ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ОБОРОТАМИ РОТОРА ТУРБИНЫ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована для усовершенствования конструкции газотурбинного двигателя, в частности для управления и регулирования параметрами работы двигателя применительно для различных условий эксплуатации двигателя. Например, отработавшие свой летный ресурс авиационные газотурбинные двигатели могут еще длительное время эффективно использоваться на различных наземных стационарных установках или на транспортных средствах.
Известен авиационный газотурбинный двигатель модели АИ-9 мощностью 5 квт, который используется по своему прямому назначению во вспомогательной силовой установке самолета или вертолета и вырабатывает сжатый воздух под давлением 0,2 МПа, который используется для запуска основного маршевого газотурбинного двигателя.
См. "Газотурбинный двигатель АИ-9", техническое описание, М., Внешторгиздат, 1971 г., 28 с, прилагается к материалам заявки на 17 листах, с.1-3, с.17-18, фиг.24 (1).
Данный газотурбинный двигатель содержит электростартер, топливный насос-регулятор с топливной аппаратурой, воздухозаборник-маслобак, компрессор, ресивер, клапан перепуска воздуха, камеру сгорания топлива, ротор с укрепленной на нем турбиной, выхлопное сопло и стекатель выхлопных газов. И предназначен лишь для одной функции, а именно, для выработки сжатого воздуха, который применяется для запуска маршевого газотурбинного двигателя самолета или вертолета.
Основные данные двигателя следующие:
1. номинальное число оборотов ротора турбины двигателя - 38500±500 об/мин.;
2. температура выхлопных газов за турбиной - 550-600°С;
3. режим работы двигателя - непрерывное время работы не более 13 мин.,
после этого охлаждение двигателя не менее 15 минут;
4. расход топлива - авиационного керосина - от 60 кг/час и не более 75 кг/час;
5. количество рабочих форсунок на топливном коллекторе - 8 штук;
6. вес двигателя сухой - 45 кг;
7. габаритные размеры в мм: длина - 740; ширина - 515; высота - 490.
Наряду с положительными свойствами данного двигателя при использовании его на самолетах и вертолетах, после выработки им летного ресурса, он представляет большой интерес и для работы в наземных условиях. Например, для газодинамической установки для дисперсной химической и биологической обработки зерновых и технических культур, лесов против возбудителей болезней, а также и по другому назначению.
Однако, для применения в наземных условиях данный авиационный газотурбинный двигатель АИ-9 имеет ряд недостатков, а именно:
- время непрерывной работы двигателя до перегрева очень короткое, всего лишь 13 минут, после чего необходима остановка его для охлаждения не менее, чем на 15 минут;
- температура выхлопных газов за турбиной высокая, достигает 550-600°С, особенно для получения жидкостно-газовой и жидкостно-воздушной эмульсии при дисперсной химической и биологической обработке;
- число оборотов ротора турбины слишком большое, составляет 38500±500 об/мин. и по регламенту работы не регулируется, что приводит к быстрому перегреванию двигателя;
- расход топлива - дефицитного авиационного керосина также высокий и составляет от 60 кг/час и до 75 кг/час.
Целью при разработке предлагаемой полезной модели является усовершенствование существующего газотурбинного двигателя модели АИ-9 для применения его в наземных условиях работы на основе регулирования оборотов ротора турбины, например, от 19000 до 39000 оборотов в минуту. А это позволит значительно сократить расход топлива, снизить температуру выхлопных газов за турбиной и увеличить время работы двигателя до перегревания, а также расширить сферы применения предлагаемого двигателя в различных отраслях народного хозяйства. При этом, как после выработки летного ресурса двигателя АИ-9, а также и вновь созданного двигателя, но уже с новыми параметрами его работы.
Указанная цель и технический результат достигаются и реализуются следующим образом.
Предлагаемый газотурбинный двигатель с регулируемыми оборотами ротора турбины, также как и авиационный газотурбинный двигатель модели АИ-9, содержит электростартер, топливный насос-регулятор с топливной аппаратурой, воздухозаборник-маслобак, компрессор, ресивер, клапан перепуска воздуха, камеру сгорания топлива, ротор с укрепленной на нем турбиной, выхлопное сопло и стекатель выхлопных газов.
Но в отличие от известного двигателя на винте настройки регулятора оборотов и на винте регулировки командного давления регулятора оборотов топливного насоса-регулятора дополнительно установлено по одному зубчатому колесу, находящимися в постоянном зацеплении с зубчатыми рейками, установленными в направляющие пазы на кронштейне, укрепленном на раме двигателя.
При этом, зубчатые рейки установлены с возможностью перемещения в направляющих пазах и поворота этих регулировочных винтов посредством зубчатых колес на определенный угол в ту или другую сторону и соответственно регулирования количества подаваемого топлива в коллектор рабочих форсунок камеры сгорания под давлением от 0,3 до 1,5 МПа и соответственно изменения числа оборотов ротора турбины.
А количество рабочих форсунок составляет, по меньшей мере, четыре, которые обеспечивают устойчивую работу двигателя при заданных различных оборотах ротора турбины.
В качестве ближайшего аналога предлагаемому газотурбинному двигателю с регулируемыми оборотами ротора турбины можно принять авиационный газотурбинный двигатель модели АИ-9 по источнику научно-технической информации (1).
Перечень фигур на чертежах.
На фиг.1 изображен предлагаемый газотурбинный двигатель с регулируемыми оборотами ротора турбины, вид сбоку с частичным разрезом, а также, укрепленными на винте настройки регулятора оборотов и на винте регулировки командного давления регулятора оборотов топливного насоса-регулятора, по одному зубчатому колесу, находящимися в постоянном зацеплении с зубчатыми рейками, установленными в направляющие пазы на кронштейне, укрепленном на раме двигателя.
На фиг.2 изображен вид по А фиг.1, вид сбоку на зубчатые колеса с зубчатыми рейками, а также вид сверху на зубчато-реечную передачу, М 1:1.
На фиг.3 изображен частичный разрез по Б-Б фиг.2.
Предлагаемый газотурбинный двигатель с регулируемыми оборотами
ротора турбины содержит следующие узлы, агрегаты и детали.
Электростартер 1 прикреплен к воздухозаборнику-маслобаку 2, который скреплен с компрессором воздуха 3, который по каналам воздуха соединен с ресивером 4. А ресивер 4 охватывает по окружности корпус компрессора 3. Узел камеры сгорания 5 включает в себя корпус камеры сгорания, камеру сгорания, воспламенитель и топливный коллектор с четырьмя рабочими топливными форсунками (фиг.1).
Корпус камеры сгорания 5 выполнен сварной конструкции и скреплен с корпусом компрессора 3 и является силовым узлом и одновременно кожухом камеры сгорания. В нижней части фланца камеры сгорания выполнены два кронштейна, предназначенные для крепления всего двигателя.
На выходе из камеры сгорания 5 в потоке выхлопных газов установлена турбина 6 - осевая, реактивная, одноступенчатая, которая установлена на роторе.
Далее расположено выхлопное сопло, состоящее из наружного кожуха 7 и стекателя газового потока 8, соединенные между собой при помощи стоек. С ресивером воздуха 4 по воздушным каналам и воздуховоду соединен клапан 9 перепуска воздуха, через который сжатый воздух направляется для использования, например, на диспергатор рабочей жидкости в газодинамической установке дисперсной химической и биологической обработки или на другие цели.
На корпусе топливного насоса-регулятора 10 на винте настройки регулятора оборотов топливного насоса-регулятора (в прилагаемом описании газотурбинного двигателя на фиг.24 на схеме работы топливной аппаратуры изображен под номером 4) укреплено зубчатое колесо 11, находящееся в постоянном зацеплении с зубчатой рейкой 12, которая установлена в направляющий паз 13, выполненный из двух направляющих планок, укрепленных на кронштейне 14. А кронштейн 14 укреплен на раме 15 двигателя (фиг.1).
Соосно с винтом настройки регулятора оборотов топливного насоса-регулятора 10 расположен винт регулировки командного давления регулятора оборотов (на фиг.24 изображен под номером 2), на котором установлено еще одно зубчатое колесо 11, также находящееся в постоянном зацеплении со второй зубчатой рейкой 12 (фиг.1, 2 и 3).
Зубчатые рейки 12 установлены в направляющие пазы 13, каждый из которых выполнен из двух планок, которые укреплены на кронштейне 14, укрепленном, в свою очередь, на раме 15 двигателя.
Зубчатые рейки 12 перемещаются в продольных направляющих пазах
13 с помощью тросового привода 16, прикрепленного к двум направляющим планкам продольного паза 13, и обеспечивают возможность поворота двух регулировочных винтов посредством зубчатых колес 11 на определенный угол в ту или другую сторону. А величина перемещения зубчатой рейки 12 посредством тросового привода 16 определена и ограничена длиной сквозного паза 17, выполненного в зубчатой рейке 12 и ограничена стопорным винтом 18, установленным частично в этот паз.
И этот размер паза 17 позволяет регулировать угол поворота двух регулировочных винтов в ту или другую сторону и соответственно регулировать давление и объем подаваемого количества топлива через насос-регулятор 10 в коллектор рабочих форсунок и далее в камеру сгорания топлива.
Давление подаваемого топлива регулируется в пределах от 0,3 до 1,5 МПа и соответственно и количества топлива. А это в конечном итоге позволяет регулировать число оборотов ротора турбины с 19000 до 39000 оборотов в минуту. При этом, по сравнению с аналогом количество рабочих форсунок составляет четыре вместо восьми, и обеспечивается устойчивая работа двигателя при вышеприведенных оборотах ротора турбины.
При оборотах ротора турбины 19000 об/мин. расход топлива сокращается до 27 кг/час с 60 кг/час, температура выхлопных газов за турбиной снижается с 550-600°С до 340-370°С, а время непрерывной работы двигателя без перегрева составляет 6 часов и более.
Таким образом, предлагаемый газотурбинный двигатель может стабильно работать в отличие от аналога и на значительно пониженных оборотах до 19000 об/мин. А это придает предлагаемому двигателю большую универсальность и возможность применения в различных отраслях народного хозяйства.
Предлагаемый газотурбинный двигатель с регулируемыми оборотами ротора турбины изготовлен и опробован с положительными результатами в марте 2005 года на авиаремонтном предприятии "Мотор" в г.Омске.
Литература:
1. "Газотурбинный двигатель АИ-9", техническое описание, М., Внешторгиздат, 1971 г., 29 с, с.1-3, с.17-18, фиг.24.