Турбовентиляторный двигатель Российский патент 2025 года по МПК F02K3/06 F02K3/11 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны турбовентиляторные двигатели. (Теория авиационных двигателей. Под ред. Казанджана П.К, г. Москва, « Машиностроение», 1983 г, стр. 7-8, рис. 4). В данном типе двигателей используется одноступенчатый вентилятор большого диаметра, обеспечивающий высокий расход воздуха через двигатель на всех скоростях полета. Двигатель состоит из двух частей. Одна из них- внутренний контур, состоящий из газогенератора и сопловой части. В состав газогенератора входят компрессор, камера сгорания и турбины. Воздух затягивается и немного сжимается вентилятором. Затем часть этого воздуха поступает в компрессор и сильно сжимается, после чего попадает в камеру сгорания, где смешивается с топливом. После сгорания топливной смеси высокотемпературные газы из камеры сгорания попадают на турбину высокого давления и приводят ее во вращение. Турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления. После турбины высокого давления газы попадают на турбину низкого давления, приводящую вентилятор и компрессор низкого давления. После турбины низкого давления газы попадают в сопло и истекают наружу, формируя часть тяги двигателя.

Вторая часть двигателя - внешний контур. Внешний контур представляет собой одноступенчатый вентилятор большого диаметра, за которым располагается спрямляющий аппарат из неподвижных лопаток, которые разгоняют поток воздуха за вентилятором и поворачивают его, приводя к осевому направлению, с истечением через сопло. Вентилятор создает до 70-80% всей тяги двигателя.

В некоторых турбовентиляторных двигателях используется редуктор, передающий вращение с вала турбины низкого давления на вентилятор. Благодаря такому конструктивному решению удалось частично избавиться от жесткой связки между горячей и холодной частями силовой установки. Вентилятор и турбина стали работать в оптимальных друг для друга условиях. Удалось повысить частоту вращения турбины без значительного увеличения частоты вращения вентилятора. Ведущие производители авиадвигателей идут по пути использования редукторного привода вентилятора ввиду лучшей топливной эффективности.

Известен трехвальный турбовентиляторный двигатель Д-36 (https://spbguga.ru>…

Газотурбинные двигатели гражданской авиации).

Двигатель имеет модульную конструкцию и состоит из трех механически между собой не связанных роторов:

- ротора вентилятора;

- ротора низкого давления;

- ротора высокого давления.

Ротор вентилятора состоит из одноступенчатого вентилятора и 3-ступенчатой турбины вентилятора. Ротор низкого давления состоит из 6- ступенчатого компрессора и одноступенчатой турбины. Ротор высокого давления состоит из 7 ступенчатого компрессора приводимого во вращение одноступенчатой турбиной.

Все турбины двигателя связаны между собой газодинамически. Газовый поток после выхода из камеры сгорания вращает турбину высокого давления, турбину низкого давления, далее направляется на турбину вентилятора, на валу которой установлен вентилятор. Изменение оборотов всех турбин двигателя происходит одновременно с изменением расхода топливно-воздушной смеси в камере сгорания, что исключает возможность выделенного регулирования оборотов вентилятора в зависимости от режима полета.

Известен турбореактивный двигатель с отбором воздуха из-за компрессора (Патент GB 1201526,1970), в котором используется дополнительная камера сгорания, расположенная в затурбинном пространстве, для создания дополнительной тяги. Основным недостатком двигателя является повышенный расход топлива на крейсерских режимах работы двигателя.

Известен двухкамерный турбореактивный двигатель (Патент RU №2187009,2000) Известный двухкамерный турбореактивный двигатель состоит из входного устройства, компрессора, основной камеры сгорания, турбины, дополнительной камеры сгорания, эжекторного сопла.

Основная камера сгорания расположена между компрессором и турбиной, а дополнительная камера сгорания расположена внутри канала, проходящего через вал двигателя и соединяющего компрессор с входом в первичное сопло. Вторичное сопло соединено с турбиной каналом.

Сжатый до заданного давления воздух делится на два потока.

Первый поток поступает в основную камеру сгорания где происходит процесс горения топлива, образовавшийся в результате сгорания газ поступает на турбину которая приводит во вращение компрессор. Выходящий из турбины газ поступает с дозвуковой скоростью во вторичное сопло.

Второй поток через канал внутри вала поступает в дополнительную камеру сгорания где происходит процесс горения топлива. Образовавшийся в результате сгорания газ истекает со звуковой (сверхзвуковой) скоростью из первичного во вторичное сопло. Основным недостатком двигателя является то, что расположение дополнительной камеры сгорания за турбиной в высокотемпературном газовом потоке основной камеры сгорания не позволяет существенно повысить удельные характеристики. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция турбовентиляторного двигателя (патент RU 2346176, 2007).

Известный турбовинтовой двигатель состоит из биротативного вентилятора, редуктора, компрессора низкого давления, компрессора высокого давления, камеры сгорания, турбины высокого давления и турбины низкого давления, которая валом соединена с редуктором. На разделительном корпусе установлена коробка приводов с маслонасосами подачи и откачки масла. Вентилятор выполнен биротативным в целях снижения окружных скоростей, позволяющих снизить уровень шума, повысить к.п.д., а рабочие лопатки вентилятора испытывают минимальный уровень напряжений от действия центробежных сил. В известном турбовентиляторном двигателе газовоздушная смесь полученная при сжатии воздуха в компрессоре и нагреве его в камере сгорания попадают на турбину высокого давления и приводят ее во вращение. Турбина высокого давления приводит во вращение компрессор высокого давления. После турбины высокого давления газы попадают на турбину низкого давления, приводящую вентилятор и компрессор низкого давления. После турбины низкого давления газы попадают в сопло и истекают наружу, формируя часть тяги двигателя.

Основным недостатком известного двигателя является недостаточная надежность и ресурс редуктора. Производство редуктора требует применения дорогих специальных материалов, прецизионной точности изготовления и монтажа. Известна сложность настройки и ремонта редуктора. Высокое тепловыделение за счет компактности и большой передаваемой мощности требует сложной система подвода и откачки масла смазки.

Из вышеизложенного следует, что применение редуктора снижает надежность и ресурс двигателя, повышает эксплуатационные расходы, удорожает производство.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является повышение надежности и увеличения ресурса турбовентиляторного двигателя.

Поставленная задача решена благодаря тому, что предлагаемый турбовентиляторный двигатель содержит в себе модуль привода компрессора (1), модуль привода вентилятора (2), модуль привода компрессора (1), состоящий из входного устройства (3), компрессора низкого давления (4), компрессора высокого давления (5), устройства распределения сжатого воздуха (6), основной камеры сгорания (7), турбины высокого давления (8), турбины низкого давления (9), выхлопного устройства (10), выполненный таким образом, что в основной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу преобразуется в механическую работу привода компрессора, а приращение кинетической энергии газового потока отсутствует,

модуль привода вентилятора (2) состоящий из дополнительной камеры сгорания (11), турбины (12), установленной на одном валу с вентилятором (14) расположенным в гондоле (15), сопла (13), выполненный таким образом, что в дополнительной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу в основном преобразуется в механическую работу привода вентилятора, а часть идет на увеличение кинетической энергии газового потока в сопле.

По сути, поставленная задача достигается следующим образом: двигатель содержащий компрессор, турбины компрессора, камеру сгорания, вентилятор, редуктор, отличается тем, что двигатель содержит функциональные модули с основной и дополнительной камерами сгорания, при этом в основной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу преобразуется в механическую работу привода компрессора, а в дополнительной камере сгорания камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу в основном преобразуется в механическую работу привода вентилятора, а часть идет на увеличение кинетической энергии газового потока.

Как будет понятно специалисту, преимущества предлагаемого двигателя по сравнению с выбранным прототипом достигаются тем, что при раздельном приводе компрессора и вентилятора исключается применение редуктора.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлена схема двигателя

На Фиг. 2 показано сечение А-А

Позициями 1-15 обозначены:

1- модуль привода компрессора,

2- модуль привода вентилятора,

3- входное устройство,

4- компрессор низкого давления,

5- компрессор высокого давления,

6- устройство распределения сжатого воздуха,

7- основная камера сгорания,

8- турбина высокого давления,

9- турбина низкого давления,

10- выхлопное устройство,

11 - дополнительная камера сгорания,

12- турбина,

13- сопло,

14- вентилятор,

15- гондола.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Турбовентиляторный двигатель (Фиг. 1) содержит модуль привода компрессора 1 и модуль привода вентилятора 2 расположенные последовательно вдоль оси двигателя. Модуль привода компрессора 1 состоит из входного устройства 3, компрессора низкого давления 4, компрессора высокого давления 5, устройства распределения сжатого воздуха 6, основной камеры сгорания 7, турбины высокого давления 8, турбины низкого давления 9, выхлопных устройств 10, расположенных по бокам двигателя (Фиг. 2). Устройство распределения сжатого воздуха 6 осуществляет разделение сжатого воздуха на два потока: первый поток направляется в основную камеру сгорания 7, а второй поток направляется в дополнительную камеру сгорания 11. Также в устройстве осуществляется регулирование расхода сжатого воздуха, направляемого в основную и дополнительную камеры сгорания, в зависимости от режима работы двигателя.

Модуль привода вентилятора 2 состоит из дополнительной камеры сгорания 11, турбины 12 установленной на одном валу с вентилятором 14 и сопла 13. Вентилятор 14 установлен в гондоле 15.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Воздух, поступающий из атмосферы через входное устройство 3, сжимается в компрессоре низкого 4 и высокого давлений 5. Сжатый до определенного давления воздух поступает в устройство распределения сжатого воздуха 6 и далее направляется в основную камеру сгорания 7, куда одновременно через форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо и воспламеняется. Образующийся в результате сгорания газ поступает на турбину высокого давления 8 и далее на турбину низкого давления 9, которые приводят во вращение соответствующие компрессоры. Выходящий из турбин компрессора газ через выхлопные устройства 10, расположенные по бокам двигателя, удаляется в атмосферу.

В модуле привода компрессора 1 подведенная к рабочему телу теплота при сгорании топлива преобразуется в механическую работу привода компрессора, а приращение кинетической энергии газового потока отсутствует.

По мере достижения компрессором необходимых параметров сжатого воздуха по давлению и объемной производительности устройство распределения сжатого воздуха 6 открывает доступ сжатого воздуха в дополнительную камеру сгорания 11.

В поступающий в дополнительную камеру сгорания 11 сжатый воздух через форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо и воспламеняется. Образующийся в результате сгорания газ поступая на турбину 12 приводят ее во вращение вместе с вентилятором 14, установленном на одном валу с турбиной. Ускоренный вентилятором 14 воздух в гондоле 15 создает основную часть тяги двигателя. Часть тяги двигателя создается истекающим из сопла 13 газовым потоком.

В модуле привода вентилятора 2 подведенная к рабочему телу теплота при сгорании топлива в основном преобразуется в механическую работу привода вентилятора, а часть расходуется на увеличение кинетической энергии газового потока. Раздельный привод компрессора и вентилятора устраняет жесткую связку между горячей и холодной частями силовой установки.

Изменение оборотов турбин компрессора производится регулированием расхода топ-ливно-воздушной смеси в основной камере сгорания.

Изменение оборотов вентилятора осуществляется регулированием расхода топливно-воздушной смеси в дополнительной камере сгорания. Отдельный привод вентилятора дает возможность определить газодинамические и геометрические параметры турбины (диаметр ротора), обеспечивающие оптимальные обороты вентилятора, что повышает экономичность двигателя.

Таким образом, изменение оборотов вентилятора производится независимо от изменения оборотов турбин компрессора, так как турбина вентилятора и турбины компрессора не связаны между собой ни механически, ни газодинамически.

Предлагаемое техническое решение позволяет оптимизировать обороты вентилятора без применения редуктора на всех режимах работы двигателя, что повышает надежность и экономичность, увеличивает ресурс, снижает эксплуатационные расходы и издержки производства.

Таким образом, при сравнимых экономических показателях двигателей, двигатель с раздельным приводом вентилятора, ввиду отсутствия редуктора, позволяет повысить надежность и увеличить ресурс двигателя.

Разделение двигателя на функциональные модули позволяет распределить тепловую нагрузку между ними в соответствии с количеством теплоты подведенной к рабочему телу в основной камере сгорания и количеством теплоты подведенной к рабочему телу в дополнительной камере сгорания.

Отдельный привод компрессора требует подвода меньшего количества теплоты к рабочему телу в основной камере сгорания, так как работа турбин компрессоров во много раз меньше работы турбины привода вентилятора. Снижение тепловой нагрузки на турбины компрессоров позволяет увеличить ресурс двигателя.

Распределение тепловой нагрузки по модулям увеличивает ресурс двигателя в целом.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения. Турбовентиляторный двигатель содержит в себе: модуль привода компрессора (1), модуль привода вентилятора (2), модуль привода компрессора (1), состоящий из входного устройства (3), компрессора низкого давления (4), компрессора высокого давления (5), основной камеры сгорания (6), турбины высокого давления (7), турбины низкого давления (8), выхлопного устройства (9), выполненный таким образом, что в основной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу преобразуется в механическую работу привода компрессора, а приращение кинетической энергии газового потока отсутствует, модуль привода вентилятора (2), состоящий из дополнительной камеры сгорания (10), турбины (11), установленной на одном валу с вентилятором (14), расположенным в гондоле (15), сопла (13), выполненный таким образом, что в дополнительной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу в основном преобразуется в механическую работу привода вентилятора, а часть идет на увеличение кинетической энергии газового потока в сопле. Таким образом достигается повышение надежности и увеличения ресурса турбовентиляторного двигателя. 2 ил.

Турбовентиляторный двигатель, содержащий в себе: модуль привода компрессора (1), модуль привода вентилятора (2),

модуль привода компрессора (1), состоящий из входного устройства (3), компрессора низкого давления (4), компрессора высокого давления (5), устройства распределения сжатого воздуха (6), основной камеры сгорания (7), турбины высокого давления (8), турбины низкого давления (9), выхлопного устройства (10), выполненный таким образом, что в основной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу преобразуется в механическую работу привода компрессора, а приращение кинетической энергии газового потока отсутствует,

модуль привода вентилятора (2), состоящий из дополнительной камеры сгорания (11), турбины (12), установленной на одном валу с вентилятором (14), расположенным в гондоле (15), сопла (13), выполненный таким образом, что в дополнительной камере сгорания подведенная теплота к рабочему телу в основном преобразуется в механическую работу привода вентилятора, а часть идет на увеличение кинетической энергии газового потока в сопле.