EA007696B1 - Двигатель с вращающимся соплом камеры сгорания - Google Patents

Abstract

Предложен двигатель с вращающимся соплом камеры сгорания (OCN), имеющий вращающийся узел, содержащий вращающиеся компрессор и сопловое колесо, заключенные в невращающийся внешний корпус, образующий вращающуюся камеру сгорания. Сгорание происходит в камере сгорания в вихре газа, который вращается с той же угловой скоростью, что и вращающийся узел. Также предложен способ охлаждения лопатки вращающегося колеса, такого как колесо турбины или сопловое колесо, путем подачи наружу холодного воздуха у основания лопатки из сопла, вращающегося совместно с лопаткой. Такое охлаждение легко осуществляется в OCN двигателе с использованием кольцевой камеры сгорания по данному изобретению. Также предложен способ борьбы с осевым противотоком посредством использования компрессора камеры сгорания.

Description

Область использования и предпосылки создания изобретения

Данное изобретение относится к двигателю, в частности, к двигателю, имеющему вращающийся узел, включающий в себя совместно вращающиеся компрессор и вращающее компрессор сопловое колесо, заключенные в невращающийся внешний корпус и образующие при этом вращающуюся камеру сгорания.

В традиционном газотурбинном двигателе 10, показанном на фиг. 1, одна или несколько невращающихся камер 12 сгорания расположены между компрессором 14 и турбиной 16. Ротор 18 компрессора и колесо 20 турбины соединены с общим вращающимся валом 22. В процессе работы двигателя 10 компрессор 14 нагнетает воздух в двигатель 10 по направлению к камерам 12 сгорания. Невращающиеся лопатки 24 последней ступени направляющего аппарата компрессора 14 направляют воздух под высоким давлением в камеры 12 сгорания через так называемый диффузор или ступень расширения. В камерах 12 сгорания топливо смешивается с воздухом под высоким давлением. При этом происходит сгорание топливовоздушной смеси и в результате выделения тепловой энергии отработанные газы, расширяясь, устремляются наружу через турбину 16. На расположенных друг за другом ступенях турбины 16 неподвижные направляющие лопатки 30 соплового аппарата турбины 16 ускоряют и изменяют направление отработанных газов на ступенях лопаток 32 турбины колеса 20 турбины. Отработанные газы с высокой скоростью воздействуют на лопатки 32 турбины и создают крутящий момент на колесе 20 турбины, которое вращает вал 22, приводя в движение ротор 18 компрессора.

Одним из слабых мест известных газотурбинных двигателей, таких как двигатель 10, является турбина. Величина коэффициента полезного действия и выходная мощность зависит от скорости вращения колеса 20 турбины, развиваемой за счет направления потока газов с высокой температурой и высокой скоростью из зоны между направляющими лопатками 30 соплового аппарата на лопатки турбины 32. Механические и термические напряжения на лопатках 32 турбины так высоки, что коэффициент полезного действия двигателя ограничивается характеристиками материала лопаток 32 турбины. И хотя высокоскоростной поток газов может быть получен легко, он не может быть эффективно использован из-за сокращения ресурса лопаток турбины. Увеличение ресурса может быть достигнуто путем разбавления отработанных газов более холодными с целью получения потока газов с достаточно умеренной температурой и скоростью, а также путем ограничения скорости вращения колеса турбины. Это приводит к снижению коэффициента полезного действия и ограничивает выходную мощность.

Были разработаны различные бестурбинные двигатели, преодолевающие ограничения, налагаемые использованием турбины. Они описаны в патентах США 2465856, 2499863, 2594629, 3200588 и 6295802. Все такие бестурбинные двигатели имеют множество камер сгорания, жестко закрепленных вокруг приводного вала и имеющих сопла, направленные по существу перпендикулярно приводному валу. Выхлопные газы, выходящие из камер сгорания через сопла, приводят эти камеры сгорания в движение вокруг приводного вала и создают крутящий момент аналогично эолипилу Герона. Эти бестурбинные двигатели не получили распространения. Среди других причин, обусловивших это, чрезмерный момент инерции и экстремальные кольцевые напряжения, вызванные таким расположением камер сгорания.

В патенте США 3557551 описан газотурбинный двигатель, в котором уменьшается скорость, с которой газы, выходящие из вращающихся сопел, набегают на турбину. С этой целью обеспечивается вращение камеры сгорания и сопел, возникающее в результате выхода газов через сопла. В то же время газы, выходящие из сопел, набегают на лопатки турбины, вращая колесо турбины в направлении, противоположном направлению вращения камеры сгорания и сопел. Крутящий момент образуется в результате обоих таких вращении. Основной недостаток этой конструкции подобен недостатку бестурбинных двигателей, описанных выше: камеры сгорания (называемые жаровыми трубами) испытывают значительные кольцевые напряжения. Дополнительным недостатком этой конструкции является то, что воздух подается в камеры сгорания с использованием эффекта скоростного напора и вследствие этого она страдает значительными аэродинамическими потерями на входе.

Другая конструкция, названная «ротоджет», описана в работе «\Уещ1И-По\\· апб 1йги81 Нтйабопз бис 1о 1йе ике о£ го1абид сотЬийога ίη а 1игЬо)е1 епщпе» БехЬещ Е.А. (Лезберг); В1аск8Йеаг Р.Ь. (Блэкшир) и Кау1е \У.Э. (Райль), Научно-исследовательский Меморандум КМ Е55К16 Национального Консультативного Комитета по Аэронавтике (1956). В ротоджете осуществляется совместное вращение ступени компрессора, турбины и множества камер сгорания, подобных прямоточному воздушно-реактивному двигателю и имеющих смещенную ось реакции сопел. Подобно бестурбинным двигателям, описанным выше, такие индивидуальные камеры сгорания («прямоточные воздушно-реактивные двигатели») испытывают значительные кольцевые напряжения.

Другим слабым местом известных газотурбинных двигателей, таких как двигатель 10, является их термодинамический цикл. По причине торможения газов, выходящих из компрессора 14 через невращающиеся лопатки 24 направляющего аппарата перед входом в камеру 12 сгорания, и в силу расширения газов при их прохождении через направляющие лопатки 30 соплового аппарата для приведения в движение колеса 20 турбины, имеют место значительные потери давления, и фактический термодинамический цикл далек от идеального цикла Брайтона (см. приложение). Таким образом, известные газотурбинные двигатели, такие как двигатель 10, по своей сути неэффективны. Ни один из альтернативных газотур

- 1 007696 бинных двигателей, описанных выше, не обеспечивает решения проблемы свойственной им термодинамической неэффективности газотурбинного двигателя.

В связанных друг с другом патентах США 6272844 и 6460343 описаны газотурбинные двигатели без входных направляющих аппаратов турбины для уменьшения потерь давления на входе. В этих двигателях создается вихрь в части выходного потока компрессора путем установки вихреобразующего направляющего аппарата на выходе компрессора. Это решение является неэффективным, поскольку воздух из компрессора сначала проходит диффузор на выходе ротора, а затем снова расширяется в вихреобразователе с дальнейшим уменьшением давления. Кроме того, камера сгорания является неподвижной, что вызывает дальнейшие потери давления и различные неподвижные оболочки. Кроме того, в обоих патентах США 6272844 и 6460343 то обстоятельство, что камера сгорания неподвижна, создает потери давления вследствие трения между вихрем и различными неподвижными оболочками.

Поэтому существует потребность в двигателе, который устраняет вышеуказанные недостатки известных двигателей, в частности, известных газотурбинных двигателей.

Краткое изложение сущности изобретения

Вышеуказанные и другие цели достигаются путем использования двигателя с вращающимся соплом камеры сгорания (ОСЫ) по данному изобретению.

В соответствии с изобретением предлагается двигатель, включающий в себя: вращающийся узел, в том числе основной компрессор, внутренний корпус и вращающее компрессор сопловое колесо; внешний корпус, в который заключен этот вращающийся узел так, что образуется по меньшей мере одна камера сгорания в пространстве между основным компрессором, внутренним корпусом, вращающим компрессор сопловым колесом, отличающийся тем, что внешний корпус не вращается с вращающимся узлом.

В соответствии с одним из отличительных признаков настоящего изобретения эта по меньшей мере одна камера сгорания является по существу единой кольцевой камерой сгорания.

В соответствии с одним из отличительных признаков настоящего изобретения упомянутый двигатель, кроме того, включает в себя компрессор камеры сгорания в камере сгорания. В одном из вариантов осуществления такой компрессор камеры сгорания включает множество лопаток, прикрепленных к внутреннему корпусу.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения вращающийся узел, кроме того, включает в себя по существу кольцевой стабилизатор пламени, расположенный внутри камеры сгорания.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения двигатель, кроме того, включает в себя по существу трубчатый элемент, окружающий внутренний корпус, в котором передняя кромка этого трубчатого элемента расположена позади основного компрессора так, чтобы разделять воздушный поток из основного компрессора на внешний воздушный поток и внутренний воздушный поток, причем внешний воздушный поток проходит между трубчатым элементом и невращающимся внешним корпусом, а внутренний воздушный поток проходит между трубчатым элементом и внутренним корпусом. В некоторых вариантах осуществления данного изобретения в по существу трубчатом элементе выполнены отверстия, обеспечивающие связь между внутренним воздушным потоком и внешним воздушным потоком.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения двигатель, кроме того, включает в себя вращающийся диффузор между основным компрессором и камерой сгорания. В соответствии с дополнительным отличительным признаком данного изобретения упомянутый вращающийся диффузор включает в себя продолжения лопаток последней ступени основного компрессора.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения вращающийся узел двигателя по данному изобретению включает в себя по меньшей мере одну топливную форсунку.

В патенте США 6272844 и связанном с ним патенте США 6460343 описаны двигатели, не имеющие входных статоров турбины. Это сделано для уменьшения потерь давления на входе турбины. В камере сгорания создается вихрь посредством использования вихреобразующего статора на выходе компрессора. Это решение является неэффективным, поскольку воздух на выходе из компрессора сначала проходит диффузор на выходе ротора, а затем снова расширяется в вихреобразователе с дальнейшим уменьшением давления.

В данном изобретении подобные потери давления предотвращаются по существу путем сохранения вихря воздушного потока, образованного компрессором, через вращающуюся камеру сгорания и через сопловое колесо.

Другим недостатком технических решений, описанных в патентах США 6272844 и 6460343, является то, что вихрь генерируется вихреобразователем только для части воздушного потока компрессора. Это приводит к сравнительно низкой угловой скорости вихря на входе турбины, что снижает коэффициент полезного действия.

В отличие от этого технического решения, по данному изобретению весь воздушный поток из компрессора образует вихрь воздушного потока так, что угловая скорость этого вихря по существу близка к угловой скорости соплового колеса.

- 2 007696

Другим недостатком технических решений, описанных в патентах США 6272844 и 6460343, является то, что камера сгорания, будучи неподвижной, создает потери давления, обусловленные трением на границе вихрь/неподвижная камера.

В двигателе по данному изобретению при определенных условиях работы может возникать осевой противоток. Осевой противоток также возникает и в других двигателях, например, в газотурбинных двигателях, где вихри генерируются для того, чтобы увеличить эффективность перемешивания воздуха с топливом. Когда возникает осевой противоток, горячий воздух из задней части камеры сгорания перетекает вперед. Для противодействия осевому противотоку в соответствии с данным изобретением также предлагается двигатель, включающий в себя: а) камеру сгорания, имеющую ось; и Ь) компрессор камеры сгорания, соосный с упомянутой камерой сгорания и находящийся радиально внутри относительно нее. Этот компрессор камеры сгорания скомпонован таким образом, чтобы противодействовать осевому противотоку в камере сгорания.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения компрессор камеры сгорания включает в себя: с) по меньшей мере одну лопатку компрессора камеры сгорания, расположенную вокруг оси камеры сгорания по меньшей мере по одной окружности; и б) по существу трубчатый корпус компрессора камеры сгорания, окружающий лопатки компрессора камеры сгорания.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения компрессор камеры сгорания включает в себя: с) внутренний корпус вращающейся камеры сгорания, соосный с камерой сгорания; б) по меньшей мере две лопатки компрессора камеры сгорания, жестко прикрепленные к внутреннему корпусу вращающейся камеры сгорания и расположенные вокруг оси камеры сгорания по меньшей мере по одной окружности; и е) по существу трубчатый корпус компрессора камеры сгорания, окружающий лопатки компрессора камеры сгорания.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения, лопатки компрессора камеры сгорания расположены по одной или более окружностям вокруг оси (предпочтительно симметрично по каждой окружности), причем каждая окружность содержит по меньшей мере две, предпочтительно более чем две лопатки.

Двигатели внутреннего сгорания, особенно те, которые работают при высоких температурах, часто выделяют нежелательно большие количества загрязняющих выбросов ΝΟ_χ. Один из способов уменьшения таких выбросов состоит в уменьшении содержания кислорода в горючей смеси путем смешивания отработанных газов с горючей смесью. Такой способ известен как возврат отработанных газов. Предпочтительный способ возврата отработанных газов для двигателя по данному изобретению использует наличие радиального градиента давления в двигателе, когда статическое давление ближе к оси является меньшим, чем на удалении от оси двигателя. При этом по данному изобретению для двигателя, имеющего камеру сгорания, в которой сжигается смесь топлива и воздуха, также предусмотрен способ уменьшения выбросов ΝΟχ путем: а) приготовления горючей смеси путем смешивания отработанных газов, топлива и воздуха в первой зоне двигателя; и Ь) сжигания этой горючей смеси в камере сгорания; причем отработанные газы поступают из второй зоны двигателя, в которой статическое давление выше, чем в первой зоне.

Лопатки турбины газотурбинных двигателей подвержены высоким центробежным напряжениям, в результате часто происходит их разрушение у основания из-за ползучести материала при высоких температурах. Предпочтительное среди известных способов пропускание охлаждающей среды через лопатки турбины, выполненные со специальными каналами охлаждения, является дорогостоящим. Центробежные напряжения являются также проблемой, с которой сталкивается сопловое колесо двигателя по данному изобретению, а фактически также общей проблемой, характерной и для других устройств, имеющих вращающееся колесо с лопатками (называемое здесь вращающимся лопаточным колесом). При этом также согласно данному изобретению предусмотрен способ охлаждения лопатки вращающегося лопаточного колеса, прикрепленного к концу вращающегося вала, через основание лопатки путем: а) подготовки по меньшей мере одного по существу направленного по оси канала, вращающегося с вращающимся валом, причем этот по меньшей мере один канал имеет вход и выход; Ь) подачи охлаждающей среды в канал через его вход; и с) направления охлаждающей среды, выходящей из этого канала через выход у основания лопатки, которая подлежит охлаждению.

Для повышения эффективности охлаждения, особенно в тех случаях, когда давление на входе является слишком низким для того, чтобы обеспечить достаточный поток охлаждающей среды с выхода, давление охлаждающей среды, выходящей через выход, повышается посредством использования устройства повышения давления, расположенного внутри канала, например компрессора камеры сгорания, как описано выше. В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения вращающееся лопаточное колесо является сопловым колесом или турбиной, а лопатка является лопаткой соплового колеса или соответственно лопаткой турбины.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения центробежные силы использованы для того, чтобы перемещать охлаждающую среду, выходящую с выхода, вдоль передней кромки охлаждаемой лопатки.

- 3 007696

В патенте США 6272844 описан способ охлаждения лопатки турбины, в котором вращающийся лопаточный диск присоединен к вращающемуся колесу турбины. Эффект состоит в том, что часть холодного воздуха из компрессора подается через каналы и выходит перед соответствующей лопаткой турбины. Этот холодный воздух создает оболочку и охлаждает соответствующую лопатку турбины. Несмотря на поверхностное сходство с данным изобретением, очень сомнительно, чтобы техническое решение по патенту США 6272844 функционировало, как описано.

Основная проблема в таком техническом решении состоит в том, что воздух, поступающий на входы каналов (обозначенных 40 в патенте США 6272844), не в состоянии течь через эти каналы и выходить через выходы охлаждения (обозначенные 44 в патенте США 6272844). Это вытекает из того, что поскольку воздух на входе не подвергается действию центробежных сил, статическое давление вблизи этих входов ниже, чем статическое давление на выходах. Фактически при таких условиях нагретый воздух течет радиально от периферии турбины по направлению к оси, скорее нагревая, а не охлаждая лопатки турбины.

Также по данному изобретению предусмотрен способ создания крутящего момента путем: а) обеспечения вихря газа, вращающегося с первой угловой скоростью вокруг оси; Ь) направления газа из вихря через по меньшей мере одно сопло, причем это сопло вращается на валу со второй угловой скоростью вокруг оси; и с) снятия крутящего момента с вала.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения эта первая угловая скорость и эта вторая угловая скорость являются по существу равными. В соответствии с другим отличительным признаком данного изобретения вихрь заключен внутри невращающегося внешнего корпуса.

Также по данному изобретению предусмотрен способ создания крутящего момента путем: а) создания вихря сжатого воздуха, вращающегося с первой угловой скоростью вокруг оси; Ь) смешивания топлива со сжатым воздухом; с) сжигания топлива в пределах этого вихря; б) направления воздуха, нагретого при сгорании, из вихря через по меньшей мере одно сопло, причем это сопло вращается на валу со второй угловой скоростью вокруг оси; и е) снятия крутящего момента с этого вала.

В соответствии с одним из отличительных признаков данного изобретения, эта первая угловая скорость и эта вторая угловая скорость являются по существу равными. В соответствии с другим отличительным признаком данного изобретения вихрь воздуха заключен внутри невращающегося внешнего корпуса. В соответствии с другим отличительным признаком данного изобретения такой вихрь создается компрессором, вращающимся вокруг оси вихря со второй угловой скоростью.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Данное изобретение описывается, только лишь в виде примера, при помощи прилагаемых чертежей, на которых:

фиг. 1 (известное техническое решение) представляет собой в сущности изображение в разрезе обычного газотурбинного двигателя;

фиг. 2 представляет собой в сущности изображение в разрезе варианта осуществления ΟΟΝ двигателя по данному изобретению в турбореактивном исполнении, который имеет вращающиеся топливные форсунки, являющиеся частью стабилизаторов пламени;

фиг. 2А представляет собой в сущности изображение в разрезе камеры сгорания варианта осуществления ΟΟΝ двигателя по данному изобретению в турбореактивном исполнении;

фиг. 2В представляет собой продольный раздел вращающегося узла варианта осуществления ΟΟΝ двигателя;

фиг. 3 в сущности представляет собой изображение в разрезе камеры сгорания ΟΟΝ двигателя, имеющего неподвижные топливные форсунки, расположенные между диффузором и камерой сгорания;

фиг. 4 представляет собой в сущности изображение в разрезе камеры сгорания ΟΟΝ двигателя, имеющего кольцевой стабилизатор пламени и возврат отработанных газов;

фиг. 5 представляет собой поперечный разрез ΟΟΝ двигателя, на котором изображен компрессор камеры сгорания;

фиг. 6А представляет собой разрез по оси вращающего компрессор соплового колеса, на котором показаны три лопатки соплового колеса, два сопла и реализация способа охлаждения лопатки по данному изобретению;

фиг. 6В представляет собой изображение в разрезе по цилиндрической поверхности, которая соосна с осью ΟΟΝ двигателя, деталей охлаждения основания лопатки вращающего компрессор соплового колеса в соответствии со способом по данному изобретению;

фиг. 7 представляет собой в сущности изображение в разрезе варианта осуществления ΟΟΝ двигателя в турбовальном исполнении, который имеет свободное сопловое колесо, чтобы приводить в движение нагрузку;

фиг. 8 представляет собой схематическое изображение в перспективе вращающегося узла ΟΟΝ двигателя, в варианте компоновки для частичного наполнения;

фиг. 9 представляет собой в сущности изображение в разрезе варианта осуществления ΟΟΝ двигателя в турбовентиляторном исполнении; и

- 4 007696 фиг. 10 представляет собой в сущности изображение в разрезе варианта осуществления ОСЫ двигателя в турбовинтовом исполнении.

Подробное описание изобретения

Двигатель по данному изобретению отличается наличием вращающегося узла, содержащего совместно вращающиеся компрессор и сопловое колесо, заключенные в невращающийся внешний корпус и образующие при этом вращающуюся камеру сгорания. Так как, в отличие от известных турбин, в двигателе по данному изобретению нет колеса турбины, и крутящий момент образуется путем использования вращающегося соплового колеса, а поскольку сгорание происходит в вихре воздуха, вращающегося вместе с вращающимся узлом, двигатель по данному изобретению назван ОСЫ двигателем с вращающимся соплом камеры сгорания.

Принципы и работа ОСЫ двигателя по данному изобретению становятся более понятыми при помощи прилагаемых фигур и сопровождающего их описания. На этих фигурах одинаковые позиции обозначают эквивалентные части.

Типичный не ограничивающий объем изобретения вариант осуществления ОСЫ двигателя 40 схематически изображен на фиг. 2. Это изображение и другие изображения, приведенные далее, главным образом выполнены в виде разрезов. Из последующих пояснений становится ясно, какие из изображенных элементов (например, щели 82 перепуска воздуха) не показаны в сечениях. ОСЫ двигатель 40 является аналогичным известному турбореактивному двигателю, такому как газотурбинный двигатель 10, изображенный на фиг. 1. Как и известные газотурбинные двигатели, ОСЫ двигатель 40 имеет компрессор 42 и камеру 46 сгорания. Однако в отличие от газотурбинного двигателя 10, в котором невращающиеся лопатки 24 последней ступени статора направляют сжатый воздух из компрессора 14 в камеры 12 сгорания, в ОСЫ двигателе, таком как 40, воздух направляется из компрессора 42 в камеру 46 сгорания при помощи вращающихся лопаток 44 диффузора. Кроме того, в отличие от камеры 12 сгорания газотурбинного двигателя 10, камера 46 сгорания ОСЫ двигателя 40 является вращающейся камерой сгорания. Камера 46 сгорания ОСЫ двигателя 40 подробно показана на фиг. 2А. Кроме того, вместо турбины 16 крутящий момент, для приведения в движение компрессора 42 создается на ступени 48 снятия крутящего момента использованием вращающего компрессор соплового колеса 50.

Ось двигателя 40 определяется вращающимся валом 52. ОСЫ двигатель 40 имеет вращающийся узел 54 (см. фиг. 2В), содержащий вращающийся вал 52, к которому присоединены осевые ступени ротора 64 компрессора, рабочее колесо 68 компрессора, стабилизаторы 58 пламени, внутренний корпус 60 и вращающее компрессор сопловое колесо 50. В некоторых вариантах осуществления ОСЫ двигателя некоторые элементы вращающегося узла 54 присоединяются к вращающемуся валу 52 не непосредственно, а скорее опосредованно, например, через внутренний корпус 60. Существенно, что в процессе работы ОСЫ двигателя 40 все части вращающегося узла 54 вращаются с одной и той же угловой скоростью вокруг оси двигателя 40. В некоторых вариантах осуществления двигателя с ОСЫ другие узлы двигателя также являются частями соответствующего вращающегося узла. Вращающийся узел 54 заключен в невращающийся внешний корпус 62. Существенно при этом отметить, что внутренняя поверхность неподвижного внешнего корпуса 62 рассматривается как часть камеры 46 сгорания.

Компрессор

Так же, как и известный газотурбинный двигатель, такой как двигатель 10, ОСЫ двигатель, выполненный в соответствии с данным изобретением, имеет компрессор. Компрессор ОСЫ двигателя по существу подобен известным компрессорам и может быть любого типа, обычно используемого в газотурбинных двигателях, такого как центробежный компрессор, осевой компрессор или комбинированный центробежно-осевой компрессор. Преимущества различных компоновок компрессора являются известными специалистам в данной области техники и не требуют дальнейшего обсуждения.

Однако важным отличием от компрессоров известных газотурбинных двигателей, таких как двигатель 10, у компрессора 42 ОСЫ двигателя является то, что в ОСЫ двигателе нет неподвижного статора 24. Эта особенность конструкции рассматривается ниже в разделе, относящемся к диффузору.

ОСЫ двигатель 40, изображенный на фиг. 2, имеет комбинированный центробежно-осевой компрессор 42, содержащий две осевых ступени 64 ротора компрессора, лопатки 66 статора и центробежное рабочее колесо 68.

Важно при этом отметить, что в некоторых вариантах осуществления данного изобретения двигатель имеет более чем один компрессор. Таким образом, в некоторых случаях компрессор, как например, компрессор 42 ОСЫ двигателя 40 называется основным компрессором.

Вращающийся диффузор

Известные газотурбинные двигатели, такие как двигатель 10, имеют осевую организацию воздушного потока через камеры 12 сгорания. Назначением невращающихся лопаток 24 последней ступени статора, составляющих неподвижную ступень диффузора, является прием воздуха из ротора компрессора 14, организация этого воздушного потока в осевом направлении и преобразование скорости в статическое давление. В известных газотурбинных двигателях, таких как двигатель 10, воздух обычно входит в ступень диффузора со скоростью 400 м/с и замедляется за счет расширения в диффузоре и воздействия

- 5 007696 невращающихся лопаток 24 последней ступени статора до скорости около 70 м/с. Такое торможение вызывает 5-10% потерь коэффициента полезного действия компрессора.

В отличие от него, в ОСЫ двигателе воздух, поступающий в камеру сгорания, попадает в вихрь, вращающийся вокруг оси двигателя. Соответственно ОСЫ двигатель имеет вместо неподвижной ступени диффузора вращающуюся ступень диффузора. В ОСЫ двигателе вращающийся диффузор направляет воздушный поток, выходящий из компрессора, в направлении к камере сгорания и преобразовывает относительную скорость в статическое давление. Однако этот вихрь воздушного потока не подавляется, а предпочтительно скорее усиливается.

В наиболее простом варианте осуществления ступень диффузора ОСЫ двигателя по существу включает в себя вращающиеся лопатки диффузора как продолжения лопаток последней ступени ротора компрессора или рабочего колеса. Форма камеры, в которой вращаются лопатки диффузора, такова, что вращение вихря воздуха, выходящего из соответствующего рабочего колеса компрессора, передается, также как вихрь, по направлению к камере сгорания. Кроме того, вследствие уменьшения скорости воздушного потока, который проходит от рабочего колеса через диффузор, статическое давление в воздушном потоке повышается, тогда как вращательный момент вихря газа сохраняется или даже возрастает. Поскольку скорость воздуха в ОСЫ двигателе измеряется относительно вращающихся частей, то снижение скорости является низким, например, от около 200 м/с (относительная скорость) до 100 м/с из-за торможения через диффузор, что приводит к всего лишь 2% потерь коэффициента полезного действия компрессора.

Как изображено на фиг. 2 и 2Ь, вращающиеся лопатки 44 диффузора ОСЫ двигателя 40 являются просто физическим продолжением лопаток центробежного рабочего колеса 68. Вращающиеся лопатки 44 диффузора способствуют возрастанию вращательного импульса вихря газа, входящего во вращающуюся камеру 46 сгорания двигателя 40.

Вращающаяся камера сгорания

Существуют много компоновок камеры сгорания известных газотурбинных двигателей. В ОСЫ двигателе камера сгорания является по существу камерой сгорания кольцевого типа с вихревым потоком, в которой поток газов перемещается в вихре вокруг центральной оси самого двигателя. Однако поскольку вихрь газа вращается по существу с той же угловой скоростью, что и компрессор, диффузор и вращающее компрессор сопловое колесо, в системе отсчета вращающегося узла камера сгорания представляет собой камеру сгорания с осевым потоком, в котором скорость вихря является сравнительно низкой (предположительно обычно около 80 м/с).

Конструктивно камера сгорания ОСЫ двигателя, например, камера 46 сгорания ОСЫ двигателя 40, изображенного на фиг. 2А, является по существу единой кольцевой камерой, образованной вращающимся узлом 54 и внутренней поверхностью невращающегося внешнего корпуса 62.

В процессе работы ОСЫ двигателя 40 воздух, движимый вращающимися лопатками 44 диффузора, смешивается с топливом из вращающихся форсунок 74, составляющих часть вращающихся стабилизаторов 58 пламени. Основная зона сгорания образуется вращающимися стабилизаторами 58 пламени, создающими однородный кольцевой факел пламени.

Расположение топливных форсунок

Первым предпочтительным местом для расположения топливных форсунок в ОСЫ двигателе является расположение совместно или поблизости от стабилизаторов пламени, как изображено на фиг. 2, 2А и 2В, на которых вращающиеся форсунки 74 ОСЫ двигателя 40 являются частями вращающихся стабилизаторов 58 пламени.

Вторым предпочтительным местом для расположения топливных форсунок в ОСЫ двигателе является область, где вихрь воздушного потока выходит из вращающегося диффузора в камеру сгорания, как изображено на фиг. 3 для камеры 47 сгорания. Вихрь между диффузором и камерой сгорания является эффективной зоной предварительного смешивания, обеспечивающей создание однородной топливовоздушной смеси. Такая однородная дисперсия позволяет производить сгорание бедных смесей с относительно низкими выбросами ЫО_Х.

Вращающиеся топливные форсунки

В ОСЫ двигателе 40, изображенном на фиг. 2, 2А и 2В, топливо направляется через топливопроводные каналы 76, проходящие через вращающийся вал 52 к вращающимся форсункам 74, выходящим в камеру сгорания 46 через вращающиеся стабилизаторы 58 пламени. ОСЫ двигатели, имеющие вращающиеся форсунки, являются обычно более компактными, чем ОСЫ двигатели, имеющие неподвижные форсунки. Также при использовании вращающихся форсунок не являются необходимыми топливные насосы высокого давления, поскольку топливо разбрызгивается из форсунок при помощи центробежных сил.

Неподвижные топливные форсунки

Хотя ОСЫ двигатель 40, изображенный на фиг. 2, 2А и 2В, показан как имеющий вращающиеся форсунки 74, ОСЫ двигатель может вместо них иметь неподвижные топливные форсунки 74Ь, как изображено на фиг. 3.

- 6 007696

На фиг. 3 изображена камера 47 сгорания ОСЫ двигателя, подобная камере 46 сгорания, изображенной на фиг. 2А с одним существенным различием, состоящим в том, что вращающиеся топливные форсунки заменены неподвижными топливными форсунками 74Ь. Неподвижные форсунки 74Ь имеют выход в камеру сгорания 47 между диффузором и камерой сгорания.

Смешивание воздуха с топливом, впрыснутым через неподвижные форсунки 74Ь, является более эффективным, чем смешивание воздуха с топливом, впрыснутым через вращающиеся форсунки 74, вследствие наличия вихря воздушного потока внутри камеры сгорания относительно неподвижных форсунок 74Ь. Таким образом, неподвижные форсунки, такие как 74Ь, предпочтительны для использования в неподвижных ОСЫ двигателях, имеющих большие камеры сгорания.

Вращающиеся стабилизаторы пламени

В ОСЫ двигателе 40, изображенном на фиг. 2, 2А и 2В, как и в камере сгорания 47, изображенной на фиг. 3, основные зоны создаются с использованием вращающихся стабилизаторов 58 пламени. Вращающиеся стабилизаторы 58 пламени рассматриваются как часть вращающегося узла 54. В некоторых вариантах осуществления ОСЫ двигателей основные зоны создаются с использованием невращающихся стабилизаторов пламени (не показаны), прикрепленных к внешнему корпусу 62. Конструкция и расположение вращающихся стабилизаторов 58 пламени или невращающихся стабилизаторов пламени известны специалистам в данной области техники. Заслуживает внимания, что использование стабилизаторов пламени в камерах сгорания несвойственно газотурбинным двигателям. Они обычно используются только в прямоточных воздушно-реактивных двигателях или в форсажных камерах известных газотурбинных двигателей.

В предпочтительном варианте осуществления ОСЫ двигателя используется кольцевой стабилизатор пламени. Такой кольцевой стабилизатор пламени подробнее описан ниже.

Разбавление и теплоизоляция

В ОСЫ двигателе предпочтительным способом разбавления отработанных газов является подача воздуха в камеру сгорания через внутренний корпус или как через внутренний корпус, так и через внешний корпус.

В камере 46 сгорания, изображенной на фиг. 2А, и камере 47, изображенной на фиг. 3, определенная часть воздуха из компрессора 42 подается через каналы охлаждения, такие как 78, в камеру сгорания 46 через воздушные щели 80 во внутреннем корпусе.

На фиг. 2А канал 78 охлаждения является одним из нескольких каналов охлаждения через внутренний корпус 60, подающих холодный воздух от компрессора 42.

В отличие от них, канал 78 охлаждения камеры 47 сгорания, изображенной на фиг. 3, определен пространством, образованным между внутренним корпусом 60 и трубчатым элементом 79. Трубчатый элемент 79 является соосным и окружает внутренний корпус 60, и жестко прикреплен к нему четырьмя венцами стоек 86а, 86Ь, 86с и 866. Стойки 86а, 86Ь, 86с и 866 расположены так, что образуют вместе с трубчатым элементом 79 «компрессор камеры сгорания», подробнее рассмотренный далее.

Преимущество воздуха разбавления, вдуваемого через воздушные щели 80 во внутреннем корпусе, является двояким. Во-первых, поскольку воздушные щели 80 во внутреннем корпусе являются вращающимися, то, вдуваемый через них воздух имеет вращательный момент и таким образом не создает помех вихрю воздушного потока. Во-вторых, более холодный и, соответственно, более плотный воздух, вдуваемый через воздушные щели 80 во внутреннем корпусе, переносится изнутри наружу за счет центробежных сил в направлении к внешнему корпусу 62. Воздух разбавления эффективно смешивается с отработанными газами.

Внешний корпус

Как уже отмечалось выше во введении, известные газотурбинные двигатели с вращающимися камерами сгорания имеют вращающиеся внешние корпуса. В результате внешний корпус таких известных газотурбинных двигателей подвергается высоким кольцевым напряжениям, которые в конечном счете ограничивают максимально достижимую скорость вращения, сокращая выходную мощность. В отличие от них, ОСЫ двигатель не имеет кольцевых напряжений во внешнем корпусе. Недостатком того, что внешний корпус ОСЫ двигателя не вращается с вихрем воздушного потока, является гидравлическое сопротивление, обычно приводящее к примерно 2% падения давления в вихре воздушного потока. Гидравлическое сопротивление может быть снижено в ОСЫ двигателе путем вдувания воздуха в камеру сгорания через окна во внешнем корпусе с целью изменения характера потока на турбулентный на границе раздела вихрь воздушного потока/внешний корпус. Кроме того, воздух, вдуваемый через внешний корпус, способствует поддержанию теплоизоляционной воздушной оболочки. Также воздух, вдуваемый через внешний корпус, разбавляет отработанные газы.

В камере 46 сгорания, изображенной на фиг. 2А, и камере 47, изображенной на фиг. 3, воздух вдувается через воздушные щели 82 во внешнем корпусе 62. Как уже рассматривалось выше, такое вдувание уменьшает гидравлическое сопротивление между вихрем воздушного потока и внешним корпусом, способствует поддержанию теплоизоляционной воздушной оболочки для защиты внешнего корпуса и разбавления отработанных газов.

- 7 007696

В камере сгорания 47, изображенной на фиг. 3, видно, что форма внутренней поверхности внешнего корпуса 62, определяющая внешнюю границу камеры 46 сгорания, является в поперечном сечении выпуклой наружу. Выпуклый наружу профиль является эффективным для захватывания холодного воздуха, вдуваемого через воздушные щели 80, который переносится центробежными силами к внешнему корпусу 62. Таким образом образуется самопополняющаяся теплоизолирующая воздушная оболочка для предотвращения перегрева внешнего корпуса 62.

Внутренний корпус с кольцевым стабилизатором пламени

На фиг. 4 изображена камера 49 сгорания ОСЫ двигателя, подобная камере 46 сгорания ОСЫ двигателя 40, изображенной на фиг. 2А. Одним из существенных различий является то, что вращающийся стабилизатор пламени 58, каналы 78 охлаждения и воздушные щели 80 во внутреннем корпусе камеры 46 сгорания, изображенные на фиг. 2А, заменены кольцевым стабилизатором 84 пламени в камере 49 сгорания. Кольцевой стабилизатор 84 пламени (заштрихован) объединяет функции стабилизатора пламени и осуществляющего разбавление элемента в одном конструктивно простом, но очень эффективном узле. Кроме того, кольцевой стабилизатор 84 пламени делает возможным эффективное охлаждение вращающего компрессор соплового колеса 50, что подробнее рассматривается далее. Кольцевой стабилизатор 84 пламени является по существу трубчатой конструкцией, прикрепленной к внутреннему корпусу 60 при помощи множества стоек 86. Передняя кромка 88 кольцевого стабилизатора 84 пламени аэродинамически выполнена таким образом, что не вызывает возникновения турбулентности или ударной волны в вихре воздушного потока. За передней кромкой 88 профиль кольцевого стабилизатора 84 пламени включает первый участок 90, который заканчивается ступенькой 92. После ступеньки 92 профиль кольцевого стабилизатора 84 пламени продолжается вторым участком 94. Говоря коротко, профиль кольцевого стабилизатора 84 пламени представляет собой подобие гарпуна или Ζ-образную форму.

Наличие кольцевого стабилизатора 84 пламени в вихре воздушного потока разделяет воздушный поток на два отдельных воздушных потока: первый внешний воздушный поток между кольцевым стабилизатором 84 пламени и внешним корпусом 62 и второй внутренний воздушный поток между кольцевым стабилизатором 84 пламени и внутренним корпусом 60. Хотя идеальное соотношение распределения воздушного потока на внутренний воздушный поток и внешний воздушный поток зависит от многих факторов, сейчас полагают, что предпочтительно от 25 до 35% от полного воздушного потока направлять во внешний воздушный поток.

Наличие ступеньки 92 на кольцевом стабилизаторе 84 пламени в воздушном потоке образует объем воздуха, который сравнительно медленно перемещается в осевом направлении и, следовательно, выступает в качестве основной зоны в камере сгорания 46.

В кольцевом стабилизаторе 84 пламени выполнены множество каналов или отверстий 96, расположенных таким образом, чтобы делать возможным проход воздуха из внутреннего воздушного потока через кольцевой стабилизатор 84 пламени и слияние с внешним воздушным потоком, особенно в основной зоне и в зонах разбавления. Размер, форма и расположение каналов или отверстий 96 выбраны таким образом, чтобы сделать возможным эффективное охлаждение кольцевого стабилизатора 84 пламени, а также сделать возможным эффективное смешивание и разбавление основной и вторичной зон в процессе сгорания. В предпочтительном варианте осуществления изобретения не весь внутренний воздушный поток перемешивается с внешним воздушным потоком через кольцевой стабилизатор 84 пламени; скорее значительная часть проходит за пределами хвостовика кольцевого стабилизатора 84 пламени для эффективного охлаждения вращающего компрессора соплового колеса 50, что подробнее рассматривается далее.

В частности, на фиг. 4 изображены два типа отверстий в кольцевом стабилизаторе 84 пламени.

Первый тип отверстий, 96а и 96Ь, имеет такие размер, форму и направление через кольцевой стабилизатор 84 пламени, чтобы пропускать воздух из внутреннего воздушного потока по существу параллельно второму участку 94. Таким образом второй участок 94 изолирован от тепла, образующегося при сгорании топлива в основной зоне, при помощи пленки воздуха, выходящего через отверстия 96а и 96Ь.

Второй тип отверстий, 96с и 966, имеет такие размер, форму и направление через кольцевой стабилизатор 84 пламени, чтобы пропускать воздух из внутреннего воздушного потока как для разбавления внешнего воздушного потока, так и для образования теплоизолирующей пленки холодного воздуха, вытекающего параллельно второму участку 94 в контакте с ним. Существенно, что расположение отверстий 96с и 966 таково, что плотный холодный воздух из внутреннего воздушного потока, который не смешивается с воздухом из внешнего воздушного потока, переносится центробежными силами к внутренней поверхности внешнего корпуса 62. Таким образом образуется непрерывно пополняемый изолирующий слой холодного воздуха вдоль внутренней поверхности внешнего корпуса 62, как рассматривалось выше для камеры 46 сгорания, изображенной на фиг. 2А.

Специалисту в данной области техники понятно, что при использовании кольцевого стабилизатора пламени, описанного выше, градиент температур, образованный перпендикулярно оси двигателя, является близким к идеальному. Вблизи элементов конструкции, которыми являются кольцевой стабилизатор 84 пламени и внешний корпус 62, воздух является относительно холодным. В отличие от этого, в центре основной зоны воздух является горячим.

- 8 007696

Стойки 86 установлены радиально рядами, причем каждый ряд выстроен в виде венца по существу параллельных стоек вокруг внутреннего корпуса 60. Стойки 86 предпочтительно имеют аэродинамическую форму для минимизации потерь давления. Стойки 86 выполняют четыре основные функции.

Первая основная функция стоек 86 является конструктивной - удерживать кольцевой стабилизатор 84 пламени на своем месте.

Вторая основная функция стоек 86 - образование изолирующей оболочки холодного воздуха для предотвращения перемещения пламени из основной зоны к внутреннему корпусу 60.

В ОСЫ двигателе вихрь воздушного потока образует внутри камеры сгорания радиальный градиент статического давления, который растет в направлении к внешнему корпусу. Один из эффектов этого градиента состоит в том, что при определенных условиях возникает противоток горячего воздуха отработанных газов из зоны вблизи вращающего компрессор соплового колеса вдоль внутреннего корпуса в направлении к переднему срезу двигателя. Таким образом, третья основная функция стоек 86 - предотвращение противотока, возникающего из вихря воздушного потока в ОСЫ двигателе в направлении от вращающего компрессор соплового колеса 50 вдоль внутреннего корпуса 60. Предпочтительным способом достижения этого является то, что некоторые стойки 86 отклонены таким образом, чтобы по существу образовать компрессор в камере 49 сгорания. Этот компрессор камеры сгорания увеличивает давление внутреннего воздушного потока, препятствуя противотоку от вращающего компрессор соплового колеса 50.

Четвертая основная функция стоек 86, связанная с третьей основной функцией, - повышение давления внутреннего воздушного потока для того, чтобы улучшить разбавление в основной зоне. Хотя разбавлению из внутреннего воздушного потока способствуют центробежные силы и большая плотность холодного воздуха, формирующего внутренний воздушный поток, эффективность разбавления еще более увеличивается при использовании компрессора камеры сгорания.

В камере 49 сгорания ОСЫ двигателя, изображенного на фиг. 4, стойки 86 установлены по окружности в четыре ряда, называемые венцами. Стойки 86а первого венца выполнены в виде лопаток и установлены под углом от приблизительно 30 до приблизительно 50° от линии, параллельной оси двигателя. Стойки 86Ь второго венца выполнены в виде лопаток и установлены под углом от приблизительно 10 до приблизительно 20° относительно линии, параллельной оси двигателя. Таким образом, стойки 86а и 86Ь реализуют концепцию компрессора камеры сгорания. Стойки 86с третьего венца и стойки 866 четвертого венца, выполняющие главным образом конструктивную функцию, выполнены в виде лопаток и по существу параллельны оси двигателя.

На фиг. 5 изображен поперечный разрез перпендикулярно оси камеры 49 сгорания по стойкам 86Ь, также изображенным на фиг. 4. На фигуре видно, что стойки 86Ь присоединяют кольцевой стабилизатор 84 пламени к внутреннем корпусу 60. Кроме того, видно, что стойки 86Ь расположены под углом к оси двигателя. Таким образом внутренний корпус 60, стойки 86Ь и кольцевой стабилизатор 84 пламени образуют компрессор камеры сгорания.

Специалисту в данной области техники понятно, что не только ОСЫ двигатели, но и другие виды двигателей могут также страдать осевым противотоком. Специалисту в данной области техники при изучении описания компрессора камеры сгорания, приведенного выше, становится понятно, каким образом преодолеть недостатки, вызванные осевым противотоком в других видах двигателей путем реализации с соответствующими доработками описанной здесь конструкции.

Конструктивным вопросом, на который следует обращать внимание при реализации в ОСЫ двигателе кольцевого стабилизатора пламени, такого как стабилизатор 84, являются кольцевые напряжения, которые испытывает кольцевой стабилизатор пламени. Прежде всего, важно помнить, что небольшой радиус кольцевого стабилизатора пламени означает, что кольцевые напряжения являются по своему существу низкими. Кроме того, поскольку кольцевой стабилизатор пламени является обычно небольшой цельной деталью, поддерживаемой радиальными стойками со стороны внутреннего корпуса, то проблем, связанных с кольцевыми напряжениями, можно избежать при разумных затратах посредством придания кольцевому стабилизатору пламени формы с высокой прочностью конструкции и выполнению его из жестких материалов, таких как специальные жаропрочные сплавы металлов или керамические материалы.

Возврат отработанных газов

В данной области техники хорошо известен возврат отработанных газов в основную зону с целью уменьшения содержания кислорода и, следовательно, выбросов ЫО_Х. В ОСЫ двигателе возврат отработанных газов достигается достаточно просто благодаря тому, что радиальный градиент статического давления внутри камеры сгорания растет в направлении к внешнему корпусу.

На фиг. 4 изображен возврат отработанных газов отработанных газов для ОСЫ двигателя. Вход 77 возврата отработанных газов во внешний корпус 62 находится выше по потоку от вращающего компрессор соплового колеса 50. Выход 79 возврата отработанных газов находится вблизи основной зоны, образованной кольцевым стабилизатором 84 пламени, предпочтительно как можно ближе к внутреннему корпусу 60. Выход 79 возврата отработанных газов и вход 77 возврата отработанных газов находятся в связи через трубу 81 возврата отработанных газов, допускающую прохождение потока газов от входа 77

- 9 007696 возврата отработанных газов к выходу 79 возврата отработанных газов. Часть трубы 81 возврата отработанных газов, которая выходит в камеру 46 сгорания, имеет аэродинамическую форму для того, чтобы не вызывать турбулентность в вихре воздушного потока внутри камеры 46 сгорания. Труба 81 возврата отработанных газов проходит через клапан 83. Этот клапан 83 выполнен с возможностью регулирования возврата отработанных газов при необходимости.

Когда требуется выполнить возврат отработанных газов, клапан 83 открывается. Благодаря тому, что вход 77 возврата отработанных газов находится дальше от оси двигателя, где статическое давление является высоким, тогда как выход 79 возврата отработанных газов находится ближе к оси двигателя, где статическое давление является низким, бедные кислородом отработанные газы проходят через трубу 81 возврата отработанных газов в основную зону камеры 46 сгорания.

Ступень снятия крутящего момента Вращающее компрессор сопловое колесо

Турбины известных газотурбинных двигателей, таких как двигатель 10, содержат одну или более ступеней. Каждая ступень содержит невращающееся сопловое колесо, имеющее множество радиально расположенных сопловых направляющих лопаток 30 и колеса 20 турбины, имеющего радиально расположенные лопатки 32 турбины. Сопловые направляющие лопатки 30 направляют поток воздуха, выходящего из камер 12 сгорания под острым углом, обычно в диапазоне 25-35° от линии, параллельной оси двигателя. Лопатки 12 турбины имеют аэродинамический профиль активного, реактивного или активнореактивного типа. Хотя такие профили необходимы для эффективной работы турбины, значительное количество энергии теряется вследствие разрежения, возникающего на одной поверхности аэродинамического профиля, и давления, возникающего на другой поверхности аэродинамического профиля, что в итоге приводит к вторичным перетокам между двумя соседними лопатками. Более важной является необходимость профилирования лопатки турбины таким образом, чтобы воздушный поток вдоль лопаток был дозвуковым для предотвращения возникновения сверхзвуковых ударных волн на передней и задней кромках. Требование дозвукового характера потока ограничивает коэффициент давления турбины и увеличивает сложность конструкции двигателя при необходимости использования многоступенчатой турбины. Например, в традиционном известном газотурбинном двигателе, имеющем давление 25 бар (2,5 МПа) в камере сгорания, каждая ступень турбины должна иметь предел коэффициента давления приблизительно 2,5-3,0 для предотвращения возникновения сверхзвукового потока. Такой традиционный двигатель должен, таким образом, иметь 3 ступени статора и 3 ступени турбины с присущей такой конструкции высокой сложностью и соответствующей стоимостью.

В отличие от него, ОСЫ двигатель, такой как ОСЫ двигатель 40, изображенный на фиг. 2, не имеет ни колеса турбины, ни невращающегося соплового колеса, а имеет вращающее компрессор сопловое колесо 50, которое является частью вращающегося узла 54. Вращающее компрессор сопловое колесо 50 представляет собой по существу множество лопаток 98 соплового колеса, расположенных радиально извне от ступицы, прикрепленной к вращающемуся валу 52. Фиг. 6А представляет собой разрез по оси вращающего компрессор соплового колеса 50, на котором показаны три лопатки 98 и два сопла 102. Как видно на фиг. 6А, пространство между двумя соседними лопатками 98 соплового колеса образует сопло 102. Сопло 102 предпочтительно имеет сужающуюся-расширяющуюся форму (форму сопла Лаваля).

Поскольку в ОСЫ двигателе, таком как ОСЫ двигатель 40, крутящий момент вырабатывается без турбины, угол выхода сопел 104 может быть фактически любым углом между близким к 0° (параллельно оси двигателя) или близким к 90° (перпендикулярно к оси двигателя). Как понятно специалисту в данной области техники, когда необходимо получить большую тягу, угол выхода сопел 104 обычно является меньшим (ближе к направлению, параллельному оси двигателя) так, что скорость газовых струй, выходящих из сопел 104, имеет значительную осевую составляющую. В отличие от этого, когда необходимо получить больший крутящий момент, угол выхода сопел 104 предпочтительно является большим (ближе к направлению, перпендикулярному оси двигателя) и, в принципе, может быть насколько это возможно близким к перпендикуляру к оси двигателя. Таким образом вырабатывается максимальный крутящий момент.

На фиг. 6А лопатки 98 соплового колеса расположены так, что угол выхода газовых струй, выходящих из сопел 102, составляет 82° от линии, параллельной оси двигателя (чертеж увеличен для ясности).

В процессе работы ОСЫ двигателя вихрь воздушного потока вращается вместе с вращающим компрессор сопловым колесом 50 и лопатками 98 соплового колеса и проходит через сопла 102. Газ ускоряется до выходной скорости, которая зависит от противодавления вращающего компрессор соплового колеса 50. Благодаря сужающейся-расширяющейся форме сопла 102 скорость может быть сверхзвуковой в относительном потоке, тогда как абсолютная выходная скорость остается дозвуковой. Таким образом потери давления минимизируются, тогда как коэффициент полезного действия расширения является максимально возможным.

Охлаждение вращающего компрессор соплового колеса

Одним из слабых мест известных газотурбинных двигателей, таких как двигатель 10, является то, что вследствие высоких термических и механических напряжений лопатки турбины часто разрушаются у

- 10 007696 основания. Одно из предпочтительных решений для уменьшения напряжений в лопатке турбины включает в себя пропускание холодного воздуха через каналы охлаждения, проходящие внутри лопаток и имеющие выходы через отверстия на поверхности лопатки. Такие охлаждаемые лопатки турбины увеличивают сложность и стоимость газотурбинного двигателя, а также уменьшают общий коэффициент полезного действия турбины из-за той части воздуха, которая охлаждает лопатки, но не используется для подачи через турбину.

В патенте США 6272844 описан способ охлаждения лопаток турбины, в котором вращающийся лопаточный диск, присоединенный к вращающейся турбине, проталкивает при помощи центробежных сил воздух из компрессора через многочисленные каналы против каждой лопатки турбины, создавая оболочку из холодного воздуха для каждой лопатки.

В ОСЫ двигателе из-за того, что лопатки соплового колеса вращаются вместе с внутренним корпусом как часть вращающегося узла, эффективное охлаждение лопаток соплового колеса может быть достигнуто способом, описанным далее.

В ОСЫ двигателе, изображенном на фиг. 3, воздух для охлаждения лопаток 98 соплового колеса подается к соплам 104 охлаждения лопаток через каналы 78 охлаждения. В ОСЫ двигателях, имеющих кольцевой стабилизатор пламени, такой как изображен на фиг. 4, воздух для охлаждения лопаток 98 соплового колеса подается к соплам 104 охлаждения лопаток посредством направления части внутреннего воздушного потока к соплам 104 охлаждения лопаток.

На фиг. 3 и 4 холодный воздух выходит из каждого сопла 104 охлаждения лопаток непосредственно у основания соответствующей лопатки 98 соплового колеса, как изображено на фиг. 6 А и 6В. Фиг. 6В представляет собой изображение других деталей системы охлаждения основания лопатки 98 вращающего компрессор соплового колеса 50 в соответствии со способом по данному изобретению в разрезе по цилиндрической поверхности, которая соосна с осью ОСЫ двигателя.

Кроме охлаждения только лишь основания соответствующей лопатки 98 соплового колеса, плотный холодный воздух, выходящий из сопел 104 охлаждения лопаток, распространяется под воздействием центробежных сил в виде пленки вдоль лопатки 98 соплового колеса, передающей охлаждающий эффект вдоль значительной части длины лопатки 98 соплового колеса. Таким образом, тогда как в известных охлаждаемых лопатках турбины эффективность охлаждения ограничивается такими факторами, как расход через каналы охлаждения, расположение и геометрия отверстий, система охлаждения лопатки, описанная выше, создает изоляционную воздушную оболочку, начинающуюся от самой горячей части лопатки, то есть передней кромки. Кроме того, когда охлаждение лопатки выполняется согласно техническому решению по данному изобретению, охлаждающий воздух не нагревается при прохождении через диск турбины и каналы охлаждения, как это происходит при использовании известных охлаждаемых лопаток турбины.

Как уже обсуждалось, специалисту в данной области техники понятно, что при определенных условиях работы ОСЫ двигателя вихрь воздушного потока порождает осевой градиент давления, достаточный для того, чтобы вызвать противоток из зоны вблизи ступени 48 снятия крутящего момента вдоль поверхности внутреннего корпуса 60. В камерах сгорания, таких как камера 47, изображенная на фиг. 3, или камера 49, изображенная на фиг. 4, такой противоток уменьшает эффективность охлаждения за счет препятствования выходу холодного воздуха из сопел 104 охлаждения. Таким образом, необходимо увеличить давление воздуха, выходящего через сопла 104 охлаждения. С этой целью предусмотрен компрессор камеры сгорания.

В камере 49 сгорания, изображенной на фиг. 4, стойки 86а и 86Ь расположены описанным выше образом так, что наряду с кольцевым стабилизатором 84 пламени имеется компрессор камеры сгорания. Вращение внутреннего корпуса 60 как части вращающегося узла 54 также вызывает вращение стоек 86а и 86Ь, а также кольцевого стабилизатора 84 пламени с повышением давления внутреннего воздушного потока и давления воздуха, выходящего через сопла 104 охлаждения лопатки.

Аналогично в камере 47 сгорания, изображенной на фиг. 3, стойки 86а и 86Ь расположены описанным выше образом так, что стойки 86а и 86Ь вместе с трубчатым элементом 79 и внутренним корпусом 60 образуют компрессор камеры сгорания. Вращение внутреннего корпуса 60 как части вращающегося узла 54 также вызывает вращение стоек 86а и 86Ь и трубчатого элемента 79 с повышением давления воздуха, выходящего через сопла 104 охлаждения лопатки.

Понятно, что охлаждение лопатки соплового колеса описанным способом обеспечивает рабочую температуру ОСЫ двигателя значительно выше, чем в известных конструкциях газотурбинных двигателей. Более высокие рабочие температуры обеспечивают больший коэффициент полезного действия двигателя.

Специалисту в данной области техники понятно, что охлаждение лопаток соплового колеса описанного здесь ОСЫ двигателя может быть осуществлено с соответствующей модификацией применительно к известным газотурбинным двигателям или другим устройствам, в которых лопаточное вращающееся колесо прикреплено к вращающемуся валу. Осуществление по существу включает в себя нагнетание охлаждающей среды через каналы, по существу параллельные оси вала и вращающиеся вместе

- 11 007696 с ним, для выхода через отверстия вблизи основания каждой отдельной лопатки лопаточного вращающегося колеса.

Свободное сопловое колесо

Если коэффициент давления цикла данного ОСЫ двигателя является слишком высоким, чтобы быть эффективно использованным, применяя одно вращающее компрессор сопловое колесо (по расчетам он должен быть порядка 6:1), то используют второе свободное сопловое колесо, вращающееся в противоположную сторону. Между этими двумя сопловыми колесами не требуется никаких неподвижных направляющих лопаток. Функционально свободное сопловое колесо работает аналогично свободной турбине в известных газотурбинных двигателях. Важно отметить при этом, что свободное сопловое колесо ОСЫ двигателя имеет значительно более высокий коэффициент полезного действия, чем известная свободная турбина газотурбинного двигателя. Более высокий коэффициент полезного действия является следствием того, что по причинам, аналогичным приведенным для вращающего компрессор соплового колеса ОСЫ двигателя, углы сопла свободного соплового колеса являются значительно большими, чем у аналогичных лопаток свободной турбины.

На фиг. 7 изображен турбовальный вариант осуществления ОСЫ двигателя 106, подобного турбореактивному ОСЫ двигателю 40, изображенному на фиг. 2. Среди других различий, в ступени 48 снятия крутящего момента ОСЫ двигателя 106 имеется свободное сопловое колесо 108 в дополнение к вращающему компрессор сопловому колесу 50. Как понятно специалисту в данной области техники, такая конструкция не только является компактной и эффективной, но и может довести коэффициент давления цикла приблизительно до 24:1 при только двух ступенях расширения.

Преимущество двух вращающихся в противоположных направлениях сопловых колес 50 и 108 состоит в том, что таким образом снижаются гироскопические силы. Возможность снижения гироскопических сил делает ОСЫ двигатель с двумя сопловыми колесами особенно пригодным для силовых установок легких летательных аппаратов.

Частичное наполнение

Часто необходим маломощный, но эффективный газотурбинный двигатель. Такие двигатели требуют высоких коэффициентов давления с низким массовым расходом, определяющим узкие проходы для потока, в которых взаимодействие пограничных слоев вызывают значительные потери коэффициента полезного действия.

Известной альтернативой является уменьшение выходной мощности большого газотурбинного двигателя путем перекрывания части сопловых лопаток турбины для уменьшения потока. Хотя выходная мощность и снижается, коэффициент полезного действия также значительно снижается из-за сопротивления, вызванного неиспользуемыми лопатками турбины.

В отличие от этого частичное наполнение применяется в ОСЫ двигателе для уменьшения мощности без влияния на коэффициент полезного действия.

На фиг. 8 изображен вращающийся узел 54 ОСЫ двигателя, в котором участок поверхности и колеса 56 компрессора, и вращающего компрессор соплового колеса 50 перекрыт, например, прикреплением крышки, для того, чтобы перекрыть пространство между частью лопаток 108 компрессора и лопаток 98 соплового колеса (на фиг. 8 отмечено заштрихованными зонами). Хотя расход и выходная мощность уменьшаются на каждой ступени, ОСЫ двигатель продолжает функционировать с максимальным коэффициентом полезного действия.

Практические варианты осуществления

Из описания, приведенного выше, специалисту в данной области техники понятно, что техническое решение по данному изобретению может быть использовано в создании двигателей для многих различных назначений. Вариант осуществления турбореактивного ОСЫ двигателя 40 изображен на фиг. 2, а на фиг. 7 изображен турбовальный вариант 106 осуществления ОСЫ двигателя. На фиг. 9 изображен турбовентиляторный вариант 112 осуществления ОСЫ двигателя. На фиг. 10 изображен турбовинтовой вариант 114 осуществления ОСЫ двигателя. Одноименные составные части этих четырех вариантов осуществления обозначены одинаковыми номерами позиций. Наиболее значительные различия между различными вариантами осуществления ОСЫ двигателя понятны специалисту в данной области техники из изучения соответствующих фигур.

Среди других деталей важно отметить, что турбореактивный ОСЫ двигатель 40, изображенный на фиг. 2, оборудован сужающимся выходным каналом 110 для максимальной тяги.

Среди других деталей также важно отметить, что турбореактивный ОСЫ двигатель 106, изображенный на фиг. 7, оснащен свободным сопловым колесом 108 для получения максимального крутящего момента на валу 116, передающем крутящий момент.

Среди других деталей также важно отметить, что турбовентиляторный ОСЫ двигатель 112, изображенный на фиг. 9, оснащен сужающимся выходным каналом 110 для максимальной тяги.

Среди других деталей также важно отметить, что турбовинтовой ОСЫ двигатель 114, изображенный на фиг. 10, оснащен свободным сопловым колесом 108 для получения максимального крутящего момента на валу 116, передающем крутящий момент. Передаточные механизмы 118 используются для того, чтобы объединить крутящий момент с вала 116, передающего крутящий момент, и вращающегося

- 12 007696 вала 52 для привода вала 120 воздушного винта. Как уже указывалось выше, противовращение двух сопловых колес 50 и 108 снижает гироскопические силы, делая ОСЫ двигатель с двумя сопловыми колесами, такой как двигатель 114, особенно пригодным для силовых установок легких летательных аппаратов.

Коэффициент полезного действия ΟΟΝ двигателя

Механические преимущества ОСЫ двигателя перед обычным газотурбинным двигателем очевидны специалисту в данной области техники, изучившему вышеприведенное описание. Однако в дополнение к сокращению количества узлов, простоте узлов двигателя и эффективности охлаждения этих узлов, теоретический термодинамический коэффициент полезного действия газотурбинного ОСЫ двигателя является большим, чем у обычного известного газотурбинного двигателя (благодаря исключению статорных узлов в компрессоре и турбинах) главным образом вдоль входного и выходного отрезков кривой его термодинамического цикла. Подробное рассмотрение термодинамического цикла ОСЫ двигателя приведено в приложении.

И хотя данный ОСЫ двигатель описан относительно ограниченного числа вариантов осуществления, разумеется, что могут быть выполнены многочисленные изменения, усовершенствования и другие варианты применения данного типа ОСЫ двигателя.

ΟΟΝ двигатель - двигатель с вращающимся соплом камеры сгорания

Содержание

I. Реферат

II. Обозначения

1. Введение

2. Описание

3. Анализ термодинамического цикла

4. Анализ характеристик

5. Выводы

Расчет характеристик ОСЫ двигателя

Фиг. 1. ОСЫ двигатель - Разрезы турбовального исполнения

Фиг. 2. Т-8-диаграмма

Фиг. 3. ОСЫ - Зависимость термических коэффициентов полезного действия от степени повышения давления компрессора

Фиг. 4. ОСЫ - Зависимость удельной мощности от степени повышения давления компрессора

Фиг. 5. Сравнение удельной мощности ОСЫ и обычной газовой турбины

Фиг. 6. Сравнение коэффициентов полезного действия ОСЫ и обычной газовой турбины

Фиг. 7. Турбовентиляторный ОСЫ двигатель - зависимость удельного расхода топлива от температуры на турбине

Фиг. 8. Турбовентиляторный ОСЫ двигатель - зависимость тяги от температуры на турбине

Фиг. 9. ОСЫ - влияние частичной нагрузки на термический коэффициент полезного действия

Фиг. 10. ОСЫ - влияние частичной нагрузки на мощность

Фиг. 11. ОСЫ - Треугольники скоростей I.

I. Реферат

Предлагается новый принцип двигателя с вращающимся соплом камеры сгорания (ОСЫ), в котором мощность обеспечивается вращающейся камерой сгорания, имеющей выход через вращающиеся сопла, непрерывно создающей крутящий момент и вращающейся совместно как единое устройство. Воздух подается в камеру сгорания из компрессора, вращающегося вместе с камерами сгорания с той же угловой скоростью, что позволяет исключить обычный неподвижный диффузор компрессора и направляющие лопатки соплового аппарата турбины. Таким образом получен компактный двигатель, имеющий низкий уровень загрязняющих выбросов, а также преимущество бесперебойного сгорания для газовой турбины, имеющей меньшее количество узлов и меньшую стоимость.

Термодинамический анализ показывает, что удельная мощность и термические коэффициенты полезного действия выше, чем у обычных газовых турбин при статической температуре сгорания на 140°К ниже, чем у современных газовых турбин. Значение этих факторов для уровня выбросов и надежности является очевидным.

Также характеристики при частичной загрузке этого двигателя превосходят газовые турбины обычного цикла, что является большим преимуществом во многих областях применения.

II. Обозначения

С_р - удельная теплоемкость при постоянном давлении

С р - средняя величина для заданного диапазона изменения

С - абсолютная скорость

Су - удельная теплоемкость при постоянном объеме

Е - потребляемая энергия

Е_г - реактивная сила к - Ср/Су

- 13 007696 т - массовый расход

М - число Маха р - давление

Р.К - коэффициент давления

К - универсальная газовая постоянная

Т - температура и - окружная скорость ν - относительная скорость

Индексы а - окружающей среды с - на компрессоре е - на выходе б - на диффузоре

- изэнтропический η - на сопле

К - относительный

- статический (стационарный) режим

1Ь - термический ΐ - режим полной остановки и - тангенциальная составляющая скорости х - фактический режим на выходе сопла

- режим на выходе компрессора

- режим на входе сопла

- режим на выходе сопла

Греческие η - коэффициент полезного действия ρ - плотность газа

Лр - потери давления в камере сгорания

1. Введение

В обычном цикле газовой турбины воздух сжимается ротором компрессора, а его кинетическая энергия на выходе компрессора рассеивается на неподвижном диффузоре. Такое рассеивание вызывает потери давления около 10% от полного давления на роторе, таким образом уменьшая коэффициент полезного действия компрессора и полезную работу газовой турбины.

Затем, после выхода из диффузора воздух попадает в камеру сгорания, в которой газообразные продукты сгорания расширяются через турбину, для вырабатывания мощности. Поскольку в этом случае камера сгорания являться неподвижный, газ снова ускоряется через неподвижные лопатки, для обеспечения соответствия условиям входа вращающейся лопатки. При этом появляются дополнительные потери полного давления, а также падение коэффициента полезного действия турбины главным образом из-за потерь на трение и аэродинамических вихрей в зоне между неподвижными и подвижными лопатками. Таким образом, коэффициент полезного действия турбины падает, достигая только 85% в небольших газовых турбинах.

Суммарные потери коэффициента полезного действия турбины и компрессора приводят к снижению характеристик газовой турбины - к падению до 35% полезной мощности (для цикла с высоким коэффициентом перепада давления) в сравнении с характеристиками ОСЫ двигателя, в котором благодаря своей уникальной конструкции вышеуказанные потери устраняются.

Кроме того, во избежание потерь из-за ударных волн, обычная турбина не предназначена для работы в условиях сверхзвукового течения на входе лопаток, вследствие чего коэффициент перепада давления на ступени турбины является ограниченным (примерно 2,5). Вследствие этого в обычных турбинах с высоким коэффициентом перепада давления используются несколько ступеней - неподвижных и вращающихся, тогда как в ОСЫ двигателе, не имеющем направляющих лопаток на входе и ограничений на предел расширения до более высоких коэффициентов перепада давления до 4:1 на одной ступени с высоким коэффициентом полезного действия, имеет меньше ступеней расширения (турбин).

2. Описание - фиг. 1

Воздух из окружающей среды всасывается в компрессор [1]. Воздух сжимается до требуемого давления и частоты вращения на осевых ступенях, а затем на центробежной ступени.

Воздух, выходящий из ротора [2] компрессора, не рассеивается до неподвижного состояния, а подается через вращающиеся лопатки во вращающуюся камеру [4] сгорания, в результате чего устраняются потери давления, присущие обычному диффузору, что приводит к повышению коэффициента полезного действия компрессора (прирост приблизительно 5% для коэффициента давления 20:1).

- 14 007696 достигается более высокая степень повышения давления при том же количестве ступеней компрессора по сравнению с обычным компрессором благодаря низкой относительной скорости потока на выходе компрессора. Обычно для обычных компрессоров степень повышения давления ограничена для предотвращения возникновения сверхзвукового потока на входе диффузора.

Воздух, выходящий во вращающуюся камеру сгорания, смешивается с топливом, и эта смесь сжигается при более низком статическом давлении, чем при обычном цикле. Вихреобразование в потоке воздуха способствует испарению топлива. Его относительная скорость поддерживается низкой путем тщательного подбора режима на выходе компрессора. Проектные коэффициенты полезного действия сгорания подбираются в диапазоне между 98-99,8%, а потери давления менее чем 6% от относительного давления на входе.

Горячие газы расширяются теперь через вращающиеся сопла [5], которые дают энергию для вращения компрессора - при этом требуется значительно меньшее понижение энтальпии, чем на обычной турбине, благодаря более высокому коэффициенту полезного действия расширения на вращающихся соплах. Никаких неподвижных лопаток не требуется для расширения горячего газа от условий торможения на вращающихся лопатках. Это приводит к следующему:

высокому адиабатическому коэффициенту полезного действия вращающегося сопла - свыше 90%;

благодаря возможности достижения высокого коэффициента давления вращающегося сопла - одна ступень требуется для получения коэффициента давления 4:1;

статическая температура в камере сгорания ниже, чем в обычном цикле (приблизительно на 125°С ниже) для той же мощности на выходе [фиг. 1].

Выходящие из вращающихся сопел газы имеют определенную завихренность и спрямляются неподвижными лопатками диффузора как в обычной газовой турбине.

Эта скорость на выходе зависит от параметров цикла и типа двигателя. В применении к турбореактивным и турбовентиляторным двигателям с высоким коэффициентом давления за вращающимся соплом поддерживается давление около 2 бар (0,2 МПа) добавлением тягового сопла, и таким образом число Маха на выходе сохраняется дозвуковым, в то время как в турбовальных двигателях с высоким коэффициентом давления на выходе из двигателя в окружающую среду поток может быть трансзвуковым. В данном случае может быть использована приводная турбина [8], а ОСЫ двигатель служит в качестве газогенератора.

3. Анализ термодинамического цикла

В приложении А подробнее излагается термодинамический анализ. Полученные уравнения используются для расчетов характеристик двигателя, подробнее показанных на различных характеристических кривых.

На фиг. 2 показан цикл ОСЫ двигателя на графике зависимости температуры и энтропии Т-8 в сравнении с обычным циклом. Полное давление на компрессоре поддерживается одинаковым для обоих циклов (это приводит к более высокой полной температуре для обычного цикла по причине более низкого коэффициента полезного действия компрессора).

Разумеется, осевые ступени компрессора установлены перед центробежной, с ограничением последней по степени повышения давления 8:1 в силу ограничений по механической прочности.

Два различных ОСЫ цикла анализируются и сравниваются с обычным циклом [А-В-С-Э]:

- А-В1-С1-Е-Э1- нагрев газа в 2 циклах (при той же степени повышения давления на компрессоре 20) до той же полной температуры (1300°К) в результате обеспечивает более высокую мощность на выходе ОСЫ цикла. Это является очевидным из большей полезной площади на графике Т-8, которая обусловлена более высокими коэффициентами полезного действия компрессора и турбины. Поскольку подвод тепловой энергии для этих двух циклов является приблизительно одинаковым, полезным результатом является более высокий коэффициент полезного действия (34% против 29%) и более высокая удельная мощность (210 кВт против 181 кВт) для ОСЫ цикла.

- А-В2-С2-Е-Э2- при нагреве газа в ОСЫ цикле до общей относительной температуры, равной температуре торможения на входе турбины в обычном цикле, является очевидным большее снижение энтальпии на турбине на графике для ОСЫ цикла. Это является следствием его более высокого коэффициента полезного действия. И даже если подвод тепловой энергии является более высоким, полезная работа будет выше для ОСЫ цикла, который делает это более эффективным (коэффициент полезного действия при этом составляет 35%, а удельная мощность 256 кВт). Подробный анализ, приведенный далее, показывает это со всей ясностью, как может быть рассчитано по фиг. 1 для этого конкретного случая. 4.

4. Анализ характеристик

На фиг. 3, 4 показаны характеристики в расчетной точке ОСЫ цикла для газовой турбины при расходе потока воздуха 1 кг/с и относительной температуре на входе сопла 1000 и 1300°К. Коэффициент полезного действия компрессора на 5% выше, чем коэффициент полезного действия обычного компрессора, при той же степени повышения давления. Коэффициент полезного действия расширения сопла также на 5% выше, чем в обычных турбинах для той же степени расширения. Переменными параметрами являются Р.Р - общая степень повышения давления компрессора, и и - окружная скорость сопла.

- 15 007696

Из приведенных графиков очевидно, что существует оптимальная величина и для заданного Р.Р. при которой достигается максимальный коэффициент полезного действия, и другая величина для максимальной удельной мощности. Принимая за расчетную точку и=500 м/с (величина, приемлемая для специальных жаропрочных сплавов), Сц=400 м/с, относительная температура на входе сопла 1300°К, Р.К. 20, полезный термический коэффициент полезного действия составляет 35%, а мощность 256 кВт/кг/с.

Возрастание степени повышения давления до 36 (посредством добавления ступеней компрессора спереди) при скорости вращения 600 м/с в результате обеспечивает коэффициент полезного действия 38,3%.

На фиг. 5, 6 изображены характеристики ОСИ цикла по сравнению с обычным при различных температурах на входе турбины (сопла). Например, (см. С, Ό) для обычного цикла с тем же Р.В и той же температурой торможения на входе турбины 1300°К, но с меньшим на 5% коэффициентом полезного действия для компрессора и турбины характеристики составляют: мощность - 181 кВт/кг/с; коэффициент полезного действия - 29%, по сравнению с 35% и 256 кВт для ОСИ двигателя.

На фиг. 5, 6 также показаны характеристики ОСИ и обычного цикла при постоянной скорости [и коэффициенте давления] и переменной температуре на входе. В ОСИ цикле коэффициент полезного действия незначительно падает (от 35 до 29%) вместе с удельной мощностью при снижении температуры от 1300К до 1000°К, тогда как коэффициент полезного действия обычного цикла при том же снижении температуры падает до 8% (см. Е, Е). Это является значительным преимуществом ОСИ цикла при сниженных температурах в отличие от невысокого коэффициента полезного действия обычных газовых турбин.

При анализе такого цикла для высокого коэффициента давления у турбореактивного или турбовентиляторного двигателя (фиг. 7, 8) мы приходим к такому же относительному улучшению по сравнению с обычным циклом для удельной тяги и величин удельного расхода топлива. Эти преимущества по характеристикам наряду со снижением веса и стоимости делают такой двигатель значительно больше экономически выгодным, чем обычная газовая турбина.

Таким образом, преимущество ОСИ двигателя по сравнению с обычным циклом является значительным при температурах на входе сопла в диапазоне 1000-1400°К. В действительности даже при температуре на входе 1600°К рост коэффициента полезного действия по-прежнему составляет 2,5%.

- Термический коэффициент полезного действия выше на 4-21% (абсолютное значение).

- Удельная мощность выше во всем диапазоне температур на 50-100%.

- Характеристики при низких температурах являются более благоприятными по сравнению с обычным циклом.

- Статические температуры на входе турбины (сопла) ниже на 140°К для той же потребной мощности (см. фиг. 5, линия Ό-Ό').

5. Характеристики при неполной нагрузке

На фиг. 9, 10 показаны характеристики при неполной нагрузке промышленной газовой ОСИ турбины со свободной турбиной в следующей расчетной точке:

Р.В компрессора = 24

Относительная общая температура на входе турбины = 1300°К

Расход воздуха =2,7 кг/с

При уменьшении температуры на входе турбины скорость главного вала газогенератора также уменьшается, тогда как скорость свободной турбины сохраняется постоянной.

Благодаря высоким адиабатическим коэффициентам полезного действия сжатия и расширения проявляется только незначительное уменьшение термического коэффициента полезного действия (с 35 до 27%), когда нагрузка уменьшается до 30% от значения при 1300°К. В обычном цикле термический коэффициент полезного действия падает до 17% при 30% нагрузке.

Вышеуказанные преимущества уменьшаются с возрастанием полной температуры или при снижении коэффициента давления. Это делает ОСИ двигатель привлекательным для использования в промышленных турбинах для выработки электрической энергии, когда требования длительности ресурса требуют низкой температуры на входе турбины, для использования в транспортных средствах тяжелого класса, где коэффициент полезного действия при неполной нагрузке является наиболее важным, а также для легких авиационных двигателей с высоким коэффициентом полезного действия, для которых важны размеры и вес, где на рынке свыше 100 лет доминировали тяжелые поршневые двигатели.

Выводы

1. Цикл ОСИ двигателя превосходит обычный цикл вплоть до температуры на входе турбины [сопла] 1600К по удельной мощности и коэффициенту полезного действия. Это преимущество уменьшается при более высоких температурах или более низких коэффициентах давления.

2. ОСИ двигатель предоставляет решение новой концепции силовой установки, имеющей компактное конструктивное исполнение, а также более высокую удельную мощность и термический коэффициент полезного действия, чем у обычных газовых турбин.

3. Благодаря более высоким коэффициентам полезного действия сжатия и расширения термический коэффициент полезного действия ОСИ двигателя является высоким даже при 30% нагрузке, что является значительным преимуществом по сравнению с обычными газовыми турбинами.

- 16 007696

4. ΟΟΝ двигатель вырабатывает ту же мощность, что и обычная газовая турбина, при температуре на входе турбины [сопла] ниже приблизительно на 140°К.

5. При меньшем количестве ступеней компрессора и турбины и при том же полном коэффициенте давления ΟΟΝ двигатель имеет меньший вес, меньший объем и более низкую стоимость.

6. Таким образом ΟΟΝ двигатель является экономически более эффективным двигателем, пригодным для использования в различных областях. В частности, благодаря своей пологой кривой характеристик, ΟΟΝ двигатель является лучшей силовой установкой для легких самолетов, газовых турбин, а также для использования в транспортных средствах, таких как легковые и грузовые автомобили.

Расчет характеристик Ο€Ν двигателя

Мощность

Мощность рассчитывается получением сначала реактивной силы Р_г:

Е_г Ч1( СЩц-СЩц), где т - расход потока газа в сопле;

и - тангенциальная скорость вращения сопла;

ω_4υ - тангенциальная скорость струи газа из сопла;

с_и - абсолютная тангенциальная скорость на входе сопла;

А¥_3и = и₃ -С_3и - относительная тангенциальная скорость на входе сопла.

Мощность турбины выражается произведением

Р_гх · и

Ρ_η = ιτι(ω_4ί1-ω_3ί1)ιι и для А¥_3и = 0, (1)

Примечание:

В случае осевого входа в сопло - в относительном пространстве - \¥_3и=0, и мы выполняем расчеты далее в этом предположении, однако можно показать, что результат расчета для значения А¥_3и является одним и тем же для любой величины ω_3υ.

ЛГ-1 ^к -1

Полезная мощность получается вычитанием мощности компрессора Р_с из мощности сопла Р_п

Р = р _ р ¹ 11С1 ^х η ¹ с

Мощность компрессора Р_с, для т=1 кг/с рассчитывается по изменению энтальпии на компрессоре _{Гс =} с-_р(^-т_и) (2) где η с - адиабатический коэффициент полезного действия компрессора;

Г|_т - механический коэффициент полезного действия компрессора;

Т_н - полная температура на входе компрессора;

Τ_2ΐ - полная температура на выходе компрессора;

Ри - полное давление на входе компрессора;

Ρ_2ΐ - полное давление на выходе компрессора.

Мощность сопла Р_п также выводится из термодинамических уравнений следующим образом:

А=С₇(Гз,-7),) (3) где

Τ_3ΐ - полная температура на входе сопла;

Τ_4ΐ - полная температура на выходе сопла.

Это может также выражаться так:

и^{2 Τ}3ι = Тзя ^2СР „ „ .0’4-и)² (4) (5) где

Т_4з - статическая температура на выходе сопла;

Т_ЗЕ - относительная полная температура на входе сопла. Отсюда:

2С(6)

Подставляя уравнение (1) в (4), получим (для 1 кг/с)

- 17007696 ~г- т “^{2 1,2} 1

- р-рЛ + _2С_- 4, _2С_+ _с_ _2С^ = 4(Г_зл-ГЦ-^-₊^' [ ^2СР ^с? ] = ^Ср(^ГЗЯ --⁺ (*4«)“

Если выходная скорость является тангенциальной, тогда

Щ₄Ц = СЩ, (7) и

^ = С₅(Т_ЗЛ-Т₄,) (8)

Подставляя коэффициент полезного действия сопла, получим ^4 = (ТзЛ —Тдй ) · 2Ср · (9) где Т₄;₈ - статическая изэнтропическая температура на выходе сопла.

Расчет Т₄;₈ выполняется с оценкой характеристик диффузора. Полное давление на выходе диффузора представляет собой давление окружающей среды. В предположении, что скорость на выходе нулевая, а коэффициент полезного действия диффузора 100%, получим к

(Ю) где Мд - местное статическое число Маха на входе диффузора, получаемое по его определению (И)

Уравнение (9) может быть выражено как функция коэффициента давления на сопле ^=7з_Л-г_ъ=г_зл.(1-^) =г_зк

ΥΤ (12) \РЗк1Р4з)

Подставляя уравнения (10), (11) в (12), получим объединенное выражение для скорости на выходе сопла (13) *-1 к-1 (ж₄-а)² ί ’ >

Т _Л -2Г11 зл _2С_ I рЛ

Оно может быть решено математически после определения величин Т_зк, и и их подстановки.

Величина коэффициента полезного действия диффузора уменьшает расчетную скорость ω на выходе сопла по определению коэффициента полезного действия

-М до его фактической величины ω_χ.

Следовательно:

^=«+(^7^4-«) (14)

Теперь используем величину ω_χ, чтобы вычислить полезную мощность с использованием уравнения (1).

Величина рзк, которая представляет собой полное относительное давление на входе сопла, получается путем вычитания потерь давления при сгорании Δρ из величины р₂к, которая представляет собой относительное полное давление на выходе компрессора. Расчет производится следующим образом:

- 18 007696 (15) й-1 γτ *-1

Ρ2ΐ :^ί^Γ2ΖΊ ^к Ρ2Κ 1^Г2л/ τ_2ι щ--ΓΖ--где р₂₁ - полное давление на выходе из компрессора, определяемое давлением X; Т₂₁ - полная температура на выходе компрессора;

С_2и - тангенциальная составляющая скорости на выходе компрессора.

Расчет термического коэффициента полезного действия = полезный выход мощности/подвод тепловой энергии.

Подвод тепловой энергии осуществляется при помощи впрыскивания топлива в камеру сгорания с ростом температуры от Т_2К до Т_зк, где Т_2К получается из уравнения (15) и¹ ус„

--—

Следовательно, подвод тепловой энергии £_1к -Г_2Л)

Чсот где р_сот - коэффициент полезного действия сгорания.

Подставляя выход полезной мощности из уравнения (1), получим термический коэффициент полезного действия:

ί-----Ее----\^сот(^ТЗХ~^Т2}Г))

(16)

Порядок расчета

Исходные данные - Р.К. компрессора; Т_ЗЕ; η₀; η_ω; с_2и; и; Ар_{камеры сгораН}ия;

Ήν; Ήρ

I

II

III

IV

V

VI

Найти р_с

Найти р_2К и р_зк

Найти ω₄

Найти (Όχ

Найти полезную мощность

Найти η и,

Уравнение (2).

Уравнение (15).

Уравнение (13)

Уравнение (14)

Уравнение (1).

Уравнение (16).

- 19007696

Фиг. 1 - Турбовальный ΟΟΝ двигатель - Пример

Полезная мощность = 630 кВт; щ = 54000 об/мин; п₂ = 45000 об./мин ; 0=2,7 кг/с; Р.К компрессора = 16; камеры сгорания ^— 1260 К,

Термический КПД = 35%.

Фиг. 2. Зависимость температуры и энтропии Т-8 для ΟΟΝ

Вид линии	Цикл	кпд	Мощность	7с	7т
	Обычный = А-В-С-ϋ	29%	181 кВт	80%	87%
	ОСИ, Т,=1300° К= А-Е-В1-С1-Е-&1	34%	210 кВт	85%	92%
	ОСЫ, Тй=1300° К = А-Е-В2-С2-92-02	35%	256 кВт	85%	92%
Р.К. компрессора = 20; м=500 м/с; Си=400 м/с.

2-; З-Зависимость температуры и энтропии Т-8; 4-Энтропия [кДж/кг]

-20007696

Температура [°К]

	А	В	В1.В2 С	С1	Сг	о	01	02	Е	Е	62
тчс	288 777	748	1300	1300	1370	707	702	731	668	1230	1300
Р бар	1	20	20	19.5	15.5	16	1	1	1	13	13	13

ТЕРМИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

Фиг. 3. ОСИ - термические коэффициенты полезного действия

Анализ расчетной точки Си - о 8и

-21 007696

Фиг. 4. ΟΟΝ - удельная мощность

Фиг. 5. Сравнение удельной мощности ΟΟΝ и обычной газовой турбины

ПОЛНАЯ ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ СОПЛА [ТУРБИНЫ] - °К

Фиг. 6. Сравнение коэффициентов полезного действия с ОСЫ и обычной газовой турбины Р.К=20 и=500 м/с Си=400 м/с

ПОЛНАЯ ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ СОПЛА [ТУРБИНЫ] - °К

-22007696

Фиг. 7. Οί'Ν турбовентиляторный - удельный расход топлива и=600 м/с; Си=500 м/с; Р.К=16; коэффициент давления на тяговом сопле — 1,6;

коэффициент давления на вентиляторе - 1,8

ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ СОПЛА [ТУРБИНЫ} - °К

Фиг. 8. Οί'Ν турбовентиляторный - тяга и=600 м/с; Си=500 м/с; Р.К=16; коэффициент давления на вентиляторе - 1,8 ТЯГОВОЕ СОПЛО

ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ СОПЛА [ТУРБИНЫ] - °К

-23 007696

Фиг. 9. Влияние частичной нагрузки на термический коэффициент полезного действия

ОСЦ-РАСЧЕТНАЯ ТОЧКА: КОЭФФИЦИЕНТ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА КОМПРЕССОРЕ = 24; ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ ТУРБИНЫ = 1300°К; РАСХОД ВОЗДУХА = 2,7 кг/с

Фиг. 10. Влияние частичной нагрузки на мощность

ОСГЧ-РАСЧЕТНАЯ ТОЧКА: КОЭФФИЦИЕНТ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА КОМПРЕССОРЕ = 24; ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ ТУРБИНЫ = 1300’К; РАСХОД ВОЗДУХА = 2,7 кг/с

300

200

100

ТЕМПЕРАТУРА НА ВХОДЕ ТУРБИНЫ - °К

-24007696

Вход турбины

Фиг. 11. ΟΕΝ - треугольники скоростей

Выход компрессора

Выход турбины

-	04			ΥΥ40
я		с4	V	\ν4

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims (23)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Е Двигатель, включающий в себя:

   a) вращающийся узел, в том числе основной компрессор, внутренний корпус и вращающее компрессор сопловое колесо;

   b) внешний корпус, в который заключен упомянутый вращающийся узел; и

   c) по существу, кольцевой стабилизатор пламени, окружающий упомянутый внутренний корпус внутри камеры сгорания;

   так что по меньшей мере одна камера сгорания образована в пространстве между упомянутым основным компрессором, упомянутым внутренним корпусом, упомянутым вращающим компрессор сопловым колесом и упомянутым внешним корпусом, отличающийся тем, что упомянутый вращающийся узел выполнен вращающимся относительно упомянутого внешнего корпуса.
2. 2. Двигатель по π. 1, в котором упомянутая по меньшей мере одна камера сгорания является по существу единой кольцевой камерой сгорания.
3. 3. Двигатель по π. 1, в котором упомянутый вращающийся узел включает в себя единый упомянутый стабилизатор пламени.
4. 4. Двигатель по π. 1, в котором упомянутый стабилизатор пламени включен в упомянутый вращающийся узел.
5. 5. Двигатель по π. 1, кроме того включающий в себя:

   с) по существу, трубчатый элемент, окружающий упомянутый внутренний корпус, в котором передняя кромка упомянутого трубчатого элемента расположена позади основного компрессора так, чтобы разделять воздушный поток из упомянутого основного компрессора на внешний воздушный поток и внутренний воздушный поток, причем упомянутый внешний воздушный поток проходит между упомянутым трубчатым элементом и упомянутым внешним корпусом, а упомянутый внутренний воздушный поток проходит между упомянутым трубчатым элементом и упомянутым внутренним корпусом.
6. 6. Двигатель по п.5, в котором в упомянутом, по существу, трубчатом элементе есть отверстия, делающие возможной связь между упомянутым внутренним воздушным потоком и упомянутым внешним воздушным потоком.
7. 7. Двигатель по π. 1, кроме того включающий в себя:

   -25007696

   с) вращающийся диффузор между упомянутым основным компрессором и упомянутой камерой сгорания.
8. 8. Двигатель по п.7, в котором упомянутый вращающийся диффузор включает в себя продолжения лопаток последней ступени упомянутого основного компрессора.
9. 9. Двигатель по п.1, в котором упомянутый вращающийся узел кроме того включает в себя по меньшей мере одну топливную форсунку.
10. 10. Двигатель, включающий в себя:

    a) камеру сгорания, имеющую ось; и

    b) компрессор камеры сгорания, соосный с упомянутой камерой сгорания и находящийся радиально внутри относительно нее, который скомпонован, чтобы противодействовать осевому противотоку в упомянутой камере сгорания.
11. 11. Двигатель по п.10, в котором упомянутый компрессор камеры сгорания включает в себя:

    c) по меньшей мере две лопатки компрессора камеры сгорания, расположенные по меньшей мере по одной окружности вокруг упомянутой оси упомянутой камеры сгорания; и

    ά) по существу, трубчатый корпус компрессора камеры сгорания, окружающий упомянутые лопатки компрессора камеры сгорания.
12. 12. Двигатель по п.10, кроме того включающий в себя:

    с) внутренний корпус вращающейся камеры сгорания, соосный с упомянутой камерой сгорания;

    ά) по меньшей мере две лопатки компрессора камеры сгорания, жестко прикрепленные к упомянутому внутреннему корпусу вращающейся камеры сгорания и расположенные по меньшей мере по одной окружности вокруг упомянутой оси упомянутой камеры сгорания; и

    е) по существу, трубчатый корпус компрессора камеры сгорания, окружающий упомянутые лопатки компрессора камеры сгорания.
13. 13. Способ уменьшения выбросов ЫО_Х в двигателе, имеющем камеру сгорания, в которой сжигается смесь топлива и воздуха, включающий:

    a) приготовление горючей смеси путем смешивания отработанных газов, топлива и воздуха в первой зоне двигателя;

    b) образование вихря воздушного потока внутри камеры сгорания, который создает более высокое статическое давление во второй зоне двигателя, чем в упомянутой первой зоне двигателя; и

    c) сжигание упомянутой горючей смеси в камере сгорания; причем упомянутые отработанные газы поступают из упомянутой второй зоны двигателя за счет упомянутого более высокого статического давления во второй упомянутой зоне.
14. 14. Способ охлаждения лопатки вращающегося лопаточного колеса, прикрепленного к концу вращающегося вала, через основание лопатки, включающий:

    a) подготовку по меньшей мере одного по существу кольцевого канала вдоль оси, вращающегося с вращающимся валом, причем упомянутый по меньшей мере один канал имеет вход и выход;

    b) подачу охлаждающей среды в канал через его вход; и

    c) направление охлаждающей среды, выходящей из упомянутого канала через упомянутый выход на внешней поверхности основания лопатки.
15. 15. Способ по п.14, кроме того включающий:

    ά) повышение давления упомянутой охлаждающей среды, выходящей через упомянутый выход с использованием устройства повышения давления, расположенного внутри упомянутого по меньшей мере одного канала.
16. 16. Способ по п.14, в котором упомянутое вращающееся лопаточное колесо является сопловым колесом и в котором упомянутая лопатка является лопаткой соплового колеса.
17. 17. Способ по п.14, в котором упомянутое лопаточное вращающееся колесо является колесом турбины и в котором упомянутая лопатка является лопаткой турбины.
18. 18. Двигатель, включающий в себя:

    a) вращающийся узел, в том числе основной компрессор, внутренний корпус и вращающее компрессор сопловое колесо;

    b) внешний корпус, в который заключен упомянутый вращающийся узел; и

    c) компрессор камеры сгорания в упомянутой камере сгорания;

    так что по меньшей мере одна камера сгорания образована в пространстве между упомянутым основным компрессором, упомянутым внутренним корпусом, упомянутым вращающим компрессор сопловым колесом и упомянутым внешним корпусом, отличающийся тем, что упомянутый вращающийся узел выполнен вращающимся относительно упомянутого внешнего корпуса.
19. 19. Двигатель по п.18, в котором упомянутый компрессор камеры сгорания включает в себя множество лопаток компрессора камеры сгорания, прикрепленных к упомянутому внутреннему корпусу.
20. 20. Двигатель, включающий в себя:

    a) вращающийся узел, в том числе основной компрессор, внутренний корпус и вращающее компрессор сопловое колесо; и

    b) внешний корпус, в который заключен упомянутый вращающийся узел;

    - 26 007696 так что по меньшей мере одна камера сгорания образована в пространстве между упомянутым основным компрессором, упомянутым внутренним корпусом, упомянутым вращающим компрессор сопловым колесом и упомянутым внешним корпусом, а упомянутое вращающее компрессор сопловое колесо включает множество лопаток, которые образуют между собой соответствующее множество сопел, причем каждое упомянутое сопло имеет форму сопла Лаваля.
21. 21. Двигатель, включающий в себя:

    a) вращающийся узел, в том числе основной компрессор, внутренний корпус и вращающее компрессор сопловое колесо; и

    b) внешний корпус, в который заключен упомянутый вращающийся узел;

    так что по меньшей мере одна камера сгорания образована в пространстве между упомянутым основным компрессором, упомянутым внутренним корпусом, упомянутым вращающим компрессор сопловым колесом и упомянутым внешним корпусом, кроме того включающий в себя:

    c) свободное сопловое колесо позади упомянутого вращающего компрессор соплового колеса; и двигатель, в котором отсутствуют направляющие лопатки статора между упомянутыми сопловыми колесами.
22. 22. Двигатель по п.21, в котором упомянутое свободное сопловое колесо включает множество лопаток, образующих между собой соответствующее множество сопел, причем упомянутые лопатки, располагаемые так, что газовые струи, которые выходят из упомянутых сопел, выходят под углом по меньшей мере приблизительно 82° от линии, параллельной оси вращения упомянутого вращающегося узла.
23. 23. Двигатель, включающий в себя:

    a) вращающийся узел, в том числе основной компрессор, внутренний корпус и вращающее компрессор сопловое колесо; и

    b) внешний корпус, в который заключен упомянутый вращающийся узел;

    так что по меньшей мере одна камера сгорания образована в пространстве между упомянутым основным компрессором, упомянутым внутренним корпусом, упомянутым вращающим компрессор сопловым колесом и упомянутым внешним корпусом, в котором по меньшей мере одно из упомянутых колес основного компрессора и упомянутых сопловых колес является частично перекрытым.