ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F02C7/06 F01D25/16 

Изобретение относится к газотурбинным реактивным двигателям и может быть использовано в качестве двигательной установки воздушно-космических систем (ВКС).

Известен газотурбинный двигатель (ГТД) с ротором барабанно-дискового типа, где лопатки компрессора и турбины закреплены на наружной поверхности дисков ротора (см. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели, 1974, с.56). Недостатком этого двигателя является большой вес, обусловленный прежде всего большим весом дисков, из-за чего он до сих пор не использовался в ВКС.

Известен ГТД с концентрическими противовращающимися роторами, где один из роторов барабанного типа, без дисков, имеет лопатки компрессора и турбины на своей внутренней поверхности (см. там же, с.55). Лопатки такого ротора испытывают напряжение от центробежных сил на сжатие, а не на растяжение, что делает возможным изготовлять их более тонкими и легкими. Однако, сам по себе, ротор барабанного типа испытывает значительную нагрузку от центробежных сил на растяжение, что не позволяет достигать высоких скоростей вращения из-за опасности разрыва, снижает производительность компрессора и тягу двигателя.

Задачей настоящего изобретения является повышение производительности компрессора и тяги двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в ГТД, содержащем барабанный ротор с лопатками компрессора и турбины на внутренней поверхности, опоры ротора выполнены в виде подшипников скольжения, рабочие полости которых расположены между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью неподвижного корпуса, охватывающего ротор, причем в качестве смазки подшипников используется криогенная жидкость или газ, например жидкий воздух или охлажденный сжатый воздух, а наружная поверхность ротора выполнена из материала, прочность которого повышается под воздействием криогенной смазки.

Давление криогенной смазки снаружи на барабанный ротор противодействует растягивающим центробежным силам, а низкая температура способствует повышению прочности материала ротора. Как известно, прочность большинства материалов повышается с понижением температуры. Особого внимания заслуживают сплавы алюминия, прочность которых при глубоком охлаждении повышается в 2-3 раза без увеличения хрупкости.

Повышение прочности барабанного ротора под воздействием криогенной смазки позволяет увеличить скорость вращения ротора и соответственно повысить производительность компрессора и тягу двигателя.

Здесь необходимо отметить, что потери на трение и износ в подшипниках скольжения в режиме жидкостного трения и, тем более, в газовых подшипниках, не выше, чем в подшипниках качения (см. Сидоренко А.А. Конструирование и проектирование гидрогазостатических опор, 1996, с.8).

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого газотурбинного двигателя. На фиг.2 показан увеличенный фрагмент ротора с подшипником скольжения. На фиг.3 изображен другой возможный вариант двигателя с одноступенчатым вентилятором.

Двигатель содержит барабанный ротор 1 (закрашен сплошным черным цветом) с лопатками компрессора 2 и турбины 3 на внутренней поверхности. Ротор установлен внутри корпуса 4 с помощью цилиндрического 5 и конического 6 подшипников скольжения. В рабочей полости подшипников 7 между ротором и корпусом циркулирует криогенная смазка - охлажденный сжатый или жидкий воздух.

Зазор в цилиндрическом подшипнике скольжения должен быть достаточен для того, чтобы при расширении барабанного ротора под воздействием центробежных сил не происходило заклинивания. Конструкция современных гидрогазостатических и гидрогазодинамических подшипников скольжения, уже давно применяемых в машиностроении, позволяет избежать заклинивания и биения ротора.

В корпусе расположен трубопровод системы охлаждения 8, где в качестве хладагента используется криогенное горючее - жидкий водород.

Полый статор 9 с направляющими лопатками 10 на наружной поверхности расположен внутри ротора. Статор прикреплен к корпусу с помощью стоек 11, через которые проходит трубопровод для подачи горючего в камеру сгорания 12. Имеются также входное устройство 13, форсажная камера 14 и сопло 15.

Характерной особенностью настоящего двигателя является то, что благодаря отсутствию дисков и узлов подшипников качения центральная часть двигателя освобождается и здесь в полости статора можно расположить дополнительный прямоточный контур 16. При этом лобовая тяга двигателя увеличивается за счет увеличения площади сечения для прохождения воздуха.

Ракетно-турбинный вариант двигателя, изображенный на фиг.3, содержит одноступенчатый вентилятор 17, приводимый в действие турбиной 18 от ракетного газогенератора 19. В центральной полости расположен ракетный двигатель 20. Камера сгорания воздушного контура 21 служит для дожигания продуктов газогенератора.

Настоящий газотурбинный двигатель работает следующим образом. При запуске в систему охлаждения поступает горючее - жидкий водород. При этом происходит глубокое охлаждение или сжижение воздуха в полости подшипников скольжения. Охлаждение наружной поверхности ротора способствует его упрочнению. Далее осуществляется раскрутка ротора, сжатие воздуха в компрессоре, горение и все процессы, характерные для реактивных газотурбинных двигателей. При достижении скоростей полета свыше 3М ротор переводится в режим авторотации и двигатель начинает работать в прямоточном режиме.

Конструкция барабанного ротора с рабочими лопатками на внутренней поверхности, испытывающими напряжение на сжатие (а не на растяжение), позволяет изготовлять лопатки компрессора из легких композиционных материалов, а лопатки турбины из жаропрочной керамики.

Простота конструкции, небольшой вес и высокая лобовая тяга, характерные для предлагаемого двигателя, делают его наиболее пригодным для использования на ВКС.

Газотурбинный двигатель содержит барабанный ротор с лопатками компрессора и турбины на его внутренней поверхности. Опоры ротора выполнены в виде подшипников скольжения, рабочие полости которых расположены между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, охватывающего ротор. В качестве смазки подшипников используется криогенная жидкость или газ. Наружная поверхность ротора выполнена из материала, прочность которого повышается под воздействием криогенной смазки. Изобретение позволяет повысить производительность компрессора и тягу двигателя за счет повышения прочности барабанного ротора. 3 ил.

Газотурбинный двигатель, содержащий барабанный ротор с лопатками компрессора и турбины на внутренней поверхности, отличающийся тем, что опоры ротора выполнены в виде подшипников скольжения, рабочие полости которых расположены между наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса, охватывающего ротор, причем в качестве смазки подшипников используется криогенная жидкость или газ, а наружная поверхность ротора выполнена из материала, прочность которого повышается под воздействием криогенной смазки.