ОСЕВОЙ ОБЪЕМНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, А ТАКЖЕ АВИАЦИОННЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
AXIAL DISPLACEMENT ENGINE, GAS TURBINE ENGINE, AND AIRCRAFT GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится, в основном, к турбомашинам и газовым генераторам и, в частности, к осевым объемным газовым генераторам.
Газовые генераторы используются в газотурбинных двигателях, например во внутреннем контуре турбовентиляторного двигателя и в других газотурбинных двигателях, имеющих, если смотреть вниз по потоку, секцию компрессора, секцию сгорания и секцию турбины. Функцией газового генератора является обеспечение потока высокой энергией, который, в свою очередь, может использоваться для обеспечения энергией различных устройств. Осевые газовые генераторы особенно эффективны во многих турбомашинах. Турбомашины на основе газовых генераторов используются в широком диапазоне устройств во многом благодаря сочетанию таких желательных свойств, как высокая удельная энергия потока выхлопных газов (энергия на единицу массы), высокий массовый расход для данной фронтальной поверхности, непрерывный почти равномерный поток газа, приемлемая теплоотдача в широком диапазоне рабочих условий. Целью производителей газовых генераторов является получение легких и высокоэффективных газовых генераторов. Другой целью является получение газового генератора с наименьшим, насколько это возможно, количеством составных частей, чтобы снизить стоимость изготовления, установки, модернизации, ремонта и замены газового генератора. Поэтому желательно иметь газовый генератор, который улучшает все эти характеристики газовых генераторов.
Осевой объемный двигатель, такой как объемный осевой газовый генератор, содержит вход, отстоящий по оси от выхода и расположенный выше него по потоку. От входа к выходу проходят внутренняя и внешняя основные части, имеющие смещенные внутреннюю и внешнюю ось, соответственно. Одна или обе основные части могут быть выполнены с возможностью вращения. В одном варианте осуществления газового генератора внутренняя часть выполнена с возможностью вращения вокруг внутренней оси внутри внешней основной части. Внешняя основная часть может быть закреплена с возможностью вращения или может быть выполнена с возможностью вращения вокруг внешней оси. Внутренняя и внешняя основные части имеют взаимопересекающиеся внутреннюю и внешнюю винтовые лопатки, осями винтовых поверхностей которых являются внутренняя и внешняя оси соответственно. Внутренняя и внешняя винтовые лопатки проходят по радиусу снаружи и внутри соответственно.
Винтовые лопатки имеют первый, второй и третий шаговые углы в первой, второй и третьей секциях соответственно. Шаговый угол определяется как величина поворота поперечного сечения винтового элемента, приходящаяся на единицу расстояния по оси. Первые шаговые углы меньше вторых шаговых углов, а третьи шаговые углы меньше вторых шаговых углов. Секция сгорания проходит по оси вниз по потоку от конца первой секции через вторую секцию в, по меньшей мере, часть третьей секции. Горение при постоянном объеме происходит во второй секции.
Первые и вторые винтовые лопатки в первой секции имеют достаточное количество витков, чтобы захватить в первой секции при работе газового генератора заряды воздуха. В одном варианте осуществления газового генератора количество витков достаточно для того, чтобы механически захватить заряды воздуха. В другом варианте осуществления газового генератора количество витков достаточно, чтобы динамически захватить заряды воздуха.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - вид в поперечном сечении примера авиационного газотурбинного двигателя с объемным осевым газовым генератором.
Фиг.2 - схематический вид в поперечном сечении объемного осевого газового генератора с секцией сгорания, проходящей через часть секции расширения газового генератора, показанного на фиг.1.
Фиг.3 - схематический вид в перспективе с частичным разрезом винтовых участков внутренней и внешней основных частей газового генератора, показанного на фиг.2.
Фиг.4 - схематический вид в поперечном сечении, иллюстрирующий механизм передачи движения между внутренней и внешней основными частями газового генератора, показанного на фиг.3.
Фиг.5 - схематический вид в перспективе с частичным разрезом винтовых участков внутренней и внешней основных частей газового генератора, показанного на фиг.3.
Фиг.6 - схематический вид в поперечном сечении внутренней и внешней основных частей, взятый по линии 6-6 с фиг.4.
Фиг.7-10 - схематический вид в разрезе другого варианта конструкции внутренней и внешней основных частей при различных относительных угловых положениях внутренней основной части.
Фиг.11 - TS-диаграмма (диаграмма температура-энтропия), иллюстрирующая цикл газового генератора, показанного на фиг.2.
На фиг.1 проиллюстрирован пример варианта осуществления осевого объемного двигателя 8, показанного здесь как газовый генератор 10 в газотурбинном двигателе 100, в котором газовый генератор 10 используется для приведения в действие турбины, приводящей вентилятор 108 в секции вентилятора двигателя 100. Газовый генератор 10 может быть использован для непосредственного приведения таких потребляющих энергию устройств, как устройства привода в движение судов, а также генераторы электрической энергии, авиационные форсунки или вентиляторы. Пример варианта осуществления газотурбинного двигателя 100, проиллюстрированный на фиг.1, представляет собой авиационный газотурбинный двигатель, имеющий внутренний контур 118 двигателя, включающий в себя турбокомпрессор 10, расположенный ниже по потоку секции 112 вентилятора. Газообразные продукты сгорания подаются из турбокомпрессора 10 в турбину 120 низкого давления (ТНД), имеющую ряд лопаток 122 ротора турбины низкого давления. Лопатки 122 ротора турбины низкого давления прикреплены с возможностью передачи приводного усилия к ряду расположенных по окружности на расстоянии друг от друга лопаток 130 ротора вентилятора 108 в секции 112 вентилятора посредством вала 132 турбины низкого давления, чтобы сформировать каскад 134 низкого давления, описывающий окружность вокруг осевой линии 136 двигателя. Газовый генератор 10 может использоваться в других устройствах, включая, но не ограничиваясь ими, наземные промышленные и судовые газотурбинные двигатели.
Как показано на фиг.2-5, газовый генератор 10 включает в себя узел 15 сердцевины, имеющий внутреннюю и внешние основные части 12, 14, проходящие от входа 20 к выходу 22. Внутренняя основная часть 12 расположена внутри полости 19 внешней основной части 14. Внутренняя и внешняя основные части 12, 14 имеют внутреннюю и внешнюю оси 16, 18 соответственно. Узел 15 сердцевины имеет первую, вторую и третью секции 24, 26, 28, проходящие последовательно вниз по потоку. Секция 40 сгорания проходит по оси вниз по потоку от конца второй секции 24 через вторую секцию 26 в, по меньшей мере, часть третьей секции 28. Как показано, секция 40 сгорания проходит по оси вниз по потоку от конца первой секции 24 через часть третьей секции 28, обозначенной как часть 42 расширения-сгорания. Через вход 20 и выход 22 узла 15 сердцевины проходит непрерывный поток.
Одиночные заряды 50 воздуха захватываются первой секцией 24. Сжатие зарядов 50 происходит, когда заряды 50 переходят из первой секции 24 во вторую секцию 26. Таким образом, весь заряд 50 подвергается сжатию в то время, когда он находится как в первой, так и во второй секциях 24 и 26 соответственно. Горение начинается во второй секции 26 после того, как заряд 50 полностью перейдет из первой секции 24 во вторую секцию 26, и горение во второй секции 26 является горением при постоянном объеме. Третья секция 28 является секцией расширения, и таким образом высвобождает энергию из сгоревших зарядов 50 воздуха, чтобы привести в действие первую и вторую секции 24, 26 соответственно. Горение может продолжаться по всей третьей секции 28. Расширение зарядов 50 происходит, когда заряды 50 переходят из второй секции 26 в третью секцию 28. Таким образом, весь заряд 50 подвергается расширению в то время, когда он находится как во второй, так и в третьей секциях 26 и 28.
Цикл Марроу со сгоранием, происходящим между второй и третьей секциями 26, 28, обеспечивает изоэнтальпическое расширение, имеющее лучший кпд газового генератора по сравнению с газовым генератором, сгорание в котором происходит только лишь во второй секции 26. Двигатель Марроу имеет больший термический кпд, чем двигатель Брайтона, и большую способность к выделению полезной работы, чем двигатель Брайтона. Одна или обе основные части могут быть выполнены с возможностью вращения, и, если обе основные части выполнены с возможностью вращения, они вращаются в одном круговом направлении, по часовой стрелке или против часовой стрелки, на различных скоростях вращения, определяемых постоянным соотношением между ними. В одном варианте осуществления газового генератора внутренняя основная часть 12 выполнена с возможностью вращения вокруг внутренней оси 16 внутри внешней основной части 14, и внешняя основная часть 14 может быть закреплена с возможностью вращения или может быть выполнена с возможностью вращения вокруг внешней оси 18.
Внутренняя и внешняя основные части 12, 14 имеют взаимопересекающиеся внутренний и внешний винтовые элементы, осями винтовых поверхностей которых являются внутренняя и внешняя оси 16, 18 соответственно. Эти элементы являются внутренним и внешним винтовыми лопатками 17 и 27, имеющими внутреннюю и внешнюю винтовые поверхности 21 и 23 соответственно. В данном случае используется термин «винтовой», поскольку он обычно используется для описания винта или винтовых компрессоров, а также используется для описания винтовых элементов, осями винтовых поверхностей которых являются внутренняя и внешняя оси 16, 18. Внутренние винтовые лопатки 17 проходят по радиусу наружу от полой внутренней ступицы 51 внутренней основной части 12, а внешние винтовые лопатки 27 проходят по радиусу внутрь от стенки 53 внешней основной части 14. Внутренняя винтовая кромка 47 вдоль внутренней винтовой лопатки 17 герметичным образом взаимодействует с внешней винтовой поверхностью 23 внешней винтовой лопатки 27, когда они поворачиваются относительно друг друга. Внешняя винтовая кромка 48 вдоль внешней винтовой лопатки 27 герметичным образом взаимодействует с внутренней винтовой поверхностью 21 внутренней винтовой лопатки 17, когда они поворачиваются относительно друг друга.
На фиг.4 показано продольное поперечное сечение внутренней и внешней основных частей 12, 14. Поперечное сечение внутренней и внешней основных частей 12, 14 показано на фиг.6. Внутренняя основная часть 12 показана здесь как имеющая два выступа 60 внутренней основной части, соответствующих двум внутренним винтовым лопаткам 17, в результате чего профиль 69 поперечного сечения внутренней основной части имеет форму футбольного мяча (для американского футбола) или заостренного овала. Внешняя основная часть 14 имеет три выступа 64 внешней основной части, соответствующие трем внешним винтовым лопаткам 27 (показанным на фиг.3 и 4). На фиг.6 показаны три точки 62 уплотнения между внешней и внутренней основными частями 12 и 14, но при этом имеется непрерывное уплотнение между внутренними и внешними винтовыми лопатками 17 и 27 вдоль длины внутренней и внешней основных частей 12, 14.
Другой вариант конструкции внутренней и внешней основных частей 12, 14 проиллюстрирован в поперечном сечении на фиг.7-10. Внутренняя основная часть 12 показана здесь как имеющая три выступа 60 внутренней основной части, соответствующих трем внутренним винтовым лопаткам 17, в результате чего профиль 68 поперечного сечения внутренней основной части имеет треугольную форму, как показано на фиг.7. Внешняя основная часть 14 имеет два выступа 64 внешней основной части, которые соответствуют двум внешним винтовым лопаткам 27. В общем случае, если внутренняя основная часть 12 имеет N выступов, то внешняя основная часть 14 будет иметь N+1 или N-1 выступов. На фиг.7 показаны пять точек 62 уплотнения между внутренней и внешней основными частями 12 и 14, но при этом имеется непрерывное уплотнение между внутренними и внешними винтовыми лопатками 17 и 27 вдоль длины внутренней и внешней основных частей 12, 14.
Как показано на фиг.5, винтовые элементы имеют постоянные первый, второй и третий шаговый угол 34, 36, 38 в первой, второй и третьей секциях 24, 26, 28 соответственно. Шаговый угол А определяется как величина поворота профиля 41 поперечного сечения винтового элемента (таких как профили 69 и 68 поперечного сечения внутренней основной части овальной или треугольной формы, показанной на фиг.6 и 7 соответственно), приходящаяся на единицу длины вдоль оси, такой как внутренняя ось 16, как показано на фиг.5. На фиг.5 показан поворот профиля 41 поперечного сечения внутренней основной части на 360 градусов. Шаговый угол А составляет 360 градусов или 2π радиан, разделенные на осевое расстояние CD между двумя соседними вершинами 44 вдоль одних и тех же внутренних и внешних винтовых кромок 47 и 48 винтового элемента, такого как внутренние или внешние винтовые лопатки 17 или 27, как показано на фиг.5. Осевое расстояние CD представляет собой расстояние, соответствующее одному витку 43 винтовой линии.
Шаговый угол А внутреннего элемента в каждой из секций отличается от шагового угла А внешнего элемента. Отношение шагового угла А внешней основной части 14 к шаговому углу А внутренней основной части 12 равно отношению числа внутренних винтовых лопаток 17 на внутренней основной части 12 к числу внешних винтовых лопаток 27 на внешней основной части 14. Первые шаговые углы 34 меньше вторых шаговых углов 36, и третьи шаговые углы 38 меньше вторых шаговых углов 36. Можно также описать винтовые элементы в терминах угла наклона образующей винтовой поверхности. Винтовые элементы имеют постоянные первый, второй и третий углы наклона образующей винтовой поверхности, соответствующие постоянным первому, второму и третьему шаговому углу 34, 36, 38 в первой, второй и третьей секциях 24, 26, 28 соответственно. Таким же образом можно было бы описать винт в терминах шага винта и угла подъема винта.
Как показано на фиг.3-5, внутренняя винтовая лопатка 17 в первой секции 24 имеет достаточное количество витков 43, чтобы захватить заряды 50 воздуха в первой секции 24 во время работы газового генератора. Захваченные заряды 50 воздуха обеспечивают объемное сжатие, так что более высокие давления, развиваемые ниже по потоку, не могут заставить воздух или заряды переместиться к входу 20. В одном варианте осуществления газового генератора количество витков 43 в первой секции 24 достаточно для того, чтобы механически захватить заряды 50 воздуха. В другом варианте осуществления газового генератора 10 количество витков 43 в первой секции 24 достаточно для того, чтобы динамически захватить заряды 50 воздуха. Механический захват зарядов означает, что заряды 50 захватываются, при этом изолируясь от входа 20 на расположенном выше по потоку конце 52 заряда 50 до того, как заряд 50 пройдет во вторую секцию 26 на расположенном ниже по потоку конце 54 заряда 50. Динамический захват заряда означает, что хотя расположенный ниже по потоку конец 54 захваченного заряда, возможно, прошел во вторую секцию 26, расположенный выше по потоку конец 52 заряда еще не изолирован полностью. Однако на расположенном ниже по потоку конце 54 заряда к этому времени волна давления из второй секции распространяется к входу 20, и относительный поворот между основные частями изолирует захваченный заряд 50 воздуха на его расположенном выше по потоку конце 52.
Для варианта осуществления с неподвижной закрепленной внешней основной частью 14 внутренняя основная часть 12 смещена относительно внешней оси 18, так что когда она поворачивается вокруг внутренней оси 16, внутренняя ось перемещается по окружности вокруг внешней оси 18, как показано на фиг.7-10. Внутренняя основная часть 12 показана поворачивающейся вокруг внутренней оси 16 из ее положения на фиг.7 в ее положение на фиг.8, и внутренняя ось 16 показана перемещающейся по окружности вокруг внешней оси 18 на приблизительно 90 градусов. Внутренняя и внешняя основные части 12, 14 приводятся в совместное движение так, что они всегда поворачиваются относительно друг друга с постоянным соотношением, как проиллюстрировано механизмом передачи движения в коробке 82 передач на фиг.1 и 4.
Если бы внешняя основная часть 14 на фиг.7 была не закреплена, тогда она бы вращалась вокруг внешней оси 18 со скоростью вращения в 1,5 раза больше, чем скорость вращения внутренней основной части 12 вокруг внутренней оси 16. Внутренняя основная часть 12 вращается вокруг внутренней оси 16 со скоростью 74 вращения внутренней основной части, равной скорости 76 перемещения внутренней оси 16 по окружности вокруг внешней оси 18, деленной на количество выступов внутренней основной части. Количество выступов внутренней основной части равно количеству лопаток. Если внутренняя основная часть 12 вращается в том же направлении, что и направление перемещения по окружности внутренней оси 16, используется конструкция внешней основной части с двумя выступами. Если внутренняя основная часть 12 вращается в направлении, противоположном направлению перемещения по окружности внутренней оси 16, используется конструкция внешней основной части с четырьмя выступами.
Отношение шагового угла внешней основной части 14 к шаговому углу внутренней основной части 12 равно отношению количества выступов N внутренней основной части, деленному на количество выступов М внешней основной части. Для конструкции, показанной на фиг.7-10, имеющей три внутренних выступа или внутренних винтовых лопаток 17 и два внешних выступа или внешних винтовых лопаток 27, требуется поворот внешней основной части 14 на 900 градусов и поворот внутренней основной части на 600 градусов для того, чтобы механически захватить один из зарядов 50 воздуха. Шаговый угол внутренней основной части существенно увеличивается при переходе первой секции 23 во вторую секцию 26. Данное место перехода называется плоскостью сжатия, как обозначено на фиг.2. Горение инициируется во второй секции 26, когда расположенный выше по потоку конец заряда 50 воздуха пересекает плоскость сжатия. Каждый из зарядов сгорает отдельно и, так как шаговый угол внутренней и внешней основных частей остаются постоянными на протяжении второй секции 26, во второй секции 26 осуществляется горение в постоянном объеме.
Как показано на фиг.2-4, после горения в постоянном объеме во второй секции 26 заряд или рабочая среда подвергаются процессу почти изоэнтальпического расширения-сгорания между второй и третьей секциями 26 и 28. Извлечение работы происходит с той же скоростью, что и нагрев, когда сгорание происходит в части 42 расширения-сгорания, который может полностью включать в себя всю третью секцию 28. После того как ведущий край заряда высокой температуры и высокого давления пересекает плоскость расширения, объем заряда 50 воздуха начинает расширяться и расти в осевом направлении. Это расширение извлекает энергию из текучей среды, обеспечивая работу, необходимую для приведения в движение первой секции 24 и второй секции 26 и поддержания процесса газогенерации. Вслед за расширением текучая среда выходит через заднюю плоскость в нижнюю по потоку камеру повышенного давления при существенно повышенной температуре и давлении относительно ее первоначального состояния. В дополнение к изоэнтальпическому расширению между второй и третьей секциями 26 и 28 оставшуюся потребность в работе удовлетворяют посредством близкого к изоэнтропическому расширения между второй и третьей секциями. На фиг.11 показана TS-диаграмма (диаграмма температура-энтропия), иллюстрирующая цикл Марроу в сравнении с циклом Брайтона. Цикл Марроу представляет собой термодинамический цикл осевого объемного двигателя 8 с процессом изоэнтальпического расширения и приближенным к изоэнтропическому расширению между второй и третьей секциями 26 и 28.
Цикл Марроу подводит работу на этапе сжатия данного цикла, обозначенную Wcmp, для сжатия. Цикл Марроу подводит работу, обозначенную Wcmb, на этапе сгорания при постоянном объеме данного цикла, и подводит тепло, обозначенное Qcmb1, для первичного воспламенения. Цикл Марроу подводит тепло, обозначенное Qcmb2, и изоэнтальпическим образом извлекает работу, обозначенную Wh, на первой части этапа расширения данного цикла. Цикл Марроу адиабатным образом извлекает работу, обозначенную Wa, во время оставшейся части этапа расширения данного цикла, в третью секцию 28 двигателя 8. В примере варианта осуществления проиллюстрированного здесь двигателя Марроу первая и вторая секции 24, 26 функционируют как компрессор двигателя 8. В примере варианта осуществления проиллюстрированного здесь двигателя Марроу вторая и третья секции 26, 28 функционируют в качестве турбины двигателя 8 и подводят работу как в первую, так и во вторую секции 24, 26.
Цикл Марроу позволяет значительное изоэнтальпическое сгорание при расширении, в то же время сохраняя тепловые граничные условия нижнего по потоку компонента, такого как турбина низкого давления или выхлопное сопло, как показано на фиг.1. Приращение полезной работы, реализованное посредством процесса изоэнтальпического расширения и дополнительного подвода тепла при изоэнтальпическом расширении, приводит к улучшению термического кпд по отношению к объемному двигателю с установившимся потоком без изоэнтальпического расширения. Полезная работа двигателя Марроу, как показано на фиг.11, составляет величину Wm, а полезная работа двигателя Брайтона - величину Wb. Полезную работу циклов Марроу и Брайтона отсчитывают от давления на входе двигателя 8, показанного линией постоянного давления на фиг.11. Цикл Марроу также может включать в себя сгорание на всей протяженности секции расширения, или третьей секции 28.
Этот новый термодинамический цикл для объемного двигателя или газового генератора с изоэнтальпическим расширением дает существенные эксплуатационные преимущества в отношении объемного двигателя с установившимся потоком или газового генератора без изоэнтальпического расширения, выраженные как в полезной работе, так и в термическом кпд. Изоэнтальпическое расширение дает потенциал для поднятия температур выхлопного газа до уровней двигателя Брайтона, сохраняя при этом значительно повышенное давление выхлопного газа. Двигатель и цикл с изоэнтальпическим расширением принципиально воплощают продлением процесса сгорания в, по меньшей мере, части третьей секции 28. Способность увеличения полезной работы по отношению к циклу Брайтона позволить удовлетворить ту же потребность в энергии с помощью двигателя или газового генератора меньшего размера, что делает данное сочетание особенно привлекательным для применений с повышенными требованиями к весу и размеру.
В то время как здесь были описаны рассматриваемые как предпочтительные и примерные варианты осуществления настоящего изобретения, другие модификации изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники из идей, представленных здесь, и поэтому желательно защитить в прилагаемой формуле изобретения все такие модификации, как находящиеся в пределах объема и сущности изобретения. Соответственно изобретение ограничено только лишь формулой изобретения.