ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F02C3/04 

Изобретение относится к производству газотурбинных двигателей внутреннего сгорания дня использования на всех видах транспорта. Широко применяемые в авиации газотурбинные двигатели - турбореактивные /ТРД/ и турбовинтовые /ТВД/ имеют значительно большую мощность на единицу веса, чем поршневые, и более простую конструктивную схему: осевой или центробежный компрессор закреплен на одном валу с турбиной, а между ними по кольцу расположены камеры сгорания /см. Г.С.Скубачевский. Авиационные газотурбинные двигатели. - М.: Машгиз, 1974 г., рис.1.01/. Однако необходимость высокого качества изготовления всех деталей и соответственно высокая стоимость двигателей, а также более низкий КПД, чем у поршневых, препятствуют их широкому применению на других видах транспорта. Очень высокие обороты на валу двигателя требуют установки дополнительного редуктора, что увеличивает габариты и снижает КПД двигателя.

В качестве прототипа выбран газотурбинный двигатель с возможностью применения на наземных видах транспорта по а.с. №293471, кл. F 02 K 3/00, автор Изотов и др. Двигатель состоит из закрепленных на одном цилиндре осевого и центробежного компрессоров, соединенных воздухопроводом с центробежным компрессором в хвосте двигателя и кольцевой камерой сгорания, в осевой полости которой расположены независимые осевые турбины привода валов переднего и заднего компрессоров и свободная двухступеньчатая турбина на валу отбора мощности.

Недостатком такого двигателя является очень сложная конструкция из трех типов компрессоров и трех независимых осевых турбин. Независимая турбина на валу отбора мощности является последней в каскаде турбин, работающих на привод компрессоров, поэтому будет работать на пониженном давлении рабочих газов, но с большими оборотами, что потребует установки дополнительного редуктора. Система кольцевых и продольных воздуховодов, повернутое вовнутрь выходное сопло от кольцевой камеры сгорания приведут к большим гидравлическим потерям. Утилизация бросового тепла не предусматривается. Все это приводит к высокой стоимости производства и эксплуатации двигателя и его низкому КПД.

Настоящее изобретение направлено на создание газотурбинного двигателя, простого по конструкции и экономичного, для использования на всех видах транспорта.

Поставленная задача решается тем, что в газотурбинном двигателе внутреннего сгорания, содержащем двойной цилиндрический корпус с передней и задней крышками, камеру сгорания, переднюю и заднюю газовые турбины, центробежный компрессор и вал отбора мощности, кольцевая полость между стенками соосно расположенных цилиндров корпуса двигателя и цилиндра камеры сгорания разделена на две конусные полости сужающимся в сторону вала отбора мощности конусом, продольные каналы в стенках которого сообщаются с полостью кольцевой водяной камеры в передней части двигателя через кольцевой затвор и с полостями продольных каналов в стенках цилиндра камеры сгорания, а через отверстия в ее стенках - с полостью камеры сгорания, прилегающая к камере сгорания конусная полость сообщается с атмосферой через отверстия в передней крышке корпуса двигателя и с радиально расположенными полными лопастями спрямляющей решетки в полости камеры сгорания, открытыми в сторону передней центробежной газовой турбины, воздушные продольные каналы на внутренней стороне корпуса двигателя закрыты, а газовые открыты в сторону наружной конусной полости, в которой расположены длинные перья двухперовых лопастей передней газовой турбины, сужающиеся к переднему концу двигателя и соединенные закруглением с короткими широкими перьями частично входящими в полость камеры сгорания, причем внешние и внутренние перья лопастей по отношению к продольной оси развернуты в разные стороны, а внешняя сторона закругленной части лопастей имеет плавные загибы в сторону, противоположную вращению, которые скреплены друг с другом и образуют чашеобразную емкость, закрепленную на конусе полого вала отбора мощности, на внешней стороне которой закреплены лопасти центробежного компрессора, который сообщается с атмосферой через осевой нагнетатель в центре задней осевой турбины и через направляющую решетку в задней крышке и с воздушными продольными каналами на внутренней стороне корпуса двигателя, которые на переднем конце с помощью радиальных отводов и скошенных донышек на их концах сообщаются с полостью передней части камеры сгорания, газовые каналы расположены между воздушными, со стороны компрессора концы их стенок соединены между собой и изогнуты в сторону, противоположную вращению турбины, наружный борт передней крышки входит в зазор между наружным и внутренним цилиндрами корпуса двигателя, скрепляет их и имеет на торце закругленную выемку, а внутренний входит в полость цилиндра камеры сгорания, и имеет с ее стороны сферическую выемку в центральной части, по центру которой закреплена свеча зажигания, перегородка между передней частью конуса и корпусом двигателя образует со стенкой передней крышки кольцевую водяную камеру, а с радиальными отводами - коллектор выхлопных газов от передней газовой турбины, сообщающийся через отверстия в стенках внутреннего цилиндра корпуса с полостью между наружным и внутренним цилиндрами корпуса, далее с задней осевой турбиной, выхлопным коллектором и выхлопным соплом. Задняя крышка корпуса состоит из наружного конусного борта с кронштейнами, которые входят в зазор между цилиндрами корпуса, осевой цилиндрической втулки под подшипники вала отбора мощности, направляющих решеток, в центре для воздуха, снаружи для рабочих газов, лопасти которых направлены в разные стороны, а к кольцевой перегородке между ними закреплена конусная втулка, наружный контур которой соответствует наружному контуру лопастей центробежного компрессора, а внутренний вместе с конусным бортом образует расширяющуюся к центру полость, сообщающуюся через направляющую решетку в стенке задней крышки с лопастями задней газовой турбины, закрепленной на валу отбора мощности, обечайка которой равна зазору между цилиндрами корпуса двигателя и является маховиком, а между ней и осевой втулкой расположено цилиндрическое кольцо, которое разделяет наружные газовые и внутренние воздушные диски лопастей, скошенных к продольной оси двигателя и к лопастям направляющих решеток задней крышки в разные стороны, задний конец внутреннего цилиндра корпуса двигателя находится на задней кромке конусной втулки на задней крышке и скреплен через кронштейны наружного борта задней крышки с конусной втулкой и наружным цилиндром, на котором имеются поперечные щели, скошенные внутрь в сторону задней крышки, в стенках вала отбора мощности и в цилиндрической втулке расположены отверстия, сообщающиеся с полостью центробежного компрессора, концы длинных перьев передней газовой турбины закреплены на цилиндрическом кольце, на задней плоскости конусной втулки закреплена трубка подачи топлива со штуцером на ее конце, входящим в заборную часть центробежного компрессора, в зоне соединения конуса с цилиндром камеры сгорания имеются отверстия, сообщающие полости продольных водяных каналов в обоих цилиндрах с полостью передней газовой турбины, а задняя газовая турбина может быть как осевой, так и центробежной.

На чертежах, на фиг.1 приведен двигатель в сборе, с разрезом по верхней половине; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.4 - схематичный вид отдельной двухперовой лопасти передней газовой турбины.

Двигатель содержит корпус, состоящий из наружного 1 и внутреннего 2 соосно расположенных цилиндров с зазором 3 между ними, внутри которого соосно расположен цилиндр 4, камера сгорания 5. В кольцевой полости между цилиндрами 2 и 4 расположены примыкающие к цилиндру 2 и разделенные радиальными перегородками продольные каналы - воздушные 6 и между ними - газовые 7 для продуктов сгорания, открытые в сторону продольной оси. Перегородки между каналами с задней стороны корпуса двигателя под острым углом перекрывают торцы каналов 7 и изогнуты в сторону, противоположную вращению центробежного компрессора 8. Воздушные каналы 6 сообщаются с полостью компрессора 8 и с полостью в передней части камеры сгорания через отводы 9, днища 10 которых закреплены в камере сгорания под острым углом к стенке цилиндра 4 и открыты в одну сторону. Конус 11 своей узкой частью закреплен к заднему концу цилиндра 4, имеет продольные каналы в стенках, которые сообщаются с полостью водяного коллектора 12, образованного стенкой передней крышки 13, цилиндрами 2 и 11 и кольцевой перегородкой 14, через отверстия 15 и сдвижной кольцевой затвор 16, а также с полостями продольных каналов в стенке цилиндра 4 и через отверстия 17 с полостью камеры сгорания 5. Конус 11 разделяет цилиндрическую полость между цилиндрами 2 и 4 на две конусные полости. Примыкающая к камере сгорания полость сообщается с атмосферой через отверстия 18 в передней крышке 13 и с полостями радиальных лопастей спрямляющей решетки 19 в камере сгорания 5, открытых в сторону передней центробежной газовой турбины 20. В конусной полости, примыкающей к продольным каналам 6 и 7, расположены двухперовые лопасти передней центробежной газовой турбины 20, которые расширяются в сторону заднего конца камеры сгорания 5, заворачиваются расширенной частью на 180° и частично входят завернутым концом в полость камеры сгорания 5. Наружные кромки этих концов закреплены к конусу 21 на конце вала отбора мощности 22, который расположен вместе с подшипниками 23 в полой втулке 24 задней крышки 25. Концы длинных перьев лопастей газовой турбины закреплены на кольце 26. Наружные и внутренние перья каждой лопасти развернуты относительно продольной оси в разные стороны. Внешние стороны закруглений лопастей имеют плавные загибы в сторону, противоположную вращению турбины, сопряжены друг с другом и образуют чашеобразную емкость 27, закрепленную к конусу 21, на внешней стороне которой закреплены лопасти центробежного компрессора 8. Передней стенкой компрессора является конусная втулка 28, закрепленная к кольцевой перегородке 29 между направляющими решетками в стенке задней крышки 25 - наружной для рабочего тела и внутренней для воздуха, лопасти которых направлены в разные стороны. Втулка 28 образует с внутренней стороны вместе с конусным бортом задней крышки расширяющуюся к центру кольцевую полость 30, сообщающуюся с полостью 3 между цилиндрами 1 и 2 и через наружную направляющую решетку в задней крышке 25 с газовыми лопастями задней осевой турбины 31, а с внутренней стороны соответствует контуру лопаток центробежного компрессора 8. Рабочие лопасти турбины 31 равны по диаметрам соответствующим направляющим решеткам в задней крышке 25 и также являются: наружные - газовые, сообщающиеся с выхлопным коллектором 32 и выхлопным патрубком 33, внутренние - воздушные, сообщающиеся с полостью центробежного компрессора 8, а их лопасти развернуты в разные стороны под углом к лопастям направляющих решеток. Обод задней газовой турбины по толщине равен зазору между цилиндрами корпуса и служит маховиком, а вся турбина закреплена к валу отбора мощности 22 посредством ступицы 34. Задний конец цилиндра 2 доходит до задней верхней кромки конусной втулки 28 и через кронштейны 35, закрепленные к ободу задней крышки 25, скрепляются со втулкой 28 и цилиндром 1. На переднем конце цилиндра 2 имеются прямоугольные отверстия 36, по длине передней выхлопной полости 37, образованной конусом 11, отводами 9, кольцевой перегородкой 14 и цилиндром 2, и сообщающейся с кольцевой полостью 3. На перемычках между отверстиями 36 в зазоре 3 закреплены пластинчатые кронштейны 38. В переднюю часть полости камеры сгорания 5 входит внутренний борт передней крышки 13, образованный сферической выемкой по центру крышки, по оси которой закреплена свеча зажигания 39. Осевое отверстие 40 вала отбора мощности 22 доходит до основания конуса 21 на переднем конце вала и сообщается с полостью центробежного компрессора 8 через отверстия 41 в конусе 21, в стенках вала 22 и во втулке 24. В наружном цилиндре 1 имеются поперечные прорези 42, скошенные внутрь к задней части двигателя. В месте сопряжения конуса 11 с цилиндром 4 имеются отверстия 43 для дополнительного ввода воды в полость передней газовой турбины. На задней стенке конусной втулки 28 имеется канавка, в которой проходит трубопровод 44 жидкого топлива к эжектору 45, сообщающемуся с полостью центробежного компрессора 8.

Двигатель работает следующим образом.

Стартер раскручивает вал отбора мощности 22 вместе с закрепленными на его конусе 21 передней центробежной 20 и задней осевой 31 газовыми турбинами и центробежным компрессором 8. Через штуцер 45 в полость компрессора 8 впрыскивается топливо, где оно распыляется и смешивается с воздухом. Топливовоздушная смесь проходит продольные воздушные каналы 6, через отводы 9 попадает в полость камеры сгорания 5, донышками 10 закручивается по ее стенкам и поджигается свечой 39. Горячие газы расширяются, спрямляются лопастями спрямляющей решетки 19, через их полости засасывают воздух и смешиваются с ним, нагревают его, увеличивая объем рабочего тела и снижая температуру, и давят сначала на скошенные внутренние перья лопастей передней центробежной газовой турбины 20, затем по полостям чашеобразной части 27 турбины выбрасываются во внешнюю конусную полость и давят на скошенные в другую сторону внешние перья лопастей газовой турбины. Затем попадают в газовый коллектор 37 через отверстия 36 в цилиндре 2 и между кронштейнами 38 выбрасываются в полость 3, через щели 42 подсасывают наружный воздух, нагревают его и через полость 30 и направляющую решетку в задней крышке 25 давят на скошенные лопасти задней осевой газовой турбины 31. После этого через выхлопной коллектор 32 и выхлопной патрубок 33 выбрасываются в атмосферу. Часть газов попадает в продольные газовые каналы 7, нагревает стенки каналов 6. Проходящий по ним воздух нагревается, распыленное в нем топливо испаряется. Попадая в камеру сгорания 5, горячая газовоздушная смесь во много раз быстрее и полнее сгорает и дает более высокую температуру. Часть закрученного в камере сгорания пламени отклоняется в ее разреженную центральную переднюю часть и поддерживает непрерывность горения смеси. Через отверстия 15 из водяного коллектора 12 в продольные каналы конуса 11 и цилиндра 4 подается вода, которая охлаждает их, испаряется, и перегретый пар через отверстия 17 попадает в высокотемпературную зону горения, где разлагается на водород и кислород, которые сгорают, увеличивают объем рабочих газов и мощность двигателя. В кислородной среде при высокой температуре полностью сгорят все вредные компоненты, оставшиеся после сгорания топлива. Выхлопные газы двигателя становятся экологически чистыми. В зоне соединения конуса 11 с цилиндром 4 имеются отверстия 43, через которые в заднюю широкую часть передней газовой турбины 20 подается вода, которая испаряется, еще раз увеличивает объем рабочего тела и общее давление газов на лопасти передней и задней газовых турбин. Воздух, который засасывается компрессором через отверстия 40 в валу отбора мощности 22 и отверстия 41 в конусе 21 и во втулке 24, охлаждает подшипники 23 и конус 21. Кольцевой цилиндр 26 связывает концы длинных перьев лопастей газовой турбины 20 в единую жесткую систему. Нагреваемый в каналах 6 воздух расширяется и за счет этого ускоряется его движение в сторону камеры сгорания. За счет этого увеличивается КПД центробежного компрессора и объем воздуха, подаваемого в камеру сгорания.

Предлагаемая конструкция двигателя обладает следующими преимуществами.

1. Отсутствие поршневой группы, кривошипно-шатунного механизма, топливно-распределительной системы, системы непрерывного зажигания и других сложных систем, присущих поршневым двигателям, делает предлагаемый двигатель более простым по конструкции и более надежным и позволит снизить расход топлива на обеспечение работы самого двигателя.

2. Обеспечивается очень большой отбор мощности продуктов сгорания топлива за счет использования тепловой энергии на подогрев топливовоздушной смеси.

Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания содержит двойной цилиндрический корпус, камеру сгорания, переднюю и заднюю газовые турбины, центробежный компрессор и вал отбора мощности. Кольцевая полость между корпусом двигателя и соосно расположенным цилиндром камеры сгорания разделена на две конусные полости сужающимся в сторону вала отбора мощности конусом. Продольные каналы в стенках конуса сообщаются с полостью кольцевой водяной камеры и с полостями продольных каналов в стенках цилиндра камеры сгорания, а через отверстия в ее стенках - с полостью камеры сгорания. Прилегающая к камере сгорания конусная полость сообщается с атмосферой и с радиально расположенными полыми лопастями спрямляющей решетки в полости камеры сгорания, открытыми в сторону передней центробежной газовой турбины. Воздушные продольные каналы на внутренней стороне корпуса двигателя закрыты, а газовые открыты в сторону наружной конусной полости, в которой расположены длинные перья двухперовых лопастей передней газовой турбины, сужающиеся к переднему концу двигателя и соединенные закруглением с короткими широкими перьями, частично входящими в полость камеры сгорания. Внешние и внутренние перья лопастей по отношению к продольной оси развернуты в разные стороны. Внешняя сторона закругленной части лопастей имеет плавные загибы в сторону, противоположную вращению. Загибы скреплены друг с другом и образуют чашеобразную емкость, закрепленную на конусе полого вала отбора мощности, на внешней стороне которой закреплены лопасти центробежного компрессора. Центробежный компрессор сообщается с атмосферой через осевой нагнетатель в центре задней осевой турбины и через направляющую решетку в задней крышке и с воздушными продольными каналами на внутренней стороне корпуса двигателя, которые на переднем конце с помощью радиальных отводов и скошенных донышек на их концах сообщаются с полостью передней части камеры сгорания. Газовые каналы расположены между воздушными, со стороны компрессора концы их стенок соединены между собой и изогнуты в сторону, противоположную вращению. Изобретение направлено на повышение экономичности газотурбинного двигателя. 4 ил.

Газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, содержащий двойной цилиндрический корпус с передней и задней крышками, камеру сгорания, переднюю и заднюю газовые турбины, центробежный компрессор и вал отбора мощности, отличающийся тем, что кольцевая полость между корпусом двигателя и соосно расположенным цилиндром камеры сгорания разделена на две конусные полости сужающимся в сторону вала отбора мощности конусом, продольные каналы в стенках которого сообщаются с полостью кольцевой водяной камеры в передней части двигателя через кольцевой затвор и с полостями продольных каналов в стенках цилиндра камеры сгорания, а через отверстия в ее стенках - с полостью камеры сгорания, прилегающая к камере сгорания конусная полость сообщается с атмосферой через отверстия в передней крышке корпуса двигателя и с радиально расположенными полыми лопастями спрямляющей решетки в полости камеры сгорания, открытыми в сторону передней центробежной газовой турбины, воздушные продольные каналы на внутренней стороне корпуса двигателя закрыты, а газовые открыты в сторону наружной конусной полости, в которой расположены длинные перья двухперовых лопастей передней газовой турбины, сужающиеся к переднему концу двигателя и соединенные закруглением с короткими широкими перьями, частично входящими в полость камеры сгорания, причем внешние и внутренние перья лопастей по отношению к продольной оси развернуты в разные стороны, а внешняя сторона закругленной части лопастей имеет плавные загибы в сторону, противоположную вращению, загибы скреплены друг с другом и образуют чашеобразную емкость, закрепленную на конусе полого вала отбора мощности, на внешней стороне которой закреплены лопасти центробежного компрессора, который сообщается с атмосферой через осевой нагнетатель в центре задней осевой турбины и через направляющую решетку в задней крышке и с воздушными продольными каналами на внутренней стороне корпуса двигателя, которые на переднем конце с помощью радиальных отводов и скошенных донышек на их концах сообщаются с полостью передней части камеры сгорания, газовые каналы расположены между воздушными, со стороны компрессора концы их стенок соединены между собой и изогнуты в сторону, противоположную вращению турбины, наружный борт передней крышки входит в зазор между наружным и внутренним цилиндрами корпуса двигателя, скрепляет их и имеет на торце закругленную выемку, а внутренний входит в полость камеры сгорания и имеет с ее стороны сферическую выемку в центральной части, по центру которой закреплена свеча зажигания, перегородка между передней частью конуса и корпусом двигателя образует со стенкой передней крышки кольцевую водяную камеру, а с радиальными отводами - коллектор выхлопных газов от передней газовой турбины, сообщающийся через отверстия в стенках внутреннего цилиндра корпуса с полостью между наружным и внутренним цилиндрами корпуса, и далее - с задней осевой газовой турбиной, выхлопным коллектором и выхлопным соплом, задняя крышка корпуса состоит из наружного конусного борта с кронштейнами, которые входят в зазор между цилиндрами корпуса, осевой цилиндрической втулки под подшипники вала отбора мощности, направляющих решеток в центре для воздуха, по борту для рабочих газов, лопасти которых направлены в разные стороны, а к кольцевой перегородке между ними закреплена конусная втулка, наружный контур которой соответствует наружному контуру лопастей центробежного компрессора, а внутренний вместе с конусным бортом образует расширяющуюся к центру полость, сообщающуюся через направляющую решетку в задней крышке с лопастями задней газовой турбины, закрепленной на валу отбора мощности, обечайка которой равна зазору между цилиндрами корпуса двигателя и является маховиком, а между ней и осевой втулкой расположено цилиндрическое кольцо, которое разделяет наружные газовые и внутренние воздушные диски лопастей, скошенных к продольной оси двигателя и к лопастям направляющих решеток задней крышки в разные стороны, задний конец внутреннего цилиндра корпуса двигателя находится на задней кромке конусной втулки на задней крышке и скреплен через кронштейны наружного борта задней крышки с конусной втулкой и наружным цилиндром корпуса, на котором имеются поперечные щели, скошенные внутрь в сторону задней крышки, в стенках вала отбора мощности и в цилиндрической втулке расположены отверстия, сообщающиеся с полостью центробежного компрессора, концы длинных перьев передней газовой турбины закреплены на цилиндрическом кольце, на задней плоскости конусной втулки закреплена трубка подачи топлива со штуцером на ее конце, входящим в заборную часть центробежного компрессора, в зоне соединения конуса с цилиндром камеры сгорания имеются отверстия, сообщающие полости продольных водяных каналов в обоих цилиндрах с полостью передней газовой турбины, а задняя газовая турбина может быть как осевой, так и центробежной.