ДВУХКОНТУРНЫЙ БИРОТАТИВНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК F02K3/65 F02C3/73 

Изобретение может использоваться для авиационных ГТД (газотурбинных двигателей) любого назначения, в том числе военных и гражданских с дозвуковой скоростью полета и очень низким расходом топлива.

Известен биротативный газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2702317, МПК F02C 3/16, опубл. 07.10.2019 г.

Этот биротативный газотурбинный двигатель содержит корпус, на котором установлены жестко трубопроводы подачи окислительного и горючего рабочих тел в рабочее колесо первого ротора, установленного жестко на валу с возможностью вращения, содержащего компрессор для сжатия окислительного рабочего тела, и реактивную турбину, выполненную в виде сегнерова колеса, а также содержащий рабочее колесо второго ротора, установленное соосно и коаксиально вокруг рабочего колеса первого ротора, с возможностью независимого вращения на своем валу в противоположную от первого ротора сторону, рабочее колесо первого ротора выполнено в виде моноблока, установленного жестко на своем валу с возможностью вращения, содержащего двухпоточное закрытое центробежное колесо.

Недостаток: сложная конструкция ГТД из-за применения центробежных компрессоров и турбин.

Известен биротативный газотурбинный двигатель по патенту РФ №2347179, МПК Е45В 25/00, опубл. 20.02.2009 г., прототип.

Этот биротативный газотурбинный двигатель содержит невращающуюся камеру сгорания, реактивное сопло и биротативную турбину с биротативным компрессором, размещенные последовательно друг за другом.

Недостатки: большой осевой габарит двигателя и неоптимальность работы его узлов: компрессора и турбины и их большой вес.

Задачи создания изобретения: повышение эффективности работы компрессора и турбины упрощение конструкции и уменьшение веса и габаритов.

Достигнутые технические результаты; повышение эффективности работы компрессора и турбины, упрощение конструкции и уменьшение веса и габаритов.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель, содержащий невращающуюся камеру сгорания, реактивное сопло и биротативную турбину с биротативным компрессором, тем, что биротавный компрессор выполнен внутри биротативной турбины, концентрично внешнему ротору турбины установлен обтекатель, внутри которой установлена, одна рабочая ступень вентилира с направляющей ступенью вентилятора за ней, а невращающаяся камера сгорания выполнена цилиндрической, в месте стыка биротативного компрессора с биротативной турбиной с возможностью поворота воздушного потока из биротативного компрессора на 180°, а выход из биротативной турбины соединен посредством поворота потока продуктов сгорания на 180° - с центральным цилиндрическим каналом внутри биротативного компрессора и с реактивным соплом на выходе из двигателя, а все соединения статоров и роторов биротативного компрессора и биротативной турбины между собой и с камерой сгорания защищены узлами защиты соединений.

Внутренний вал биротативного компрессора может быть соединен с первой рабочей ступенью винтовентилятора.

Внешний вал биротативной турбины может быть соединен с второй рабочей ступенью винтовентилятора.

Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель может содержать передний, средний и задний подшипники, которые содержат системы смазки.

Передний подшипник может быть установлен под первой направляющей ступенью вентилятора, средний подшипник - под невращающейся камерой между внешним валом биротативного компрессора и промежуточным ротором, а задний подшипник - на выходе внутреннего ротора биротативного компрессора из - под невращающейся камеры между внешним валом биротативного компрессора и промежуточным ротором,

Узлы защиты соединений могут быть оборудованы уплотнениями, подшипниками скольжения и упорными подшипниками.

Реактивное сопло может быть выполнено вращающимся от внутреннего ротора биротативного компрессора.

Все подшиники может быть оборудованы маслосимой с охлаждение масла.

Условные обозначения принятые в описании:

невращающаяся камера сгорания - 1,

реактивное сопло - 2,

биротативный компрессор - 3,

внутренний ротор компрессора - 4,

промежуточный ротор - 5,

направляющий аппарат компрессора - 6,

рабочая лопатка компрессора - 7,

биротативиая турбина - 8,

внешний ротор турбины - 9,

сопловой аппарат турбины - 10,

рабочее колесо турбины - 11,

входной обтекатель - 12,

воздухозаборник - 13,

внутренняя полость камеры - 14,

воздушная полость - 15,

отсек горения - 16,

форсуночная плита - 17,

топливо-воздушная форсунка - 18,

жаровая труба - 19,

узел защиты соединений - 20,

уплотнение - 21,

подшипник скольжения - 22,

упорный подшипник - 23,

топливопровод - 24,

насос основной - 25,

основной отсечной клапан - 26,

центральная передняя панель - 27,

передняя панель - 28,

цилиндрическая центральная полость - 29,

первая рабочая ступень вентилятора - 30,

первая рабочая лопатка вентилятора - 31,

первая направляющая ступень вентилятора - 32,

первая направляющая лопатка вентилятора - 33,

второй контур - 34,

обтекатель - 35,

задние ребра обтекателя - 36,

сопло второго контура - 37,

задняя опора - 38,

средняя опора - 39,

первое входное отверстие воздуха - 40,

второе входное отверстие воздуха - 41,

бак топлива - 42,

бак масла - 43,

маслопровод - 44,

масляная полость - 45,

топливный коллектор - 46,

отверстия жаровой трубы - 47

внутренняя стенка жаровой трубы - 48,

внешняя стенка жаровой трубы - 49,

выходной канал - 50,

первая ступень винтовентилятора - 51,

лопатка первой ступени винтовентилятора - 52,

втулка первой ступени лоратки винтовентиляторам - 53,

вторая ступень винтовентилятора - 54,

лопатка второй ступени винтовентилятора - 55,

втулка второй ступени лопатки винтовентиляторам - 56,

кожух камеры сгорания - 57,

уплотнение камеры сгорания - 58,

внутренне уплотнение - 59,

отвод масла - 60,

теплообменник - 61,

вентилятор - 62,

возвратная труба масла - 63,

гофрированный лист - 64,

продольное ребро - 65,

передний подшипник - 66.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг. 1-9), где:

на фиг. 1 приведен внешний вид биротативного газотурбинного двигателя с одним первым рабочим ротором внешнего вентилятора,

на фиг. 2 приведен вид по А на входе в двигатель,

на фиг. 3 приведен узел соединения,

на фиг. 4 приведена камера сгорания,

на фиг. 5 приведены невращающаяся камера сгорания и реактивное сопло,

на фиг. 6 приведен разез С-С по первым отвертиям на внешем роторе турбины,

на фиг. 7 приведен внеший ротор турбины с первое входное отверстие воздуха,

на фиг. 8 приведена разрез Ε-Ε,

на фиг. 9 привено задняя часть двигателя с реактивны соплом и его работа.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…9.

Биротативный газотурбинный двигатель содержит (фиг. 1) невращающуюся камеру сгорания 1 и реактивное сопло 2, которое вращается вместе с внутренним ротором компрессора 4.

Кроме того, он содержит биротативный компрессор 3, внутренний ротор компрессора 4, промежуточный ротор 5, направляющие аппараты компрессора 6, рабочие лопатки компрессора 7.

Биротативная турбина 8 содержит внешний ротор турбины 9, сопловые аппараты турбины 10, рабочее колесо турбины 11, входной обтекатель 12, воздухозаборник 13 (фиг. 1).

Возможно исполнение двигателя: с одной рабочей ступенью вентилятора (фиг. 1) с небольшой степенью двухконтурности 0,2-0,3.

Невращающаяся камера сгорания 1 (Фиг. 1 и 4) содержит внутренню полость камеры 14, воздушную полость 15, отсек горения 16, форуночную плиту 17, топливо-воздушные форсунки 18 и жаровую трубу 19.

В двигателе на его входе (Фиг. 1) установлена первая рабочая ступень вентилятора 30 с первыми рабочая лопатками вентилятора 31, первую направляющую ступень вентилятора 32 с первыми направляющими лопатками вентилятора 33.

Первая рабочая ступень вентилятора 30 прикреплена к внутреннему ротору компрессора 4, а первая направляющая ступень вентилятора 32 установлена между обтекателем 35 и внешним ротором турбины 9.

Кроме того, все ротора 4, 5 и 9 имеют с обеих сторон узел зашиты соединений 20, который содержит уплотнения 21, подшипник скольжения 22 и упорный подшипник 23 (фиг. 3).

Важным узлом являются уплотнения 21. Они должны работать при высоких температурах длительное время.

Примером такого уплотнения можно считать изобретение РФ №2695874, МПК F16J 15/08, опубл. 29.07.2019 г., разработанное РАН (институт им. А.А. Благонравова).

Предложено выполнить уплотнение в виде кремнеземного полого шнура.

Топливопровод 24 (фиг. 1) содержит насос 25 с основным отсечным клапаном 26 и соединен с топливным коллектором 46 для подачи топлива в топливные форсунки 18.

В передней части двигателя установлены неподвижная центральная передняя панель 27 и передняя панель 28, внутри внутреннего биротативного компрессора 3 выполнена цилинричечув центральная полость 29.

Воздух к невнащающейся камере сгорания 1 подводится через первые входные отверстия 40 и через вторые входные отверстия 41 приведенные более детально на фиг. 9 и 10. Больша часть воздуха (около 90% поступает в воздушную полость 15 для питания топливно-воздушных форсунок 18, установленных на форсуночной плите 17, и сообщающихся с топливным коллентором 46 (Фиг. 1 и 4).

Передний подшипник 66 может быть установлен под первой направляющей ступенью вентилятора 30, средний подшипник 39 - под невращающейся камерой 2 между внешним валом биротативного компрессора 4 и промежуточным ротором 9, а задний подшипник 38- на выходе внутреннего ротора биротативного компрессора 4 из - под невращающейся камеры 2 между внешним валом биротативного компрессора 4 и промежуточным ротором 9,

Все подшипники 66, 39 и 38 оборудованы системами смазки и охлаждения масла. Далее будет подробнее показана эта система (маслонасосы и фильтры и другая арматура систему смазки и охлаждения масла на фиг. 1-9 не показаны),

Невращающаяся камера сгорания 1 содержит жаровую трубу 19 с внутренней стенкой жаровой трубы 48 и внешней стенкой жаровой трубы 49. В этих стенках выполнены отверстия жаровой трубы 47 для ее охлаждения. (Фиг. 1 и 4).

Выходной канал жаровой трубы 40 выполнен цилиндрическим в виде пустотелого цилиндра и для предотвращения обгорания и защищен гофрированным листом 64 (фиг. 8). В задней части двигателя (фиг. 1 и 9) установлено реактивное сопло 2, которое выполнено вращающимся вместе с внутренним ротором компрессора 4 и имеет внутри продольные ребра 65, которые закручивают выхлопные продукты сгорания, а это способствует закрутке холодного воздуха, выходящего из тракта 2-го контура 34 (фиг. 9). Это способствует повышению тяги двигателя и снижению удельного расхода топлива.

РАБОТА ДВУХКОНТУРНОГО БИРОТАТИВНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель, как упомянуто ранее, содержит (фиг. 1…9) невращающуюся камеру сгорания 1 и реактивное сопло 2 (фиг. 1). Невращающаяся камера сгораний 1 крепится к крылу самолета.

В биротативном компрессоре 3, проходя между направляющими аппаратами компрессора 6 и рабочими лопатками компрессора 7 (фиг. 1) воздух сжимается до 30…40 раз и более. Одновременно вращение с внутреннего ротора компрессора 4 передается на первые рабочие лопатки вентилятора 31 первой рабочей ступени вентилятора 30.

Потом поток сжатого воздуха первого контура поворачивается ни 180 для входа в невращающуюся камеру сгорания 1 и далее продукты сгорания идут в биротативную турбину 8.

Проходя под внешним ротором турбины 9 через сопловые аппараты турбины 10 и рабочие колеса турбины 11 продукты сгорания отдают мощность биротативной турбине 8 для привода компрессора 3 и для создания тяги в реактивном сопле 2 (фиг. 1 и 4)

Для этого поток продуктов сгорания еще раз поворачивают на 180° во входном обтекателе 12 для подачи в цилиндрическую центральную полость 29. (подробнее показано на фиг. 1 и 2). Поток продуктов сгорания проходит между воздухозаборниками 13 для дальнейшего продвижения в цилиндрическую центральную полость 29 и далее в реактивное сопло 2. Реактивное сопло 2 выполнено вращающимся вместе с внутренним ротором компрессора 4.

Невращающаяся камера сгорания 1 (Фиг. 1) содержит внутреннюю полость камеры 14 (Фиг. 4), которая делится на воздушную полость 15 и отсек горения 16 форсуночной плитой 17. На форсуночной плите 17 со стороны отсека горения 16 установлены топливо=воздушные форсунки 18, а со стороны воздушной полости 15 - топливный коллектор 19,

В невращающейся камере сгорания 1

Кроме того, все ротора 4, 5 и 9 имеют с обеих сторон узлы защиты соединений 20. Узел защиты соединений 20 содержит уплотнение 21, подшипник скольжения 22, и упорный подшипник 23 (фиг. 5).

Топливопровод 24 (фиг. 1) содержит насос 25 с отсечным клапан 26 и соединен с топливным коллектором 46.

В передней части двигателя установлены центральная передняя панель 27 и передняя панель 28, которая вращается.

На фиг. 8 приведен разрез С-С. Стенки жаровой трубы 48 и 49 установлены с радиальными зазорами δ. В радиальных зазорах δ установлены гофрированные листы 64.

На фиг. 9 приведено реактивное сопло 2 и его работа.

Реактивное сопло 2 выполнено вращающимся вместе с внешним ротором биротативного компрессора 4. Внутри реактивного сопла 2 установлены продольные ребра 65, которые закручивают выхлопной поток первого контура

Вследствие этого осуществляется перемешивание горячих продуктов сгорания и холодного воздуха после ступеней винтовентиляторов 51 и 53.

Это увеличивает тягу двигателя и снижает удельный расход топлива.

Применение изобретения позволило:

- создать двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель с максимальным количеством вращающихся роторов,

- отказаться от редуктора для уменьшения веса количества оборудования,

- значительно улучить прочностные и аэродинамические показатели и уменьшить длину двигателя почти на 50% и его вес в 3…4 раза,

- уменьшить напряжение от действия центробежных сил на вращающиеся детали,

- обеспечить дозвуковые полеты гражданских и военных самолетов с очень низким расходом топлива,

- надежно перемешать потоки первого и второго контуров на выхлопе для увеличения тяги двигателя и уменьшения удельного расхода топлива.

Изобретение относится к приводам для авиации, конкретно - к двухконтурным газотурбинным двигателям. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель, содержащий невращающуюся камеру сгорания, реактивное сопло и биротативную турбину с биротативным компрессором. Биротативный компрессор выполнен внутри биротативной турбины, концентрично внешнему ротору турбины установлен обтекатель, внутри которого установлена, одна рабочая ступень вентилира с направляющей ступенью вентилятора за ней, а невращающаяся камера сгорания выполнена цилиндрической, в месте стыка биротативного компрессора с биротативной турбиной с возможностью поворота воздушного потока из биротативного компрессора на 180°, а выход из биротативной турбины соединен посредством поворота потока продуктов сгорания на 180° - с центральным цилиндрическим каналом внутри биротативного компрессора и с реактивным соплом на выходе из двигателя. Все соединения статоров и роторов биротативного компрессора и биротативной турбины между собой и с камерой сгорания защищены узлами защиты соединений. Достигается повышение эффективности работы компрессора и турбины и упрощение конструкции. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель, содержащий невращающуюся камеру сгорания, реактивное сопло и биротативную турбину с биротативным компрессором, отличающийся тем, что биротативный компрессор выполнен внутри биротативной турбины, концентрично внешнему ротору турбины установлен обтекатель, внутри которого установлена одна рабочая ступень вентилятора с направляющей ступенью вентилятора за ней, а невращающаяся камера сгорания выполнена цилиндрической, в месте стыка биротативного компрессора с биротативной турбиной с возможностью поворота воздушного потока из биротативного компрессора на 180°, а выход из биротативной турбины соединен посредством поворота потока продуктов сгорания на 180° - с центральным цилиндрическим каналом внутри биротативного компрессора и с реактивным соплом на выходе из двигателя, а все соединения статоров и роторов биротативного компрессора и биротативной турбины между собой и с камерой сгорания защищены узлами защиты соединений.

2. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренний вал биротативного компрессора соединен с первой рабочей ступенью винтовентилятора.

3. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что внешний вал биротативной турбины соединен с второй рабочей ступенью винтовентилятора.

4. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он содержит передний, средний и задний подшипники, которые содержат системы смазки.

5. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 4, отличающийся тем, что передний подшипник установлен под первой направляющей ступенью вентилятора, средний подшипник - под невращающейся камерой между внешним валом биротативного компрессора и промежуточным ротором, а задний подшипник - на выходе внутреннего ротора биротативного компрессора из-под невращающейся камеры между внешним валом биротативного компрессора и промежуточным ротором.

6. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что узлы защиты соединений оборудованы уплотнениями, подшипниками скольжения и упорными подшипниками.

7. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что реактивное сопло выполнено вращающимся от внутреннего ротора биротативного компрессора.

8. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 4, отличающийся тем, что все подшипники оборудованы маслосистемой с охлаждением масла.