ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к турбостроению, в частности к газотурбинным двигателям.
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, ПВРД, (см. Максай А.В. и Полянский Н.И. Военное издательство Военного Министерства Союза ССР. Москва - 1950. Теория авиационных двигателей, стр. 352, фиг. 220 - аналог). Этот двигатель содержит по ходу движения рабочего тела входное, топливоподающее и поджигающее устройства, камеру сгорания и сопло, установленные на летательном аппарате. Работает такой двигатель без компрессора за счет торможения встречного потока воздуха. Воздух используется для образования рабочей смеси. Давление напора воздуха используется для сжатия смеси в камере сгорания и создания реакции силы тяги - реактивной силы, возникающей при выходе продуктов сгорания из сопла.
Недостатками такого двигателя являются неработоспособность на месте и неэффективная его работа на малых скоростях полета из-за низкого давления рабочего тела в открытой камере сгорания, что существенно ограничивает его применение.
Известен газотурбинный двигатель (см. патент 2338906. К. F02C 5/00 - прототип), содержащий корпус с установленным в нем лопаточным колесом, примыкающим, внутренними контурами лопаточных венцов к кольцевым обечайкам. В кольцевых обечайках выполнены топливоподающие устройства и отверстия, частично совмещенные с секторными окнами, выполненными в цилиндрической части корпуса. По ходу вращения лопаточного колеса в цилиндрической части корпуса выполнены отверстия, связанные с диффузорами. Расположены поджигающие устройства, камеры сгорания. Выполнены отверстия, связанные с соплами горизонтального и вертикального расположения с регуляторами. Первичные каналы перепуска с отверстиями входными, выполненными с регуляторами, и выходными, выполненными в виде сопла, в которые установлены топливоподающие устройства. На торцах корпуса в центральной части выполнены входные отверстия, связанные с диффузорами и вентиляционные отверстия. В этом двигателе в камеры поступает газ с высоким давлением через сопла выходных отверстий первичных каналов перепуска. В эти же камеры одновременно поступает воздух через диффузоры, который удерживается давлением газа, поэтому камеры слабо заполняются воздухом, что снижает давление в камерах при сгорании топлива и, соответственно, удельную мощность. Снижение удельной мощности происходит и в связи с тем, что входные отверстия первичных каналов перепуска расположены по ходу вращения лопаточного колеса за отверстиями, связанными с соплами горизонтального и вертикального расположения.
Недостатками этого двигателя являются низкая удельной мощность, узкий диапазон изменения крутящего момента на валу двигателя и реактивных сил в его соплах, низкая жесткость конструкции и низкое охлаждение.
Задачей изобретения являются повышение удельной мощности, расширение диапазона изменения крутящего момента на валу двигателя и реактивных сил в его соплах, повышение жесткости конструкции и повышение охлаждения.
Поставленная задача достигается тем, что в газотурбинном двигателе выполнены вторичные каналы перепуска с отверстиями, выполненными в цилиндрической части корпуса, входными и выходными, направленными по ходу вращения лопаточного колеса. При этом отверстия входные снабжены регуляторами, а выходные выполнены в виде сопла, перед которыми выполнены выходные отверстия первичных каналов перепуска. Перед выходными отверстиями первых каналов перепуска расположены отверстия, связанные с диффузорами. После выходных отверстий первичных каналов перепуска расположены топливоподающие устройства, установленные в кольцевой обечайке, а после них расположены выходные отверстия вторичных каналов перепуска. Также по ходу вращения лопаточного колеса в цилиндрической части корпуса расположены поджигающие устройства. Камеры сгорания. Входные отверстия вторичных каналов перепуска. Входные отверстия первичных каналов перепуска. Расположены отверстия, связанные с соплами горизонтального расположения, отверстия с вертикальными входами, связанные с соплами горизонтального расположения и отверстия связанные с соплами вертикального расположения. В цилиндрической части корпуса установлена гильза, примыкающая к наружному контуру лопаточного колеса.
Кроме того, между бандажными кольцами и торцевыми поверхностями корпуса выполнены полости, в которых расположены лопатки, выполненные на бандажных кольцах, наружные контуры которых примыкают к выходным отверстиям, выполненным в корпусе.
На чертежах схематично изображен газотурбинный двигатель, ФИГ. 1, в поперечном разрезе А-А, конструкция симметрична относительно продольной плоскости. В продольном разрезе Б-Б, ФИГ. 2 показаны участки, ФИГ. 2, где осуществляются процессы цикла по ходу вращения лопаточного колеса по указанной стрелке.
Газотурбинный двигатель содержит, ФИГ. 1, 2, корпус 1, включающий крышки 2 и 3 цилиндрической формы, на торцах которых в центральной части выполнены входные отверстия, связанные с диффузорами 4 и отверстия 5, выполненные в их кольцевых обечайках 6. Лопаточное колесо 7 с лопатками 8 и валом 9, установленное в подшипниках 10 в корпусе 1. Венцы лопаточного колеса 7, по внутреннему контуру примыкают к кольцевым обечайкам 6. На торцах венцов лопаточного колеса 7 закреплены плоские бандажные кольца 11, закрывающие с боковых сторон промежутки между лопатками 8, образующие с цилиндрической частью корпуса 1, с кольцевыми обечайками 6 и лопаточным колесом 7 камеры 12. Первичные каналы перепуска 13 с выполненными в цилиндрической части корпуса 1 отверстиями, входными 14 с регуляторами 15, и выходными 16, выполненными в виде сопла, с установленными в них топливоподающими устройствами 17. По ходу вращения лопаточного колеса 7, по указанной стрелке, в цилиндрической части корпуса 1 после входных отверстий 14 выполнены отверстия, связанные с горизонтально расположенными соплами 18 с регуляторами 19. Горизонтально расположенные сопла 20 с регуляторами 21, в которых вход в отверстия выполнен вертикально. Отверстия, связанные с вертикально расположенными соплами 22 с регуляторами 23. Со смещением относительно отверстий 5 в цилиндрической части корпуса 1 выполнены секторные окна 24. Отверстия, связанные с диффузором 25. Выходные отверстия 16. Топливоподающие устройства 26, установленные в кольцевых обечайках 5. Кроме первичных каналов перепуска 13 выполнены вторичные каналы перепуска 27 с отверстиями выходными 28, выполненными в виде сопла и расположенными после выходных отверстий 16, и входными 29 с регуляторами 30, расположенными перед входными отверстиями 14 первичных каналов перепуска 13. Причем эти отверстия выходные 28 и входные 29 направлены по ходу вращения лопаточного колеса 7. Между этими отверстиями выходными 27 и входными 29, расположены поджигающие устройства 31 и камеры сгорания 12. Внутри корпуса 1 установлена цилиндрическая гильза 32, примыкающая внутренней поверхностью к внешнему контуру лопаточного колеса 7, а на торцах корпуса 1 выполнены вентиляционные отверстия 33.
Газотурбинный двигатель работает следующим образом.
Раскручивается лопаточное колесо 7, ФИГ. 1, 2, по указанной стрелке. По ходу его вращения согласно циклу работы, на участках «продувка и охлаждение» воздух под действием лопаток 8 из атмосферы вновь попадает в атмосферу через диффузоры 4, связанные с ними входные отверстия, центральные полости корпуса 1 и совмещенные части отверстий 5 с секторными окнами 24, включая и камеры 12. После завершения такого совмещения воздух нагнетается в соответствующие камеры 12 на участках «нагнетание воздуха» На участках «воздух» камеры 12 продолжают заполняться воздухом, проходящим через диффузоры 25. На участках «воздух, топливо, газ» поступает топливо под действием топливоподающих устройств 26, в камеры 12, где образуется топливовоздушная смесь. На участках «сжатие», «зажигание», «горение топлива», топливо поджигается поджигающими устройствами 31, сгорает в камерах 12, в закрытых объемах, образуя в них газ с высоким давлением. На участках с таким же названием при закрытых каналах 27 регуляторами 30 во входных отверстиях 29 и открытых каналах 13 регуляторами 15 во входных отверстиях 14 часть газа поступает через сопла выходных отверстий 16 в камеры 12 с топливовоздушной смесью. Другая часть газа, оставшаяся в камерах 12, проходя участки «газ с пониженным давлением», образовывает крутящие моменты на валу 9 и реактивные силы в соплах 18, 20, 22 в зависимости от положения их регуляторов соответственно 19, 21, 23. В соплах 18 и 22 опорой для образования реактивных сил являются подвижные лопатки 8, что позволяет создавать крутящие моменты на валу 9, но снижает реактивные силы в соплах 18 и 22, образуя узкий диапазон изменения реактивных сил от крутящего момента и наоборот, крутящего момента от реактивных сил. За счет изменения полезной нагрузки на валу 9 или изменением потока газа регуляторами 19 и 23 в соплах 18 и 22. Это компенсируется соплами 20 горизонтального расположения, связанными с отверстиями вертикального входа. В совокупности регуляторами 19, 21, 23 и соплами 18, 20, 22 создается возможность изменять в широком диапазоне и крутящие моменты, и реактивные силы. На участках «продувка и охлаждение» проходом воздуха из атмосферы в атмосферу, описанным выше, осуществляется удаление остатков газа в камерах 12 и охлаждение их внутренних поверхностей. На этом первый цикл завершается. В последующих циклах в отличии от первого цикла, газ проходит через сопла выходных отверстий 16, где топливопо дающими устройствами 17 и инжекциями создается дополнительная подача топлива в камеры 12 с топливовоздушной смесью. Этим же газом образуется и ее сжатие, что обеспечивает в замкнутых объемах камер 12 эффективное сгорание топлива и высокое давление, которое поступает через первичные каналы перепуска 13 в камеры 12 с топливовоздушной смесью в последующих циклах.
Вторичные каналы перепуска 27 отличаются от первичных каналов перепуска 13 по форме, по длине и тем, что их отверстия входные 29 и выходные 28 направлены в сторону вращения лопаточного колеса 7. В открытом положении этих каналов перепуска 27 регуляторами 30 во входных отверстиях 29, аналогично каналам 13, через них проходят газы, которые создают силы, действующие на лопатки 8. Активные силы в отверстиях 28 по ходу вращения лопаточного колеса так же, как и в соплах отверстий 16. Реактивные силы в отверстиях 29 по ходу вращения лопаточного колеса 7, а в отверстиях 14 реактивные силы действуют против хода вращения лопаточного колеса. Применяться эти каналы 13 и 27 могут и вместе, и по отдельности. Гидравлические потери в этих каналах, особенно в местах их поворота, могут быть уменьшены увеличением диаметров. Не исключается возможность использовать каналы перепуска 13 и 27 подобно ресиверам компрессоров, где через входные отверстия 14 и 29 они станут наполняться газом, а через отверстия 16 и 28 он также станет дополнительно подавать топливо в камеры 12, создавать давление, образовывать крутящие моменты на валу 9 и реактивные силы. При этом гидравлические потери уменьшатся.
Установка гильзы 32 позволяет снизить точность изготовления примыкающих внутренних поверхностей крышек 2 и 3 к внешнему контуру лопаточного колеса 7 за счет ее установки, что упрощает их изготовление. Повысить соосность этих крышек 2 и 3 и повысить жесткость корпуса 1. Поможет продлевать срок работы двигателя путем ее замены, хотя износ ее не может быть интенсивным из-за возможности допустимого зазора между сопрягаемыми, посадочными, поверхностями корпуса и лопаточного колеса. Утечки газа по этому зазору из камеры сгорания 12, где образуется самое высокое давление в цикле, по ходу вращения лопаточного колеса 7 подталкивают его, а утечки против его хода попадают в камеры 12, в которых происходят подготовки топливовоздушной смеси для ее сгорания, они станут повышать необходимое давление. В остальных местах цикла давление газа относительно низкое и выполнение уплотнений является менее сложным.
Кроме указанного охлаждения внутренних поверхностей камер 12 осуществляется охлаждение их и с внешних сторон через вентиляционные отверстия 32 и бандажные кольца 11. Повысить такое охлаждение возможно, на чертежах не показано, образованием цилиндрических полостей между торцевыми поверхностями корпуса 1 и бандажными кольцами 11, на которых выполнить лопатки и выполнить выходные отверстия в корпусе 1, примыкающими к наружному контуру лопаток. При чем, это можно использовать не только для более интенсивного охлаждения камер 12, но и в качестве наддува воздуха, например, через диффузоры 25 в камеры 12, что повысит нагрузки на вал 9 и увеличит реактивные силы в соплах. Такой наддув в какой-то мере может компенсировать отсутствие встречного потока воздуха и стать полезным при использовании двигателя в стационарных установках и в летательных аппаратах при их взлете, посадке и работе на месте.
Газотурбинный двигатель может найти применение в различных областях, в частности в стационарных установках, автомобилях тракторах, но особенно в летательных аппаратах, так как они могут летать с таким двигателям на низких и высоких скоростях.
Таким образом.
1. Поступление большего количества воздуха в камеры сгорания и повышение сжатия топливовоздушной смеси обеспечивают эффективное сгорание топлива и повышение удельной мощности двигателя.
2. Сопла с горизонтальным и вертикальным расположением в совокупности с соплами горизонтального расположения, связанными с выполненными отверстиями вертикального входа, расширяют возможности изменения крутящего момента и реактивных сил в широком диапазоне.
3. Установка гильзы в цилиндрическую часть корпуса двигателя повышает его соосность и жесткость.
4. Выполнение цилиндрических полостей между торцевыми поверхностями корпуса и бандажными кольцами с выполненными на них лопатками и выполнение выходных отверстий в корпусе, примыкающих к внешнему контуру лопаток позволяет повысить охлаждение и увеличить количество воздуха, поступающего в камеры сгорания двигателя.