РОТОРНО-ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ROTARY GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к турбостроению, в частности к роторно-газотурбинным двигателям внутреннего сгорания.
Известен роторно-турбинный двигатель, РТД, (см. патент 2289698 МПК F01C-аналог), содержащий находящиеся в блоке с зазором ротор сжатия и ротор с камерами сгорания, кинематически связанные между собой шестернями. Ротор сжатия представляет собой объединенные вместе цилиндры и сегменты, которые поочередно проникают в соответствующие полости ротора с камерами сгорания, сжимая в них топливовоздушную смесь. В полостях ротора с камерами сгорания располагаются ввернутые в резьбовые гнезда электроды со знаком "минус", под которые в теле ротора выбраны углубления, а в цилиндрических сегментах ротора сжатия встроены электроды со знаком "плюс". В цилиндрических сегментах ротора сжатия имеются выточки, которые совмещаются с углублениями на другом роторе, образуя камеру сгорания, а с торцевой части ротора сжатия установлен распределитель зажигания, причем ротор сжатия является бегунком системы зажигания.
Недостатками этого двигателя являются: Сложность конструкции, так как включает ротор сжатия с цилиндрами и сегментами и ротор с камерами сгорания. Синхронизацию, связанную с поочередным проникновением цилиндров и сегментов в соответствующие полости ротора с камерами сгорания. Связь роторов шестернями создает необходимость постоянной смазки. Пульсирующее действие сил на валы роторов, расположенных в одной плоскости. Слабое охлаждение, так как оно является внешним и ограниченная область применения.
Эти недостатки устраняются изобретением (см. патент 2708178, фиг. 5, RU С2, МПК F02C 5/04 - прототип) газотурбинным двигателем, содержащим корпус с кольцевыми обечайками, камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства. В корпусе расположено лопаточное колесо с лопаточными венцами, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца. Каналы перепуска, выполненные в корпусе с отверстиями входными и выходными, примыкающими к наружному контуру венцов лопаточного колеса. Выходные отверстия, выполненные в корпусе, частично совмещенные с отверстиями, выполненными в кольцевой обечайке. Входные отверстия, выполненные на торцах корпуса, связанные с диффузорами и лопатками, выполненными на ступице лопаточного колеса, примыкающие к внутреннему контуру кольцевой обечайки. Выходные отверстия с регуляторами, выполненные в корпусе, связанные с горизонтальными соплами. Вертикальные сопла с регуляторами, связанные с горизонтальными соплами с регуляторами. Цилиндрические камеры с подпружиненными поршнями с входными и выходными отверстиями с клапанами, каналами с клапанами и соплами, связанными с корпусом. Цилиндрические камеры с регуляторами поршнями.
Недостатками этого двигателя являются низкая удельная мощность, узкий диапазон скоростей, небольшой крутящий момент, тяговое усилие, и ограниченная область применения.
Задачей изобретения является повышение удельной мощности, увеличения крутящего момента на валу двигателя и реактивной тяги, увеличение диапазона скоростей, как в сторону повышения, так и в сторону уменьшения и расширения области его применения.
Поставленная задача достигается тем, что роторно-газотурбинный двигатель, содержащий 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, выполненные в корпусе. Диффузоры, примыкающие к наружному контуру лопаточных венцов. Осевые и центробежные нагнетатели воздуха с диффузорами расположенные на валу и связанные с входными отверстиями, выполненными в корпусе. Входные отверстия связанны с лопатками, выполненными на ступице лопаточного колеса, примыкающими к внутреннему контуру кольцевых обечаек. Продувочные отверстия, выполненные в корпусе частично совмещенные с отверстиями, выполненными в кольцевых обечайках. Выходные отверстия с регуляторами связанными с горизонтальными соплами. С турбинами, расположенными на валу. С каналами перепуска, на которых расположены нагнетатели воздуха, при этом каналы перепуска связаны с подготовительными камерами, примыкающими к камерам сгорания. Выходные отверстия с регуляторами также связанны с нагнетателями топлива. Вал, установленный в подшипниках с возможностью поворота корпуса в сборе и вал, установленный в подшипниках с возможностью поворота корпуса в сборе и образования сквозных камер между симметричными частями корпуса для установки двигателей высокоскоростных летательных аппаратов.
Указанные решения поставленной задачи сводятся к установлению способов повышения подач воздуха, топлива, сжатия топливовоздушной смеси в подготовительных камерах, что повышает удельную мощность двигателя, повышает реактивные тяги и крутящие моменты на его валу. Поворот корпуса в сборе и выполнение сквозных камер позволяют направлять реактивные тяги в заданном направлении и изменять скорости в широком диапазоне. Все это существенно расширяет область применения двигателя.
На чертежах фиг. 1, 2 показаны две одинаковые цилиндрические крышки с выполненными в центре кольцевыми обечайками, образующими корпус двигателя. Внутри корпуса установлено на валу лопаточное колесо (ротор) с лопатками, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца. По торцам корпуса на валу установлены осевые нагнетатели воздуха с диффузорами, связанными с входными отверстиями, расположенными в центральной части корпуса. Выходные отверстия с регуляторами связанные с соплами, с цилиндрическими камерами с регулируемыми поршнями и с каналами перепуска. Показаны диффузоры с регуляторами, каналы перепуска, выполненные в корпусе с регуляторами, и вертикальные сопла.
На фиг. 3, 4, 5 выходные отверстия с регуляторами связаны с каналами перепуска, с турбинами, расположенными на валу двигателя.
На фиг. 6 выходные отверстия с регуляторами, связанные с каналами перепуска, связаны с нагнетателями топлива, выполненными в виде цилиндрических камер с подпружиненными поршнями с входными и выходными отверстиями с клапанами.
На фиг. 7, 8 вал двигателя установлен в подшипниках. Корпус в сборе показан в повернутом виде механизмом поворота, зубчатое колесо которого связано с полуцилиндрической рейкой, установленной на корпусе. Выходные отверстия с регуляторами связанны с каналами перепуска и с нагнетателями топлива.
На фиг. 9, 10 между симметричными частями корпуса в сборе выполнены сквозные камеры с установленными в них бескомпрессорными двигателями высокоскоростных летательных аппаратов. Топливоподающие устройства их связаны с нагнетателями топлива и снабжены устройством поворота корпуса в сборе, смещенным относительно сквозных камер.
На фиг. 11, 12 выходные отверстия с регуляторами, связаны с турбинами, расположенными на одном валу с нагнетателями воздуха, которые через трубопроводы связаны с входными отверстиями, расположенными в центральной части корпуса.
На фиг. 13 на валу по торцам корпуса установлены центробежные нагнетатели воздуха с диффузорами, связанными с входными отверстиями, расположенными в центральной части корпуса.
На фиг. 14 на одних каналах перепуска установлены цилиндрические камеры с выхлопными клапанами и всасывающими клапанами, связанными с входными отверстиями. Внутри цилиндрических камер установлены подпружиненные поршни. На других каналах перепуска установлены турбины и расположенные на одном валу с ними нагнетатели воздуха.
Роторно-газотурбинный двигатель на фиг. 1, 2 содержит корпус 1 цилиндрической формы, выполненный в виде двух одинаковых крышек, включающий 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 внутреннему контуру корпуса 1. На торцах венцов по концам лопаток 7 закреплены плоские бандажные кольца 8, которые лопатками 7, кольцевыми обечайками 2, корпусом 1 и торцевыми поверхностями лопаточного колеса 5 образуют сужающие от периферии к центру камеры.
По ходу вращения лопаточного колеса 5, в корпусе 1 выполнены выходные отверстия 9 с регуляторами 10, связанные с каналами перепуска 11. Продувочные отверстия 12 с регуляторами 13 частично совмещены с отверстиями 14, выполненными в кольцевых обечайках 2. Топливоподающие устройства 15, выполненные на торцах в центральной части корпуса 1 и в кольцевых обечайках 2. Выходные отверстия 16 каналов перепуска 11, связанные с подготовительными камерами 17, примыкающими к камерам сгорания 18 и поджигающие устройства 19. Выходные отверстия 20 с регуляторами 21, связанны с цилиндрическими камерами 22, включающими цилиндрические камеры 23 с поршнями 24 с регуляторами их осевого положения 25. Между выходными отверстиями 9 с регуляторами 10 и отверстиями 16 расположены диффузоры 26 с регуляторами 27. Напротив выходных отверстий 20 с регуляторами 21 выполнены в корпусе выходные отверстия 28 с регуляторами 29, связанными с соплами 30. Продувочные отверстия 31 с регуляторами 32, выполненные в корпусе 1 частично совмещены с отверстиями 33, выполненными в кольцевых обечайках 2. Топливоподающие устройства 34, выполненные на торцах в центральной части корпуса 1 и в кольцевых обечайках 2. Лопатки 35, выполненные на втулках лопаточного колеса 5, примыкающие к внутренним контурам кольцевых обечаек 2. Подготовительные камеры 36, примыкающие к камерам сгорания 37. Поджигающие устройства 38, каналы перепуска 39 с регуляторами 40. Сопла 41, связанные с выходными отверстиями 42 с регуляторами 43, вертикальные сопла 44 с регуляторами 45. Осевые нагнетатели воздуха 46 с диффузорами 47, установленные на валу 3 примыкающими к торцам корпуса 1, связанны с входными отверстиями 48, расположенными в центральной части корпуса 1.
На фиг. 3, 4, 5 выходные отверстия 9 с регуляторами 10, и отверстия 28 с регуляторами 29 связаны с каналами перепуска 11, отверстия 16 которых связаны с подготовительными камерами 17 и 36. Выходные отверстия 20 с регуляторами 21 и выходные отверстия 42 с регуляторами 43 связаны через трубопроводы 50 и 51 с турбинами 53 и 54, установленными на валу 3. Между турбинами 53 и 54 и торцами корпуса 1 установлены осевые нагнетатели воздуха 46 с диффузорами 47, на фиг. 5 диффузоры 47 не показаны. На фиг. 6 выходные отверстия 9 с регуляторами 10 и выходные отверстия 28 с регуляторами 29 связаны с нагнетателями топлива 55 и 56, включающими цилиндры 57 с поршнями 58, пружинами 59, входными отверстиями 60 с клапанами 61 и выходными отверстиями 62 с клапанами 63.
На фиг. 7, 8 вал 3 установлен в подшипниках 66. Корпус 1 в сборе, повернут на 90 градусов механизмом поворота 67, выполненным в виде червячного редуктора, где его зубчатое колесо 68 связано с зубчатой полуцилиндрической рейкой 69, закрепленной на корпусе 1. При этом, выходные отверстия 20 с регуляторами 21 связаны с нагнетателями топлива 55, а выходные отверстия 9 с регуляторами 10 связаны с каналами перепуска 11.
На фиг. 9, 10, между симметричными частями корпуса 1 в сборе выполнены сквозные камеры 70 и 71, включающие наружный цилиндр 72, связанный с корпусом 1 и связан плоскими кольцами 73 с внутренним цилиндром 74. В камерах 70 и 71 установлены бескомпрессорные двигатели 75 и 76 высокоскоростных летательных аппаратов. Топливоподающие устройства 77, 78 этих двигателей связаны с нагнетателями топлива 55 и топливоподающими устройствами 15, 34. Вал 3 установлен в подшипниках 66. Корпус 1 в сборе повернут на 180 градусов механизмом поворота 67, смещенным относительно сквозных камер 70 и 71.
На фиг. 11, 12 в корпусе 1 выполнены соответственно камерам сгорания 18 каналы перепуска 39 и установлены поджигающие устройства 38. Отверстия 9 с регуляторами 10 (регуляторы 10 на фиг. 11 не показаны), связаны с турбинами 80, расположенными на общем валу 81 с нагнетателями воздуха 82, которые связаны с входными отверстиями 48 трубопроводами 83. На фиг. 13 на валу 3 по торцам корпуса 1 установлены центробежные нагнетатели воздуха 85 с диффузорами 47. В их корпусах 86, на валу 3 установлены лопаточные колеса 87, связанные с входными отверстиями 48. На фиг. 14 установлены на одних каналах перепуска 11 нагнетатели воздуха 88. В их цилиндрических камерах 89 установлены с обеих сторон выхлопные клапаны и всасывающие клапаны, связанные с входными отверстиями. Внутри цилиндрических камер 89 установлены поршни 90 и пружины 91 (выхлопные и всасывающие клапаны на фиг. 14 не обозначены). На других каналах перепуска 11, фиг. 14, установлены турбины 80, связанные с выходными отверстиями 28 с регуляторами 29, а нагнетатели воздуха 82, расположенные на одном валу с турбинами 80 связаны с подготовительными камерами 36.
Роторно-газотурбинный двигатель работает следующим образом. Раскручивается вал 3 на подшипниках в корпусе 1, фиг. 1, 2. Вместе с ним раскручиваются через шпонку 6 лопаточное колесо 5 с лопатками 7 с бандажными кольцами 8, осевые нагнетатели воздуха 46 и лопатки 35. При таком вращении воздух проходит диффузоры 47, нагнетается осевыми нагнетателями 46, проходит через входные отверстия 48, расположенные в центральной части корпуса 1, между лопатками 35, отверстия 14, 33 и под действием центробежных сил, возникающих от вращения лопаток 7, поступает в соответствующие камеры лопаточного колеса 5. При прохождении камерами отверстий 12 с регуляторами 13 и 31 с регуляторами 32 эти камеры продуваются и охлаждаются. После прохождения отверстий 12, 31, отверстия 14 и 33 остаются открытыми, поэтому камеры заполняются воздухом, топливом, топливоподающими устройствами 15, 34, после чего они становятся подготовительными камерами 17. 36. При зажигании топливовоздушной смеси зажигающими устройствами 19, 38 эти камеры превращаются в камеры сгорания 18, 37, где топливо горит в замкнутых объемах с повышением в них температуры и давления газов. После сгорания топлива в камерах сгорания 18 следует расширение газов, которые поступают в зависимости от положения регуляторов 29 и 21 через отверстия 20 в цилиндрические камеры 22, а затем и в подготовительные камеры 17 сжимая в них топливовоздушную смесь. При открытии камерами 18 выходных отверстий 28 газы поступают и в сопла 30, образуя в них реактивные тяги, при этом давление и температура в зоне расширения падает, газы из цилиндрических камер перемещаются в обратном направлении и действуют на лопатки 7, создавая крутящие моменты на валу 3. После сгорания топлива в камерах 37 газы переходят в зависимости от положения регулятора 40 в подготовительные камеры 36. При открытии отверстий 42 начинается расширение газов, и они в зависимости от положения регуляторов 43 поступают в сопла 41, образуя реактивные тяги, которые действуют и на лопатки 7 по ходу вращения лопаточного колеса 5, создавая крутящий момент на валу 3. В тоже время газы поступают через выходные отверстия 9 и в каналы перепуска 11 в зависимости от положения регуляторов 10 и при выходе из отверстий 16 сжимают топливовоздушную смесь в подготовительных камерах 17 и создают крутящие моменты на валу двигателя 3. При прохождении камер продувочных отверстий 12, 31 с регуляторами 13, 32 воздухом, проходящим через отверстия 14 и 33, камеры продуваются и охлаждаются. Затем камеры в положениях обоих циклов вновь заполняются воздухом топливом и циклы продолжаются. При открытых регуляторах 45 реактивные тяги образуются и в вертикальных соплах 44, а регулятор 27 открытыми бывает только в тех случаях, когда давление воздуха в диффузорах 26 превышает от встречного потока воздуха давление в соответствующих камерах лопаточного колеса 5.
На фиг. 3, 4, 5 циклы осуществляются аналогично, как и на фиг. 1, 2. Газы при расширении поступают через отверстия 9 и 28 по каналам перепуска 11 и совершают такие же действия по сжатию топливовоздушной смеси и образованию крутящих моментов на валу 3. Отличие составляет поступление газов через выходные отверстия 20, 42 с регуляторами 21,43 по трубопроводам 50 и 51 в турбины 53 и 54, где они на валу 3 создают крутящие моменты. На фиг. 6 вместо каналов перепуска 11 установлены нагнетатели топлива 55, 56, которые выполнены в виде цилиндрических камер 57 с поршнями 58. Они совершают осевое перемещение с одной стороны от действия газов, при их расширении, поступающих через выходные отверстия 9, 28, с регуляторами 10, 29. С другой стороны от действия на поршни 58 пружин 59, когда расширение газов завершается, и давление их уменьшается. В результате этих действий происходит всасывание топлива через входные отверстия 60 с клапанами 61, и нагнетание его через выходные отверстия 62 с клапанами 63, которые связаны с топливоподающими устройствами 15, 34, связанными с камерами лопаточного колеса 5.
На фиг. 7, 8 циклы проходят так же, как описано фиг. 1, 2, а нагнетание топлива осуществляется так же, как описано фиг. 6. Здесь вал 3 установлен в подшипниках 66, что позволяет поворачивать корпус 1 в сборе на любой угол в пределах 180 градусов. На фиг. 7, 8 корпус 1 повернут на 90 градусов. Поворот осуществляется механизмом поворота 67, его зубчатым колесом 68, связанным с полуцилиндрической рейкой 69, закрепленной на корпусе 1. Такой поворот корпуса 1 позволяет соответственно менять направление действия тяговых сил, образованных в соплах, в указанных пределах. Например, поворот соплов вниз, как показано на фиг. 7, 8, возможна мягкая посадка летательного аппарата.
На фиг. 9, 10 циклы осуществляются аналогично циклам, описанным, на фиг. 1, 2, 3. Между симметричными частями корпуса 1 в сборе выполнены сквозные камеры 70 и 71, которые включают наружный цилиндр 72, связанный с корпусом 1, плоские кольца 73, связывающие наружный цилиндр 72 с внутренним цилиндром 74. В камерах 70 и 71 установлены бескомпрессорные двигатели 75, 76, например, ПВРД и ЖРД, с топливоподающими устройствами 77, 78, связанными с топливоподающими устройствами 55, 15, 34 (на фиг. 9, 10 показаны два ПВРД). Они запускаются после разгона летательных аппаратов симметричными двигателями, когда в диффузорах, ПВРД создается давление воздуха от встречного потока достаточное для эффективного сгорания топлива, а ЖРД запускается независимо от атмосферного воздуха, поэтому целесообразно его запускать вне атмосферы. Привод поворота 67 своим зубчатым колесом 68 поворачивает связанную с ним зубчатую рейку 69 закрепленную, соответственно, сбоку на корпусе 1.
На фиг. 11, 12 в циклах используются каналы перепуска 39 с регуляторами 40, через которые газы из камер сгорания 18, 37 переходят в подготовительные камеры 17, 36 и повышают в них сжатие топливовоздушной смеси. При расширении газы проходят через отверстия 9 и вращают турбины 80, установленные на одном валу 81 с нагнетателями воздуха 82, связанными через трубопроводы 83 с входными отверстиями 48, связанными с камерами лопаточного колеса 5 (на 11 регуляторы 40 и 10 не показаны).
На фиг. 13 на валу 3 установлены центробежные нагнетатели воздуха 85, нагнетающие воздух лопаточными колесами 87, расположенными в корпусах 86, который проходит через диффузоры 47, и поступает через входные отверстия 48 в камеры лопаточного колеса 5.
На фиг. 14, при расширении газы через отверстия 9 по каналам перепуска 11 поступают в нагнетатели воздуха 88. В их цилиндрических камерах 89 создают с одной стороны, переменное давление на поршни 90, с другой стороны на эти поршни действуют пружины 91, от чего они совершают осевые перемещения. В результате воздух в цилиндры всасывается из атмосферы через входные отверстия 92 с всасывающими клапанами и выталкивается через выхлопные клапаны по каналам перепуска в подготовительные камеры 17.
На других каналах перепуска 11 при расширении, фиг. 14, газы поступают в турбины 80, расположенные на одном валу 81 с нагнетатели воздуха 82, из которых воздух по каналам перепуска 11 поступает в подготовительные камеры 36.
Различные варианты двигателя образуются в зависимости то того, что связано с выходными отверстиями с регуляторами, выполненными в корпусе симметричными относительно горизонтальной и вертикальной оси. В каждом варианте за один оборот вращения лопаточного колеса осуществляется два цикла, где в каждой его камере происходят дважды все процессы циклов. При связи выходных отверстий с регуляторами с соплами образуются в двигателе четыре сопла, что существенно повышает летательному аппарату реактивную тягу и балансирует его движение. Связь таких выходных отверстий через трубопроводы с турбинами существенно повышает крутящий момент двигателя, приемлемого для транспортных средств и стационарных установок. Изменяются скорости полета летательных аппаратов в широком диапазоне. Все это становится возможным, потому что простыми способами увеличиваются подачи топлива, воздуха, сжатия топливовоздушной смеси, выполнение сквозных камер с установкой в них бес компрессорных двигателей высокоскоростных летательных аппаратов и поворотом корпуса в сборе механизмом поворота. Таким образом.
Связь симметричных выходных отверстий с регуляторами, выполненными в корпусе с каналами перепуска, связанными с подготовительными камерами, с цилиндрическими камерами с регулируемыми поршнями, с соплами. Выполнение в корпусе продувочных отверстий, каналов перепуска с регуляторами. Установка, поджигающих устройств, топливоподающих устройств в центральной части корпуса, осевых нагнетателей воздуха на валу двигателя с диффузорами, связанными с входными отверстиями позволяют образовать второй цикл за один оборот вала и существенно повысить мощность двигателя, реактивные тяги и крутящий момент на валу двигателя. Таким образом.
1. Установка сопл, связанных с выходными отверстий с регуляторами, повышает реактивные тяги, связь таких отверстий с цилиндрическими камерами с регулируемыми поршнями увеличивает крутящий момент на валу двигателя и повышает сжатие топливовоздушной смеси. Расположение между соплами продувочных отверстий и каналов перепуска, выполненных в корпусе, а также выполнение отверстий в кольцевых обечайках и топливоподающих устройств позволяет образовать второй цикл при одном обороте вращения лопаточного колеса. Связь выходных отверстий с регуляторами с каналами перепуска повышает крутящий момент на валу двигателя и сжатие топливовоздушной смеси в подготовительных камерах.
2. Связь выходных отверстий с регуляторами с каналами перепуска и с трубопроводами, связанными с турбинами, существенно повышает крутящий момент на валу двигателя, и повышает сжатия топливовоздушной смеси в подготовительных камерах, а связь таких отверстий с нагнетателями топлива повышает подачу топлива в камеры лопаточного колеса.
3. Установка вала в подшипниках с возможностью поворота корпуса в сборе, механизмом поворота, позволяет тяговое усилие направлять в заданное направление, а связь выходных отверстий с регуляторами с нагнетателями топлива повышает подачу топлива в камеры лопаточного колеса.
4. Выполнение сквозных камер между симметричными частями корпуса в сборе, позволяет в этих камерах устанавливать бескомпрессорные двигатели высокоскоростных летательных аппаратов, используя, раздвинутые части двигателя в сборе как разгонные устройства. Связь нагнетателей топлива с топливоподающими устройствами позволяет повысить подачу топлива.
5. Связь выходных отверстий с регуляторами с турбинами, расположенными на одном валу с нагнетателями воздуха, связанными с входными отверстиями, расположенными в центральной части корпуса, позволяет повысить подачу воздуха в камеры лопаточного колеса.
6. Установка центробежных нагнетателей воздуха с диффузорами, связанными с входными отверстиями, расположенными в центральной части корпуса, позволяет повысить подачу воздуха в камеры лопаточного колеса.
7. Установка цилиндрических нагнетателей воздуха с подпружиненными поршнями с входными и выходными отверстиями с клапанами, и турбин, расположенных на одном валу с нагнетателями воздуха, на каналах перепуска позволяет камеры лопаточного колеса подавать не газы, а воздух.
Роторно-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 и локомотивах.