ТУРБОРОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЮГИ
YUGI'S TURBO-ROTOR ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к роторным двигателям и роторным компрессорам и насосам с переменной скоростью вращения соосных лопастных роторов, а также к газотурбинным двигателям.
Техническим результатом является повышение удельных показателей двигателя, надежности и ресурса.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Турбороторный двигатель имеет жидкостное охлаждение с использованием нагретой в пароперегревателе жидкости в паровом двигателе, расположенном между роторным компрессором и роторным двигателем, который имеет трубу, подведенную к каналам валов обоих роторов, переходящих в каналы передних крышек, каналы (гофры) цилиндров, каналы промежуточных стенок и задних крышек, соединенных с полостью в задней крышке внутреннего ротора двигателя, куда входит полая консоль внутренней оболочки жаровой трубы, имеющей полые лопатки, соединенные с полостью жаровой трубы с двойными стенками и полыми лопатками входного коллектора парового роторного двигателя, выхлопные окна которого выходят в полость выпускного коллектора, соединенную каналами с полостью кольца вентилятора; вторая труба соединена с коллектором над выхлопными окнами двигателя, соединенного каналами с полостью в корпусе соплового аппарата и полостью в задней крышке внутреннего ротора двигателя; а на обтекателе за турбинами первой, второй, третьей ступени имеются труба, соединенная с внутренней полостью вала турбин второй ступени и четвертой ступени с лопатками вентилятора и вала роторного двигателя, и труба отвода, соединенная с первой и второй трубой.
Турбороторный двигатель имеет большую удельную мощность, экономичность, надежность и ресурс.
Аналогами предлагаемого изобретения являются: патент Н.П.Сейма №14226, заявлен 5.01.1929 г., а.с. 183722, №210593, патенты №2195402, №2246040, №2219357, №2253734, а также ростатическая турбина, описанная в книге «Проектирование авиационных газотурбинных двигателей»/ Под ред. д.т.н. А.М.Ахметзянова, г.Уфа, 2000 г.
Прототипом изобретения является турбороторный двигатель, содержащий роторные компрессор и двигатель, выполненные из двух лопастных роторов, один - наружный с впускными окнами компрессора и выпускными окнами двигателя и направленными внутрь лопастями с дифференциальными клапанами у компрессора и двигателя, второй ротор - внутренний, каждый ротор имеет роликовые муфты с неподвижной наружной обоймой и с наружной обоймой на выходном валу (см. патент RU 2219357 С2, F02B 53/06, 2003, 8 с.).
Недостатком прототипа является высокая теплонапряженность вследствие недостаточного охлаждения воздухом, следовательно, будет и небольшой ресурс и надежность, и большая потеря тепла.
Задачей изобретения является устранение указанного недостатка.
Указанная задача достигается тем, что турбороторный двигатель содержит лопаточные компрессор и турбину и роторный компрессор и двигатель, выполненные из двух соосных лопастных роторов, один - наружный, с впускными окнами компрессора в передней крышке и цилиндре и выпускными окнами двигателя в цилиндре и задней крышке и направленными внутрь цилиндра лопастями с дифференциальными клапанами компрессора и двигателя, которые разделяет промежуточная стенка наружного ротора, имеющая каналы подвода и отвода охлаждающего компонента к лопаткам разной закрутки на диске внутри промежуточной стенки, второй ротор - внутренний, с форсункой в передней крышке и жаровой трубой внутри цилиндра, опирающейся консолями внутренней оболочки на крышки внутренних роторов, на цилиндре имеются направленные наружу лопасти с золотниками и каналами, соединяющими рабочие камеры компрессора с камерой сгорания с жаровой трубой и камеру сгорания с рабочими камерами двигателя, каждый ротор имеет роликовые муфты с неподвижной наружной обоймой и с наружной обоймой на выходном валу, имеющем пальцы, на которых расположены сателлиты, зацепленные с неподвижной шестерней и шестерней вала лопаточного компрессора, внутри которого расположена труба подвода топлива к двухкомпонентной форсунке, на подшипниках вала внутреннего ротора двигателя расположена турбина первой ступени с лопатками, соединенными с наружным диском, с которым соединены лопатки турбины третьей ступени, диск и вал которой опираются на подшипники вала турбины второй ступени и подшипники неподвижной опоры, а на диске, соединяющем лопатки турбин первой и третьей ступеней, расположены лопатки вентилятора в канале кольца.
Новым элементом является то, что турбороторный двигатель имеет жидкостное охлаждение с трубой, подведенной к каналам валов обоих роторов, переходящим в каналы передних крышек, каналы (гофры) цилиндров, каналы промежуточных стенок и задних крышек и соединенным с полостью в задней крышке внутреннего ротора двигателя, куда входит полая консоль внутренней оболочки жаровой трубы, имеющей полые лопатки, соединенные с полостью жаровой трубы с двойными стенками и полыми лопатками входного коллектора парового роторного двигателя, расположенного между роторами компрессора и двигателя, выхлопные окна которого выходят в выпускной коллектор, соединенный каналами с полостью кольца вентилятора; вторая труба соединена с коллектором над выхлопными окнами двигателя, соединенного каналами с полостью в корпусе соплового аппарата и полостью в задней крышке внутреннего ротора двигателя; а на обтекателе за турбинами первой, второй, третьей ступени имеются труба, соединенная с внутренней полостью вала турбины второй и турбины четвертой ступени с лопатками вентилятора и полостью вала роторного двигателя, и труба отвода, соединенная с первой и второй трубой.
Таким образом, турбороторный двигатель, содержащий роторные компрессор и двигатель, выполненные из двух лопастных роторов, один - наружный с впускными окнами компрессора и выпускными окнами двигателя и направленными внутрь лопастями с дифференциальными клапанами у компрессора и двигателя, второй ротор - внутренний, каждый ротор имеет роликовые муфты с неподвижной наружной обоймой и с наружной обоймой на выходном валу, отличается тем, что турбороторный двигатель содержит лопаточные компрессор и турбину, два лопастных ротора выполнены соосными, впускные окна компрессора выполнены в передней крышке и цилиндре, выпускные окна двигателя выполнены в цилиндре и задней крышке, роторы компрессора и двигателя разделяет промежуточная стенка наружного ротора, имеющая каналы подвода и отвода охлаждающего компонента к лопаткам разной закрутки на диске внутри промежуточной стенки, второй ротор выполнен с форсункой в передней крышке и жаровой трубой внутри цилиндра, опирающейся консолями внутренней оболочки на крышки, на цилиндре имеются направленные наружу лопасти с шариковыми золотниками и каналами, соединяющими рабочую камеру компрессора с камерой сгорания и камеру сгорания с рабочими камерами двигателя, выходной вал имеет пальцы, на которых расположены сателлиты, зацепленные с неподвижной шестерней и шестерней вала лопаточного компрессора, внутри которого расположена труба подвода топлива к двухкомпонентной форсунке, на подшипниках вала внутреннего ротора двигателя расположена турбина первой ступени с лопатками, соединенными с наружным диском, с которым соединены лопатки турбины третьей ступени, диск и вал которой опираются на подшипники вала турбины второй ступени и подшипники неподвижной опоры, а на диске, соединяющем лопатки турбин первой и третьей ступеней, расположены лопатки вентилятора в канале кольца, турбороторный двигатель имеет жидкостное охлаждение с трубой, подведенной к каналам валов обоих роторов, переходящим в каналы передних крышек роторов, каналы цилиндров, каналы промежуточных стенок и задних крышек, соединенным с полостью в задней крышке внутреннего ротора двигателя, куда входит полая консоль внутренней оболочки жаровой трубы, имеющей полые лопатки, соединенные с полостью жаровой трубы с двойными стенками, полые лопатки соединяют полость жаровой трубы с входным коллектором парового роторного двигателя, расположенного между роторным компрессором и роторным двигателем, выхлопные окна парового двигателя выходят в выпускной коллектор, соединенный каналами с полостью кольца вентилятора; вторая труба расположена на коллекторе над выхлопными окнами двигателя, соединенного каналами с полостью в корпусе соплового аппарата и полостью в задней крышке внутреннего ротора двигателя; а на обтекателе за турбинами первой, второй, третьей ступеней имеются труба, соединенная с полостью вала турбин второй ступени и четвертой ступени с лопатками вентилятора и полостью вала роторного двигателя, и труба отвода, соединенная с первой и второй трубой.
На фиг.1 показан продольный разрез двигателя.
На фиг.2 показано сечение А-А фиг.1.
На фиг.3 показано сечение В-В фиг.1.
На фиг.4 показано сечение С-С фиг.1.
На фиг.5 показано место Е фиг.1.
Турбороторный двигатель содержит элементы двигателя: корпус, лопаточные компрессор и турбину и роторный компрессор и двигатель. Роторный компрессор и двигатель выполнены из двух соосных лопастных роторов, один - наружный с впускными окнами 1 (фиг.1) в передней крышке и цилиндре компрессора и выпускными окнами 2 в цилиндре и задней крышке двигателя. Цилиндр наружного ротора имеет направленные внутрь лопасти с дифференциальными клапанами 3 (фиг.1, 2) у компрессора и дифференциальными клапанами 4 (фиг.1, 3) у двигателя. Роторы компрессора и двигателя разделяет промежуточная стенка 5 (фиг.1, 5) наружного ротора, имеющая каналы к лопаткам разной закрутки (центростремительного и центробежного компрессора) на диске внутри промежуточной стенки. Второй ротор - внутренний, с форсункой 6 (фиг.1) в передней крышке и жаровой трубой 7 внутри цилиндра внутреннего ротора, выполняющего роль корпуса камеры сгорания. Жаровая труба опирается консолью 8 внутренней оболочки на переднюю крышку внутреннего ротора компрессора и консолью 9 на заднюю крышку внутреннего ротора двигателя. На цилиндре внутреннего ротора компрессора имеются направленные наружу лопасти с золотниками с шариками 10 (фиг.1, 2) и радиальными каналами, выходящими в полость камеры сгорания с жаровой трубой 7, и каналы, выходящие в рабочие камеры 11 и 12. В направленных наружу лопастях двигателя имеются золотники с шариками 13 (фиг.1, 3) и радиальные каналы, соединенные с камерой сгорания, и каналы, выходящие в рабочие камеры 14 и 15 (фиг.3). Внутренний и наружный роторы имеют роликовые муфты 16 и 17 (фиг.1) с неподвижной наружной обоймой и муфты 18 и 19 с наружной обоймой на выходном валу. Выходной вал роторного двигателя имеет пальцы 20, на которых расположены сателлиты 21, зацепленные с неподвижной шестерней 22 и шестерней 23 вала лопаточного компрессора, которые образуют мультипликатор. Внутри вала с шестерней 23 расположена труба подвода топлива к двухкомпонентной форсунке 6. На подшипниках вала внутреннего ротора двигателя расположена турбина первой ступени с лопатками 24, соединенными с наружным диском 25, с которым соединены лопатки 26 турбины третьей ступени. Диск и вал турбины третей ступени опираются на подшипники вала 27 турбины второй ступени и подшипники 28 неподвижной опоры. На наружном диске 25 расположены лопатки 29 вентилятора в канале кольца 30.
Новым элементом является то, что турбороторный двигатель имеет жидкостное охлаждение с использованием нагретой в пароперегревателе жидкости в паровом двигателе, расположенном между роторным компрессором и роторным двигателем. Двигатель имеет трубу 31, подведенную к каналам 32 валов обоих роторов компрессора, переходящим в каналы передних крышек, каналы (гофры) 33 и 34 цилиндров, каналы промежуточных стенок, каналы задних крышек и соединенным с полостью 35 в задней крышке внутреннего ротора двигателя. В полость 35 входит полая консоль 9 внутренней оболочки жаровой трубы 7. Внутренняя оболочка жаровой трубы имеет передние и задние полые лопатки 36, соединенные с полостью 37 жаровой трубы с двойными стенками. Полые лопатки 38 соединяют полость 37 жаровой трубы с входным коллектором 39 парового роторного двигателя. Паровой двигатель в лопастях внутреннего ротора имеет шариковые золотники 40, соединенные с входным коллектором 39 (фиг.1, 4), а в лопастях наружного ротора - дифференциальные клапаны 41 и выхлопные окна 42. Между лопастями роторов расположены рабочие камеры 43 и 44 (фиг.4). Выхлопные окна 42 выходят в выпускной коллектор 45 (фиг.1). Выпускной коллектор соединен каналами 46 с полыми лопатками и полостью кольца 30 вентилятора. Вторая труба 47 соединена с коллектором 48 над выхлопными окнами (газового) двигателя, соединенного каналами 49 в лопатках перед сопловым аппаратом с полостью в корпусе 50 соплового аппарата и полостью 35 в задней крышке внутреннего ротора двигателя. На обтекателе за турбинами имеются труба 51, соединенная с внутренней полостью вала 27 турбины второй ступени и четвертой ступени с лопатками вентилятора 52 на бандажных полках турбины и полостью вала роторного двигателя, и труба 53, соединенная с трубой 31 и трубой 47 коллектора над выхлопными окнами роторного двигателя.
Работает турбороторный двигатель следующим образом.
При подаче двухкомпонентного топлива через трубы в валу лопаточного компрессора к форсунке 6 струи топлива проходят в жаровую трубу 7 камеры сгорания и воспламеняются. Давление в камере сгорания повышается и через радиальные каналы в цилиндре и лопастях внутреннего ротора газ поступает, например, (фиг.1, 2) в рабочие камеры 12 компрессора и камеры 14 (фиг.1, 3) двигателя, шарики 10 компрессора и шарики 13 двигателя смещаются против часовой стрелки. Одновременно давление газа закрывает пластины дифференциальных клапанов 3 компрессора в камерах 12 и дифференциальные клапаны 4 в камерах 14 двигателя. Роликовые муфты 16 и 17, взаимодействующие с неподвижными наружными обоймами, установлены таким образом, что оба ротора могут вращаться только в одну сторону (например, по часовой стрелке).
Под действием давления газа на лопасти в камерах 12 и 14 наружный ротор начнет поворачиваться по часовой стрелке, сжимая воздух в камерах 11 компрессора, поступивший через впускные окна 1, и выталкивая воздух из камер 15 двигателя через выпускные окна 2. Когда дифференциальные клапаны 4 двигателя сместят шарики 13 по часовой стрелке, давление газа из камеры сгорания будет поступать в камеры 15 двигателя, а сжатый воздух в камерах 11 - в камеру сгорания, объем камер 12 будет увеличиваться, и под действием разрежения в камеры 12 через клапаны 3 в этих камерах будет поступать воздух через впускные окна 1. Наружный ротор начнет затормаживаться, а внутренний - поворачиваться по часовой стрелке, сжимая воздух в камерах 12 компрессора, который будет поступать в камеру сгорания и выталкивать газ из камер 14 двигателя.
Далее циклы повторяются, и роторы будут поочередно вращаться с ускорением или затормаживаться, передавая крутящий момент через роликовые муфты 18 или 19 выходному валу (фиг.1) роторного двигателя.
Установленные на выходном валу оси сателлитов 21 заставят их обкатываться по неподвижной шестерне 22 и вращать шестерню 23 на валу лопаточного (диагонального и осевого) компрессора, увеличивая его частоту вращения до рабочих частот.
Давление воздуха за лопаточным компрессором будет повышаться, соответственно повышается давление воздуха в роторном компрессоре, камере сгорания и в роторном двигателе, повышается и давление выхлопа. Выхлопные газы, выходящие из окон 2 (фиг.1), поступают через сопловой аппарат на лопатки 24 турбины первой ступени, затем на лопатки турбины второй ступени и на лопатки 26 турбины третьей ступени. Закрутка лопаток турбин первой и третьей ступеней направлена в одну сторону, а закрутка лопаток турбины второй ступени - в противоположную, соответственно и турбины вращаются в разные стороны, что не требует постановки спрямляющих аппаратов и облегчает двигатель (аналог - ростатическая турбина).
Между задней частью корпуса и наружным вращающимся диском 25 имеется небольшой зазор (не обозначен), обеспечивающий эжекцию наружного воздуха газами, выходящими из соплового аппарата.
Одновременно с запуском двигателя в трубу 51 подается жидкость, которая охлаждает вал 27 турбины второй ступени и вал роторного двигателя, нагревается от крышки внутреннего ротора двигателя, закрывающей внутреннюю полость 35, и по трубе 53 подается в трубы 31 и 47. Из трубы 31 по каналам 32 в валах и передних крышках и каналам (гофрам) 33 и 34 в цилиндрах обоих роторов, каналам в промежуточных стенках 5 и в задних крышках роторов жидкость поступает в полость 35 в крышке внутреннего ротора двигателя. Одновременно из трубы 47 жидкость поступает в коллектор 48 над выхлопными окнами роторного двигателя и через каналы 49 в лопатках перед сопловым аппаратом и корпус 50 соплового аппарата поступает в полость 35 внутреннего ротора двигателя.
Из полости 35 через консоли 8 и 9 внутренней оболочки жаровой трубы 7, через переднюю и заднюю лопатки 36 нагретая жидкость с паром поступает в полость 37 жаровой трубы 7, которая через полые лопатки 38 соединена с входным коллектором 39, куда выходят впускные окна в лопастях внутреннего ротора с шариковыми золотниками 40 парового роторного двигателя. Консоли 8 и 9, лопатки 36, полость 37 жаровой трубы, полые лопатки 38 и коллекторы 39 и 48 выполняют роль пароперегревателя. Перегретый пар из коллектора 39 и впускные окна во внутреннем роторе поступает к шариковым золотникам 40 и далее в рабочие камеры 43 или 44, откуда отработавший пар через дифференциальные клапаны 41 и выхлопные окна 42 выходит в коллектор 45. Из коллектора 45 через каналы 46 отработавший пар поступает в полость кольца 30, где охлаждается, и жидкость откачивается насосом и под давлением вновь подается в трубы 31, 47 и 51. В качестве охлаждающего компонента может использоваться горючее, состоящее, например, из 80% спирта и 20% керосина или бензина. В качестве окислителя может использоваться, например, горячий раствор аммиачной селитры. Двигатель может работать и на углеводородном горючем с добавлением окислителя только для запуска. Изображенный на фиг.1 турбороторный двигатель предназначен в основном для летательных аппаратов. Поэтому мощность турбин первой и третьей ступеней через наружный диск 25 передается на лопатки 29 вентилятора, а мощность турбин второй и четвертой ступеней передается вентилятору 52, вращающихся в противоположные стороны и расположенных в канале кольца 30 (что увеличивает тягу вентиляторов). Мощность роторного двигателя отбирается с вала лопаточного компрессора через коробку агрегатов для привода агрегатов и винта.
Степень повышения давления в диагональной и осевой ступени компрессора составляет примерно 2,3-2,6 в роторном компрессоре при политропическом сжатии примерно 10-12 и более, т.е. суммарная степень сжатия составит 23-31 и более. Двигатель двойного действия. Для уменьшения теплоподвода к горячим деталям и увеличения надежности и ресурса введено жидкостное охлаждение с использованием образующегося перегретого пара в паровом роторном двигателе.
На Уфимском моторостроительном производственном объединении (УМПО) был изготовлен и испытан опытный образец пневматического гайковерта Е6374-0190 с роторным двигателем (позже выдан патент №2246040 - аналог предлагаемого двигателя).
Несмотря на некоторые конструктивные недоработки и производственные дефекты при изготовлении, двигатель подтвердил свою работоспособность.