ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F02K5/02 

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве силовой установки на летательных аппаратах и быстроходных судах.

Известен турбореактивный двигатель (ТРД), содержащий корпус сигарообразной формы, воздухозаборник, осевой многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, которая посредством вала соединена с компрессором, реактивное сопло.

(Авиация, энциклопедия, гл. ред. Г.П.Свищев, Большая Российская энциклопедия. Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского, М., 1994, с.593, рис.1, с.49, 50, рис.1, 2, 3, 4.)

Недостатками известного турбореактивного двигателя являются: большой расход топлива, значительный шум, сложность конструкции и изготовления, возможность помпажа двигателя, сложность запуска, высокая стоимость изготовления и эксплуатации, невозможность значительного повышения температуры в камере сгорания.

Указанные недостатки обусловлены сложностью и высокой точностью изготовления многоступенчатого компрессора и газовой турбины, тепловыми и прочностными характеристиками газовой турбины, конструкцией турбореактивного двигателя.

Известен также воздушно-реактивный двигатель, содержащий наружный корпус, внутренний корпус, вставленный внутрь наружного, газогенератор, форсажную камеру, вентилятор, реактивное сопло, двигатели внутреннего сгорания, разделенные на несколько групп, соединенные с валом компрессора посредством редукторов. (Патент US №4815282, МПК F 02 К 5/02, 1989.)

Известный воздушно-реактивный двигатель по патенту US №4815282, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатки воздушно-реактивного двигателя, принятого за прототип, те же.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД и экономичности, упрощение запуска, ликвидация помпажа двигателя, а также повышение эксплуатационных характеристик воздушно-реактивного двигателя.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что газогенератор, двигатели внутреннего сгорания заменены несколькими роторно-лопастными дизельными двигателями, работающими по четырехтактному циклу, разделенными на несколько групп, валы которых между группами соединены посредством редукторов с муфтами сцепления, а в группах - посредством соединительных муфт, кроме того, впускные трубопроводы роторно-лопастных дизельных двигателей соединены с общим коллектором, который подключен к воздухозаборнику, а выпускные трубопроводы соединены с общим выпускным коллектором, который подключен через блок пластинчатых впускных клапанов к форсажной камере, внутренние стенки которой выложены тугоплавкой керамической плиткой, внутри которой размещена аппаратура для подачи и дожигания топлива, причем передний конец вала первого роторно-лопастного дизельного двигателя через вал генератора постоянного тока, он же электрический стартер, соединен с валом вентилятора, причем все роторно-лопастные дизельные двигатели одинаковы по конструкции и каждый из них содержит круглый цилиндрический корпус с ребрами охлаждения, выполненный из легкого алюминиевого сплава, имеющий впускной и выпускной каналы, отверстие для форсунки, внутрь которого вставлена стальная гильза, выполненная в форме правильного круга, закрытый о обеих сторон крышками, внутрь которого вставлен ротор, отлитый заодно с валом, концы которого пропущены в отверстия крышек, представляющий собой цилиндрическое тело вращения и имеющий четыре радиальных паза, выполненных под углом 90 градусов один относительно другого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, каждая противоположная пара которых расположена соосно друг другу на линии диаметра по разные стороны от оси вращения, причем внутрь каждого из них вставлена пустотелая прямоугольная лопасть, имеющая внутреннюю пружину, кроме того, между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входа которой открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна и смещена вниз относительно продольной оси цилиндра так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания, в которую вставлена форсунка, камеру выпуска отработанных газов, имеющую выпускной канал, камеру впуска воздуха, имеющую впускной канал, и камеру сжатия, причем все камеры отделены друг от друга пустотелыми прямоугольными лопастями, а форсунка посредством трубопровода соединена со штуцером насоса высокого давления, каждый из которых содержит корпус, имеющий два отделения, закрытых крышками, в первом из которых на подшипниках установлен ведущий продольный вал с закрепленной на нем ведущей зубчатой шестерней, которая входит в зацепление с двумя ведомыми зубчатыми шестернями, закрепленными на верхнем и нижнем вертикальных валах, установленных в подшипниках корпуса, кроме того, на втором конце ведущего продольного вала закреплен ведущий элемент муфты сцепления, которая размещена во втором отделении корпуса редуктора, а ведомый элемент муфты сцепления прижат пружиной к ведущему элементу и кинематически связан с выходным продольным валом, причем оба продольных вала каждого редуктора соединяют два рядом стоящих дизельных двигателя, а нижний вертикальный вал каждого редуктора соединен с насосом высокого давления, передним, средним и задним многоступенчатыми вентиляторами, одинаковыми по конструкции и размещенными во втором контуре, каждый из которых выполнен заодно с ведомой зубчатой шестерней и представляет собой втулку, установленную на подшипниках внутреннего корпуса, на которой закреплены под некоторым углом в несколько рядов лопатки, между рядами которых и позади их установлены лопатки направляющего аппарата, прикрепленные изнутри к наружному корпусу, причем ведомая зубчатая шестерня каждого многоступенчатого вентилятора входит в зацепление с соответствующей ведущей зубчатой шестерней, закрепленной на верхнем вертикальном валу соответствующего редуктора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид воздушно-реактивного дизельного двигателя, на фигуре 2 - вид на воздушно-реактивный дизельный двигатель в разрезе, на фигуре 3 - схема газогенератора воздушно-реактивного дизельного двигателя, на фигуре 4 - устройство редуктора, на фигуре 5 - устройство роторно-лопастного дизельного двигателя, на фигуре 6 - схема работы роторно-лопастного дизельного двигателя, на фигуре 7 - общий вид многоступенчатого вентилятора с шестерней привода, на фигуре 8 - вид на многоступенчатый вентилятор справа, на фигуре 9 - общий вид направляющего аппарата, на фигуре 10 - вид на направляющий аппарат сбоку с частичным разрезом, на фигуре 11 - схема привода многоступенчатого вентилятора, на фигуре 12 - вид на привод многоступенчатого вентилятора сбоку.

Воздушно-реактивный дизельный двухконтурный двигатель (ВРДД) содержит наружный корпус 1 и внутренний корпус 2, соединенные друг с другом стойками 3. Во внутреннем корпусе размещены четырехтактные роторно-лопастные дизельные двигатели 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, разделенные на несколько групп, валы которых между группами соединены посредством редукторов с муфтами сцепления 13, 14, 15, а в группах соединены между собой посредством соединительных муфт 16. Передний конец вала первого роторно-лопастного дизельного двигателя через вал генератора постоянного тока 17, он же электрический стартер при запуске, соединен с вентилятором 18. Впускные трубопроводы всех роторно-лопастных дизельных двигателей соединены с общим впускным коллектором 19, вход которого соединен с воздухозаборником 20. Выпускные трубопроводы всех роторно-лопастных дизельных двигателей соединены с общим выпускным коллектором 21, выход которого через блок впускных пластинчатых клапанов 22 подключен к форсажной камере 23, имеющей реактивное сопло 24, внутри которой размещен блок подачи и зажигания горючей смеси 25. Между наружным и внутренним корпусами расположены передний 26, средний 27 и задний 28 многоступенчатые вентиляторы, кинематически соединенные с верхними вертикальными валами редукторов. Все многоступенчатые вентиляторы одинаковы по конструкции и каждый из них представляет собой втулку 29, выполненную заодно с зубчатой шестерней, установленную на подшипнике внутреннего корпуса, на которой закреплены по всей окружности под некоторым углом в несколько рядов лопатки 30, а между рядами этих лопаток расположены неподвижные лопатки 31 направляющего аппарата. Все роторно-лопастные дизельные двигатели одинаковы по конструкции и каждый из них содержит круглый алюминиевый цилиндрический корпус 32 с ребрами охлаждения 33, внутрь которого запрессована стальная гильза 34 в форме правильного круга. Корпус закрыт передней и задней крышками и имеет впускной 35 и выпускной 36 каналы. Внутрь корпуса вставлен ротор 37, отлитый заодно с валом 38, концы которого пропущены в отверстия крышек, представляющий собой цилиндрическое тело вращения и имеющий четыре радиальных паза 39, 40, 41, 42, выполненных под углом 90 градусов один относительно другого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, каждая противоположная пара которых расположена соосно друг другу, на линии диаметра по разные стороны от оси вращения. Внутрь каждого паза вставлены пустотелые лопасти 43, 44, 45, 46, имеющие пружины 47. Между каждой парой пазов в теле ротора выполнены Г-образные накопительные камеры 48, 49, 50, 51, оба входа каждой из которых открываются в сторону от оси вращения ротора, продольная ось которого параллельна и смещена вниз относительно продольной оси цилиндра так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания 52, имеющую форсунку 53, камеру выпуска отработанных газов 54, имеющую выпускной канал, камеру впуска воздуха 55, имеющую впускной канал и камеру сжатия 56, взаимодействующую с Г-образными накопительными камерами. Все камеры отделены друг от друга пустотелыми лопастями. (О роторно-лопастном двигателе см. Патент РФ №2214927, кл. В 60 К 5/02, F 01 С 1/324, F 02 В 53/00, опубл. 27.10.2003, Бюл. №30.)

В нижней части воздушно-реактивного дизельного двигателя закреплены насосы высокого давления 57, 58, 59, 60, которые кинематически соединены с нижними вертикальными валами редукторов, имеют общий привод регулировки подачи топлива, штуцеры которых посредством трубопроводов соединены с соответствующими форсунками. Насосы высокого давления связаны с топливным насосом 61 и топливным баком 62. Первый насос высокого давления обслуживает первый роторно-лопастной дизельный двигатель, второй - два последующих, третий - три предпоследних и четвертый - три последних роторно-лопастных дизельных двигателя. Все редукторы одинаковы по конструкции и каждый из них содержит корпус 63, разделенный на два отделения, закрытых боковыми крышками 64, 65. В первом отделении на подшипниках 66, 67 установлен ведущий продольный вал 68, на котором закреплена шестерня 69, входящая в зацепление с ведомыми шестернями 70, 71, закрепленными на верхнем 72 и нижнем 73 вертикальных валах, установленных в подшипниках 74, 75. Во втором отделении на втором конце ведущего продольного вала закреплен диск 76, к которому прикреплена накладка из фрикционного материала 77. С диском взаимодействуют шкив 78, на торцевой части которого имеется накладка из фрикционного материала 79. Шкив может свободно перемещаться по ведущему продольному валу и своими внутренними пазами по зубьям выходного продольного вала 80, закрепленного в подшипнике 81. В паз шкива входит вилка с рычагом 82, а он сам нагружен пружиной 83.

Работа воздушно-реактивного дизельного двигателя.

Перед запуском воздушно-реактивного дизельного двигателя необходимо проверить исправность всех систем и узлов. Для запуска воздушно-реактивного дизельного двигателя необходимо отключить муфты сцепления редукторов 57, 58, 59, 60, передвинув рычаги 82 влево. При этом шкивы 78, сжимая пружины 83, сместятся вправо и выходные продольные валы 80 указанных редукторов будут разъединены с ведущими продольными валами 68. Далее необходимо включить электродвигатель стартера 17, который станет вращать вентилятор 18 и ротор 37 с валом 38 роторно-лопастного дизельного двигателя 4. После того как роторно-лопастной дизельный двигатель 4 заведется, необходимо выключить стартер 17, который перейдет на режим генератора постоянного тока, а указанный дизельный двигатель станет работать следующим образом. При вращении вентилятора 18 он гонит воздух через воздухозаборники 20, впускной коллектор 19, впускной канал 35 внутрь во впускную полость 55. Как только пустотелая лопасть перекроет впускной канал 35 (фиг.6), она обеспечивает продувку впускной полости 55 и начнет сжимать воздух в камере сжатия 56. Уменьшаясь в объеме и разогреваясь, воздух переходит в Г-образную накопительную камеру 49 из камеры сжатия 56, затем переносится в камеру сгорания 52. Как только откроется первый по ходу вращения канал Г-образной накопительной камеры, сжатый и разогретый воздух устремляется в камеру сгорания 52, куда в это время впрыскивается насосом высокого давления 57 через форсунку 53 топливо, которое воспламеняется и производит рабочий ход. Одновременно пустотелая лопасть 46, которая двигалась под действием образовавшихся при рабочем ходе газов, вытесняет отработанные газы от предыдущего рабочего хода через выпускной канал 36 в выпускной коллектор 21. В то же время происходит продувка впускной камеры 55 и Г-образной накопительной камеры 50. При этом часть чистого воздуха выходит в выпускной канал 36. После прохода выпускного 36 и впускного 35 каналов пустотелой лопастью 45 начинается такт сжатия воздуха и все повторяется сначала. За один оборот роторно-лопастного дизельного двигателя происходит четыре такта впуска воздуха, четыре такта сжатия воздуха и его перенос в камеру сгорания, четыре рабочих такта и четыре такта выпуска отработанных газов. Работа всех роторно-лопастных дизельных двигателей одинакова. После того как роторно-лопастной дизельный двигатель 4 начал устойчиво работать, включается муфта сцепления редуктора 13 и производится запуск уже работающим роторно-лопастным дизельным двигателем 4 двух следующих роторно-лопастных дизельных двигателей 5, 6, а после запуска и устойчивой работы их включается муфта сцепления редуктора 14 и уже три работающих роторно-лопастных двигателя 4, 5, 6 запускают три других роторно-лопастных двигателя 7, 8, 9. После устойчивой работы запущенных ранее роторно-лопастных дизельных двигателей включается муфта сцепления редуктора 15 и всеми работающими роторно-лопастными дизельными двигателями запускаются остальные три роторно-лопастных дизельных двигателя 10, 11, 12. Разогретые газы из роторно-лопастных дизельных двигателей 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 поступают в выпускной коллектор 21 и далее через блок пластинчатых клапанов 22 попадают в форсажную камеру 23 и затем через реактивное сопло 24 выбрасываются наружу, создавая реактивную тягу. Назначение блока пластинчатых клапанов состоит в том, чтобы не допускать проникновения газов из форсажной камеры в выпускной коллектор 21 при резком вбросе горючей смеси в форсажную камеру. Регулирование реактивной тяги осуществляется путем увеличения или уменьшения частоты вращения роторно-лопастных дизельных двигателей. Кроме того, можно значительно увеличить реактивную тягу за счет увеличения температуры вытекающих из реактивного сопла 24 газов, путем подачи горючей смеси через блок 25 в форсажную камеру и дожигая в ней не успевшее сгореть топливо в роторно-лопастных дизельных двигателях. Для того чтобы стенки форсажной камеры 23 не прогорали, они внутри выложены огнеупорной керамикой. Так, как в предлагаемом воздушно-реактивном дизельном двигателе генератор газа не только вырабатывает раскаленные газы, но и создает дополнительную свободную мощность, то она используется для привода переднего 26, среднего 27 и заднего 28 многоступенчатых вентиляторов, которые прогоняют воздух по второму контуру и через отдельное реактивное сопло выбрасывают его наружу, создавая дополнительную реактивную тягу. Если мощность, необходимая для привода многоступенчатых вентиляторов, велика или один или несколько роторно-лопастных дизельных двигателей вышли из строя, то их можно использовать в качестве воздушных насосов, поставляющих в форсажную камеру 23 нагретый воздух, прекратив к ним доступ топлива. Для остановки роторно-лопастных дизельных двигателей необходимо прекратить ко всем им подачу топлива.

Воздушно-реактивный дизельный двигатель может быть использован вместо турбореактивного двигателя.

Положительный эффект: можно получить более высокие тепловые характеристики вследствие отсутствия газовых турбин и наличия защиты форсажной камеры огнеупорной керамикой, более высокий КПД, отсутствие помпажа двигателя, простота регулирования тяги, генератор газа вырабатывает не только раскаленные газы, но и создает дополнительную мощность, которую можно использовать для увеличения реактивной тяги.

Воздушно-реактивный дизельный двигатель содержит наружный корпус, внутренний корпус, вставленный внутрь наружного, газогенератор, форсажную камеру, вентилятор, реактивное сопло. Газогенератор выполнен в форме нескольких одинаковых роторно-лопастных дизельных четырехтактных двигателей, разделенных на группы, валы которых между группами соединены посредством редукторов, а внутри группы - посредством соединительных муфт. Передний конец вала первого роторно-лопастного дизельного двигателя через вал генератора постоянного тока, он же электрический стартер при запуске, соединен с вентилятором. Впускные трубопроводы роторно-лопастных дизельных двигателей соединены с общим впускным коллектором, вход которого соединен с воздухозаборниками, а выпускные трубопроводы - с выпускным коллектором, выход которого через блок пластинчатых клапанов соединен с форсажной камерой. Внутренние стенки форсажной камеры сгорания выложены тугоплавкой керамической плиткой. Передний, средний и задний многоступенчатые вентиляторы размещены во втором контуре. Ведомая зубчатая шестерня каждого многоступенчатого вентилятора входит в зацепление с соответствующей ведущей зубчатой шестерней, закрепленной на верхнем вертикальном валу соответствующего редуктора. Изобретение повышает эксплутационные качества двигателя. 12 ил.

Воздушно-реактивный дизельный двигатель, содержащий наружный корпус, внутренний корпус, вставленный внутрь наружного, газогенератор, форсажную камеру, вентилятор, реактивное сопло, отличающийся тем, что газогенератор выполнен в форме нескольких одинаковых роторно-лопастных дизельных четырехтактных двигателей, разделенных на несколько групп, валы которых между группами соединены посредством редукторов, а внутри группы - посредством соединительных муфт, причем передний конец вала первого роторно-лопастного дизельного двигателя через вал генератора постоянного тока, он же электрический стартер при запуске, соединен с вентилятором, кроме того, впускные трубопроводы роторно-лопастных дизельных двигателей соединены с общим впускным коллектором, вход которого соединен с воздухозаборниками, а выпускные трубопроводы соединены с выпускным коллектором, выход которого через блок пластинчатых клапанов соединен с форсажной камерой, внутренние стенки которой выложены тугоплавкой керамической плиткой, кроме того, передний, средний и задний многоступенчатые вентиляторы размещены во втором контуре, причем ведомая зубчатая шестерня каждого многоступенчатого вентилятора входит в зацепление с соответствующей ведущей зубчатой шестерней, закрепленной на верхнем вертикальном валу соответствующего редуктора, кроме того, роторно-лопастной дизельный четырехтактный двигатель содержит круглый цилиндрический корпус с ребрами охлаждения, выполненный из легкого алюминиевого сплава, имеющий впускной, выпускной каналы и отверстие для форсунки, внутрь которого вставлена стальная гильза, выполненная в форме правильного круга, закрытый с обеих сторон крышками, внутрь которого вставлен ротор, отлитый заодно с валом, концы которого пропущены в отверстия крышек, представляющий собой цилиндрическое тело вращения и имеющий четыре радиальных паза, выполненных под углом 90° один относительно другого в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, каждая противоположная пара которых расположена соосно одна с другой на линии диаметра по разные стороны от оси вращения, причем внутрь каждого из них вставлена пустотелая прямоугольная лопасть, имеющая внутреннюю пружину, кроме того, между каждой парой пазов в теле ротора выполнена Г-образная накопительная камера, оба входа которой открываются в сторону от оси вращения, продольная ось ротора параллельна и смещена вниз относительно продольной оси цилиндра так, что ротор своей боковой поверхностью контактирует с внутренней нижней поверхностью цилиндра, образуя снизу вверх направо камеру сгорания, в которую вставлена форсунка, камеру выпуска отработанных газов, имеющую выпускной канал, камеру впуска воздуха, имеющую впускной канал, и камеру сжатия, взаимодействующую с Г-образной накопительной камерой, причем все камеры отделены друг от друга пустотелыми прямоугольными лопастями, а форсунка посредством трубопровода соединена со штуцером насоса высокого давления, кроме того, редуктор содержит корпус, имеющий два отделения, закрытых крышками, в первом из которых на подшипниках установлен ведущий продольный вал с закрепленной на нем ведущей зубчатой шестерней, которая входит в зацепление с двумя ведомыми зубчатыми шестернями, закрепленными на верхнем и нижнем вертикальных валах, установленных в подшипниках корпуса, кроме того, на втором конце ведущего продольного вала закреплен ведущий элемент муфты сцепления, которая размещена во втором отделении корпуса редуктора, а ведомый элемент муфты сцепления прижат пружиной к ведущему элементу и кинематически связан с выходным продольным валом, причем оба продольных вала каждого редуктора соединяют два рядом стоящих роторно-лопастных дизельных двигателя, причем нижний вертикальный вал соединен соответственно с валом насоса высокого давления, а верхний вертикальный вал кинематически соединен с многоступенчатым вентилятором.