Турбовальный двигатель Российский патент 2025 года по МПК F02C6/06 F01C1/14 F01C3/08 F02C3/10 

Изобретение относится к турбовальным двигателям с двумя выходными валами, оси которых расположены под углом друг к другу. Предлагаемые двигатели могут использоваться в разных видах транспорта: в гусеничном, в частности в бронетанковой технике, в авиационной технике (самолетах и вертолетах), в машинах и судах на воздушной подушке и т.д. Наиболее перспективно его использование в вертолетах – синхрокоптерах.

Из уровня техники известны двигатели, содержащие компрессор, камеру сгорания, и турбину компрессора, расположенную в камере сгорания. Турбина компрессора связана общим валом с компрессором и приводит его в движение. За турбиной компрессора на выходе камеры сгорания расположена свободная турбина, вал которой через редуктор связан с валом приводимого агрегата, и разветвленные каналы для выходящих газов. Такие двигатели получили название турбовальных (см https ://avia-simply.ru/turbovalnij-dvigatel/). Следует отметить, что редуктор является непременной принадлежностью такого турбовального двигателя. Ведь скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты.

Таким образом, недостатками таких турбовальных двигателей является достаточно большая нагрузка на свободную турбину, приводящая к ухудшению маневренных и динамических характеристик, а также большие габариты и масса, обусловленные наличием редукторов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является турбовальный двигатель (см. патент RU 2582385), который имеет два выходных вала, расположенных под углом друг к другу, что позволяет независимо передавать крутящий момент на разные узлы транспортного средства (например, на бортовые коробки гусеничного транспорта или на привод движителя и генератор электрической системы транспортного средства, и т.п.) Это расширяет функциональные возможности, а также снижает нагрузку на свободные турбины и увеличивает маневренные и динамические качества транспортного средства. Двигатель содержит корпус, в котором последовательно расположены компрессор, камера сгорания, газовая турбина компрессора. За турбиной компрессора на выходе камеры сгорания расположено направляющее сопло, а также свободная турбина. Направляющее сопло выполнено в виде двух разветвленных каналов, а свободная турбина выполнена из двух турбин, размещенных в каждом канале. Валы свободных турбин расположены под углом к оси вращения турбины компрессора и являются выходными валами двигателя, которые через редукторы связаны с валами приводимых агрегатов. Очень перспективно использование такого турбовального двигателя в качестве привода винтов синхрокоптера, оси вращения которых расположены под небольшим углом другу к другу, а плоскости вращения — пересекаются.

В описанном двигателе хотя и снижается нагрузка на свободные турбины, однако свободные турбины остаются тяжело нагруженными элементами, что ограничивает срок службы такого двигателя. Кроме того, как и в предыдущих аналогах, остается необходимость использования редукторов для снижения скорости вращения выходных валов.

Предлагаемое изобретение решает ту же задачу передачи крутящего момента на два выходных вала, расположенных под углом друг другу, т.е. позволяет передавать крутящий момент на разные узлы транспортного средства.

Техническим результатом изобретения является уменьшение скорости вращения выходных валов, в связи с чем отпадает потребность в редукторах для связи с валами приводимых агрегатов. Это значительно уменьшает массу и габариты двигателя. Кроме того, повышается нагрузочная способность и КПД свободной турбины.

Указанный технический результат достигается тем, что турбовальный двигатель, как и прототип, содержит корпус, в котором последовательно расположены компрессор, камера сгорания, газовая турбина компрессора, связанная валом с компрессором, а также свободная турбина, связанная с камерой сгорания через направляющее сопло. Свободная турбина выполнена с двумя выходными валами, расположенными под углом друг к другу.

В отличие от прототипа свободная турбина и выполнена в виде шестеренной роторной машины объемного действия с двумя коническими винтовыми роторами с пересекающимися осями. Винтовые роторы расположены в конических расточках корпуса. Винтовые зубья одного из роторов в поперечном сечении очерчены дугами окружностей, эксцентрично смещенных относительно оси ротора, а зубья другого ротора в этом же сечении, очерчены участками фронтов циклоидальных кривых, образуя эксцентриково- циклоидальное (ЭЦ) зацепление. Шестеренная машина расположена по отношению направляющему соплу так, что плоскость осей роторов расположена наклонно к оси выходного отверстия направляющего сопла.

Для повышения использования кинетической энергии потока газа на выходе направляющего сопла целесообразно расположить что на выходе направляющего сопла расположен рассекатель, с обтекаемой направляющей, разделяющий поток на два.

Изобретение иллюстрируется графическими материалами. На фиг. 1 представлен фронтальный вид турбовального двигателя с частичным вырезом по компрессору, входное и выходное отверстия направляющего сопла расположены вдоль одной оси, совпадающей с осью компрессора. На фиг. 2 представлено сечение по ЕЕ фиг. 1, на фиг. 3 дан общий вид двигателя, представленного фиг. 1 со снятой крышкой винтовой роторной машины. На фиг. 4 дана развертка на плоскость торцевого сферического сечения шестеренной машины с винтовыми коническими роторами. На фиг. 5 изображен такой же вид на турбовальный двигатель, что и на фиг. 1, но направляющее сопло выполнено изогнутым, так что ось выходного отверстия направляющего сопла не совпадает с осью входного, что позволяет разместить компрессор в любом положении относительно шестеренной роторной машины. В частности, на фиг. 5 компрессор расположен вертикально, что бывает предпочтительно в некоторых применениях турбовального двигателя.

В корпусе 1 турбовального двигателя вдоль одной оси последовательно расположены компрессор 2, камера сгорания 3 и турбина компрессора 4. Турбина компрессора 4 связана с компрессором 2 валом 5 и служит для вращения компрессора. За турбиной компрессора 4 на выходе камеры сгорания 3 расположено направляющее сопло 6, связывающее свободную турбину 7 с камерой сгорания 3. В двигателе на фиг. 1 направляющее сопло представляет собой патрубок, входное и выходное отверстия которого расположены вдоль одной оси, т.е. ось выходного отверстия направляющего сопла 6 совпадает с осью компрессора 2. Функцией свободной турбины является преобразование энергии выходящих из камеры сгорания 3 газов во вращение выходного вала, или двух валов, расположенных под углом друг к другу, как в прототипе и в настоящем изобретении. Свободная турбина 7 выполнена в виде шестеренной машины объемного действия с двумя коническими винтовыми роторами 8 и 9 (см. фиг. 2, 3). Роторы помещены в облегающие их конические расточки 10 и 11 корпуса 12 шестеренной машины. Валы 13 и 14 роторов 8 и 9 расположены под углом друг к другу. А их оси пересекаются в точке О (на фиг. 3). Шестеренная машина по отношению к оси АА компрессора, совпадающей в этой конструкции с осью выходного патрубка направляющего сопла 6 располагается так, что плоскость, проходящая через оси валов 13 и 14 расположена наклонно к оси АА под углом α. Величина угла α в каждом конкретном случае выбирается из следующих соображений. Для увеличения кпд двигателя желательно, чтобы поток газов попадал в центр поверхности витка ротора по нормали. Следовательно угол α будет зависеть от угла наклона винтовой линии роторов 8 и 9.

Цифрой 15 на всех рисунках обозначен входной патрубок компрессора 2 с кольцевыми каналами всасывания, а цифрой 16 выходной патрубок отходящих газов. Цифрой 17 на фиг. 2 обозначен рассекатель с обтекаемой направляющей, разделяющий поток на два.

Торцевое сечение шестеренной машины с винтовыми коническими роторами представляет собой сечение по сфере. Обратимся к фиг. 4, где показана развертка на плоскости торцевого сферического сечения. Профиль зубьев винтов одного из роторов, в частности ротора 9 в торцовом сечении образован дугами 18 окружностей 19, эксцентрично смещенных от оси ротора на расстояние е. Профиль зубьев другого ротора 8 в этом же сечении образован участками фронтов 20 циклоидальной кривой 21. Т.е. профили зубьев роторов 8 и 9 образуют эксцентриково-циклоидальное (ЭЦ) - зацепление. Как было показано в патенте RU 2553848 шестеренная машина с цилиндрическими роторами с ЭЦ зацеплением имеет непрерывную по длине зуба линию контакта, что позволяет получить замкнутые объемы. Наши исследования показали, что этот вывод справедлив и для конических роторов с ЭЦ зацеплением.

Турбовальный двигатель на фиг. 5 отличается от вышеописанного только изогнутой формой направляющего сопла 22, у которого оси 23 входного и 24 выходного отверстий не совпадают. Такое сопло позволяет изменить взаимное положение компрессора 2 и свободной турбины 7 - шестеренной машины объемного действия. В частности, на фиг. 5 ось компрессора вертикальна, также как и плоскость осей 13 и 14 роторов 8 и 9, а патрубок 16 отходящих газов расположен горизонтально. Т.е. этот турбовальный двигатель имеет меньший продольный размер, чем двигатель на фиг. 1 и 2, но больший поперечный размер.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

При запуске компрессора 2 от постороннего источника (устройства запуска) поток воздуха из атмосферы через входной патрубок 15 попадает на турбины компрессора 2 и после сжатия подается в кольцевую камеру сгорания 3. Туда же подается топливо, (на фиг. 1 не показано) которое сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем газообразные продукты сгорания поступают в газовую турбину 4 компрессора 2. За счет того, что турбина 4 компрессора валом 5 связана с компрессором 2, часть механической энергии затрачивается на вращение лопаток компрессора, а большая её часть через направляющее сопло 6 подается в свободную турбину 7, которая представляет собой шестеренную машину объемного действия с двумя коническими винтовыми роторами 8 и 9 с ЭЦ зацеплением. При этом поток газа поступает в промежуток между зубьями роторов, образуя замкнутые объемы высокого давления. В то же время в соседних промежутках давление минимальное, и возникает избыточное давление с одной стороны зубьев, что вызывает вращение роторов. Благодаря непрерывной линии контакта зубьев между ними образуется замкнутый объем, что повышает коэффициент использования газа высокого давления, т.е. повышается кпд такой свободной турбины. Кроме того, по сравнению с обычной газовой турбиной значительно увеличивается площадь рабочей поверхности, на которую воздействует газовый поток, что увеличивает момент и уменьшает скорость вращения роторов. Винтовые роторы в отличие от лопаток турбины имеют гораздо более высокую прочность, что позволяет такому механизму работать со значительными перегрузками.

Турбовальный двигатель с двумя выходными валами, оси которых расположены под углом друг к другу, может использоваться в разных видах транспорта: в гусеничном, в частности в бронетанковой технике, в авиационной технике (самолетах и вертолетах), в машинах и судах на воздушной подушке и т.п., там, где необходима независимая передача крутящего момента на разные узлы транспортного средства. Наиболее перспективно его использование в вертолетах – синхрокоптерах. Турбовальный двигатель, как и прототип, содержит расположенные в корпусе (1) последовательно компрессор (2), камеру сгорания (3) и турбину компрессора (4), связанную валом (5) с компрессором. За турбиной компрессора (4) расположено направляющее сопло (6), подающее поток газа на свободную турбину (7). Свободная турбина (7) имеет два выходных вала (13,14), расположенных под углом друг к другу. В отличие от прототипа свободная турбина (7) выполнена в виде шестеренной роторной машины объемного действия с двумя коническими винтовыми роторами (8 и 9) с пересекающимися осями. Роторы расположены в конических расточках корпуса, причем зубья одного из роторов (9) в поперечном сечении очерчены дугами окружностей (19), эксцентрично смещенных относительно оси ротора, а зубья другого ротора в этом же сечении очерчены участками фронтов (20) циклоидальных кривых (21), образуя эксцентриково-циклоидальное (ЭЦ) зацепление. Плоскость осей роторов (13 и 14) расположена наклонно к оси выходного отверстия направляющего сопла (6). В предпочтительном варианте изобретения на выходе направляющего сопла (6) расположен рассекатель (17) с обтекаемой направляющей, разделяющий поток на два. Это значительно уменьшает массу и габариты двигателя. Кроме того, повышается нагрузочная способность и КПД свободной турбины. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбовальный двигатель, содержащий корпус, в котором последовательно расположены компрессор, камера сгорания, газовая турбина компрессора, связанная валом с компрессором, а также свободная турбина, связанная с камерой сгорания через направляющее сопло и имеющая два выходных вала, расположенных под углом друг к другу, отличающийся тем, что свободная турбина выполнена в виде шестеренной роторной машины объемного действия с двумя коническими винтовыми роторами с пересекающимися осями, расположенными в конических расточках корпуса, причем зубья одного из роторов в поперечном сечении очерчены дугами окружностей, эксцентрично смещенных относительно оси ротора, а зубья другого ротора в этом же сечении очерчены участками фронтов циклоидальных кривых, образуя эксцентриково-циклоидальное (ЭЦ) зацепление, причем плоскость осей роторов расположена наклонно к оси выходного отверстия направляющего сопла.

2. Турбовальный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на выходе направляющего сопла расположен рассекатель с обтекаемой направляющей, разделяющий поток на два.