СКЛАДНАЯ ФОРСАЖНАЯ КАМЕРА МАЛОРАЗМЕРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2024 года по МПК F23R3/00 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности, к малоразмерным газотурбинным двигателям для беспилотных летательных аппаратов, а именно к конструкции элементов форсажных камер.

Типичная конструкция форсажных камер изложена в многочисленной технической литературе и учебниках, например:

1) Леонтьев М.К. «Атлас деталей и узлов двухконтурного турбореактивного двигателя АЛ-31Ф» (Москва: МАИ, ОАО «НПО «Сатурн» НТЦ имени А. Люльки, 2008 год);

2) Скубачевский Г.С. «Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей» (Москва: Машиностроение, 1974 год);

3) Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. «Газотурбинные двигатели» (Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006 год).

В связи с особенностями организации процесса горения при низком давлении и высокой скорости потока форсажная камера имеет большую длину, что соответственно приводит к увеличению длины двигателя и летательного аппарата. Особенно это важно для малоразмерных газотурбинных двигателей, используемых беспилотными летательными аппаратами, которые могут транспортироваться в отсеках летательных аппаратов носителей. Кроме того, большая длина форсажной камеры затрудняет ее применение на самолетах вертикального (укороченного) взлета и посадки, имеющими поворотное сопло двигателя.

Известен двигатель, представленный в патенте США US7334409 на изобретение «Выдвижная форсажная камера для реактивного двигателя» (авторы: DUNBAR DONAL S JR, патентообладатель: ALLTECH INC, дата приоритета: 19.05.2004 г.). Изобретение представляет собой убирающийся корпус форсажной камеры для использования на реактивном двигателе. Убирающийся корпус соответствует внешней поверхности реактивного двигателя. Корпус форсажной камеры крепится с помощью множества подвижных опорных кронштейнов. Корпус форсажной камеры является выдвижным. Во время работы форсажной камеры корпус выдвигается назад по направлению к выхлопу реактивного двигателя. Резервуар для хранения подает жидкий кислород через опорные кронштейны к смесительному кольну, расположенному внутри корпуса форсажной камеры. Смесительное кольцо смешивает жидкий кислород и топливо с образованием горючей смеси. Горючая смесь впрыскивается в выхлопную систему, где происходит воспламенение смеси. Воспламененная смесь обеспечивает дополнительную тягу для реактивного двигателя.

Недостатком данного двигателя являются избыточные массогабаритные характеристики. Наличие дополнительных многочисленных опорных кронштейнов, используемых для перемещения корпуса форсажной камеры и передачи жидкого кислорода, усложняют конструкцию и увеличивают массу.

Известен двигатель, представленный в патенте РФ №2208204 на изобретение «Форсажная камера воздушно-реактивного двигателя» (авторы: Белоусов В.А., Блонский А.Ю., Демкин Н.Б., Мишуковский Ю.С., Окроян М.О., Шепелева Н.Г.; патентообладатель: ОАО Авиамоторный научно-технический комплекс «Союз»; дата приоритета: 24.06.2002 г.). Форсажная камера воздушно-реактивного двигателя содержит наружную стенку с разъемными корпусами и теплозащитными экранами, топливный коллектор, фронтовое устройство с радиальными стабилизаторами пламени, равномерно расположенными по окружности в потоке газов проточного тракта. Стабилизаторы имеют возможность поворота вдоль оси камеры посредством приводного механизма, выполненного в виде гидроцилиндра. Гидроцилиндр шарнирно прикреплен к заднему фланцу наружной стенки. Наружная стенка и средние части стабилизаторов снабжены кронштейнами. Кронштейны наружной стенки шарнирно соединены с внешними концами стабилизаторов. Кронштейны средней части стабилизаторов шарнирно соединены с регулируемой по длине тягой. Второй конец тяги соединен с двухплечим рычагом, который, в свою очередь, соединен со штоком гидроцилиндра. Ось двухплечего рычага выполнена с посадочными цилиндрическими шейками, несущими с внешней стороны боковые кронштейны и сопряженными по легкоходовой посадке с отверстиями, выполненными в разъемных корпусах наружной стенки.

Недостатками данного двигателя являются ограничение функциональных возможностей, обусловленное невозможностью сложения корпуса и перемещения экранов форсажной камеры, а также избыточные массогабаритные характеристики за счет наличия механизма перемещения стабилизаторов фронтового устройства.

Известен двигатель, представленный в патенте РФ №2682220 на изобретение «Форсажная камера сгорания турбореактивного двухконтурного двигателя» (авторы: Климов К.А., Оншцик И.И., Федоров С.А., Ярмаш А.Д.; патентообладатель: ПАО «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение»; дата приоритета 01.03.2018 г.), выбранный в качестве прототипа. Форсажная камера сгорания турбореактивного двухконтурного двигателя содержит корпус с установленным в нем теплозащитным экраном с образованием между ними канала охлаждения, диффузор, фронтовое устройство. Диффузор образован корпусом камеры и затурбинным коком. Фронтовое устройство включает в себя радиальные стабилизаторы пламени и кольцевой стабилизатор пламени, жестко зафиксированный относительно корпуса. Форсажная камера сгорания дополнительно снабжена кольцевым экраном, жестко соединенным торцом с кромкой наружного диаметра кольцевого стабилизатора пламени с образованием между кольцевым и теплозащитным экранами сужающегося по ходу движения основного газового потока концентричного кольцевого канала. Кольцевой экран жестко зафиксирован относительно теплозащитного экрана.

Недостатками данного двигателя являются ограничение функциональных возможностей, обусловленное невозможностью сложения форсажной камеры и уменьшения ее длины, а также избыточные массогабаритные характеристики за счет наличия дополнительных деталей, таких как кольцевой экран.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании предлагаемого изобретения, является упрощение размещения форсажной камеры двигателя перед применением.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение функциональных возможностей и уменьшение массогабаритных характеристик для обеспечения размещения двигателя в ограниченном пространстве до его применения за счет складывания форсажной камеры с сохранением надежности элементов конструкции, с сохранением ресурса работы и без увеличения термической нагрузки на теплозащитный экран.

Для достижения указанного технического результата складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя содержит систему наружных корпусов и систему тепловых экранов, включающую антивибрационный экран, с образованием между системами канала охлаждения, корпус диффузора, сопло и фронтовое устройство, состоящее из кольцевых стабилизаторов и радиальных стабилизаторов. Система наружных корпусов содержит корпус передний, корпус средний и корпус задний, имеющие конические центрирующие поверхности между ними. Система тепловых экранов дополнительно содержит задний экран, включающий ребра с окнами между ними и фланец с отверстиями, при этом антивибрационный экран и задний экран имеют цилиндрические центрирующие поверхности. Также складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя дополнительно содержит обтекатель, соединенный с корпусом диффузора и корпусом средним. При этом корпус задний вместе с соплом и задним экраном имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса среднего и антивибрационного экрана, а корпус диффузора вместе с корпусом средним, обтекателем и антивибрационным экраном имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса переднего. Кольцевой зазор между корпусом средним и антивибрационным экраном обеспечивается ребрами на заднем экране, а кольцевой зазор между корпусом задним и задним экраном обеспечивается ребрами на заднем экране и фланцем заднего экрана.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами:

- фигура 1 - Общий вид малоразмерного газотурбинного двигателя со складной форсажной камерой (продольный разрез);

- фигура 2 - Вид А на фигуру 1;

- фигура 3 - Вид Б на фигуру 1;

- фигура 4 - Вид В на фигуру 1;

- фигура 5 - Сечение Г-Г на фигуре 1;

- фигура 6 - Общий вид малоразмерного газотурбинного двигателя с раскрывшейся форсажной камерой;

- фигура 7 - Общий вид малоразмерного газотурбинного двигателя со сложенной форсажной камерой.

Складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя содержит:

1 - система наружных корпусов;

2 - корпус передний;

3 - корпус диффузора;

4 - корпус средний;

5 - корпус задний;

6 - фронтовое устройство;

7 - сопло;

8 - антивибрационный гофрированный экран;

9 - задний экран;

10 - обтекатель;

11 - радиальные штифты;

12 - радиальные штифты;

13 - кольцевой стабилизатор;

14 - радиальные стабилизаторы;

15 - отверстия гофрированного экрана 8;

16 - отверстия заднего экрана 9;

17 - конические центрирующие поверхности между корпусом передним 2 и корпусом средним 4;

18 - конические центрирующие поверхности между корпусом средним и корпусом задним 5;

19 - ребра на заднем экране 9;

20 - фланец заднего экрана 9;

21 - отверстия фланца 20 заднего экрана 9;

22 - цилиндрические центрирующие поверхности между антивибрационным гофрированным экраном 8 и задним экраном 9;

23 - окна между ребрами 19;

24 - корпус двигателя.

Заявляемое изобретение содержит (фиг. 1): систему наружных корпусов 1, содержащую корпус передний 2, корпус средний 4 и корпус задний 5; фронтовое устройство 6, состоящее из кольцевых стабилизаторов 13 и радиальных стабилизаторов 14 и соединенное с корпусом двигателя 24 при помощи радиальных штифтов 11; систему тепловых экранов, состоящую из антивибрационного гофрированного экрана 8 с отверстиями 15 и заднего экрана 9 с отверстиями 16; корпус диффузора 3, сопло 7 и обтекатель 10, соединенный с корпусом диффузора 3 и корпусом средним 4 при помощи радиальных штифтов 12. Между системой наружных корпусов 1 и системой тепловых экранов, служащей для защиты наружного корпуса от перегрева, проходит канал охлаждения форсажной камеры.

В рабочем состоянии наружные корпуса передний 2, средний 4 и задний 5 соединяются между собой путем опоры на конические поверхности 17 (фиг. 2) и 18 (фиг. 3) для обеспечения центрации корпусов и снижения утечки газа из форсажной камеры. Антивибрационный гофрированный экран 8 соединен с обтекателем 10, который крепится к корпусу среднему 4 и корпусу диффузора 3 при помощи радиальных штифтов 12. Задний экран 9 центрируется с антивибрационным экраном 8 по цилиндрическим поверхностям 22 (фиг. 3). Дистанция между тепловыми экранами 8, 9 и наружными корпусами 4, 5 обеспечивается при помощи ребер 19 на заднем экране 9 (фиг. 2). Между ребрами 19 имеются окна 23 (фиг. 5) для прохода охлаждающего газа. Задний экран 9 имеет фланец 20 с отверстиями 21 (фиг. 4) для прохода охлаждающего газа.

Форсажная камера до начала работы может храниться и транспортироваться, установленной на двигатель, в сложенном состоянии (фиг. 7). Перед началом работы двигателя форсажная камера раскрывается в рабочее состояние (фиг. 6). Для увеличения длины форсажной камеры количество наружных корпусов 5 и тепловых экранов 9 может быть увеличено (фиг. 1). При необходимости может быть применен механический привод для раздвижки (сдвижки) корпусов.

Работа газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом:

После запуска двигателя горячий газ поступает из турбины в форсажную камеру, давление газа в форсажной камере возрастает, соответственно увеличивается нагрузка на корпуса форсажной камеры. Корпус задний 5 вместе с соплом 7 и задним экраном 9 имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса среднего 4 и антивибрационного экрана 8, а корпус диффузора 3 вместе с корпусом средним 4, обтекателем 10 и антивибрационным экраном 8 имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса переднего 2. Сила, действующая на внутреннюю поверхность сопла 7, заставляет его перемещаться. Через коническую поверхность 18 эта сила передается от корпуса заднего 5 на корпус средний 4. Корпус средний 4 перемещается вместе с корпусом диффузора 3, обтекателем 10 и антивибрационным экраном 8, с которыми он соединен через радиальные штифты 12. Корпуса передний 2, диффузора 3 и средний 4 двигаются пока не будут остановлены упором в коническую поверхность 17 корпуса переднего 2. Фланец 20, находящийся между соплом 7 и корпусом задним 5, перемещает задний экран 9. Форсажная камера готова к работе, ресурс работы и надежность конструкции сохранены в полном объеме.

При работе форсажной камеры охлаждающий газ, поступающий в зазор между обтекателем 10 и корпусом диффузора 3, проходит в кольцевой зазор между корпусом средним 4 и антивибрационным экраном 8, который обеспечивается ребрами 19 на заднем экране 9, и в кольцевой зазор между корпусом задним 5 и задним экраном 9, который обеспечивается ребрами 19 на заднем экране 9 и фланцем 20 заднего экрана 9. Далее охлаждающий газ поступает через окна 23 между ребрами 19 в зазор между задним экраном 9 и корпусом задним 5. Часть газа проходит через отверстия 15 и 16 соответствующих экранов 8 и 9, что обеспечивает пленочное охлаждение этих экранов и уменьшение термической нагрузки. Часть газа проходит через отверстия 21 во фланце 20 заднего экрана 9, что обеспечивает охлаждение сопла 7.

Складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя может применяться также на подъемно-маршевом двигателе самолета с вертикального (укороченного) взлета и посадки, использующего поворот выходного устройства при взлете и посадке (например Як141), когда большая длина форсажной камеры затрудняет ее применение на самолете, а значит ограничивает его скорость. Поворот выходного устройства может осуществляться со сложенной форсажной камерой, а в полете она может раздвигаться.

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности к малоразмерным газотурбинным двигателям для беспилотных летательных аппаратов, а именно к конструкции элементов форсажных камер. Складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя содержит систему наружных корпусов и систему тепловых экранов, включающую антивибрационный экран, с образованием между системами канала охлаждения, корпус диффузора, сопло и фронтовое устройство, состоящее из кольцевых стабилизаторов и радиальных стабилизаторов. Система наружных корпусов содержит корпус передний, корпус средний и корпус задний, имеющие конические центрирующие поверхности между ними. Система тепловых экранов дополнительно содержит задний экран, включающий ребра с окнами между ними и фланец с отверстиями, при этом антивибрационный экран и задний экран имеют цилиндрические центрирующие поверхности. Также складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя дополнительно содержит обтекатель, соединенный с корпусом диффузора и корпусом средним. При этом корпус задний вместе с соплом и задним экраном имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса среднего и антивибрационного экрана, а корпус диффузора вместе с корпусом средним, обтекателем и антивибрационным экраном имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса переднего. Кольцевой зазор между корпусом средним и антивибрационным экраном обеспечивается ребрами на заднем экране, а кольцевой зазор между корпусом задним и задним экраном обеспечивается ребрами на заднем экране и фланцем заднего экрана. Технический результат - увеличение функциональных возможностей и уменьшение массогабаритных характеристик для обеспечения размещения двигателя в ограниченном пространстве до его применения за счет складывания форсажной камеры с сохранением надежности элементов конструкции, с сохранением ресурса работы и без увеличения термической нагрузки на теплозащитный экран. 7 ил.

Складная форсажная камера малоразмерного газотурбинного двигателя, содержащая систему наружных корпусов и систему тепловых экранов, включающую антивибрационный экран, с образованием между системами канала охлаждения, корпус диффузора, сопло и фронтовое устройство, состоящее из кольцевых стабилизаторов и радиальных стабилизаторов, отличающаяся тем, что система наружных корпусов содержит корпус передний, корпус средний и корпус задний, имеющие конические центрирующие поверхности между ними; система тепловых экранов дополнительно содержит задний экран, включающий ребра с окнами между ними и фланец с отверстиями, при этом антивибрационный экран и задний экран имеют цилиндрические центрирующие поверхности; также дополнительно содержит обтекатель, соединенный с корпусом диффузора и корпусом средним; при этом корпус задний вместе с соплом и задним экраном имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса среднего и антивибрационного экрана, а корпус диффузора вместе с корпусом средним, обтекателем и антивибрационным экраном имеют возможность осевого перемещения относительно корпуса переднего; кольцевой зазор между корпусом средним и антивибрационным экраном обеспечивается ребрами на заднем экране, а кольцевой зазор между корпусом задним и задним экраном обеспечивается ребрами на заднем экране и фланцем заднего экрана.