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 биротативный газотурбинный двигатель, содержащий неподвижную камеру сгорания и 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 и упрощение конструкции.

Достигнутые технические результаты: повышение эффективности работы компрессора и турбины и 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, а также тем, что биротативный компрессор выполнен внутри биротативной турбины, концентрично внешнему ротору турбины установлен обтекатель, внутри которой установлена по меньшей мере одна рабочая ступень винтовентилятора с направляющей ступенью винтовентилятора 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 со второй рабочей ступенью винтовентилятора.

Биротативный газотурбинный двигатель может содержать передний, средний и задний подшипники.

Передний подшипник может быть установлен под первой направляющей ступенью винтовентилятора, средний подшипник - под второй направляющей ступенью винтовентилятора, а задний подшипник - на выходе внутреннего ротора биротативного компрессора.

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

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

Условные обозначения, принятые в описании:

камера сгорания 1,

реактивное сопло 2,

биротативный компрессор 3.

внутренний ротор компрессора 4,

промежуточный ротор 5,

направляющие аппараты компрессора 6

рабочие лопатки компрессора 7,

биротативая турбина 8,

внешний ротор турбины 9,

сопловые аппараты турбины 10,

рабочее колесо турбины 11,

входной обтекатель 12,

воздухозаборник 13,

внутренняя полость камеры 14,

воздушная полость 15,

отсек горения 16,

форсуночная плита 17,

топливная форсунка 18,

жаровая труба 19,

узел защиты соединений 20,

уплотнения 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 винтовентилятора 30,

первая рабочая лопатка винтовентилятора 31,

вторая рабочая ступень винтовентилятора 32,

вторая рабочая лопатка винтовентилятора 33,

первая направляющая ступень винтовентилятора 34,

первая направляющая лопатка винтовентилятора 35,

вторая направляющая ступень винтовентилятора 36,

вторая направляющая лопатка винтовентилятора 37,

внутренняя полость привода 38,

обтекатель 39,

окна обтекателя 40,

заднее ребро обтекателя 41,

выходной канал обтекателя 42,

выходной канал воздуха 43,

передняя опора 44,

средняя опора 45,

задняя опора 46,

бак топлива 47,

бак масла 48,

маслопровод 49.

масляная полость 50,

топливный коллектор 51,

отверстие жаровой трубы 52,

входное внутреннее отверстие 53,

входной канал 54,

внутренняя стенка жаровой трубы 55,

внешняя стенка жаровой трубы 56,

выходной канал 57,

радиальное ребро 58,

тракт 2-го контура 59,

внутренний привод 60,

ведущая шестерня внутреннего привода 61,

ведомая шестерня внутреннего привода 62,

внешний привод 63,

ведущая шестерня внешнего привода 64,

ведомая шестерня внешнего привода 65,

коробка внешнего привода 66,

звукопоглощающая панель 67.

Сущность изобретения поясняется на чертежах (фиг.1-11), где

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

на фиг.2 приведен внешний вид биротативного газотурбинного двигателя с двумя рабочими роторами внешнего винтовентилятора,

на фиг.3 приведен вид по А,

на фиг.4 приведен узел соединения,

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

на фиг.6 приведен вид двигателя сзади, фиг. В,

на фиг.7 приведен разрез С - С двигателя сзади,

на фиг.8 приведен внутренний привод рабочих лопаток винтовентилятора,

на фиг.9 приведен внешний привод направляющих лопаток винтовентилятора,

на фиг.10 приведен разрез D - D;

на фиг.11 показан обтекатель со звукопоглощающей панелью.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…11.

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.1-3).

Возможны два варианта исполнения двигателя: с одной рабочей ступенью винтовенти-лятора (фиг.1) и с двумя, и более рабочими ступенями винтовентилятора (Фиг. 2).

В первом варианте (Фиг. 1) двигатель содержит в передней части двигателя первую рабочую ступень винтовентилятора 30, с первыми рабочими лопатками винтовентилятора 31, первую направляющую ступень винтовентилятора 34, с первыми направляющими лопатками винтовентилятора 35.

Первая ступень винтовентилятора 30 прикреплена к внутреннему ротору компрессора 4, а первая направляющая ступень 34 установлена между обтекателем 39 и внешним ротором турбины 9 на передней опоре 44.

Во втором варианте исполнения двигателя (фиг.2) он дополнительно содержит вторую рабочую ступень винтовентилятора 32 со вторыми рабочими лопатками винтовентилятора 33, вторую направляющую ступень винтовентилятора 36 со вторыми направляющими лопатками винтовентилятора 37. Возможно применение трех и более рабочих ступеней винтовентилятора.

Вторая рабочая ступень винтовентилятора 32 прикреплена к внешнему ротору турбины 9, а вторая направляющая ступень 36 установлена между обтекателем 39 и внешним ротором турбины 9 на средней опоре 45.

Камера сгорания 1 содержит (фиг.5) внутреннюю полость камеры 14, которая делится на воздушную полость 15 и отсек горения 16 с форсуночной плитой 17. На форсуночной плите 17 со стороны отсека горения 16 установлены топливные форсунки 18, а со стороны воздушной полости 15 - коллектор 19.

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

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 и 2) содержит насос 25 с отсечным клапаном 26 и соединен с коллектором 19 для подачи топлива в топливные форсунки 18.

В передней части двигателя установлены неподвижная передняя панель 27 и передняя панель 28.

В задней части двигателя (фиг.6 и 7) установлено вращающееся сопло 2, которое имеет внутри продольные перегородки 58, которые закручивают выхлопные продукты сгорания, а это способствует закрутке воздуха, выходящего из тракта 2-го контура (фиг.7).

На фиг.8 приведен внутренний привод 60, который содержит ведущую шестерню внутреннего привода 61 и ведомую шестерню внутреннего привода 62.

На фиг.9 приведен внешний привод 63, который содержит ведущую шестерню внутреннего привода 64 и ведомую шестерню внутреннего привода 65.

Применение приводов 60 и 63 (фиг.6 и 8) позволило изменять углы наклона лопаток винтовентиляторов 31 и 33 в зависимости от режима работы двигателя.

На фиг.10 приведен разрез D - D.

На фиг.11 приведен обтекатель 39 со звукопоглощающей панелью 67. Возможно применение и других способов снижения шума винтовентилятора. Известны, например, работы ЦИАС им. П.И. Баранова, в том числе из полезной модели «Биротативный винтовентилятор», полезная модель №156245, МПК F02R 3/052, опубл. 10.11.2015 г.

РАБОТА ДВУХКОНТУРНОГО БИРОТАТИВНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель, как упомянуто ранее, содержит (фиг.1…11) невращающуюся камеру сгорания 1 и реактивное сопло 2 (фиг.1 и 2). Невращающаяся камера сгорания 1 крепится к крылу самолета.

В биротативном компрессоре 3, проходя между направляющими аппаратами компрессора 6 и рабочими лопатками компрессора 7 (фиг.1 и 2), воздух сжимается до 30…40 раз и более. Одновременно вращение с внутреннего ротора компрессора 4 передается на первую рабочую лопатку винтовентилятора 31.

Потом поток сжатого воздуха первого контура поворачивается на 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 турбине 8 для привода компрессора 3 и для создания тяги в реактивном сопле 2 (фиг.6 и 7).

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 3.

Невращающаяся камера сгорания 1 (Фиг. 1 и 2) содержит внутреннюю полость камеры 14 (Фиг. 5), которая делится на воздушную полость 15 и отсек горения 16 с форсуночной плитой 17. На форсуночной плите 17 со стороны отсека горения 16 установлены топливные форсунки 18, а со стороны воздушной полости 15- коллектор 19. Кроме того, все ротора 4, 5 и 9 имеют с обеих сторон узел защиты соединений 20. Узел защиты соединений 20 содержит уплотнение 21, подшипник скольжения 22 и упорный подшипник 23 (фиг.5).

Топливопровод 24 (фиг.1 и 2) содержит насос 25 с отсечным клапаном 26 и соединен с коллектором 19.

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

На фиг.8 и 9 приведена задняя часть двигателя.

На фиг.8 приведен вид двигателя сзади (фиг 8), вид В. На фиг.9 приведен разрез С - С сопла 2 и задней части неподвижной камеры сгорания 2.

На фиг.10 приведен разрез D - D. Стенки жаровой трубы 55 и 56 установлены с радиальными зазорами δ. В радиальных зазорах δ установлены гофры 55.

Применение изобретения позволило;

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

- значительно улучшить 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;

- снизить шум винтовентилятора за счет его капотирования и применения звукопогло-щающих панелей.

Изобретение относится к приводам для авиации, конкретно - к двухконтурным газотурбинным двигателям. Предложен 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 по меньшей мере одна рабочая ступень винтовентилятора с направляющей ступенью винтовентилятора за ней. Невращающаяся камера сгорания выполнена цилиндрической в месте стыка биротативного компрессора с биротативной турбиной с возможностью поворота воздушного потока из биротативного компрессора на 180°. 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. Внутренний вал биротативного компрессора может быть соединен с первой рабочей ступенью винтовентилятора. Внешний вал биротативной турбины может быть соединен со второй рабочей ступенью винтовентилятора. Биротативный газотурбинный двигатель может содержать передний, средний и задний подшипники. Передний подшипник может быть установлен под первой направляющей ступенью винтовентилятора, средний подшипник - под второй направляющей ступенью винтовентилятора, а задний подшипник - на выходе внутреннего ротора биротативного компрессора. Узлы защиты соединений могут быть оборудованы уплотнениями, подшипниками скольжения и упорными подшипниками. Реактивное сопло может быть выполнено вращающимся от внутреннего ротора биротативного компрессора. Достигается повышение эффективности работы компрессора и турбины и упрощение конструкции. 6 з.п. ф-лы, 11 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 по меньшей мере одна рабочая ступень винтовентилятора с направляющей ступенью винтовентилятора 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 со второй рабочей ступенью винтовентилятора.

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

5. Двухконтурный биротативный газотурбинный двигатель по п. 4, отличающийся тем, что передний подшипник установлен под первой направляющей ступенью, средний подшипник - под второй направляющей ступенью винтовентилятора, а задний подшипник - на выходе внутреннего ротора биротативного компрессора.

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, или 4, отличающийся тем, что реактивное сопло выполнено вращающимся от внутреннего ротора биротативного компрессора.