ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ЭЖЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
PULSE GAS-TURBINE EJECTOR 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, опубл. 04.10.2001, бюл. 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 по первому варианту пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель содержит системы подачи топлива, зажигания, регулирования, охлаждения, контроля и т.п., подключенные к камерам сгорания, выходящим в выхлопные резонансные трубы, соединенные с соплом, двигатель содержит вентилируемый корпус, в котором расположен как минимум один блок из двух камер сгорания, каждая из которых содержит с одной стороны впускные отверстия с возможностью их периодического перекрытия, а с другой стороны выхлопные резонансные трубы, в точках, равноудаленных от каждой камеры сгорания, соединенные между собой посредством направляющего аппарата, в центральной части которого выполнено отверстие, соединенное с выпускным патрубком, с возможностью регулирования его выпускного сечения, выходящим, в свою очередь, в эжекторный насадок, соединенный с одной стороны посредством вентилируемого корпуса с воздухозаборником, а с другой стороны - с соплом реактивного двигателя или газовой турбины.
Кроме того, несколько блоков из двух камер сгорания установлено, например, по окружности, вокруг оси, причем камеры сгорания и выхлопные резонансные трубы установлены параллельно друг другу, со стороны впускных отверстий к камерам сгорания примыкает, например, золотниковый распределитель, выполненный с возможностью вращения, выпускные патрубки содержат эжекторные насадки с соплами, выходящие, например, к осевой газовой турбине с возможностью привода вентилятора и компрессора наддува, устанавливаемых в двигателе после воздухозаборника.
Кроме того, выполненные по окружности вокруг оси блоки из двух камер сгорания установлены, например, на валу с возможностью вращения, со стороны впускных отверстий к камерам сгорания примыкает неподвижный распределитель с системами подачи топлива, зажигания, с окнами для подачи воздуха, выпускные патрубки загнуты в радиальном направлении и выходят, например, в радиальную лопастную турбину со стороны ее внутреннего диаметра таким образом, что образуют с ее межлопастными каналами эжекторные каналы, лопасти турбины загнуты в сторону, противоположную ее вращению, а со стороны внешнего диаметра турбины межлопастные каналы образуют, например, сверхзвуковые сопла, выходящие к отводному направляющему аппарату, примыкающему с зазором к периферийной части турбины и соединенному с дополнительной газовой турбиной или соплом реактивного двигателя.
Кроме того, каждый блок из двух камер сгорания выполнен таким образом, что камеры сгорания расположены на одной оси с двух противоположных сторон, впускные отверстия камер сгорания выполнены с возможностью периодического перекрытия, например, распределителем, а на равном расстоянии от камер сгорания к выхлопным резонансным трубам прикреплен, например, направляющий аппарат, в центральной части которого выполнен один или более выпускной патрубок, выходящий в эжекторный канал с выпускным соплом, образованный, например, межлопастным каналом крыльчатки радиальной турбины.
Кроме того, в блоке из двух камер сгорания камеры сгорания расположены параллельно друг другу, в их впускные отверстия вмонтированы клапаны, например, в виде пустотелого конуса, широкой частью расположенного в камере сгорания с возможностью перекрытия впускного отверстия, а суженной частью прикрепленные к штоку, вмонтированному в направляющий механизм, причем штоки клапанов двух камер сгорания соединены друг с другом кинематически или гидравлически с возможностью качения таким образом, что в момент повышения давления в одной из камер сгорания клапан этой камеры сгорания закрывает впускное отверстие, воздействуя при этом на клапан другой камеры сгорания, который, в свою очередь, открывает впускное отверстие в данной камере в момент понижения в ней давления.
Кроме того, соединенные между собой клапаны двух камер сгорания выполнены с возможностью привода вспомогательных устройств, например насоса высокого давления топливных форсунок, системы зажигания, маховика.
Кроме того, соединенные между собой с возможностью качения клапаны двух камер сгорания управляются принудительно от какого-либо управляющего устройства с приводом, например от маховика или распределительного вала дополнительной газовой турбины.
По второму варианту указанный технический результат достигается тем, что пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель, содержащий камеры сгорания, подключенные к системам подачи топлива, зажигания, охлаждения, управления и т.п., выходящие в резонансные выхлопные трубы, соединенные с соплами, содержит вентилируемый корпус, в котором установлен выполненный с возможностью вращения блок из ряда камер сгорания, закрепленных по окружности вдоль оси вращения и соединенных каждая со своей выхлопной резонансной трубой, загнутой в радиальном направлении, которые образуют по периферии крыльчатку, например, радиальной турбины, лопасти которой загнуты в сторону, противоположную ее вращению, и составляют вместе с боковыми стенками по периферии крыльчатки реактивные сопла, дозвуковые или сверхзвуковые, со стороны сопел к крыльчатке примыкает с зазором как минимум один направляющий аппарат в виде серповидной полости, образующий вначале по ходу вращения крыльчатки отвод, а затем сопло, а между отводом и соплом расположена с зазором к крыльчатке защитная дуга с возможностью перекрытия как минимум одного сопла крыльчатки, такие же защитные дуги выполнены между каждым серповидным направляющим аппаратом также с возможностью перекрытия как минимум одного сопла крыльчатки, в каждом серповидном направляющем аппарате выполнено отверстие, соединенное с выпускным патрубком, выполненным с возможностью регулирования его выходного сечения, который, в свою очередь, выходит в как минимум один эжекторный насадок, соединенный с одной стороны с вентилируемой полостью корпуса со стороны воздухозаборника, а с другой стороны - с соплом реактивного двигателя или дополнительной газовой турбины с возможностью привода вентилятора и компрессора наддува, впускные отверстия камер сгорания выполнены с возможностью периодического перекрытия, например, торцевым распределителем, соединенным с воздухозаборником, в котором вмонтированы, например, топливные форсунки, свечи зажигания и окна подачи воздуха.
Кроме того, выхлопные резонансные трубы, загнутые в радиальном направлении, выходят в межлопастные каналы крыльчатки со стороны ее внутреннего диаметра таким образом, что образуют эжекторные впускные каналы, а выпускные отверстия этих каналов по внешнему диаметру крыльчатки образованы лопастями в виде сопел, например сверхзвуковых, со стороны впуска эжекторных каналов, в районе выхода этих каналов в отвод серповидного направляющего аппарата к крыльчатке примыкает с зазором подводящий воздуховод, а со стороны сопла серповидного направляющего аппарата к впуску эжекторных каналов крыльчатки примыкает с зазором отводящий газопровод, соединенный, в свою очередь, с дополнительной газовой турбиной или соплом реактивного двигателя.
Кроме того, со стороны сопла серповидного направляющего аппарата к впускным отверстиям эжекторных каналов примыкают с зазором отсекатели с возможностью периодического перекрытия впускных отверстий при вращении крыльчатки.
Кроме того, камеры сгорания с резонансными выхлопными трубами выполнены по окружности в радиальном направлении и выходят в межлопастные каналы крыльчатки со стороны ее внутреннего диаметра.
Кроме того, каждая камера сгорания выполнена таким образом, что ее образует участок длинной выхлопной резонансной трубы со стороны впускного отверстия.
Пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель содержит корпус 1 с вентилируемой полостью 2, установленные в нем камеры сгорания 3, соединенные с выхлопной резонансной трубой 4, направляющий аппарат 5 с выпускным отверстием 6 и выпускным патрубком 7, эжекторный насадок 8 с реактивным соплом 9, камеры сгорания 3 содержат впускные отверстия 10, выходящие, например, к торцевому распределителю 11, либо содержат клапаны 12, механизм управления 13 клапанов 12, приводящий, например, также топливный насос 14 форсунок 15, загнутые резонансные выхлопные трубы 4, расположенные в радиальном направлении, образуют крыльчатку 16 с лопастями 17 и боковыми стенками 18, примыкающую по периферии с зазором к серповидному направляющему аппарату 19, образующему отвод 20 по ходу вращения крыльчатки 16, а затем сопло 21, разделенные защитной дугой 22, выпускное отверстие 23, выполненное в стенке каждого серповидного направляющего аппарата 19, соединенное с выпускным патрубком 7, образованные лопастями 17 по периферии крыльчатки 16 реактивные, например сверхзвуковые, сопла 24, а со стороны ее внутреннего диаметра 25 эжекторные каналы 26, выпускной направляющий аппарат 27, свечи зажигания 28, радиальная турбина 29.
На чертежах изображены:
Фиг.1 - пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель в виде блока из двух камер сгорания и выхлопных резонансных труб, расположенных параллельно друг другу, содержащий соединенные между собой кинематически клапаны обеих камер сгорания. Вид сбоку, разрез;
Фиг.2 - пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель, содержащий выполненные с возможностью вращения несколько блоков из двух камер сгорания, расположенных на одной оси, с двух противоположных сторон. Вид сбоку, разрез;
Фиг.3 - пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель тот же, что и на Фиг.2. Вид спереди, разрез;
Фиг.4 - пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель с отводом направляющего аппарата, выполненным в виде эжектора. Вид спереди, разрез;
Фиг.5 - пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель, реактивный с отводом направляющего аппарата, выполненным в виде эжектора. Вид сбоку, разрез;
Фиг.6 - пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель с радиальной крыльчаткой, входные отверстия которой со стороны ее внутреннего диаметра образуют эжекторные каналы. Вид спереди, разрез.
Пульсирующий газотурбинный эжекторный двигатель работает следующим образом.
В варианте неподвижных камер сгорания, Фиг.1, в одну из камер сгорания 3 вспрыскивается топливо, например, посредством форсунок 15, при этом образуется топливно-воздушная смесь, которая поджигается, например, свечей зажигания 28, после чего продукты сгорания расширяются и устремляются в выхлопную резонансную трубу 4, разгоняются в ней и посредством направляющего аппарата 5 поворачиваются, причем часть их посредством выпускного отверстия 6 поступает в выпускной патрубок 7, а часть - в резонансную выхлопную трубу 4 второй камеры сгорания 3, где тормозятся и повышают давление, при этом клапан 12 перекрывает впускное отверстие 10 в этой камере сгорания, после этого давление находящегося в ней воздуха повышается поступающими в нее продуктами сгорания, в камеру сгорания 3 вспрыскивается топливо и воспламеняется от температуры сжатого газа либо от свечи зажигания 28, при этом в момент закрытия клапана 12 в этой камере сгорания 3 в другой, то есть в первой камере сгорания, клапан 12 посредством управляющего механизма 13 и благодаря разрежению открывает впускное отверстие 10, обеспечивая поступление свежей порции воздуха в первую камеру сгорания 3, расширяющиеся во второй камере сгорания 3 продукты сгорания устремляются в ее выхлопную резонансную трубу 4, где разгоняются и поступают посредством направляющего аппарата 5 частично в резонансную выхлопную трубу первой камеры сгорания 3, вызывая повторение цикла, а частично, посредством выпускного отверстия 6, продукты сгорания поступают в выпускной патрубок 7, где их расход может регулироваться регулируемым выпускным сечением (не показано), и далее в эжекторный насадок 8, засасывая из вентилируемой полости 2 корпуса 1 воздух и направляя смешанный увеличенный поток в реактивное сопло 9, заставляя двигаться сам двигатель либо дополнительную газовую турбину.
В случае когда установлен ряд блоков из двух камер сгорания 3, а камеры сгорания 3 и выхлопные резонансные трубы 4 выполнены параллельно друг другу, например по окружности, вокруг оси (не показаны), рабочие процессы в камерах сгорания происходят также, как описано выше, но мощность суммируется, удельная мощность также растет в случае подключения вентилятора и компрессора наддува.
Камеры сгорания могут быть выполнены как неподвижными,так и с возможностью вращения, а эжекторые насадки 8 могут быть выполнены, например, в виде соплового аппарата осевой турбины.
В случае если камеры сгорания 3 расположены на одной оси с двух противоположных сторон, к впускным отверстиям 10 камер сгорания 3 которых примыкают, например, торцевые распределители 11, Фиг.2, 3, например, после воспламенения, продукты сгорания устремляются от одной камеры сгорания 3 в сторону другой, при этом часть продуктов сгорания сжимает воздух, находящийся в этой камере сгорания 3, а часть продуктов сгорания устремляется посредством, например, направляющего аппарата 5 в выпускные отверстия 6, выходящие в выпускные патрубки 7, откуда продукты сгорания поступают в эжекторные каналы 26, образованные выпускными патрубками 7 и лопастями 17, например, радиальной турбины 29, засасывая из вентилируемой полости 2 корпуса вторичный воздух, который смешивается в межлопастных каналах с продуктами сгорания, и далее через реактивные, например сверхзвуковые, сопла, образованные лопастями и стенками турбины 29, заставляя вращаться турбину 29, смешанный поток поступает в выпускной направляющий аппарат 27, затем смешанный поток поступает к дополнительной газовой турбине или к соплам реактивного двигателя.
По второму варианту двигатель работает следующим образом: при вращении крыльчатки 16, например, при помощи электростартера (не показан) в одной из камер сгорания происходит подрыв топливно-воздушной смеси посредством свечи зажигания 30, продукты сгорания устремляются в выхлопные резонансные трубы 4, разгоняются в них и поступают на лопасти 17 крыльчатки 16, где благодаря форме сопел 24, образованных лопастями 17, продукты сгорания приобретают, например, сверхзвуковую скорость и, покидая крыльчатку 16, заставляют ее вращаться, при этом продукты сгорания поступают в отвод 20 серповидного направляющего аппарата 19 и далее частично направляются посредством выпускного отверстия 23 в выпускной патрубок 7, затем в эжекторный насадок 8, где смешиваются со вторичным воздухом из вентилируемой полости 2 корпуса 1 и поступают посредством реактивного сопла 9 в дополнительную газовую турбину (не показана) или в атмосферу. Другая часть продуктов сгорания из отвода 20 поступает в сопло 21 и далее в выхлопную резонансную трубу 4 очередной камеры сгорания 3, сжимая находящийся в ней воздух, после чего в эту камеру сгорания, например, посредством форсунок 15 вспрыскивается топливо, воспламеняется от температуры газов или от свечи зажигания 30, и цикл повторяется.
Отвод 20 серповидного направляющего аппарата может быть выполнен в виде эжектора с эжекторными каналами 26, Фиг.4, 5, обеспечивающего подсос вторичного воздуха с одной или с обеих сторон крыльчатки 16, из вентилируемой полости 2 корпуса 1 смешанный в отводе 20 поток воздуха и продуктов сгорания устремляется по серповидному направляющему аппарату 19 частично в выпускное отверстие 23, далее в выпускной патрубок 7, а затем к дополнительной газовой турбине или к соплам реактивного двигателя, а часть потока поступает в сопло 21 серповидного направляющего аппарата 19 и далее к лопастям 17 крыльчатки 16, где поток поворачивается, заставляя крыльчатку 16 вращаться, а затем поток поступает в резонансную выхлопную трубу 4 очередной камеры сгорания 3, сжимая находящийся в ней воздух, в момент максимального сжатия воздуха в эту камеру сгорания вспрыскивается топливо, которое, смешиваясь с воздухом, загорается от его температуры либо от свечи зажигания 28. Далее цикл повторяется. Впускные отверстия 10 камер сгорания 3 выходят, например, к торцевому распределителю 11, который осуществляет периодическую подачу в камеры сгорания 3 воздуха и топлива, а также периодически перекрывает впускное отверстие 10 очередной камеры сгорания перед началом такта сжатия.
Защитные дуги 21 периодически перекрывают выпускные сопла крыльчатки 16 после завершения и перед началом рабочего такта.
Если, Фиг.6, выхлопные резонансные трубы 4 камер сгорания 3 выходят в межлопастные пространства крыльчатки 16 со стороны ее внутреннего диаметра 25 таким образом, что образуют эжекторные каналы 26, то межлопастные каналы крыльчатки 16 работают как эжектор, засасывая воздух из примыкающего с зазором с одной или с двух боковых сторон к крыльчатке 16 воздуховода со стороны отвода 20 серповидного направляющего аппарата 19 и выбрасывая через, например, сверхзвуковые сопла, образованные лопастями 17 крыльчатки 16, струю вторичного воздуха и продуктов сгорания с увеличенной тягой в примыкающий с зазором отвод 20 серповидного направляющего аппарата 19, заставляя вращаться крыльчатку 16, а из отвода 20 смешанный поток поступает частично к отверстию 23 и далее посредством выпускного патрубка 7 к дополнительной газовой турбине или к соплу реактивного двигателя, при этом часть смешанного потока, минуя отверстие 23, поступает к соплу 21, где поток снова разгоняется и поступает на лопасти 17 крыльчатки 16, отдает часть энергии, заставляя вращаться крыльчатку 16, затем со стороны внутреннего диаметра 25 крыльчатки 16 часть потока устремляется из эжекторных каналов 26 к примыкающему с зазором с одной или с двух боковых сторон к крыльчатке 16 газоотводу (не показан), соединенному с дополнительной газовой турбиной или соплом реактивного двигателя, а часть потока устремляется в выхлопную резонансную трубу 4, сжимая находящийся в ней воздух в такте сжатия.
Применение данного изобретения позволит создавать эффективные автомобильные и авиационные двигатели с высоким КПД, надежные и компактные, с высокой удельной мощностью.