ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
PULSE GAS-TURBINE ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в двигателях различного назначения.
Известен комбинированный детонационный пульсирующий газотурбинный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания, выходящую к газовой турбине, установленный за ними по ходу движения продуктов сгорания эжекторный смеситель и дополнительный пульсирующий двигатель, служащий для увеличения тяги комбинированного двигателя (европейский патент № ЕР 1138922 А1 пуб. 04.10.2001, Бюллетень 2001/40).
Недостатком подобной конструкции является сложность и недостаточная надежность.
Техническим результатом, достигаемым в данном изобретении, является упрощение конструкции, повышение надежности и КПД.
Указанный технический результат достигается тем, что пульсирующий газотурбинный двигатель содержит пульсирующий газогенераторный двигатель с системами подачи топлива, воздуха, зажигания, пуска, регулирования и контроля, соединенный с компрессором, а также с дополнительной газовой турбиной или с соплом реактивного двигателя, отличается тем, что содержит газогенераторную турбину, содержащую, как минимум, две камеры сгорания, выполненные с возможностью вращения параллельно валу, с одной стороны содержащие впускные отверстия, выходящие, например, к распределителю с устройствами зажигания регулирования и контроля, с системами подачи топлива или топливно-воздушной смеси, воздуха, причем камеры сгорания примыкают к распределителю с калиброванным зазором и, например, лабиринтными уплотнениями, с другой стороны камеры сгорания содержат сопла, например в форме сопел Лаваля, выполненные в виде лопастей, загнутых в сторону, противоположную вращению, выходящие в осевом направлении к, как минимум, одному серповидному направляющему аппарату, выполненному с зазором к соплам камер сгорания, по окружности их вращения таким образом, что содержит вначале по ходу вращения сопел, отвод, а затем сопловой аппарат, выходящий к соплам камер сгорания, причем между отводом и сопловым аппаратом выполнен отсекатель с возможностью перекрытия сопла, как минимум, одной камеры сгорания, в свою очередь, между сопловым аппаратом и отводом серповидного направляющего аппарата, по ходу вращения сопел камер сгорания, также выполнен отсекатель, с возможностью перекрытия сопла, как минимум, одной камеры сгорания, при ее вращении, причем в каждом серповидном направляющем аппарате выполнено отверстие, соединенное с выхлопным патрубком, выходящим к соплам, например, регулируемым, дополнительной газовой турбины, либо к соплу, например, регулируемому, реактивного двигателя.
Кроме того, двигатель отличается тем, что между каждой из камер сгорания и ее соплом выполнена соединяющая их резонансная труба.
Кроме того, двигатель отличается тем, что выхлопной патрубок содержит, например, регулируемое сопло или сечение и соединен с одной стороны с серповидным направляющим аппаратом, а с другой стороны его, например, сужающееся сопло, выходит в эжектор выходящий, в свою очередь, к соплам дополнительной газовой турбины, либо к соплу реактивного двигателя.
Кроме того, двигатель отличается тем, что каждая камера сгорания либо ее резонансная труба выходят в эжекторное сопло, выполненное в виде лопастей, загнутых в сторону, противоположную вращению, и выходящих к серповидному направляющему аппарату, причем со стороны каналов для впуска эжектируемого потока воздуха, эжекторные сопла выполнены с возможностью периодического перекрытия этих каналов, например, отсекателем, в момент выхода эжекторного сопла к сопловому аппарату серповидного направляющего аппарата.
Кроме того, двигатель отличается тем, что серповидный направляющий аппарат со стороны выхода стенок его отвода к соплам камер сгорания либо резонансных труб, содержит каналы для впуска эжектируемого потока воздуха.
Кроме того, двигатель отличается тем, что камеры сгорания с соплами закреплены вокруг оси неподвижно, а серповидный направляющий аппарат и, например, торцовый распределитель, выполнены на валу с возможностью вращения.
По второму варианту указанный технический результат достигается тем, что пульсирующий газотурбинный двигатель содержит пульсирующий газогенераторный двигатель с системами подачи топлива воздуха, зажигания, пуска, регулирования и контроля, соединенный с компрессором, а также с дополнительной газовой турбиной или с соплом реактивного двигателя, отличается тем, что содержит газогенераторную турбину, содержащую, как минимум, две камеры сгорания, выполненные с возможностью вращения параллельно валу, либо в радиальном направлении от вала, с одной стороны содержащие впускные отверстия, выходящие, например, к торцовому распределителю, с устройствами зажигания регулирования и контроля, с системами подачи топлива или топливно-воздушной смеси, воздуха, причем камеры сгорания примыкают к распределителю с калиброванным зазором и, например, лабиринтными уплотнениями, с другой стороны камеры сгорания содержат сопла, например в форме сопел Лаваля, выполненные в радиальном направлении в виде лопастей, загнутых в сторону, противоположную вращению, выходящие к, как минимум, одному серповидному направляющему аппарату, выполненному с зазором к соплам камер сгорания, по окружности их вращения таким образом, что содержит вначале, по ходу вращения сопел, отвод, а затем сопловый аппарат, выходящий к соплам камер сгорания, причем между отводом и сопловым аппаратом выполнен отсекатель с возможностью перекрытия сопла, как минимум, одной камеры сгорания, в свою очередь между сопловым аппаратом и отводом серповидного направляющего аппарата, по ходу вращения сопел камер сгорания также выполнен отсекатель, с возможностью перекрытия сопла, как минимум, одной камеры сгорания, при ее вращении, причем в каждом серповидном направляющем аппарате выполнено отверстие, соединенное с выхлопным патрубком, выходящим к соплам, например регулируемым, дополнительной газовой турбины, либо к соплу, например регулируемому, реактивного двигателя.
Кроме того, двигатель отличается тем, что между каждой из камер сгорания и ее соплом выполнена соединяющая их резонансная труба. Кроме того, двигатель отличается тем, что выхлопной патрубок содержит, например, регулируемое сопло или сечение и соединен с одной стороны с серповидным направляющим аппаратом, а с другой стороны его, например, сужающееся сопло выходит в эжектор, выходящий, в свою очередь, к соплам дополнительной газовой турбины, либо к соплу реактивного двигателя.
Кроме того, двигатель отличается тем, что с одного или с обоих торцев сопел камер сгорания либо резонансных труб выполнены лопасти центробежного вентилятора либо компрессора, выходящего в эжектируемые каналы, как минимум, одного эжектора, выполненного, например, в виде улитки по дуге вращения лопастей, в который также выходит выхлопной патрубок серповидного направляющего аппарата, с другой стороны эжектор выходит к соплу, например, регулируемому и поворотному, реактивного двигателя, либо к соплам дополнительной газовой турбины.
Кроме того, двигатель отличается тем, что с одного или обоих боковых торцов сопел камер сгорания либо резонансных труб выполнены лопасти, например, центростремительной турбины, к входному патрубку которой выходит выхлопной патрубок серповидного направляющего аппарата, либо эжектор, в который выходит выхлопной патрубок серповидного направляющего аппарата, выпускной патрубок этой турбины присоединен, например, к турбокомпрессору.
Кроме того, двигатель отличается тем, что с одного или с обоих боковых торцов сопел камер сгорания либо резонансных труб выполнены лопатки центробежной турбины, выходящей в эжектируемые каналы, как минимум, одного эжектора, выполненного, например, в виде улитки по дуге окружности лопастей, в который также выходит выхлопной патрубок серповидного направляющего аппарата, с другой стороны эжектор выходит, например, к соплам турбины турбокомпрессора.
Кроме того, двигатель отличается тем, что серповидный направляющий аппарат со стороны выхода стенок его отвода к соплам камер сгорания либо резонансных труб, содержит каналы для впуска эжектируемого потока воздуха. Кроме того, двигатель отличается тем, что каждая камера сгорания либо ее резонансная труба выходят в эжекторное сопло, выполненное в виде лопастей, загнутых в сторону, противоположную вращению, и выходящих к серповидному направляющему аппарату, причем со стороны каналов для впуска эжектируемого потока воздуха, эжекторные сопла выполнены с возможностью периодического перекрытия этих каналов, например, отсекателем, в момент выхода эжекторного сопла к сопловому аппарату серповидного направляющего аппарата.
Кроме того, двигатель отличается тем, что впускные отверстия камер сгорания газогенераторной турбины выполнены поочередно с передней и задней стороны двигателя и примыкают с калиброванным зазором, с возможностью выполнения уплотнений, к двум распределителям, выполненным с двух противоположных сторон от камер сгорания.
Кроме того, двигатель отличается тем, что впускные отверстия камер сгорания выполнены с калиброванным зазором к распределителю, с возможностью скольжения по нему уплотнителей, например, в виде компрессионных колец.
На чертежах изображены:
Фигура 1: пульсирующий газотурбинный двигатель, осевой. Развернутая схема, вид сбоку.
Фигура 2: пульсирующий газотурбинный двигатель, осевой, выходящий в эжектор. Вид сбоку, разрез.
Фигура 3: пульсирующий газотурбинный двигатель, осевой, с вращающимися эжекторами в виде эжекторных сопел. Вид сбоку, разрез.
Фигура 4: пульсирующий газотурбинный двигатель с радиальными соплами и центробежным компрессором. Вид спереди, разрез.
Фигура 5: пульсирующий газотурбинный двигатель с радиальными соплами и центробежным компрессором. Вид сбоку, разрез.
Пульсирующий газотурбинный двигатель содержит: камеры сгорания 1, содержащие впускные отверстия 2, периодически перекрываемые распределителем 3, выпускные отверстия камер сгорания 4, соединенные напрямую либо посредством резонансных труб 5 с соплами 6, образованными лопатками 7, загнутыми в сторону, противоположную вращению, межлопастные каналы 8 которых могут образовывать эжекторные сопла 9 с каналами для впуска эжектируемого воздуха 10 и выходящими к одному, двум и более серповидным направляющим аппаратам 11, загнутым по дуге вращения сопел 6 и содержащим вначале отвод 12, а затем по ходу вращения газогенераторной турбины сопловой аппарат 13, разделенные отсекателями 14, выполненными с калиброванным зазором к соплам 7 с возможностью перекрытия, как минимум, одного межлопастного канала 8, сопел 6 или эжекторных сопел 9, каждый серповидный направляющий аппарат 11 содержит выхлопной патрубок 15, выходящий, например, к эжектору 16, а затем к соплу 17 реактивного двигателя, либо дополнительной газовой турбины, вмонтированный перед распределителем 3 воздушный компрессор 18, вентилятор 19, вмонтированные в распределитель 3 окна впуска воздуха 20 устройства подачи топливно-воздушной смеси 21, топливные форсунки 22 и свечи зажигания 23, периодически выходящие в камеры сгорания 1, отсекатели 24 для перекрытия каналов 10 эжекторных сопел 9, лопатки 25 радиального компрессора либо вентилятора, его направляющий аппарат 26 воздушный фильтр 27.
Пульсирующий газотурбинный двигатель работает следующим образом.
По первому варианту, при вращении камер сгорания 1 газогенераторной турбины (Фиг.1, 2, 3), например, от стартерного двигателя (на чертежах не показан), в камеру сгорания 1 посредством окон впуска воздуха 20 распределителя 3 подается воздух из атмосферы, либо под давлением от компрессора 18, затем подается, например, топливо-воздушная смесь через устройство подачи 21, после этого впускное отверстие 2 камеры сгорания 1 перекрывается распределителем 3 и топливо-воздушная смесь поджигается свечой зажигания 23, продукты сгорания расширяются и устремляются из камеры сгорания 1 в сопло 6, где разгоняются, либо продукты сгорания из камеры сгорания 1 попадают вначале в резонансную трубу 5, где частично разгоняются, а затем в сопло 6, где набирают максимальную скорость, из сопла 6, при вращении газогенераторной турбины продукты сгорания поступают в отвод 12 серповидного направляющего аппарата 11, оттуда часть продуктов сгорания устремляется в выхлопной патрубок 15 и далее к соплам дополнительной газовой турбины либо к соплу реактивного двигателя 17. Другая часть продуктов сгорания поступает в сопловой аппарат 13 серповидного направляющего аппарата 11, где они вновь разгоняются и поступают на загнутые лопатки 7 сопел 6 очередных камер сгорания 1 газогенераторной турбины, здесь поток поворачивается, заставляя вращаться газогенераторную турбину. После лопаток 7 сопел 6 продукты сгорания поступают в камеры сгорания 1 напрямую либо через резонансные трубы 5, сжимая находящийся в них воздух, при этом впускное отверстие 2 этой камеры сгорания 1 перекрывается распределителем 3, сжатая в камере сгорания 1 смесь воздуха и топлива воспламеняется благодаря высокой температуре детонации или от свечей зажигания 23, затем продукты сгорания расширяются и цикл повторяется. В камеру сгорания 1 через распределитель 3 после подачи воздуха может вспрыскиваться топливо посредством форсунок 22, образующаяся при этом топливно-воздушная смесь также может воспламеняться от высокой температуры, детонации или от свечей зажигания 23. Благодаря резонансным трубам 5 двигатель может работать без компрессора. Разогнавшиеся в трубах продукты сгорания создают падение давления в камерах сгорания 1, в них устремляется, посредством распределителя 3 воздух из атмосферы, осуществляя продувку и частично - охлаждение. Продукты сгорания из серповидного направляющего аппарата 11 через выхлопной патрубок 15 могут поступать в эжектор 16, создавая увеличение тяги для дополнительной газовой турбины или реактивного двигателя 17. Прирост тяги может также осуществляться при помощи каналов для впуска эжектируемого воздуха 10, выполненных в отводе 12 серповидного направляющего аппарата 11, либо в эжекторном сопле 9, при этом в момент совмещения эжекторного сопла 9 с сопловым аппаратом 13, серповидного направляющего аппарата 11, для повышения давления в камере сгорания 1 и снижения потерь, канал для впуска эжектируемого воздуха перекрывается, например, отсекателем 24. В районе отвода 12 серповидного направляющего аппарата обычно могут находиться несколько сопел 6 камер сгорания 1, при этом сопла 6 с большей энергией продуктов сгорания частично эжектируют продукты сгорания или воздух из сопел 6 с меньшей энергией, что позволяет уменьшить длину резонансных труб 5 либо вообще от них отказаться. Регулируемое сечение или сопло выхлопного патрубка 15 служит для регулирования степени сжатия в камерах сгорания 1. Крутящий момент можно получить также, выполнив камеры сгорания 1 неподвижными, а серповидный направляющий аппарат 11 установив на валу (не показаны), при этом продукты сгорания, выходя из сопел 6 камер сгорания 1 будут поворачиваться в отводе 12, заставляя вращаться серповидный направляющий аппарат 11, который будет вращаться также благодаря реакции струи, выходящей из соплового аппарата 13 и выхлопного патрубка в виде сопла 15.
Пульсирующий газотурбинный двигатель по второму варианту работает таким же образом как и по первому варианту, причем благодаря радиальному расположению сопел 6 в камерах сгорания 1 периодически возникает разрежение в том числе и при отсутствии резонансных труб 5, увеличивается крутящий момент газогенераторной турбины, а также степень повышения давления ступени радиального компрессора 25, что увеличивает тягу эжектора 16 и работу реактивного двигателя либо дополнительной газовой турбины.
Обороты газогенераторной турбины при этом уменьшаются. Чтобы уменьшить осевое давление на газогенераторную турбину, впускные отверстия 2 камер сгорания 1 могут поочередно выходить к распределителю с двух противоположных сторон (не показано), это дает возможность также приблизить впускные отверстия 2 камер сгорания 1 к валу, что позволит, при необходимости, использовать контактные уплотнения калиброванного зазора между ними и распределителем 3. Удельную мощность газогенераторной турбины можно увеличить, выполнив со стороны боковых торцов сопел 6, например, центростремительную турбину (не показана) и направив через нее поток продуктов сгорания, выходящих их выхлопного патрубка 15 либо из эжектора 16, этим же целям служит установка со стороны боковых торцов сопел 6 центробежной турбины, использующей, например, образуемый эжектором 16 вакуум и, например, давление воздуха, создаваемого турбокомпрессором (не показаны).
Использование данного изобретения позволит упростить конструкцию газотурбинного двигателя за счет создания эффективных бескомпрессорных двигателей, а также позволит повысить КПД за счет снижения температуры продуктов сгорания перед турбиной благодаря их расширению в соплах камер сгорания и резонансных трубах с совершением полезной работы - сжатием воздуха в очередной камере сгорания и вращением газогенераторной турбины. Либо за счет снижения затрат энергии на работу компрессора (использование компрессоров низкого давления), либо за счет увеличения степени сжатия воздуха за счет высокого наддува компрессором и дополнительного сжатия продуктами сгорания, что также повышает КПД цикла.