ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2025 года по МПК F02K3/75 

Область техники

Изобретение относится к авиационным турбореактивным двигателям, включая двигатели для сверхзвуковых многорежимных летательных аппаратов.

Уровень техники

Известен способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя (патент RU 2637153) с форсажной камерой, заключающийся в том, что сжатый воздух из адаптивного вентилятора разделяют на три потока. Поток первого контура подают в газогенератор, выхлопные газы из которого подают в турбину низкого давления, а от нее через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло. Поток второго контура подают через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло. Поток третьего контура через распределительное устройство подают либо в сопло третьего контура, либо через форсажную камеру в основное реактивное сопло. Задают основные и переходные режимы работы двигателя. В качестве параметров работы двигателя контролируют температуру торможения потока воздуха на входе в двигатель, расход топлива по времени и значения частоты вращения ротора газогенератора и ротора низкого давления. Работу двигателя регулируют переходом с трехконтурной схемы работы на двухконтурную схему работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем переключения распределительными устройствами направления потоков сжатого воздуха и включения в работу форсажной камеры. На малом, взлетном и максимальном режимах, а также на переходных режимах без форсирования двигателя его работу осуществляют по двухконтурной схеме, а поток сжатого воздуха третьего контура направляют в канал второго контура, а на крейсерском режиме работы без форсирования двигателя поток сжатого воздуха третьего контура через канал третьего контура подают в сопло третьего контура. На максимальном и переходных режимах работы с форсированием двигателя поток сжатого воздуха третьего контура подают непосредственно из канала третьего контура через форсажную камеру в основное реактивное сопло, а открытие и закрытие распределительных устройств для подключения и отключения канала третьего контура осуществляют по значениям приведенной частоты вращения ротора низкого давления. Изобретение направлено на повышение максимальной полетной тяги турбореактивного двигателя на максимальных и переходных режимах с форсированием двигателя при сохранении параметров расхода топлива. Недостатком управляемого изложенным способом трехконтурного турбореактивного двигателя является увеличение веса конструкции и снижение надежности двигателя, в том числе в связи с увеличением числа элементов контроля и управления.

Наиболее близким аналогом изобретения, который содержит признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого изобретения, является высотный турбовентиляторный двигатель (патент RU 2793000).

Высотный турбовентиляторный двигатель содержит воздухозаборник, вентилятор, два контура движения воздушного потока, внутренний и внешний. Внутренний контур содержит компрессор низкого давления, соединенный валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессор высокого давления, соединенный полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеру сгорания и сопло. Наружный контур, также заканчивающийся соплом, отличается тем, что он снабжен устройством, имеющим возможность перекрывать на заданной высоте полета внешний контур движения воздушного потока и направлять весь входящий в воздухозаборник воздушный поток во внутренний контур. Устройство установлено на наружной стороне внутреннего контура в районе компрессора и камеры сгорания и состоит из гидроцилиндров, штоками соединенных шарнирно с цилиндрической шайбой. Шайба охватывает по периметру весь внутренний контур и имеет возможность перемещаться вдоль оси двигателя, и соединена шарнирно тягами со створками. Створки установлены с нахлестом друг относительно друга, закреплены шарнирно на торце корпуса внутреннего контура и имеют возможность разделять воздушный поток на внутренний и внешний. При движении шайбы по направлению движения воздушного потока створки имеют возможность раскрываться и перекрывать внешний контур движения воздушного потока, направляя весь входящий в воздухозаборник воздушный поток во внутренний контур. При движении шайбы против направления движения воздушного потока створки могут закрываться и открывать внешний контур движения воздушного потока. С внешней стороны устройство частично закрыто обтекателем. Недостаток проекта высотного турбовентиляторного двигателя состоит в невозможности применять двигатель в многорежимных сверхзвуковых летательных аппаратах.

Таким образом, известные технические решения связывают возможность повышения тяговых характеристик двухконтурных турбореактивных двигателей при сохранении их показателей расхода топлива с технологией применения третьего контура, что сопряжено с повышением весовых и снижением надежностных характеристик двигателей.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение максимальной полетной тяги на крейсерском сверхзвуковом режиме работы без форсирования двигателя и на максимальном дроссельном режиме работы с форсированием двигателя за счет возможности регулирования направления движения потока внешнего контура.

Раскрытие сущности изобретения

а. Предлагается двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, вентилятор, два контура движения воздушного потока, внутренний и внешний. Первый внутренний контур содержит компрессор низкого давления, соединенный валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессор высокого давления, соединенный полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеру сгорания и сопло, форсажную камеру с реактивным соплом. Второй внешний контур имеет выход на сопло внешнего контура и на форсажную камеру. Возможность регулирования направления движения потока внешнего контура обеспечивается устройством, имеющим возможность частично перекрывать второй внешний контур движения воздушного потока и направлять воздушный поток в первый внутренний контур, и шторками сопла внешнего контура, направляющими поток второго внешнего контура либо во внешнее сопло, либо в форсажную камеру, либо в них одновременно, в зависимости от режима работы двигателя.

b. Устройство, обеспечивающее изменение степени двухконтурности двигателя, установлено на наружной стороне внутреннего контура в районе компрессора и камеры сгорания и состоит из гидроцилиндров, штоками соединенных шарнирно с цилиндрической шайбой. Шайба охватывает по периметру весь внутренний контур и имеет возможность перемещаться вдоль оси двигателя. Шайба соединена шарнирно тягами со створками, установленными с нахлестом друг относительно друга и закрепленными в свою очередь шарнирно на торце корпуса первого внутреннего контура. Створки разделяют входящий в двигатель воздушный поток на два внутренний и внешний.

c. При движении шайбы по направлению движения воздушного потока створки раскрываются и частично перекрывают второй внешний контур движения воздушного потока. При заданном угле раскрытия створок обеспечивается движение части воздушного потока второго внешнего контура в первый внутренний контур. При движении шайбы против направления движения воздушного потока створки закрываются и открывают второй внешний контур для движения воздушного потока.

d. С внешней стороны устройство частично закрыто обтекателем.

e. С подъемом на высоту заданный угол раскрытия створок имеет возможность увеличиваться.

f. Способ работы двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в том, что сжатый воздух из вентилятора разделяют на два потока, внутренний и внешний. Внутренний поток передают в первый внутренний контур двигателя, состоящий из компрессора низкого давления, соединенного валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессора высокого давления, соединенного полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеры сгорания и сопла, форсажной камеры и реактивного сопла. Внешний воздушный поток передают через второй внешний контур в сопло внешнего контура и в форсажную камеру, задают основные и переходные режимы работы двигателя и регулируют работу двигателя включением в работу форсажной камеры. Изменение степени двухконтурности двигателя и переход с одной схемы работы на другую осуществляется путем раскрытия или закрытия створок и изменения положения шторок, причем на взлетном режиме с форсированием двигателя, на режиме малого газа и в режиме дозвукового полета без форсирования двигателя его работу осуществляют с раскрытыми на заданный угол створками и шторками, направляющими весь воздушный поток второго внешнего контура в сопло внешнего контура. На крейсерском сверхзвуковом режиме работы без форсирования двигателя осуществляют работу двигателя по трехконтурной схеме с закрытыми створками и шторками, направляющими часть воздушного потока второго внешнего контура в форсажную камеру. На максимальном дроссельном режиме работы с форсированием двигателя осуществляют работу двигателя также с закрытыми створками и шторками, направляющими весь воздушный поток второго внешнего контура в форсажную камеру двигателя.

Задачей этого изобретения является повышение максимальной полетной тяги двухконтурного турбореактивного двигателя на крейсерском сверхзвуковом режиме работы без форсирования двигателя и на максимальном дроссельном режиме работы с форсированием двигателя за счет возможности регулирования направления движения потока внешнего контура.

Поставленная задача решается тем, что двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, вентилятор, два контура движения воздушного потока, внутренний и внешний, первый внутренний контур содержит компрессор низкого давления, соединенный валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессор высокого давления, соединенный полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеру сгорания и сопло, форсажную камеру с реактивным соплом, и второй внешний контур с выходом на сопло внешнего контура и на форсажную камеру, согласно изобретению снабжен устройством, обеспечивающим изменение степени двухконтурности двигателя и имеющим возможность частично перекрывать второй внешний контур движения воздушного потока и направлять воздушный поток в первый внутренний контур, сопло внешнего контура снабжено шторками, направляющими поток второго внешнего контура либо во внешнее сопло, либо в форсажную камеру, либо в них одновременно, в зависимости от режима работы двигателя.

Устройство, обеспечивающее изменение степени двухконтурности двигателя, установлено на наружной стороне внутреннего контура в районе компрессора и камеры сгорания и состоит из гидроцилиндров, штоками соединенных шарнирно с цилиндрической шайбой, охватывающей по периметру весь внутренний контур, имеющей возможность перемещения вдоль оси двигателя и соединенной шарнирно тягами со створками, установленными с нахлестом друг относительно друга, закрепленными в свою очередь шарнирно на торце корпуса первого внутреннего контура и имеющими возможность разделять входящий в двигатель воздушный поток на два внутренний и внешний.

При движении шайбы по направлению движения воздушного потока створки имеют возможность раскрываться и частично перекрывать второй внешний контур движения воздушного потока, так что при заданном угле раскрытия створок обеспечивается движение части воздушного потока второго внешнего контура в первый внутренний контур, а при движении шайбы против направления движения воздушного потока створки имеют возможность закрываться и открывать второй внешний контур для движения воздушного потока.

С внешней стороны устройство частично закрыто обтекателем.

С подъемом на высоту заданный угол раскрытия створок имеет возможность увеличиваться.

Способ работы двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в том, что сжатый воздух из вентилятора разделяют на два потока, внутренний и внешний, внутренний поток передают в первый внутренний контур двигателя, состоящий из компрессора низкого давления, соединенного валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессора высокого давления, соединенного полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеры сгорания и сопла, форсажной камеры и реактивного сопла, внешний воздушный поток передают через второй внешний контур в сопло внешнего контура и в форсажную камеру, задают основные и переходные режимы работы двигателя и регулируют работу двигателя включением в работу форсажной камеры, согласно изобретению изменение степени двухконтурности двигателя и переход с одной схемы работы на другую осуществляется путем раскрытия или закрытия створок и изменения положения шторок, причем на взлетном режиме с форсированием двигателя, на режиме малого газа и в режиме дозвукового полета без форсирования двигателя его работу осуществляют по двухконтурной схеме с раскрытыми на заданный угол створками и шторками, направляющими весь воздушный поток второго внешнего контура в сопло внешнего контура, на крейсерском сверхзвуковом режиме работы без форсирования двигателя осуществляют работу двигателя с закрытыми створками и шторками, направляющими часть воздушного потока второго внешнего контура в форсажную камеру, а на максимальном дроссельном режиме работы с форсированием двигателя осуществляют работу двигателя также с закрытыми створками и шторками, направляющими весь воздушный поток второго внешнего контура в форсажную камеру двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 приведена схема двухконтурного турбовентиляторного двигателя с функцией трехконтурного.

На этом чертеже:

1 - воздухозаборник;

2 - вентилятор;

3 - компрессор низкого давления;

4 - компрессор высокого давления;

5 - вал ротора низкого давления;

6 - полый вал ротора высокого давления;

7 - камера сгорания;

8 - турбина высокого давления;

9 - турбина низкого давления;

10 - сопло;

11 - форсажная камера;

12 - реактивное сопло;

13 - гидроцилиндр;

14 - шток гидроцилиндра;

15 - цилиндрическая шайба;

16 - тяга;

17 - створка;

18 - обтекатель;

19 - сопло внешнего контура;

20 - шторка сопла внешнего контура.

Осуществление изобретения

Пример возможной реализации предложенного технического решения

На фиг. 1 приведена схема двухконтурного турбореактивного двигателя с функцией трехконтурного. Двигатель имеет воздухозаборник 1, вентилятор 2 и два контура движения воздушного потока, внутренний и внешний. Внутренний контур содержит компрессор низкого давления 3, компрессор высокого давления 4, вал ротора низкого давления 5, полый вал ротора высокого давления 6, камеру сгорания 7, турбину высокого давления 8, турбину низкого давления 9, сопло 10, форсажную камеру 11 и реактивное сопло 12. Вал ротора низкого давления 5 соединяет вентилятор 2 и компрессор низкого давления 3 с турбиной низкого давления 9. Полый вал ротора высокого давления 6 соединяет компрессор высокого давления 4 с турбиной высокого давления 8. Устройство, обеспечивающее изменение степени двухконтурности двигателя и переход с одной схемы работы на другую, включает гидроцилиндр 13, шток которого 14 шарнирно соединен с цилиндрической шайбой 15. Шайба 15 тягой 16 шарнирно соединена со створкой 17. Створка 17 шарнирно закреплена на торце внутреннего контура и обеспечивает частичное перекрытие внешнего контура движения воздушного потока при раскрытии на заданный угол. На фиг. 1 створка 17 отклонена на заданный угол и обеспечивает движение воздушного потока третьего контура во внутренний контур на взлетном режиме с форсированием двигателя, на режиме малого газа и в режиме дозвукового полета без форсирования двигателя. В закрытом положении створка, показанная пунктиром, обеспечивает движение суммарного воздушного потока второго и третьего контуров по внешнему контуру двигателя. Раскрытие створки 17 на заданный угол производится путем перемещения штока 14 гидроцилиндра 13 и соединенного с ним цилиндрической шайбы 15 по направлению движения воздушного потока. Возвращение створки 17 в исходное закрытое положение производится путем перемещения штока 14 гидроцилиндра 13 и соединенного с ним цилиндрической шайбы 15 в направлении, противоположном движению воздушного потока. С внешней стороны устройство частично закрыто обтекателем 18. Гидроцилиндры расположены равномерно по периметру внутреннего контура двигателя. Их количество составляет не менее четырех штук. Сопло внешнего контура 19 имеет шторки 20, которые могут направлять часть воздушного потока внешнего контура или весь воздушный поток внешнего контура в форсажную камеру двигателя. Шторки сопла внешнего контура 20 обеспечивают перевод двигателя с двухконтурного режима работы (положение I) на трехконтурный не форсированный (положение II) и далее на трехконтурный форсированный (положение III).

Высотный турбореактивный двигатель имеет следующие характеристики: диаметр двухступенчатого вентилятора 1,1 м, степень двухконтурности 1,2. Двигатель имеет двухступенчатый компрессор низкого и четырехступенчатый компрессор высокого давления, двухступенчатую турбину высокого и двухступенчатую турбину низкого давления и обеспечивает максимальную тягу в форсированном режиме 20 тс и скорость полета летательного аппарата 2,8 Маха. Крейсерская высота сверхзвукового полета равна 20 км.

Двухконтурный турбореактивный двигатель работает следующим образом. На взлетном режиме двигатель работает как обычный двухконтурный турбореактивный двигатель с включенной форсажной камерой. При этом створки раскрыты на величину заданного угла, обеспечивая подачу воздушного потока второго внешнего контура непосредственно в сопло второго контура. Шторки сопла внешнего контура полностью изолируют внешний воздушный поток от форсажной камеры. После набора заданной высоты и скорости полета форсажная камера выключается. Эта же схема работы двигателя с выключенной форсажной камерой сохраняется на режиме малого газа, на режиме с форсированием двигателя в условиях дозвукового полета. Для работы двигателя на крейсерском сверхзвуковом режиме при выключенной форсажной камере створки закрываются, обеспечивая поступление воздушного потока во второй внешний контур двигателя. Шторки сопла внешнего контура открываются на заданный угол, обеспечивая поступление воздушного потока второго внешнего контура в форсажную камеру, что приводит к увеличению тяги двигателя. На максимальном дроссельном режиме работы с включенной форсажной камерой в условиях сверхзвукового полета створки остаются закрытыми. Шторки сопла внешнего контура открываются на полный угол, обеспечивая поступление воздушного потока второго внешнего контура в форсажную камеру. Тем самым повышается максимальная полетная тяга двигателя и, соответственно, увеличивается максимальная скорость полета.

В результате применения настоящего изобретения техническое решение, направленное на разработку двухконтурного турбореактивного двигателя, обеспечивающее повышение максимальной полетной тяги двухконтурного турбореактивного двигателя на крейсерском сверхзвуковом режиме работы без форсирования двигателя и на максимальном дроссельном режиме работы с форсированием двигателя, реализуется за счет возможности регулирования направления движения воздушного потока внешнего контура.

Изобретение относится к авиационным турбореактивным двигателям, включая двигатели для сверхзвуковых многорежимных летательных аппаратов. Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит воздухозаборник, вентилятор, два контура движения воздушного потока, две турбины, сопло внешнего контура со шторками, форсажную камеру и реактивное сопло. Двигатель снабжен устройством, обеспечивающим изменение степени двухконтурности. Устройство установлено на наружной стороне внутреннего контура в районе компрессора и камеры сгорания и состоит из гидроцилиндров, штоками соединенных шарнирно с цилиндрической шайбой. Шайба соединена шарнирно тягами со створками, закрепленными шарнирно на торце корпуса внутреннего контура. С внешней стороны устройство частично закрыто обтекателем. Шторки сопла внешнего контура направляют поток второго внешнего контура либо во внешнее сопло, либо в форсажную камеру, либо в них одновременно, в зависимости от режима работы двигателя. Шторки при совместной работе со створками обеспечивают повышение тяговых и скоростных характеристик сверхзвукового полета. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий воздухозаборник, вентилятор, два контура движения воздушного потока, внутренний и внешний, первый внутренний контур содержит компрессор низкого давления, соединенный валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессор высокого давления, соединенный полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеру сгорания и сопло, форсажную камеру с реактивным соплом, и второй внешний контур с выходом на сопло внешнего контура и на форсажную камеру, отличающийся тем, что снабжен устройством, обеспечивающим изменение степени двухконтурности двигателя и имеющим возможность частично перекрывать второй внешний контур движения воздушного потока и направлять воздушный поток в первый внутренний контур, сопло внешнего контура снабжено шторками, направляющими поток второго внешнего контура либо во внешнее сопло, либо в форсажную камеру, либо в них одновременно, в зависимости от режима работы двигателя.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство, обеспечивающее изменение степени двухконтурности двигателя, установлено на наружной стороне внутреннего контура в районе компрессора и камеры сгорания и состоит из гидроцилиндров, штоками соединенных шарнирно с цилиндрической шайбой, охватывающей по периметру весь внутренний контур, имеющей возможность перемещения вдоль оси двигателя и соединенной шарнирно тягами со створками, установленными с нахлестом друг относительно друга, закрепленными в свою очередь шарнирно на торце корпуса первого внутреннего контура и имеющими возможность разделять входящий в двигатель воздушный поток на два, внутренний и внешний.

3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что при движении шайбы по направлению движения воздушного потока створки имеют возможность раскрываться и частично перекрывать второй внешний контур движения воздушного потока, так что при заданном угле раскрытия створок обеспечивается движение части воздушного потока второго внешнего контура в первый внутренний контур, а при движении шайбы против направления движения воздушного потока створки имеют возможность закрываться и открывать второй внешний контур для движения воздушного потока.

4. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что с внешней стороны устройство частично закрыто обтекателем.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что с подъемом на высоту заданный угол раскрытия створок имеет возможность увеличиваться.

6. Способ работы двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в том, что сжатый воздух из вентилятора разделяют на два потока, внутренний и внешний, внутренний поток передают в первый внутренний контур двигателя, состоящий из компрессора низкого давления, соединенного валом ротора низкого давления с турбиной низкого давления, компрессора высокого давления, соединенного полым валом ротора высокого давления с турбиной высокого давления, камеры сгорания и сопла, форсажной камеры и реактивного сопла, внешний воздушный поток передают через второй внешний контур в сопло внешнего контура и в форсажную камеру, задают основные и переходные режимы работы двигателя и регулируют работу двигателя включением в работу форсажной камеры, отличающийся тем, что изменение степени двухконтурности двигателя и переход с одной схемы работы на другую осуществляется путем раскрытия или закрытия створок и изменения положения шторок, причем на взлетном режиме с форсированием двигателя, на режиме малого газа и в режиме дозвукового полета без форсирования двигателя его работу осуществляют с раскрытыми на заданный угол створками и шторками, направляющими весь воздушный поток второго внешнего контура в сопло внешнего контура, на крейсерском сверхзвуковом режиме работы без форсирования двигателя осуществляют работу двигателя с закрытыми створками и шторками, направляющими часть воздушного потока второго внешнего контура в форсажную камеру, а на максимальном дроссельном режиме работы с форсированием двигателя осуществляют работу двигателя также с закрытыми створками и шторками, направляющими весь воздушный поток второго внешнего контура в форсажную камеру двигателя.