МИКРОРАЗМЕРНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ
SMALL-SIZE BYPASS MINIATURE GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к газотурбинным турбовальным и реактивным микродвигателям беспилотных летательных аппаратов (БЛА).
В последние годы на аэрокосмических салонах расширяются масштабы демонстрации беспилотных летательных аппаратов различного назначения. Если раньше основные разработки были сосредоточены в США, то в настоящее время появились сообщения о проектах БЛА различной размерности в странах Азиатско-Тихоокеанского региона, особенно в Китайской Народной Республике. Широкое развитие по БЛА ведется в Израиле. Это практические разработки компаний Elbit Systeus, Isratl Aircraft Industries (IAI) и университета Хайфского Техниона. Израильская компания Rafael Arms Development Authority приступила к выпуску сверхминиатюрных летательных аппаратов.
Беспилотная авиация практически охватывает все направления применения пилотируемой авиации, выполняя разведовательно-ударные функции.
Особое место в развитии беспилотных летательных аппаратов занимает микроавиация, оборудованная специальными микроразмерными газотурбинными микродвигателями.
Описание такого микроразмерного газотурбинного микродвигателя содержится в патенте США № 5932940 от 03.08.1999 г., который принят за прототип предлагаемому изобретению.
В патенте США предложена компоновка одноконтурного одновального микроразмерного газотурбинного микродвигателя. Рассмотрены также некоторые направления повышения эффективности микродвигателя, применяемые в полноразмерном авиадвигателестроении. Наиболее перспективным представляется двухконтурный одновальный микроразмерный газотурбинный микродвигатель.
Микроразмерный газотурбинный микродвигатель имеет диаметр рабочих колес компрессора и турбины 4 мм и частоту вращения ротора 2700000 об/мин. Расход воздуха в центробежном микрокомпрессоре 0.2 г/с при степени повышения давления 4-5. Температура газа в камере сгорания 1600 К.
Корпус микроразмерного газотурбинного микродвигателя представляет собой плоской круглый цилиндр. В корпусе имеется два отверстия: воздухозаборное и выхлопное. Внутри корпуса расположены основные узлы двигателя: центробежный микрокомпрессор, камера сгорания и центростремительная микротурбина.
Центробежный микрокомпрессор двигателя выполнен двухконтурным, имеющем рабочее колесо, состоящее из двух совмещенных, расположенных на одной оси центробежных колес. Двухконтурное центробежное колесо имеет несущий диск с расположенными на его поверхности радиальными профилированными лопатками рабочего колеса внутреннего высокотемпературного контура высокого давления. На торцах этих лопаток имеется покрывной диск. На наружной поверхности покрывного диска расположен второй ряд радиальных профилированных лопаток рабочего колеса микрокомпрессора наружного контура низкого давления. Лопатки колеса наружного контура по торцам закрыты покрывным диском.
Таким образом, одновальный двухконтурный микроразмерный газотурбинный микродвигатель имеет два закрытых центробежных рабочих колеса на одном валу, работающих параллельно на два отдельных канала: канал внутреннего высокотемпературного контура высокого давления - канал газогенератора и канал наружного контура низкого давления - канал вентилятора.
В каждом контуре вокруг лопаток рабочего колеса расположена круговая решетка лопаток радиального диффузора.
Радиальный канал за кольцевым лопаточным диффузором внутреннего высокотемпературного контура высокого давления сообщается с камерой сгорания, выполненной в виде объема прямоугольного сечения вокруг ротора двигателя. За камерой сгорания в радиальном конфузорном канале расположен круговой сопловой аппарат турбины, рабочее колесо турбины и выхлопное отверстие внутреннего контура.
Радиальный канал за кольцевым лопаточным диффузором наружного контура низкого давления сообщается с коаксиальным цилиндрическим каналом, выполненным по периметру корпуса двигателя, и далее с радиальным каналом, имеющим лопатки спрямляющего аппарата и выхлопным отверстием наружного контура.
Выхлопное отверстие наружного контура низкого давления расположено вокруг выхлопного отверстия внутреннего высокотемпературного контура высокого давления.
Микроразмерный газотурбинный микродвигатель имеет электрический запуск от внешнего источника электрической энергии. Для этой цели на наружной поверхности покрывного диска центробежного колеса наружного контура нанесен магнитный слой. А на внутренней поверхности корпуса двигателя над магнитным слоем покрывного диска компрессора выполнена статорная электрообмотка. Такая система представляет собой элементарный электрический микродвигатель, интегрированный с центробежным колесом.
Данная компоновка микроразмерного двухконтурного двигателя имеет существенный недостаток, делающий невозможным его практическое применение.
Расположенные очень близко друг к другу диски рабочих колес центробежного микрокомпрессора и центростремительной микротурбины, соединенные между собой коротким валом, имеют мощный тепловой контакт. Тепловой поток от высокотемпературного колеса микротурбины к колесу микрокомпрессора, имеющего существенно меньшую температуру, снижает эффективность цикла сжатия, т.к. сжатие воздуха в компрессоре происходит с подводом внешнего тепла. Снижается эффективность расширения газа в турбине, т.к. расширение газа сопровождается отводом тепла.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя повышенной термодинамической эффективности, обладающего регулируемой степенью двухконтурности, допускающей его практическое использование.
Технический результат достигается заявляемым микроразмерным двухконтурным газотурбинным микродвигателем, который содержит корпус с воздухозаборными отверстиями и выхлопными отверстиями. В корпусе расположены центробежные микрокомпрессоры с интегрированными электродвигателями, центростремительная микротурбина с интегрированным электрогенератором, камера сгорания, жаровая труба с отверстиями для прохода топливовоздушной смеси, внутренний контур и наружный контур. Каждый центробежный микрокомпрессор имеет рабочее колесо, выполненное в виде диска с радиально расположенными профилированными лопатками, неподвижные лопатки радиального диффузора и выходную сборную улитку. Рабочее колесо центробежного микрокомпрессора по торцам радиальных лопаток закрыто покрывным диском. На наружной поверхности покрывного диска каждого центробежного микрокомпрессора нанесен слой магнитного материала. На внутренней поверхности корпуса микродвигателя, над магнитным покрытием покрывного диска, выполнена статорная обмотка микроэлектродвигателя, интегрированного с центробежным микрокомпрессором. В выходном сечении сборной улитки центробежного микрокомпрессора внутреннего контура расположены отверстия для подачи топлива. Сборная улитка центробежного микрокомпрессора плавно переходит в камеру сгорания, содержащую жаровую полость с отверстиями, расположенными по периметру для прохода топливовоздушной смеси, выходной участок камеры сгорания заканчивается сборной улиткой центростремительной микротурбины. Центростремительная микротурбина имеет кольцевую решетку радиальных лопаток соплового аппарата и рабочего колеса с радиальными лопатками. На торцах лопаток рабочего колеса центростремительной микротурбины расположен покрывной диск. Наружная поверхность покрывного диска имеет магнитное покрытие, образующее вместе с рабочим колесом центростремительной микротурбины ротор микроэлектрогенератора. Над покрывным диском рабочего колеса микротурбины на внутренней поверхности корпуса микродвигателя выполнена статорная обмотка микроэлектрогенератора, интегрированного с центростремительной микротурбиной. Выходное сечение рабочего колеса центростремительной микротурбины каналом соединено с выходным соплом высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления.
Причем корпус микродвигателя выполнен в виде плоской конструкции с плавными криволинейными обводами боковой поверхности.
В корпусе расположены центробежный микрокомпрессор внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления, центростремительная микротурбина, центробежные микрокомпрессоры наружного низкотемпературного контура низкого давления.
Все центробежные микрокомпрессоры механически не связаны между собой и с центростремительной микротурбиной.
Центробежные микрокомпрессоры отделены и теплоизолированы от центростремительной микротурбины, что позволяет изменять степень двухконтурности изменением числа одновременно работающих центробежных микрокомпрессоров и изменением частоты вращения их рабочих колес.
При этом внутренний высокотемпературный газогенераторный контур высокого давления состоит из центробежного микрокомпрессора, камеры сгорания и центростремительной микротурбины.
Наружный низкотемпературный воздушный контур состоит из двух или более центробежных микрокомпрессоров с выходными сборными улитками, соединенными с выходными соплами, расположенными вокруг выходного сопла внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления.
Выходное сопло внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления и выходные сопла наружного низкотемпературного контура сопряжены между собой для смешения потоков.
Выходное сопло внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления и сопряженные с ним выходные сопла наружного низкотемпературного контура выполнены подвижными для регулирования вектора реактивной тяги микродвигателя.
Выходное сопло высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления выполнено плоской или круговой формы.
Выходные сопла наружного низкотемпературного контура низкого давления выполнены плоской или круговой формы.
Таким образом, заявляемый микроразмерный двухконтурный газотурбинный микродвигатель имеет отдельные центробежные микрокомпрессоры, не связанные механически между собой и с центростремительной микротурбиной. Микрокомпрессоры отделены и теплоизолированы от микротурбины, тепловой поток от микротурбины к микрокомпрессору ликвидирован.
Приводом микрокомпрессора является интегрированный с ним микроэлектродвигатель, а необходимая для питания электроэнергия вырабатывается микроэлектрогенератором, интегрированным с центростремительной микротурбиной.
В предлагаемом микроразмерном двухконтурном газотурбинном микродвигателе двухконтурность и регулирование степени двухконтурности достигают параллельным соединением воздушными каналами микрокомпрессоров наружного низкотемпературного контура, имеющих независимый автономный привод. Это обеспечивает высокоэкономичные тяговые характеристики микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя для различных полетных режимов работы летательного аппарата.
Автономный привод каждой ступени центробежного микрокомпрессора допускает практически мгновенную трансформацию режима работы двигателя из двухконтурного в одноконтурный и наоборот. Такое свойство является новым в номенклатуре режимов работы газотурбинного двигателя, в настоящее время недоступное современным натурным двухконтурным газотурбинным двигателям.
На фиг.1 представлена принципиальная компоновка предлагаемого микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя.
На фиг.2 представлено, вид по А-А, продольное сечение микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя.
На фиг.3 показано, вид по Б-Б, поперечное сечение микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя.
Заявляемый микроразмерный двухконтурный газотурбинный микродвигатель на фиг.1, 2, 3 выполнен в виде узкой плоской конструкции и состоит из наружного корпуса 1 с плавными криволинейными обводами боковой поверхности. В корпусе 1 размещены все двигательные узлы внутреннего высокотемпературного контура газогенератора и наружного низкотемпературного контура.
Корпус 1 двигателя имеет отверстия 2, 3, 4 воздухозабора, и отверстие выхлопного сопла 5 высокотемпературного газа внутреннего контура и выхлопных сопел 6 и 7 низкотемпературного воздуха наружного контура.
Внутренний высокотемпературный газогенераторный контур высокого давления состоит из центробежного микрокомпрессора 8, камеры сгорания 9 и центростремительной турбины 10.
Центробежный микрокомпрессор 8 внутреннего контура имеет рабочее колесо 11, выполненное в виде диска с радиально расположенными профилированными лопатками 12, неподвижные лопатки 13 радиального диффузора и выходную сборную улитку 14. Рабочее колесо 11 компрессора 8 по торцам лопаток 12 закрыто покрывным диском 15.
На наружной поверхности покрывного диска 15 нанесен слой магнитного материала 16. В результате рабочее колесо 11 центробежного микрокомпрессора одновременно является и ротором электродвигателя.
На внутренней поверхности корпуса 1 микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя, над магнитным покрытием 16 ротора, выполнена статорная обмотка 17 электродвигателя, интегрированного с центробежным микрокомпрессором.
В выходном сечении сборной улитки 14 расположен ряд отверстий 18 для подачи топлива.
Сборная улитка 14 микрокомпрессора 8 плавно переходит в камеру сгорания 9, содержащую жаровую полость 19 с отверстиями 20 по периметру для прохода топливовоздушной смеси.
Выходной участок камеры сгорания 9 заканчивается сборной улиткой 21 центростремительной микротурбины 10. Центростремительная микротурбина 10 имеет кольцевую решетку радиальных лопаток соплового аппарата 22 и рабочего колеса 23 с радиальными лопатками 24. На торцах лопаток 24 рабочего колеса 23 микротурбины расположен покрывной диск 25. Наружная поверхность покрывного диска 25 имеет специальное магнитное покрытие 26, образующее вместе с рабочим колесом 23 микротурбины 10 ротор электрогенератора. Над покрывным диском 25 рабочего колеса 23 на внутренней поверхности корпуса 1 микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя выполнена статорная обмотка 27 электрогенератора, интегрированного с газовой микротурбиной 10.
Выходное сечение рабочего колеса 23 турбины 10 каналом 28 соединено с выходным соплом 5 высокотемпературного контура высокого давления. Выходное сопло 5 может быть выполнено плоской или круговой формы.
Наружный низкотемпературный воздушный контур состоит из двух или более центробежных микрокомпрессоров 29 и 30 с выходными сборными улитками 31 и 32, соединенными с плоскими или кольцевыми выходными соплами 6 и 7, расположенными вокруг выходного сопла 5 внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура.
Центробежные микрокомпрессоры 29 и 30 наружного контура имеют в своем составе рабочие колеса 33 и 34 с радиально расположенными профилированными лопатками 35 и 36, лопатки 37 и 38 радиального диффузора.
Работа заявляемого микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя осуществляется следующим образом.
Запуск микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя электрический. Осуществляется от внешнего источника электрической энергии: микроаккумулятора или микробатарейки (на фиг. не показано). Электрический ток от источника электроэнергии подается в статорную обмотку 17 электродвигателя, интегрированного с микрокомпрессором 8 внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления. Создаваемое магнитное поле раскручивает ротор электродвигателя - рабочее колесо 11 центробежного микрокомпрессора 8 внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления.
Наружный воздух из окружающей атмосферы через отверстие 2 воздухозабора в корпусе 1 микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя поступает в рабочее колесо 11 центробежного микрокомпрессора 8 внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления. Сжатый в рабочем колесе 11 воздух через лопатки 13 радиального диффузора выходит в сборную выходную улитку 14 микрокомпрессора 8. В выходном сечении улитки 14 через отверстия 18 в воздух повышенного давления подается топливо. Образующаяся топливовоздушная смесь поступает в жаровую полость 19 камеры сгорания 9, где воспламеняется. Высокотемпературная газовоздушная смесь при непрерывном горении из камеры сгорания 9 выходит в сборную улитку 21 центростремительной микротурбины 10. Из сборной улитки 21 через радиальные лопатки соплового аппарата 22 высокотемпературная газовоздушная смесь направляется на лопатки 23 рабочего колеса 22 центростремительной микротурбины 10.
Часть энергии высокотемпературной газовоздушной смеси в микротурбине 10 преобразуется в механическую работу. Оставшаяся часть энергии газовоздушной смеси идет на создание реактивной тяги в отверстии 5 выходного сопла внутреннего высокотемпературного газогенераторного контура высокого давления.
Механическая часть высокотемпературной газовоздушной смеси в центростремительной микротурбине 10 используется для выработки электрической энергии в электрогенераторе, интегрированном с центростремительной микротурбиной 10. При вращении рабочего колеса 23 центростремительной турбины 10 в статорной обмотке 27 турбины 10 генерируется электрическая энергия, которая отводится потребителю. В предлагаемом микроразмерном двухконтурном газотурбинном микродвигателе потребителем являются электродвигатели, интегрированные с центробежными микрокомпрессорами 8 внутреннего газогенераторного контура высокого давления и 29, 30 - наружного воздушного контура низкого давления.
Заявляемый микроразмерный двухконтурный газотурбинный микродвигатель с автономным электрическим приводом микрокомпрессоров обладает очень гибкой способностью реализовывать различные термодинамические циклы, недоступные современным полноразмерным газотурбинным двигателям.
Независимый автономный электрический привод каждого микрокомпрессра микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя допускает регулирование степени двухконтурности в очень широких пределах.
Когда частота вращения рабочих колес 33 и 34 центробежных микрокомпрессоров 29 и 30 низкотемпературного наружного воздушного контура равна нулю, расход воздуха в наружном контуре отсутствует и степень двухконтурности газотурбинного микродвигателя равна нулю. Электрическая энергия, вырабатываемая элетрогенератором, интегрированным с микротурбиной 10, используется на привод микрокомпрессора 8 газогенераторного контура высокого давления микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя.
Оставшаяся часть энергии газовоздушной смеси за микротурбиной 10 трансформируется в реактивную тягу в выходном сопле 5 контура высокого давления. В этом случае реализуется рабочий цикл одноконтурного турбореактивного двигателя.
Подачей электроэнергии в статорную обмотку электродвигателей, интегрированных с микрокомпрессорами 29 и 30, включается в работу низкотемпературный наружный воздушный контур микродвигателя. Воздух, сжатый в микрокомпрессорах 29 и 30, через сборные улитки 31 и 32 поступает в выходные 6 и 7 наружного контура и реализуется рабочий цикл двухконтурного турбореактивного двигателя. Включением одного из микрокомпрессоров 29 и 30 наружного контура или включением одновременно двух микрокомпрессоров 29 и 30, а также изменением частоты вращения рабочих колес этих микрокомпрессоров достигается изменение расхода воздуха в низкотемпературном наружном контуре низкого давления микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя.
Отмеченный выше существенный недостаток двухконтурного газотурбинного микродвигателя, принятого в качестве прототипа (патент США № 5932940), заключающийся в снижении эффективности процесса сжатия воздуха в компрессоре вследствие мощного теплового контакта с турбиной в сочетании с технологическими особенности формирования микроразмерной проточной части, ограничивает его практическое применение.
Разработанная в предлагаемом изобретении компоновка всей проточной части микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя открывает вполне определенные перспективы его использования.
Отделение компрессора от турбины, ликвидация непосредственного теплового контакта микрокомпрессора и микротурбины уже повышают экономичность микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя. А возможность формирования наружного низкотемпературного воздушного контура низкого давления на увеличенную степень двухконтурности и регулирование степенью двухконтурности делают реальным практическую реализацию предлагаемого газотурбинного микродвигателя.
Данная компоновка микроразмерного двухконтурного газотурбинного микродвигателя с выходным соплом в виде отверстий плоской или кольцевой формы открывает возможность выполнения конструкции двигателя с отклоняемым выхлопным соплом. Управляемое отклонение сопла меняет направление выхлопной газовоздушной струи и изменяет пространственное направление вектора реактивной тяги, предоставляя возможность управления маневренностью летательного аппарата, делая его практически неуязвимым.
Таким образом, заявляемый микроразмерный двухконтурный газотурбинный микродвигатель предназначен для применения в качестве маршевых двигателей миниатюрных летательных аппаратов беспилотной авиации и в качестве корректирующих двигателей управления полетом ракетных установок.