Газотурбинный двигатель (варианты)
Газотурбинный двигатель содержит камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, каналы перепуска, выполненные в корпусе, с отверстиями входными и выходными, выполненными в виде сопла, с расположенными в них топливоподающими устройствами, лопаточное колесо с венцами. На торцах венцов лопаточного колеса закреплены плоские бандажные кольца. К внутреннему контуру лопаточных венцов примыкают выполненные в корпусе входные секторные отверстия, частично совмещенные с выходными секторными окнами, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов. По ходу вращения лопаточного колеса выполнены в корпусе примыкающие к внутреннему контуру его лопаточных венцов отверстия каналов перепуска, выходные, входные и выходные секторные отверстия. Согласно варианту выполнения газотурбинного двигателя отверстия каналов перепуска примыкают к наружному контуру лопаточных венцов, при этом входные отверстия каналов перепуска совмещены с выходными секторными отверстиями, а выходные отверстия каналов перепуска расположены между входными отверстиями этих каналов перепуска и выходными секторными окнами. Изобретение направлено на повышение удельной мощности, надежности работы, уменьшение массы, габаритов газотурбинного двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к турбостроению, в частности к газотурбинным двигателям.
Известен газотурбинный двигатель (см. патент SU 1764374 А1, МПК F02С 5/00 - аналог), содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, последовательно соединенными друг с другом по ходу рабочего тела секторными проходами размещенными в корпусе. За секторными проходами расположены выполненные в корпусе выходные, входные отверстия каналов перепуска и выходные секторные окна, примыкающие к наружному контуру турбинного венца лопаточного колеса, совмещенные с входными секторными отверстиями, примыкающими к его внутреннему контуру. При этом выходные отверстия каналов перепуска выполнены в виде сопла с установленными в них топливоподающими устройствами, компрессорные и турбинные лопатки размещены на периферии лопаточного колеса с плоскими бандажными кольцами, закрепленными на концах его лопаток.
Недостатком этого газотурбинного двигателя является низкая удельная мощность, связанная с тем, что камеры сгорания слабо заполняются топливовоздушной смесью из-за слабого использования кинетической энергии воздуха, нагнетаемого лопатками компрессорного венца, и подачи воздуха в каналы между лопатками турбинного венца от периферии к центру против действия центробежных сил.
Эти недостатки устраняются другим изобретением (см. патент RU 2282734 С2, МПК F02С 5/04 - прототип), газотурбинным двигателем, содержащим камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, лопаточное колесо с компрессорным и турбинным венцами, на концах лопаток которых закреплены плоские бандажные кольца. По ходу вращения лопаточного колеса расположены в корпусе секторные проходы, каналы перепуска с отверстиями, примыкающими к наружному контуру турбинного венца лопаточного колеса, из которых выходные отверстия выполнены в виде сопла с установленными в них топливоподающими устройствами, а за входными отверстиями расположены выходные секторные окна, совмещенные с входными секторными отверстиями, примыкающими к внутреннему контуру венца лопаточного колеса. В корпусе выполнены улитки, примыкающие к наружному контуру компрессорного венца лопаток, а к внутреннему контуру венца турбинных лопаток примыкают выходные отверстия, связанные с улитками, секторными проходами и каналами, выполненными в корпусе, выходные отверстия каналов выполнены в виде сопла, в которых расположены топливоподающие устройства.
Недостатками этого газотурбинного двигателя являются сложность конструкции, включающей компрессор и турбину, большие гидравлические потери в каналах подачи воздуха от входа в компрессор до входа в турбину и низкая удельная мощность.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, снижение гидравлических потерь и повышение удельной мощности газотурбинного двигателя.
Поставленная задача достигается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, каналы перепуска, выполненные в корпусе с отверстиями, входными и выходными, выполненными в виде сопла, с расположенными в них топливоподающими устройствами, лопаточное колесо с венцами, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца, к внутреннему контуру лопаточных венцов примыкают выполненные в корпусе входные секторные отверстия, частично совмещенные с выходными секторными окнами, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов. По ходу вращения лопаточного колеса выполнены в корпусе примыкающие к внутреннему контуру его лопаточных венцов отверстия каналов перепуска выходные, входные и выходные секторные отверстия.
Поставленная задача достигается и тем, что:
к наружному контуру лопаточных венцов примыкают отверстия каналов входные, совмещенные с входными отверстиями каналов перепуска, и выходные, выполненные в виде сопла, совмещенные с выходными секторными отверстиями;
отверстия каналов перепуска примыкают к наружному контуру лопаточных венцов, при этом входные отверстия каналов перепуска совмещены с выходными секторными отверстиями, а выходные отверстия каналов перепуска расположены между входными отверстиями этих каналов и выходными секторными окнами;
цилиндрическая часть корпуса выполнена в виде обода, связанного со ступицей стойками;
выходы секторных отверстий и секторных окон связаны смесителем, выполненным в виде эжектора с выходом в виде сопла;
смеситель снабжен топливоподающим устройством.
Конструкции двигателей разных вариантов упрощаются тем, что в них процессы рабочих циклов проходят на базе одних лопаточных венцов, которые работают и как компрессор, и как турбина, сокращаются переходы и изменения направления движения воздуха, что ведет к уменьшению гидравлических потерь. Интенсивное смешивание воздуха, топлива, газа с высокой температурой, горение топлива в замкнутом объеме повышают давление и температуру газа в камерах сгорания.
Смеситель обеспечивает более полное сгорание топлива, а с использованием топливоподающего устройства, выполненного в нем, расширяет технические возможности двигателя. Выполнение цилиндрической части корпуса в виде обода повышает его охлаждение и снижает расход материала на изготовление. В целом уменьшаются габариты, масса, повышаются компактность, надежность и удельная мощность двигателя.
На фиг.1 схематично изображен газотурбинный двигатель в разрезе А-А, на фиг.2 условно показан график изменения давления в каналах между лопатками венцов лопаточного колеса в зависимости от угла его поворота. Ниже графика показаны отверстия с цифровыми обозначениями, которые примыкают к внутреннему контуру лопаточных венцов.
На фиг.3, 4, 5, 6 выполнены разрезы Б-Б четырех его вариантов. Конструкции всех вариантов симметричны относительно оси, проведенной через середину двигателя. Направление вращения лопаточного колеса и движения рабочего тела указаны стрелками. Конструкции и работа вариантов фиг.4, 5, 6 описываются только тех их частей, которые отличаются от конструкции фиг.3, в связи с полным совпадением их общих частей. На фиг.7 схематично показан смеситель, который может быть установлен на выходах газа и воздуха конструкций всех вариантов.
Газотурбинный двигатель фиг.1, 3 содержит корпус 1 цилиндрической формы, выполненный в виде двух одинаковых крышек, включающих части торцевые, цилиндрические и ступицы 2. Внутри корпуса 1 на валу 3, подшипниках 4 установлено лопаточное колесо 5 с лопатками 6, образующими лопаточные венцы, внутренние контуры которых примыкают к ступицам 2. На торцах венцов лопаточного колеса 5 по концам лопаток 6 закреплены плоские бандажные кольца 7, которые с лопаточным колесом 5, его диском и лопатками 6 образуют сужающиеся от периферии к центру каналы 8. В ступицах 2 последовательно по ходу вращения лопаточного колеса 5 выполнены выходные отверстия 9 каналов перепуска 10, его входные отверстия 11, выходные секторные отверстия 12 и входные секторные отверстия 13. Последние частично совмещены с выходными секторными окнами 14, выполненными в цилиндрической части корпуса 1, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов. Выходные отверстия 9 выполнены в виде сопла и направлены в сторону вращения лопаточного колеса 5, в них установлены топливоподающие устройства 15. Топливозажигающие устройства 16 установлены в цилиндрической части корпуса 1 перед входными отверстиями 11 по ходу вращения лопаточного колеса 5.
Цилиндрическая часть каждой крышки может быть выполнена в виде обода, а торцевая - в виде стоек, спиц, соединяющих обод со ступицей (не показано). Это становится возможным в связи с тем, что по концам лопаток 6 закреплены плоские бандажные кольца.
Цифровые обозначения деталей фиг. 4, 5, 6 повторяются, поэтому сокращены. На новых деталях указаны новые обозначения, а на имеющихся деталях, но расположенных в других местах конструкции, указаны их прежние обозначения.
На фиг.4 отверстия каналов 17 примыкают к наружному контуру венцов лопаточного колеса 5, из них входные 18 совмещаются с входными отверстиями 11, а выходные 19 выполнены в виде сопла и совмещаются с выходными секторными отверстиями 12 со сдвигом относительно их начала по ходу вращения лопаточного колеса 5.
На фиг.5 входные отверстия 18 каналов 17 в отличие от входных отверстий 18 каналов 17 на фиг.4 повернуты против вращения лопаточного колеса 5 и снабжены направляющими лопатками 20, на фиг.4 во входных отверстиях 18 каналов 17 направляющие лопатки 20 не показаны.
На фиг.6 отверстия каналов перепуска 10 выполнены примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов, из них входные 11 совмещаются с выходными секторными отверстиями 12, а выходные 9 расположены между этими входными отверстиями 11 и выходными секторными окнами 14. Выходные отверстия 9 выполнены в виде сопла, в них установлены топливоподающие устройства 15.
На фиг.7 выполнен смеситель 21 в виде эжектора, соединяющий выходы выходных секторных окон 14 трубой 22 с выходами выходных секторных отверстий 12 трубой 23. Соединения труб 22, 23 с выходами выходных секторных окон 14 и выходных секторных отверстий 12 могут быть разными в зависимости от назначения или с одной половиной, или с обеими половинами двигателя. На конце смесителя может быть выполнено сопло 24, а в начале его - топливоподающее устройство 25 на трубе 23 в виде эжектора.
Газотурбинный двигатель работает следующим образом.
Раскручивается вал 3 с лопаточным колесом 5 на подшипниках 4 в корпусе 1 по указанной стрелке фиг.1, 2, 3. Воздух через входные секторные отверстия 13 поступает в каналы 8 между лопатками 6 лопаточного колеса 5, а вытесняется из них через выходные секторные окна 14 под действием центробежных сил, участок вг фиг.3, на графике линия в-г фиг.2. При закрытии выходных секторных окон 14 в связи с их частичным совмещением входные секторные отверстия 13 остаются еще открытыми, участок гд, поэтому воздух нагнетается в закрытые каналы 8, где давление его в них повышается, линия г-д. На участках де, линия д-е, давление постоянное. В точках е открываются выходные отверстия 9, внутри них через топливоподающие устройства 15 в каналы 8, заполненные воздухом, в пусковом режиме принудительно нагнетается топливо, которое смешивается с воздухом, образуя топливовоздушную смесь. Перед точками н каналы 8 совмещаются с топливозажигающими устройствами 16, топливовоздушная смесь зажигается, и начинается горение с повышением давления газа. На участках нр открываются входные отверстия 11, и газ через них, каналы перепуска 10, выходные отверстия 9 поступает в следующие каналы 8, заполненные воздухом, линия е-к. Начинаются действия: поступление топлива за счет эжекции струи газа в сопле выходных отверстий 9, смешивание его с воздухом, сжатие образовавшейся топливовоздушной смеси и ее зажигание. Пусковой режим заканчивается, отключаются устройства топливозажигающие 16 и топливоподающие с принудительной подачей, последние не показаны. Начинается рабочий режим с зажиганием топливовоздушной смеси газом и подачей топлива эжекцией. Горение в каналах 8 топливовоздушной смеси, линия к-н, осуществляется по изохорному процессу при отсутствии потерь давления между лопатками 6 и корпусом 1 в зазорах или квазиизохорному процессу при потерях давления в зазорах. На участках нр часть газа с высоким давлением, линия н-р, уходит на поджатие топливовоздушной смеси и ее зажигание через входные отверстия 11, каналы перепуска 10 и сопла выходных отверстий 9. На участках са, линия с-а, по мере совпадения каналов 8 с выходными секторными отверстиями 12 давление газа в них снижается до самого низкого значения. Оставшийся газ в этих каналах 8 при совмещении их с входными секторными отверстиями 13 за участками ав вытесняется центробежной силой через выходные секторные окна 14, линия а-в. За газом в эти каналы 8 следует воздух через входные секторные отверстия 13, который их продувает и охлаждает, участок вг, линия в-г. После совмещения с выходными секторными окнами 14 каналы 8 продолжают еще совмещаться с входными секторными отверстиями 13, поэтому в них вновь создается давление воздуха, участок гд, линия г-д. Цикл повторяется, вновь происходит смешивание воздуха с топливом, сжатие, зажигание топливовоздушной смеси газом, поступающим через сопла выходных отверстий 9. От расширения газа высокого давления в процессе прохождения цикла на валу 3 лопаточного колеса 5 в трех его местах создается крутящий момент, то есть лопатки 6 работают по типу турбины. На участках ек при заполнении каналов 8 сила потока газа давит на лопатки 6 при выходе из сопла выходного отверстия 9. На участках нр и са газ движется от периферии к центру, из зон высоких в зоны низких окружных скоростей соответственно через входные отверстия 11 и выходные секторные отверстия 12. На участках рс, ав, де каналы 8 постепенно закрываются, затем открываются и остаются определенное время открытыми на участках са и вгд. На участках кн происходит горение топлива, каналы 8 закрываются, остаются определенное время закрытыми, после чего открываются. На участках вгд лопатки 6 работают но типу компрессора, происходит продувка каналов 8, их заполнение воздухом и охлаждение лопаток 6.
На фиг.4 газ в каналах 8, совмещенных с входными отверстиями 11 и с отверстиями 18, расширяется в двух возможных направлениях в зоны низкого давления. Часть газа, которая движется от периферии к центру через отверстия 11 и дальше по каналам перепуска 10, образует крутящий момент на валу 3 так же, как и на фиг.3. Другая часть газа проходит через входные отверстия 18, каналы 17, сопла выходных отверстий 19, каналы 8, создает давление на лопатки 6 и выходит через секторные отверстия 12. Прохождение газа через сопла выходных отверстий 19 в каналы 8 с предварительно выпущенным газом за счет смещения выходных отверстий 19 относительно начала выходных секторных отверстий 12 повышает скорость движения газа по каналам 8 и, следовательно, крутящий момент на валу 3.
На фиг.5 газ, проходя выходное отверстие 18, в отличие от фиг.4 вначале движется в сторону, обратную направлению вращения лопаточного колеса 5. Реакция силы движения такого потока газа приложена к лопаткам 6 и действует по ходу вращения лопаточного колеса 5, создавая крутящий момент. Увеличение поперечного сечения канала в области выходного отверстия 18 повышает давление газа в этой области и уменьшает гидравлические потери. После поворота канала 17 с лопатками 20 давление газа преобразовывается в его кинетическую энергию, действие которой происходит так же, как и на фиг.4.
На фиг.6 образование крутящего момента на валу 3 осуществляется расширением газа в каналах 8, совмещенных с началом выходных секторных отверстий 12 и с входными отверстиями 11, по двум возможным направлениям: одной частью газа - при движении по каналам 8 и дальше на выход через секторные отверстия 12; другой частью газа - реакцией его потока при входе в каналы перепуска 10 через входные отверстия 11 и при выходе через сопла выходных отверстий 9 действием сил этого потока газа на лопатки 6 по ходу их вращения, так как в этом направлении повернуты сопла выходных отверстий 9.
Смеситель фиг.7 работает по принципу эжектора. Если скорость воздуха в носителе 21, поступающего по трубе 22, больше скорости газа, поступающего по трубе 23, то количество выходящего газа по трубе 23 повышается за счет действия эжектора, увеличивается перепад в зонах высокого и низкого давления в камерах сгорания, поэтому давление на лопатки 6 повышается, повышается и крутящий момент. Если скорость газа, поступающего по трубе 23, больше скорости воздуха, поступающего по трубе 22, то увеличивается поступление воздуха через входные секторные отверстия 13, увеличивается подача воздуха в камеры сгорания, подача топлива, давление на лопатки 6 и улучшается охлаждение. Во всех случаях в смесителе осуществляется более полное сгорание топлива. Сопло на смесителе увеличивает скорость выхода смешанных потоков воздуха, газа и повышает реактивную силу, реактивную тягу, которая может еще больше увеличиться при подаче топлива топливоподающим устройством 25. Сгорание топлива осуществляется за счет воздуха, поступающего по трубе 22, смешанного с газом, поступающим по трубе 23. Смеситель 21 равносилен газовой горелке, топливоподающее устройство 25 может и не использоваться, в этом случае топливо в камеры сгорания, в каналы 8 подается больше нормального установленного отношения воздуха и топлива.
Запуск газотурбинного двигателя во всех вариантах осуществляется раскручиванием лопаточного колеса 5 вращением вала 3 или подачей сжатого воздуха через секторные окна 14 против направления стрелок, указанных в них, или по направлениям, указанным стрелками в вариантах фиг.4, 5 по каналам 17, а на фиг.6 по каналам перепуска 10. Топливо может быть жидким или газообразным, в том числе и низкосортным, так как образование топливовоздушной смеси осуществляется интенсивным смешиванием потока газа с высокой температурой, зажиганием этим газом, а затем постоянным горением при высоком давлении.
Использование одного лопаточного венца в качестве компрессора и турбины во всех вариантах двигателя существенно упрощает его конструкцию, уменьшает массу, габариты, повышает компактность, надежность работы и удельную мощность двигателя.
Крутящий момент на валу двигателя создается одновременно в разных частях лопаточного колеса. Силы действуют рассредоточено на выходах, входах, периферии, в центре и в самих каналах между лопатками лопаточных венцов вследствие движения газа из зон с высокой в зоны с низкой окружной скоростью.
Расположение каналов перепуска с выходными и входными отверстиями и выходных секторных отверстий внутри контура венцов лопаточного колеса, в зонах низких окружных скоростей, существенно снижает гидравлические потери. Вариант с минимальными гидравлическими потерями, выполненный без каналов и отверстий на периферии, наиболее скоростной по частоте вращения вала. Менее скоростными являются варианты с каналами на периферии, не исключается, что в таких вариантах может создаваться, относительно быстроходных, большой крутящий момент.
Набор разных вариантов на общем валу позволяет включением и выключением их в широком диапазоне создавать различную частоту вращения общего вала, величину крутящего момента и мощность двигателя.
Выполнение цилиндрической части крышек корпуса в виде обода, связанного со ступицей стойками, обнажает плоские бандажные кольца лопаточного колеса между ободом и ступицей, что повышает охлаждение и снижает расход материала на изготовление двигателя.
Одиночные двигатели разных вариантов и их наборы могут найти широкое применение в различных отраслях техники: в авиации, наземном и водном транспортах, стационарных установках, в частности в летательных аппаратах, автомобилях, локомотивах, двигателях-генераторах - как компрессор для подачи воздуха и газа, как горелка, в том числе и в сочетании с генератором тока, для различных котлов, печей, очагов, для воздухоплавания на шарах с использованием горелки для шара, а крутящего момента на валу для привода винта. Полет шара может стать управляемым за счет винта, а горелка для шара позволит более полно использовать энергию топлива, температуру продуктов сгорания.
1. Газотурбинный двигатель, содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, каналы перепуска, выполненные в корпусе, с отверстиями входными и выходными, выполненными в виде сопла, с расположенными в них топливоподающими устройствами, лопаточное колесо с венцами, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца, к внутреннему контуру лопаточных венцов примыкают выполненные в корпусе входные секторные отверстия, частично совмещенные с выходными секторными окнами, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов, отличающийся тем, что по ходу вращения лопаточного колеса выполнены в корпусе примыкающие к внутреннему контуру его лопаточных венцов отверстия каналов перепуска выходные, входные и выходные секторные отверстия.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что к наружному контуру лопаточных венцов примыкают отверстия каналов, входные, совмещенные с входными отверстиями каналов перепуска, и выходные, выполненные в виде сопла, совмещенные с выходными секторными отверстиями.
3. Двигатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что цилиндрическая часть корпуса выполнена в виде обода, связанного со ступицей стойками.
4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что выходы секторных отверстий и секторных окон связаны со смесителем, выполненным в виде эжектора с выходом в виде сопла.
5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что смеситель снабжен топливоподающим устройством.
6. Газотурбинный двигатель, содержащий камеры сгорания, топливоподающие и поджигающие устройства, каналы перепуска, выполненные в корпусе, с отверстиями входными и выходными, выполненными в виде сопла, с расположенными в них топливоподающими устройствам, лопаточное колесо с венцами, на торцах которых закреплены плоские бандажные кольца, к внутреннему контуру лопаточных венцов примыкают выполненные в корпусе входные секторные отверстия, частично совмещенные с выходными секторными окнами, примыкающими к наружному контуру лопаточных венцов, отличающийся тем, что отверстия каналов перепуска примыкают к наружному контуру лопаточных венцов, при этом входные отверстия каналов перепуска совмещены с выходными секторными отверстиями, а выходные отверстия каналов перепуска расположены между входными отверстия этих каналов перепуска и выходными секторными окнами.
7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что цилиндрическая часть корпуса выполнена в виде обода, связанного со ступицей стойками.
8. Двигатель по любому из пп.6 и 7, отличающийся тем, что выходы секторных отверстий и секторных окон связаны со смесителем, выполненным в виде эжектора с выходом в виде сопла.
9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что смеситель снабжен топливоподающим устройством.
