Роторный двигатель

 

Использование: в энергомашиностроении. Сущность изобретения: корпус двигателя выполнен с разъемом между головной и хвостовой частями, лопасти компрессора выполнены трехступенчатыми, ступени лопастей расположены под разными углами наклона к продольной оси компрессора, причем направляющая ступень лопасти, размещенная на входе, расположена под углом 40 - 50^o, средняя компрессионная ступень - под углом 70 - 80^oC, при этом поверхность компрессора разделена на несколько одинаковых секторов с возможностью постепенного увеличения длины направляющей ступени каждой лопасти в пределах каждого из секторов и с образованием воздухозаборной полости, компрессионная ступень каждой лопасти выполнена с постепенным увеличением толщины в сторону сбрасывающей ступени, толщина последней выполнена постоянной, а ее боковые плоскости расположены с образованием с боковыми плоскостями соседних лопастей межлопастных щелевых каналов, ротор турбины выполнен трехступенчатым, причем первая ступень имеет цилиндрическую поверхность, далее переходящую во вторую ступень, а на внутренней цилиндрической поверхности хвостовой части корпуса выполнены полости, оси которых расположены под углом 60^oC к плоскости, проходящей через ось вращения и точку пересечения оси полости с внутренней поверхностью хвостовой части корпуса. 7 ил.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям.

Известен осевой компрессор, содержащий цилиндрический корпус и размещенный в нем ротор с рабочими колесами, снабженными фрикционным или зубчатым приводом встречного вращения колес. Лопатки каждого колеса выполнены щелевидными.

Недостаток данного компрессора сложность конструкции и низкое давление, создаваемое при его работе вследствие большого угла наклона лопастей к продольной оси вращения (SU, авт.св. N 216176, кл. F 04 D 29/38, 1971).

Известен также осевой многоступенчатый компрессор, содержащий рабочие колеса и направляющие лопатки, у которых в первых ступенях, в средних и последних ступенях угол наклона выходных кромок направляющих лопаток соответственно равен 90 100^o, 65 70^o и 60 65^o.

Недостатком данного компрессора является его громоздкость и сложность в изготовлении. Такая конструкция способствует возникновению воздушных завихрений в межлопастных каналах, что приводит к снижению напорных характеристик и потере КПД (SU, авт.св. N 953271, кл. F 04 D 19/02, 1982).

В качестве прототипа выбран газотурбинный двигатель, состоящий из корпуса, в котором имеется общий вал с установленными на нем компрессором и турбиной, камера сгорания с установленной концентрично ей обечайкой и система подачи топлива (SU, авт.св. N 1329280, кл. F 02K 3/00, 1985).

Одним из недостатков турбинных двигателей является отбирание от компрессора воздуха для охлаждения лопаток турбины. Работа, затраченная на его сжатие, не используется для получения работы в цикле, т.е. представляет собой потери.

Задача изобретения повышение напорных характеристик компрессора, моторесурса и надежности двигателя при одновременном упрощении конструкции и обслуживания.

Поставленная задача решается за счет того, что в газотурбинном двигателе, содержащем корпус, осевой компрессор и турбину, размещенные на общем валу в головной и хвостовой частях корпуса соответственно, камеры сгорания и систему подачи топлива, корпус выполнен с разъемом между головной и хвостовой частями, лопасти компрессора выполнены трехступенчатыми, ступени лопастей расположены под разными углами наклона к продольной оси компрессора, причем направляющая ступень лопасти, размещенная на входе, расположена под углом 40 50^o, средняя компрессионная ступень под углом не более 10^o, а сбрасывающая ступень под углом 70 80^o, при этом поверхность компрессора разделена на несколько одинаковых секторов с возможностью постепенного увеличения длины направляющей ступени каждой лопасти в пределах каждого из секторов и с образованием воздухозаборой полости, компрессионная ступень каждой лопасти выполнена с постепенным увеличением толщины в сторону сбрасывающей ступени, толщина последней выполнена постоянной, а ее боковые плоскости лопастей межлопастных щелевых каналов, ротор турбины выполнен трехступенчатым, причем первая ступень имеет цилиндрическую поверхность, далее переходящую во вторую ступень, на которой выполнены продольные пазы, имеющие треугольный, с прямым углом, профиль, которые в третьей ступени ротора расположены под углом 15^o к оси вращения, а на внутренней цилиндрической поверхности хвостовой части корпуса выполнены полости, оси которых расположены под углом 60^o к плоскости, проходящей через ось вращения и точку пересечения оси полости с внутренней поверхностью хвостовой части корпуса, причем оси полостей перпендикулярны одной из плоскостей треугольных пазов ротора, в полостях соосно установлены камеры сгорания, а на торцевой поверхности хвостовой части корпуса в зоне разъема выполнены отверстия, сообщающие эти полости в с полостью высокого давления компрессора.

На фиг. 1 показан компрессор, главный вид и сечение А-А; на фиг. 2 - развертка, трехступенчатые лопасти компрессора в пределах одного сектора; на фиг. 3 главный вид роторного двигателя, продольный разрез; на фиг. 4 вид сверху; на фиг. 5 сечение А-А во второй ступени ротора; на фиг. 6 вид по стрелке Б на фиг. 3; на фиг. 7 вид по стрелке В на фиг. 3.

Роторный двигатель имеет разъемный корпус, состоящий из головной части 1, в которой на валу 3 установлен жестко компрессор 2, и хвостовой части корпуса 4, в которой находится рабочий ротор 5, установленный на одном валу с компрессором. Поз. 6 треугольные, с прямым углом, пазы, выполненные на второй ступени поз. 19 рабочего ротора. Поз. 18 первая ступень ротора, 20 - третья ступень ротора. Поз. 7 полости, выполненные в теле ротора, в которых устанавливаются камеры сгорания 8 с форсунками 9 и 10 сквозные отверстия в задней стенке корпуса 4. Поз. 11 отверстия на торцевой разъемной поверхности ротора, соединяющие полости 7 с полостью высокого давления компрессора 12. Поз. 13, 14 и 15 ступени лопасти: направляющая, компрессионная, сбрасывающая. Поз. 16 щелевые каналы, образуемые сбрасывающими частями лопастей. Поз. 17 воздухозаборная полость.

Роторный двигатель работает следующим образом.

Сжатый воздух из полости высокого давления 12 отверстия 11 корпуса рабочего ротора поступает в полости 7 и в камеры сгорания 8, где, смешиваясь с топливом, поступающим через форсунки 9, образующаяся горючая смесь поджигается и горящие газы с силой ударяются о перпендикулярную стенку треугольных пазов 6 и по наклонным пазам следующей, третьей, ступени рабочего ротора устремляются в атмосферу через отверстия 10.

Преимуществом роторного двигателя является простота конструкции и изготовления, вследствие несложной конструкции и газовой турбины увеличивается его надежность. В связи с использованием простой и массивной конструкции турбины увеличивается моторесурс двигателя. Лопатки турбины выполнены массивными, следовательно, увеличивается их долговечность, а материал, из которого их можно выполнить, выдерживает большие механические и тепловые нагрузки. Конструкция турбины предполагает экономию воздуха при охлаждении ее лопаток и единственный шанс при этом использование керамических материалов для ее изготовления. Оригинальность технического решения предлагаемого компрессора позволяет снизить вес, уменьшить габариты, упростить конструкцию и увеличить напорные характеристики.

Формула изобретения

Роторный двигатель, содержащий корпус, осевой компрессор и турбину, размещенные на общем валу в головной и хвостовой частях корпуса соответственно, камеры сгорания и систему подачи топлива, отличающийся тем, что корпус выполнен с разъемом между головной и хвостовой частями, лопасти компрессора выполнены трехступенчатыми, ступени лопастей расположены под разными углами наклона к продольной оси компрессора, причем направляющая ступень лопасти, размещенная на входе, расположена под углом 40 50°, средняя компрессионная ступень под углом не более 10°, а сбрасывающая ступень под углом 70 80°, при этом поверхность компрессора разделена на несколько одинаковых секторов с возможностью постепенного увеличения длины направляющей ступени каждой лопасти в пределах каждого из секторов и с образованием воздухозаборной полости, компрессионная ступень каждой лопасти выполнена с постепенным увеличением толщины в сторону сбрасывающей ступени, толщина последней выполнена постоянной, а ее боковые плоскости расположены с образованием с боковыми плоскостями соседних лопастей межлопастных щелевых каналов, ротор турбины выполнен трехступенчатым, причем первая ступень имеет цилиндрическую поверхность, далее переходящую во вторую ступень, на которой выполнены продольные пазы, имеющие треугольный, с прямым углом, профиль, которые в третьей ступени ротора расположены под углом 15° к оси вращения, а на внутренней цилиндрической поверхности хвостовой части корпуса выполнены полости, оси которых расположены под углом 60° к плоскости, проходящей через ось вращения и точку пересечения оси полости с внутренней поверхностью хвостовой части корпуса, причем оси полостей перпендикулярны одной из плоскостей треугольных пазов ротора, в полостях соосно установлены камеры сгорания, а на торцевой поверхности хвостовой части корпуса в зоне разъема выполнены отверстия, сообщающие эти полости с полостью высокого давления компрессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7