Роторно-реактивная турбина Российский патент 2025 года по МПК F01D1/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигательным установкам, предназначенным для получения оборотов и момента вращения на валу, и может быть использовано для привода электрогенераторов, а также привода винтов и вентиляторов.

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 от истекающих через сопла продуктов сгорания смеси горючего и окислительного рабочего тела для вращения рабочего колеса и камеры сгорания, средства подачи горючего рабочего тела и средства зажигания смеси горючего и окислительного рабочего тела. Внутренняя полость корпуса 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. Выходные отверстия центробежных каналов открыты в полости отдельных камер сгорания через входные отверстия. По меньшей мере по одному выходному отверстию центробежного канала открыто в полость каждой отдельной камеры сгорания, снабженной по меньшей мере одним соплом, выполненным сверхзвуковым, в виде круглого или плоского сопла Лаваля. Центральная ось сопла на его входе совпадает по направлению с центральной осью отдельной камеры сгорания на ее выходе. Отдельные камеры сгорания снабжены 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. 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. (Патент RU 2623592 С1. Роторный газотурбинный двигатель. - МПК: F02C 3/16. - Опубл. 28.06.2017).

Недостатком известного технического решения является, центробежное рабочее колесо с лопатками, через которое подается окислитель, так как при такой схеме максимальная степень повышения давления составляет 10 единиц, что может быть недостаточным для реализации процесса горения. Еще один недостаток данной схемы отсутствие системы смешения или ее плохая реализация, что будет приводить к тому, что часть компонентов будет просто выбрасываться через сопла, не успев вступить в реакцию горения при этом, не давая никакого полезного эффекта. Еще одним недостатком является горение в кольцевом коллекторе, куда подаются компоненты, что будет приводить к прогару из-за большой площади поверхности коллектора и отсутствия охлаждения.

Известен роторный биротативный газотурбинный двигатель, содержащий корпус, на котором установлены жестко трубопроводы подачи окислительного и горючего рабочих тел в рабочее колесо первого ротора, установленного жестко на валу с возможностью вращения, содержащего компрессор для сжатия окислительного рабочего тела, и реактивную турбину, выполненную в виде сегнерова колеса, а также содержащий рабочее колесо второго ротора, установленное соосно и коаксиально вокруг рабочего колеса первого ротора, с возможностью независимого вращения на своем валу в противоположную от первого ротора сторону, отличающийся тем, что рабочее колесо первого ротора выполнено в виде моноблока, установленного жестко на своем валу с возможностью вращения, содержащего двухпоточное закрытое центробежное колесо, обеспечивающее сжатие поступающего в него окислительного рабочего тела, при этом двухпоточное закрытое центробежное колесо выполнено или как одно целое двухпоточное закрытое центробежное колесо с закрытыми центробежными каналами на каждой его стороне, причем центробежные каналы одной стороны выполнены зеркально по отношению к центробежным каналам другой стороны, или выполнено из двух однопоточных закрытых центробежных колес, выполненных зеркально по отношению друг к другу, плотно и жестко соединенных своими фланцами друг с другом, а также содержащего корпус коллектора торообразной формы, охватывающий соосно и коаксиально двухпоточное закрытое центробежное колесо по его периферии и соединенный с ним жестко, плотно и герметично, при этом корпус коллектора выполнен с внутренней полостью торообразной формы, имеющей отверстие по внутреннему периметру и разделенной на отдельные камеры сгорания жестко закрепленными поперечными перегородками, являющимися продолжением лопаток, выполненных по всей высоте двухпоточного закрытого центробежного колеса, причем закрепленными с образованием входных отверстий в отдельные камеры сгорания, при этом выходные отверстия центробежных каналов открыты в полости отдельных камер сгорания через их входные отверстия так, что, по меньшей мере, по одному выходному отверстию центробежных каналов открыто в полость каждой отдельной камеры сгорания, снабженной, по меньшей мере, одним тангенциально установленным соплом, выполненным сверхзвуковым, в виде сопла Лаваля, центральная ось которого совпадает по направлению с центральной осью отдельной камеры сгорания, снабженной средствами подачи горючего рабочего тела, а также системой зажигания, размещенной по обе стороны каждой поперечной перегородки с обеспечением одновременного воспламенения смеси горючего и окислительного рабочего тела в каждых отдельных камерах сгорания, примыкающих друг к другу через перегородку, а между выходными отверстиями двухпоточного закрытого центробежного колеса и входными отверстиями отдельных камер сгорания установлено средство дросселирования, выполненное в виде перфорированной ленты и обеспечивающее выравнивание термодинамических параметров сжатых потоков окислительного рабочего тела в поперечном сечении проточного тракта на входе в каждую отдельную камеру сгорания, при этом рабочее колесо первого ротора соединено с двух сторон соосно и подвижно, с помощью лабиринтного соединения, с концами двух корпусов трубопроводов окислительного рабочего тела, выполненных в виде полых, открытых с двух сторон цилиндров с фланцами, соединенных жестко своими вторыми концами с корпусом, при этом вал первого ротора, один конец которого выполнен с внутренним осевым каналом для подвода горючего рабочего тела в отдельные камеры сгорания первого ротора и соединен соосно и подвижно, с помощью лабиринтного уплотнения, с корпусом трубопровода, подводящим горючее рабочее тело, установлен в корпусе двигателя подвижно, с помощью подшипниковой опоры, с жестко закрепленным на нем компрессором, размещенным соосно внутри одного из корпусов трубопровода окислительного рабочего тела, а другой конец вала первого ротора также установлен в корпусе двигателя подвижно, с помощью подшипниковой опоры, с жестко закрепленным на нем компрессором, размещенным соосно внутри второго корпуса трубопровода окислительного рабочего тела, и соединен с полезной нагрузкой, при этом рабочее колесо второго ротора установлено соосно и коаксиально вокруг рабочего колеса первого ротора, с возможностью независимого вращения в противоположном направлении, и выполнено из двух одинаковых дисков, с диаметром, превышающим диаметр рабочего колеса первого ротора, и установленных соосно между собой, и с рабочим колесом первого ротора с каждой его стороны, при этом выполненных с тангенциально расположенными по окружности на их внешних сторонах воздухозаборными каналами, представляющими собой открытые в сторону вращения дисков выпуклые полости со сквозными отверстиями в их нишах, выполненными в дисках, соединенных между собой по периферии жестко и герметично кольцом желобообразной формы, с образованием внутри кольца полости рабочего колеса второго ротора, в котором установлены тангенциально одинаково направленные сверхзвуковые сопла, выполненные в виде плоского сопла Лаваля, с панелью дозвуковой части, расположенной параллельно оси вращения рабочего колеса второго ротора, по радиусу ближе к центру его вращения, выполненной удлиненной, с возможностью выполнения функции лопатки, при этом диски своей внешней стороной соединены жестко и герметично, каждый со своим валом, выполненным в виде полого, открытого с двух сторон цилиндра, на внутренней поверхности которого выполнены проточки в виде кольцеобразных углублений, в которых установлены жестко магниты, при этом каждый из валов рабочего колеса второго ротора установлен подвижно и коаксиально через подшипниковые опоры на соответствующий корпус трубопровода окислительного рабочего тела, выполненный с проточкой на наружной поверхности цилиндрической части, в которую установлена токопроводящая обмотка статора (Патент RU 2702317 С1 Роторный биротативный газотурбинный двигатель F02C 3/16 Опубликовано: 2019.10.07).

Недостатки известного технического решения схожи с недостатками предыдущего изобретения, и заключаются они в отсутствие системы смешения, а также горение в кольцевом коллекторе.

Известен роторный детонационный газотурбинный двигатель содержит вал, на котором установлен жестко ротор, выполненный в виде моноблока, содержащего закрытое центробежное колесо, выполненное с основными лопатками, имеющими полную длину их верхней кромки, и вспомогательными лопатками, укороченными со стороны входа центробежного колеса. Каждая вспомогательная лопатка расположена между двумя основными лопатками, с помощью которых образованы входные каналы центробежного колеса, а его выходные каналы образованы с помощью основных и вспомогательных лопаток, и на их концах выполнены профилированные полости. На срезе его выходных каналов установлены детонационные камеры сгорания, каждая из которых выполнена в виде трубы постоянного сечения, открытой полностью с одного конца и закрытой наглухо, прочно и герметично с другого конца полусферическим, выпуклым наружу днищем, оснащенным форсункой горючего вещества. Проточный тракт каждой камеры сгорания оснащен коллекторами с форсунками горючего вещества, выполненными в виде шпангоутов и стрингеров. Каждая камера сгорания выполнена с изгибом ее продольной оси по радиусу, в плоскости вращения ротора, а между собой все камеры сгорания соединены жестко с образованием единого кольцевого открытого проточного тракта таким образом, что полусферическая полость днища каждой камеры сгорания соединена с выходным сечением проточного тракта другой, рядом расположенной, по направлению вращения ротора, камеры сгорания детонационным каналом. Число входных каналов центробежного колеса четное и равно числу камер сгорания, по крайней мере, ни менее четырех, а число выходных каналов также четное, по крайней мере, вдвое больше числа его входных каналов и числа камер сгорания, при этом выходные каналы, по крайней мере, ни менее двух, входят в боковые вырезы каждой камеры сгорания. Техническими результатами заявляемого изобретения являются повышение абсолютной и удельной мощности роторного детонационного газотурбинного двигателя, а также экономичности его работы в заданных габаритных ограничениях по диаметру описанной окружности роторов, а также повышение надежности его работы в автомодельном режиме, с газодинамическим "запиранием" его камер сгорания, а также упрощение его конструкции. (Патент RU 2745975 С1 Роторный детонационный газотурбинный двигатель и способ детонационного горения в нем F02C 5/04; F02C 3/165 Опубл. 05.04.2021).

Недостатки известного технического решения схожи с предыдущими изобретениями. При этом дополнительным недостатком является детонационное горение, которое плохо контролируемо, на что указывает и сам автор, также для постоянной и контролируемой детонации нужна качественная подготовка смеси, что при данной схеме невозможно.

Известна турбореактивная установка, содержащая вал и стационарно установленные вокруг вала подводящие коллекторы для подачи рабочего тела, соединенные с входными отверстиями рабочих колес патрубками, при этом патрубки соосно расположены вокруг вала, жестко соединены с коллекторами и герметично и подвижно соединены с входными отверстиями рабочих колес турбин. Вал выполнен с подшипниковыми опорами, на котором на расстоянии друг от друга установлены в одном направлении двухпоточные реактивные турбины. Двухпоточная реактивная турбина, содержит установленное на валу центробежное рабочее колесо с лопатками, в котором осуществляется сжатие поступающего в него рабочего тела. Центробежное рабочее колесо выполнено двухпоточным и состоит из двух соосно и плотно соединенных или изготовленных в виде единого целого однопоточных центробежных рабочих колес, одно из которых выполнено с зеркально противоположным направлением профиля лопаток, по верхним боковым кромкам закрытых обечайками, с образованием центробежных каналов и содержит по крайней мере один полый торообразный коллектор с отверстием по периметру его внутреннего диаметра, ширина которого не меньше общей высоты лопаток в выходном сечении центробежных каналов двухпоточного центробежного рабочего колеса, жестко и с обеспечением герметичности прикрепленный к двухпоточному центробежному рабочему колесу так, что выходные отверстия центробежных каналов открыты во внутреннюю полость торообразного коллектора, при этом по периметру внешнего диаметра торообразного коллектора выполнены отверстия, в которые установлены сверхзвуковые реактивные сопла, при этом торообразный коллектор снабжен перегородками, перекрывающими его в поперечном сечении, жестко закрепленными вблизи начала входного участка каждого реактивного сопла. Сверхзвуковые реактивные сопла установлены в торообразный коллектор реактивной турбины тангенциально, в плоскости, перпендикулярной оси вращения двухпоточного центробежного рабочего колеса (Патент RU 2673431 С2. Способ получения механической энергии, однопоточная и двухпоточная реактивные турбины и турбореактивная установка для его реализации. - МПК: F01D 1/32, F01D 15/08. - Опубл. 26.11.2018).

Недостатком известного технического решения является схема, в данной постановке она может быть применима только как паровая или пневматическая турбина, так как отсутствует система смешения. При этом недостатком данного изобретения является центробежное колесо с лопатками, так как автор патента связал количество сопел и количество каналов центробежного колеса. При этом разделил коллектор, находящийся на периферии перегородками, что при большом количестве лопаток на центробежном колесе, приведет к тому, что реактивные двигатели могут начать перекрывать друг друга, что приведет к необходимости изменить угол расположения реактивных двигателей, что снизит эффективность схемы. При малом количестве лопаток на центробежном колесе его эффективность будет сопоставима с простым каналом.

Задачей заявляемого технического решений является замена центробежного колеса с лопатками, а также улучшение подачи и смешения рабочих тела в виде окислителя и горючего в отдельных камерах ракетных двигателей, расположенных на периферии рабочего колеса.

Техническими результатом изобретения является получение нового двигателя путем замены центробежного рабочего колеса с лопатками на колесо с каналами, соединенное системой подачи с механизмами повышения давления и ракетным двигателем.

Указанные технические результаты достигаются тем, что Роторно-реактивная турбина, содержащая вал, установленный на подшипниковых опорах, на котором закреплено, по меньшей мере, одно двухпоточное рабочее колесо содержащие средства зажигания при этом в рабочее колесо поступают рабочие тела в виде окислителя и горючего, согласно предложенному техническому решению,

рабочие тела в виде окислителя и горючего через механизмы повышения давления попадают как минимум в одно рабочее колесо, которое содержит раздельные каналы связанные входом с системой подачи, а выходом с кольцевыми коллекторами, расположенными на периферии рабочего колеса, где также закреплен как минимум один ракетный двигатель, герметично связанный с кольцевыми коллекторами;

каналы рабочего колеса образованы трубками с попарно выполненными проточными каналами, на свободных концах которых закреплены кольцевые коллекторы;

каналы рабочего колеса образованы из двух однопоточных труб;

каналы рабочего колеса образованы набором пластин, связанных между собой разъемными или не разъемными соединениями;

каналы рабочего колеса выполнены в одной пластине;

механизмы повышения давления расположены на одном с рабочим колесом валу;

механизмы повышения давления расположены отдельно от роторно-реактивной турбины и имеют свой привод;

реактивный двигатель имеет систему охлаждения;

реактивный двигатель имеет жаростойкое теплозащитное покрытие;

реактивный двигатель имеет систему дозирования и смешения;

имеет систему управления, контроля и безопасности;

на рабочем колесе имеется элемент защиты реактивного двигателя.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленных двигателей и установки, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решений соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствуют условию патентоспособности «изобретательский уровень».

На фиг.1 показан общий вид роторно-реактивной турбины в разрезе; на фиг.2 - то же, вид с лева.

Роторно-реактивная турбина (фиг.1, 2) содержит механизм повышающий давление 1, рабочее колесо 2, с каналом 3, соединенными с системами подачи 4, кольцевыми коллекторами 5 и реактивный двигатель 6.

Роторно-реактивная турбина работает следующим образом (фиг.1, 2).

В роторно-реактивную турбину работающую на холостых оборотах подаются рабочие тела в виде окислителя и горючего, пройдя через механизмы повышающие давление 1 установленные на одном валу с рабочим колесом 2, попадают в системы подачи 4, после которых по каналам 3 расположенным в рабочем колесе 2 перетекает в кольцевые коллекторы 5. После чего поступают в ракетные двигатели 6, где смешиваются и воспламеняются, при этом создается реактивная струя рабочего тела, кинетической энергии которой достаточно для создания крутящего момента на валу.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для привода электрогенераторов, двигательных установок, компрессоров холодильных установок и т.д., и может быть использовано для получения большей мощности при небольших расходах компонентов. Роторно-реактивная турбина, содержащая вал, установленный на подшипниковых опорах, на котором закреплено, по меньшей мере, одно двухпоточное рабочее колесо, содержащее средства зажигания, при этом в рабочее колесо поступают рабочие тела в виде окислителя и горючего. Рабочие тела в виде окислителя и горючего через механизмы повышения давления попадают как минимум в одно рабочее колесо, которое содержит раздельные каналы, связанные входом с системой подачи, а выходом с кольцевыми коллекторами, расположенными на периферии рабочего колеса, где также закреплен как минимум один ракетный двигатель, герметично связанный с кольцевыми коллекторами. Техническим результатом является получение новых двигателей путем замены центробежного рабочего колеса с лопатками на колеса с каналами. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Роторно-реактивная турбина, содержащая вал, установленный на подшипниковых опорах, на котором закреплено, по меньшей мере, одно двухпоточное рабочее колесо, содержащее средства зажигания, при этом в рабочее колесо поступают рабочие тела в виде окислителя и горючего, отличающаяся тем, что рабочие тела в виде окислителя и горючего через механизмы повышения давления попадают как минимум в одно рабочее колесо, которое содержит раздельные каналы, связанные входом с системой подачи, а выходом с кольцевыми коллекторами, расположенными на периферии рабочего колеса, где также закреплен как минимум один ракетный двигатель, герметично связанный с кольцевыми коллекторами.

2. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что каналы рабочего колеса образованы трубками с попарно выполненными проточными каналами, на свободных концах которых закреплены кольцевые коллекторы.

3. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что каналы рабочего колеса образованы из двух однопоточных труб.

4. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что каналы рабочего колеса образованы набором пластин, связанных между собой разъемными или не разъемными соединениями.

5. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что каналы рабочего колеса выполнены в одной пластине.

6. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что механизмы повышения давления расположены на одном с рабочим колесом валу.

7. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что механизмы повышения давления расположены отдельно от роторно-реактивной турбины и имеют свой привод.

8. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что ракетный двигатель имеет систему охлаждения.

9. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что ракетный двигатель имеет жаростойкое теплозащитное покрытие.

10. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что ракетный двигатель имеет систему дозирования и смешения.

11. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что имеет систему управления, контроля и безопасности.

12. Роторно-реактивная турбина по п. 1, отличающаяся тем, что на рабочем колесе имеется элемент защиты ракетного двигателя.