КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМ ОБЪЕМОМ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Полезная модель относится к газотурбинным двигателям (ГТД) и, в частности к камерам сгорания ГТД со сгоранием топлива при постоянном объеме.
Известна камера газотурбинного двигателя с постоянным объемом сгорания топлива, которая содержит корпус и установленную в нем жаровую трубу, выполненную в виде вращающегося золотника, имеющего срез, образующий окно для входа и выхода рабочего тела, входное и выходное канальные устройства, причем ось последнего смещена относительно центра вращения золотника, где в окне установлено сопло, смещенное к краю среза в сторону вращения золотника. Кроме того, в выходном устройстве камеры сгорания может быть образован по крайней мере еще один канал. Полезная модель повышает КПД камеры сгорания.
7
Данное устройство описано в патенте РФ №2196906 С2, МПК F02C 5/02, опубликовано 20.01.2003 г., выбрано в качестве аналога. Основным недостатком описанного выше устройства, является перпендикулярное расположение относительно продольной оси двигателя только одной камеры сгорания, что снижает КПД камеры сгорания и не обеспечивает его максимальное значение, а также тягу газотурбинного двигателя. Конструкция аналога обеспечивает работу газотурбинного двигателя только в импульсном режиме, а также исключает возможность запуска при отсутствии набегающего потока воздуха.
Известна камера сгорания газотурбинного двигателя с постоянным объемом сгорания топлива, которая конструктивно содержит корпус, вращающуюся жаровую трубу, входные и выходные канальные устройства, где вращающаяся жаровая труба состоит по крайней мере из двух замкнутых полостей, направленных вдоль продольной оси газотурбинного двигателя, каждая из которых образована двумя соседними лопатками, ее ступицей и наружной обечайкой, к которым жестко прикреплены концы лопаток, а также двумя входным и промежуточным канальными дисками, где на входном диске установлен запальный узел, который включает в себя по крайней мере две свечи зажигания, два дежурных факельных устройства, выполненных в виде трубок, обеспечивающих воспламенение топливной смеси в последующих набегающих замкнутых полостях, посредством передачи форса пламени из работающих предыдущих полостей, причем за диском камеры сгорания расположена жестко связанная с жаровой трубой газовая реактивная турбина, которая обеспечивает ее вращение, а при запуске камеры сгорания, раскрутка жаровой трубы осуществляется за счет набегающего потока воздуха. За газовой турбиной установлен выходной диск с отверстиями для подачи рабочего тела в расширительную камеру, а также обеспечивающими продувку полостей жаровой трубы через продувочный кожух, отверстия и полость продувочной трубы.
Данная конструкция газотурбинного двигателя обеспечивает работу двигателя в режиме постоянной тяги. Расширительная камера осуществляет сглаживание пульсаций давления продуктов сгорания, чем обеспечивает работу ГТД в режиме постоянной тяги. Кроме того, в процессе осуществления продувки посредством эжектирования, оставшиеся продукты сгорания являются дополнительной присоединенной массой исходящих газов, что в конечном итоге приводит к увеличению КПД и тяги в процессе работы газотурбинного двигателя.
7
Данное устройство описано в патенте на полезную модель РФ №150723 U2, МПК F02C 5/02, опубликовано 20.02.2015, выбрано в качестве прототипа. Основным недостатком описанного выше устройства, является невозможность запуска двигателя при отсутствии набегающего потока воздуха.
Предлагаемая конструкция изохорного газотурбинного двигателя с постоянным объемом сгорания топлива представлена на фиг. 1 - фиг. 6. Она позволяет осуществить запуск двигателя с неподвижного или медленно движущегося в любом направлении объекта, содержит: корпус камеры сгорания 1, вращающуюся жаровую трубу 2, состоящую по крайней мере из двух замкнутых полостей, направленных вдоль продольной оси газотурбинного двигателя, каждая из которых образована двумя соседними лопатками 4, ее ступицей 3 и наружной обечайкой 5, причем жаровая труба 2 жестко связана с газовой реактивной турбиной 17, входное устройство 6 и выходное устройство 7, представляющее собой сверхзвуковое сопло, узел подачи жидкого топлива 8 со штуцером 9, с внутренней полостью 10 и установленными в нем форсунками 11, трубу продувочную 12 с установленными на ней кожухами продувочными 13 и подвижным центральным телом 14, входной диск 15, на котором установлены трубки 27, образующие два дежурных факела, соединяющих две соседние замкнутые полости, а также - пиропусковая шашка 30, две свечи зажигания 26, в совокупности функционально представляющие запальный узел, обеспечивающий воспламенение топливно-воздушной смеси в последующих набегающих замкнутых полостях жаровой трубы 2, промежуточный диск 16, газовую реактивную турбину 17, лопатки которой установлены под углом к продольной оси корпуса камеры сгорания 1, выходной диск 18 установленный за газовой реактивной турбиной 17 с отверстиями, смещенными относительно отверстий входного 15 и промежуточного 16 дисков на угол соответствующий углу установки лопаток газовой реактивной турбины 17. Диски входной 15, промежуточный 16, выходной 18 закреплены неподвижно в корпусе 1. Газовая реактивная турбина 17, вращающаяся жаровая труба 2, компрессор 28 установлены на валу 19 неподвижно друг относительно друга. Вал 19 установлен в переднем и заднем подшипниках 20. Передний подшипник 20 установлен в направляющем аппарате 29, который закреплен неподвижно в корпусе 1, а задний подшипник - в выходном диске 18 неподвижно закрепленном в корпусе 1. Ступица 3, лопатки 4, наружная обечайка 5, газовая реактивная турбина 17 установлены на валу 19. В трубе продувочной 12 имеются по крайней мере два отверстия 21, соединяющие полость 22 с внутренними полостями кожухов продувочных 13. Внутри корпуса камеры сгорания 1 за выходным диском 18 размещена расширительная камера 23. Подвижное центральное тело 14, образующее совместно с выходной частью корпуса камеры сгорания 1 выходное канальное устройство 7, являющееся сверхзвуковым соплом, через которое осуществляется истечение продуктов сгорания из полости расширительной камеры 23. Величина критического сечения сверхзвукового сопла регулируется посредством перемещения центрального тела 14 вдоль продольной оси по резьбе при его вращении. Входной диск 15, промежуточный диск 16 и выходной диск 18 имеют сквозные отверстия 24 и 25 (см. Фиг. 2). При этом отверстия на выходном диске 18 смещены относительно дисков 15 и 16 на угол, соответствующий углу установки лопаток газовой реактивной турбины 17. Отверстия 24 предназначены для продувки полостей жаровой трубы 2, а отверстия 25 - для заполнения их рабочей смесью.
Работа камеры сгорания предлагаемого изохорного газотурбинного двигателя с постоянным объемом сгорания заключается в раскрутке жаровой трубы 2, компрессора 28 с помощью реактивной газовой турбины и циклическом повторении следующих операций:
1. Заполнение полостей жаровой трубы рабочей смесью.
2. Горение рабочей смеси.
3. Истечение продуктов сгорания из жаровой трубы в атмосферу.
4. Продувка полостей жаровой трубы.
При запуске камеры сгорания газотурбинного двигателя с постоянным объемом (см. фиг. 1 и фиг. 2) раскрутка жаровой трубы 2 и компрессора 28 осуществляется в начальный момент посредством срабатывания пиропусковой шашки 30, за счет набегающего потока продуктов сгорания пиропусковой шашки 30, межлопаточное пространство жаровой трубы 2, отверстия промежуточного диска 16, а также между лопатками газовой реактивной турбины 17, через отверстия выходного диска 18, расширительную камеру 23, выходное устройство 7 и далее в окружающую атмосферу.
1. Заполнение полостей жаровой трубы рабочей смесью.
В процессе этапа заполнения (см. фиг. 3) полостей жаровой трубы 2, поток воздуха от компрессора 28 смешивается с распыленным форсунками 11 жидким топливом и поступает через отверстия 25 входного диска 15 в полости жаровой трубы 2. При этом полости жаровой трубы 2 закрыты с противоположной стороны промежуточным диском 16. В процессе дальнейшего вращения жаровой трубы 2, происходит закрытие ее полости входным диском 15. При этом полость жаровой трубы 2 одновременно закрыта дисками 15 и 16.
2. Горение рабочей смеси.
Воспламенение рабочей смеси (см. фиг. 4) осуществляется посредством запального узла, включающего в себя две свечи зажигания 26 и два дежурных факельных устройства 27. Герметичность замкнутых полостей жаровой трубы 2, с целью поддержания процесса горения при постоянном объеме (V=Const), осуществляется за счет малых зазоров между вращающимися лопатками 4 (см. фиг.1), входным диском 15 и промежуточным диском 16, а также сравнительно небольшим временем нахождения полости горения в замкнутом состоянии, зависящим от частоты вращения жаровой трубы 2.
Дальнейшее воспламенение рабочей смеси в набегающей замкнутой полости жаровой трубы 2 осуществляется посредством передачи высокотемпературных продуктов сгорания (форс пламени) из предыдущей замкнутой полости, где произошло горение, в последующую набегающую полость с помощью дежурных факельных устройств 27 (см. фиг. 2).
3. Истечение продуктов сгорания.
В процессе дальнейшего вращения жаровой трубы (см. фиг. 5) полости, где происходило горение, становятся против отверстий промежуточного диска 16, а межлопаточные полости газовой реактивной турбины 17 - против отверстий выходного диска 18. При этом, продукты сгорания из жаровой трубы 2, через отверстия в промежуточном диске 16, межлопаточные полости турбины 17, через отверстия выходного диска 18 истекают в расширительную камеру 23 и далее через сверхзвуковое сопло 7 в окружающую атмосферу, являясь при этом эжектирующим потоком для осуществления последующей операции продувки. При прохождении потока продуктов сгорания через межлопаточные полости газовой реактивной турбины 17, происходит дальнейшее вращение ее и жаровой трубы 2, вала 19, компрессора 28.
4. Продувка полостей жаровой трубы.
В процессе дальнейшего вращения жаровой трубы 2 (см. фиг. 6), полости ее становятся против отверстий во входном диске 15, промежуточном диске 16, а межлопаточные полости газовой реактивной турбины 17 - напротив отверстий в выходном диске 18, соединенных с полостями продувочных кожухов 13. При этом набегающий поток воздуха от компрессора 28, смешиваясь с продуктами сгорания, и под воздействием эжектирующего потока продуктов сгорания истекающего из сопла, проходя через отверстия входного диска 15, полости жаровой трубы 2, отверстия промежуточного диска 16, межлопаточными полостями газовой реактивной турбины 17, отверстия выходного диска 18, внутреннюю полость кожухов продувочных 13, отверстия 21 трубы продувочной 12 в полость 22 и далее в окружающую атмосферу. Данный эжектируемый поток, является присоединенной массой к эжектирующему сверхзвуковому потоку, что приводит к увеличению КПД и тяги двигателя.
В результате предлагаемая конструкция камеры сгорания газотурбинного двигателя с постоянным объемом сгорания (V=Const) по сравнению с прототипом обеспечивает запуск двигателя неподвижного или медленно движущегося объекта в любом направлении.
Предлагаемая конструкция газотурбинного двигателя (ГТД) может быть использована на летательных аппаратах различного назначения.