ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ И СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ

Предлагаемая полезная модель относится к аэрокосмической технике, может быть использована на летательных аппаратах, применяемых как в народном хозяйстве, так и оборонной промышленности, и предназначена улучшить технико-экономические и расходные параметры двигательных установок.
Известен пульсирующий детонационный однокамерный ракетный двигатель с комбинированной системой истечения продуктов сгорания, работающий на жидких компонентах топлива водороде и кислороде, содержащий баки с окислителем и горючим, камеру сгорания, сопло Лаваля, клапаны окислителя и горючего, систему зажигания, теплообменники систем горючего и окислителя, размещенные на камере сгорания, а также ресиверы горючего и окислителя, резонансную трубу, установленную в закритической части сопла Лаваля (RU №51118, 2006 г.).
Недостатком данного пульсирующего детонационного однокамерного ракетного двигателя является небольшой ресурс работы впускных клапанов из-за воздействия на них горячего пульсирующего газового потока; невозможность использования атмосферного воздуха в качестве окислителя и засорение трубопроводов подачи горючего и реагента.
Наиболее близким по технической сущности решением является комбинированный воздушно - ракетный двигатель с прямоточной камерой пульсирующего горения, форкамерой и системой воздушного запуска, содержащий баки с окислителем и горючим, камеру сгорания, сопло Лаваля, клапаны окислителя и горючего, систему зажигания, резонансную трубу, установленную в закритической части сопла Лаваля, в него введены форкамера с обратным воздушно - кислородным клапаном, установленная под углом 90 градусов к оси камеры сгорания и соединенная с воздухозаборником с дроссельной заслонкой, баллон с азотом, соединенный трубопроводом системы воздушного запуска через установленный в нем кран пуска азота и обратный клапан системы воздушного запуска с воздухозаборником, а трубопровод системы воздушного запуска соединен с баком окислителя через наддувающий трубопровод и кран пуска окислителя, в бак окислителя установлен трубопровод подачи окислителя, соединенный через теплообменник, установленный на резонансной трубе через клапан окислителя, с обратным воздушно - кислородным клапаном форкамеры, бак с горючим соединен с форкамерой, трубопроводом отбора газообразных продуктов горения, с обратным клапаном и трубопроводом подачи горючего через клапан горючего с топливной форсункой, установленной в форкамере, при этом трубопровод системы воздушного запуска после обратного клапана системы воздушного запуска соединен трубопроводом наддува с трубопроводом отбора газообразных продуктов горения после обратного клапана (RU №114343, 2012 г.).
Недостатком является высокая теплонапряженность конструктивных элементов двигателя.
Задачей полезной модели является снижение теплонапряженности конструктивных элементов двигателя, повышение ремонтопригодности агрегата и упрощение конструкции газотурбинного двигателя за счет внешнего расположения камеры пульсирующего горения, изготовление вала двигателя из композитного материала, не проводящего тепло.
Техническим результатом является снижение теплонапряженности конструктивных элементов двигателя за счет изготовления вала двигателя из композитного материала, не проводящего тепло, что не позволяет тепловому потоку с турбины перейти на корпус двигателя и подшипники и отказаться от системы жидкой смазки подшипников, состоящей из насоса, радиатора охлаждения, трубопроводов, фильтров и т.п., применение свободной турбины не требует согласования баланса мощностей между компрессором, турбиной, системой подачи горючего, частота вращения двигателя ограничивается только прочностью материалов конструкции и подшипников.
Сущность полезной модели заключается в том, что в газотурбинный двигатель с внешней камерой пульсирующего горения и свободной турбиной, форкамерой и системой воздушного запуска, содержащий бак с горючим, камеру сгорания, систему зажигания, резонансную трубу, форкамеру с обратным воздушно-кислородным клапаном, установленную под углом 90 градусов к оси камеры сгорания, систему воздушного запуска с обратным клапаном, бак с горючим соединен с форкамерой трубопроводом отбора газообразных продуктов горения, с обратным клапаном и трубопроводом подачи горючего к топливной форсунке, установленной в форкамере, введены корпус, внутри которого последовательно расположены на одном валу двигателя, изготовленного из композитного материала, электрогенератор, компрессор, свободная турбина, насос горючего, установленный между фильтром бака горючего и обратным клапаном, система зажигания, состоящая из свечи зажигания и электронного блока зажигания, система воздушного запуска, включающая последовательно расположенные внешний источник-компрессор, входной штуцер, фильтр, воздушный клапан, соединенные с камерой пульсирующего горения, топливная форсунка выполнена в виде регулятора-смесителя, резонансная труба выполнена П-образной и обращена вершиной в сторону выхода потока смеси внутри корпуса и соединяет выход камеры пульсирующего горения со входом подачи газа на лопатки турбины.
Существенные отличия и новизна заключаются в том, что в него введены корпус, внутри которого последовательно расположены на одном валу двигателя, изготовленного из композитного материала, электрогенератор, компрессор, свободная турбина, насос горючего, установленный между фильтром бака горючего и обратным клапаном, система зажигания, состоящая из свечи зажигания и электронного блока зажигания, система воздушного запуска, включающая последовательно расположенные внешний источник-компрессор, входной штуцер, фильтр, воздушный клапан, соединенные с камерой пульсирующего горения, топливная форсунка выполнена в виде регулятора-смесителя, резонансная труба выполнена П-образной и обращена вершиной в сторону выхода потока смеси внутри корпуса и соединяет выход камеры пульсирующего горения со входом подачи газа на лопатки турбины.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фиг. изображена пневмогидравлическая схема полезной модели.
Внутри корпуса 1 последовательно расположены на одном валу 2 двигателя, изготовленного из композитного материала, электрогенератор 3, компрессор 4, свободная турбина 5. Также внутри корпуса 1 закреплена П-образная резонансная труба 6, обращенная вершиной в сторону выхода потока смеси внутри корпуса 1, которая соединяет вход подачи газа на лопатки турбины 5 с выходом камеры пульсирующего горения 7, к которой прикреплена форкамера 8, установленная под углом 90 градусов к оси камеры пульсирующего сгорания 7, с обратным воздушным клапаном 9, соединенная с воздухозаборником 10. В форкамере 8 закреплены свеча зажигания 11, связанная с электронным блоком зажигания 12, регулятор-смеситель 13 соединен трубопроводом отбора газообразных продуктов горения, с обратным клапаном 14 и трубопроводом подачи горючего через насос горючего 15 с двигателем 16 фильтром 17 с баком с горючего 18. Система воздушного запуска включает последовательно расположенные внешний источник-компрессор 19, входной штуцер 20, фильтр 21, воздушный клапан 22, соединенные с камерой пульсирующего горения 7.
Газотурбинный двигатель с внешней камерой пульсирующего горения и свободной турбиной работает следующим образом.
Подается напряжение 12 В на электронный блок зажигания 12 и электродвигатель 16 насоса горючего 15. От внешнего источника-компрессора 19, через входной штуцер 20 и фильтр 21, нагнетается атмосферный воздух через воздушный клапан 22 в камеру пульсирующего горения 7. Одновременно насос горючего 15 подает топливо из бака 18 через фильтр 17 и обратный клапан 14 в регулятор-смеситель 13, где оно распыляется в потоке воздуха.
Топливно-воздушная смесь, попав в камеру пульсирующего горения 7, воспламеняется от свечи зажигания 11 и, сгорая при постоянном объеме, образует газ с температурой в ядре потока около 1200 К и повышенным давлением. Горячий газ под избыточным давлением истекает через резонансную трубу 6 и одновременно закрывает обратные клапаны 22 и 14, прекращая, соответственно, подачу воздуха и горючего в камеру пульсирующего горения 7. Продукты сгорания выходят из резонансной трубы 6 и цикл горения прекращается. При этом горячий газ, проходя через резонансную трубу 6, по инерции увлекает массы газа из камеры пульсирующего горения 7 и создает перепад давлений между внутренней полостью камеры пульсирующего горения 7 и внешней средой. Клапаны 22 и 14 открываются под действием напора атмосферного воздуха и давления горючего от насоса 15, соответственно. Атмосферный воздух и горючее смешиваются, поступают в форкамеру 8, воспламеняются, перетекают в камеру пульсирующего горения 7 и цикл горения при постоянном объеме повторяется.
Пульсирующий высокотемпературный газовый поток движется по П-образной резонансной трубе 6, повышая температуру газа в сопловом аппарате от нагрева корпуса резонансной трубы 6 отработавшими выходящими горячими газами из турбины 5. Нагрев газа в резонансной трубе 6 повышает работоспособность газа.
Далее газ поступает на лопатки турбины 5, которые придают вращение валу воздушного компрессора 4. Потом поток воздуха смешивается со сработавшим газом с турбины 5 и выбрасывается в атмосферу, создавая тягу.
Вал 2 двигателя изготавливается из композитного материала, не проводящего тепло. Такое конструкторское решение не позволяет тепловому потоку с турбины 5 перейти на корпус 1 двигателя и подшипники. Это позволяет отказаться от системы жидкой смазки подшипников, состоящей из насоса, радиатора охлаждения, трубопроводов, фильтров и т.п.
Свободная газовая турбина 5 вращает компрессор 4, который нагнетает воздух и одновременно вращает электрогенератор 3, который обеспечивает системы двигателя электрическим постоянным током. Применение свободной турбины 5 не требует согласования баланса мощностей между компрессором 4, турбиной 5, системой подачи горючего от насоса 15. Частота вращения двигателя ограничивается только прочностью материалов конструкции и подшипников.
После выхода на устойчивый режим внешний источник-компрессор 19 воздуха отключается, при этом закрывается воздушный клапан 22 и воздух поступает с воздухозаборника 10 через обратный воздушный клапан 9 в форкамеру 8, установленную под углом 90 градусов к оси камеры пульсирующего сгорания 7.
Таким образом, применение предлагаемого газотурбинного двигателя позволяет снизить теплонапряженность конструктивных элементов двигателя, повысить ремонтопригодность агрегата. Упрощение конструкции газотурбинного двигателя достигается за счет внешнего расположения камеры пульсирующего горения 7, изготовление вала 2 двигателя из композитного материала, не проводящего тепло.
За счет изготовления вала двигателя из композитного материала, не проводящего тепло, что не позволяет тепловому потоку с турбины перейти на корпус двигателя и подшипники и отказаться от системы жидкой смазки подшипников. Применение свободной турбины не требует согласования баланса мощностей между компрессором, турбиной, системой подачи горючего, частота вращения двигателя ограничивается только прочностью материалов конструкции и подшипников.