РОТОРНО-КАНАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2024 года по МПК F01D1/22 F01D1/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газотурбинным двигателям (далее по тексту ГТД), и установкам на их основе, предназначенным для получения момента вращения на валу, обеспечивающего вращение воздушных винтов летательных аппаратов (далее по тексту - ЛА), например, самолетов, вертолетов, беспилотных ЛА, и т.п.), и приводных валов их вспомогательных силовых установок, а также приводных валов агрегатов и механизмов наземных, и водных транспортных средств, пароэлектрогенераторов, насосов, компрессоров перекачивающих станций.

Известна турбина внутреннего сгорания, содержащая центробежный воздушный компрессор, кольцевую камеру сгорания и реактивную турбину с соплами, отличающаяся тем, что центробежный воздушный компрессор и реактивная турбина объединены в моноблок, вращающийся на одном валу за счет реактивной силы истекающих из сопел газов и через ведущую шестерню передающий вращение приводимым агрегатам. Полное название изобретения - Турбина внутреннего сгорания "КУЗЬМИН" (ТВС) (патент РФ на изобретение №2312238, опубл. 10.12.2007).

Автор согласен с замечаниями и критикой, в отношении технического решения по вышеуказанному патенту, приведенными в патенте РФ на изобретение № 2 623 592, публ. 28.06.2017 и изложенными ниже:

«ТВС содержит центробежный воздушный компрессор, выполненный в виде закрытого центробежного рабочего колеса, и кольцевую камеру сгорания, образующую вместе с соплами реактивную турбину. Центробежный компрессор и реактивная турбина объединены в моноблок, вращающийся на одном валу с большой скоростью (согласно описанию - 60000 об/мин!) за счет реактивной силы истекающих из сопел газов.

Из всех известных аналогов ТВС обеспечивает наилучшую компоновку с ЛА, а также и с другими устройствами, но при этом имеет существенные недостатки, заключающиеся в низкой эффективности (по мощности и экономичности) и низкой надежности работы.

Низкая эффективность и низкая надежность работы ТВС обусловлены, в первую очередь, конструктивными недостатками вращающейся кольцевой камеры сгорания, заключающимися в том, что общая для всех сопел кольцевая камера сгорания, имеющая общую зону горения торообразной формы, не обеспечивает необходимое смесеобразование воздуха и топлива с требуемыми термодинамическими параметрами, надежное воспламенение и устойчивое, регулируемое горение топливовоздушной смеси с высокими значениями скорости, полноты сгорания и тепловыделения.

В кольцевой камере сгорания ТВС, так же, как и в реактивном элементе вышеприведенного двигателя с реактивной турбиной, наряду с низкочастотными колебаниями давления, обусловленными смешением топлива с высокоскоростными потоками сжатого воздуха, возникает акустическая неустойчивость горения топливовоздушной смеси, порождаемая возбуждением в продуктах сгорания интенсивных поперечных (радиальных и тангенциальных) высокочастотных колебаний давления, приводящая к автоколебательным и резонансным процессам, и, как следствие, к снижению мощности и экономичности, а также и надежности работы ТВС.

Очевидно, что при высокоскоростных потоках сжатого воздуха, поступающих во вращающуюся с большой скоростью кольцевую камеру сгорания ТВС, невозможно обеспечить:

- выравнивание полей основных термодинамических параметров в поперечных сечениях потоков входящего сжатого воздуха;

- равномерное и безударное (без пульсаций давления) заполнение кольцевой камеры сгорания сжатым воздухом;

- качественное смешение топлива с потоками сжатого воздуха и высокоэффективное горение этой топливовоздушной смеси без низко и высокочастотных пульсаций и автоколебаний давления.

Кроме того, недостатками конструкции ТВС являются:

- расположение сопел относительно стенок кольцевой камеры сгорания и выполнение геометрии их проточного тракта, не соответствующими требованиями работы сверхзвукового сопла (в частности, сопла Лаваля), что приводит к существенному снижению эффективности работы ТВС;

- выполнение сопел за одно целое с корпусом реактивной турбины, из конструкционного материала, что не позволяет заменять сопла, а также приводит к увеличению сложности и стоимости изготовления, и ремонта реактивной турбины, и к увеличению ее массы, и массы ТВС в целом.

Также недостатком конструкции ТВС является размещение в каналах центробежного компрессора распылителей топлива. Это приводит к нарушению газодинамической устойчивости компрессора при сжатии в нем потоков воздуха, а также усложняет защиту его конструкции от прогара и разрушения.

Все указанные недостатки в совокупности приводят к существенному снижению эффективности (по мощности и экономичности) и надежности работы ТВС».

Известен роторный газотурбинный двигатель, содержащий жестко установленное на валу центробежное рабочее колесо с центробежными каналами, обеспечивающее сжатие поступающего в него окислительного рабочего тела, установленную коаксиально с ним камеру сгорания торообразной формы с тангенциально расположенными на ней соплами, обеспечивающими создание импульса реактивной силы истекающих через сопла продуктов сгорания смеси горючего и окислительного рабочего тела для вращения центробежного рабочего колеса и камеры сгорания, средства подачи горючего рабочего тела и средства зажигания смеси горючего и окислительного рабочего тела, характеризующийся тем, что внутренняя полость камеры сгорания разделена на отдельные камеры сгорания жестко закрепленными поперечными перегородками, которые являются продолжением лопаток рабочего колеса, и закреплены с образованием входных отверстий в отдельные камеры сгорания, а выходные отверстия центробежных каналов открыты в полости отдельных камер сгорания через входные отверстия, при этом по меньшей мере одно выходное отверстие центробежного канала открыто в полость каждой отдельной камеры сгорания, снабженной по меньшей мере одним соплом, выполненным сверхзвуковым, в виде круглого или плоского сопла Лаваля, с центральной осью на его входе, совпадающей по направлению с центральной осью отдельной камеры сгорания на ее выходе, а также снабженной средствами подачи горючего рабочего тела, и средствами зажигания, размещенными в каждой поперечной перегородке и обеспечивающими одновременное воспламенение смеси горючего и окислительного рабочего тела в примыкающих друг к другу отдельных камерах сгорания, а между центробежным рабочим колесом и отдельными камерами сгорания установлено средство дросселирования, обеспечивающее заданные расходные и термодинамические параметры сжатых потоков окислительного рабочего тела на входе в каждую отдельную камеру сгорания.

Согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что центробежное рабочее колесо выполнено открытым и снабжено обечайкой, жестко соединенной с центробежным рабочим колесом, с образованием закрытых сверху центробежных каналов.

Также, согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что центробежное рабочее колесо выполнено закрытым.

Также, согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что камера сгорания выполнена в виде жестко соединенных между собой отдельно изготовленных камер сгорания, образующих конструкцию торообразной формы.

Также, согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что средство дросселирования выполнено в виде единой кольцеобразной или разделенной на сегменты перфорированной ленты из прочного, термостойкого материала с размерами, обеспечивающими перекрытие входных отверстий отдельных камер сгорания.

Также, согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что средства подачи горючего рабочего тела снабжены стабилизаторами пламени.

Также, согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что внутренние поверхности отдельных камер сгорания и сопел, а также поверхности поперечных перегородок выполнены с термостойким покрытием из керамики или металлокерамики.

Также, согласно патенту, двигатель характеризуется тем, что сопла выполнены сменными (патент РФ на изобретение № 2 623 592, публ. 28.06.2017).

В вышеуказанном патенте реализована функция преобразования потенциальной энергии давления, возникающей в нескольких камерах сгорания, расположенных во вращающемся роторе, в механическую энергию вращения вала через истекающие из расположенных по внешней окружности ротора сопел реактивные струи.

Роторный газотурбинный двигатель по патенту является самостоятельным двигателем (моноблоком) с отдельным забором и подачей через центробежные каналы в рабочем колесе окислительного рабочего тела (воздуха), отдельной подачей горючего через вал и разветвленные каналы. Смешение компонентов происходит в нескольких отдельных камерах сгорания, где смесь поджигается и горючие газы истекают через реактивные сопла, расположенные по внешней окружности ротора. При этом продукты сгорания, имеющие высокую температуру и давление, истекающие через сверхзвуковые сопла, выбрасываются в окружающую среду.

В частном случае на вал может устанавливаться несколько моноблоков.

Реактивные сопла могут быть сменными на резьбовых соединениях.

Решение по патенту РФ на изобретение № 2 623 592, публ. 28.06.2017) принимается за прототип.

«Роторный газотурбинный двигатель» (патент РФ на изобретение № 2 623 592, публ. 28.06.2017). имеет ряд существенных недостатков:

Во - первых, двигатель имеет исключительно сложную конструкцию с большим количеством деталей, которые соединяются в моноблоке с помощью специальной сварки или резьбовыми соединениям.

Во - вторых, изготовление воздушных каналов и топливных коллекторов, полостей камер сгорания, обечайки и других деталей требуют специальных технологий и специального технологического оборудования, применение аддитивных технологий увеличит себестоимость моноблоков.

В - третьих, высокие температуры в камерах сгорания и соплах требуют применения устойчивых к высоким температурам специальных материалов и покрытий, т.к. обеспечить надежное охлаждение стенок камер сгорания и сопел в данной конструкции очень сложно или невозможно совсем, т.е. возникают риски перегрева элементов камер сгорания и сопел, что может спровоцировать их физическую деформацию и возникновение вибраций из-за дисбаланса вплоть до разрушения.

В - четвертых, использование сменных сопел на резьбовых соединениях при больших перепадах температур ( при работающем двигателе – свыше 900°С, а при неработающем двигателе – при температуре окружающей среды ресурс резьбовых соединений будет низким из-за теплового изменения линейных и объемных параметров резьб, даже если резьбы будут выполнены на сверхточном технологическом оборудовании и посажены на высокотемпературные герметики.

В - пятых, показатели коэффициента полезного действия ( КПД ), мощности, расхода топлива не могут иметь высокие значения, т.к. реактивные струи, исходящие из сопел, взаимодействуют с окружающей средой – воздухом, плотность которого является довольно низкой, т.е. сила отдачи реактивных струй, идущая на обеспечение вращения ротора, сильно рассеивается в окружающей среде с низкой плотностью.

В - шестых, роторный газотурбинный двигатель является моноблоком, остаточную энергию выхлопа двигателя, имеющего значительные температуру и давление, в последующих моноблоках, закрепленных на одном валу, нельзя использовать.

Эти недостатки исключены в заявляемом изобретении - Роторно–канальный двигатель («РКД Х»).

Технический результат заявляемого изобретении - Роторно–канальный двигатель («РКД Х») заключается в исключении недостатков технического решения «Роторный газотурбинный двигатель» (патент РФ на изобретение № 2 623 592, публ. 28.06.2017) и создании двигателя обладающего следующими техническими преимуществами: простота конструкции, упрощение технологии производства, повышение удельной мощности, повышение надежности и ресурса, возможность применения простой системы охлаждения при повышенных температурах газов, исходящих из камер сгорания и поступающих на вход двигателя.

Технический результат достигается решением технической задачи по созданию роторно-канального двигателя, выполненного с возможностью подачи на вход в качестве рабочего тела под высоким давлением горячих газов из камеры сгорания, сжатого воздуха, пара из парогенератора или газов как продукта детонации взрывчатых веществ; двигатель включает подвижный ротор и неподвижный статор; неподвижный статор состоит из рабочего диска с расположенными на нем по касательной к внутренней окружности соплами Лаваля, наружной стенки с отверстиями, через которые рабочее тело подается в сопла Лаваля, а также лабиринтным уплотнением;

вращающийся ротор состоит из рабочего диска с расположенными на нем по касательной к внешней окружности соплами Лаваля, передней стенки с лабиринтным уплотнением, причём рабочий диск ротора жестко связан с валом;

аэродинамическая поверхность рабочего диска ротора и передняя стенка статора образуют кольцевой диффузор, через который рабочее тело поступает в сопла Лаваля ротора; между внутренней частью статора и наружной частью ротора имеется кольцевой зазор, через который выходит отдавшее свою энергию рабочее тело с остаточным давлением, которое направляется в атмосферу или на вход следующей ступени; при этом реактивные сопла ротора и статора направлены навстречу друг другу.

Кроме того, роторно-канальный двигатель характеризуется тем, что выполнен с возможностью каскадного последовательного размещения в виде ступеней на одном валу, так что выходные газы предыдущего двигателя поступают на вход в следующий роторно-канальный двигатель.

Автор и разработчик в своей разработке использует аббревиатуру «РКД Х», где индекс «Х» обозначает тип двигателя, например, «П» - паровой; «Р» - реактивный; «Г» - газовый и т.д. ).

Заявляемое изобретение представлено на следующих фигурах:

Фиг. 1 - Роторно–канальный Двигатель «РКД Х», с разрезами, в сборе;

Фиг. 2 - статор, с разрезами, в сборе;

Фиг. 3 - ротор, с разрезами, в сборе;

Фиг. 4 - взаимодействие сопел статора и ротора.

Устройство Роторно–канального Двигателя «РКД Х».

Роторно–канальный Двигатель «РКД Х» (Фиг. 1) имеет две составные части:

- неподвижный статор (Фиг. 2), состоящий из рабочего диска 1 с расположенными на нем по касательной к внутренней окружности соплами Лаваля 2, наружной стенки 3 с отверстиями 4, через которые сжатый газ подается в сопла Лаваля 2, а также лабиринтным уплотнением 5;

- вращающийся ротор (Фиг. 3), состоящий из рабочего диска 6 с расположенными на нем по касательной к внешней окружности соплами Лаваля 7, передней стенки 8 с лабиринтным уплотнением. Рабочий диск 6 ротора жестко связан с валом 9.

Аэродинамическая поверхность рабочего диска 6 ротора и передняя стенка 3 статора образуют кольцевой диффузор, через который сжатый газ поступает в сопла Лаваля 7 ротора. Между внутренней частью статора и наружной частью ротора имеется кольцевой зазор 10, через который выходит отдавший свою энергию газ с остаточным давлением, который направляется или в атмосферу, или на вход следующей ступени, состоящей также из Роторно-канального Двигателя «РКД Х». Рабочий диск 1 статора и рабочий диск 6 ротора находятся в одной плоскости.

Принцип работы Роторно–канального Двигателя «РКД Х».

Сжатый газ под давлением поступает через отверстия 4 в реактивные сопла 2 статора и одновременно через кольцевой диффузор, образованный ээродинамической поверхностью рабочего диска 6 ротора и передней стенкой 3 статора, в реактивные сопла Лаваля 7 вращающегося ротора (Фиг. 4).

На Фиг.4 схематично показано взаимодействие сопел статора и ротора: реактивная струя сопла 2 статора и реактивная струя сопла 7 ротора расположены навстречу друг другу, т.е. реактивные струи работают в противотоке между собой, создавая в точке встречи струй область с повышенной плотностью газа, при этом возникшие силы реактивных струй сопел (их абсолютные величины) складываются и суммарный вектор силы направлен на образование вращения ротора, т.к. статор неподвижен. Крутящий момент от одной пары сопел статора и ротора будет:

Мкр = ( │F1│ + │F2 │ ) х L ,

где:

Мкр - крутящий момент, возникающий от одной пары сопел;

F1 - сила воздействия реактивной струи сопла 2 статора;

F2 - сила воздействия реактивной струи сопла 7 ротора;

L - кратчайшее расстояние (плечо) от оси вращения ротора до оси сопла ротора.

Ротор приводится во вращение в направлении, указанном стрелкой. Потенциальная энергия сжатого газа преобразуется в механическую энергию вращения ротора, т.е. в крутящий момент вала, причем при вращении ротора, реактивная струя сопла 7 ротора, смещаясь, одновременно воздействует сразу на два сопла 2 статора, обеспечивая непрерывность взаимодействия реактивных струй сопел. Остатки газа, отдав часть энергии, выходят с обратной стороны через кольцевой зазор 10 (Фиг. 1) между внутренней образующей рабочего диска 1 статора и внешней образующей рабочего диска 6 ротора и поступают на вход следующей ступени или на выхлоп в атмосферу.

Роторно–канальный Двигатель «РКД Х» является универсальным устройством, на вход которого в качестве рабочего тела могут подаваться под высоким давлением:

- горячие газы из камеры сгорания;

- сжатый воздух;

- пар из парогенератора;

- газы – как продукт детонации взрывчатых веществ и т. д.

Назначение и применение Роторно–канального Двигателя «РКД Х»:

- в двигателестроении (в реактивных, турбовальных, турбовинтовых, турбовентиляторных, газотурбинных двигателях взамен лопастных газовых турбин);

- в электрогенерирующих установках взамен паровых турбин;

- в наземном транспорте в качестве силовых агрегатов взамен поршневых двигателей;

- в трубопроводном газотранспорте в качестве двигателей газоперекачивающих установок;

- в пневмоинструменте в качестве пневмодвигателей;

- в качестве самостоятельного пневмодвигателя в различных технических устройствах.

Технико- экономические преимущества: снижение себестоимости производства, повышенный ресурс, высокие КПД и экономичность, широкий диапазон использования в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газотурбинным двигателям (далее по тексту ГТД), и установкам на их основе, предназначенным для получения момента вращения на валу, обеспечивающего вращение воздушных винтов летательных аппаратов (далее по тексту - ЛА), например самолетов, вертолетов, беспилотных ЛА, и т.п.), и приводных валов их вспомогательных силовых установок, а также приводных валов агрегатов и механизмов наземных и водных транспортных средств, пароэлектрогенераторов, насосов, компрессоров перекачивающих станций. Технический результат заключается в создании двигателя, обладающего следующими техническими преимуществами: простота конструкции, упрощение технологии производства, повышение удельной мощности, повышение надежности и ресурса, возможность применения простой системы охлаждения при повышенных температурах газов, исходящих из камер сгорания и поступающих на вход двигателя. Технический результат достигается решением технической задачи по созданию роторно-канального двигателя, выполненного с возможностью подачи на вход в качестве рабочего тела под высоким давлением горячих газов из камеры сгорания, сжатого воздуха, пара из парогенератора или газов как продукта детонации взрывчатых веществ; двигатель включает подвижный ротор и неподвижный статор; неподвижный статор состоит из рабочего диска с расположенными на нем по касательной к внутренней окружности соплами Лаваля, наружной стенки с отверстиями, через которые рабочее тело подается в сопла Лаваля, а также лабиринтным уплотнением; вращающийся ротор состоит из рабочего диска с расположенными на нем по касательной к внешней окружности соплами Лаваля, передней стенки с лабиринтным уплотнением, причем рабочий диск ротора жестко связан с валом; аэродинамическая поверхность рабочего диска ротора и передняя стенка статора образуют кольцевой диффузор, через который рабочее тело поступает в сопла Лаваля ротора; между внутренней частью статора и наружной частью ротора имеется кольцевой зазор, через который выходит отдавшее свою энергию рабочее тело с остаточным давлением, которое направляется в атмосферу или на вход следующей ступени; при этом реактивные сопла ротора и статора направлены навстречу друг другу. Кроме того, роторно-канальный двигатель характеризуется тем, что выполнен с возможностью каскадного последовательного размещения в виде ступеней на одном валу, так что выходные газы предыдущего двигателя поступают на вход в следующий роторно-канальный двигатель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Роторно-канальный двигатель, выполненный с возможностью подачи на вход в качестве рабочего тела под высоким давлением горячих газов из камеры сгорания, сжатого воздуха, пара из парогенератора или газов как продукта детонации взрывчатых веществ; двигатель включает подвижный ротор и неподвижный статор; неподвижный статор состоит из рабочего диска с расположенными на нем по касательной к внутренней окружности соплами Лаваля, наружной стенки с отверстиями, через которые рабочее тело подается в сопла Лаваля, а также лабиринтным уплотнением;

вращающийся ротор состоит из рабочего диска с расположенными на нем по касательной к внешней окружности соплами Лаваля, передней стенки с лабиринтным уплотнением, причем рабочий диск ротора жестко связан с валом;

аэродинамическая поверхность рабочего диска ротора и передняя стенка статора образуют кольцевой диффузор, через который рабочее тело поступает в сопла Лаваля ротора; между внутренней частью статора и наружной частью ротора имеется кольцевой зазор, через который выходит отдавшее свою энергию рабочее тело с остаточным давлением, которое направляется в атмосферу или на вход следующей ступени; при этом реактивные сопла ротора и статора направлены навстречу друг другу.

2. Роторно-канальный двигатель по п.1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью каскадного последовательного размещения в виде ступеней на одном валу, так что выходные газы предыдущего двигателя поступают на вход в следующий роторно-канальный двигатель.