ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВЕНТИЛЯТОРАМИ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ, ИМЕЮЩИЙ ШНЕКОВЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СМЕЩЕНИЕМ ОСЕВОГО ПОТОКА Российский патент 2013 года по МПК F02K3/72 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится, в общем, к газотурбинным двигателям с вентиляторами противоположного вращения, и более конкретно, к таким двигателям, которые имеют газогенераторы с положительным смещением осевого потока и шнековые газогенераторы, и спиральные компрессоры, и турбины.

Авиационные газотурбинные двигатели, в общем, имеют во взаимосвязи в направлении вниз по потоку секции вентилятора, компрессоров, секции камер сгорания и турбин. Секции турбин, в общем, приводят в действие узлы компрессоров и вентиляторов. Секция камеры сгорания сжигает топливо в воздушном потоке, сжимаемом компрессором для обеспечения энергии для турбин. Авиационные газотурбинные двигатели могут иметь один, два, три или более роторов или каскадов. Один или два вентилятора, расположенных выше по потоку от компрессора, приводятся в действие одной или двумя турбинами как компрессорами. Вентиляторы, компрессоры и турбины обычно включают в себя проходящие в радиальном направлении лопатки. Внутренние контуры двигателя или газогенераторы авиационного газотурбинного двигателя в общем включают в себя компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину высокого давления, чтобы обеспечивать высокоэнергетическую текучую среду для турбин с целью обеспечения мощности для вентилятора или вентиляторов двигателя. Газотурбинные двигатели с осевыми компрессорами используются в широком диапазоне применений благодаря большому количеству комбинаций желательных признаков, таких как реактивная струя выхлопных газов с высоким удельным потреблением энергии (энергии на единицу массы), высокий удельный массовый расход на данную лобовую площадь, близкое к установившемуся течение текучей среды и приемлемая эффективность по широкому диапазону условий работы. Необходимо иметь легкие и высокоэффективные двигатели. Один тип высокоэффективного двигателя включает в себя вентиляторы противоположного вращения, обеспечиваемые энергией с помощью турбин низкого давления противоположного вращения, таких как раскрыты в патентах США №№ 6,763,653 и 6,763,654.

Газогенераторы осевого потока особенно полезны во многих применениях турбомашин. Основанные на турбомашинах газогенераторы используются в широком диапазоне применений благодаря большому количеству комбинаций желательных признаков, таких как реактивная струя выхлопных газов с высоким удельным потреблением энергии (энергии на единицу массы), высокий удельный массовый расход на данную лобовую площадь, близкое к установившемуся течение текучей среды, приемлемый термический КПД (коэффициент полезного действия) в широком диапазоне условий работы. Цель изготовителей газотурбинных двигателей заключается в том, чтобы иметь легкие и высокоэффективные двигатели и газогенераторы. Другая цель заключается в том, чтобы иметь в газогенераторе настолько мало частей, насколько возможно, для снижения затрат на производство, монтаж, восстановление, капитальный ремонт и замену газогенератора. Поэтому необходимо иметь авиационный газотурбинный двигатель с газогенератором, который улучшает все эти характеристики газотурбинных двигателей и их газогенераторов.

Сущность изобретения

Газотурбинный двигатель с вентиляторами противоположного вращения включает в себя последовательно в направлении вниз по потоку секцию вентилятора противоположного вращения, газогенератор с положительным смещением осевого потока или шнековый газогенератор, и турбину низкого давления функционально с секцией вентилятора противоположного вращения. В одном варианте осуществления двигателя, турбина низкого давления представляет собой турбину низкого давления противоположного вращения. Газогенератор с положительным смещением осевого потока включает в себя впуск, разнесенный на расстояние в осевом направлении и расположенный выше по потоку от выпуска. Внутренний и внешний корпусы, имеющие смещенные внутреннюю и внешнюю оси соответственно, проходят от впуска к выпуску. Либо один из корпусов, либо оба могут быть вращающимися. В одном варианте осуществления генератора внутренний корпус может вращаться относительно внутренней оси внутри внешнего корпуса. Внешний корпус может быть неподвижен или может вращаться относительно внешней оси. Внутренний и внешний корпусы имеют взаимодействующие внутренние и внешние спиральные лопатки, проходящие вокруг внутренней и внешней осей соответственно. Внутренние и внешние спиральные лопатки проходят в радиальном направлении наружу и внутрь соответственно. Спиральные лопатки имеют первые, вторые и третьи спиральные изгибы в первой, второй и третьей секциях соответственно. Спиральный изгиб определяется как величина оборота поперечного сечения спирального элемента на единичное расстояние по оси. Первые спиральные изгибы меньше, чем вторые спиральные изгибы, а третьи спиральные изгибы меньше, чем вторые спиральные изгибы. Секция камеры сгорания проходит в осевом направлении вниз по потоку от конца первой секции по меньшей мере через участок второй секции.

Один примерный вариант осуществления турбины низкого давления противоположного вращения включает в себя турбины низкого давления выше по потоку и ниже по потоку с возможностью приведения в действие со ступенями вентиляторов противоположного вращения выше по потоку и ниже по потоку в секции вентилятора противоположного вращения. Более конкретный вариант осуществления газотурбинного двигателя с вентиляторами противоположного вращения включает в себя турбину низкого давления ниже по потоку, соединенную с возможностью приведения в действие со ступенью вентилятора выше по потоку посредством внутреннего вала низкого давления, и турбину низкого давления выше по потоку, соединенную с возможностью приведения в действие со ступенью вентилятора ниже по потоку посредством внешнего вала низкого давления.

Другой примерный вариант осуществления турбины низкого давления противоположного вращения включает в себя кольцевые внутренний и внешний барабаны низкого давления, соединенные с возможностью приведения в действие со ступенями вентилятора противоположного вращения выше по потоку и ниже по потоку в секции вентилятора противоположного вращения. Внутренний барабан включает в себя множество разнесенных на расстояние в осевом направлении рядов разнесенных по окружности и проходящих в радиальном направлении наружу лопаток турбины. Внешний барабан включает в себя множество разнесенных на расстояние в осевом направлении рядов разнесенных по окружности и проходящих в радиальном направлении внутрь лопаток турбины. Проходящие в радиальном направлении внутрь лопатки турбины расположены под углом относительно друг друга с проходящими в радиальном направлении наружу лопатками турбины. Более конкретный вариант осуществления газотурбинного двигателя с вентиляторами противоположного вращения включает в себя кольцевой внутренний барабан низкого давления, соединенный с возможностью приведения в действие со ступенью вентилятора ниже по потоку посредством внешнего вала низкого давления, а внешний барабан соединен с возможностью приведения в действие со ступенью вентиляторов выше по потоку посредством внутреннего вала низкого давления.

В другом варианте осуществления двигателя турбина низкого давления представляет собой турбину, вращающуюся в одном направлении вращения, соединенную с возможностью приведения в действие с секцией вентилятора противоположного вращения посредством одного вала низкого давления через коробку передач, такую как планетарная коробка передач.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой вид в разрезе примерного авиационного газотурбинного двигателя с секцией вентилятора противоположного вращения и газогенератором с положительным смещением осевого потока или шнековым газогенератором.

Фиг.2 представляет собой схематичный вид в разрезе газогенератора, показанного на фиг.1.

Фиг.3 представляет собой схематичный вид в перспективе с частичным вырезом спиральных участков внутреннего и внешнего корпусов газогенератора, показанного на фиг.2.

Фиг.4 представляет собой схематичный вид в разрезе зацепления между внутренним и внешним корпусами газогенератора, показанного на фиг.3.

Фиг.5 представляет собой схематичный вид в перспективе с вырезом спиральных участков внутреннего и внешнего корпусов газогенератора, показанного на фиг.3.

Фиг.6 представляет собой схематичный вид в разрезе внутреннего и внешнего корпусов, выполненном по линиям 6-6 на фиг.4.

Фиг.7-10 представляют собой схематичный вид в разрезе альтернативной конфигурации внутреннего и внешнего корпусов в различных относительных угловых положениях внутреннего корпуса.

Фиг.11 представляет собой схематичный вид в разрезе газогенератора с положительным смещением, имеющего внутренний и внешний корпуса, показанные на фиг.7.

Фиг.12 представляет собой схематичное изображение энтропийной TS-диаграммы, иллюстрирующей цикл газогенератора, показанного на фиг.2.

Фиг.13 представляет собой вид в разрезе альтернативного примерного авиационного газотурбинного двигателя с секцией вентилятора противоположного вращения и газогенератором с положительным смещением осевого потока или шнековым газогенератором и двумя расположенными под углом относительно друг друга турбинами низкого давления.

Фиг.14 представляет собой вид в разрезе короткого входного соединительного воздухопровода между секцией вентилятора, содержащей вентиляторы противоположного вращения, для шнекового газогенератора, показанного на фиг.1.

Фиг.15 представляет собой вид в разрезе короткого выпускного переходного канала от шнекового газогенератора к турбинам низкого давления противоположного вращения, показанным на фиг.1.

Фиг.16 представляет собой вид в перспективе ступени вентиляторов выше по потоку для вентиляторов противоположного вращения, показанных на фиг.1.

Фиг.17 представляет собой вид в перспективе сзади ступени вентиляторов выше по потоку для вентиляторов противоположного вращения, показанных на фиг.16.

Фиг.18 представляет собой вид сбоку в перспективе ступени вентиляторов выше по потоку для вентиляторов противоположного вращения, показанных на фиг.16.

Фиг.19 представляет собой вид в разрезе альтернативного примерного авиационного газотурбинного двигателя с секцией вентилятора противоположного вращения и газогенератором с положительным смещением осевого потока или шнековым газогенератором и турбины, вращающейся в одном направлении вращения, соединенной с возможностью приведения в действие с секцией вентилятора противоположного вращения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан примерный вариант осуществления газогенератора 100 с положительным смещением осевого потока или шнекового газогенератора в газотурбинном двигателе 10 с вентиляторами противоположного вращения, проходящим вокруг осевой линии 8 двигателя. Секция 112 вентилятора противоположного вращения двигателя 10 включает в себя ступени 4, 6 вентилятора противоположного вращения выше по потоку и ниже по потоку (дополнительно показанные на фиг.16-18) и принимает входной воздушный поток окружающего воздуха 9. Секции 4, 6 вентиляторов выше по потоку и ниже по потоку включают в себя ряды 113, 115 лопаток вентиляторов выше по потоку и ниже по потоку, установленные на дисках 117, 119 вентиляторов, выше по потоку и ниже по потоку соответственно. Ниже по потоку от секции 112 вентилятора расположен внутренний контур двигателя 118, который является шнековым газогенератором 100.

Шнековый газогенератор 100 нагнетает горячие газы в турбину низкого давления (ТНД) 120, которая снабжает энергией ступени 4, 6 вентиляторов противоположного вращения выше по потоку и ниже по потоку. Турбина низкого давления (ТНД) 120 противоположного вращения, показанная на фиг.1 и 13, является турбиной низкого давления (ТНД) 121 противоположного вращения. Шнековый газогенератор 100 представляет собой по существу каскад 133 высокого давления. ТНД 121 противоположного вращения снабжается энергией с помощью горячих газов, нагнетаемых шнековым газогенератором 100 в ТНД 121 противоположного вращения. Как показано на фиг.1, ТНД 121 противоположного вращения имеет, последовательно в направлении вниз по потоку, турбины 122, 124 низкого давления выше по потоку и ниже по потоку соответственно. Турбина 124 низкого давления ниже по потоку расположена ниже по потоку от турбины 122 низкого давления выше по потоку. Газообразные продукты сгорания нагнетаются из газогенератора 100 в турбину 122 низкого давления выше по потоку, имеющую ряд лопаток 126 турбины низкого давления выше по потоку. Лопатки 126 турбины низкого давления выше по потоку прикреплены с возможностью приведения в действие к лопаткам вентилятора 130 ниже по потоку из ряда 115 лопаток вентилятора ниже по потоку ступени 6 вентиляторов ниже по потоку посредством внешнего вала 132 низкого давления, образуя внешний каскад 134 низкого давления, описанный вокруг осевой линии 8 двигателя.

Газообразные продукты сгорания нагнетаются от турбины 122 низкого давления выше по потоку в турбину 124 низкого давления ниже по потоку, имеющую ряд лопаток 142 турбины низкого давления ниже по потоку. Лопатки 142 турбины низкого давления ниже по потоку прикреплены с возможностью приведения в действие к ряду 113 лопаток вентилятора выше по потоку лопастей 150 вентилятора выше по потоку ступени 4 вентиляторов выше по потоку посредством внутреннего вала 152 низкого давления для образования внутреннего каскада 154 низкого давления, описанного вокруг осевой линии 8 двигателя. Таким образом, турбина 124 низкого давления выше по потоку соединена с возможностью приведения в действие со ступенью 4 вентиляторов выше по потоку посредством внутреннего вала 152 низкого давления, а турбина 122 низкого давления выше по потоку соединена с возможностью приведения в действие со ступенью 6 вентиляторов ниже по потоку посредством внешнего вала 132 низкого давления.

Альтернативный вариант осуществления турбины низкого давления (ТНД) 121 противоположного вращения показан на фиг.13. Турбина 121 низкого давления противоположного вращения, показанная на фиг.13, включает в себя кольцевой внешний барабан 156, соединенный с возможностью приведения в действие со ступенью 4 вентиляторов выше по потоку посредством внутреннего вала 152 низкого давления. Внешний барабан 156 включает в себя множество разнесенных на расстояние в осевом направлении рядов разнесенных по окружности и проходящих в радиальном направлении внутрь лопаток 158 турбины. Турбина 121 низкого давления противоположного вращения также включает в себя кольцевой внутренний барабан 155 низкого давления, соединенный с возможностью приведения в действие со ступенью 6 вентиляторов ниже по потоку посредством внешнего вала 132 низкого давления. Внутренний барабан 155 включает в себя множество разнесенных на расстояние в осевом направлении рядов разнесенных по окружности и проходящих в радиальном направлении наружу лопаток 160 турбины. Проходящие в радиальном направлении внутрь лопатки 158 турбины расположены под углом относительно друг друга с проходящими в радиальном направлении наружу лопатками 160 турбины.

Внешний вал 132 низкого давления соединяет с возможностью приведения в действие внутренний барабан 155 с рядом 115 лопаток вентилятора ниже по потоку. Внешний вал 132 низкого давления, внутренний барабан 155 и ряд 115 лопаток вентилятора ниже по потоку представляют собой основные компоненты внешнего каскада 134 низкого давления. Внутренний вал 152 низкого давления соединяет с возможностью приведения в действие внешний барабан 156 с рядом 113 лопаток вентилятора выше по потоку. Внутренний вал 152 низкого давления, внешний барабан 156 и ряд 113 лопаток вентилятора выше по потоку представляют собой основные компоненты внутреннего каскада 154 низкого давления.

Со ссылкой на фиг.2-5, на которых газогенератор 100 включает в себя сердечник 15, имеющий внутренний и внешний корпусы 12 и 14, проходящие от впуска 20 к выпуску 22. Внутренний корпус 12 расположен в полости 19 внешнего корпуса 14. Внутренний и внешний корпусы 12, 14 имеют внутреннюю и внешнюю оси 16, 18 соответственно. Сердечник 15 имеет первую, вторую и третью секции 24, 26, 28, последовательно расположенные в направлении вниз по потоку. Секция 40 камеры сгорания проходит в осевом направлении вниз по потоку по меньшей мере через участок второй секции. Как описано здесь, секция 40 камеры сгорания проходит в осевом направлении вниз по потоку от конца первой секции 24 через всю вторую секцию 26. Сердечник 15 имеет непрерывный поток через впуск 20 и выпуск 22.

Индивидуальные заряды воздуха 50 захватываются внутри и посредством первой секции 24. Сжатие зарядов 50 происходит, когда заряды 50 проходят из первой секции 24 во вторую секцию 26. Таким образом, весь заряд 50 подвергается сжатию, в то время как он находится и в первой, и во второй секциях 24, 26 соответственно. Горение начинается во второй секции 26 после того, как весь заряд 50 прошел из первой секции 24 во вторую секцию 26. Третья секция 28 представляет собой секцию расширения и, таким образом, извлекает энергию из воспламененных зарядов воздуха 50 для обеспечения энергией первой и второй секций 24, 26 соответственно. Расширение зарядов 50 происходит, когда заряды 50 проходят из второй секции 26 в третью секцию 28. Таким образом, весь заряд 50 подвергается расширению, в то время как он находится и во второй, и в третьей секциях 26, 28.

Либо один из корпусов, либо оба могут быть вращающимися, и, если оба корпуса являются вращающимися, они вращаются в одном и том же направлении по окружности по часовой стрелке или против часовой стрелки с разными скоростями вращения, определяемыми установленной зависимостью. Если только один корпус является вращающимся, то другой корпус является неподвижным. В одном варианте осуществления генератора внутренний корпус 12 может вращаться относительно внутренней оси 16 внутри внешнего корпуса 14, а внешний корпус 14 может быть неподвижен или может вращаться относительно внешней оси 18.

Внутренний и внешний корпусы 12, 14 имеют взаимодействующие внутренний и внешний спиральные элементы, проходящие вокруг внутренней и внешней осей 16, 18 соответственно. Элементы представляют собой внутреннюю и внешнюю спиральные лопасти 17, 27, имеющие внутреннюю и внешнюю спиральные поверхности 21, 23 соответственно. Термин “шнековый” применяется потому, что он обычно используется для описания шнековых или спиральных компрессоров и является описательным для спиральных элементов, проходящих вокруг внутренней и внешней осей 16, 18. Внутренние спиральные лопасти 17 проходят в радиальном направлении наружу от полой внутренней ступицы 51 внутреннего корпуса 12, а внешние спиральные лопасти 27 проходят в радиальном направлении внутрь от внешнего кожуха 53 внешнего корпуса 14. Внутренняя спиральная кромка 47 по внутренней спиральной лопасти 17 уплотняющим образом зацепляет внешнюю спиральную поверхность 23 внешней спиральной лопасти 27, когда они вращаются относительно друг друга. Внешняя спиральная кромка 48 по внешней спиральной лопасти 27 уплотняющим образом зацепляет внутреннюю спиральную поверхность 21 внутренней спиральной лопасти 17, когда они вращаются относительно друг друга.

На фиг.4 показано продольное сечение, выполненное через внутренний и внешний корпусы 12, 14. Внутренний и внешний корпусы 12, 14 в осевом сечении показаны на фиг.6. Внутренний корпус 12 иллюстрируется в данном описании как имеющий два выступа 60 внутреннего корпуса, которые соответствуют двум внутренним спиральным лопаткам 17 и которые приводят к имеющему форму футбольного мяча или заостренного овала сечению 69 внутреннего корпуса. Внешний корпус 14 имеет три выступа 64 внешнего корпуса, которые соответствуют трем внешним спиральным лопаткам 27 (показанным на фиг.3 и 4). Следует отметить, что на фиг.6 показаны три точки 62 уплотнения между внутренним и внешним корпусами 12, 14, но между внутренними и внешними спиральными лопастями 17, 27 имеется непрерывное уплотнение по всей длине внутреннего и внешнего корпусов 12, 14.

Альтернативная конфигурация внутреннего и внешнего корпусов 12, 14 показана в поперечном сечении на фиг.7-10. Внутренний корпус 12 показан как имеющий три выступа 60 внутреннего корпуса, которые соответствуют трем внутренним спиральным лопастям 17, что приводит к имеющему треугольную форму сечению внутреннего корпуса 68, как показано на фиг.7. Внешний корпус 14 имеет два выступа 64 внешнего корпуса, которые соответствуют двум внешним спиральным лопастям 27. В общем, если внутренний корпус 12 имеет количество выступов, равное N, внешний корпус 14 будет иметь N+1 или N-1 выступов. Следует отметить, что на фиг.7 показано пять точек 62 уплотнения между внутренним и внешним корпусами 12, 14, но между внутренними и внешними спиральными лопастями 17, 27 имеется непрерывное уплотнение по всей длине внутреннего и внешнего корпусов 12, 14.

Что касается фиг.5, то на ней спиральные элементы имеют постоянные первые, вторые и третьи спиральные изгибы 34, 36, 38 в первой, второй и третьей секциях 24, 26, 28 соответственно. Спиральный изгиб А определяется как величина оборота поперечного сечения 41 спирального элемента (такого как имеющие форму овала или имеющие треугольную форму поперечные сечения 69, 68 внутреннего корпуса, показанные на фиг.6 и 7 соответственно) на расстояние по оси, такой как внутренняя ось 16, как показано на фиг.5. На фиг.5 показано вращение на 360 градусов поперечного сечения 41 внутреннего корпуса. Спиральный изгиб А также составляет 360 градусов или 2Pi радиан, разделенные на осевое расстояние CD между двумя соседними вершинами 44 вдоль тех же самых внутренней или внешней спиральных кромок 47, 48 спирального элемента, такого как внутренние или внешние спиральные лопасти 17, 27, как показано на фиг.5. Осевое расстояние CD представляет собой расстояние одного полного витка 43 спирали.

Спиральный изгиб А внутреннего элемента в каждой из секций отличается от спирального изгиба А внешнего элемента. Отношение спирального изгиба А внешнего корпуса 14 к спиральному изгибу А внутреннего корпуса 12 равно отношению количества внутренних спиральных лопастей 17 на внутреннем корпусе 12 к количеству внешних спиральных лопастей 27 на внешнем корпусе 14. Первые спиральные изгибы 34 меньше, чем вторые спиральные изгибы 36, а третьи спиральные изгибы 38 закручивания меньше, чем вторые спиральные изгибы 36. Спиральные элементы также можно описывать в отношении угла спирали. Спиральные элементы имеют постоянные первые, вторые и третьи углы спирали, соответствующие постоянным первому, второму и третьему спиральным изгибам 34, 36, 38 в первой, второй и третьей секциях 24, 26, 28 соответственно, аналогичным образом можно было бы описывать винт в отношении шага и угла начального конуса.

Со ссылкой снова к фиг.3-5 следует отметить, что внутренняя спиральная лопастей 17 в первой секции 24 имеет достаточное количество витков 43 для захвата зарядов воздуха 50 в первой секции 24 во время работы генератора. Захваченные заряды воздуха 50 обеспечивают возможность положительного смещения сжатия так, чтобы более высокие давления, развиваемые ниже по потоку, не могли вызывать перемещение воздуха или зарядов назад из впуска 20. В одном варианте осуществления газогенератора количество витков 43 в первой секции 24 достаточно для того, чтобы механически захватывать заряды воздуха 50. В другом варианте осуществления газогенератора 100 количество витков 43 в первой секции 24 достаточно для того, чтобы динамически захватывать заряды воздуха 50. Термин “механически захваченный” означает, что заряд 50 захватывается, когда он блокирован относительно впуска 20 у переднего конца 52 заряда 50 прежде, чем он пройдет во вторую секцию 26 у заднего конца 54 заряда 50. Термин “динамически захваченный” означает, что хотя задний конец 54 захваченного заряда, возможно, прошел во вторую секцию 26, передний конец 52 заряда полностью еще не закрыт. Однако у его заднего конца 54, к тому времени, когда волна сжатия из второй секции перемещается к впуску 20, относительное вращение между корпусами будет блокировать захваченный заряд воздуха 50 у его переднего конца 52.

Для вариантов осуществления с неподвижным внешним корпусом 14 внутренний корпус 12 является изогнутым относительно внешней оси 18 так, что когда он вращается относительно внутренней оси 16, внутренняя ось 16 движется по орбите относительно внешней оси 18, как показано на фиг.7-10. Внутренний корпус 12 показан как вращающийся относительно внутренней оси 16 от ее положения на фиг.7 к ее положению на фиг.8, а внутренняя ось 16 показана как движущаяся по орбите относительно внешней оси 18 приблизительно на 90 градусов. Внутренний и внешний корпусы 12, 14 соединены вместе передачей так, что они всегда вращаются относительно друг друга при постоянном соотношении, как показано, входя в зацепление в коробке 82 передач сцепления, показанной на фиг.1 и 4.

Если внешний корпус 14 на фиг.7 не зафиксирован, тогда он может вращаться относительно внешней оси 18 на скорости вращения, в 1,5 раза превышающей скорость вращения, с которой внутренний корпус 12 вращается относительно внутренней оси 16. Внутренний корпус 12 вращается относительно внутренней оси 16 со скоростью 74 вращения внутреннего корпуса, равной его орбитальной скорости 76, деленной на количество выступов внутреннего корпуса. Количество выступов внутреннего корпуса равно количеству лопастей. Если внутренний корпус 12 вращается в том же направлении, что и его орбитальное направление, используется конфигурация внешнего корпуса с двумя выступами. Если внутренний корпус 12 вращается в направлении, противоположном орбитальному, используется конфигурация внешнего корпуса с четырьмя выступами.

Спиральные изгибы внешнего корпуса 14 равны спиральным изгибам внутреннего корпуса 12, умноженным на количество выступов внутреннего корпуса N, разделенным на количество выступов внешнего корпуса М. Для конфигурации, показанной на фиг.7-10, имеющей три внутренних выступа или внутренние спиральные лопасти 17 и два внешних выступа или внешние спиральные лопасти 27, требуется вращение внешнего корпуса 14 на 900 градусов и вращение внутреннего корпуса 12 на 600 градусов, чтобы механически захватить один из зарядов воздуха 50. Спиральный изгиб внутреннего корпуса существенно увеличивается при переходе от первой секции 24 ко второй секции 26. Эта осевая локализация обозначена плоскостью сжатия, как показано на фиг.2. Горение постоянного объема инициируется во второй секции 26, когда весь заряд воздуха 50 пересекает плоскость сжатия и полностью проходит во вторую секцию 26. Каждый из зарядов воспламеняется индивидуально и, поскольку спиральные изгибы во внутреннем и внешнем корпусах остаются постоянными на протяжении второй секции 26, во второй секции 26 осуществляется горение постоянного объема. Дополнительное сравнение с вариантом осуществления внутреннего и внешнего корпусов 12, 14, имеющих два выступа 60 внутреннего корпуса (две внутренние спиральные лопасти 17), можно выполнить посредством сравнения фиг.11 с фиг.2, в частности, относительно градусов вращения внешнего корпуса 14 и градусов вращения внутреннего корпуса 12, необходимых для захвата одного из зарядов воздуха 50, и разницы в спиральных изгибах первой, второй и третьей секций 24, 26 и 28.

Со ссылкой на фиг.2-4, где вслед за горением постоянного объема во второй секции 26 заряд или рабочая текучая среда подвергается почти изоэнтропическому процессу расширения в третьей секции 28, и продукт извлекается из третьей секции 28. Расширение может выполняться при постоянной температуре. После того, как передний край заряда с высокой температурой и высоким давлением пересекает плоскость расширения, объем заряда воздуха 50 начинает расширяться и расти в осевом направлении. Это расширение извлекает энергию из текучей среды, обеспечивая продукт, необходимый для приведения в действие первой и второй секций 24, 26 и поддержания газогенерирующего процесса. Вслед за расширением текучая среда нагнетается через заднюю плоскость в расположенную позади камеру повышенного давления по существу при повышенных температуре и давлении относительно ее исходного состояния.

На фиг.12 показана диаграмма энтропии (T-S диаграмма) цикла шнекового двигателя, обозначенная как цикл сердечника шнека в зависимости от цикла Брайтона. Цикл сердечника шнека подводит работу на стадию сжатия цикла, обозначенную как Wcmp, для сжатия. Основной цикл шнека подводит работу, обозначенную как Wcmb, на стадию горения постоянного объема цикла и подводит тепло, обозначенное как Qcmb, для горения. Основной цикл шнека извлекает работу адиабатически, что обозначено как Wtmb, в течение стадии расширения цикла. Цикл сердечника шнека может извлекать работу изотермически. В примерном варианте осуществления двигателя основного цикла шнека, иллюстрируемого в данном описании, третья секция 28 функционирует как турбина осевой линии 8 двигателя и подводит работу и в первую, и во вторую секции 24, 26.

Полезная работа двигателя основного цикла шнека, как показано на фиг.12, представляет собой WC, а полезная работа цикла Брайтона обозначена как WB. Полезная работа цикла шнека, описанного здесь, и циклов Брайтона относится к давлению всасывания осевой линии 8 двигателя, обозначенной на фиг.12 линией постоянного давления. Цикл шнека, описываемый здесь, также включает в себя горение на протяжении всей второй секции 26. Этот цикл для двигателя с положительным смещением или газогенератора предлагает существенные выгоды в рабочих характеристиках по сравнению с двигателями цикла Брайтона в отношении как полезной работы, так и термического КПД. Способность увеличивать полезную работу по сравнению с таковой цикла Брайтона обеспечивает возможность удовлетворять такой же потребности в электроэнергии с меньшим двигателем или газогенератором, производя комбинацию, особенно привлекательную для применений, чувствительных к весу и размеру.

На фиг.1 и 13, и более конкретно на фиг.14, показан короткий впускной переходной канал 180 между секцией 112 вентилятора и внутренним контуром двигателя 118 или шнековым газогенератором 100. Короткий впускной переходной канал 180 имеет два приблизительно 90-градусных впускных колена 182, 184, внешнее и внутреннее. Кольцевые внешняя и внутренняя впускные поворотные лопатки 186, 188, расположенные во внешнем и внутреннем впускных коленах 182, 184 соответственно, обеспечивают с точки зрения аэродинамики эффективный поток, проходящий через эти колени. На фиг.15 показан короткий впускной переходной канал 190 между шнековым газогенератором 100 и ТНД 121 противоположного вращения. Выпускной переходной канал 190 имеет два приблизительно 90-градусных разнесенных на расстояние в радиальном направлении колена, обозначенных как внешнее и внутреннее выпускные колени 192, 194. Разнесенные на расстояние в радиальном направлении кольцевые внешняя и внутренняя выпускные поворотные лопатки 196, 198, расположенные во внешнем и внутреннем выпускных коленах 192, 194, обеспечивают с точки зрения аэродинамики эффективный поток, проходящий через эти колени.

Лопасти 150 вентилятора выше по потоку более конкретно показаны на фиг.14 и 16-18. Каждая из лопастей 150 вентилятора выше по потоку включает в себя аэродинамическую поверхность 212, проходящую в радиальном направлении наружу от диска 117 вентилятора выше по потоку до венца 200 аэродинамической поверхности 212. Аэродинамическая поверхность 212 включает в себя по существу выпуклую сторону 236 всасывания и вогнутую сторону 238 повышенного давления, соответственно, проходящие в осевом направлении между передней и задней кромками 232 и 234. Ступень 4 вентиляторов противоположного вращения выше по потоку выполнена так, что имеет низкую скорость венца лопатки, составляющую приблизительно 850 футов/сек, малое значение радиусов впуска, которое находится в диапазоне приблизительно 0,10-0,15, и максимальный впускной определенный для конструкции расход, составляющий приблизительно 44,5 фунтов/сек. Малое значение радиусов впуска обеспечивает максимальный расход на единицу лобовой площади.

Со ссылкой на фиг.14, на которой значение радиусов впуска вентиляторов определяется как впускной радиус 278 ступицы, разделенный на впускной радиус 276 венца лопатки вентилятора. Выпускной радиус 278 ступицы и впускной радиус 276 венца лопатки вентилятора измеряют относительно осевой линии 8 двигателя. Впускной радиус 276 венца лопатки вентилятора измеряют от осевой линии 8 и венцов 200 лопаток вентиляторов во впуске 202 вентиляторов к секции 112 вентилятора. Впускной радиус 278 ступицы измеряют от осевой линии 8 к пересечению ступицы 274 и платформ 246 лопаток вентилятора.

Ступени вентиляторов иллюстрируются как имеющие десять лопастей 150 вентилятора выше по потоку. Ступень 6 вентилятора ниже по потоку выполнена так, что имеет скорость венца лопатки, совместимую с его требованием степени повышения давления, которое соответствует низкому шуму и общепринятому отношению радиуса впуска класса, составляющему 0,3. Газогенератор 100 с положительным смещением осевого потока представляет собой каскад высокого давления почти с постоянным смещением с постоянной степенью повышения давления, не зависящей от скорости или входного потока.

На фиг.19 показан другой вариант осуществления двигателя 10, в котором турбина 120 низкого давления имеет турбину 220, вращающуюся в одном направлении вращения, соединенную с возможностью приведения в действие с секцией 112 вентилятора противоположного вращения посредством одного вала 222 низкого давления. Вал 222 низкого давления соединен с возможностью приведения в действие с рядами 113, 115 лопаток вентилятора выше по потоку и ниже по потоку через коробку 224 передач, такую как планетарная коробка передач.

Хотя в данном описании были описаны варианты осуществления настоящего изобретения, которые, как мы полагаем, являются предпочтительными и примерными, из положений, изложенных в данном описании, специалистам в данной области техники должны быть очевидны другие модификации изобретения, и поэтому мы хотим, чтобы в прилагаемой формуле изобретения были защищены все такие модификации, как находящиеся в пределах объема и сущности изобретения.

Газотурбинный двигатель с вентиляторами противоположного вращения содержит последовательно в направлении вниз по потоку секцию вентиляторов противоположного вращения, газогенератор с положительным смещением осевого потока и турбину низкого давления противоположного вращения, функционально соединенную с секцией вентиляторов противоположного вращения. Газогенератор с положительным смещением осевого потока представляет собой каскад высокого давления с постоянным смещением осевого потока и включает в себя впуск, сердечник и секцию камеры сгорания. Впуск разнесен в осевом направлении и расположен выше по потоку от выпуска. Сердечник включает в себя внутренний корпус, расположенный внутри внешнего корпуса. Внутренний и внешний корпусы проходят от впуска к выпуску и имеют смещенные внутреннюю и внешнюю оси соответственно. По меньшей мере, один из внутреннего и внешнего корпусов выполнен с возможностью вращения вокруг соответствующей одной из внутренней и внешней осей. Внутренний и внешний корпусы имеют взаимодействующие внутреннюю и внешнюю спиральные лопасти, проходящие вокруг внутренней и внешней осей соответственно. Внутренние и внешние спиральные лопасти проходят в радиальном направлении наружу и внутрь соответственно. Сердечник имеет первую, вторую и третью секции, расположенные последовательно в направлении вниз по потоку, проходящие между впуском и выпуском. При этом внутренние и внешние спиральные лопасти имеют первые, вторые и третьи спиральные изгибы в первой, второй и третьей секциях соответственно. Первые спиральные изгибы меньше, чем вторые спиральные изгибы, а третьи спиральные изгибы меньше, чем вторые спиральные изгибы. Секция камеры сгорания проходит в осевом направлении вниз по потоку, по меньшей мере, через участок второй секции. Изобретение направлено на повышение эффективности двигателя, уменьшение его веса, снижение затрат на производство, монтаж и ремонт. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Газотурбинный двигатель (10) с вентиляторами противоположного вращения, содержащий последовательно в направлении вниз по потоку секцию (112) вентиляторов противоположного вращения, газогенератор (100) с положительным смещением осевого потока, представляющий собой каскад высокого давления с постоянным смещением, и турбину (121) низкого давления противоположного вращения, функционально соединенную с секцией (112) вентиляторов противоположного вращения.

2. Двигатель (10) по п.1, в котором
газогенератор (100) включает в себя впуск (20), разнесенный в осевом направлении и расположенный выше по потоку от выпуска (22),
сердечник (15), включающий в себя внутренний корпус (12), расположенный внутри внешнего корпуса (14), причем внутренний и внешний корпуса (12, 14) проходят от впуска (20) к выпуску (22),
при этом внутренний и внешний корпуса (12, 14) имеют смещенные внутреннюю и внешнюю оси (16, 18) соответственно,
по меньшей мере один из внутреннего и внешнего корпусов (12, 14) выполнен с возможностью вращения вокруг соответствующей одной из внутренней и внешней осей (16, 18),
причем внутренний и внешний корпуса (12, 14) имеют взаимодействующие внутреннюю и внешнюю спиральные лопасти (17, 27), проходящие вокруг внутренней и внешней осей (16, 18) соответственно,
при этом внутренние и внешние спиральные лопасти (17, 27) проходят в радиальном направлении наружу и внутрь соответственно,
причем сердечник (15) имеет первую, вторую и третью секции (24, 26, 28), расположенные последовательно в направлении вниз по потоку, проходящие между впуском (20) и выпуском (22),
при этом внутренние и внешние спиральные лопасти (17, 27) имеют первые, вторые и третьи спиральные изгибы (34, 36, 38) в первой, второй и третьей секциях (24, 26, 28) соответственно,
причем первые спиральные изгибы (34) меньше, чем вторые спиральные изгибы (36), а третьи спиральные изгибы (38) меньше, чем вторые спиральные изгибы (36), и
секцию (40) камеры сгорания, проходящую в осевом направлении вниз по потоку, по меньшей мере, через участок второй секции (26).

3. Двигатель (10) по п.2, в котором внешний корпус (14) выполнен с возможностью вращения относительно внешней оси (18), а внутренний корпус (12) выполнен с возможностью вращения относительно внутренней оси (16).

4. Двигатель (10) по п.3, в котором внутренний и внешний корпуса (12, 14) соединены вместе с передачей фиксированным передаточным соотношением.

5. Двигатель (10) по п.2, в котором внешний корпус (14) неподвижен относительно внешней оси (18), а внутренний корпус (12) выполнен с возможностью вращения относительно внешней оси (18).

6. Двигатель (10) по п.5, в котором внутренний и внешний корпуса (12, 14) соединены вместе передачей с фиксированным передаточным соотношением.

7. Двигатель (10) по п.1, в котором турбина (121) низкого давления противоположного вращения включает в себя турбины (122, 124) низкого давления выше по потоку и ниже по потоку.

8. Двигатель (10) по п.1, дополнительно содержащий
впускной переходной канал (180) между секцией (112) вентиляторов противоположного вращения и газогенератором (100),
разнесенные в радиальном направлении внешние и внутренние впускные колени (182, 184) во впускном переходном канале (180), и
разнесенные в радиальном направлении кольцевые внешние и внутренние впускные поворотные лопатки (186, 188), расположенные во внешних и внутренних впускных коленях (182, 184) соответственно.

9. Двигатель (10) по п.1, в котором секция (112) вентиляторов противоположного вращения включает в себя ступени (4, 6) вентиляторов противоположного вращения выше по потоку и ниже по потоку, имеющие малые значения радиусов впуска выше по потоку и ниже по потоку, соответственно, в диапазоне от 0,10 до 0,15.

10. Газотурбинный двигатель (10) с вентиляторами противоположного вращения, содержащий последовательно в направлении вниз по потоку секцию (112) вентиляторов противоположного вращения, газогенератор (100) с положительным смещением осевого потока, представляющий собой каскад высокого давления с постоянным смещением, и турбину (120) низкого давления, функционально соединенную с секцией (112) вентиляторов противоположного вращения и представляющую собой турбину (220), вращающуюся в одном направлении вращения, соединенную с возможностью приведения в действие с секцией (112) вентиляторов противоположного вращения посредством одного вала (222) низкого давления через коробку (224) передач.