ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к турбостроению, в частности к газотурбинным двигателям. Известен газотурбинный двигатель (см. патент 2282734 RU С2, МПК F02C 5/04 - аналог), содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, на концах лопаток которых закреплены плоские бандажные кольца. По ходу вращения лопаточного колеса расположены в корпусе секторные проходы, каналы перепуска с отверстиями, примыкающими к наружному контуру турбинного венца лопаточного колеса. Выходные отверстия выполнены в виде сопла с установленными в них топливоподающими устройствами. За входными отверстиями расположены выходные секторные окна, совмещенные с входными секторными отверстиями, примыкающими к внутреннему контуру венца лопаточного колеса. В корпусе выполнены улитки, примыкающие к наружному контуру компрессорного венца лопаток. К внутреннему контуру венца турбинных лопаток примыкают выходные отверстия, связанные с улитками, секторными проходами и каналами, выполненными в корпусе. Выходные отверстия каналов выполнены в виде сопла, в которых расположены топливоподающие устройства. Недостатками этого газотурбинного двигателя являются сложность конструкции, включающей компрессор и турбину, большие гидравлические потери в каналах подачи воздуха от входа в компрессор до входа в турбину и низкая удельная мощность.
Эти недостатки устраняются другим изобретением (см. патент 2347923 RU С2, МПК F02C 5/04 - прототип) газотурбинным двигателем, содержащим, камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства. Каналы перепуска, выполненные в корпусе, с отверстиями входными и выходными, выполненными в виде сопла, с расположенными в них топливоподающими устройствами. Лопаточное колесо с венцами, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца. К внутреннему контуру лопаточных венцов примыкают выполненные в корпусе входные секторные отверстия, частично совмещенные с выходными секторными окнами, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов. По ходу вращения лопаточного колеса выполнены в корпусе примыкающие к внутреннему контуру его лопаточных венцов отверстия каналов перепуска выходные, входные и выходные секторные отверстия. К наружному контуру лопаточных венцов примыкают отверстия каналов, входные, совмещенные с входными отверстиями каналов перепуска, и выходные, выполненные в виде сопла, совмещенные с выходными секторными отверстиями. Отверстия каналов перепуска примыкают к наружному контуру лопаточных венцов, при этом входные отверстия каналов перепуска совмещены с выходными секторными отверстиями, а выходные отверстия каналов перепуска расположены между входными отверстия этих каналов перепуска и выходными секторными окнами.
Недостатками этого газотурбинного двигателя являются низкая удельная мощность, связанная с тем, что камеры сгорания слабо заполняются воздухом из-за использования только кинетической энергии воздуха нагнетаемого лопаточным колесом. Большие гидравлические потери, создаваемые каналами и ограниченная область его применения.
Задачей изобретения является повышение удельной мощности, надежности, снижение гидравлических потерь, расширение области применения двигателя и упрощение его конструкции.
Поставленная задача достигается тем, что газотурбинный двигатель, содержит корпус с кольцевыми обечайками, камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства. Расположенное в корпусе лопаточное колесо с лопаточными венцами, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца. Каналы перепуска, с отверстиями входными и выходными, выполненными в корпусе, примыкающими к наружному контуру венцов лопаточного колеса. Входные секторные отверстия, примыкающие к внутреннему контуру лопаточных венцов, выполненные в корпусе, частично совмещенные с выходными секторными окнами, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов. Входные секторные отверстия, связанны с диффузорами, выполненными на торцах корпуса и лопатками, выполненными на ступице лопаточного колеса, примыкающими к внутреннему контуру кольцевой обечайки. Между выходными отверстиями каналов перепуска и выходными секторными окнами расположены сопла с регуляторами, горизонтальные и вертикальные, с входными отверстиями, выполненными в корпусе и примыкающими к наружному контуру венцов лопаточного колеса, а вертикальные сопла связаны с горизонтальными соплами, смещенными по вертикали.
Поставленная задача достигается и тем, что между топливоподающими и поджигающими устройствами расположены цилиндрические камеры с входными отверстиями с клапанами с подпружиненными поршнями, каналами с клапанами и соплами, связанными с корпусом. И цилиндрические камеры с соплами, связанными с корпусом, полые и с поршнями с регуляторами.
Установлены каналы перепуска, связанные с цилиндрическими камерами общими соплами, связанными с корпусом. Между поджигающими устройствами и выходными секторными окнами выполнены в корпусе выходные секторные отверстия, примыкающие к внутреннему контуру лопаточных венцов лопаточного колеса.
Выполнено лопаточное колесо, с уменьшенным наружным контуром относительно наружного контура его лопаточных венцов. Гильза установлена в корпусе примыкающей к наружному контуру венцов лопаточного колеса.
Указанные решения поставленной задачи сводятся.
К повышению подачи воздуха в камеры, повышающего удельную мощность двигателя. Цилиндрические камеры, как и каналы перепуска, обеспечивают подготовку топливовоздушной смеси в камерах для эффективного сгорания топлива и тоже образуют крутящие моменты на валу двигателя. Горизонтальные и вертикальные сопла с входными отверстиями в корпусе образуют дополнительные крутящие моменты на валу двигателя и реактивные тяги, а их регуляторы обеспечивают маневренность, что позволяет широко использовать такие двигатели в летательных аппаратах.
Выполнение выходных секторных отверстий, выполненных в корпусе, примыкающих к внутреннему контуру лопаточного колеса, расширяет область применения в наземных, водных видах транспорта и стационарных установках.
Добавление каналов перепуска к двигателю с цилиндрическими камерами повышает надежность работы и его удельную мощность.
Уменьшение наружного контура лопаточного колеса относительно наружного контура его лопаточных венцов упрощает конструкцию двигателя.
Установка гильзы повышает надежность и ресурс работы двигателя.
На чертежах, на фиг. 1 показан продольный разрез по А-А корпуса с диффузорами и лопаточным колесом газотурбинного двигателя, где левая часть симметрична правой части. На фиг. 2 показан поперечный разрез по Б-Б, включающий каналы перепуска и горизонтальные и вертикальные сопла. На фиг. 3 разрез по Б-Б включает цилиндрические камеры и сопла горизонтальные и вертикальные, на фиг. 4 показан разрез по А-А корпуса с диффузорами и лопатками лопаточного колеса. Фиг. 5 и 6 включает выходные секторные отверстия. На фи. 7 показан разрез по А-А, в уменьшенном масштабе, включающий корпус с диффузорами и лопаточное колесо в уменьшенном размере его наружного контура. На фиг. 8 и 9 показаны местные разрезы с цилиндрическими камерами полые и с поршнями с регуляторами. Фиг. 10 это фиг. 3 с добавленными каналами перепуска.
Газотурбинный двигатель фиг. 1 и 2 содержит корпус 1 цилиндрической формы, выполненный в виде двух одинаковых крышек, включающих части торцевые, цилиндрические и кольцевые обечайки 2. Внутри корпуса 1 на валу 3, в подшипниках 4 установлено лопаточное колесо 5, связанное шпонкой 6 с валом 3, и связано с лопатками 7, образующими лопаточные венцы, внутренние контуры которых примыкают к кольцевым обечайкам 2, а наружные контуры примыкают к корпусу 1. На торцах венцов по концам лопаток 7 закреплены плоские бандажные кольца 8, которые с лопатками 7, кольцевыми обечайками 2, корпусом 1 и торцевыми поверхностями лопаточного колеса 5 образуют сужающиеся от периферии к центру камеры. По ходу вращения лопаточного колеса 5 к наружному контуру его лопаточных венцов примыкают выполненные в корпусе 1 отверстия каналов перепуска 9 с регуляторами 10, входные 11, в камеры, и выходные 12 из камер, а между ними выполнены поджигающие устройства 13. После выходных отверстий 12 последовательно так же выполнены в корпусе 1 отверстия горизонтальных соплов 14 с регуляторами 15, отверстия вертикальных соплов 16 с регуляторами 17, где вертикальные сопла 16 связанны с смещенными по вертикали, с горизонтальными соплами 18 с регуляторами 19. Выходные секторные окна 20 частично совмещены с входными секторными отверстиями 21, выполненными в корпусе 1, примыкающими к внутреннему контуру венцов лопаточного колеса 5, связанные с диффузорами 22, выполненными на торцевых сторонах корпуса 1. При этом на ступице лопаточного колеса 5 выполнены лопатки 23, примыкающие к кольцевым обечайкам 2. Между входными секторными отверстиями 21 и входными отверстиями 11 каналов перепуска 9 выполнены топливоподающие устройства 24,, примыкающие также к внутреннему контуру лопаточных венцов лопаточного колеса 5. На выходном отверстии 11 ход лопаточного колеса по стреле завершается, так как все снова повторяется. В корпусе 1 установлена цилиндрическая гильза 25, примыкающая внутренним контуром к наружному контуру лопаточного колеса 5 и к его лопаточным венцам.
На фиг. 3 и 4 двигатель содержит цилиндрические камеры 26, с одной стороны их выполнены сопла 27 с регуляторами 28. С другой стороны выполнены отверстия 29 с клапанами 30, каналы 31 с клапанами 32, на концах которых расположены сопла 33. Внутри камеры 26 соосно установлены подпружиненные поршни 34. Сопла 33 и 27 в такой же последовательности, по указанной стрелке, закреплены в корпусе 1 и примыкают к наружному контуру венцов лопаточного колеса 5.
На фиг. 5 и 6 между поджигающими устройствами 13 и выходными секторными окнами 20 выполнены в корпусе 1 выходные секторные отверстия 35, примыкающие к внутреннему контуру венцов лопаточного колеса 5.
На фиг. 7 наружный контур лопаточного колеса 5 выполнен меньше наружного контура его лопаточных венцов. Каждые две симметричные лопатки 7 образуют одну общую лопатку 36. Число камер уменьшается, а их величина увеличивается. На фиг. 8 и 9 на местных разрезах цилиндрические камеры выполнены с поршнями 34 с регуляторами 37 их осевого перемещения и показаны полые цилиндрические камеры 26.
На фиг. 10 показаны каналы перепуска 9, которые через входные отверстия 11 связаны с соплами 27 цилиндрических камер 26, а выходные отверстия 12 остаются также расположенными между поджигающими устройствами 13 и входными отверстиями соплов 14, при этом поджигающие устройства 13 смещены к выходному отверстию сопла 27,
Газотурбинный двигатель работает следующим образом.
Раскручивается вал 3 на подшипниках 4 в корпусе 1. Вместе с ним через шпонку 6 раскручивается лопаточное колесо 5 с лопатками 23, которые нагнетают воздух из атмосферы через диффузоры 22, входные секторные отверстия 21 в камеры, где он нагнетается лопатками 7. Через эти камеры и выходные секторные окна 20 воздух выходит в атмосферу до закрытия этих выходных секторных окон 20. Входные секторные отверстия 21 остаются открытыми, а камеры закрытыми, поэтому количество и давление воздуха в этих камерах повышается. После закрытия входных секторных отверстий 21 в камеры с воздухом поступает топливо из топливоподающих устройств 24. Образуется топливовоздушная смесь, которая поджигается при прохождении камер поджигающих устройств 13. От сгорания топлива в закрытых камерах сгорания образуется высокое давление газа. С таким давлением камеры проходят выходные отверстия 12, через которые часть газа по каналам перепуска 9, с открытыми регуляторами 10, поступает через входные отверстия 11 в камеры с топливовоздушной смесью. Эта смесь сжимается газом, затем поджигается, поджигающими устройствами 13. Величина сжатия, необходимая для эффективного сгорания топлива, устанавливается регулятором 10. Перепад давления в камерах на входе и выходе газа канала перепуска 9 образует силы активные и реактивные, которые создают крутящий момент на валу 3, направленный в сторону вращения лопаточного колеса 5, по указанной стрелке.
Другая часть газа, оставшаяся в камерах, после прохождения ими выходных отверстий 12 при закрытых регуляторах 17 и 19 и открытых регуляторах 15, выходя в атмосферу через сопла 14, создает реактивную тягу в горизонтальном направлении и крутящий момент на валу 3, направленный по указанной стрелке. Здесь силы приложены к лопаткам 7, что означает, чем большая полезная нагрузка на вал 3, тем больший образуется крутящий момент и большая сила тяги. При закрытых регуляторах 15 и 17 газ выходит через сопла 18 и создает реактивную тягу в горизонтальном направлении. При открытых регуляторах 17 и закрытых регуляторах 15, 19 газ выходит через вертикальные сопла 16 и создает тягу в вертикальном направлении. При других различных изменениях положений регуляторов 15, 17, 19, создаются различные по величине моменты и по величине и направлению различные силы тяги. Прохождение камер частично совмещенных входных секторных отверстий 21 и выходных секторных окон 20 сопровождается выходом остатков газа, продувкой и охлаждением этих камер, а затем вновь заполнением их воздухом для следующих циклов работы двигателя.
На фиг. 3 и 4 давление в камерах, с топливовоздушной смесью повышается до необходимой величины воздухом и газом. При прохождении камер с топливовоздушной смесью поджигающих устройств 13 топливовоздушная смесь загорается. Образовавшаяся смесь газа, воздуха и недогоревшего топлива в камерах под давлением проходит через сопла 27 с открытыми регуляторами 28, перемещает поршни 34, сжимает пружины и заполняет цилиндрические камеры 26. С обратной стороны поршней 34 воздух, прошедший через отверстия 29 с клапанами 30, через клапаны 32, каналы 31 и сопла 33 поступает в камеры с топливовоздушной смесью, следующими за впереди идущими камерами с газом. При совпадении этих следующих камер с соплами 27 газ через эти сопла под действием сжатых пружин поршнями 34 выталкивается в камеры и создает в них необходимое давление для сгорания топлива, которое по ходу камер поджигается. С обратной стороны поршней 34 воздух через отверстия 29, клапаны 30 вновь заполняет камеры 26 для перемещения его в следующую камеру с топливовоздушной смесью. Так создается повышенная подача воздуха в камеры и повышается удельная мощность двигателя. Подготовка топливовоздушной смеси с необходимой и достаточной степенью сжатия воздухом и газом устанавливается регуляторами 28 при необходимости можно добавить регуляторы в каналах 31 или в соплах 33. Не исключена возможность поджигания топлива при запущенном двигателе не поджигающим устройством 13, а самим газом, поступающим в камеру с топливовоздушной смесью. В таком случае может установиться постоянное горение, которое позволит использовать различные топлива по виду и качеству. Разбавление топливовоздушной смеси газом замедляет процесс горения, поэтому может улучшить такой способ подготовки топливовоздушной смеси для более эффективного сгорания, чем даже существующим компрессором энергоемким, массивным, сложным, дорогим и очень опасным блоком, из-за высоких оборотов вращения и осевого давления.
В двигателе фиг. 5 и 6 после полного сгорания топлива, как описано по фиг. 3, 4, по ходу вращения лопаточного колеса 5 газ под давлением в камерах перемещается от периферии к центру и выходит из камер через выходные секторные отверстия 35 и таким образом, подобно турбине, создает крутящий момент на валу 3 по направлению вращения лопаточного колеса 5. Продувка, охлаждение и нагнетание воздуха происходит также при прохождении камерами частично совмещенных входных секторных отверстий 21 и выходных секторных окон 20.
На фиг. 7 камеры увеличены, а их количество уменьшено, от этого принцип работы конструкции существенно не изменился.
На фиг. 8 и 9 при прохождении камерами поджигающих устройств 13 происходит горение топлива и создание в них высокого давления газа, который частично переходит через сопла 27, открытые регуляторами 28, в камеры 26, где образуется давление. Затем при смене камер, проходящих сопла 27, где давление топливовоздушной смеси значительно меньше, газ из камер 26 переходит в эти камеры и повышает в них давление до необходимого, которое устанавливается регуляторами 28 и 37. В полых камерах 26 давление устанавливается регуляторами 28.
На фиг. 10 каналы перепуска 9 и цилиндрические камеры 26 в зависимости от положения регуляторов 10 и 28 могут включаться в работу по отдельности или совместно. Работа по отдельности описана выше, фиг. 1, 2 и фиг. 3, 4. При совместной их работе может повыситься надежность, так как каналы перепуска и цилиндрические камеры работают параллельно, а сопла 27 используются совместно. Повыситься крутящий момент на валу 3, в частности, от добавления сил, возникающих на выходе газа через выходные отверстия 12. Увеличиться и удельная мощность. Выполнение каналов перепуска, в подобие ресивера, увеличением диаметров каналов перепуска, уменьшатся скорости движения газа, поэтому уменьшаться и гидравлические потери.
Установка гильзы 25 в корпусе 1 повышает соосность крышек корпуса 1, что повышает прочность, надежность, конструкции двигателя. Гильза 25 определяет важный зазор между нею и наружным контуром лопаточного колеса 5. В случае ее износа или износа лопаточного колеса 5 ее замена продолжит работу двигателя и повысит его ресурс. Указанный зазор это утечки газа особенно нежелательны там, где высокое давление, то есть, где камера сгорания. Однако в камере сгорания утечки из нее по ходу вращения лопаток действуют в направлении сил образующих крутящий момент. Утечки в обратном направлении повышают сжатие топливовоздушной смеси и могут даже поджигать эту смесь.
Таким образом.
1. Входные секторные отверстия, связанные с диффузорами, и лопатками повышают количество воздуха в камерах, особенно при встречном потоке воздуха, направленного в диффузоры. Это повышает мощность двигателя и его охлаждение.
2. Каналы перепуска обеспечивают создание крутящего момента на валу двигателя и подготовку топливовоздушной смеси сжатием ее газом, для эффективного сгорания топлива в камерах сгорания.
3. Горизонтальные и вертикальные сопла преобразовывают высокое давление газа в крутящий момент на валу двигателя и в реактивные тяги, направленные по горизонтали и вертикали, а их регуляторы повышают маневренность, что особенно приемлемо для летательных аппаратов.
4. Цилиндрические камеры, как и каналы перепуска, осуществляют сжатие топливовоздушной смеси газом, образовывают крутящий момент на валу двигателя, повышают количество воздуха в камерах и снижают гидравлические потери, что существенно повышает удельную мощность двигателя. Цилиндрические камеры с поршнями с регуляторами и полые тоже повышают степень сжатия топливовоздушной смеси газом, снижают гидравлические потери и упрощают конструкцию.
5. Выходные секторные отверстия, выполненные в корпусе, примыкающие к внутреннему контуру венцов лопаточного колеса образуют крутящие моменты на валу двигателя, упрощают его конструкцию и расширяют область применения в наземном, водном транспорте и в стационарных установках.
6. Уменьшение наружного контура лопаточного колеса относительно наружного контура его лопаточных венцов упрощает конструкцию двигателя.
7. Установка каналов перепуска и цилиндрических камер, связанных общим соплом, позволяет повысить удельную мощность двигателя и реактивные тяги. Установка гильзы в корпусе двигателя повышает надежность двигателя и его ресурс.
Газотурбинные двигатели указанных видов могут найти широкое применение в различных отраслях техники: в авиации, наземном и водном транспортах, стационарных установках, в частности, в летательных аппаратах, автомобилях, локомотивах.