Двигательная установка и роторный двигатель

 

Изобретения относятся к энергетике, в частности к авиационным силовым установкам. Двигательная установка содержит турбину и компрессор низкого давления, два движителя с валами, установленные соосно. Установка содержит два двигателя с валами, установленные соосно. Установка содержит два двигателя с соосными роторами, установленными с возможностью противоположного направления вращения. Валы движителей связаны с роторами двигателей и в них выполнены осевые отверстия. Один из валов движителей расположен в отверстии другого вала. Внутри обоих валов установлен вал связи компрессора и турбины низкого давления. В двигательной установке может быть использован роторный двигатель, в статоре которого установлен ведущий ротор и ведомые роторы, при этом впускные и выпускные окна продувки впадин выполнены в расточках статора под ведомые роторы. Задачей изобретений является повышение КПД роторного двигателя, а следовательно и двигательной установки. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретения относятся к энергетике, в частности к авиационным силовым установкам, и могут быть использованы в двигательных комплексах на водном транспорте.

Известен спаренный турбовинтовой двигатель с выносным редуктором для привода двух соосных винтов (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М. : Машиностроение, 1981 г., с. 15, фиг. 1,1), содержащий два установленных параллельно газотурбинных двигателей.

Недостатками указанной схемы являются большая площадь миделя и значительное лобовое сопротивление, снижающее полетный КПД, а также большая масса, сложность и невысокая надежность конструкции с понижающим редуктором.

Известна конструктивная схема турбореактивной двухконтурной установки (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1981, с. 8, 10, фиг. 1.03б, 1.06), принятой в качестве прототипа для первого изобретения и содержащей турбину и компрессор низкого давления и движитель, например вентилятор, с валом. Эта конструкция не содержит редуктора, но КПД движителя сравнительно низок вследствие небольшой степени двухконтурности и существенных потерь в неподвижных направляющих лопатках вентилятора.

Из патентной литературы известен роторный двигатель внутреннего сгорания (GB, патент 1057282 А, кл. F 01 С 1/20, опубл. 01.02.1967 г.), принятый в качестве прототипа для второго изобретения и содержащий статор с корпусом и двумя торцевыми крышками, замыкающими внутреннюю рабочую полость в виде трех пересекающихся цилиндрических расточек, в центральной из которых расположен ведущий ротор с пятью циклоидальными выступами (зубьями), а в двух крайних размещены два ведомых ротора с тремя впадинами у каждого, сопряженными бесконтактно с минимальными зазорами с выступами ведущего ротора. В центральной полости расположены камеры сжатия и расширения, а в корпусной стенке ее выполнены окна с патрубками для впуска воздушного заряда и выпуска расширившихся продуктов сгорания.

В корпусных стенках боковых полостей с ведомыми роторами имеются выпускные окна, соединенные перепускным каналом с камерой расширения, впускные окна для продувки впадин ведомых роторов сжатия воздухом и форсунки для впрыска топлива. Двигатель работает по двухтактному циклу, чисто вращательное движение его роторов обеспечивает уникальную быстроходность и минимальную удельную массу. К недостаткам его следует отнести относительно малый рабочий объем камеры расширения, равный половине объема камеры в центральной полости, поскольку вторая половина занята камерой сжатия; функционирование перепускного канала при больших скоростях роторов неэффективно из-за инерционности газа в канале, дросселирования и ударного расширения продуктов сгорания с потерей энергии, необходимости в совершении дополнительной работы на их последующее вытеснение в выпускной патрубок.

Задачей первого изобретения является повышение экономичности путем снижения расхода топлива, площади миделя, удельной массы, повышение КПД двигателя.

Технический результат достигается тем, что двигательная установка содержит турбину и компрессор низкого давления и движитель, например вентилятор, с валом, второй движитель с валом, установленный соосно первому движителю и два двигателя с соосными роторами, установленными с возможностью противоположного направления вращения, валы движителей связаны с роторами двигателей и в них выполнены осевые отверстия, причем один из валов расположен с зазором в осевом отверстии другого вала и одного из роторов, а внутри обоих валов и роторов установлен вал связи компрессора и турбины низкого давления. Каждый двигатель содержит ведущий и ведомый роторы циклоидального зацепления, разность в количестве зубьев которых равна единице. Вал одного из движителей разгружен на упорный подшипник, установленный между двигателями.

Валы движителей соединены с роторами с возможностью осевого смещения.

Валы движителей соединены с роторами через редукторы. Установка выполнена с задним расположением движителей.

Второй по ходу движения установки движитель соединен с соплом, последней ступенью турбины и задним обтекателем. Диск первого по ходу движения установки движителя снабжен турбинными венцами, а его вал разгружен на упорный подшипник, установленный в шпангоуте, неподвижно соединенном с направляющим аппаратом турбины и гондолой. Спрямляющий аппарат компрессора соединен с ротором двигателя. Установка выполнена с передним расположением движителей. Компрессор и воздухозаборник установлены на первом по ходу движения установки движителе.

Задачей второго изобретения является повышение удельной мощности и эффективного КПД, упрощение конструкции.

Технический результат достигается тем, что выпускные окна продувки впадин непосредственно соединены с выпускным трактом, впускные окна камеры сжатия выполнены в расточках ведомых роторов, подобрано оптимальное число зубьев ведущего ротора и ведомых роторов.

На фиг. 1 изображена двигательная установка в осевом разрезе.

На фиг. 2 - разрез А-А двигательной установки.

На фиг. 3 - роторный двигатель в осевом разрезе.

На фиг. 4, 5 - поперечный разрез по E-E.

На фиг. 6, 7 - варианты трехроторного двигателя.

Двигательная установка содержит гондолу 1, в которой неподвижно закреплены корпуса двух роторных двигателей 2 и 3. В корпусах на подшипниках 4, 5, 6, 7 установлены ведущие роторы 8 и 9, каждый из которых выполнен с четным (4, 6, 8 и т.д.) числом зубчатых выступов, образованных эквидистантой от эпициклойды и находящихся в зацеплении с ведомыми роторами 10, 11, 12, число зубьев которых на один зуб больше (например, 5, 7, 9), причем зубья очерчены огибающей гипоциклойд или близкой к ней кривой. Ведомые роторы разгружены в корпусе посредством подшипников с газовой смазкой; во впадинах зубьев ведомых роторов выполнены перепускные окна 13, которые вблизи В.М.Т. нагнетательными каналами 14 и наполнительными каналами 15 сообщены с камерами сгорания 16, в которых установлены топливные форсунки 17. Осевая длина роторов 11 в два раза больше длины роторов 10, 12 и они смещены диаметрально противоположно от оси ведущего ротора. В торцевых крышках 18 и дисках 19 корпуса в области Н.М.Т., соответствующей максимальному объему камер, выполнены впускные 20 и выпускные 21 продувочные окна 22, соединенные соответственно с внутренней полостью гондолы, которая сообщена с выходом компрессора низкого давления 23 и с выпускным коллектором 24, выход которого соединен с рабочим трактом газовой турбины 25. Рабочие камеры двигателей снабжены уплотнениями с газовой смазкой 26, 27, конструкция которых известна (SU, авт. свид. 958755 А, кл. F 16 J 15/44, опубл. 15.09.1982).

Кроме того, двигатели имеют систему активного управления зазорами между роторами и корпусом, которая подобна (SU, авт. свид. 1414964, кл. F 02 В 55/00, опубл. 07.08.1988) и на чертеже не изображена. Для минимизации зазоров и утечек газа целесообразно применение облитерации зазоров непосредственно при работе двигателя (RU, патент 2013582, кл. F 02 В 53/00, опубл. 30.05.1994).

Внутри ведущих роторов выполнены полости, каналы и теплообменные ребра системы охлаждения, а также осевые отверстия в которых посредством шлицевого соединения (например, с промежуточными шариками) с возможностью осевого смещения установлены вал 28 вентилятора или винта 29 и вал 30 вентилятора 31. Вал 28 посредством радиально-упорного подшипника 32 установлен в шпангоуте 33, скрепленном через неподвижные направляющие лопатки 34 с корпусом. С шпангоутом скреплен также направляющий аппарат 35. На валу 28 зафиксирована турбина 25, с вентилятором 29 соединена турбина 36, с вентилятором 31 скреплены последняя ступень турбины 37, сопло 38 и задний обтекатель (кок) 39. Вал 30 пропущен через осевое отверстие ротора 9 и разгружен через радиально-упорный подшипник 40, расположенный между двигателями, на корпус.

В осевом отверстии вала 30 размещен вал связи 41 между турбиной 42 и ротором 23 компрессора низкого давления. Венцы 43 спрямляющего аппарата компрессора низкого давления установлены или в корпусе, или в барабане 44, который через лопатки 45 и диск 46 жестко соединен с ведущим ротором 8. Ротор компрессора установлен на подшипниках 47, 48. В дисках вентиляторов 29, 31 имеются кольцевые каналы с венцами турбинных лопаток 49, 50. Возможен вариант двигательной установки с традиционными лопаточными газотурбинными двигателями вместо роторных, при этом валы движителей целесообразно соединить с валами двигателей через понижающие редукторы. Возможно также исполнение установки с передним расположением вентиляторов, в этом варианте компрессор и воздухозаборник 51 могут быть установлены на переднем вентиляторе.

При вращении роторов 8, 11 объем межзубовых камер изменяется от минимального в В. М.Т. до максимального в Н.М.Т. Примерно за 30^o до Н.М.Т. открываются выпускные окна 21, затем впускные окна 20 и сжатым в компрессоре 23 воздухом осуществляется прямоточная продувка рабочих камер роторных двигателей, продукты сгорания через коллектор 24 поступают в газовые турбины 25, 36, 49, 50, 42, 37. В фазе ~270^o после В.М.Т. продувка закачивается, воздух сжимается до давления ~ 2 МПа, через окна 13 и нагнетательные каналы 14 с завихрением вытесняется в камеру сгорания 16, смешивается с топливом, подаваемым форсункой 17, смесь воспламеняется и сгорает с повышенным давлением до ~7 МПа, затем происходит расширение продуктов сгорания и продувка. Диаметрально противоположное смещение ведомых роторов 11 относительно роторов 10, 12 обеспечивает уравновешивание радикальных сил давления газа на ведущий ротор 8 и разгрузку их подшипников. Мощность роторных двигателей через валы 28, 30 передается вентиляторами 29, 31, имеющим противоположное направление вращения; крутящий момент на вентиляторах дополнительно увеличивается турбинами 25, 36, 49, 50, 37. Энергия свободной турбины 42 обеспечивает через вал 41 привод компрессора 23.

Технико-экономическую эффективность предложения полезно показать на следующем примере: Основные технические данные двигательной установки с 5-секционными роторными двигателями (ориентировочные): Длина, мм - 3800 Площадь миделя (⊘ 740 мм), м² - 0,43 Масса, кг - 1100 Диаметр вентилятора, мм - 2400 Степень двухконтурности - 56 Мощность - 8000 КВт Удельная масса, кг/КВт - 0,138 Температура в камере сгорания - 2800 К
Степень повышения давления (на высоте 10 км) - 200
Уд.расход топлива - 0,15 кг/кВт•час
Уд.тяга - 0,134 кг/кгс
Частота вращения валов - 3000 об/мин
Коэффициент избытка воздуха - 1
Высокие технические показатели имеют естественное объяснение: высокая температура газов в камере сгорания, превышающая примерно на 1000 К уровень температур в современных газовых турбинах, высокая степень повышения давления, возможность исключения из конструкции понижающего редуктора и др.

Тщательная оптимизация конструкции и применение современных материалов (углепластик, керамика, силикатное стекло, лейкосапфир, ситаллы и др.) обеспечивают значительное повышение указанных преимуществ.

Установка сохраняет преимущества при использовании традиционных газотурбинных двигателей благодаря соосному их расположению (уменьшение миделя) и высокому КПД соосных вентиляторов или винтов.

Роторный двигатель содержит статор 51 с расположенной в нем рабочей полостью, образованной центральным цилиндрическим отверстием с ведущим ротором 52 и четырьмя пересекающимися с центральным отверстием расточками под ведомые роторы 53; с которыми скреплены торцевые крышки 54, 55, в которых на подшипниках 56, 57 установлены ведущий ротор с валом 58 и ведомые роторы 53, равномерно расположенные вокруг ведущего ротора в расточках корпуса. Ведущий ротор снабжен выступами-зубьями 59 циклоидального профиля, сопряженные с впадинами 60 на ведомых роторах. В центральном цилиндрическом отверстии имеются выпускные окна 61 с патрубками 62, в расточках под ведомые роторы выполнены впускные окна 63 для продувки камер сжатия 64, которые образованы объемами впадин 60 и фрагментами 65 в центральной полости, расположенными между окнами 61 и ведомыми роторами. Кроме того, в расточках статора под ведомые роторы выполнены выпускные 66 и впускные 67 окна для продувки впадин от продуктов сгорания. Впускные окна 63 и 67 патрубками 68 соединены с агрегатом наддува, например, с турбокомпрессором. На фиг. 4, 5 впускные окна 63, 67 совмещены в одном окне с общим патрубком; возможно их раздельное исполнение и соединение каждого со своим патрубком, например, для продувки камер сжатия воздухом более высокого давления, чем при продувке впадин от продуктов сгорания через патрубки 69, соединенные с выпускным трактом. Целесообразно исполнение патрубков с резонансной длиной, повышающей эффективность продувки впадин, и дозарядки камер сжатия путем динамического наддува. Вращение роторов синхронизировано шестернями связи 70, 71 в корпусе установлены устройства воспламенения 72, в качестве которых могут быть свечи зажигания и(или) топливные форсунки.

Корпус и роторы выполняются из жаропрочных материалов с низким коэффициентом теплового расширения (КТР), например, из конструкционной керамики, ситалла, лейкосапфира, углекона и др., и сопряжены между собой с минимальными зазорами порядка 0,02-0,1 мм рабочие поверхности их могут иметь относительно "мягкие" истираемые покрытия, например, на основе графита; вершины зубьев ведущего ротора и кромки впадин ведомых роторов покрываются материалом высокой твердости и износоустойчивости. Кроме того, на уплотнительных кромках впадин, на вершинах зубьев, на задней (по ходу) поверхности зубьев ведущего ротора и на поверхностях расточек целесообразно исполнение лабиринтных уплотнений, например, в виде рисок-канавок, расположенных по образующей. Оптимальное число зубьев ведущего ротора и количество ведомых роторов принимается от двух до пяти, причем числа зубьев и ведомых роторов могут быть равны, как на фиг. 4; (при этом подшипники 56 ведущего ротора практически полностью разгружены от сил давления газа), или числа зубьев и ведомых роторов исполняются с разностью в единицу (например, четыре ведомых ротора и пять зубьев; положительный эффект - равномерность крутящего момента на выходном валу 58). В расточках статора под ведомые роторы могут быть исполнены дополнительные каналы 73 для увеличения степени расширения газа из впадин 60, но при этом положительный эффект следует сравнить с отрицательным от кратковременной (практически мгновенной) потери герметичности в момент прохождения вершины зуба ротора через канал.

Весьма простая конструкция изображена на фиг. 6, 7, она содержит двузубый ведущий ротор 84 и два ведомых ротора 75 с тремя впадинами 76 у каждого; впускные 77 и выпускные 78 патрубки для продувки впадин сжатым воздухом или бензовоздушной смесью, выпускные патрубки 79, расположенные в передней по ходу ведущего ротора части корпуса камеры расширения 80, средство воспламенения 81 (форсунка или свеча зажигания). При использовании роторного двигателя в составе двигательной установки на фиг. 1, 2 по оси ведущего ротора выполняются сквозные отверстия. Возможен вариант с патрубками 82 и окнами 83 для продувки камер сжатия 76, выполненными раздельно с патрубками 77 (см. фиг. 7).

При работе двигателя через патрубки 68, 69 сжатым воздухом от вентилятора или турбокомпрессора осуществляется продувка впадин 60 ведомых роторов, затем впрыск топлива через форсунку 72 с большим опережением, соответствующим быстроходности двигателя, продувка камеры сжатия через окна 63 с выпуском продуктов сгорания через патрубок 62, сжатие до минимального объема (В. М. Т., см. фиг. 4), где заканчивается период подготовки смеси и задержки воспламенения, затем воспламенение, сгорание, расширение во впадинах 60, примерно двукратное продолжение расширения в камерах 74 и выпуск отработавших газов через патрубки 69 в выпускной коллектор и турбину агрегата наддува. Исполнение двигателя с двумя выступами ведущего ротора и двумя ведомыми роторами с тремя впадинами у каждого обеспечивает соединение в процессе расширения объема впадины с камерой расширения до начала выпуска газов в выпускной патрубок 79 (см. фиг. 6), таким образом, надобность в перепускном канале, имеющемся в известном аналоге, отпадает, устраняются сопутствующие ему недостатки. Такой же положительный эффект проявляется при трехзубом роторе с тремя ведомыми роторами, имеющими по три впадины, и при четырехзубом роторе, сопряженным с четырьмя ведомыми роторами с двумя впадинами у каждого.

Бесконтактные уплотнения обеспечивают высокие окружные скорости роторов (порядка 50-100 м/с), адиабатный режим работы с минимально дозированным охлаждением наиболее нагретых мест корпуса и неохлаждаемыми роторами; исключается смазка роторов и угар масла, при этом потери от утечек газа меньше механических потерь на трение в поршневых двигателях. Совокупное действие указанных факторов обеспечивает создание чрезвычайно легкого двигателя с удельной массой ~0,03 кг/кВт, простого, надежного, экологичного, с большим ресурсом работы и высоким эффективным КПД.

Формула изобретения

1. Двигательная установка, содержащая турбину и компрессор низкого давления и движитель, например вентилятор, с валом, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена вторым движителем с валом, установленным соосно с первым движителем и двумя двигателями с соосными роторами, установленными с возможностью противоположного направления вращения, валы движителей связаны с роторами двигателей и в них выполнены осевые отверстия, причем один из валов расположен с зазором в осевом отверстии другого вала и одного из роторов, а внутри обоих валов и роторов установлен вал связи компрессора и турбины низкого давления.

2. Двигательная установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый двигатель содержит ведущий и ведомый роторы циклоидального зацепления, разность в количестве зубьев которых равна единице.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что вал одного из движителей разгружен на упорный подшипник, установленный между двигателями.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что валы движителей соединены с роторами с возможностью осевого смещения.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что валы движителей соединены с роторами через редукторы.

6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что она выполнена с задним расположением движителей.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что второй по ходу движения установки движитель соединен с соплом, последней ступенью турбины и задним обтекателем.

8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что диск первого по ходу движения установки движителя снабжен турбинными венцами, а его вал разгружен на упорный подшипник, установленный в шпангоуте, неподвижно соединенном с направляющим аппаратом турбины и гондолой.

9. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что спрямляющий аппарат компрессора соединен с ротором двигателя.

10. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что она выполнена с передним расположением движителей.

11. Установка по п.10, отличающаяся тем, что компрессор и воздухозаборник установлены на первом по ходу движения установки движителе.

12. Роторный двигатель, содержащий статор с рабочей полостью, образованной пересекающимися цилиндрическими поверхностями (расточками), в которых установлены ведущий ротор с циклоидальными выступами и ведомые роторы с впадинами, впускные и выпускные окна для продувки камеры сжатия и расширения, впускные и выпускные окна для продувки впадин, отличающийся тем, что выпускные окна для продувки впадин соединены с выпускным трактом двигателя, впускные окна камеры сжатия выполнены в расточках статора под ведомые роторы или совмещены с впускными окнами продувки впадин.

13. Двигатель по п.12, отличающийся тем, что он содержит от двух до пяти ведомых роторов, расположенных по окружности вокруг ведущего ротора.

14. Двигатель по п. 13, отличающийся тем, что число выступов ведущего ротора равно числу ведомых роторов.

15. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что число зубьев ведущего ротора на один зуб больше или меньше числа ведомых роторов.

16. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что ведущий ротор имеет два выступа и сопряжен с двумя роторами, имеющими по три впадины.

17. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что ведущий ротор имеет три выступа и сопряжен с тремя роторами, имеющими по три впадины.

18. Двигатель по п.13, отличающийся тем, что ведущий ротор имеет четыре выступа и сопряжен с четырьмя роторами, имеющими по две впадины.

РИСУНКИ

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