ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
PROPFAN GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, к винтовентиляторным авиационным газотурбинным двигателям с задним расположением двухрядного открытого (некапотированного) винтовентилятора, к газотурбинным двигателям сверхвысокой степени двухконтурности.
Известен авиационный турбовинтовентиляторный двигатель НК-93 с двухрядным закопотированным биротативным винтовентилятором, расположенным на входе в двигатель, приводящимся во вращение через планетарно-дифференциальный редуктор (А.А. Иноземцев и др. «Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок» М.: Машиностроение, 2011, книга 1, С. 119).
Недостатком известной конструкции является сложная кинематическая схема (трехвальный двигатель с двухвальным газогенератором), а так же невозможность использования двигателя с винтовентилятором (винтом), расположенным на входе в двигатель, из-за особенностей объектов, на которых эти двигатели могут быть использованы.
Известен турбореактивный двигатель сверхвысокой степени двухконтурности с задним расположением винтовентилятора без использования редуктора. Двухрядный винтовентилятор приводится биротативной турбиной низкого давления, имеющей два вращающихся в противоположенные стороны ротора (А.А. Иноземцев и др. «Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок» М.: Машиностроение, 2011, стр. 120).
Недостатком известной конструкции является невозможность создания винтовентилятора, расположенного в задней части двигателя, из-за необходимости проектирования биротативной турбины низкого давления при высокой частоте вращения и температуре газов на малоразмерном двигателе. Проектирование биротативной турбины низкого давления при низкой частоте вращения и температуре газов не обеспечивает газодинамические параметры турбины, а также прочность винтовентилятора.
Из существующего уровня техники известны винтовентиляторные газотурбинные двигатели с системами вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов, в которых эти воздушные винты приводятся в движение при помощи устройства механической передачи, обычно выполненного в виде дифференциального редуктора.
Известен винтовентиляторный газотурбинный двигатель, содержащий газогенератор с вентилятором и турбиной низкого давления, за которой расположен силовой корпус, в котором расположен редуктор, механически связанный с винтовентилятором с противовращающимися лопостями, и реактивное сопло (описание изобретения к патенту RU 2509903, МПК F02C 3/067, F02K 3/072, опубл. 20.03.2014).
Недостатками известного решения являются:
- сложность конструкции и повышенный вес из-за наличия свободной силовой турбины;
- пониженный ресурс редуктора, т.к. вся мощность на привод винтов и создание тяги идет через него;
- пониженная прочность ступиц и хвостовиков лопастей винтовентилятора из-за отсутствия мероприятий по их охлаждению;
- невозможность использования малоразмерного двигателя из-за сложности конструкции и повышенного веса из-за наличия свободной силовой турбины.
Все это снижает надежность двигателя, его ресурс и усложняет его конструкцию.
Наиболее близким к предлагаемому решению является винтовентиляторный газотурбинный двигатель, содержащий газогенератор с вентилятором и турбиной низкого давления, за которой расположены силовая газовая турбина, силовой корпус, в котором расположен смеситель газа и воздуха, установленный на входе в газовоздушный канал винтовентилятора и редуктор, механически связанный с винтовентилятором с противовращающимися лопастями и реактивное сопло (описание изобретения к патенту RU №2422662, МПК F02K 3/04, опубл. 27.06.2011).
Недостатками известного решения, принятого за прототип, являются:
- сложность конструкции и повышенный вес из-за наличия свободной силовой турбины;
- пониженный ресурс редуктора, т.к. вся мощность на привод лопастей винтовентилятора и создание тяги идет через него;
- возможные проблемы по обеспечению теплового состояния деталей (ступиц и хвостовиков) лопастей винтовентилятора на режиме «реверс»;
- невозможность создания малоразмерного двигателя из-за сложности конструкции и повышенного веса из-за наличия свободной силовой турбины.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в создании винтовентиляторного двигателя, в котором отсутствует свободная силовая турбина и обеспечивается гарантированное уменьшение температуры деталей (ступиц и хвостовиков) лопастей винтовентилятора на всех режимах работы двигателя.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение надежности и ресурса винтовентиляторного газотурбинного двигателя за счет отбора мощности на редуктор винтовентилятора непосредственно от турбины низкого давления двигателя путем изменения соотношения тяги, получаемой винтовентилятором и реактивным соплом, и гарантированного уменьшения температуры деталей винтовентилятора на всех режимах работы двигателя путем использования двухконтурного газотурбинного двигателя.
Кроме того предлагаемая конструкция повышает экономичность двигателя.
Повышение надежности обеспечивается за счет отбора мощности на редуктор непосредственно 6 т турбины низкого давления двигателя, т.е. отсутствует свободная силовая турбина.
Повышение ресурса двигателя обеспечивается за счет гарантированного охлаждения деталей (хвостовиков и ступичной части) лопастей винтовентилятора воздухом наружного контура на всех режимах работы двигателя и повышения ресурса редуктора за счет того, что тяга двигателя образуется составными частями: лопостями винтовентилятора и реактивным соплом, например, в соотношении (75÷80)% на лопасти и (25÷20)% на сопло.
При этом постоянное охлаждение воздухом наружного контура деталей винтовентилятора на всех режимах работы двигателя позволяет применить композиционные материалы для лопастей, что также способствует снижению веса конструкции.
Повышение экономичности обеспечивается за счет использования винтовентилятора сверхвысокой степени двухконтурности.
Технический результат достигается тем, что винтовентиляторный газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор, газогенератор и турбину низкого давления, за которой расположен силовой корпус, в котором установлены редуктор, механически связанный с винтовентилятором с противовращающимися лопостями, и смеситель газа и воздуха, расположенный на входе в газовоздушный канал винтовентилятора, реактивное сопло, в отличие от известного, двигатель, выполнен двухконтурным, при этом кольцевой канал второго контура от вентилятора через смеситель газа и воздуха сообщен с газовоздушным каналом винтовентилятора, а редуктор механически связан с турбиной низкого давления.
Степень двухконтурности двигателя может составлять 0,2÷0,3.
Изобретение поясняется фиг, на которой изображен продольный разрез предлагаемого винтовентиляторного газотурбинного двигателя.
Винтовентиляторный газотурбинный двигатель содержит двухконтурный газотурбинный двигатель 1, винтовентилятор 2 с противовращающимися передними и задними лопастями 3 и реактивное сопло 4.
Двухконтурный газотурбинный двигатель 1 содержит вентилятор 5, газогенератор 6 и турбину низкого давления 7, за которой расположен силовой корпус 8, в котором установлены планетарный редуктор 9 и смеситель 10 газа и воздуха.
Канал внутреннего контура 11 высокого давления двигателя 1 проходит от вентилятора 5 через газогенератор 6. Второй кольцевой канал наружного контура 12 низкого давления проходит от вентилятора 5 через смеситель 10 газа и воздуха и на своем выходе сообщен с газовоздушным каналом 13 винтовентилятора 2, расположенным под ступичной частью лопастей винтовентилятора 2. Газовоздушный канал 13 завершается реактивным соплом 4. Проектирование вентилятора выполнено из условия обеспечения степени двухконтурности 0,2÷0,3.
Редуктор 9 через хвостовики 14 лопастей 3 винтовентилятора 2 механически связан с винтовентилятором, а через турбину низкого давления 7 - с вентилятором 5.
Двигатель работает следующим образом.
Энергия, вырабатываемая при горении топлива в камере сгорания газогенератора 6, передается турбине высокого давления, которая распределяется на привод компрессора газогенератора, а оставшаяся энергия идет ниже по потоку на привод турбины низкого давления 7 и на реактивное сопло 4. Привод винтовентилятора 2 осуществляется от турбины низкого давления 7 через планетарный редуктор 9, расположенный внутри силового корпуса 8, на выходе газов из турбины низкого давления 7. Турбина низкого давления 7 обеспечивает привод вентилятора 5 и винтовентилятора 2. Тяга двигателя создается составными частями: винтовентилятором 2 и реактивным соплом 4, например, в соотношении 75% на винты и 25% на сопло. Вентилятор 5 работает на два контура со степенью двухконтурности 0,2-0,3. Внутренний контур обеспечивает сжатым воздухом газогенератор 6. При этом постоянное охлаждение воздухом наружного контура через канал 12, смеситель газа и воздуха 10 хвостовиков 14 винтовентилятора 2 на всех режимах работы двигателя повышает его ресурс и позволяет применить для лопастей винтовентилятора композиционные материалы, что дополнительно способствует снижению веса двигателя.