ТУРБОРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЮГИ
YUGI'S TURBO-ROTOR ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям и роторным компрессорам и насосам с переменной скоростью вращения роторов, а также к авиационным газотурбинным двигателям. Техническим результатом является повышение удельных показателей двигателя.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Труба подвода топлива к двухкомпонентной форсунке расположена внутри вала турбокомпрессора с окнами, соединенного через мультипликатор с выходным валом роторного двигателя, за выхлопными окнами которого установлена на подшипниках вала внутреннего ротора турбина первой ступени с лопатками, соединенными с наружным диском, с которым соединяются лопатки турбины третьей ступени, диск и вал которой опираются на подшипники вала турбокомпрессора и неподвижной опоры, а на наружном диске расположены лопатки вентилятора в канале кольца.
Турбороторный двигатель предназначен для привода различных машин с использованием жидкого или газообразного или двухкомпонентного топлива.
Аналогами предлагаемого изобретения являются: патент Н.П.Сейма №14226, заявлен 5.01.1929 г., а.с. №183722, №210593, патенты №2195402, №2246040, №2253734, а также ростатическая турбина, описанная в книге «Проектирование авиационных газотурбинных двигателей» под ред. д.т.н. А.М.Ахметзянова, г. Уфа, 2000 г.
Прототипом изобретения является газороторный двигатель по патенту №2219357.
Газороторный двигатель содержит корпус, компрессор и двигатель с впускными и выпускными окнами, причем каждый выполнен из двух роторов, один из которых - внутренний, с лопастями, направленными наружу, второй ротор - наружный, с крышками и лопастями, направленными внутрь, внутренние роторы компрессора и двигателя соединены между собой, соединены между собой и наружные роторы, при этом каждый ротор имеет роликовую муфту с неподвижной наружной обоймой и роликовую муфту с наружной обоймой, соединенной с выходным валом двигателя, компрессор и двигатель снабжены дифференциальными клапанами и шариковыми золотниками, в осевой полости расположена жаровая труба камеры сгорания с форсункой.
Недостатком прототипа (и аналога по патенту №2253734) является малая эффективность использования выхлопных газов роторного двигателя.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка.
Указанная задача достигается тем, что
1. Турбороторный двигатель, содержащий компрессор и двигатель, с впускными и выхлопными окнами, каждый выполнен из двух роторов, один из которых - внутренний, с лопастями, направленными наружу, второй ротор - наружный, с лопастями, направленными внутрь, причем внутренние роторы компрессора и двигателя соединены между собой, соединены между собой и наружные роторы, при этом каждый ротор двигателя имеет две роликовые муфты, одна из них - с неподвижной наружной обоймой, вторая - с наружной обоймой, соединенной с выходным валом роторного двигателя, в лопастях наружных роторов имеются дифференциальные клапаны, а в лопастях внутренних роторов - шариковые золотники, в осевой полости расположена камера сгорания с форсункой, отличающийся тем, что содержит турбины первой, второй и третьей ступеней, труба подвода топлива с каналами подвода горючего и окислителя к двухкомпонентной форсунке (с обратным клапаном) расположена внутри вала турбокомпрессора с окнами, соединенного через мультипликатор с выходным валом роторного двигателя, за выхлопными окнами которого расположена на подшипниках вала внутреннего ротора турбина первой ступени с лопатками, соединенными с наружным диском, с которым соединяются лопатки турбины третьей ступени, диск и вал которой опираются на подшипники вала турбокомпрессора и подшипники в неподвижной опоре, а на диске, соединяющем лопатки турбин первой и третьей ступеней, расположены лопатки вентилятора в кольцевом канале.
2. Турбороторный двигатель по п.1, отличающийся тем, что лабиринт на конусе жаровой трубы разделяет камеру сгорания на зону подвода воздуха из компрессора и зону отвода газа в роторный двигатель и консолями внутренней оболочки опирается на внутренние роторы.
3. Турбороторный двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в цилиндре наружного ротора имеются каналы подвода и отвода охлаждающего воздуха в стенку между роторами компрессора и двигателя, где имеется стенка с лопастями с двух сторон разной закрутки, а стенка со стороны двигателя выполнена по принципу тепловой трубы.
4. Турбороторный двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в валах наружного и внутреннего роторов имеются лопасти роторного маслонасоса и впускные и выпускные клапаны для подачи смазки к уплотнительным элементам лопастей наружного и внутреннего роторов компрессора.
На фиг.1 показан продольный разрез двигателя. На фиг.2 показано сечение А-А фиг.1. На фиг.3 показано сечение В-В фиг.1. На фиг.4 показано место Е с фиг.1. На фиг.5 показано место Н с фиг.1. На фиг.6 показано сечение С-С с фиг.5. На фиг.7 показано сечение Д-Д с фиг.5.
Турбороторный двигатель содержит элементы газороторного двигателя: корпус, компрессор, выполненный из двух роторов, один из которых - внутренний (фиг.1, 2), с лопастями, направленными наружу, в которых расположены шариковые золотники 1 с обратными клапанами, второй ротор - наружный, с цилиндром 2 и лопастями, направленными внутрь, в которых расположены дифференциальные клапаны 3 с впускными окнами 4. Между лопастями роторов расположены рабочие полости 5 и 6 (фиг.2). Двигатель также выполнен из двух роторов, один из которых - внутренний (фиг.1, 3), с лопастями, направленными наружу, в которых расположены шариковые золотники 7, второй ротор - наружный, с цилиндром 2 - общим с компрессором, с лопастями, направленными внутрь, в которых расположены дифференциальные клапаны 8 с выхлопными окнами 9. Между лопастями роторов расположены рабочие полости 10 и 11 (фиг.3). Внутренние роторы компрессора и двигателя соединены между собой, соединены между собой и наружные роторы общим цилиндром 2 и крышками. Каждый ротор имеет две роликовые муфты, из них одна пара муфт 12 и 13 (фиг.1) - с неподвижной наружной обоймой, вторая пара муфт 14 и 15 - с наружной обоймой, выполненной на выходном валу 16 роторного двигателя. В осевой полости расположена жаровая труба 17 камеры сгорания с форсункой. Новыми элементами в турбороторном двигателе являются двухкомпонентная центробежная форсунка с обратным клапаном 18 (фиг.1, 5) в канале подвода окислителя, входное устройство, турбокомпрессор с диагональной ступенью компрессора 19 (аналог известного двигателя) (фиг.1), валом 20 и турбиной 21. Из коробки агрегатов (не показана, расположена перед входным устройством) через вал 20 турбокомпрессора проходит труба 22 к двухкомпонентной центробежной форсунке с обратным клапаном 18, расположенной внутри вала 20 с окнами 23. Вал 20 имеет шестерню 24, зацепленную с сателлитами 25, которые зацеплены с неподвижной шестерней 26 и образуют мультипликатор с осями 27 сателлитов, установленных на выходном валу 16 роторного двигателя. За выхлопными окнами 9 имеется установленная на подшипниках 28 внутреннего ротора двигателя турбина первой ступени с бандажированными лопатками 29. Бандажи лопаток соединены с наружным диском 30, с которым соединяются бандажи лопаток 31 турбины третьей ступени, диск которой и вал опираются на подшипники 32 вала 20 турбокомпрессора (с гидродинамической смазкой) и подшипники 33 в неподвижной опоре с подшипниками 35 вала турбокомпрессора. На наружном диске 30, соединяющем лопатки турбины первой и третьей ступеней, имеются лопатки 36 вентилятора, расположенного в канале кольца 37.
Жаровая труба 17 камеры сгорания лабиринтом 38 на конусной части 39 разделяет зону подвода воздуха из компрессора от зоны подвода газа к шариковым золотникам 7, дифференциальным клапанам 8 двигателя. Жаровая труба 17 консольными частями 40 и 41 внутренней оболочки 42 установлена между валом 20 турбокомпрессора и валами внутренних роторов компрессора и двигателя, на которые она опирается.
В цилиндре 2 наружного ротора имеются каналы подвода 43 и отвода 44 охлаждающего воздуха в стенку 45 (фиг.4) между роторами компрессора и двигателя, где имеется еще стенка 46 с лопастями 47 и 48 по разные стороны стенки 46, а стенка со стороны двигателя выполнена по принципу тепловой трубы со стенкой 49. На наружном цилиндре 2 имеется козырек 50 с небольшими лопастями (не обозначены).
На валу внутреннего ротора имеется кольцо 51 (фиг.5-7) с шлицевыми пазами и лопастями 52 с уплотнительными элементами 53. В шлицевые пазы входят шарики 54 с фиксаторами 55, расположенные в валу внутреннего ротора и зафиксированные валом 20 турбокомпрессора. В валу наружного ротора имеются лопасти 56 (фиг.6, 7), крышка 57 (фиг.5) и впускные 58 и выпускные 59 клапаны с каналами, выходящими в полости 60 и 61 насоса (фиг.6, 7), канал 62 (фиг.5), идущий от насоса к уплотнительным элементам лопастей внутреннего и наружного ротора компрессора.
Работает турбороторный двигатель следующим образом. При подаче двухкомпонентного топлива через трубу 22 к форсунке с клапаном 18 струи топлива проходят через окна 23 вала в жаровую трубу 17 камеры сгорания и воспламеняются. Давление в камере сгорания повышается и действует на шариковые золотники 7 двигателя (фиг.1, 3).
Шарики смещаются, например, против часовой стрелки, и давление газа попадает в полости 10 (фиг.3) между лопастями двигателя, давление газа в этих полостях стремится повернуть роторы в разные стороны. Но роликовые муфты 12 и 13, взаимодействующие с неподвижными наружными обоймами установлены таким образом, что оба ротора могут вращаться только в одну сторону (например, по часовой стрелке). Давление газов закроет дифференциальные клапаны 8 в полостях 10 и наружный ротор с цилиндром 2 с лопастями начнет поворачиваться по часовой стрелке, сжимая воздух и закрывая дифференциальные клапаны в полостях 5 компрессора (фиг.2), а в полостях 11 двигателя воздух будет выходить через выхлопные окна 9. При сближении лопастей роторов дифференциальные клапаны 3 и 8 будут закрываться в полостях 5 и 11 под действием давления, возрастающего в этих полостях, и от соприкосновения шариков золотников 7 с головкой клапана 8, и открываться в полостях 6 и 10. Газ из полостей 10 будет выходить через выхлопные окна 9. В закрытых полостях 5 и 11 давление возрастет и шарики золотников 1 и 7 сместятся по часовой стрелке. Но в полостях 5 был сжат воздух, который через канал, расположенный по оси лопасти и во внутреннем роторе, поступит в полость камеры сгорания, в которую через центробежные двухкомпонентные форсунки с клапаном 18 подается топливо. Шариковые золотники 1 имеют обратные (дифференциальные) клапаны, и в полостях 6 при повороте наружного ротора с лопастями по часовой стрелке будет увеличиваться разрежение, и воздух через окна 4 и клапаны 3 будет поступать в эти полости. Сместившиеся по часовой стрелке шарики золотников 7 обеспечат подвод газа из камеры сгорания в полости 11 двигателя, а сместившиеся шарики золотников 1 обеспечат сжатие воздуха в полостях 6 и подачу его в камеру сгорания. Под действием давления газа в полостях 11 двигателя наружный ротор начнет затормаживаться, а внутренний ротор будет поворачиваться по часовой стрелке. Далее циклы повторяются, и роторы будут поочередно вращаться с ускорением или затормаживаться, передавая крутящий момент через роликовые муфты 14 или 15 выходному валу 16 (фиг.1) роторного двигателя.
Установленные на выходном валу 16 оси 27 сателлитов заставят сателлиты обкатываться по неподвижной шестерне 26 и вращать шестерню 24 на валу 20 турбокомпрессора, увеличивая его частоту вращения до рабочих частот турбокомпрессора.
Давление воздуха за ступенью компрессора 19 будет повышаться, соответственно повышается давление воздуха в роторном компрессоре, камере сгорания и в роторном двигателе, повышается и давление выхлопа. Воздух за компрессором 19 поступает через впускные окна 4 (фиг.2) в роторный компрессор, чему способствует и козырек 50 с лопастями (фиг.4), притормаживающий поток. За козырьком 50 воздух частично охлаждает цилиндр 2 наружного ротора и подогревается выхлопными газами, выходящими из окон 9 (фиг.1), и поступает через сопловый аппарат (не обозначен) на лопатки 29 турбины первой ступени, затем на лопатки турбины 21 турбокомпрессора (турбина второй ступени), затем на лопатки 31 турбины третьей ступени. Закрутка лопаток турбин первой и третьей ступеней направлена в одну сторону, а закрутка лопаток турбины второй ступени - в противоположную, соответственно и турбины вращаются в разные стороны, что не требует постановки спрямляющих аппаратов и облегчает двигатель (аналог - ростатическая турбина).
Между задней частью корпуса и наружным вращающимся диском 30 имеется небольшой зазор (не обозначен), обеспечивающий эжекцию наружного воздуха газами, выходящими из соплового аппарата. Изображенный на фиг.1 турбороторный двигатель предназначен в основном для летательных аппаратов, аппаратов на воздушной подушке или летающих автомобилей. Поэтому мощность турбин первой и третьей ступеней через диск 30 передается на лопатки 36 вентилятора, расположенного в канале кольца 37 (что увеличивает тягу вентилятора). Для нелетающих аппаратов мощность турбин первой и третьей ступеней может передаваться, например, на генератор с вала турбины третьей ступени. Мощность роторного двигателя и турбины второй ступени отбирается с вала компрессора 19 через коробку агрегатов.
Степень повышения давления в диагональной ступени компрессора составляет примерно 2,2-2,5 в роторном компрессоре при политропическом сжатии примерно 10-12 и более, т.е. суммарная степень сжатия составит 22-30 и более, температура превысит 600 К. Двигатель двойного действия и теплонапряженность очень высокая. Для уменьшения теплоподвода от роторного двигателя к роторному компрессору на цилиндре 2 имеется козырек 50 (фиг.4) с лопастями (не обозначены), направляющими воздух в расположенные по окружности каналы подвода 43 воздуха к лопастям 47, выполняющим роль центростремительного вентилятора, затем к лопастям 48, выполняющим роль центробежного вентилятора, и выбрасывается через каналы отвода 44. В полости между стенкой 49 и торцевой стенкой двигателя (не обозначена) находится пористый материал и рабочая жидкость тепловой трубы (типа натрия или лития), что обеспечивает охлаждение и равномерность температуры стенки 45 при охлаждении ее воздухом, циркулирующим при вращении наружного ротора с цилиндром 2 с лопастями 47 и 48, и уменьшает теплоподвод к роторному компрессору.
Давление в компрессоре высокое и для смазки уплотнительных элементов роторов компрессора двойного действия требуется подвод масла с более высоким давлением. Поэтому введен роторный маслонасос, встроенный между валами внутреннего и наружного ротора. Из форсунки масло подается к впускному клапану 58 (фиг.5), и при вращении наружного ротора в полости 60 (фиг.6) создается разрежение, куда поступает масло. Когда наружный ротор приостанавливается и начинает поворачиваться внутренний ротор, впускной клапан 58 закрывается и масло из полости 60 через выпускной клапан 59 выходит в канал 62 к уплотнительным элементам наружного ротора, проходит в нижнюю часть стенки 45 (фиг.4) и через цилиндр внутреннего ротора на его уплотнительные элементы, затем сливается в полость подшипников. Уплотнительные элементы двигателя могут быть выполнены, например, из спеченного пенометаллографитового соединения с добавлением двусернистого молибдена и могут смазываться и охлаждаться парами воды при использовании двухкомпонентного топлива. В качестве такого топлива наиболее дешевым и экологически чистым и безопасным в эксплуатации является спирт и горячий раствор аммиачной селитры («Техника молодежи» №11, 2002 г., ст. «Универсальное топливо»). Двигатель может работать и на углеводородном горючем без добавления окислителя, при этом обратный клапан 18 в форсунке предотвратит утечку горючего в магистраль окислителя.
В предлагаемом двигателе более высокое эффективное давление, чем на существующих двигателях, и почти полное использование энергии выхлопных газов, давление которых будет больше, чем рабочее давление в известном двигателе. В двигателе отсутствуют спрямляющие аппараты турбин второй и третьей ступеней, что уменьшает массу двигателя.
На Уфимском моторостроительном производственном объединении (УМПО) был изготовлен и испытан опытный образец пневматического двигателя (позже выдан патент №2246040 - аналог предлагаемого двигателя).
Несмотря на некоторые конструктивные недоработки и производственные дефекты при изготовлении, двигатель подтвердил свою работоспособность.