ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F02K3/02 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к конструкциям воздушно-реактивных двигателей.

Известен воздушно-реактивный двигатель, содержащий турбокомпрессорную часть с компрессором, камерой сгорания и турбиной, и размещенную перед выходным сопло камеру, имеющую, по меньшей мере, одно окно и заслонки, установленные с возможностью перемещения относительно окна с образованием канала, сообщенного с камерой, для обеспечения поступления в нее атмосферного воздуха на бесфорсажном режиме (см. патент WO 0227177, кл. F02K 1/38, опубл. 04.04.2004).

Недостатки данного двигателя - ограничение функциональных возможностей двигателя, ограниченное число режимов его работы, невозможность работы двигателя при форсаже для создания повышенной тяги этого режима.

Технический результат - расширение функциональных возможностей двигателя и повышение тяги двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что воздушно-реактивный двигатель, содержащий турбокомпрессорную часть с компрессором, камерой сгорания и турбиной, размещенную перед выходным соплом камеру, имеющую, по меньшей мере, одно окно и заслонки, установленные с возможностью перемещения относительно окна с образованием канала, сообщенного с камерой, для обеспечения поступления в нее атмосферного воздуха на бесфорсажном режиме работы, согласно изобретению снабжен расположенным за турбиной и перед камерой сопловым блоком, выполненным с возможностью вращения вокруг своей оси и имеющим, по меньшей мере, два внутренних канала, каждый из которых входом гидравлически сообщен с турбиной, а выходом - с камерой, и имеет профилированные в виде сопел выходные сечения, при этом на форсажном режиме окно камеры закрыто заслонками, и камера работает как форсажная.

На фиг.1 схематично изображен воздушно-реактивный двигатель (продольный разрез) с сопловым блоком и заслонками в положении «закрыто»;

на фиг.2 - воздушно-реактивный двигатель (продольный разрез) с сопловым блоком и заслонками в положении «открыто» и пилонами, расположенными внутри камеры;

на фиг.3 - изображено сечение А-А фиг.2;

на фиг.4 - воздушно-реактивный двигатель (продольный разрез) с сопловым блоком и пилонами, расположенными снаружи камеры (вариант выполнения);

на фиг.5 - изображено сечение Б-Б фиг.4;

на фиг.6 - общий вид двигателя, вариант выполнения окон;

на фиг.7 - общий вид двигателя, вариант расположения камеры относительно турбокомпрессорной части;

на фиг.8 - общий вид двигателя с заслонками в положении «закрыто»;

на фиг.9 - схематично изображен сопловой блок в увеличенном масштабе;

на фиг.10 - изображен вид В фиг.9;

на фиг.11 - изображен вид Г фиг.9.

Воздушно-реактивный двигатель (фиг.1, 2, 4) содержит турбокомпрессорную часть с компрессором 1, турбиной 2 и камерой сгорания 3, а также камеру 4, размещенную перед выходным соплом 5. Камера 4 может быть расположена на расстоянии от турбокомпрессорной части (см. фиг.7) или примыкать к турбокомпрессорной части (см. фиг.6). Выходное сопло 5 крепится к камере 4. За турбиной 2 и перед камерой 4 расположен сопловой блок 6, установленный в подшипниках 7; сопловой блок 6 имеет возможность вращения вокруг своей продольной оси (см. фиг.1, 2, 4).

Сопловой блок 6 (фиг.9) имеет, по меньшей мере, два, например шесть, внутренних каналов 8, симметричных относительно оси вращения соплового блока 6. Каналы 8 (фиг.1, 2, 4) входами (входными сечениями) гидравлически сообщены с турбиной 2, например, через общее сечение 9 (фиг.10), имеющее кольцевую форму на входе газа в сопловой блок 6. Выходы (выходные сечения) каналов 8 выполнены профилированными в виде сопел 10 (см. фиг.11).

Камера 4 имеет, по меньшей мере, одно окно 11 и регулируемые заслонки 12. Регулируемые заслонки 12 имеют возможность перемещения относительно окна 11 с образованием конфузорного (по потоку) канала 13 (фиг.2, 4), сообщенного с камерой 4 через окно 11, для обеспечения поступления в камеру 4 атмосферного воздуха на бесфорсажных режимах работы. Выполнение канала 13 конфузорным обеспечивает образование дополнительной силы тяги двигателя за счет притока атмосферного воздуха и образования на стенках конфузорного канала 13 пониженных статических давлений. Регулируемые заслонки 12 связаны с приводными механизмами 14, выполненными, например, в виде гидроцилиндров с системой управления. При работе двигателя на бесфорсажных режимах приводные механизмы 14 удерживают заслонки 12 в открытом положении (фиг.2, 4).

Для крепления турбокомпрессорной части и камеры 4 двигателя имеются внутренние пилоны 15 (фиг.1, 2, 7), которые могут служить перемычками, образующими окна 11 в камере 4. Как вариант выполнения окна 11 могут быть выполнены на боковой поверхности камеры 4 (фиг.6).

Как вариант выполнения пилоны 16 (фиг.4) могут быть наружными.

Двигатель работает следующим образом.

При работе двигателя на обычных, крейсерских скоростях полета (на бесфорсажных режимах) (фиг.2, 4) приводные механизмы 14 удерживают заслонки 12 в открытом положении с образованием конфузорного канала 13. Через канал 13 и окна 11 в камеру 4 поступает воздух из атмосферы (направление потока воздуха показано на фиг.2, 4 стрелками). Работа турбокомпрессорной части осуществляется по типичной схеме: воздух поступает в компрессор 1, где сжимается, и подается в камеру сгорания 3, куда одновременно подается топливо. Образующиеся продукты сгорания поступают в турбину 2. Газовый поток после расширения в турбине 2 поступает во вращающийся сопловой блок 6. В сопловом блоке 6 газ поступает в общий канал, где, разделяясь, проходит через каналы 8 и поступает в проточный тракт камеры 4 в виде вращающихся струй. Во внутреннем пространстве камеры 4 происходит взаимодействие и передача энергии от газа из соплового блока 6 к атмосферному воздуху, поступающему через открытые окна 11. После камеры 4 поток поступает в сопло 5, из которого истекает в атмосферу. Такой прием позволяет увеличить тягу или снизить расход топлива за счет принципа «присоединения массы».

На режиме форсажа окно 11 (или окна) камеры 4 закрыты заслонками 12. Работа турбокомпрессорной части осуществляется по типичной схеме: воздух поступает в компрессор 1, где сжимается, и подается в камеру сгорания 3, куда одновременно подается топливо. Образующиеся продукты сгорания поступают в турбину 2. Газовый поток после расширения в турбине 2 поступает во вращающийся сопловой блок 6. В сопловом блоке 6 газ поступает в общий канал, где, разделяясь, проходит через каналы 8 и поступает в проточный тракт камеры 4 в виде вращающихся струй. Одновременно в камеру 4 подается топливо (как в обычной форсажной камере). Разделение на несколько потоков газового потока в сопловом блоке 6 улучшает условия смешения газа и топлива в камере 4. После камеры 4 поток поступает в сопло 5, из которого истекает в атмосферу.

Разделение потока на несколько струй в сопловом блоке 6, профилирование выходных сечений 10 и струй, а также собственно вращение соплового блока 6 необходимы для улучшения условий взаимодействия (повышения КПД) энергообмена двух потоков: высоконапорного газа из двигателя и атмосферного воздуха. При этом струи газа приобретают форму «газового шнека» и не вращаются. Последнее достигается тем, что газ, выходящий из соплового блока 6, имеет собственную скорость истечения, вектор которой направлен под углом к оси соплового блока 6 и оси симметрии камеры 4, и приобретает переносную скорость от вращения соплового блока 6. Результирующая скорость отдельных частиц газа направлена вдоль оси камеры 4 и выходного сопла 5.

Благодаря описанному выше процессу формирования газовых потоков происходит их взаимодействие и эффективная передача энергии от потока газа, истекающего из соплового блока 6, атмосферному воздуху с высоким коэффициентом полезного действия (около75%) и минимальными потерями, то есть - с высокой эффективностью.

Собственно вращение соплового блока 6 происходит за счет проходящего через него газа, когда незначительная часть работы расходуется на преодоление вентиляционных потерь и потерь трения в подшипниках 7 и уплотнениях соплового блока 6.

Наружный диаметр D соплового блока 6 выбирается из соотношения D/Dтурб.=0,5-2,0, где Dтурб. - диаметр турбины двигателя.

Увеличение расхода газа за счет поступления атмосферного воздуха при одновременном повышении КПД процесса энергообмена газовыми потоками позволяют увеличить тягу, как это имеет место, например, в эжекторных усилителях тяги, или позволяют снизить удельный расход топлива двигателя.

На бесфорсажном режиме полета данную камеру 4 можно отнести к разновидности так называемого эжекторного усилителя тяги (Ененков В.Г. и др. Авиационные эжекторные усилители тяги, М.: Машиностроение, 1980). Камера 4 в этом случае выполняет роль второго контура двигателя, который, как известно, повышает топливную экономичность путем присоединения дополнительной массы воздуха к основному потоку газа двигателя.

Таким образом, в представленном двигателе совмещены функции двигателя с форсажной камерой, который применяется на высоких скоростях полета, и экономичного двигателя с достаточно высокой степенью двухконтурности, который применяется, обычно, на более низких скоростях полета (до Мп≈1,0).

Воздушно-реактивный двигатель содержит турбокомпрессорную часть с компрессором, камерой сгорания и турбиной, размещенную перед выходным соплом камеру, имеющую, по меньшей мере, одно окно и заслонки, установленные с возможностью перемещения относительно окна с образованием канала, сообщенного с камерой для обеспечения поступления в нее атмосферного воздуха. Двигатель также снабжен расположенным за турбиной и перед камерой сопловым блоком, выполненным с возможностью вращения вокруг своей оси и имеющим, по меньшей мере, два внутренних канала. Каждый из внутренних каналов входом гидравлически сообщен с турбиной, а выходом - с камерой, и имеет профилированные в виде сопел выходные сечения. На форсажном режиме окно камеры закрыто заслонками, и камера работает как форсажная. Изобретение позволяет повысить топливную экономичность двигателя на крейсерских скоростях полета. 11 ил.

Воздушно-реактивный двигатель, содержащий турбокомпрессорную часть с компрессором, камерой сгорания и турбиной, размещенную перед выходным соплом камеру, имеющую, по меньшей мере, одно окно и заслонки, установленные с возможностью перемещения относительно окна с образованием канала, сообщенного с камерой, для обеспечения поступления в нее атмосферного воздуха на бесфорсажном режиме, отличающийся тем, что двигатель снабжен расположенным за турбиной и перед камерой сопловым блоком, выполненным с возможностью вращения вокруг своей оси и имеющим, по меньшей мере, два внутренних канала, каждый из которых входом гидравлически сообщен с турбиной, а выходом - с камерой, и имеет профилированные в виде сопел выходные сечения, при этом на форсажном режиме окно камеры закрыто заслонками, и камера работает как форсажная.