Одновальный турбореактивный двухконтурный вентиляторный двигатель Российский патент 2025 года по МПК F02K3/06 F01D15/10 

Изобретение относится к турбореактивным двухконтурным вентиляторным двигателям. Наиболее эффективно его применение в турбореактивных вентиляторных двухконтурных двигателях малой мощности с тягой от 1000 до 5000 Н.

Известен одновальный одноконтурный двигатель (Kurt Schreckling, Model turbines 2005 Traplet Publications Ltd) малой мощности. Двигатель включает в себя центробежный компрессор и турбину с одним рабочим колесом устанавливаемых на одном валу. Двигатель отличается простой компактной конструкцией. Для запуска двигателя используется съемный стартер. Двигатель послужил прототипом для большинства маломощных двигателей используемых в качестве силовой установки для сверхлегких, беспилотных летательных аппаратов, авиамоделей.

Недостатком известной конструкции является низкий КПД силовой установки, низкая надежность и длительная предстартовая подготовка двигателя.

Известен одновальный газотурбинный двигатель малой мощности (авторское свидетельство на изобретение 165039 СССР). Двигать выполнен с центробежным компрессором и центростремительной турбиной установленными на одном валу. Стартер подключен через одноступенчатую зубчатую передачу и муфту свободного хода.

Недостатком известной конструкции является низкий КПД силовой установки по причине применения одноступенчатого центробежного компрессора и одноступенчатой центростремительной турбины, так же использование стартера, установленного через муфту свободного хода и зубчатую передачу, понижает надежность работы двигательной установки.

Известен одновальный двухконтурный турбореактивный двигатель (патент RU 2674172 C1) по ряду признаков принятый за наиболее близкий аналог. Двигатель содержит компрессор, турбину, основную непрерывно-детонационную камеру сгорания с каналами подачи топлива, топливными форсунками и инициатором детонации, газодинамический успокоитель, сопловой аппарат и турбину. В затурбинной полости двигателя расположены четыре непрерывно-детонационные камеры сгорания, имеющие форму замкнутых кольцевых секторов, вход каждой из которых соединен с воздушным каналом наружного контура. Вход основной камеры сгорания соединен с воздушным каналом внутреннего контура. Коэффициент двухконтурности двигателя равен или больше единицы. На валу двигателя размещена электрическая машина, соединенная с блоком аккумуляторных батарей. С блоком аккумуляторных батарей соединен также кольцевой пьезогенератор, состоящий из двух частей, разделенных буфером. Вокруг внутренних поверхностей основной и затурбинных камер сгорания установлены кольцевые охлаждающие рубашки с проницаемыми матричными форсунками и блоками топливных форсунок. Для охлаждения наружных поверхностей четырех затурбинных камер сгорания в местах, соприкасающихся с горячим газовым потоком, выходящим из турбины, установлена кольцевая охлаждающая полость с матричными форсунками и блоком топливных форсунок. Изобретение направлено на повышение термодинамической эффективности двигателя, тяги, уменьшение массогабаритных характеристик, расширение диапазона изменения вектора тяги.

К недостаткам известной конструкции можно отнести сложность и как следствие ее низкая надежность, не стационарность процесса детонационного горения, приводящая к возникновению вибрационных процессов в конструкции и низкому эксплуатационному ресурсу, низкая долговечность пьезоэлектрических элементов, используемых в качестве генератора электроэнергии, необходимость применения дополнительных газодинамических успокоителей ухудшает массогабаритные характеристики двигателя.

Цель настоящего изобретения разработка максимально компактной, простой в изготовлении, пригодной для постановки на крупносерийное производство конструкции двухконтурного турбореактивного двигателя малой тяги от 1000 до 5000 Н, для применения в сверхлегких летательных аппаратах и конструктивно близких к ним изделиях.

Поставленная цель достигается оптимизацией рабочих колес вентилятора, осевого компрессора, турбины и конструкции стартер-генератора таким образом, чтобы их рабочие обороты совпадали для установки их на один вал ротора без необходимости применения повышающих либо понижающих передач. Для решения поставленной задачи на входе в рабочее колесо двигателя установлен конфузор позволяющий уменьшить наружный диаметр колеса вентилятора снизив таким образом окружную скорость кромки лопасти вентилятора. Форма лопасти выбрана таким образом, чтобы обеспечить ее работоспособность не только при дозвуковых скоростях движения, но и на сверхзвуковой скорости. Во внутреннем контуре двигателя установлен многоступенчатый осевой компрессор, применение осевой конструкции компрессора по сравнению с центробежным вариантом позволяет уменьшить диаметр конструкции двигателя избежать необходимости использования габаритного выпрямителя потока, так называемой «улитки», следствием такого решения является возможность увеличить степень двухконтурности двигателя при достаточно компактных размерах вплоть до 8. В качестве стартер-генератора использована электрическая машина постоянного тока бесколлекторного типа, применение в таких типах электрических машин магнитов высоких энергий позволяет получить хорошую удельную мощность, а высокий КПД таких машин приводит к отсутствию необходимости использовать сложные и габаритные системы охлаждения. Бесколлекторная машина постоянного тока не имеет контактного узла и отличается высоким рабочим ресурсом. Ротор стартер-генератора крепится неподвижно к валу турбореактивного двигателя. Рабочее колесо турбины выполнено с лопастями активного типа рабочие обороты турбин с лопастями активного типа ниже чем рабочие обороты аналогичных реактивных или активно-реактивных турбин. Применение лопастей активного типа позволяет снизить рабочие обороты турбины до приемлемых величин и установки ее без применения систем редуцирования на одном валу с рабочим колесом вентилятора. Использование лопастей активного типа на турбине приводит к некоторым потерям КПД, но позволяет работать на более низких окружных скоростях при этом не использованная часть внутренней энергии продуктов сгорания топлива преобразуется в полезную работу в сопловом блоке двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом продольного разреза двигателя см. фиг. 1. Позицией 1 отмечен конфузор разгона потока воздуха, подаваемого на рабочее колесо вентилятора поз. 2. Рабочее колесо вентилятора одето на ротор поз. 3 стартер-генератора. Статор, которого закреплен неподвижно на кронштейне поз. 5 внутреннего контура двигателя. Ротор крепится на полом валу двигателя поз. 6. На валу последовательно устанавливаются рабочие колеса ступеней компрессора поз. 7 с промежуточными выпрямителями воздушного потока поз. 8. Вал проходит через камеру сгорания двигателя кольцевого типа поз. 9 изолированный от ее рабочей зоны внутренним корпусом поз. 10. На конце вала установлено рабочее колесо турбины поз. 11. Продукты горения подаются на рабочее колесо через направляющий аппарат поз. 12 далее поток продуктов сгорания проходит через выпрямитель потока 13 и поступает в сопловой блок внутреннего контура поз. 14 с центральным телом поз. 15. Воздушный поток, нагнетаемый вентилятором во внешний контур двигателя поз. 16, проходит через сопловой блок внешнего контура поз. 17.

Предлагаемое техническое решение, позволит выполнить конструкцию двигателя максимально компактной, сохранить относительно высокий КПД двигателя максимально упростив конструкцию и обеспечив ее высокую надежность, что особенно критично на двигателях малой тяги. Отсутствие сложных технологически узлов конструкции обеспечит возможность быстрой организации серийного производства таких двигателей.

Одновальный турбореактивный двухконтурный вентиляторный двигатель содержит конфузор начального ускорения воздушного потока, вентилятор с профилем лопастей, работающих на сверхзвуковых скоростях воздушного потока, встроенный в центральную часть рабочего колеса вентилятора стартер-генератор на базе бесколлекторной электрической машины постоянного тока, многоступенчатый осевой компрессор, сжимающий воздушный поток внутреннего контура двигателя, камеру сгорания кольцевого типа, турбину с профилем лопастей активного типа, имеющую одно или несколько рабочих колес. Вентилятор, стартер-генератор, осевой компрессор и турбина установлены на одном валу без использования редукторов. Параметры лопастей, вентилятора, компрессора и турбины оптимизированы таким образом, чтобы не требовалось редуцирования рабочих колес. Техническое решение может быть использовано в двигателях со степенью двухконтурности до 8. Изобретение позволяет улучшить массогабаритные характеристики двухконтурных двигателей при сохранении хорошего КПД. 1 ил.

Одновальный турбореактивный двухконтурный вентиляторный двигатель, содержащий конфузор, вентилятор со сверхзвуковым профилем лопаток, встроенный в центральную часть вентилятора электрический стартер-генератор постоянного тока бесколлекторного типа, многоступенчатый осевой компрессор внутреннего контура, камеру сгорания и турбину с одной или несколькими ступенями с активным профилем лопаток, отличающийся тем, что для обеспечения компактности конструкции вентилятор подачи воздуха в два контура, стартер-генератор, осевой компрессор и ступени турбины установлены на одном валу без применения редукторов.