МНОГОРЕЖИМНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
MULTI-MODE GAS TURBINE ENGINE OF SOLID FUEL

Изобретение относится к области авиадвигателестроения и касается устройства газотурбинного двигателя, работающего на твердом топливе.
Известен газотурбинный двигатель твердого топлива, содержащий твердотопливный заряд и корпус, образующий газовоздушный тракт двигателя, в котором последовательно размещены компрессор, камера сгорания, турбина, выходное устройство, при этом твердотопливный заряд размещен вне газовоздушного тракта двигателя и заключен в собственный корпус, образуя газогенератор (прототип: RU 173530, МПК B64D 33/02, опубл. 30.08.2017).
Недостатком известного решения является сложность настройки двигателя для поддержания устойчивого режима его работы на различных режимах. Это связано с тем, что в известном решении газотурбинный двигатель снабжен контуром реактивных двигателей с собственной системой топливопитания, реализованной на отличном от газотурбинного двигателя виде топлива, а именно твердом топливе, откуда возникает необходимость параллельного регулирования принципиально разных систем в пределах одного двигателя.
Задачей заявленного изобретения является создание многорежимного газотурбинного двигателя, работающего на твердом топливе, лишенного недостатков прототипа. Техническим результатом, достигаемым при использовании заявленного изобретения, является обеспечение нескольких устойчивых режимов работы двигателя, при одновременном упрощении его конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в многорежимном газотурбинном двигателе твердого топлива содержащем твердотопливный заряд и корпус, образующий газовоздушный тракт двигателя, в котором последовательно размещены компрессор, камера сгорания, турбина, выходное устройство, при этом твердотопливный заряд размещен вне газовоздушного тракта двигателя и заключен в собственный корпус, образуя газогенератор, согласно заявленному изобретению в корпусе газогенератора сформированы две независимые форкамеры с общей стенкой в виде твердотопливного заряда, содержащего небольшое количество окислителя, способного гореть в газогенераторе без доступа воздуха с образованием газифицированных продуктов сгорания, способных гореть в воздухе в камере сгорания и имеющих давление, достаточно высокое для стабилизации скорости химической реакции в твердотопливном заряде, при этом форкамеры снабжены собственными запальными устройствами, причем выход одной форкамеры пневматически сообщен по меньшей мере одним газоводом с камерой сгорания, а выход другой пневматически сообщен по меньшей мере одним газоводом с газовоздушным трактом за турбиной, при этом газоводы снабжены дроссельными устройствами. Кроме того, корпус твердотопливного заряда выполнен охватывающим корпус двигателя за турбиной, а сам твердотопливный заряд выполнен составным, с непрогараемой стенкой между его частями.
Вынос твердотопливного заряда за пределы газовоздушного тракта двигателя с заключением его в собственный корпус, образующий газогенератор, в котором сформирована форкамера, снабженная запальным устройством, и пневматическое сообщение выхода из форкамеры с камерой сгорания по меньшей мере одним газоводом, позволит обеспечить устойчивую работу двигателя за счет следующего. Используемое твердое топливо содержит в своем составе небольшое количество окислителя, которое позволят твердотопливному заряду работать как генератору горючего газа, подаваемого по газоводам в камеру сгорания. При горении твердотопливного заряда без доступа воздуха образуются газифицированные продукты сгорания (горючий газ), способные гореть в воздухе и имеющие давление, достаточно высокое для того, чтобы стабилизировать скорость химической реакции в топливной шашке. Высокое давление горючего газа исключает обратную связь между режимом работы двигателя и режимом горения твердотопливной шашки, поскольку давление в газовоздушном тракте двигателя существенно ниже, чем давление в газогенераторе, и возмущения давления в газовоздушном тракте не передаются внутрь газогенератора. И, так как газогенератор не участвует в формировании геометрии газовоздушного тракта, то в процессе выгорания твердотопливного заряда обозначенная геометрия не изменяется. Соответственно, при необходимости увеличения массы твердотопливного заряда, например с целью повышения продолжительности полета объекта, нет необходимости внесения конструктивных изменений в элементы газовоздушного тракта двигателя, в частности, увеличивать длину вала под расширение места установки твердотопливного заряда, что, в свою очередь, может потребовать установки дополнительной опоры или увеличения толщины самого вала.
Формирование в корпусе газогенератора двух независимых форкамер с общей стенкой в виде твердотопливного заряда, а также их снабжение собственными запальными устройствами, с пневматическим сообщением выхода одной форкамеры (передней) по меньшей мере одним газоводом с камерой сгорания, а выхода другой (задней) по меньшей мере одним газоводом с проточной частью выходного устройства позволит реализовать дополнительный режим работы двигателя.
Снабжение газоводов дроссельными устройствами обеспечит постоянный расход горючего газа, при этом пропускная способность дроссельных устройств подбирается под требуемый расход.
Выполнение корпуса твердотопливного заряда охватывающим корпус двигателя с размещением его за турбиной упростит монтаж/демонтаж твердотопливного заряда, позволяя производить указанную операцию без демонтажа двигателя с объекта.
Выполнение твердотопливного заряда составным, с непрогараемой стенкой между его частями, позволит установить требуемое время поступления горючего газа в проточную часть двигателя за турбиной.
Сущность заявленного изобретения поясняется схемой продольного разреза многорежимного газотурбинного двигателя, работающего на твердом топливе.
Многорежимный газотурбинный двигатель твердого топлива содержит корпус 1, образующий газовоздушный тракт 2, в котором последовательно размещены компрессор 3, камера сгорания 4, турбина 5 и выходное устройство 6. Компрессор 3 и турбина 5 установлены на общем валу 7. За пределами газовоздушного тракта 2 размещен твердотопливный заряд 8, заключенный в собственный корпус 9, образуя газогенератор. Твердотопливный заряд 8 разделен в корпусе 9 непрогараемой стенкой 10 и оснащен независимо действующими запальными устройствами: 11 в передней части и 12 в задней части. В корпусе газогенератора сформированы две независимые форкамеры: передняя форкамера 13 газогенератора пневматически сообщена газоводом 14 с камерой сгорания 4, причем газовод 14 снабжен дроссельным устройством 15, а задняя форкамера 16 газогенератора пневматически сообщена газоводом 17 с газовоздушным трактом 2 за турбиной 5, причем газовод 17 снабжен дроссельным устройством 18. В частном случае реализации, конструкция предусматривает по два газовода 14 и 17, а собственный корпус 9 твердотопливного заряда 8 выполнен охватывающим корпус 1 двигателя и размещен за турбиной 5.
Многорежимный газотурбинный двигатель твердого топлива работает следующим образом.
Твердое топливо, содержащее в своем составе небольшое количество окислителя, горит в газогенераторе без доступа воздуха. На основном (бесфорсажном) режиме твердое топливо горит только со стороны передней форкамеры 13 пневматически сообщенной с камерой сгорания 4. Образующийся в ходе горения в передней форкамере 13 горючий газ поступает через газовод 14, снабженный дроссельным устройством 15, к камере сгорания 4. Расходная характеристика дросселя 15 с геометрической формой твердотопливного заряда 8, размещенного в собственном корпусе 9, обеспечивают требуемый расход горючего газа в камеру сгорания 4. Воздух из атмосферы, поступая в газовоздушный тракт 2 двигателя, проходит через компрессор 3, где его давление повышается. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания 4, где он смешивается с горючим газом, поступающим по газоводу 14. Полученная газовоздушная смесь сгорает в камере сгорания 4, что приводит к повышению температуры в газовоздушном тракте 2. Далее горячий газ расширяется в турбине 5, совершая при этом работу. Мощность, создаваемая турбиной 5, через вал 7 передается на компрессор 3, приводя его в движение. После турбины 5 смесь продуктов сгорания с воздухом разгоняется в выходном устройстве 6 и создает реактивную тягу.
При необходимости повышения тяги двигателя приводится в действие запальное устройство 12 в задней части твердотопливного заряда, при этом подвод горючего газа в камеру сгорания 4 остается неизменным. Образующийся в задней форкамере 16 горючий газ поступает через газовод 17, снабженный дроссельным устройством 18, в газовоздушный тракт двигателя за турбиной. Расходная характеристика дросселя 18 с геометрической формой твердотопливного заряда 8, размещенного в собственном корпусе 9, обеспечивают требуемый расход горючего газа через газовод 17. Газовоздушная смесь, имеющая в своем составе кислород воздуха, выходя из турбины 5, поступает в канал перед выходным устройством 6, где она смешивается с горючим газом, поступающим по газоводу 17. Полученная смесь продуктов сгорания, воздуха и горючего газа сгорает перед выходным устройством 6, что приводит к дополнительному повышению температуры перед выходным устройством и увеличению реактивной тяги. После достижения фронтом пламени в заряде твердого топлива непрогараемой стенки 10 в корпусе 9 горение в задней части твердотопливного заряда 8 прекращается, и многорежимный газотурбинный двигатель переходит на бесфорсажный режим работы.
Реализация заявленного изобретения обеспечит устойчивую работу на нескольких режимах газотурбинного двигателя, работающего на твердом топливе, а также упростит его конструкцию.