Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок Российский патент 2023 года по МПК F02C5/12 

Изобретение относится к газотурбинным двигателям, принцип действия которых основан на взаимодействии расширяющихся газов в закрытой камере сгорания с лопатками рабочей турбины,

К известным газотурбинным двигателям, использующим закрытую камеру сгорания, относится газотурбинный двигатель с сопряженными турбинами, зарегистрированного в Государственном реестре изобретений (см. Патент №2172855, выданный мне 27 августа 2001 году).

Данный газотурбинный двигатель содержит разъемный корпус, две сопряженные турбины, установленные на параллельных валах. Каждая из турбин выполнена в виде набора плоскостенных дисков, жестко закрепленных на валах, по окружности дисков выполнены радиальные впадины. Диски турбин взаимно входят в промежутки между дисков друг друга и сопрягаются своими окружными поверхностями с окружными поверхностями втулок. Каждая турбина снабжена съемными затворами, установленными между выпускным окном и камерой сгорания. Затворы выполнены разъемными из пакетов пластин с промежутками между ними, и закреплены на общих основаниях к корпусу. Профили затворов выполнены с обратной конфигурацией профилям дисков и промежутков у турбин и свободно входят между дисков. Внутренние окружные поверхности обоих затворов сопрягаются с окружными поверхностями меж дисковых втулок. Окружные поверхности втулок сопрягаются с окружными поверхностями промежутков между пластинами. В результате этого закрытая камера сгорания образуется между линией сопряжения турбин и стенками неподвижных двух затворов.

Недостатком данного газотурбинного двигателя является его конструктивная особенность, которая включает в себя две сопряженных между собой турбины и два затвора, посредством которых создается и достигается известная закрытая камера сгорания. В результате данное устройство приводит к избыточным габаритам, к сложности и к недостаточной эффективности.

Цель предлагаемого изобретения заключается в упрощении конструкции, уменьшения габарита, повышения надежности, повышения мощности и получения закрытой камеры сгорания.

В предлагаемом газотурбинном двигателе процесс расширения рабочих газов протекает в двух закрытых камерах сгорания расположенных внутри двух блоков с форсунками, установленных за пределами корпуса на противоположных его сторонах,. Рабочий газ из двух закрытых камер подается непосредственно на лопатки турбин под углом 90 градусов. Отработанный газ выносится полостями между лопатками к выпускным окнам. После выпуска отработанных газов данные полости заполняются воздушной средой, нагнетаемой компрессорами и переносятся в область закрытых камер сгорания топливных продуктов. Каждый блок форсунок содержит одну свечу зажигания и четыре форсунки, две из них работают с топливом, а две - с газом (вариант условный).

С целью создания полного сгорания топливных продуктов, одну форсунку можно использовать для подачи воздуха. Блоки форсунок и выпускные окна расположены на корпусе относительно друг друга в диаметральной плоскости,

С целью охлаждения блоков форсунок и корпуса турбины предусмотрены окна, через которые осуществляется принудительный продув воздушной средой, создаваемой двумя компрессорами

Фиг. 1. Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок, общий вид.

Фиг. 2. Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок, вид спереди.

1. Корпус газотурбинного двигателя с двумя форсунками. 2-3. Выпускные окна 4. Вал двигателя. 5 Соединительный фланец. 6. Труба для забора воздушной среды. 7. Корпус блока форсунок (два штуки). 8-9. Гнезда для форсунок. 10 .Сквозные отверстия для забора воздуха. 11. Накладные кромки крепления трубы (фланцы). 12. Направляющая труба рабочих газов высокого давления. 13. Фланцы для крепления направляющей трубы. 14. Окна для забора воздушной среды. (Боки форсунок выполнены идентично).

Фиг. 3. Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок, вид сзади.

1. Корпус газотурбинного двигателя. 2-3. Выпускные окна. 4. Вал двигателя. 5. Соединительный фланец. 6. Труба для забора воздушной среды. 7 .Конус блока форсунок (два штуки). 8-9. Гнезда для форсунок. 10. Сквозные отверстия для забора воздуха. 11. Накладные кромки крепления трубы (фланцы). 12. Направляющая труба рабочих газов высокого давления. 13. Фланцы для крепления направляющей трубы. 14. Окна для забора воздушной среды

Фиг. 4. Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок, разрез дан вдоль плоскости турбинного колеса и блока корпуса двигателя.

1. Корпус газотурбинного двигателя. 2-3. Выпускные окна отработанных газов. 4. Вал турбинного колеса. 5. Ступица турбины. 6. Труба для забора воздушной среды, 7. Блок форсунок (два штуки). 8-9. Гнезда для форсунок. 10. Сквозное отверстие для забора воздушной среды. 11. Накладные фланцы для крепления трубы. 12. Направляющая труба для рабочих газов. 13. Фланцы для крепления направляющей трубы к корпусу. 14. Продувочные окна. 15. Косой вырез для начала выхода отработанных газов. 16. Направляющее сопло для выхода рабочих газов. 17. Колесо турбины. 18. Лопатки турбинного колеса. 19. Юбка турбины. 20. Продувочные окна (четыре штуки для каждой трубы), дополнительно обеспечивают забор воздушной среды через полость трубы-6. 21. Стрелка показывает направление давления рабочих газов.

Фиг. 5. Корпус газотурбинного двигателя, разрез показан воль плоскости турбинного вала.

1. Корпус двигателя. 4. Вал турбины. 5. Ступица турбины, 17. Турбинное колесо (диск), 18. Лопатки турбины. 19. Юбка турбины. 20. Продувочные окна для охлаждения корпуса двигателя и блоков с форсунками, 22-23. Боковые стенки корпуса двигателя,. 24. Подшипники вала турбины. 25-26. Стенки турбинного колеса.. 27-28. Диски компрессорных колес. 29-30. Ступицы компрессорных колес. 31-32, Лопасти компрессорных дисков. 33-34. Полости для компрессоров. 35. Окно для забора воздушной среды правым компрессором. 36. Окно для забора воздушной среды левым компрессором. 37-38. Стрелки показывают окно для входа воздушной среды от компрессора в полости между лопатками турбины. 39 Стрелки показывают окно для выхода избыточного давления газа прорвавшегося через зазоры между стенок юбки турбины. 40-41. Показаны места жесткого крепления стенок турбины к внутренним стенкам корпуса двигателя. 42. Внутренняя полость турбины.

Фиг. 6-7. Колесо турбины, вид сбоку и показан разрез по А-А на фиг. 6.

5. Ступица. 17. Диск. 18. Лопатки. 19. Юбка. 42. Полость.

Фиг. 8-9. Цилиндрический корпус двигателя, боковые стенки сняты и показан разрез по А=А на фиг. 8.

1. Корпус газотурбинного двигателя. 2-3. Выпускные окна. 15. Косой вырез для выхода отработанных газов. 16. Окно для выхода рабочих газов. 20 Продувочные окна. 35-36. Сообщающие радиальные отверстия (или окна) с полостями 33 и 34 компрессоров.

Фиг. 10-11. Передняя стенка турбины. (Задняя и передняя стенки идентичны) и разрез по А-А на фиг.10

25. Стенка турбинного колеса (две штуки). 33. Компрессорная полость. 35. Окно для забора воздушной среды правым компрессором. 39. Отверстие для выхода просочившихся газов в зазоры между стенок колеса турбины и стенок турбины. 40. Места крепления стенок к корпусу двигателя.

Фиг. 12-13. Передняя стенка корпуса двигателя и показан разрез по А-А на фиг 12.

22. Передняя боковая стенка корпуса двигателя. 24. Гнездо для подшипника. 43. Заборные окна (или отверстия 8 штук) использующиеся для охлаждения корпуса двигателя, через которые воздушная среда засасывается задним воздушным компрессором.

Фиг. 14-15. Задняя стенка корпуса двигателя и разрез по А-А на фиг. 14

23 Задняя боковая стенка корпуса двигателя. 24. Гнездо для подшипника. 44. Заборные окна (отверстия 8 штук) использующиеся для охлаждения корпуса Двигателя, через которые воздушная среда засасывается передним воздушным компрессором.

Фиг. 16-17. Колесо компрессора, вид спереди и разрез по А-А на фиг. 16.

27. Диск компрессорного колеса. 30. Ступица диска компрессорного колеса. 32. Лопатки.

Фиг. 18-19. Показан верхний блок форсунок, вид спереди и показан продольный разрез заборной трубы 6.

1. Корпус двигателя. 3. Выпускное окно отработанных газов. 7. Корпус блока форсунок 11. Накладной фланец для крепления трубы - 6 к корпусу двигателя. 8, 46. Гнезда для форсунок, вид сверху. 9. Гнезда для форсунок (три штуки), расположены с левой стороны блока. 45. Гнездо для свечи зажигания. 10, 48 Сквозные каналы (проход по стрелкам, 52 - вход).

47. Пунктирная линия показывает рабочую полость, которая сообщается с направляющей трубой 12. 49. Четыре радиальных окна, которые сообщаются с продольными окнами 20 корпуса. 50. Показан разрез заборной трубы - 6, 55. Полость трубы. 54. Переходная полость трубы.

Фиг. 20. Схема механизма управления работой форсунок, 56, 57, 58, 59. Четыре форсунки и две свечи зажигания включает в себя один блок форсунок. 60, 61, 62, 63 Включает в себя четыре переключателя. 64, 65, 66, 67. Включает в себя четыре насоса. 68, 69, 70, 71. Включает в себя четыре ролика с кулачками. 72. Трубопроводы возвращают неиспользованное топливо обратно в Бак .73. Стрелки показывают направление топлива в трубопроводах. 74. Стрелки показывают направления топлива в трубопроводах, которое просочилось в зазоры плунжеров у форсунок. 75-76. Четыре кулачка на общим валу расположены относительно друг друга на 90 градусов.

Фиг 21. Схема запуска двигателя и экранирования от помех радиосвязи.

77. Ключ зажигания. 78. Аккумулятор. 79. Стартер. 80. Динамо-машина. 81 Индукционная катушка. 82. Трамблер. 83. Свечи зажигания. 84. Помехоподавляющие конденсаторы. 85 Экранированная соединительная муфта. 86. Экранированный наконечник. 87. Громкоговоритель. 88 .Радиоприемник. 89. Провод антенны. 90. Штыревая антенна.

Устройство газотурбинного двигателя с двумя блоками форсунок.

Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок включает в себя корпус 1 (см. фиг 2, 3 и 4), выполненный цилиндрической формы с двумя выпускными окнами 2 и 3, расположенными с боков в одной диаметральной плоскости, В цилиндрическую полость корпуса установлено турбинное колесо с валом 4 и ступицей 5 (см. фиг. 5, 6, 7). По окружности обода колеса выполнены лопатки 18, расположенные в радиальной плоскости. Заодно с ободом выполнены с двух сторон юбки 19, диск 17 и ступица 5. С двух сторон турбинного колеса с валом установлены две турбинные стенки 25, 26 (фиг.5 и 10, стенки идентичны). Стенки снабжены ободом 40 и 41 (фиг. 5) выполненных с одного бока стенок, свободно насажены на вал и жестко закреплены своими ободками 40 и 41 к внутренним стенкам корпуса (см. фиг. 5). В стенках выполнены окна 39, предназначенные для сообщения полости турбинного колеса с полостями компрессорных насосов 33, 34. Окна выполнены с целью охлаждения полости турбинного колеса и с целью отвода просочившихся газов в зазоры между стенками юбок и стенок турбинного колеса. Окна 37, 38, выполненные на стенках турбины, предназначены для подачи воздушной среды от компрессоров в полости между лопатками турбина (см. показано стрелками). На окружных стенках обода и стенках корпуса выполнены радиальные отверстия 35, 36 (фиг. 5), посредством которых обеспечивается постоянное сообщение между продольными отверстиями 20, выполненными в стенках корпуса и компрессорными полостями 33, 34. Ступицы 29 и 30 компрессорных дисков 27, 28 и ступица турбины 5 жестко закреплены на валу 4. Диски компрессоров снабжены лопатками 31, 32, расположенными вдоль окружности дисков и под углом 45 градусов к стенкам дисков, (фиг. 16, 17). Вал турбины установлен на подшипниках 24, закрепленных в гнездах, выполненных в боковых стенках корпуса 22 и 23 (фиг. 5 и 12, 14).

Передняя и задняя стенки корпуса отличаются друг от друга. У передней стенки (фиг. 12) заборные окна (или отверстия) 43 (восемь штук) выполнены в нижней части стенки с правой стороны. Заборные окна предназначены для охлаждения корпуса двигателя, через них воздушная среда засасывается задним воздушным компрессором посредством лопаток 31 (фиг. 5) через радиальные отверстия 35 в полость 35 компрессора. Забор воздушной среды осуществляется через продольные окна 20 и заборные окна 43 (фиг. 12).

У задней стенки (фиг. 14) заборные окна 44 (восемь шт.) выполнены в верхней части на правой стороне. Заборные окна предназначены для охлаждения корпуса, через них воздушная среда засасывается передним воздушным компрессором посредством лопаток 32 (фиг.5 и 16), через радиальные отверстия 36 в полость 34 компрессора. Забор воздушной среды осуществляется через продольные окна 20 (фиг. 5) и заборные окна 44 (фиг. 14).

Газотурбинный двигатель снабжен двумя блоками 7 (фиг.4. 18, 19) с форсунками. Блоки расположены на противоположных сторонах корпуса. Каждый блок содержат направляющую трубу 12 и трубу 6 для забора воздушной среды. Направляющая труба одним концом жестко крепится посредством фланца к днищу корпуса блока форсунок, а другим концом жестко крепится посредством фланца 13 к поверхности корпуса двигателя. Направляющая труба 12 предназначена для направления взрывного эффекта топливных продуктов при сгорании на лопатки турбины,. Закрытая камера сгорания образуется между внутренней полостью блока форсунок, полостью направляющей трубы и полостями между лопатками турбины.

Для создания наибольшего эффекта КПД, в процессе взрыва топливных продуктов, направляющая труба 12 и окно 16 (фиг. 4 и 18) выполнены под углом 90 градусов к плоскости лопаток турбины (см. стрелку в полости окна 21, она показывает направление действия рабочих газов из полости блоков).

Для охлаждения блока форсунок используется заборная труба 6 (см. фиг .18, 19). Воздух засасывается по стрелкам 52, проходит через продольные окна 10, 48, выполненные с двух сторон блока, проходит переходную полость 54 и поступает в продольную полость 55 заборной трубы. Продольная полость 55 сообщается посредствам радиальных отверстий 49 (четыре штуки) с продольными окнами 20 (фиг. 18), выполненных в стенках корпуса двигателя. Полость закрытой камеры сгорания 47 (см. показана пунктирной линией 47), отделена от сквозных полостей 10, 48 стенками 53. Воздух, проходя продольные окна 20, засасывается через радиальные окна 36 (фиг. 5) лопатками 32 левого компрессора. В полостях 33 и 34 обоих компрессоров создается давление воздушной среды, которая подается через окна 37 и 38 (по стрелкам) в полости между лопатками 18 турбины. Полости турбины переносят воздух в зону горения топливных продуктов закрытых камер 16, 21 обоих блоков (фиг. 4), происходит взрыв продуктов. Как только полости турбины дойдут до вырезов 15, произойдет выпуск отработанных газов через выпускные окна 2 и 3.

Схема механизма управления работой форсунок

На фиг. 20 показана схема взаимодействия работы форсунок с механизмом управления. Один блок форсунок включает четыре форсунки 56, 57, 58, 59, четыре переключателя 60, 61, 62, 63, четыре насоса 64, 65, 66, 67 с кулачковым приводом 68, 69, 70, 71. Кулачковый механизм работает с плунжерными насосами в последовательном порядке. За один оборот кулачкового вала происходит сжатие в каждом насосе. Кулачок 75 показан в рабочем положении, а кулачок 76 повернут относительно первого кулачка на 270 градусов. Следовательно, каждый кулачок относительно друг друга повернут на 90 градусов.

Все форсунки обоих блоков подключены к одному кулачковому приводу. Привод можно выполнить независимо от вращения вала турбины и обладать более разными скоростями вращения.

В насосе 64 показано сжатие рабочей смеси (условный крестик). Остальные три поршня не работают, ждут поворота кулачка. При сжатии топлива поршнем, топливо поступает в нижний штуцер переключателя 60 и выходит через верхний штуцер и по трубопроводу 73 поступает на входной штуцер форсунки 56. Форсунка срабатывает и происходит впрыск. В процессе рабочего положения все переключатели находятся в открытом положении. Отключение форсунок от подачи топлива осуществляется поворотом ручки в положение "вниз" (по стрелке). Топливо, которое просачивается через зазоры между стенок плунжера, выходит через верхний штуцер и отводится по трубопроводу 74 обратно на вход насоса или в топливный бак.

Переключатели, форсунки и насосы выполнены все по одной схеме. Переключатели предназначены для включения или для отключения форсунок от работы. Например, если надо уменьшить мощность у двигателя, то можно отключить несколько форсунок на одном из блоков, для этого рычаги переключателей необходимо повернуть по стрелке вниз. При этом, откроется левая полость, а закроется правая полость выключателей, форсунки отключатся, а топливо от насосов будет выходить в левый штуцер выключателей и поступать обратно в бак с топливом. Вал с кулачками можно использовать для восьми форсунок, для этого ролики с поршнями можно подключать с двух сторон каждого кулачка.

Запуск двигателя с двумя блоками форсунок.

На фиг. 21 приведена схема зажигания (старая схема, взята из учебника по машинам). Для запуска двигателя включается ключ зажигания 77. Срабатывает стартер 79 от блока питания 78 и турбина начинает вращаться, одновременно с ней включается индукционная катушка 81 и трамблер 82. Вырабатывается искра зажигания, которая подается на свечи зажигания 83, которые установлены в блоках с форсунками. При впрыске топлива форсунками, топливо воспламеняется в обоих блоках, возникает давление газов в закрытых камерах, которое будет воздействовать на лопатки турбины и приводить ее во вращательное движение. После чего можно переключателями, фиг. 20, установить нужную мощность двигателю, т.е. возникает возможность изменять скорость вращения турбины в больших пределах. Это нужно и важно для летательных аппаратов. Как только начинает вращаться турбина с валом, автоматически подключается динамо-машина 80, которая предназначена для выработки электрической энергии с целью зарядки аккумулятора.

Энергия также используется для работы радиоприемника 88 и радиосвязи.

Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок включает в себя цилиндрический корпус с подводящими и отводящими окнами, в полости которого установлено турбинное колесо, по окружности которого выполнены радиальные лопатка. С боков колеса выполнены юбки, которые соприкасаются своими сторонами с турбинными съемными стенками. Между съемными турбинными стенками и съемными стенками корпуса образованы две полости, в которых установлены компрессорные диски с лопатками, расположенными по окружности дисков. Втулки компрессорных дисков и втулка турбинного колеса жестко закреплены на валу турбины. Компрессорные полости сообщаются посредством радиальных отверстий с продольными окнами, выполненными в окружных стенках корпуса и в съемных стенках корпуса. Блоки с форсунками вынесены за пределы корпуса двигателя и соединены с корпусом двигателя посредством направляющих труб, концы которых снабжены фланцами, одним концом жестко крепятся к основанию блока форсунок, а другим концом жестко крепятся фланцами к корпусу двигателя. Направляющие трубы обоих блоков установлены под углом 90 градусов к плоскости лопаток турбины. Закрытые камеры сгорания в каждом блоке с форсунками включают в себя полости блоков, полости направляющих труб и полости между лопатками колеса турбины. Заборная труба крепится к корпусу двигателя с наружной стороны посредством фланцев, выполненных вдоль трубы, и к боковой стенке блока форсунок фланцами, выполненными на переходной полости. Технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении габарита, повышении надежности, повышении мощности и получении закрытой камеры сгорания. 2 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Газотурбинный двигатель с двумя блоками форсунок, включающий в себя закрытую камеру сгорания топливных продуктов, образованную в полости между двумя сопряженными турбинами, установленными на параллельных валах, и двух затворов, закрепленных к внутренним стенкам разъемного корпуса, набор дисков левого и правого затворов выполнен в обратной конфигурации относительно набора дисков турбин и свободно входит в промежутки между дисками, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции, уменьшения габаритов, повышения надежности, повышения мощности и получения закрытых камер сгорания с использованием различных топливных продуктов, в газотурбинном двигателе процесс расширения рабочих газов протекает в двух закрытых камерах сгорания, расположенных внутри двух блоков с несколькими форсунками, установленными на поверхности, с противоположных сторон корпуса турбины, рабочий газ из закрытых камер сгорания подается по направляющим трубам непосредственно на лопатки турбинного колеса под углом 90 градусов, отработанный газ выносится полостями между лопатками к выпускным окнам, после выпуска отработанных газов данные полости заполняются воздушной средой, нагнетаемой двумя компрессорами, и далее переносится в область закрытых камер сгорания топливных продуктов, каждый блок форсунок содержит одну свечу зажигания и четыре форсунки, две форсунки работают на газе, третья работает на жидком топливе, четвертая - подает воздух, с целью охлаждения блоков форсунок и корпуса турбины предусмотрены продувочные окна, через которые осуществляется продув воздушной средой, поступающей от двух компрессоров.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что с целью повышения коэффициента полезного действия (КПД) рабочего газа, радиальные лопатки турбинного колеса расположены по окружности обода колеса турбины.

3. Газотурбинный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что с целью отключения форсунок из рабочего состояния, каждая форсунка снабжена переключателем подачи топливных продуктов.