RU2153592C1

RU2153592C1 - Disk-type turbojet engine

Info

Publication number: RU2153592C1
Application number: RU99104186/06A
Authority: RU
Inventors: В.С. Григорчук
Original assignee: Григорчук Владимир Степанович
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2000-07-27

Abstract

FIELD: manufacture of aircraft engines. SUBSTANCE: engine includes lower case with intake device and jet propulsion nozzle. Shaft with compressor and gas turbine mounted on it is located inside lower case. Shaft is mechanically connected with reduction gear which is swivel in front portion of lower case. It is located in intake device housing and is connected with upper reduction gear by means of vertical shaft; it is mounted under lower case and is shifted forward relative to longitudinal axis of lower case. Secured on output shafts of upper reduction gear are disks. Each disk has front smooth polished surface; rear surface of each disk has round or square passages located over concentric circles in even number in each of them. Longitudinal axis of each passage is inclined forming angle with plane running through center of rotation. Bottom of each passage is parallel relative to front and rear surfaces of disk owing to which areas of opposite side walls of each passage are equal in longitudinal and transversal directions. EFFECT: improved operational properties of engine. 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве авиационного двигателя. The present invention relates to the field of mechanical engineering and may find application as an aircraft engine.

Известен турбореактивный двигатель, содержащий корпус, имеющий воздухозаборник, компрессор, закрепленный на одном валу с газовой турбиной, камеры сгорания, расположенные между компрессором и газовой турбиной, реактивное сопло. (Авиация, энциклопедия, гл. ред. Г.П.Свищев, изд. Большая Российская энциклопедия. Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора H.E. Жуковского, М., 1994, с. 593). Known turbojet engine containing a housing having an air intake, a compressor mounted on a shaft with a gas turbine, combustion chambers located between the compressor and the gas turbine, a jet nozzle. (Aviation, encyclopedia, ch. Ed. G.P. Svishchev, ed. Big Russian Encyclopedia. Central Aerohydrodynamic Institute named after Professor H.E. Zhukovsky, M., 1994, p. 593).

Недостатками известного турбореактивного двигателя являются: большой расход топлива, снижение тяги при малых скоростях полета и ее зависимость от температуры и скорости истечения газа. The disadvantages of the known turbojet engine are: high fuel consumption, reduced thrust at low flight speeds and its dependence on temperature and gas flow rate.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией турбореактивного двигателя. These disadvantages are due to the design of the turbojet engine.

Известен также турбовинтовой двигатель, содержащий цилиндрический корпус, в котором расположены впускное устройство, компрессор, находящийся на одном валу с турбиной, реактивное сопло, редуктор, входной вал которого соединен с компрессором, а выходной вал соединен о воздушным винтом, камера сгорания, размещенная между компрессором и турбиной (там же, с. 592). Also known is a turboprop engine containing a cylindrical housing in which an inlet device is located, a compressor located on the same shaft as the turbine, a jet nozzle, a gearbox, the input shaft of which is connected to the compressor, and the output shaft is connected by a propeller, a combustion chamber located between the compressor and a turbine (ibid., p. 592).

Известный турбовинтовой двигатель, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип. The well-known turboprop engine, as the closest in technical essence and achieved useful result, adopted as a prototype.

Недостатками известного турбовинтового двигателя, принятого за прототип, являются низкий КПД винта, его большие размеры, малая отдача при большой подводимой мощности, а также все недостатки присущие турбореактивному двигателю. The disadvantages of the known turboprop engine adopted for the prototype are the low efficiency of the propeller, its large size, low efficiency with high input power, as well as all the disadvantages inherent in a turbojet engine.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя. These disadvantages are due to the design of the engine.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств реактивного двигателя. The aim of the present invention is to improve the performance of a jet engine.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что понижающий редуктор и воздушный винт заменены поворотным редуктором, размещенным в конусе впускного устройства нижнего корпуса, верхним корпусом, установленным над нижним корпусом и смещенным вперед относительно продольной оси последнего, скрепленных двумя боковыми накладками, причем внутри верхнего корпуса, в его средней части, размещен верхний редуктор, входной вал которого соединен с выходным валом поворотного редуктора, а выходные валы размещены внутри вдоль продольной оси верхнего корпуса и закреплены в подшипниках конусов впускного и выпускного устройств и на них, закреплены на некотором расстоянии друг от друга, диски, каждый из которых имеет переднюю гладкую отполированную поверхность, а на такой же задней поверхности каждого из них выполнены каналы круглого или квадратного сечения, расположенные по концентрическим окружностям в четном количестве в каждой из них, кроме того продольная ось каждого из каналов наклонена и образует угол с плоскостью, проходящей через центр вращения, причем дно каждого из каналов выполнено параллельно передней и задней поверхностям диска, вследствие чего площади противоположных боковых сторон каждого из каналов равны в продольном и поперечном направлениях. The specified purpose according to the invention is ensured by the fact that the reduction gear and the propeller are replaced by a rotary gear located in the cone of the intake device of the lower housing, the upper housing mounted above the lower housing and offset forward relative to the longitudinal axis of the latter, fastened by two side plates, and inside the upper housing, in its middle part, an upper gearbox is placed, the input shaft of which is connected to the output shaft of the rotary gearbox, and the output shafts are placed inside along the longitudinal the axes of the upper case and are fixed in the bearings of the cones of the inlet and outlet devices and on them, fixed at a certain distance from each other, discs, each of which has a smooth front polished surface, and channels of circular or square cross-section are made on the same rear surface of each of them located in even numbers in concentric circles in each of them, in addition, the longitudinal axis of each channel is tilted and forms an angle with a plane passing through the center of rotation, with the bottom of each of the channels is made parallel to the front and rear surfaces of the disk, as a result of which the areas of opposite lateral sides of each channel are equal in the longitudinal and transverse directions.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид турбореактивного дискового двигателя; на фигуре 2 - вид на турбореактивный дисковый двигатель опереди; на фигуре 3 - вид на турбореактивный двигатель сзади; на фигуре 4 - схема устройства турбореактивного дискового двигателя в разрезе; на фигуре 5 - устройство поворотного редуктора; на фигуре 6 - устройство верхнего редуктора; на фигуре 7 - общий вид диска; на фигуре 8 - вид на диск спереди; на фигуре 9 - вид на диск сзади; на фигуре 10 - вид на передний диск с частичным разрезом; на фигуре 11 - вид на задний диск с частичным разрезом; на фигуре 12 - схема создания тяги на диске. The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a turbojet disk engine; figure 2 is a view of a turbojet disc engine in front; figure 3 is a rear view of a turbojet engine; figure 4 is a sectional diagram of a turbojet disk engine; figure 5 - device rotary gear; figure 6 - the device of the upper gear; figure 7 is a General view of the disk; figure 8 is a front view of the disk; figure 9 is a rear view of the disk; figure 10 is a view of the front disk with a partial section; figure 11 is a view of the rear disc with a partial section; figure 12 is a diagram of the creation of traction on the disk.

Турбореактивный дисковый двигатель содержит нижний корпус 1 и верхний корпус 2, смещенный вперед относительно нижнего корпуса в продольном направлении. Оба корпуса соединены между собой накладками 3 и 4. В нижнем корпусе расположены: впускное устройство 5, в центре которого установлен на кронштейнах 6 конус 7, который является поворотным редуктором и опорой компрессора 8, соединенного валом 9 с двухрядной газовой турбиной 10, подшипником которой является выходной конус 11, прикрепленный кронштейнами 12 к корпусу и расположенный в реактивном сопле 13. Между компрессором и газовой турбиной размещены камеры сгорания 14 с топливными форсунками 15 и устройством зажигания, не показанным на чертеже. Внутри верхнего корпуса, в его средней части, размещен верхний редуктор 16, установленный на кронштейнах 17, ведущий вал которого посредством вертикального вала 18 с соединительными муфтами 19 связан с ведомым валом поворотного редуктора. Передний выходной вал 20 верхнего редуктора своим передним концом вставлен в подшипник конуса 21, размещенного во входном устройстве 22 верхнего корпуса. Задний выходной вал 23 своим задним концом вставлен в подшипник конуса 24, установленного на кронштейнах 25 выпускного устройства 26, а конус впускного устройства установлен на кронштейнах 27. На переднем выходном валу закреплены передние диски 28, выполненные из легкого и прочного материала и имеющие гладкую и отполированную переднюю поверхность, а на задней поверхности такой же отполированной выполнены каналы 29 круглого или квадратного сечения, установленные под углом α равным сорока пяти градусам к плоскости, проходящей через центр вращения, причем каналы размещены по концентрическим окружностям в четном количестве в каждой из них. На заднем выходном валу закреплены задние диски 30, выполненные из легкого и прочного материала и имеющие гладкую и отполированную переднюю поверхность, а на задней поверхности такой же отполированной выполнены каналы 31 круглого или квадратного сечения, установленные под углом α равным сорока пяти градусам к плоскости, проходящей через центр вращения, причем каналы размещены по концентрическим окружностям в четном количестве в каждой из них. Дно каждого из каналов, как передних так и задних дисков, выполнено параллельно передней и задней поверхностям диска, вследствие чего площади противоположных боковых сторон каждого канала равны в продольном и поперечном направлениях. Поворотный редуктор содержит корпус, являющийся конусом впускного устройства турбореактивного двигателя, в подшипнике 32 которого закреплен ведущий вал 33, соединенный муфтой 34 с валом компрессора. На ведущем валу закреплена ведущая шестерня 35, входящая в зацепление с ведомой шестерней 36, закрепленной на ведомом валу 37, вставленным в подшипник крышки 38. Верхний редуктор содержит корпус, в подшипнике 39 которого установлен вертикальный ведущий вал 40, на котором закреплена ведущая шестерня 41, входящая в зацепление с ведомыми шестернями 42 и 43, закрепленными на переднем и заднем продольных выходных валах, концы которых вставлены в подшипники 44 и 45 корпуса, закрытого крышкой 46. Турбореактивный двигатель содержит также системы охлаждения, подачи топлива, запуска и управления (не показаны). The turbojet disk engine comprises a lower housing 1 and an upper housing 2, offset forward in relation to the lower housing in the longitudinal direction. Both cases are interconnected by plates 3 and 4. In the lower case are located: an inlet device 5, in the center of which a cone 7 is mounted on the brackets 6, which is a rotary gearbox and compressor support 8 connected by a shaft 9 to a double-row gas turbine 10, the bearing of which is the output cone 11, attached by brackets 12 to the housing and located in the jet nozzle 13. Between the compressor and the gas turbine there are combustion chambers 14 with fuel nozzles 15 and an ignition device not shown in the drawing. Inside the upper case, in its middle part, there is an upper gearbox 16 mounted on brackets 17, the drive shaft of which is connected via a vertical shaft 18 with couplers 19 to the driven shaft of the rotary gearbox. The front output shaft 20 of the upper gearbox with its front end is inserted into the bearing of the cone 21 located in the input device 22 of the upper housing. The rear output shaft 23 with its rear end is inserted into the bearing of the cone 24 mounted on the brackets 25 of the exhaust device 26, and the inlet cone is mounted on the brackets 27. The front disks 28 are mounted on the front output shaft, made of light and durable material and having a smooth and polished the front surface, and on the back surface of the same polished made channels 29 of round or square cross section, installed at an angle α equal to forty-five degrees to the plane passing through the center iia, and the channels are placed on concentric circles in an even number in each of them. Rear disks 30 are made on the rear output shaft, made of light and durable material and have a smooth and polished front surface, and round or square channels 31 are made on the rear surface of the same polished surface, installed at an angle α equal to forty-five degrees to the plane passing through the center of rotation, and the channels are placed on concentric circles in an even number in each of them. The bottom of each of the channels, both front and rear discs, is made parallel to the front and rear surfaces of the disc, as a result of which the areas of the opposite sides of each channel are equal in the longitudinal and transverse directions. The rotary gearbox contains a housing that is a cone of the inlet device of a turbojet engine, in the bearing 32 of which a drive shaft 33 is fixed, connected by a coupling 34 to the compressor shaft. A drive gear 35 is fixed to the drive shaft, meshing with the driven gear 36, mounted on the driven shaft 37, inserted into the bearing of the cover 38. The upper gearbox contains a housing in the bearing 39 of which a vertical drive shaft 40 is mounted, on which the drive gear 41 is mounted, which engages with driven gears 42 and 43, mounted on the front and rear longitudinal output shafts, the ends of which are inserted into the bearings 44 and 45 of the housing, closed by a cover 46. The turbojet engine also contains cooling systems, fuel delivery, start-up and control (not shown).

Работа турбореактивного дискового двигателя. Work turbojet disk engine.

После проверки всех вспомогательных систем производится запуск турбореактивного дискового двигателя. Стартером, не показанным на чертеже, раскручивается вал компрессора 8 и газовой турбины 10. При этом компрессор 8 сжимает воздух и подает его в камеры сгорания 14, куда также насосами через форсунки 15 подается топливо, которое поджигается и сгорает при температуре 1500 - 1700 ^oC. Раскаленная газовая струя вырывается из реактивного сопла 13, приводя в движение турбину 10. После запуска двигателя стартер отключается и двигатель выводится на нужный режим, создавая необходимую тягу за счет реакции, вытекающей из реактивного сопла струи газа. При этом вместе с валом компрессора 8 вращается ведущий вал 33 и ведущая шестерня 35 поворотного редуктора 7, которая передает вращение ведомой шестерне 36, ведомому валу 37 и далее вертикальному валу 18 и входному валу 40 верхнего редуктора 16. Входной вал приводит во вращение ведущую шестерню 41, которая через ведомые шестерни 42 и 43 приводит во вращение в противоположные стороны и с меньшей скоростью передний 20 и задний 23 выходные валы, а вместе с ними и передние 28 и задние 30 диски. При вращении дисков на их передних и задних поверхностях образуются движущиеся пограничные слои воздуха, вследствие прилипания частиц воздуха к поверхностям дисков. По Закону Бернулли в движущемся потоке воздуха давление всегда меньше, чем в прилегающих неподвижных слоях. Следовательно на передних и задних поверхностях дисков 28 и 30 создается разрежение. Причем на передних поверхностях дисков оно в два раза больше, чем на задних поверхностях потому, что площадь задней поверхности каждого из дисков в два раза меньше передней поверхности за счет площади каналов 29 и 31. Таким образом к передней части каждого из дисков 28 и 30 приложена сила F_п, а к задней части приложена сила F_з в два раза меньшая. При вращении дисков 28 и 30 из пограничного слоя часть воздуха поступает в каналы 29 и 31 и создает там давление. Силы давления F и F₁ на переднюю и заднюю стенки каналов равны и уравновешивают друг друга потому, что площади их равны l= l₁. Силы, действующие на боковые поверхности в поперечном направлении также равны так, как площади, на которые действуют эти силы также равны (на чертеже не показано). Силы давления F_д на дно каждого из каналов ничем не уравновешены и по направлению совпадают с силами F_п. Равнодействующая этих сил F_р = F_п + F_д - F_з (фиг. 12). Равнодействующие силы F_р каждого диска складываются и через передний 20 и задний 23 выходные валы приложены к верхнему корпусу 2 и стремятся сдвинуть его вперед. Таким образом при работе турбореактивного дискового двигателя общая тяга двигателя складывается из тяги, создаваемой за счет реакции, вытекающего из реактивного сопла 13 раскаленного газа и за счет разрежения, создаваемого на передних поверхностях дисков 28 и 30, а также давления на дно каждого из каналов 29 и 31 упомянутых дисков. Количество каналов в каждой из окружностей должно быть четным, иначе возникнет дисбаланс, который приведет к вибрации, разрушению подшипников и выходу двигателя из строя. Такие системы двигателя, как подачи топлива, охлаждения, управления работают обычным способом и на чертежах не показаны.After checking all the auxiliary systems, the turbojet disk engine is started. A starter, not shown in the drawing, spins the shaft of the compressor 8 and the gas turbine 10. In this case, the compressor 8 compresses the air and feeds it into the combustion chambers 14, where fuel is also pumped through the nozzles 15, which is ignited and burned at a temperature of 1500 - 1700 ^o C The hot gas jet breaks out of the jet nozzle 13, driving the turbine 10. After the engine starts, the starter is turned off and the engine is put into the desired mode, creating the necessary thrust due to the reaction flowing from the jet nozzle of the gas jet. At the same time, along with the compressor shaft 8, the drive shaft 33 and the drive gear 35 of the rotary gearbox 7 rotate, which transfers the rotation of the driven gear 36, the driven shaft 37 and then to the vertical shaft 18 and the input shaft 40 of the upper gear 16. The input shaft drives the drive gear 41 which, through the driven gears 42 and 43, drives the front 20 and rear 23 output shafts, and with them the front 28 and rear 30 disks, into rotation in opposite directions and at a lower speed. When the disks rotate, moving boundary air layers are formed on their front and rear surfaces due to the adherence of air particles to the surfaces of the disks. According to the Bernoulli Law, the pressure in a moving air stream is always less than in adjacent stationary layers. Therefore, a vacuum is created on the front and rear surfaces of the disks 28 and 30. Moreover, on the front surfaces of the disks it is two times larger than on the rear surfaces because the area of the rear surface of each of the disks is two times smaller than the front surface due to the area of the channels 29 and 31. Thus, the front part of each of the disks 28 and 30 is attached force F _p , and applied to the back of the force F _z two times less. When the disks 28 and 30 rotate from the boundary layer, part of the air enters the channels 29 and 31 and creates pressure there. The pressure forces F and F ₁ on the front and rear walls of the channels are equal and balance each other because their areas are equal to l = l ₁ . The forces acting on the lateral surfaces in the transverse direction are also equal as the areas on which these forces act are also equal (not shown in the drawing). The pressure forces F _d to the bottom of each of the channels are not balanced by anything and in the direction coincide with the forces F _p . The resultant of these forces is F _p = F _p + F _d - F _s (Fig. 12). The resultant forces F _{p of} each disk are added and through the front 20 and rear 23 output shafts are applied to the upper housing 2 and tend to move it forward. Thus, during the operation of a turbojet disk engine, the total thrust of the engine is composed of thrust created due to the reaction resulting from the hot gas jet 13 and due to the vacuum generated on the front surfaces of the disks 28 and 30, as well as the pressure on the bottom of each channel 29 and 31 mentioned drives. The number of channels in each of the circles must be even, otherwise an imbalance will occur, which will lead to vibration, destruction of bearings and engine failure. Engine systems such as fuel supply, cooling, control operate in the usual way and are not shown in the drawings.

Положительный эффект изобретения - более полное использование мощности газовых турбин, меньший шум, большая безопасность и меньший расход топлива. A positive effect of the invention is a more complete use of the power of gas turbines, less noise, greater safety and lower fuel consumption.

Claims

A turbojet disk engine containing a lower housing with an inlet device and a jet nozzle, inside of which there is a shaft with a compressor and a gas turbine mounted on it, which is mechanically connected to the gearbox, a combustion chamber with nozzles and an ignition device, a cooling system, fuel supply, start-up and control characterized in that the gear in the front of the lower housing is made rotatable, placed in the cone of the inlet device and is connected to the upper gear via a vertical shaft, size mounted inside the middle part of the upper housing having an inlet and outlet device mounted above the lower housing and shifted forward relative to the longitudinal axis of the lower housing, and disks are mounted on the output shafts of the upper gearbox installed in the bearings inside the upper housing, each of which has a front smooth polished surface, and on the same rear surface of each of them channels of circular or square cross-section are arranged, located on concentric circles in even numbers e in each of them, in addition, the longitudinal axis of each channel is tilted and forms an angle with a plane passing through the center of rotation, and the bottom of each channel is parallel to the front and rear surfaces of the disk, as a result of which the areas of the opposite sides of each channel are equal to longitudinal and transverse directions.