ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F02C5/04 

Изобретение относится к турбостроению, в частности к газотурбинным двигателям.

Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, ПВРД, (см. Максай А.В. и Полянский Н.И. Военное издательство Военного Министерства Союза ССР. Москва - 1950. Теория авиационных двигателей, стр.352, фиг.220 - аналог). Этот двигатель содержит по ходу движения рабочего тела входное, топливоподающее и поджигающее устройства, камеру сгорания и сопло, установленные на летательном аппарате. Работает такой двигатель без компрессора за счет торможения встречного потока воздуха. Воздух используется для образования рабочей смеси. Давление напора воздуха используется для сжатия смеси в камере сгорания и создания реакции силы тяги - реактивной силы, возникающей при выходе продуктов сгорания из сопла. Недостатками такого двигателя являются неработоспособность на месте и неэффективная его работа на малых скоростях полета из-за низкого давления рабочего тела в открытой камере сгорания, что существенно ограничивает его применение.

Известен газотурбинный двигатель (см. патент 1764374. К. F02С 5/00 - прототип), содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, входные отверстия, расположенные на торцах корпуса, в котором установлено лопаточное колесо с компрессорными и турбинными венцами, соединенными друг с другом по ходу рабочего тела секторными проходами, размещенными в корпусе. Каналы перепуска выполнены в корпусе и имеют расположенные по ходу вращения лопаточного колеса входные и выходные отверстия, частично совмещенные отверстия 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 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.

Недостатками этого газотурбинного двигателя являются сложность конструкции, большие гидравлические потери из-за поворотов рабочего тела в процессе движения, снижающие удельную мощность, и узкие функции двигателя.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, снижение гидравлических потерь и увеличение удельной мощности, расширение функций двигателя.

Поставленная задача достигается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, входные отверстия, расположенные на торцах корпуса, в котором установлено лопаточное колесо, примыкающее наружным контуром венцов к цилиндрической части корпуса, в которой выполнены каналы перепуска с входными отверстиями и выходными отверстиями, выполненными в виде сопла, входные отверстия, выходные секторные окна, частично совмещенные с отверстиями, выполненными в кольцевых обечайках корпуса, примыкающих к внутреннему контуру венцов лопаточного колеса , согласно изобретению в цилиндрической части корпуса выполнены в виде диффузоров входные отверстия каналов прямого перепуска, за ними по ходу вращения лопаточного колеса расположены выходные секторные окна и входные отверстия, связанные с выполненными диффузорами, в которые установлены выходные отверстия каналов прямого перепуска, выполненные в виде сопла с установленными в них топливоподающими устройствами, расположены каналы перепуска с входными и выходными отверстиями и выполнены выходные отверстия, а между входными отверстиями и каналами перепуска расположены топливоподающие устройства. Это позволяет упростить конструкцию, уменьшить гидравлические потери и увеличить удельную мощность двигателя.

Расширение функций двигателя достигается тем, что выполнены выходные отверстия в цилиндрической части корпуса между выходными отверстиями и входными отверстиями каналов прямого перепуска и между последними и каналами перепуска в кольцевой обечайке, выходные отверстия снабжены регуляторами потока газа и соплами, направленными параллельно ходу воздуха в диффузорах и под углом к этому направлению, входные отверстия в торцах корпуса снабжены диффузорами, направленными так же, как и диффузоры, связанные с входными отверстиями, в каналах прямого перепуска установлены регуляторы потока газа, между входными отверстиями и каналами перепуска расположены топливоподающие устройства, а каналы перепуска снабжены выходными отверстиями, выполненными в виде сопла, направленными против вращения лопаточного колеса, и регуляторами перевода потока газа в сопла отверстий прямого или обратного направления.

На фиг.1,3 схематично изображен газотурбинный двигатель, в разрезе по его продольной оси А-А, на фиг.2, 4 - в поперечных разрезах по Б-Б, на фиг.5 выполнен вид В и на фиг.6 показаны каналы перепуска с соплами выходных отверстий прямого и обратного направления. Повторяющиеся позиции одинаковых деталей показаны не на всех чертежах. Конструкция двигателя симметрична относительно плоскости, перпендикулярной оси, проходящей через его центр.

Газотурбинный двигатель содержит корпус 1, включающий крышки 2 и 3 цилиндрической формы, на торцах которых в центральной части выполнены входные отверстия 4 и кольцевые обечайки 5 с отверстиями 6. Лопаточное колесо 7 с лопатками 8 на валу 9 с подшипниками 10, установленное в корпусе 1. Венцы лопаточного колеса 7 по внутреннему контуру примыкают к обечайкам 5, а по наружному - к цилиндрической части корпуса 1. На торцах венцов лопаточного колеса 7 закреплены плоские бандажные кольца 11, закрывающие с боковых сторон промежутки между лопатками 8 камер сгорания 12. Каналы прямого перепуска 13 с входными отверстиями 14, выполненными в цилиндрической части корпуса 1 в виде диффузоров. Выходные отверстия 15 каналов прямого перепуска 13 выполнены в виде сопла, в них установлены топливоподающие устройства 16. По ходу вращения лопаточного колеса 7, по указанной стрелке, в цилиндрической части корпуса 1 расположены после входных отверстий 14 выходные секторные окна 17, совпадающие с отверстиями 6, которые частично продлены по ходу лопаточного колеса 7 относительно этих выходных секторных окон 17. Входные отверстия 18, связанные с выполненными диффузорами 19, в которые установлены сопла выходных отверстий 15 каналов прямого перепуска 13. Каналы перепуска 20, выходные отверстия которых направлены по ходу вращения лопаточного колеса. Поджигающие устройства 21, расположенные перед каналами перепуска 20. Выходные отверстия 22. Топливоподающие устройства 23, установленные в кольцевых обечайках 5, между входными отверстиями 18 и поджигающими устройствами 21. Топливоподающие устройства могут быть установлены, напротив, в цилиндрической части корпуса 1, а каналы перепуска 20 могут быть продлены в сторону выходных отверстий 22.

В газотурбинном двигателе, показанном на фиг.3, 4 и фиг.5, за выходными отверстиями 22 по ходу вращения лопаточного колеса 7 расположены выходные отверстия 24. Выходные отверстия 22, 24 снабжены регуляторами газового потока соответственно 25, 26 и соплами, из них сопла выходных отверстий 22 направлены в сторону движения воздуха в диффузорах 19, а сопла выходных отверстий 24 направлены под углом к этому направлению. Входные отверстия 4 связаны с выполненными диффузорами 27, направленными так же, как и диффузоры 19. В кольцевых обечайках 5 между каналами перепуска 20 и входными отверстиями 14 каналов прямого перепуска 13 выполнены выходные отверстия 28. Эти выходные отверстия 28 связаны с соплами 29 и 30. Сопла 29 и 30 снабжены регуляторами газового потока соответственно 31 и 32. В каналах прямого перепуска 13 установлены регуляторы 33. Выходные отверстия каналов перепуска 20 (фиг.6) выполнены в виде сопла, направлены против вращения лопаточного колеса 7 и снабжены регуляторами 34, установленными на шарнирах 35 перевода потока газа, как в сопла отверстий, направленных по ходу, так и в сопла отверстий, направленных против хода лопаточного колеса 7. На торцах корпуса 1 выполнены вентиляционные отверстия 36.

Газотурбинный двигатель работает следующим образом.

Раскручивается лопаточное колесо 7 (фиг.1, 2) по указанной стрелке. Воздух через диффузоры 19 поступает во входные отверстия 18 и дальше в камеры сгорания 12. Под действием центробежных сил в камеры сгорания 12 воздух поступает и через входные отверстия 4, отверстия 6 и выходит через выходные секторные окна 17. После прохода лопатками 8 секторных окон 17 отверстия 6 остаются еще открытыми из-за их относительного продления, поэтому воздух еще продолжает нагнетаться в камеры сгорания 12 до полного прохода лопатками 8 отверстий 6. Давление воздуха в камерах сгорания 12 возрастает, но оно остается меньше напора потока, проходящего через входные отверстия 18. При прохождении камерами сгорания 12 топливоподающих устройств 23 воздух смешивается с топливом, образуя топливовоздушную смесь, которая поджигается устройствами 21. При горении топлива давление в камерах сгорания повышается, часть газа в обратном направлении через каналы перепуска 20 переходит в следующие камеры сгорания 12, повышает в них степень сжатия смеси и ее поджигает. После поджигания смеси горение ее становится постоянным, поэтому поджигающие устройства 21 отключаются. Циркуляция газа через каналы перепуска 20, проходя через сопла на выходе из него, создает давление на лопатки 8 в сторону их движения. В удлиненном варианте каналов перепуска 20 газ в эти каналы поступает из камер сгорания 12, где топливо сгорело и образовалось максимальное давление газа, что в большей мере должно повышать эффективность горения топлива. Точная длина каналов перепуска 20 может быть определена экспериментально. После каналов перепуска 20 камеры сгорания 12 совпадают с выходными отверстиями 22. Газ выходит через них под давлением, образуя реактивные силы, приложенные к лопаточному колесу 7, которые создают крутящий момент на валу 9. В камерах сгорания 12 после их прохождения выходных отверстий 22 остается газ с пониженным давлением, который не использован для образования крутящего момента на валу 9. Он под действием центробежных сил нагнетается из камеры сгорания 12 при совпадении их с входными отверстиями 14 в эти отверстия - диффузоры. Дальше по каналам прямого перепуска 13 газ поступает в сопла выходных отверстий 15. На выходе из них создается эжекция, где кинетической энергией потока газа происходит нагнетание в камеры сгорания 12 воздуха, проходящего диффузоры 19, и топлива из топливоподающих устройств 16. Цикл запуска и принудительное вращение вала 9 на этом заканчиваются. Топливоподающие устройства 23 могут отключаться или оставаться включенными в зависимости от подачи топлива топливоподающими устройствами 16. В следующих циклах подогретое топливо в выходных отверстиях 15 в интенсивно перемешанном виде с воздухом и газом заполняет камеры сгорания 12. Газ, оставшийся в камерах сгорания 12, после прохождения входных отверстий 14 каналов прямого перепуска 13 вместе с воздухом, поступающим через входные отверстия 4 и отверстия 6, вытесняется центробежной силой через выходные секторные окна 17. Происходит продувка и охлаждение камер сгорания 12 воздухом, который после прохождения секторных окон 17 продолжает нагнетаться в них. Величина давления воздуха в камерах сгорания 12 определяется совпадением отверстий 6 с выходными секторными окнами 17, таким, чтобы не препятствовать поступлению в камеры сгорания 12 смеси газа, воздуха и топлива через входные отверстия 18. Поступление такой смеси через входные отверстия 18 осуществляет и дополнительное охлаждение камер сгорания 12, так как температура газа, воздуха и топлива ниже температуры в камерах сгорания 12 при их заполнении.

В газотурбинном двигателе (фиг.3, 4, 5 и 6) газ с высоким давлением из камер сгорания 12 выходит через сопла выходных отверстий 22, 24 в цилиндрической части корпуса 1 по наружному контуру венцов лопаточного колеса 7. Через выходные отверстия 28 и сопла 29, 30 по внутреннему контуру. Величина окружной скорости на внутреннем контуре значительно меньше, чем на наружном контуре. Это влияет на реактивные силы, приложенные к лопаточному колесу 7, возникающие от движения потока газа в соплах 22, 24 и в соплах 29, 30. Величина реактивных сил зависит и от величины нагрузки на вал 9. С увеличением такой нагрузки окружная скорость вращения лопаток 8 уменьшается, разница между этой скоростью и скоростью истечения газа из сопла увеличивается, соответственно увеличиваются и реактивные силы. Управление реактивными силами в направлениях, определяемых соплами, осуществляется регуляторами потока газа по наружному контуру 25, 26 и по внутреннему контуру 31, 32. Количество воздуха, поступающего через диффузоры 19, подаваемого эжекцией через входные отверстия 18 в камеры сгорания 12, устанавливается регуляторами потока газа 33 в каналах прямого перепуска 13 в сочетании с другими регуляторами, устанавливающими потоки газа в соплах 22, 24 и 29, 30. Для увеличения подачи воздуха регуляторами 33 каналы прямого перепуска 13 открываются больше, а другие регуляторы соответственно закрываются, уменьшая расход газа через действующие, не перекрытые, сопла. При большом встречном потоке воздуха, поступающего через диффузоры 19 и 27, обеспечивающего нормальное давление в камерах сгорания 12, каналы прямого перепуска регуляторами 33 могут быть полностью перекрыты. В этих случаях через входные отверстия 18 в камеры сгорания 12 поступает только воздух, без газа. Если его давление в камерах сгорания 12 понизится, то все равно степень сжатия будет нормальной из-за поступления большего количества газа через каналы перепуска 20. Если нагрузка на вал 9 окажется низкой, окружная скорость вращения лопаток 8 высокой и разница скоростей окружной и выхода газа из сопла станет небольшой, не достаточной для образования необходимых реактивных сил, то в таких случаях поворотом регуляторов 34 на шарнирах 35 сопла выходных отверстий каналов перепуска 20, направленных по ходу вращения лопаточного колеса 7, закрываются, а сопла выходных отверстий, направленных против вращения лопаточного колеса 7, открываются. Потоки газа, проходящие через каналы перепуска 20, начнут давить на лопатки 8 против их движения и уменьшать окружную скорость лопаточного колеса 7. Реактивные силы из-за увеличения указанной разницы скоростей начнут увеличиваться. Охлаждение двигателя осуществляется контактом лопаточного колеса 7 с воздухом и через вентиляционные отверстия 36.

Таким образом, конструкция двигателя упрощается тем, что выполнены каналы прямого перепуска для нагнетания воздуха и топлива в камеры сгорания. Удельная мощность двигателя повышается снижением гидравлических потерь, циркуляцией неиспользованного газа в направлении движения рабочего тела. Энергия газа повышается при входе в каналы прямого перепуска центробежной силой, а на выходе из них путем эжекции преобразовывается в нагнетание воздуха и топлива в камеры сгорания. Удельная мощность повышается и за счет использования энергии потока воздуха, поступающего в диффузоры двигателя. Направление вращения лопаточного колеса совпадает с направлением движения встречного потока воздуха, скорость которого возрастает в диффузорах. Лобовое сопротивление встречного потока воздуха растет примерно в квадрате скорости его движения. Составляет такое лобовое сопротивление лопаточное колесо. От действия потока воздуха камеры сгорания с меньшей затратой энергии более интенсивно заполняются воздухом, в том числе и проходящим через диффузоры, связанные с входными отверстиями в торцах корпуса.

Расширение функций двигателя достигается тем, что увеличено количество выходных отверстий с соплами, выполненными в цилиндрической части корпуса и в кольцевых обечайках, направленными по ходу воздуха в диффузорах и под углом к этому направлению. Установка регуляторов потока газа позволяет создавать необходимые режимы работы двигателя в различных положениях и условиях. Расположение топливоподающих устройств между входными отверстиями, выполненными в цилиндрической части корпуса, и каналами перепуска позволяет использовать различные виды топлива, повысить надежность запуска и работы двигателя.

Газотурбинный двигатель может применяться в различных областях, в том числе в авиации, наземном, водном транспортах. В частности, в стационарных установках, автомобилях, тракторах, в транспортных средствах типа на воздушной подушке, снегоходах, катерах. В воздушном транспорте, на самолетах, особенно турбовинтовых, где нагрузкой на вал двигателя является вращение винта самолета, которое выгодно сочетается с образованием реактивных сил тяги. Такое же сочетание возможно и на вертолетах. Самолет с таким двигателем при полете по горизонтальной траектории сможет понижать скорость полета без изменения высоты, а взлетать и приземляться на небольшие участки, что ко всему повышает и безопасность полета.

По аналогии этого двигателя с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, ПВРД, можно считать, что реактивная сила Р его определяется уравнением 1, а скорость потока газа в соплах уравнением 2.

 G - секундный расход топлива; V_г - скорость потока газа в соплах;1.V_o - окружная скорость лопаточного колеса; g - ускорение силы тяжести;2.Т_z - температура в камерах сгорания; Т_о - температура окружающей среды; К - коэффициент, учитывающий потери скорости в двигателе.

Из первого уравнения следует, что при V_o, равной нулю, лопаточное колесо не вращается и реактивные силы тяги равны нулю. Максимальное значение реактивных сил тяги создается при значении V_o, находящейся в интервале V_г>V_o>0. Отношения T_z/Т_о имеют высокие значения, потому что горение топлива происходит при высокой степени сжатия горючей смеси, при постоянном объеме, в закрытых камерах сгорания, и достаточном их охлаждении. Потери скорости в двигателе незначительны, поэтому коэффициент К близок к единице. Из второго уравнения следует, что скорость газов в соплах по условиям прохождения рабочего процесса в двигателе значительно превышает окружную скорость вращения лопаточного колеса. Разницу этих скоростей увеличивает нагрузка на валу двигателя. В отличие от ПВРД предлагаемый двигатель на месте может создавать крутящий момент, реактивные силы и иметь повышенные характеристики, в том числе и на малых скоростях полета при установке его в летательных аппаратах.

Газотурбинный двигатель содержит камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, установленное в корпусе лопаточное колесо, примыкающее наружным контуром венцов к цилиндрической части корпуса. Входные отверстия расположены на торцах корпуса. Каналы перепуска выполнены с расположенными по ходу вращения лопаточного колеса отверстиями входными и выходными, выполненными в виде сопла. Выходные секторные окна частично совпадают с отверстиями, выполненными в кольцевых обечайках корпуса, примыкающих к внутреннему контуру венцов лопаточного колеса. В цилиндрической части корпуса по ходу вращения лопаточного колеса выполнены входные отверстия каналов прямого перепуска. Там же расположены выходные секторные окна, входные отверстия, связанные с выполненными диффузорами, в которые установлены выходные отверстия каналов прямого перепуска, выполненные в виде сопла, с установленными в них топливоподающими устройствами, расположены каналы перепуска с входными и выходными отверстиями и выполнены выходные отверстия. Между входными отверстиями и каналами перепуска установлены топливоподающие устройства. Изобретение направлено на снижение гидравлических потерь, увеличение удельной мощности. 2 з.п ф-лы, 6 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, входные отверстия, расположенные на торцах корпуса, установленное в нем лопаточное колесо, примыкающее наружным контуром венцов к цилиндрической части корпуса, в которой выполнены входные отверстия, каналы перепуска с отверстиями, расположенными по ходу вращения лопаточного колеса, входными и выходными, выполненными в виде сопла, частично совпадающие выходные секторные окна с отверстиями, выполненными в кольцевых обечайках корпуса, примыкающих к внутреннему контуру венцов лопаточного колеса, отличающийся тем, что в цилиндрической части корпуса по ходу вращения лопаточного колеса выполнены входные отверстия каналов прямого перепуска, расположены выходные секторные окна, входные отверстия, связанные с выполненными диффузорами, в которые установлены выходные отверстия каналов прямого перепуска, выполненные в виде сопла, с установленными в них топливоподающими устройствами, расположены каналы перепуска с входными и выходными отверстиями и выполнены выходные отверстия, а между входными отверстиями и каналами перепуска установлены топливоподающие устройства.2. Двигатель по п.1,отличающийся тем, что выполнены выходные отверстия в цилиндрической части корпуса между выходными отверстиями и входными отверстиями каналов прямого перепуска и между последними и каналами перепуска в кольцевых обечайках, выходные отверстия снабжены регуляторами потока газа и соплами, направленными по ходу воздуха в диффузорах, связанных с входными отверстиями, и под углом к этому направлению, входные отверстия на торцах корпуса снабжены диффузорами, направленными так же, как и диффузоры, связанные с входными отверстиями, в каналах прямого перепуска установлены регуляторы потока газа, а на торцах корпуса выполнены вентиляционные отверстия.3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что в каналах перепуска выполнены выходные отверстия в виде сопла, направленные против хода вращения лопаточного колеса, и установлены регуляторы перепуска потока газа в эти отверстия и в выходные отверстия с соплами каналов перепуска, направленными по ходу вращения лопаточного колеса.