ТУРБОДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК F02K3/00 F04D27/02 F01D5/14 

Изобретение относится к турбореактивным двигателям (ТРД) и газотурбинным двигателям (ГТД), а также газовым осевым компрессорам и паровым турбинам.

Известные ТРД, см., например, пат. России 2067683 или 1763695, состоящие из осевого компрессора, камеры сгорания, турбины, форсажной камеры и сопла. Компрессор двигателя склонен к возникновению помпажа при переходных режимах. Предположительно, одной из причин, ускоряющих развитие помпажа, является разность давлений на периферии ступени, где окружная скорость лопаток больше, и вблизи ротора, где эта скорость меньше, то есть на периферии лопатки работают эффективнее, и создаваемое ими давление больше, причем намного. Возможно, вследствие этого возникает радиальный переток воздуха в зону с меньшим давлением, переходящий во встречный поток в околороторной зоне, что ускоряет срыв обтекания лопаток.

Второй возможной причиной ускорения помпажа является наличие пограничного слоя у поверхности ротора и около поверхности наружной обечайки двигателя, где скорость потока меньше.

Все приведенные ниже технические решения имеют целью улучшения противопомпажных качеств, улучшения приемистости, повышение надежности, а изобретение 4, кроме того, еще и получение нового качества двигателя - его способность работать в пограничном слое в хвостовой оконечности фюзеляжа.

Все варианты турбодвигателя содержат компрессор, камеру сгорания, турбину, реактивное сопло и, возможно, второй контур.

Изобретение 1. Так как мы не можем увеличить эффективность лопаток в околороторной (прикорневой) зоне, то для уменьшения упомянутой разницы давлений надо уменьшить эффективность лопаток на периферии. Для выравнивания давлений по сечению ступени компрессора одна, несколько или все ступени компрессора имеют лопатки, сужающиеся к периферии, в частности, до нуля и/или имеющие на периферии меньший шаг, и/или имеющие меньшую высоту, считая от ротора, то есть меньший диаметр венца, чем диаметр статора, но имеющие высоту, не меньшую, чем толщина пограничного слоя (здесь и далее «шаг» - расстояние, на которое лопатка ввинчивается в продольном направлении за один оборот, а высота лопатки - разность между радиусом венца и радиусом ротора).

Например, двигатель может иметь добавочную облегченную ступень с лопатками, имеющими в плане в развернутом виде форму треугольника, то есть сужающимися к периферии почти до нуля. Оптимальное место для такой ступени - ближе ко входу компрессора, то есть вторая или третья.

Или же двигатель может иметь все ступени с лопатками, имеющими в плане в развернутом виде форму трапеции. В этом случае двигатель также будет иметь количество ступеней компрессора на одну или две больше, чем обычно. Но поскольку лопатки будут легче, общий вес двигателя не изменится или даже уменьшится.

А надежность, приемистость и противопомпажные качества этого двигателя существенно возрастут.

Или же двигатель может иметь одну или две ступени с лопатками, имеющими высоту, равную 60, 50, 40% от максимально возможной в данном диаметральном сечении.

Изобретение 2. Выровнять давление по сечению ступени компрессора можно и другим способом - перепуская воздух из периферийной зоны повышенного давления в околороторную зону с пониженным давлением по полым лопаткам неподвижного направляющего аппарата или по полым лопаткам венца компрессора. Для этого полые лопатки направляющего аппарата или венца компрессора, через которые выравнивают давление по сечению ступени компрессора, перепуская воздух из периферийной зоны повышенного давления в околороторную зону с пониженным давлением, имеют на периферийной части отверстия или щели, расположенные на передней кромке или на вогнутой стороне профиля лопатки, а на околороторной части имеют отверстия или щели, расположенные на задней кромке или на выпуклой стороне профиля лопатки.

При этом при рассмотрении вопроса о целесообразности такого перепуска через полые лопатки венца следует учесть центробежную силу, действующую на воздух внутри вращающейся лопатки. Она может оказаться больше разницы давлений на периферии венца и вблизи ротора.

Изобретение 3. Для предупреждения инициации срыва потока в зоне пограничного слоя, движущегося с меньшей скоростью, лопатки компрессора и/или турбины имеют на периферии и/или околороторной частях на длине, соответствующей толщине пограничного слоя, плавно уменьшающийся шаг, чтобы не провоцировать закритическое обтекание профиля.

Изобретение 4. С этой же целью двигатель имеет дополнительный венец или дополнительную ступень с лопатками, высота которых равна или больше толщины пограничного слоя. То есть околороторный пограничный слой сдувается, а давление в околороторной зоне повышается. Оптимальное место для такого венца - перед первой ступенью компрессора. Если компрессор не имеет входного направляющего аппарата, то направление вращения дополнительного венца должно быть противоположно направлению вращения первой ступени компрессора.

Так как мощность, необходимая для привода такого венца, сравнительно невелика, то не всегда целесообразно приводить его во вращение основной турбиной. Турбодвигатель может состоять из двух двигателей разной мощности, причем двигатель меньшей мощности вращает дополнительный венец. Таким двигателем может быть небольшой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), например звездообразный, который через редуктор и фрикционную муфту может выполнять роль стартера для основного двигателя. Применение такого двигателя особенно целесообразно, когда двигатель расположен в задней части фюзеляжа. В этом случае двигатель своим ротором может примыкать к хвостовой части фюзеляжа.

Это сулит выгоды в компоновке, аэродинамике и обслуживании двигателя, а также хорошо защищает двигатель от попадания птиц и от обстрела спереди. Эффективность этого дополнительного венца или ступени можно повысить, отведя ее собственный пограничный слой. Для этого двигатель имеет дополнительный венец или ступень, диаметр ротора которой меньше внутреннего диаметра первой ступени компрессора, и между ними имеется кольцевая щель с возможностью отвода воздуха. Например, в эжекторное устройство сопла через полый вал.

На фиг.1 упрощенно изображен в сечении условный одноконтурный ТРД, содержащий осевой компрессор 1, состоящий из противоположно вращающихся венцов 2, камеры сгорания 3, турбины 4, форсажной камеры 5 и сопла 6. Для выравнивания давлений по поперечному сечению компрессора в нем имеется неполнопрофильная ступень 7, лопатки венца которой имеют в плане форму, близкую к треугольнику.

Перед компрессором имеется дополнительный венец 8, приводимый в движение отдельным двигателем 9, расположенном в фюзеляже 10. Причем фюзеляж вплотную примыкает к многовальному ротору 11. Между дополнительным венцом 8 и первым венцом 2 компрессора имеется кольцевая щель 12, в которую отводится пограничный слой дополнительного венца и выбрасывается в эжекторе 13.

В камеру сгорания могут подаваться окислитель и испаряющаяся жидкость, а в форсажную камеру может подаваться окислитель (показаны стрелками).

На фиг.2 показан фрагмент компрессора двигателя, состоящий из многовального ротора 11, статора 1а, полнопрофильных лопаток 2, полых лопаток направляющего аппарата 14 и закрепленной на них вспомогательной обечайки 15. Извилистыми стрелками показан проход воздуха через полость лопаток 14 в околороторную зону для сдува пограничного слоя.

На фиг.3 показан примерный вид самолета с предложенным двигателем. Самолет состоит из фюзеляжа 10 с крылом 16 и двумя продольными пилонами 17, являющимися наружными лонжеронами. В задней части пилоны переходят в кили 17. На указанных пилонах и на двух консолях крыла 16 крепится двигатель 19 со входным регулируемым устройством 20. Ротор компрессора, как показано на фиг.1, вплотную примыкает к задней части фюзеляжа. Имеется переднее горизонтальное оперение 21.

Работает двигатель так: отдельный двигатель 9 разгоняет пограничный слой до скорости основного потока или несколько более. Противоположно вращающиеся венцы 2 сжимают воздух, причем неполнопрофильный венец 7 создает в околороторной зоне повышенное давление, благодаря чему нивелируется периферийный перепад давления, создаваемый основными венцами 2.

Работает двигатель на фиг.2 так: противоположно вращающиеся лопатки 2 сжимают воздух. При этом за счет большей окружной скорости лопаток у статора 1а образуется зона повышенного давления. Неполнопрофильные лопатки 7, имеющие высоту 50% от возможной и имеющие трапециевидный в плане профиль, создают давление в околороторной зоне, нивелируя указанный перепад давлений. Для предупреждения срыва потока воздух из передней околостаторной части лопаток 14 отводится в заднюю околороторную их часть.

Самолет на фиг.3 работает так: воздух из задней части фюзеляжа 10 перед поступлением в компрессор 1 двигателя 19 поступает на дополнительный венец 8 (см. фиг.1), где скорость пограничного слоя выравнивается и доводится до скорости основного потока или выше. Такое расположение двигателя позволяет обеспечить подвод воздуха к двигателю без специальных воздуховодов и лотков для отвода пограничного слоя, что в целом и повысит тягу и уменьшит аэродинамическое сопротивление.

Турбодвигатель содержит осевой компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло. Одна, несколько или все ступени компрессора содержат лопатки, имеющие в плане в развернутом виде форму треугольника и/или имеющие высоту, равную толщине пограничного слоя. Через полые лопатки направляющего аппарата или венца компрессора выравнивают давление по сечению ступени компрессора, перепуская воздух из периферийной зоны повышенного давления в околороторную зону с пониженным давлением. Полые лопатки имеют на периферийной части отверстия или щели, расположенные на передней кромке или на вогнутой стороне профиля лопатки, а на околороторной части имеют отверстия или щели, расположенные на задней кромке или на выпуклой стороне профиля лопатки. Лопатки компрессора и/или турбины имеют на периферии и/или околороторной частях на длине, соответствующей толщине пограничного слоя, плавно уменьшающийся шаг. Турбодвигатель имеет дополнительный венец или дополнительную ступень с лопатками, высота которых равна толщине пограничного слоя. Улучшены противопомпажные качества, приемистость и надежность. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Турбодвигатель, содержащий осевой компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло, отличающийся тем, что одна, несколько или все ступени компрессора имеют лопатки, имеющие в плане в развернутом виде форму треугольника и/или имеющие высоту, равную толщине пограничного слоя.

2. Турбодвигатель, содержащий осевой компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло, отличающийся тем, что полые лопатки направляющего аппарата или венца компрессора, через которые выравнивают давление по сечению ступени компрессора, перепуская воздух из периферийной зоны повышенного давления в околороторную зону с пониженным давлением, имеют на периферийной части отверстия или щели, расположенные на передней кромке или на вогнутой стороне профиля лопатки, а на околороторной части имеют отверстия или щели, расположенные на задней кромке или на выпуклой стороне профиля лопатки.

3. Турбодвигатель, содержащий осевой компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло, отличающийся тем, что лопатки компрессора и/или турбины имеют на периферии и/или околороторной частях на длине, соответствующей толщине пограничного слоя, плавно уменьшающийся шаг.

4. Турбодвигатель, содержащий осевой компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло, отличающийся тем, что имеет дополнительный венец или дополнительную ступень с лопатками, высота которых равна толщине пограничного слоя.

5. Турбодвигатель по п.4, отличающийся тем, что состоит из двух двигателей разной мощности, причем двигатель меньшей мощности вращает дополнительный венец.

6. Турбодвигатель по п.5, отличающийся тем, что двигателем меньшей мощности является звездообразный двигатель внутреннего сгорания, который в совокупности с редуктором и фрикционной муфтой является стартером основного двигателя.

7. Турбодвигатель по п.4, отличающийся тем, что имеет дополнительный венец или ступень, диаметр ротора которой меньше внутреннего диаметра первой ступени компрессора, и между ними имеется кольцевая щель с возможностью отвода воздуха.

8. Турбодвигатель по п.7, отличающийся тем, что отвод воздуха производится в эжекторное устройство сопла через полый вал.