Многокомпрессорный роторно-реактивный двигатель

 

Многокомпрессорный роторно-реактивный двигатель содержит корпус в виде цилиндрической трубы, разделенной на ступени, съемные блоки, в каждом из которых скомпонован осевой компрессор с индивидуальным приводом от роторного ДВС. Каждая ступень имеет разный угол наклона к продольной оси компрессора. Поверхность компрессора разделена на несколько одинаковых секторов, в пределах каждого из которого происходит постепенное увеличение длины направляющей ступени каждой лопасти, что способствует образованию воздухозаборной полости. В конце последней ступени каждого компрессора установлен роторный двигатель внутреннего сгорания. В изобретении оговорено выполнение отдельных частей двигателя. Такое выполнение двигателя приводит к повышению его экономичности и увеличению скорости полета при одновременном упрощении конструкции и обслуживания. 6 ил.

Изобретение относится к разновидности реактивных авиационных двигателей, а именно к роторно-реактивным.

В качестве прототипа выбран турбореактивный одноконтурный двигатель [1]. Эти двигатели отличаются относительной конструктивной и технологической простотой и достаточно широко применяются на самолетах и летательных аппаратах с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью полета. Их достоинство - существенный рост тяги с увеличением скорости, особенно на сверхзвуковых самолетах.

Основной недостаток ТРД - высокий расход топлива, ограничивающий дальность полета и удорожающий их эксплуатацию. По этим причинам в настоящее время новые самолеты с ТРД, как правило, не проектируются.

Известен осевой компрессор, содержащий цилиндрический корпус и размещенный в нем ротор с рабочими колесами, снабженными фрикционным или зубчатым приводом встречного вращения колес [2].

Лопатки каждого колеса выполнены щелевыми.

Недостаток данного компрессора - сложность конструкции и низкое давление, создаваемое при его работе, вследствие большого угла наклона лопастей к продольной оси вращения.

Известен также осевой многоступенчатый компрессор, содержащий рабочие колеса и направляющие лопасти [3], у которых в первых ступенях в средних и последующих ступенях угол наклона выходных кромок направляющих лопаток соответственно равен 90-100, 65-70 и 60-65^o.

Недостатками данного компрессора являются его громоздкость и сложность в изготовлении. Такая конструкция способствует возникновению воздушных завихрений в межлопастных каналах, что приводит к снижению напорных характеристик и потере КПД.

Задачей изобретения является повышение напорных характеристик компрессора, моторесурса и мощности роторно-реактивного двигателя, повышение его экономичности и увеличение скорости полета при одновременном упрощении конструкции и обслуживания.

Поставленная задача достигается тем, что в многокомпрессорном роторно-реактивном двигателе, содержащем корпус, осевой компрессор, камеры сгорания, систему подачи топливной смеси, зажигания и продувки, согласно изобретению корпус двигателя выполнен в виде цилиндрической трубы, разделенной на ступени, диаметр каждой из которых постепенно увеличивается после каждой ступени в сторону сопла, завершающего корпус, причем к наружной поверхности корпуса каждой ступени крепятся съемные блоки, в каждом из которых скомпонован компрессор с индивидуальным приводом от роторного ДВС, оси которых находятся в плоскости, перпендикулярной продольной оси роторно-реактивного двигателя, причем на первой и последней ступенях крепится по четыре компрессора, а на промежуточной - три компрессора, в каждом из которых его лопасти выполнены трехступенчатыми, и каждая ступень находится под разным углом наклона к продольной оси компрессора, с которой направляющая ступень лопасти, расположенная на входе, образует угол до 40-50^o, компрессионная ступень от 0-10^o и сбрасывающая ступень до 70-80^o. Цилиндрическая поверхность компрессора разделена на несколько одинаковых секторов, в пределах каждого из которых происходит постепенное увеличение длины направляющей ступени каждой лопасти, что способствует образованию воздухозаборной полости, а у компрессионной ступени каждой лопасти постепенно увеличивается толщина в сторону сбрасываемой ступени. Толщина последней остается постоянной и ее боковые плоскости образуют с боковыми плоскостями соседних лопастей щелевые каналы. В конце последней ступени каждого компрессора установлен роторный двигатель внутреннего сгорания, ротор которого выполнен заодно с валом компрессора, а наружный диаметр ротора установлен в дискообразной части корпуса роторно-компрессионного блока, в которой выполнены сквозные цилиндрические каналы подачи сжатого воздуха. Центры сечений этих каналов расположены равномерно по окружности, а продольная ось каждого канала находится в продольной осевой плоскости двигателя внутреннего сгорания, ротор которого расположен соосно с его корпусом. В диске неподвижного корпуса расположение цилиндрических каналов чередуется со смесительными камерами. Поперечное сечение ротора условно разделено на несколько секторов, в пределах каждого из которых в теле ротора выполнен продольный паз для подачи сжатого воздуха, соединенный с полостью высокого давления компрессора, запальная камера, соединенная каналом с основанием камеры сгорания, противоположная стенка которой имеет сопловые каналы, расположенные под углом 30-45^o к торцевой плоскости ротора, сквозной продувочный паз, соединенный с полостью высокого давления компрессора. В теле ротора ДВС выполнены продольные топливные каналы, от которых отводятся радиальные, в каждый сектор ротора, вливающиеся в накопительные камеры, от последних, в свою очередь, отводятся жиклер-форсунки. На внутренней торцевой поверхности корпуса роторного ДВС выполнены упорные ступени в виде треугольных, с прямым углом пазов, от линии стыка плоскостей которых отходят щелевые каналы, соединяющие полости камер сгорания роторных ДВС с камерами сгорания реактивного двигателя соответствующей ступени, т.к. единая камера сгорания выполнена, как и корпус двигателя, ступенчатой, и все ее ступени установлены телескопически, а последней ступенью является сужающаяся сопловая часть, причем каждая ступень камеры сгорания представляет собой цилиндр с развернутыми в виде воронки краями в верхней части и со срезанными на конус стенками - в нижней, причем нижняя и верхняя части ступеней при стыковке образуют цилиндрические щелевые каналы, которые находятся в начале торцевой каждой ступени, где также устанавливаются форсунки, а верхняя торцевая поверхность первой ступени камеры сгорания пристыкована к передней лобовой стенке корпусе реактивного двигателя, на которой установлен упор для толкающих реактивных газов.

Многокомпрессорный роторно-реактивный двигатель поясняется тремя чертежами: на фиг. 1 показан двигатель, общий вид; на фиг. 2 - то же, продольный разрез; на фиг. 3 - схемный блок, состоящий из роторного ДВС и компрессора; на фиг. 4 - сечение А-А; на фиг. 5 - вид по стрелке В на лопасти осевого компрессора.

Многокомпрессионный роторно-реактивный двигатель имеет ступенчатый корпус 1. На каждой ступени вокруг корпуса устанавливаются съемные блоки 24, каждый из которых имеет индивидуальный привод от роторного ДВС, на валу 2 которого в корпусе 27 установлен осевой трехступенчатый компрессор 3. Лопасти компрессора состоят из направляющих частей 4, создающих движение воздуха, компрессионных частей 5, создающих давление, сбрасывающих частей 6, запирающих сжатый воздух в узкое межлопастное пространство. В состав двигателя также входят дискообразная часть корпуса блока 7, сквозные цилиндрические каналы подачи сжатого воздуха 9, смесительные камеры 9, ротор ДВС 10, продольный паз для подачи сжатого воздуха 11, запальная камера 12, соединительные каналы 26, камера сгорания 13, сопловые каналы 14 и 25, сквозной продувочный паз 15, 16 - полость высокого давления компрессора, продольные топливные каналы ротора ДВС 17, от которых отводятся радиальные каналы 18, вливающиеся в накопительные топливные камеры 19, от которых отводятся жиклер-форсунки 20, упорные ступени 21 на внутренней торцевой поверхности корпуса ротора ДВС, щелевые каналы 22, камеры сгорания реактивного двигателя 23, установленные телескопически, 28 - упор для толкающих газов, 29 - межсопловое пространство.

Многокомпрессорный роторно-реактивный двигатель работает следующим образом.

Вращение осевых компрессоров осуществляется от роторных двигателей внутреннего сгорания. При вращении компрессора направляющие ступени лопастей вследствие их значительного наклона захватывают воздух и подают его далее к своим компрессионным ступеням. Компрессионные поверхности лопастей создают максимальное давление. Разрежение, создающееся движущейся впереди лопастью, компенсируется увеличением толщины ее. Сжатый таким образом воздух поступает в межлопастной щелевой канал. Угол наклона сбрасывающей ступени в 70-80^o препятствует обратному движению воздуха, в случае резкого повышения давления за компрессором, и увеличивает скорость истечения потока воздуха. Осевые трехступенчатые компрессоры через продувочные цилиндрические каналы, расположенные в дискообразной части корпуса роторно-компрессионных блоков, подают сжатый воздух в зоне установки камер сгорания реактивного двигателя. Туда же с помощью форсунок подается топливо. Образовавшаяся топливная смесь поджигается и струя реактивных газов устремляется в сопло. Горение начинается от упорной первой ступени камеры сгорания, куда под давлением компрессоров через цилиндрические щелевые каналы будет втягиваться сжатый воздух в необходимом количестве, а сгоревшие газы будут отталкиваться от жесткого упора первой ступени в сопловую часть двигателя. В этой последней ступени форсунка не поставлена, хотя она может там быть при необходимости, к примеру, для режима форсажа, при котором последовательно от первой к последней ступени увеличивается давление и повышается температура. В данном случае предпочтение отдано более полному сгоранию топлива, его экономии, вялому увеличению мощности, следовательно, в целях экологии подается сжатого воздуха столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива. Остаточная часть сжатого воздуха направляется в межсопловое пространство двигателя, откуда под давлением выбрасывается за сопло, уплотняя тем самым разреженный воздух за двигателем летательного аппарата, увеличивая тем самым отталкивающую силу газов.

Роторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Топливо через отверстия в валу ротора по продольным каналам 17 и по радиальным 18, которые от них отводятся, подается к накопительным камерам 19, из которых через жиклер-форсунки 20 поступает в смесительные камеры 9. Далее при вращении ротора ДВС 10 смесительные камеры 9 корпуса совмещаются с продольными пазами 11 ротора, через которые поступает сжатый воздух из полости высокого давления 16 компрессора 3 в смесительные камеры, образуя готовую топливную смесь для горения. При дальнейшем вращении ротора происходит совмещение запальной камеры 12 со смесительной камерой 9. После этого топливная смесь воспламенилась. Запальная камера соединена каналом 26 с камерой сгорания 13, с которой далее совмещается смесительная камера. Зажженное топливо воспламенилось и начало гореть. При этом образовавшиеся от горения газы взрывной волной ударяют о стенки камеры сгорания и устремляются по сопловым каналам 14, расположенным тангенциально к внутренней цилиндрической поверхности корпуса двигателя внутреннего сгорания, приводя тем самым в движение ротор ДВС. Затем сжатые газы по сопловым каналам 25, выходящим из камеры сгорания под углом в 30-45^o к торцевой плоскости ротора, направляются к внутренней торцевой поверхности корпуса ДВС, на которой выполнены упорные ступени 21, далее воспринимающие удары сопловых струй газа, создающих дополнительное вращение ротора ДВС. От линии стыка плоскостей упорных ступеней отходят щелевые каналы 22. По этим щелевым каналам газы уходят в камеры сгорания 23, где они и догорают.

Преимуществом предлагаемого многокомпрессорного роторно-реактивного двигателя являются следующие особенности конструкции.

1. Применение роторного ДВС позволяет проводить строгую дозировку подачи топлива и воздуха и экономить топливо.

2. Применением роторного ДВС более простым в изготовлении заменена дорогостоящая и сложная газовая турбина.

3. Отработанные газы роторного ДВС попадают в общую магистраль сжатого воздуха и вместе с ним устремляются в камеры сгорания соответствующей ступени, где полностью догорают.

4. Применение многоступенчатой камеры сгорания и нескольких компрессоров позволяет значительно увеличить мощность и скорость летательного аппарата, а также широко регулировать то и другое.

5. Торцевая поверхность камеры сгорания первой ступени пристыкована к передней лобовой стенке корпуса двигателя, что является жестким упором для толкающих горящих газов.

6. Каждый компрессор, имея независимый привод, может рапботать избирательно. Это облегчает изготовление, сборку, позволяет применить многоступенчатую камеру сгорания.

7. Отсутствие турбины увеличивает безопасность лобовых столкновений в полете с посторонними предметами.

8. Конструкция компрессорного роторно-реактивного двигателя проста, надежна и долговечна.

Формула изобретения

Многокомпрессорный роторно-реактивный двигатель, содержащий корпус, осевой компрессор, камеры сгорания, систему подачи топливной смеси, зажигания и продувки, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен в виде цилиндрической трубы, разделенной на ступени, диаметр каждой из которых постепенно увеличивается после каждой ступени в сторону сопла, завершающего корпус, причем к наружной поверхности корпуса каждой ступени крепятся съемные блоки, в каждом из которых скомпонован компрессор с индивидуальным приводом от роторного ДВС, оси которых находятся в плоскости, перпендикулярной продольной оси роторно-реактивного двигателя, причем на первой и последней ступенях крепятся, например, по четыре компрессора, а на промежуточной, например, три компрессора, в каждом из которых его лопасти выполнены трехступенчатыми и каждая ступень находится под разным углом наклона к продольной оси компрессора, с которой направляющая ступень лопасти, расположенная на входе, образует угол до 40-50^o, компрессионная ступень от 0 до 10^o и сбрасывающая ступень до 70-80^o, причем поверхность компрессора разделена на несколько одинаковых секторов, в пределах каждого из которых происходит постепенное увеличение длины направляющей ступени каждой лопасти, что способствует образованию воздухозаборной полости, а у компрессионной ступени каждой лопасти постепенно увеличивается толщина в сторону сбрасывающей степени, толщина последней остается постоянной, и ее боковые плоскости образуют с боковыми плоскостями соседних лопастей щелевые каналы, причем в конце последней ступени каждого компрессора установлен роторный ДВС, ротор которого выполнен заодно с валом, а наружный диаметр ротора установлен в дискообразной части корпуса роторно-компрессионного блока, в которой выполнены сквозные цилиндрические каналы подачи сжатого воздуха, центры сечений которых расположены равномерно по окружности, а ось каждого канала находится в продольной осевой плоскости двигателя внутреннего сгорания, причем в неподвижном диске корпуса каналы подачи сжатого воздуха чередуются на окружности со смесительными камерами, а поперечное сечение ротора делится условно на сектора, в пределах каждого из которых выполнен продольный паз для подачи сжатого воздуха, соединенный с полостью высокого давления компрессора, запальная камера, соединенная каналом с основанием камеры сгорания, противоположная стенка которой имеет сопловые каналы, расположенные под углом 30-45^o к торцевой плоскости ротора, сквозной продувочный паз, соединенный с полостью высокого давления компрессора, к тому же в теле ротора двигателя внутреннего сгорания выполнены продольные топливные каналы, от которых отводятся радиальные, в каждый сектор ротора, вливающиеся в накопительные камеры, от последних, в свою очередь, отводятся жиклер-форсунки, причем на внутренней торцевой поверхности корпуса роторного двигателя внутреннего сгорания выполнены упорные ступени в виде треугольных с прямым углом пазов, от линии стыка плоскостей которых отходят щелевые каналы, соединяющие полости камер сгорания роторных ДВС с камерой сгорания реактивного двигателя соответствующей ступени, так как единая камера сгорания выполнена, как и корпус двигателя, многоступенчатой и все ее ступени установлены телескопически, а последней ступенью является сужающаяся сопловая часть, причем каждая ступень камеры сгорания представляет собой цилиндр с развернутыми в виде воронки краями в верхней части и со срезанными на конус стенками - в нижней, причем нижняя и верхняя части ступеней при стыковке образуют цилиндрические щелевые каналы в начале каждой ступени, где также установлены форсунки, а верхняя торцевая поверхность первой ступени камеры сгорания пристыкована к передней лобовой стенке корпуса реактивного двигателя, на которой установлен упор для толкающих реактивных газов.

РИСУНКИ

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