены направляющие поверхности в виде одного или нескольких профилированных ободов, симметрично охватывающих вторую камеру сгорания и обеспечивающих возможность более точного концентрического направления радиальных потоков газа из кольцевого канала в центральную часть второй камеры сгорания.4. Турбореактивный двигатель, отличающийся тем, что дно направляющего вкладыша имеет больший диаметр и площадь по сравнению с диаметром и площадью сечения сопла при выходе из второй камеры сгорания.