Газотурбинный двигатель
Газотурбинный двигатель содержит входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло. Газотурбинный двигатель также содержит независимо вращающиеся в противоположные стороны диски компрессора и турбины, имеющие на ступицах венцы зубчатых колес с внутренним зацеплением, параллельно расположенные валы с шестернями, расположенными между компрессором и турбиной. Изобретение направлено на создание двигателя с высокими удельными характеристиками и, прежде всего, с низким удельным весом. 3 ил.
Предлагаемая заявка на изобретение относится к машиностроению и может быть использована как авиационный газотурбинный двигатель и как газотурбинная наземная установка.
Известен безредукторный ТВВД, в котором два соосных винтовентилятора противоположного вращения приводятся непосредственно тихоходной биротативной свободной турбиной, состоящей из двух барабанов с лопаточными венцами, вращающимися в противоположные стороны, причем каждый венец, вращающийся в одну сторону, является сопловым аппаратом для последующего венца, вращающегося в противоположном направлении (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.353, Рис.11.2).
К достоинству двигателя следует отнести наличие биротативной турбины, которая позволяет уменьшить размеры турбины по длине из-за отсутствия сопловых аппаратов, снизить вдвое частоту вращения валов, что позволяет избавиться от редуктора. К недостаткам этого двигателя следует отнести ту же биротативную турбину. Барабан, на котором закреплены сопловые аппараты, воспринимает нагрузки от крутящего момента и центробежных сил, что приводит к значительному увеличению диаметра барабана, веса турбины и поэтому такие двигатели не используют. Биротативную турбину невозможно применить для вращения осевого компрессора, так как обороты у биротативной турбины вдвое ниже необходимых для вращения классического осевого компрессора.
Наиболее близким к предлагаемому двигателю является трехвальный ТРДД (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.516, Рис.18.1 (в)), основными узлами которого являются:
1. Входное устройство.
2. Двухкаскадный компрессор.
3. Вентилятор.
4. Камера сгорания.
5. Двухкаскадная турбина.
6. Свободная турбина вентилятора.
7. Выхлопное (реактивное) сопло.
Наряду с очевидными достоинствами этой схемы двигателя: легкий запуск, экономичный газогенератор имеется «благоприятное изменение скольжения роторов, которое происходит автоматически» (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.116, 12…15 строки снизу), двигатель имеет и недостатки.
Недостатком этого двигателя является наличие третьего вала, проходящего сквозь весь двигатель, что значительно усложняет его конструкцию: увеличивает размеры ступиц дисков компрессора и турбины, усложняет конструкцию опор. Наружный диаметр вала при этом ограничен конструктивно, что приводит к высоким оборотам для передачи необходимой мощности, при сохранении допустимых напряжений у вала. Длинные валы нежесткие, поэтому их практически невозможно точно отбалансировать. Поэтому очень трудно избавиться от вибраций и дефекта (касания валов) при эволюциях самолета (удар при приземлении, например). К недостаткам данной схемы двигателя следует отнести большую длину и большой вес двигателя.
Задачей предлагаемого изобретения является возможность создания двигателя с высокими удельными характеристиками, прежде всего с низким удельным весом двигателя.
Задача достигается тем, что двигатель содержит независимо вращающиеся в противоположные стороны диски компрессора и турбины, имеющие на ступицах венцы зубчатых колес с внутренним зацеплением и параллельно расположенные валы с шестернями,
На Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3 схематично изображен газотурбинный двигатель: первое фронтальное сечение, поперечное сечение, второе фронтальное сечение, развернутое относительно первого на 90 градусов. Двигатель содержит входное устройство 1, компрессор 2 с вращающимися в противоположные стороны дисками 6, камеру сгорания 3, турбину 4 с вращающимися в противоположные стороны дисками 7, валами 8, с шестернями 9, 10, стяжными шпильками 11, 12, 13 и соплом 5.
При работе двигателя воздух поступает во входное устройство, затем поступает в компрессор 2, где с помощью дисков 6, состоящих из диска с лопатками, сжимается воздух, который затем поступает в камеру сгорания 3, где превращается в газ с высокой температурой. Из камеры сгорания 3 газ поступает в турбину 4 и в сопло 5, где газ разгоняется и создает реактивную тягу. Турбина 4 с помощью дисков 7, состоящих из дисков с лопатками, вращающихся в противоположные стороны, передает крутящие моменты с помощью венцов зубчатых колес, расположенных на ступицах дисков, шестерням 9, валам 8 и шестерням 10. Шестерни 10 вращают в противоположные стороны с оптимальной частотой диски компрессора 6. Крутящий момент от шестерен 10 передается дискам 6 через венцы зубчатых колес, расположенных на ступицах дисков. Оптимальная частота вращения достигается за счет изменения передаточного отношения зубчатых колес.
Достоинства предложенной схемы газотурбинного двигателя.
В связи с тем, что турбина двигателя фактически работает как биротативная турбина, обороты дисков турбины в два раза ниже аналогичной по мощности турбины с сопловыми аппаратами (см. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. С.М.Шляхтенко - Москва: Машиностроение, 1987 г., стр.353, 13 строка снизу).
Снижение оборотов дисков турбины в два раза приводит к снижению центробежных сил в четыре раза. 
где Pц - центробежная сила, m - масса, v - окружная скорость, R - радиус вращения центра тяжести массы.
Снижение центробежных сил в четыре раза позволяет, как минимум вдвое, снизить ширину диска, что в свою очередь снизит вес турбины вдвое. Отсутствие сопловых аппаратов тоже позволит снизить вес турбины и уменьшить вдвое длину. Аналогично и диски компрессора вращаются с частотой, вдвое меньшей, чем у прототипа (так как диски вращаются в противоположные стороны), что позволяет также снизить вес дисков как минимум вдвое. В связи с тем, что диски компрессора вращаются в противоположные стороны, отпадает необходимость применения направляющих аппаратов, что позволит еще снизить вес компрессора. Отсутствие направляющих аппаратов уменьшает длину компрессора вдвое. Так как длина компрессора и турбины уменьшились в два раза, то длина всего двигателя уменьшилась примерно на треть. Аналогично вес двигателя также уменьшился как минимум на треть. Частота вращения валов, передающих крутящий момент, наоборот увеличилась, так как количество зубьев у венцов зубчатых колес ступицы турбины значительно больше количества зубьев шестерен валов. Увеличение частоты вращения валов позволяет передавать мощность с меньшим моментом, что позволяет уменьшить диаметр валов, что важно, так как валы проходят параллельно друг другу, что требует увеличения отверстия ступицы дисков компрессора и турбины.
, где М - крутящий момент (кгс×м), N - мощность в (л.с.), n - число оборотов (об/мин) (см. Справочник авиационного техника. Шевелько П.С. - Москва: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1974, Стр.87, (2.71)).
В связи с тем, что длина двигателя уменьшилась, уменьшилась и длина валов, передающих крутящие моменты от турбины компрессору, что значительно увеличивает жесткость вала. Жесткость вала зависит от длины в кубической зависимости (см. Авиационные газотурбинные двигатели. Г.С.Скубачевский - Москва: Машиностроение, 1981 г., Стр.315).
В связи с тем, что диски компрессора индивидуально приводятся во вращение с помощью шестерен валов, можно обеспечить оптимальную частоту вращения каждого диска компрессора за счет изменения соотношения числа зубьев шестерни валов и зубьев у венцов зубчатых колес, расположенных на ступицах дисков компрессора. Оптимальная частота вращения диска компрессора позволит повысить кпд компрессора, а значит, и кпд всего двигателя. Отсутствие направляющих аппаратов в компрессоре и сопловых аппаратов в турбине значительно снижает потери от трения воздуха и газа в двигателе, что тоже способствует повышению кпд двигателя.
Газотурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло, отличающийся тем, что содержит независимо вращающиеся в противоположные стороны диски компрессора и турбины, имеющие на ступицах венцы зубчатых колес с внутренним зацеплением, параллельно расположенные валы с шестернями, расположенными между компрессором и турбиной.
