ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F02C5/04 

Изобретение относится к турбостроению, в частности к газотурбинным двигателям.

Известен газотурбинный двигатель (см. патент №1524598, кл. 5 F 02 С 5/00 - аналог), включающий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, входные отверстия, выполненные на торцах корпуса 1, в котором установлено двустороннее лопаточное колесо, с расположенными друг над другом компрессорными и турбинными венцами, частично совпадающие входные и выходные секторные окна, выполненные в корпусе, каналы перепуска, выполненные в виде углублений на внутренней поверхности корпуса, размещенные над турбинными венцами. Устройства для подачи топлива размещены между каналами перепуска и концами выходных секторных окон.

В этом газотурбинном двигателе лопаточные венцы компрессоров расположены внутри лопаточных венцов турбин, что ограничивает возможности увеличения диаметра компрессоров и повышение давления воздуха, подаваемого в промежутки между лопатками турбинных венцов. Не используется перепад давления на входных и выходных отверстиях каналов перепуска для создания крутящего момента на лопаточном колесе.

Это снижает удельную мощность газотурбинного двигателя.

Известен газотурбинный двигатель (см. патент №1764374, кл. 5 F 02 С 5/00 - прототип), содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, входные отверстия, расположенные на торцах корпуса, в котором установлено лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, соединенными друг с другом по ходу рабочего тела секторными проходами, размещенными в корпусе. Каналы перепуска, выполненные в корпусе и имеющие расположенные по ходу вращения лопаточного колеса выходные и входные отверстия, частично совмещенные входные и выходные секторные окна, выполненные соответственно в кольцевой обечайке корпуса, примыкающей к внутреннему контуру венца турбинных лопаток и в цилиндрической части корпуса, примыкающие к наружному контуру венца турбинных лопаток. Выходные отверстия каналов перепуска выполнены в виде сопла, топливоподающие устройства установлены в последних. Венцы лопаток компрессора и турбины размещены на периферии лопаточного колеса. Секторные проходы расположены по ходу вращения лопаточного колеса перед выходными отверстиями каналов перепуска. Концы лопаток венцов турбины и компрессора снабжены плоскими бандажами.

Недостатком этого газотурбинного двигателя является низкая удельная мощность. Камеры сгорания слабо заполняются топливовоздушной смесью из-за низкого давления воздуха, в связи с неэффективным использованием его кинетической энергии, создаваемой лопатками компрессорного венца. А также из-за подачи воздуха в промежутки между лопатками турбинного венца в направлении от периферии к центру, т.е. против действия центробежных сил.

Задачей изобретения является повышение удельной мощности путем повышения эффективной работы компрессора и эффективной подачи воздуха в камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что газотурбинный двигатель, содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, входные отверстия, выполненные на торцах корпуса, в котором установлено лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, расположенными на его периферии.

Выполненные в корпусе по ходу вращения лопаточного колеса секторные проходы, каналы перепуска с выходными отверстиями, выполненными в виде сопла с расположенными в них топливоподающими устройствами, и входными отверстиями. За входными отверстиями каналов перепуска расположены выходные секторные окна и частично совмещенные с ними входные секторные окна, выполненные в кольцевой обечайке корпуса и примыкающие к внутреннему контуру венца турбинных лопаток. К наружному контуру венца компрессорных лопаток примыкают улитки, выполненные в корпусе, а к внутреннему контуру венца турбинных лопаток примыкают выходные отверстия, выполненные в кольцевой обечайке, связанные с улитками секторными проходами и каналами, выполненными в корпусе. Выходные отверстия каналов выполнены в виде сопла, в которых установлены топливоподающие устройства.

Снабжение компрессора улитками позволяет повысить давление воздуха за счет его кинетической энергии. Расположение выходных отверстий, выполненных в виде сопла, в кольцевой обечайке, примыкающей к внутреннему контуру венца турбинных лопаток, позволяет осуществлять подачу топливовоздушной смеси от центра к периферии в направлении, совпадающем с направлением действия ценробежных сил.

Все это повышает заполнение камер сгорания топливовоздушной смесью, интенсивность размешивания топлива с воздухом, а следовательно, удельную мощность газотурбинного двигателя.

На фиг.1 изображен газотурбинный двигатель в поперечном разрезе по его оси, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1, на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1 и на фиг.4 - сечение С-С на фиг.1.

Газотурбинный двигатель содержит корпус 1, включающий с левой стороны крышку 2, с правой крышку 3. Внутри крышек 2 и 3 корпуса 1 расположено лопаточное колесо 4 на валу 5, установленное на подшипниках 6 корпуса 1. С левой стороны лопаточное колесо 4 снабжено венцом компрессорных лопаток 7, которым по внутреннему контуру связан с венцом направляющих лопаток 8, выполненных в корпусе 1, а по наружному контуру связан с улитками 9, выполненными в цилиндрической части корпуса 1. Улитки 9 связаны с секторными проходами 10, выполненными в цилиндрической части корпуса 1 плавно переходящими в каналы 11, выполненными в торцевой части корпуса 1 и в его кольцевой обечайке 12. В кольцевой обечайке 12 выполнены в виде сопла выходные отверстия 13, в которые помещены топливоподающие устройства 14. С правой стороны лопаточное колесо 4 снабжена венцом турбинных лопаток 15. К внутреннему контуру венца турбинных лопаток 15 примыкают входные секторные окна 16, выполненные в кольцевой обечайке 12 корпуса 1, к которым по внутренней поверхности примыкает венца компрессорных лопаток 17. К внутренней поверхности венца компрессорных лопаток 17 примыкает наружный контур венца направляющих лопаток 18, выполненный в корпусе 1. К наружному контуру венца турбинных лопаток 15 примыкают выходные секторные окна 19, выполненные в цилиндрической части корпуса 1, и частично совпадающие с входными секторными окнами 16. В промежутках между секторными проходами 10 и выходными секторными окнами 19 венец турбинных лопаток 15 по наружному контуру примыкает к входным отверстиям 20 и к выходным отверстиям 21 каналов перепуска 22, выполненных в корпусе 1. Выходные отверстия 21 выполнены в виде сопла и в них помещены топливоподающие устройства 23. Во входных отверстиях 20 помещены поджигающие устройства 24. Венцы лопаточного колеса 4, компрессорные 7 и 17, турбинные 15 выполнены закрытого типа, т.е. их торцевыми поверхностями являются жестко связанные с лопатками кольца соответственно 25, 26, 27. На торцах корпуса 1 выполнены входные отверстия 28 и 29.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Раскручивается вал 5 лопаточного колеса 4 в подшипниках 6, расположенных в крышках 2 и 3 корпуса 1, по стрелке, указанной на чертеже. Лопатки компрессора 7 начинают вращаться относительно направляющих лопаток 8. Воздух, проходя входные отверстия 28, нагнетается в улитки 9, где его скорость перемещения замедляется, а давление повышается. Из улиток 9 воздух проходит в секторные проходы 10, каналы 11 и сопла выходных отверстий 13. В этих соплах скорость движения воздуха увеличивается в связи с сужением проходного сечения сопла, поэтому он захватывает топливо, поступающее по топливоподающим устройствам 14, и смешивается с ним. Образовавшаяся топливовоздушная смесь поступает в промежутки между лопатками турбинного венца 15, в которых в таком же направлении действуют центробежные силы, и интенсивно перемешивается. При прохождении этих лопаток выходных отверстий 20 топливовоздушная смесь поджигается от устройства для поджигания топлива 24, после чего устройство для поджигания топлива 24 отключается. Горение топливовоздушной смеси сопровождается повышением давления газа, поэтому часть газа поступает по каналам перепуска 22 в сопла выходных отверстий 21, где скорость газа увеличивается в связи с сужающимся проходным сечением сопла. С учетом подачи топлива по топливоподающим устройствам 14 в струю газа попадает топливо из топливоподающих устройств 23 и дальше в промежутки между лопатками газотурбинного венца 15. В этих зонах топливовоздушная смесь, имеющая относительно низкое давление, интенсивно смешивается с топливом и газом, которым и поджигается. В связи с перепадом давления струя газа действует на лопатки турбинного венца, повышает давление между ними и создает крутящий момент на лопаточном колесе 4. От горения топливовоздушной смеси давление между лопатками возрастает. На участках между отверстиями выходными 21 и входными 20 каналов перепуска 22 горение топливовоздушной смеси в промежутках между лопатками турбинного венца осуществляется при постоянном объеме. Если не учитывать зазоры между венцом турбинных лопаток и корпусом 1, по внутреннему контуру венца с кольцевой обечайкой корпуса 1, а по наружному контуру венца с цилиндрической частью корпуса 1. Степень сжатия и давление на этих участках в связи с горением топливовоздушной смеси в таком постоянном объеме существенно возрастают. При дальнейшем следовании этих лопаток турбинного венца начинается их совпадение с входными отверстиями 20. Давление частично падает, потому что часть газа поступает по каналам перепуска 22, повторяя цикл в этом замкнутом кругу. За входными отверстиями 20 каналов перепуска 22, оставшаяся часть газа и топливовоздушной смеси в промежутках между этими лопатками турбинного венца 15, попадает в участки до начала выходных секторных окон 19 с такими же постоянными объемами. Топливовоздушная смесь продолжает гореть в условиях высокой степени сжатия. Образуется давление, от которого реактивная сила также создает крутящий момент на лопаточном колесе 4 при выходе газа через выходные секторные окна 19 и выходные устройства (выходные устройства не показаны) в атмосферу. Реактивная сила по мере перемещения лопаток турбинного венца 15 от начала выходных секторных окон 19 ослабевает, а при подходе этих лопаток к зонам совпадения секторных окон входных 16 и выходных 19 полностью исчезает. В этих местах начинается продувка промежутков между лопатками турбинного венца 15 и их охлаждение.

Продувка осуществляется воздухом, который поступает через входные отверстия 29, направляющие лопатки 18, и нагнетается лопатками компрессорного венца 17 через входные секторные окна 16 на лопатки турбинного венца 15, после чего поток охлаждаемого воздуха выходит через выходные секторные окна 19 и выходные устройства в атмосферу. Поток охлаждаемого воздуха усиливается еще и газом за счет эжекции, так как он также выходит через выходные секторные окна 19 и выходные устройства в атмосферу.

Охлажденные лопатки турбинного венца 15 из зоны секторных окон входных 16 и выходных 19 вновь подходят до выходных отверстий 13, где промежутки между ними вновь заполняются топливовоздушной смесью и цикл повторяется.

Наличие торцевых колец 25, 26, 27 на венцах 7, 17, лопаточного колеса 4 исключает осевое давление на подшипниках 6. Торцевые кольца 25, 26 могут отсутствовать в связи с низким давлением между соответствующими лопатками компрессорных венцов 7 и 17.

Запуск двигателя может осуществляться непосредственно вращением лопаточного колеса 4 за вал 5, в этом случае процесс работы происходит так, как выше изложено в описании, или сжатым воздухом при его подводе к каналам перепуска 22 (подвод воздуха к каналам перепуска 22 не показан). Подобно газу воздух создает давление на лопатки турбинного венца 15 и вращает лопаточное колесо 4. Более того, заполняя промежутки между лопатками турбинного венца 15 через выходное окно 21 канала перепуска 22 и захватывая топливо из топливоподающего устройства 23, он образует топливовоздушную смесь, обеспечивая горение в камерах сгорания.

Выполнение улиток, примыкающих к внешнему контуру компрессорного венца лопаток, преобразовывает кинетическую энергию воздуха, создаваемую этими лопатками, в давление воздуха.

Сопла, выполненные в выходных отверстиях, связанных через каналы и секторные проходы с улитками компрессора, давление воздуха преобразовывают в скорость движения воздуха.

Расположение топливоподающих устройств в этих соплах создает соответствующую подачу топлива в промежутки между лопатками турбинного венца и интенсивное его перемешивание с воздухом.

Выходные отверстия с соплами расположены у внутреннего контура венца турбинных лопаток. Это позволяет осуществлять движение топливовоздушному потоку в направлении от центра к периферии в соответствии с направлением действия центробежных сил.

В целом это повышает заполнение камер сгорания топливовоздушной смесью и качество этой смеси за счет повышения интенсивности перемешивания топлива с воздухом, что существенно увеличивает удельную мощность двигателя.

Повышение заполнений камер сгорания интенсивно перемешанной топливовоздушной смесью существенно повышает степень сжатия особенно при горении топливовоздушной смеси на участках с квази постоянным объемом между отверстиями выходными и входными каналов перепуска, выходными отверстиями каналов перепуска и выходными секторными окнами.

Повышение степени сжатия таким способом позволяет исключить многоступенчатый компрессор и существенно снизить частоту его вращения, что упрощает конструкцию, снижает массу, габариты, повышает надежность работы и компактность газотурбинного двигателя.

Соединение валов газотурбинных двигателей между собой, как из отдельных секций позволяет собрать набор на разную мощность, где один или несколько двигателей в процессе работы могут отключаться или включаться. Мощность, крутящий момент, частота вращения общего вала в таком наборе может изменяться в широком диапазоне.

Одиночные двигатели и их наборы могут найти широкое применение в различных отраслях техники: в авиации, наземном и водном транспортах, стационарных установках, в частности, в летательных аппаратах, автомобилях, локомотивах, двигателях - генераторах.

Газотурбинный двигатель содержит камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, по ходу вращения лопаточного колеса расположенные в корпусе секторные проходы, каналы перепуска с выходными отверстиями, выполненными в виде сопла, с установленными в них топливоподающими устройствами и входными отверстиями. За выходными отверстиями расположены выходные секторные окна и совмещенные с ними входные секторные окна, выполненные в кольцевой обечайке корпуса и примыкающие к внутреннему контуру венца турбинных лопаток. В корпусе выполнены улитки, примыкающие к наружному контуру компрессорного венца лопаток. К внутреннему контуру венца турбинных лопаток примыкают выходные отверстия, выполненные в кольцевой обечайке, связанные с улитками секторными проходами и каналами, выполненными в корпусе. Выходные отверстия каналов выполнены в виде сопла, в которых расположены топливоподающие устройства. Изобретение направлено на повышение удельной мощности путем повышения эффективности работы компрессора и камер сгорания. 4 ил.

Газотурбинный двигатель, содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, по ходу вращения лопаточного колеса расположенные в корпусе секторные проходы, каналы перепуска с выходными отверстиями, выполненными в виде сопла, с установленными в них топливоподающими устройствами и входными отверстиями, за которыми расположены выходные секторные окна и совмещенные с ними входные секторные окна, выполненные в кольцевой обечайке корпуса и примыкающие к внутреннему контуру венца турбинных лопаток, отличающийся тем, что в корпусе выполнены улитки, примыкающие к наружному контуру компрессорного венца лопаток, а к внутреннему контуру венца турбинных лопаток примыкают выходные отверстия, выполненные в кольцевой обечайке, связанные с улитками секторными проходами и каналами, выполненными в корпусе, выходные отверстия каналов выполнены в виде сопл, в которых расположены топливоподающие устройства.