КОМБИНИРОВАННЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК F02K5/02 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в авиастроении, ракетостроении и других областях, где применяются воздушно-реактивные двигатели.

В современном двигателестроении известны воздушно-реактивные двигатели нескольких типов. К ним относятся прямоточные или бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД) и газотурбинные двигатели (ГТД). Газотурбинные двигатели, в свою очередь, подразделяются на турбореактивные (ТРД), турбовинтовые (ТВД) и турбовентиляторные или двухконтурные (ДТРД) двигатели. Все газотурбинные двигатели снабжены компрессором с приводом от газовой турбины, на ТВД для создания дополнительной тяги устанавливается воздушный винт, а на ДТРД - специальный вентилятор.

Система внутреннего воздушного охлаждения у ПВРД отсутствует, а на ГТД используется, в основном, для охлаждения рабочих лопаток газовой турбины (см., например, книгу Штоды А.В., Алещенко С.П., Иванова А.Я. и др. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей. М., Воениздат МО СССР, 1961 г.).

К основным недостаткам известных воздушно-реактивных двигателей можно отнести их небольшую удельную тягу и низкую эффективность систем их внутреннего воздушного охлаждения.

Наиболее близким по технической сущности является воздушно-реактивный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор с приводом, камеру сгорания, выходное устройство и систему его внутреннего воздушного охлаждения. Привод компрессора в этом двигателе выполнен в виде газовой турбины, размещенной между камерой сгорания и выходным устройством, а система его внутреннего воздушного охлаждения состоит из устройства подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборного и выпускного устройств. Устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха представляет в ней совокупность сообщающихся каналов, выполненных в корпусе и деталях двигателя, уплотнений в местах перехода воздуха от неподвижных деталей к подвижным, дефлекторов и замковых устройств охлаждаемых лопаток. Заборное устройство выполнено в виде кольцевого канала или отверстий, обеспечивающих отвод части воздуха от одной из промежуточных ступеней компрессора, а выпускное устройство - в виде отверстий или окон для выпуска воздуха в проточную часть двигателя позади турбины или непосредственно во внешнюю среду (см. книгу Штоды А.В., Алещенко С.П., Иванова А.Я.и др. Конструкция авиационных газотурбинных двигателей. М., Воениздат МО СССР, 1961 г.).

Основным недостатком указанного двигателя, как уже отмечалось выше, является его низкая удельная тяга, которая определяется давлением и температурой рабочих газов в камере сгорания. Чем больше значения указанных параметров, тем больше и удельная тяга двигателя. Добиться же их существенного увеличения в рассматриваемом двигателе не представляется возможным вследствие ограничений на их значения, связанных с необходимостью обеспечения механической прочности лопаток газовой турбины, находящихся в высокотемпературной зоне, и низкой эффективности системы их внутреннего воздушного охлаждения, которая обусловлена малой площадью обдуваемых воздухом поверхностей охлаждаемых деталей и невысокой скоростью его движения. К недостаткам системы внутреннего воздушного охлаждения этого двигателя следует также отнести безвозвратный унос части тепла охлаждающим воздухом во внешнюю среду, что снижает его КПД.

Задачами настоящего изобретения являются повышение удельной тяги и КПД воздушно-реактивного двигателя и эффективности системы его внутреннего воздушного охлаждения.

Для решения поставленных задач в воздушно-реактивном двигателе, состоящем из входного устройства, компрессора с приводом, камеры сгорания, выходного устройства и системы внутреннего воздушного охлаждения, привод компрессора выполнен в виде самостоятельного двигателя, установленного между входным устройством и компрессором, а в системе его внутреннего воздушного охлаждения, содержащей устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборного и выпускного устройств, устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха выполнено в виде прямого и обратного продольных воздуховодов, сообщающихся между собой в задней части двигателя, заборное устройство соединено с прямым воздуховодом и установлено во входном устройстве двигателя, а выпускное устройство выполнено в виде окон, соединяющих обратный воздуховод с проточной частью двигателя перед входом в компрессор.

В качестве самостоятельного двигателя привода компрессора может быть использован турбороторный двигатель внутреннего сгорания (см. патент РФ №2256808 по кл. F02В 53/08).

Прямой воздуховод в системе внутреннего воздушного охлаждения может быть выполнен в виде сквозного канала внутри центрального вала двигателя, обратный может быть образован внутренними полостями двигателя, сообщающимися между собой через окна в его неподвижных перегородках и вращающихся дисках компрессора, а заборное устройство может быть выполнено в виде вентилятора.

Ребра, образующие окна во вращающихся дисках компрессора, могут быть развернуты под углом к их осям.

Выполнение привода компрессора в виде самостоятельного двигателя, установленного между входным устройством и компрессором, вместо газовой турбины устраняет основное препятствие, ограничивающее возможность повышения давления и температуры в камере сгорания, позволяет существенно повысить их значения и увеличить за счет этого удельную тягу двигателя.

Выполнение устройства подвода и отвода охлаждающего воздуха в виде прямого и обратного продольных воздуховодов, сообщающихся между собой в задней части двигателя, позволяет существенно увеличить площадь поверхностей обдуваемых воздухом деталей, а соединение заборного устройства с прямым воздуховодом, его размещение во входном устройстве двигателя и выполнение в виде вентилятора, разворот ребер, образующих окна во вращающихся дисках компрессора, под углом к их осям, увеличить интенсивность движения охлаждающего воздуха, что, в целом, существенно повышает эффективность системы охлаждения, создает условия для дополнительного повышения температуры газов в камере сгорания и соответственно удельной тяги двигателя.

Выполнение выпускного устройства в виде окон, соединяющих обратный воздуховод с проточной частью двигателя перед входом в компрессор, обеспечивает возврат тепла, уносимого охлаждающим воздухом, в камеру сгорания, что способствует повышению КПД двигателя.

Устройство предлагаемого двигателя показано на фиг.1.

Турбороторный воздушно-реактивный двигатель состоит из входного устройства 1, компрессора 2 с приводом, камеры сгорания 3, выходного устройства 4 и системы его внутреннего воздушного охлаждения.

Привод компрессора 2 выполнен в виде самостоятельного турбороторного двигателя внутреннего сгорания 5, установленного между входным устройством 1 и компрессором 2.

Система внутреннего воздушного охлаждения указанного двигателя содержит устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборное 6 и выпускное устройства.

Устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха состоит из прямого и обратного продольных воздуховодов 7 и 8 соответственно, заборное устройство 6 соединено с прямым воздуховодом 7, установлено во входном устройстве 1 двигателя и выполнено в виде вентилятора, а выпускное устройство - в виде окон 9, соединяющих обратный воздуховод 8 с проточной частью двигателя перед входом в компрессор 2.

Прямой воздуховод 7 при этом выполнен в виде сквозного канала внутри центрального вала 10 двигателя, а обратный воздуховод 8 образован внутренними полостями, сообщающимися между собой через окна 11, 12 в неподвижных перегородках двигателя и вращающихся дисках компрессора 2.

Ребра 13, образующие окна 12 во вращающихся дисках компрессора 2, развернуты под углом к их осям.

Двигатель работает следующим образом.

Наружный воздух через входное устройство 1 непрерывно поступает в компрессор 2, где сжимается и подается в камеру сгорания 3, куда одновременно непрерывно впрыскивается мелкораспыленное жидкое топливо и происходит его сгорание при почти постоянном давлении. Образующиеся в результате сгорания топлива газообразные продукты поступают в выходное устройство 4, где расширяются и с большой скоростью вытекают во внешнюю среду, создавая реактивную тягу двигателя.

Вращение компрессора 2 обеспечивается с помощью привода, выполненного в виде самостоятельного турбороторного двигателя внутреннего сгорания 5, охлаждение которого осуществляется воздушным потоком, поступающим через входное устройство 1.

Часть поступающего во входное устройство 1 воздуха захватывается заборным устройством 6 и по прямому воздуховоду 7 подается в заднюю часть двигателя, откуда по обратному воздуховоду 8, обдувая внутренние поверхности охлаждаемых деталей двигателя, через окна 9 поступает в его проточную часть перед компрессором 2.

Вентилятор заборного устройства 6 и ребра 13 во вращающихся дисках компрессора 2, установленные под углом к их осям, обеспечивают интенсивную прокачку охлаждающего воздуха через прямой 7 и обратный 8 воздуховоды.

Движение охлаждающего воздуха показано на фиг.1 стрелками.

Использование предлагаемого изобретения позволяет

существенно увеличить удельную тягу воздушно-реактивного двигателя и довести ее до величин, сравнимых с удельной тягой ракетных двигателей;

обеспечить высокую эффективность внутреннего воздушного охлаждения двигателя;

повысить КПД двигателя.

Комбинированный воздушно-реактивный двигатель состоит из входного устройства, компрессора с приводом, камеры сгорания, выходного устройства и системы внутреннего воздушного охлаждения, содержащей устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборное и выпускное устройства. Устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха в двигателе выполнено в виде прямого и обратного продольных воздуховодов, сообщающихся между собой в задней части двигателя. Заборное устройство соединено с прямым воздуховодом и установлено во входном устройстве двигателя. Выпускное устройство выполнено в виде окон, соединяющих обратный воздуховод с проточной частью двигателя перед входом в компрессор. Изобретение позволяет увеличить удельную тягу воздушно-реактивного двигателя, обеспечить высокую эффективность внутреннего воздушного охлаждения двигателя и повысить его КПД. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированный воздушно-реактивный двигатель, состоящий из входного устройства, компрессора с приводом, камеры сгорания, выходного устройства и системы внутреннего воздушного охлаждения, содержащей устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха, заборное и выпускное устройства, отличающийся тем, что устройство подвода и отвода охлаждающего воздуха в нем выполнено в виде прямого и обратного продольных воздуховодов, сообщающихся между собой в задней части двигателя, заборное устройство соединено с прямым воздуховодом и установлено во входном устройстве двигателя, а выпускное устройство выполнено в виде окон, соединяющих обратный воздуховод с проточной частью двигателя перед входом в компрессор.

2. Комбинированный воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что прямой воздуховод в нем выполнен в виде сквозного канала внутри центрального вала двигателя, обратный образован внутренними полостями двигателя, сообщающимися между собой через окна в его неподвижных перегородках и вращающихся дисках компрессора, а заборное устройство выполнено в виде вентилятора.

3. Комбинированный воздушно-реактивный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что ребра, образующие окна во вращающихся дисках компрессора, развернуты под углом к их осям.