Турбовинтовой двигатель

Настоящее изобретение относится к способам проектирования и изготовления ротора, который является как турбиной, так и рабочим колесом, имеющим лопатки, которые являются полыми по всей длине и ведут в периферийные кольцевые камеры, действующие в качестве двигателя (THRA), который может получать энергию с помощью рабочих сред. Позволяет заметно увеличить осевую тягу. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

В течение длительного времени проводились исследования по увеличению осевой тяги импеллеров. Во французских патентах, в частности, опубликованных под номерами Fr 2,987,655 от 07.10.2012 г. и Fr 2,987,656 от 15.10.2012 г., описаны новые принципы, позволяющие среде проникать в рабочее колесо и проходить через лопатки рабочего колеса, которые являются полыми, извлекая полезную работу из центробежной силы и поступая в периферийную кольцевую камеру, снабженную кольцевым отверстием, которое выбрасывает среду в нижнем направлении от колеса, тем самым создавая силу реакции в результате противодействия в соседних граничных слоях среды. Добавление трех принципов позволяет заметно увеличить осевую тягу за счет энергетической среды, поступающей с помощью вала в двигатель, например, сжатого воздуха или водорода, как в случае ракетных двигателей.

Образцы, выполненные мелкими сериями, не позволяют перейти к промышленному производству этих изделий, и потребовалось бы несколько лет для выполнения работ по созданию способа, который позволяет конструировать эти изделия, имеющие сложные формы, на экране с применением больших логических и технических средств и более легко поддерживать их разработку. В настоящее время компьютеры, на которые поступает документация, позволяют осуществлять по всему миру крупносерийное производство идентичных изделий, разработанных в какой-либо стране.

Нигде в мире не были обнаружены изделия по известному уровню техники, эквивалентные описанным здесь изделиям.

Способ проектирования и изготовления рабочих колес, турбин, импеллеров и работающих на топливе двигателей, в которых лопатки импеллера являются полыми по всей длине и ведут в периферийную камеру, имеющую кольцевое отверстие, обусловливает индивидуальное построение на экране нейтральных осей лопаток рабочего колеса в секциях колес с разными диаметрами, используя оцифрованные геометрические элементы с основными исходными значениями, которые поначалу заданы проектировщиком для конструкции рабочего колеса.

Этот способ проектирования и изготовления рабочих колес, которые одновременно являются турбиной, импеллером с лопатками, которые являются полыми по всей длине и ведут в периферийные кольцевые камеры, которые функционируют в качестве работающего на топливе двигателя (THRA), отличается тем, что для каждой группы турбины, импеллера и двигателя профили нейтральных осей полотен лопаток, которые главным образом являются участками окружностей, выполняют для входа в турбину и для входов в полые лопатки импеллеров и их подхода к камерам, и индивидуально конфигурируют с помощью изначально заданных значений для основных геометрических элементов и отслеживают по конкретным геометрическим компоновкам на кольцевых дисках разных диаметров, которые размещают на разных уровнях рабочего колеса и устанавливают под углом на одной и той же оси независимо друг от друга.

Конкретную компоновку основных геометрических элементов для каждого кольцевого диска получают посредством вписывания в окружность (С1), от центра (0) которой продолжается радиус (R) с заданным числовым значением, который пересекается с окружностью (С1) в предпочтительной точке (А) пересечения.

Окружность С1 является поверхностью вращения, которая выстраивается передней кромкой полотна лопатки во время вращения рабочего колеса. Другое числовое значение задают для хорды дуги, которая является участком окружности нейтральной оси рассматриваемого полотна лопатки.

Один из концов этой хорды начинается от предпочтительной точки (А) пересечения, а другой (Е) расположен внутри окружности на оси, которая начинается от предпочтительной точки (А) пересечения и образует угол 45° с радиусом (R). Положение, выбранное для этой оси справа или слева от радиуса, определяет требуемое направление вращения рабочего колеса (1 или 2). Другая точка (В) расположена на радиусе в направлении центра, и ее числовое значение является числовым значением радиуса для окружности (С1), которая окружает рабочее колесо, минус числовое значение, которое является квадратным корнем из суммы квадратов двух 1/2 хорд (по теореме Пифагора).

Прямая линия с числовым значением, идентичным числовому значению хорды, продолжается от точки (В) и соединяется в ее середине с серединой (М) хорды, к которой она перпендикулярна, и образует точку на другом ее конце (D). Точка (В), расположенная на радиусе, служит в качестве центра с числовым значением, равным числовому значению прямой линии (А В), для участка окружности, который соединяет оба конца хорды (А и Е) и который является дугой и является требуемым кольцевым профилем полотна лопатки. Точка (D), расположенная на другом конце прямой линии, которая пересекает хорду в ее средней точке, служит в качестве центра для отслеживания участка окружности, который продолжается между двумя концами хорды (А и Е), и которая также является дугой и является другим требуемым симметричным кольцевым профилем полотна лопатки.

Отличительным признаком является то, что на перпендикулярной прямой линии (В D) расположены другие центры окружностей, и что они имеют значения диаметров больше или меньше, чем точки В и D, позволяющие им соединять или не соединять концы прямой линии (А Е) и образовывать участки окружностей с более пологими или более криволинейными профилями (PL1, PL2), но которые также могут быть использованы применительно к этому способу. Участок окружности (PL2) не связан с точками А и Е, прямая линия (А Е) также является профилем полотна лопатки, который можно использовать. Отличительным признаком является то, что профили, выстраиваемые с помощью этого способа и одинаковых числовых значений с каждой стороны радиуса, являются симметричными.

Отличительным признаком является возможность смешивания профилей полотна лопаток с помощью этого способа посредством изменения параметров с целью построения усовершенствованных лопаток с конкретными характеристиками.

Отличительным признаком является то, что числовые значения профилей нейтральных осей, построенных по этому способу, являются математически измеримыми. Отличительным признаком является то, что в одном и том же рабочем колесе можно использовать разные профили полотен лопаток турбин и разные профили полотен полых лопаток импеллера, которые определяют с помощью одного и того же способа, но с разными профилями на одном и том же рабочем колесе.

Этот способ отличается тем, что диски, которые принимают профили нейтральных осей, определяемые как указано выше, выстраивают с различными числовыми значениями профилей, которые связаны, смешаны, частично перекрываются, переплетены, являются вогнутыми или выпуклыми или соединены друг с другом материалом диска с целью построения профилей полотна лопаток, необходимых для входа в турбину, и полые лопатки импеллера и входа в периферийные кольцевые камеры.

Когда полые лопатки больше не позволяют друг другу удерживаться на месте с помощью материала диска, для их закрепления добавляют кольцо (С1) вокруг наружной стороны диска (СО). И наоборот, когда лопатки импеллера не должны поддерживать друг друга, диск убирается вместе с полостями в лопатках, и только профили полотен лопаток, которые покрыты материалом, остаются и крепятся друг к другу.

Отличительным признаком является то, что полости в лопатках импеллера пересекаются участками окружностей, которые являются концентричными рабочему колесу и образуют взаимодействующие каналы внутри полых лопаток импеллера, каждый из которых ведет в независимую кольцевую камеру, которая окружает все рабочее колесо, и предпочтительно содержит проставки и кольцевую канавку с профилем в форме сопла.

Кроме того, в канал полой лопатки импеллера подведены трубки, которые идут от центрального вала, причем каждая трубка продолжается внутри полой лопатки или участков полых лопаток до их отдельных периферийных кольцевых камер.

Имеет смысл упомянуть о наличии неповоротной периферийной кольцевой камеры, которая помещена с некоторым зазором внутри камер, которые вращаются, и что эта камера разделена внутри на угловые сектора, которые герметично отделены друг от друга, причем в каждый сектор подведен канал, идущий от неподвижного кольца, которое удерживается на валу с помощью подшипника и изменяет направление каналов к центральному участку, что позволяет направлять среду к каждому сектору.

Как дополнение, для определенных применений рабочее колесо состоит из нескольких частей:

- первый отдельный взаимосвязанный узел образован первым диском, который соединен полотнами лопаток, необходимыми для подачи среды в турбину, со вторым диском, который имеет отверстия, необходимые для подачи среды в полые лопатки импеллера,

- второй отдельный взаимосвязанный узел образован третьим диском, от которого продолжаются только полотна полых лопаток импеллера, которые соединяются с четвертым отдельным диском, в котором помещены полотна полых лопаток импеллера, с отверстиями, необходимыми для подачи среды в периферийные кольцевые камеры,

- третий отдельный взаимосвязанный узел образован пятым диском, который закрывает узел кольцевых камер в соответствии с входами, предусмотренными четвертым диском, принимая во внимание, что камеры имеют очень широкий диапазон характеристик и варианты конструкций,

- по требованию между лопатками импеллера также могут быть установлены другие диски.

Важной характеристикой этих рабочих колес является то, что диски предпочтительно не являются плоскими дисками, а предпочтительно являются криволинейными в верхнем или нижнем направлении в форме полусферической чаши или чаши в форме усеченного конуса, в которую вписаны входы и выходы лопаток импеллера как можно ближе к соответствующим дискам.

Отличительным признаком является то, что поворотные или неповоротные камеры выполнены из материалов, стойких к воздействию давления и температуры, что обеспечивается или посредством постепенного повышения характеристик материала, если его спекают, или посредством индивидуального изготовления камер и последующего их размещения на соответствующем диске.

Важно указать, что поверхность внутреннего канала лопаток квантифицируют по уровню каждого диска, используя вышеописанный математико-геометрический процесс, и что эти значения затем сравнивают друг с другом для определения профиля внутреннего канала лопатки по ее длине.

Предпочтительно, поверхность входа внутреннего канала лопаток квантифицируют по уровню каждого диска, используя математико-геометрические способы изобретения, и поверхность входа каждой лопатки зависит от выбранного количества лопаток, которые покрывают поверхность диска, охватываемую импеллером, предпочтительно без лопаток, перекрывающих друг друга, и длиной хорды не превышающей размер лопатки, и значение поверхности, эквивалентное значению поверхности входа канала, согласуется с выходом лопатки импеллера, когда она проходит в кольцевую камеру, причем эта поверхность потенциально имеет коэффициент, причем используются одни и те же математико-геометрические процессы для определения этой поверхности выхода. Эти значения затем сравнивают друг с другом для определения профиля, который должен быть задан внутреннему каналу лопатки по его длине.

Отличительным признаком является то, что полотно нижней поверхности лопаток импеллера имеет хорду, которая расположена не более чем под углом 45°, и обеспечивает отделение, по необходимости, полотен верхней и нижней поверхности внутри передней и задней кромок у входа и выхода канала лопатки, причем жесткость соединения полотен лопатки обеспечивается профилированными и ориентированными проставками (PL3, PL4) в форме запятой, расположенными между полотнами лопаток.

Предпочтительная характеристика этого способа включает в себя тот факт, что нейтральные оси покрыты материалом, используя принцип патента WO 2008/012425, с построением поверхности лопатки, используя только 5 математических значений, относящихся к участкам геометрических форм, которые имеют исходный центр и предпочтительно расположены согласно или близко к значениям, которые обеспечиваются нейтральными осями согласно этому способу. В частности, нейтральные оси покрыты материалом, используя принцип, описанный в патенте WO 2008/012425 на основе числовых значений, которые обеспечиваются нейтральными осями, для нанесения материала с обеих сторон оси или ее покрытия, по меньшей мере, частично.

Краткое описание чертежей

Чертежи представлены в качестве примера и являются схематичными и упрощенными для лучшего понимания текста описания и формулы изобретения.

Фиг. 1 - используемые для внедрения способа геометрические элементы, обозначенные буквами и цифрами;

фиг. 2 - каналы, разделенные участками кривых внутри лопаток импеллера, каждый из которых оканчивается в камере и имеет в нижней части независимую кольцевую камеру, закрепленную на неподвижном подшипнике, который окружает вал, и которые принимают среду;

фиг. 3 - вид сверху неподвижной разделенной кольцевой камеры, которая является независимой от других поворотных камер, которые ее окружают, и подачи в нее среды через неподвижную разделенную камеру подшипника.

1. Способ проектирования и изготовления рабочих колес, которые представляют собой турбину и импеллер, с лопатками, которые являются полыми по всей их длине и которые ведут в периферийные кольцевые камеры, которые функционируют в качестве работающего на топливе турбовинтового двигателя (THRA), отличающийся тем, что для каждого из турбины, импеллера и двигателя (THRA) изменяющееся сечение внутреннего канала лопаток импеллера построено с помощью полотен, причем лопатки импеллера являются полыми по всей их длине и опираются на профили нейтральных осей полотен, которые являются главным образом участками окружностей и выстроены для входа в турбину и для входов в полые лопатки импеллеров, и профили нейтральных осей полотен подходят к периферийным кольцевым камерам и индивидуально сконфигурированы с учетом первоначально заданных значений в основные геометрические элементы и отслеживаются по конкретным геометрическим расположениям на кольцевых дисках разных диаметров, которые затем размещают на различных положениях рабочего колеса и устанавливают под углом на одной и той же оси независимо друг от друга,

причем геометрическое расположение основных элементов для каждого кольцевого диска получают посредством вписывания в окружность (С1), от центра (0) которой проходит радиус (R) с заданным числовым значением, который пересекается с окружностью (С1) в предпочтительной точке (А) пересечения,

окружность С1 является поверхностью вращения, которая вычерчивается передней кромкой лопатки во время вращения рабочего колеса,

другое числовое значение задают для хорды дуги, которая является участком окружности нейтральной оси рассматриваемого полотна, причем один из концов этой хорды начинается от предпочтительной точки (А) пересечения, а другой (Е) расположен внутри окружности на оси, которая начинается от предпочтительной точки (А) пересечения и образует угол 45° с радиусом (R),

положение, выбранное для этой оси справа или слева от радиуса, определяет требуемое направление вращения рабочего колеса (1 или 2), а другая точка (В) расположена на радиусе в направлении центра, и ее числовое значение является числовым значением радиуса окружности (С1), которая окружает рабочее колесо, минус числовое значение, которое является квадратным корнем из суммы квадратов двух полухорд (по теореме Пифагора),

прямая линия с числовым значением, идентичным числовому значению хорды, проходит от точки (В), так что ее средняя точка выравнивается с серединой (М) хорды, к которой она перпендикулярна, и образует точку на другом ее конце (D) относительно точки В,

точка (В), расположенная на радиусе, служит в качестве центра с длиной в направлении центра окружности, равной длине участка прямой линии (АВ), для участка окружности, который проходит между обоими концами хорды и который является дугой и является требуемым кольцевым профилем полотна, и

точка (D), расположенная на другом конце участка прямой линии, которая пересекает хорду в ее средней точке, служит в качестве центра для отслеживания участка окружности, который проходит между двумя концами хорды М и которая также является дугой и является другим требуемым симметричным кольцевым профилем лопатки,

другие центры окружностей, расположенные на перпендикулярной прямой линии (В D) и которые имеют значения диаметров больше или меньше, чем точки В и D, позволяют им соединять или не соединять концы участка прямой линии (АЕ) и образовывать участки окружностей с более пологими или более криволинейными профилями (PL1, PL2), но которые также могут быть использованы применительно к этому способу,

участок окружности (PL2) не соединен с точками А и Е,

профили, построенные с помощью этого способа и с одинаковыми числовыми значениями с каждой стороны радиуса, являются симметричными,

смешивание профилей полотен, полученных с помощью этого способа, позволяет путем изменения параметров выстраивать изменяющиеся лопатки с конкретными характеристиками,

числовые значения профилей нейтральных осей, построенных по этому способу, являются математически измеримыми, и

в одном и том же рабочем колесе можно использовать разные профили полотен лопаток турбин и разные профили полотен полых лопаток импеллера, которые определяют с использованием того же способа, но с разными профилями на одном и том же колесе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диски, принимающие профили нейтральных осей, выстраивают с различными числовыми параметрами профилей, которые связаны, смешаны, или частично перекрываются, или переплетены, являются вогнутыми или выпуклыми, или соединены друг с другом материалом диска, для того, чтобы выстроить профили полотен, необходимые для входа в турбину и в полые лопатки импеллера и входа в периферийные кольцевые камеры, причем, когда полые лопатки больше не позволяют друг другу удерживаться на месте с помощью материала диска, для их закрепления добавляют кольцо (С1) вокруг наружной стороны диска (СО), и наоборот, когда лопатки импеллера не должны удерживать друг друга на месте, диск исчезает вместе с полостями в лопатках, и только профили полотен лопаток, которые покрыты материалом, остаются и крепятся друг к другу.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что полости в лопатках импеллера пересекаются участками окружностей, которые являются концентричными рабочему колесу и образуют взаимосвязанные каналы внутри полых лопаток импеллера, каждый из которых ведет в независимую периферийную кольцевую камеру, которая окружает все рабочее колесо, и предпочтительно содержит проставки и кольцевую канавку с профилем в форме сопла.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в канал полой лопатки импеллера подведено множество трубок, которые идут от центрального вала, причем каждая трубка продолжается внутри полой лопатки или участков полых лопаток до их индивидуальных периферийных кольцевых камер.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что неповоротная периферийная кольцевая камера помещена с некоторым зазором внутрь рабочих колес, которые вращаются, и эта камера разделена внутри на угловые сектора, которые герметично отделены друг от друга, причем в каждый сектор подается среда с помощью канала, идущего от неподвижного кольца, которое удерживается на валу с помощью подшипника и изменяет направление каналов к центральному месту, что позволяет направлять среду к каждому сектору.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что рабочее колесо выстраивают из нескольких частей:

- первый независимый подсоединенный узел образован первым диском, который соединен с помощью полотен лопаток, необходимых для подачи среды в турбину, со вторым диском, который имеет отверстия, необходимые для подачи среды в полые лопатки импеллера,

- второй независимый подсоединенный узел образован третьим диском, от которого проходят только полотна полых лопаток импеллера, которые затем соединяются с четвертым независимым диском, в котором помещены полотна полых лопаток импеллера, с необходимыми отверстиями для подачи среды в периферийные кольцевые камеры,

- третий независимый подсоединенный узел образован пятым диском, который закрывает узел кольцевых камер в соответствии с входами, предусмотренными четвертым диском, принимая во внимание, что камеры имеют очень широкий диапазон характеристик и вариантов конструкций,

- по требованию между лопатками рабочего колеса также могут быть установлены другие диски,

поворотные или неповоротные периферийные кольцевые камеры выполнены из материалов, стойких к воздействию давления и температуры, что обеспечивается или путем постепенного изменения свойств материала, если он получен спеканием, или путем независимого изготовления камер и последующего их размещения на соответствующем диске.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что диски не являются плоскими дисками, а предпочтительно являются криволинейными в верхнем или нижнем направлении в форме полусферической чаши или чаши в форме усеченного конуса, в которую вписаны входы и выходы лопастей импеллера как можно ближе к соответствующим дискам.

8. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что поверхность входа внутреннего канала лопаток выражена количественно на уровне каждого диска и поверхность входа каждой лопатки зависит от выбранного количества лопаток, которые покрывают поверхность диска, охватываемую импеллером, предпочтительно без лопаток, перекрывающих друг друга, и от заданной длины хорды, содержащейся внутри лопатки, и значение площади поверхности, эквивалентное значению площади поверхности входа канала, соответствует выходу лопатки импеллера, когда она проходит через кольцевую камеру, причем эта поверхность в результате имеет коэффициент, и используются одни и те же математико-геометрические процессы для определения поверхности выхода лопатки импеллера; эти значения длины и поверхности затем сравнивают друг с другом для определения профиля, который должен быть задан внутреннему каналу лопатки вдоль его длины.

9. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что полотно нижней поверхности лопаток импеллера обеспечивается хордой с дугой, которая расположена не более чем под углом 45°, и обеспечивает отделение, при необходимости, полотен верхней и нижней поверхности на уровне передней и задней кромок у входа и выхода канала лопатки, причем жесткость узла полотен лопаток обеспечивается профилированными и ориентированными проставками (PL3, PL4) в форме запятой, расположенными между полотнами.

10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что нейтральные оси покрыты материалом с использованием принципа, согласно которому построение поверхности лопатки осуществляется с использованием математических значений, заданных для участков геометрических фигур, которые имеют исходный центр и предпочтительно расположены в соответствии или близко к значениям, которые обеспечиваются нейтральными осями, образованными согласно этому способу.