Роторный биротативный газотурбинный двигатель - RU2702317C1

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к машиностроению, а именно к газотурбинным двигателям (далее по тексту ГТД), и установкам на их основе, предназначенным для получения момента вращения на валу агрегатов и механизмов различных транспортных средств, электрогенераторов, насосов, компрессоров перекачивающих станций, холодильных установок, и т.д.

Известны ГТД роторного типа (РГТД) с центробежным компрессором, используемые для вращения вала, например, устройство «Турбина внутреннего сгорания» "Кузьмин" (ТВС, патент РФ №2312238, опубликован 10.12.2007 г.), а так же «Роторный газотурбинный двигатель», (патент РФ №2623592, опубликован 16.06.2016 г).

Известен так же «Газотурбинный струйный двигатель», (патент РФ №2441998, от 31.08.2010 г. ), который по конструкции и назначению является наиболее близким аналогом к заявляемому Роторному биротативному газотурбинному двигателю (РБ ГТД).

Газотурбинный струйный двигатель содержит установленные на одном валу компрессор подачи воздуха и вращающуюся камеру сгорания с тангенциально расположенными реактивными соплами, представляющую собой реактивную турбину по типу «сегнерова колеса», и являющуюся рабочим колесом первого ротора двигателя, а так же дополнительные ступени расширения продуктов сгорания топливо-воздушной смеси, расположенные коаксиально относительно рабочего колеса первого ротора, имеющие тангенциально установленные на периферии аналогичные реактивные сопла, и представляющие собой рабочие колеса полых роторов, установленных в подшипниках, с возможностью зависимого, или независимого от рабочего колеса первого ротора вращения. Вращение роторов кинематический связано между собой посредством редукторов. Камера сгорания оснащена системой подвода топлива, системой воспламенения, и замкнутой системой охлаждения с жидкометаллическим теплоносителем, и теплоотдачей к поступающему на горение воздуху в теплообменнике после последней ступени компрессора. Истечение продуктов сгорания из турбины происходит ступенчато, через реактивные трансзвуковые сопла каждого ротора, со скоростью, не превышающей скорость звука, при критическом перепаде давления.

Газотурбинный струйный двигатель обладает рядом существенных недостатков: малой абсолютной и удельной мощностью, недостаточной экономичностью работы (по значению эффективного КПД), высокой сложностью и большой металлоемкостью конструкции, которые обусловлены:

- низкой эффективностью работы всего проточного тракта, и особенно за компрессором, на входе во вращающуюся кольцевую камеру сгорания, из-за больших газодинамических потерь энергии, причем, как при использовании осевого компрессора, так, и особенно, центробежного, или их последовательного сочетания;

- низкой эффективностью работы относительно большой по размерам, вращающейся с большой скоростью кольцевой камеры сгорания торообразной формы, имеющей общую зону горения, что не позволяет обеспечить ее эффективную и надежную работу из-за возникновения в ней, на ряду с низкочастотными колебаниями давления, (как правило, при смешении топлива с потоками сжатого воздуха), так же акустической неустойчивости горения топливо-воздушной смеси, порождаемой возбуждением интенсивных поперечных (радиальных и тангенциальных) высокочастотных колебаний давления в продуктах сгорания, возникающих из-за образования нескольких зон горения топливо-воздушной смеси. В результате этого процесс горения в большой кольцевой камере сгорания становится пульсирующим, неустойчивым, вибрационным, что, в свою очередь, приводит к снижению мощности, экономичности и надежности работы двигателя. Вибрационное горение является автоколебательным, поэтому в процессе работы камеры сгорания оно приводит к возникновению резонансных явлений, и, как следствие, к полному срыву процесса горения, что делает двигатель не надежным в работе, особенно при действии на процесс горения фактора центробежных сил, так как при высокоскоростных потоках сжатого воздуха, поступающих во вращающуюся с большой скоростью кольцевую камеру сгорания ТВС, невозможно обеспечить:

- выравнивание полей основных термодинамических параметров в потоках входящего в нее сжатого воздуха;

- равномерное и безударное (без пульсаций давления) заполнение кольцевой камеры сгорания сжатым воздухом или продуктами сгорания от предыдущей ступени;

- качественное смешение топлива с потоками сжатого воздуха, и высокоэффективное горение этой топливо-воздушной смеси без низко и высокочастотных пульсаций, и автоколебаний давления.

Сложность и большая металлоемкость данного двигателя, а значит, и его большая масса, обусловлены:

- наличием большого количества (четырех) ступеней расширения рабочего тела, выполненных в виде полых роторов;

- наличием большого количества (четырех) редукторов, которые на указанных в патенте оборотах вращения (33063 об/мин) практически не работоспособны, так как они имеют ограничение по скорости вращения порядка 6000 об/мин.

Дополнительным недостатком данного двигателя является наличие большого количества лабиринтных уплотнений, которые при данной конструктивной схеме двигателя практически реализовать не возможно, а уплотнения другого типа (например, торцевые, сальниковые, манжетные, керамические, войлочные, и т.п.) будут не эффективными.

Все указанные выше недостатки приводят в совокупности к существенному снижению эффективности (по мощности и КПД), и надежности работы Газотурбинного струйного двигателя.

Техническими результатами заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя являются повышение его абсолютной и удельной мощности, и экономичности его работы в заданных габаритных ограничениях по диаметру описанной окружности роторов, а так же упрощение его конструкции.

Выше указанные технические результаты достигаются тем, что в Роторном биротативном газотурбинном двигателе рабочее колесо первого ротора выполнено в виде моноблока, установленного жестко на своем валу с возможностью вращения, содержащего двухпоточное закрытое центробежное колесо, обеспечивающее сжатие поступающего в него окислительного рабочего тела, при этом двухпоточное закрытое центробежное колесо выполнено, или, как одно целое двухпоточное закрытое центробежное колесо с закрытыми центробежными каналами на каждой его стороне, причем центробежные каналы одной стороны выполнены зеркально по отношению к центробежным каналам другой стороны, или выполнено из двух однопоточных закрытых центробежных колес, выполненных зеркально по отношению друг к другу, плотно и жестко соединенных своими фланцами друг с другом, а так же содержащего корпус коллектора торообразной формы, охватывающий соосно и коаксиально двухпоточное закрытое центробежное колесо по его периферии, и соединенный с ним жестко, плотно и герметично, при этом корпус коллектора выполнен с внутренней полостью торообразной формы, имеющей отверстие по внутреннему периметру, и разделенной на отдельные камеры сгорания жестко закрепленными поперечными перегородками, являющимися продолжением лопаток, выполненных по всей высоте двухпоточного закрытого центробежного колеса, причем закрепленными с образованием входных отверстий в отдельные камеры сгорания, при этом выходные отверстия центробежных каналов открыты в полости отдельных камер сгорания через их входные отверстия так, что, по меньшей мере, по одному выходному отверстию центробежных каналов открыто в полость каждой отдельной камеры сгорания, снабженной, по меньшей мере, одним тангенциально установленным соплом, выполненным сверхзвуковыми, в виде сопла Лаваля, центральная ось которого совпадает по направлению с центральной осью отдельной камеры сгорания, снабженной средствами подачи горючего рабочего тела, а так же системой зажигания, размещенной на обе стороны каждой поперечной перегородки с обеспечением одновременного воспламенения смеси горючего и окислительного рабочего тела в каждых отдельных камерах сгорания, примыкающих друг к другу через перегородку, а между выходными отверстиями двухпоточного закрытого центробежного колеса и входными отверстиями отдельных камер сгорания установлено средство дросселирования, выполненное в виде перфорированной ленты, и обеспечивающее выравнивание термодинамических параметров сжатых потоков окислительного рабочего тела в поперечном сечении проточного тракта на входе в каждую отдельную камеру сгорания, при этом рабочее колесо первого ротора соединено с двух сторон соосно и подвижно, с помощью лабиринтного соединения с концами двух корпусов трубопроводов окислительного рабочего тела, выполненных в виде полых, открытых с двух сторон цилиндров с фланцами, соединенных жестко своими вторыми концами с корпусом, при этом вал первого ротора, один конец которого выполнен с внутренним осевым каналом для подвода горючего рабочего тела в отдельные камеры сгорания первого ротора, и соединен соосно и подвижно, с помощью лабиринтного уплотнения с корпусом трубопровода, подводящим горючее рабочее тело, установлен в корпусе двигателя подвижно, с помощью подшипниковой опоры, с жестко закрепленным на нем компрессором, размещенным соосно внутри одного из корпусов трубопровода окислительного рабочего тела, а другой конец вала первого ротора так же установлен в корпусе двигателя подвижно, с помощью подшипниковой опоры, с жестко закрепленным на нем компрессором, размещенным соосно внутри второго корпуса трубопровода окислительного рабочего тела, и соединен с полезной нагрузкой, при этом рабочее колесо второго ротора установлено соосно и коаксиально вокруг рабочего колеса первого ротора, с возможностью независимого вращения в противоположном направлении, и выполнено из двух одинаковых дисков, с диаметром, превышающим диаметр рабочего колеса первого ротора, и установленных соосно между собой, и с рабочим колесом первого ротора с каждой его стороны, при этом выполненных с тангенциально расположенными по окружности на их внешних сторонах воздухозаборными каналами, представляющими собой открытые в сторону вращения дисков выпуклые полости со сквозными отверстиями в их нишах, выполненными в дисках, соединенных между собой по периферии жестко и герметично кольцом жолобообразной формы, с образованием внутри кольца полости рабочего колеса второго ротора, в котором установлены тангенциально одинаково направленные сверхзвуковые сопла, выполненные в виде плоского сопла Лаваля, с панелью дозвуковой части, расположенной параллельно оси вращения рабочего колеса второго ротора, по радиусу ближе к центру его вращения, выполненной удлиненной, с возможностью выполнения функции лопатки, при этом диски своей внешней стороной соединены жестко и герметично, каждый со своим валом, выполненным в виде полого, открытого с двух сторон цилиндра, на внутренней поверхности которого выполнены проточки в виде кольцеобразных углублений, в которых установлены жестко магниты, при этом каждый из валов рабочего колеса второго ротора установлен подвижно и коаксиально через подшипниковые опоры на соответствующий корпус трубопровода окислительного рабочего тела, выполненный с проточкой на наружной поверхности цилиндрической части, в которую установлена токопроводящая обмотка статора.

В частном случае исполнения Роторный биротативный газотурбинный двигатель может быть выполнен с рабочим колесом первого ротора, соединенным соосно и подвижно, с помощью лабиринтного соединения, с корпусом одного трубопровода, подводящего к нему окислительное рабочее тело с одной сторон, и выполненным в виде моноблока, установленного жестко на своем валу с возможностью вращения, содержащего однопоточное закрытое центробежное колесо, выполняющее функцию компрессора для сжатия потока окислительного рабочего тела. При этом один из концов вала рабочего колеса первого ротора выполнен укороченным, без жестко закрепленного на нем компрессора, а один из валов рабочего колеса второго ротора может быть выполнен укороченным, без магнитов, и опираться через подшипниковую опору на рабочее колесо первого ротора.

В частном случае исполнения Роторный биротативный газотурбинный двигатель может быть выполнен с рабочим колесом второго ротора, диски которого соединены между собой на периферии жестко и герметично лопатками, выполненными в виде желобов, профилированных в поперечном сечении по закону логарифмической спирали, и ось которых параллельна валам дисков второго ротора, при этом лопатки закреплены своими торцами жестко на периферии плоскостей дисков, по нормали, и с заданным углом разворота, и с образованием плоских сопел Лаваля.

В частном случае исполнения Роторного биротативного газотурбинного двигателя:

- компрессоры, размещенные в трубопроводах окислительного рабочего тела, могут быть центробежными;

- компрессоры, размещенные в трубопроводах окислительного рабочего тела, могут быть осевыми.

Закрытое центробежное колесо выполнено с обеспечением возможности сжатия поступающего в него окислительного рабочего тела, например, воздуха окружающей атмосферы, за счет работы его лопаток, а так же за счет центробежных сил, действующих на рабочее тело. При этом 58% работы сжатия рабочего тела является «дармовым», так как осуществляется за счет центробежных сил, действующих на массу окислительного рабочего тела, и лишь только 42% работы сжатия осуществляется за счет работы лопаток, поэтому и потери энергии окислительного рабочего тела при его сжатии определяются от 42% работы сжатия лопатками (см., Н. Кампсти, «Аэродинамика компрессоров», гл. 2.2, М., Изд. «Мир», 2000 г., с. 105, и др.). Параметры центробежного колеса и его рабочие характеристики определяются исходя из требований к рабочему колесу первого ротора, в соответствии с методикой и программами расчета, представленными, в том числе, там же.

В частном случае исполнения Роторного биротативного газотурбинного двигателя:

- закрытое центробежное колесо первого ротора может быть выполнено, как с радиальными, так и с профилированными лопатками, причем, или только с основными лопатками, расположенными на всей высоте ступицы колеса, или же, и со вспомогательными, укороченными по высоте со стороны входа в центробежное колесо лопатками;

- профилированные лопатки закрытого центробежного колеса первого ротора выполнены на выходе с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную его вращения, при этом угол наклона определяется путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного втекания рабочего тела в камеры сгорания;

В приведенном примере входные отверстия камер сгорания рабочего колеса первого ротора закрыты дросселирующим средством, выполненным в виде разделенной на сегменты перфорированной ленты из прочного, термостойкого материала, обеспечивающим торможение потоков сжатого окислительного рабочего тела, с выравниванием его термодинамических параметров в поперечном сечении проточного тракта перед поступлением в отдельные камеры сгорания рабочего колеса первого ротора, при этом с повышением энтальпии окислительного рабочего тела.

В частном случае исполнения дросселирующее средство выполняется в виде единой кольцеобразной перфорированной ленты.

В частном случае исполнения поперечные перегородки могут быть выполнены за одно целое с основными лопатками, имеющими длину по всей высоте ступицы двухпоточного закрытого центробежного колеса, с помощью литья, а так же с помощью аддитивных 3-D технологий.

С целью обеспечения в двигателе устойчивого и эффективного процесса горения смеси горючего и окислительного рабочего тела с высокими значениями скорости, полноты сгорания, и тепловыделения, без низко и высокочастотных пульсаций давления, и автоколебаний, отдельные камеры сгорания выполнены по расположению, форме и размерам, с возможностью обеспечения направленного горения смеси горючего и окислительного рабочего тела. Зона горения в каждой отдельной камере сгорания ограничивается ее стенками, и оптимизируется их формой и размерами.

Для обеспечения эффективного истечения продуктов сгорания из отдельных камер сгорания, в них установлены сверхзвуковые сопла, число которых соответствует, или может быть больше числа камер сгорания.

Для обеспечения максимального значения момента вращения на валу рабочего колеса первого ротора, и на валах рабочего колеса второго ротора, сверхзвуковые сопла в камерах сгорания первого ротора, и сверхзвуковые сопла в кольце второго ротора установлены тангенциально.

В частном случае исполнения сверхзвуковые сопла рабочего колеса первого ротора и рабочего колеса второго ротора могут быть круглыми осесимметричными, и сменными.

В каждой камере сгорания установлены средства подачи горючего рабочего тела, включающие, например, коллекторы с форсунками, и стабилизаторами пламени, выполненными, например, в виде перфорированных экранов полусферической формы (на чертежах не обозначены), и системой зажигания смеси горючего и окислительного рабочего тела, включающей установленные в перегородках элементы, выполненные, например, в виде запальных форкамерных свечей, обеспечивающих одновременное воспламенение смеси окислительного и горючего рабочего тела в примыкающих друг к другу отдельных камерах сгорания.

В частном случае исполнения Роторного биротативного газотурбинного двигателя горючее рабочее тело в двигатель может поступать в газообразном виде вместе с потоком окислительного рабочего тела через входное сечение закрытого центробежного колеса.

Внутренние поверхности стенок отдельных камер сгорания, поперечные перегородки и сопла рабочего колеса первого ротора, а так же сопла рабочего колеса второго ротора выполнены с теплозащитным покрытием, например, металлокерамическим, что позволяет существенно повысить рабочую температуру горения смеси горючего и окислительного рабочего тела, вплоть до стехиометрических значений, тем самым "существенно повысить мощность, экономичность и реакционную способность (приемистость) Роторного биротативного газотурбинного двигателя, а так же существенно повысить ресурс его эксплуатации.

Сквозные отверстия, расположенные в нишах воздухозаборных каналов дисков рабочего колеса второго ротора выполнены в его дисках профилированными, с обеспечением поступления через них в полость рабочего колеса второго ротора окислительного рабочего тела с расчетными значениями расхода и избыточного давления.

Удлиненная панель дозвуковой части плоских сверхзвуковых сопел Лаваля рабочего колеса второго ротора, расположенная параллельно оси его вращения, и по радиусу, ближе к центру вращения, может быть выполнена профилированной в своем продольном сечении по закону логарифмической спирали, с изгибом ее концов к оси вращения.

В частном случае исполнения Роторного биротативного газотурбинного двигателя магниты выполнены в виде колец, или полуколец.

Проточки, выполненные на наружной поверхности цилиндрической части каждого корпуса трубопровода окислительного рабочего тела, в которые установлены токопроводящие обмотки статоров, и проточки, выполненные на внутренней поверхности каждого вала рабочего колеса второго ротора, в которых закреплены жестко магниты, установлены друг против друга концентрически, с целью образования высокочастотных электродвигателей - электрогенераторов.

Рабочее колесо первого ротора выполняет в Роторном биротативном газотурбинном двигателе функцию реактивной турбины, а рабочее колесо второго ротора выполняет функцию активно - реактивной, или реактивной турбины.

В данном техническом решении полезная нагрузка для вала рабочего колеса первого ротора может представлять собой присоединенный через муфту, отдельно расположенный высокочастотный электродвигатель -электрогенератор, а для рабочего колеса второго ротора полезной нагрузкой являются токопроводящие обмотки статоров, установленные на наружной поверхности корпусов трубопроводов окислительного рабочего тела, а так же установленные коаксиально и напротив них, на внутренней поверхности валов рабочего колеса второго ротора магниты, образующие в совокупности высокочастотные электродвигатели - электрогенераторы.

Техническое решение поясняется графическими материалами на фиг. 1-9, а так же Таблицами 1 и 2, не охватывающими, и, тем более, не ограничивающими весь объем притязаний данного технического решения, а являющимися частными примерами выполнения изобретения.

На чертеже фиг. 1 изображен Роторный биротативный газотурбинный двигатель с двухпоточным закрытым центробежным колесом, выполненным из двух однопоточных закрытых центробежных колес, прочно соединенных своими фланцами, с лопатками одного из них выполнены зеркально лопаткам другого колеса, (аксонометрическая проекция с диаметральным сечением вдоль оси валов).

На чертеже фиг. 2 изображен Роторный биротативный газотурбинный двигатель с двухпоточным закрытым центробежным колесом, выполненным аналогично, как на фиг. 1, (фронтальная проекция с диаметральным сечением вдоль оси валов).

На чертеже фиг. 3 изображен Роторный биротативный газотурбинный двигатель с двухпоточным закрытым центробежным колесом, выполненным аналогично, как на фиг. 1, (аксонометрическая проекция с вырезом по оси валов Ул части половины двигателя).

На чертеже фиг. 4 изображено рабочее колесо первого ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя с двухпоточным закрытым центробежным колесом, выполненным, как одно целое, с профилированными лопатками на каждой его стороне, одна из которых выполнена зеркально другой стороне, (аксонометрическая проекция с диаметральным сечением вдоль оси вала первого ротора).

На чертеже фиг. 5 изображена часть рабочего колеса первого ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя, выполненного с отдельными камерами сгорания, оснащенными плоскими сверхзвуковыми соплами Лаваля, (аксонометрическая проекция).

На чертеже фиг. 6 изображено двухпоточное открытое центробежное колесо рабочего колеса первого ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя, выполненное, как одно целое, с основными лопатками, и вспомогательными укороченными со стороны входа лопатками на каждой его стороне, одна из которых выполнена зеркально другой стороне.

На чертеже фиг. 7 изображен корпус коллектора тороидальной формы рабочего колеса первого ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя, выполненный с отверстием по внутреннему диаметру, с поперечными перегородками, разделяющими его на отдельные камеры сгорания, в которых установлены средства зажигания, (аксонометрическая проекция с диаметральным разрезом).

На чертеже фиг. 8 изображено рабочее колесо второго ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя, (аксонометрическая проекция с вырезом по оси валов

На графике фиг. 9 показано влияние на КПД рабочего колеса первого Ротора заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя отношения окружной скорости (u) на окружности рабочего колеса первого ротора к скорости адиабатного истечения (с₀) рабочего тела.

В Таблице 1 приведены предварительные расчетные значения КПД рабочего колеса первого ротора заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя (с однопоточным закрытым центробежным колесом), в зависимости от степени сжатия окислительного рабочего тела в компрессоре, и от значения коэффициента соотношения мощности, развиваемой двигателем, и затрачиваемой на вращение рабочего колеса компрессора.

В Таблице 2 представлены предварительные расчетные характеристики заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя (с однопоточным закрытым центробежным колесом, горючее рабочее тело - авиационный керосин Т-1), в сравнении с аналогичными расчетными характеристиками ближайшего аналога - Газотурбинного струйного двигателя А.В. Локотко (патент РФ №2441998, от 31.08.2010 г.).

Далее по тексту описания, и на чертежах технического решения через «'» обозначены тождественные детали, выполненные в Роторном биротативном газотурбинном двигателе зеркально.

Роторный биротативный газотурбинный двигатель (фиг. 1-9) установлен в корпусе (1) с закрепленными на нем вертикально, параллельно, и жестко (например, с помощью сварки) стойками (2) и (2'). На стойках (2) и (2'), выполненных с соосно расположенными сквозными решетками (3) и (3'), в которых установлены подшипниковые опоры (4) и (4'), закреплен соосно, с возможностью вращения вал (5), на концах которого закреплены жестко (например, с помощью шлицов) компрессоры

(6) и (6'), а между ними установлено, и закреплено жестко (например, с помощью шлицов) рабочее колесо (7) первого ротора. Так же к стойкам (2) и (2') прикреплены жестко (например, с помощью крепежа) корпусы (8) и (8') трубопроводов окислительного рабочего тела (например, воздуха окружающей среды), выполненные в виде полых, открытых с двух сторон цилиндров с фланцами. Своими наружными фланцами корпусы (8) и (8') жестко (например, с помощью крепежа) соединены со стойкам (2) и (2'), а внутренними фланцами, выполненными со сквозными решетками (9) и (9'), в которых для вала (5) установлены дополнительные подшипниковые опоры (10) и (10'), соединены подвижно через лабиринтные соединения (11) и (11') с рабочим колесом (7) первого ротора, вал (5) которого с одного конца, и до его половины, выполнен с осевым каналом (12) для подвода горючего рабочего тела в рабочее колесо (7) первого ротора, и соединен этим концом подвижно, с помощью лабиринтного соединения (на чертежах не показано), с трубопроводом горючего рабочего тела (на чертежах так же не показано), а другим концом соединен через муфту с полезной нагрузкой, например, с установленным отдельно высокочастотным электродвигателем - электрогенератором (на чертежах не показаны).

На внешней цилиндрической поверхности корпусов (8) и (8') трубопроводов окислительного рабочего тела выполнены проточки в виде цилиндрообразных углублений, в которых установлены токопроводящие обмотки статоров (13) и (13'), а так же выполнены проточные каналы (14), служащие для осуществления охлаждения обмотки статоров (13) и (13').

Рабочее колесо (7) первого ротора выполнено в виде моноблока, содержащего на валу (5) двухпоточное закрытое центробежное колесо (15), с основными лопатками (16) и (16'), выполненными на всей высоте ступицы двухпоточного закрытого центробежного колеса, и вспомогательными лопатками (17) и (17'), укороченными со стороны входа, образующими центробежные каналы. Центробежное колесо (15) выполнено, или, как одно целое двухпоточное закрытое центробежное колесо с центробежными каналами на каждой его стороне (при этом центробежные каналы одной стороны выполнены зеркально относительно центробежных каналов другой стороны), или выполнено из двух однопоточных закрытых центробежных колес, изготовленных зеркально по отношению друг к другу, плотно и жестко соединенных своими фланцами друг с другом. Рабочее колесо (7) первого ротора содержит так же корпус (18) коллектора торообразной формы, охватывающий соосно и коаксиально центробежное колесо (15) по его периферии, и соединенный с ним жестко, плотно и герметично. Корпус (18) коллектора выполнен с внутренней полостью торообразной формы, имеющей отверстие (19) по внутреннему периметру, и разделенной на отдельные камеры сгорания (20) жестко закрепленными поперечными перегородками (21), являющимися продолжением основных лопаток (16) и (16') центробежного колеса (15), и закрепленными с образованием входных отверстий в камеры сгорания (20), при этом выходные отверстия центробежных каналов закрытого центробежного колеса (15) открыты в полости камер сгорания (20) через их входные отверстия, причем, по меньшей мере, по одному выходному отверстию центробежных каналов открыто в полость каждой камеры сгорания (20), снабженной, по меньшей мере, одним тангенциально установленным сверхзвуковым соплом (22), выполненным, в виде плоского сопла Лаваля, центральная ось которого совпадает с центральной осью камеры сгорания (20), снабженной средствами подачи горючего рабочего тела (23), а так же системой зажигания (24), размещенной на обеих сторонах каждой поперечной перегородки (21), с обеспечением одновременного воспламенения смеси горючего и окислительного рабочего тела в каждых камерах сгорания (20), примыкающих через перегородку (21) друг к другу. Между выходными отверстиями закрытого центробежного колеса (15) и входными отверстиями камер сгорания (20) установлено средство дросселирования (25), обеспечивающее выравнивание термодинамических параметров сжатых потоков окислительного рабочего тела в поперечном сечении проточного тракта на входе их в камеры сгорания (20).

Вокруг рабочего колеса (7) первого ротора, и соосно с ним установлено, с возможностью независимого вращения в противоположном направлении, рабочее колесо (26) второго ротора, выполненное из двух одинаковых дисков (27) и (27'), с диаметром, превышающим диаметр рабочего колеса (7) первого ротора. Диски (27) и (27') установлены соосно между собой, и с рабочим колесом (7) первого ротора, с каждой его стороны, при этом диски (27) и (27') выполнены с тангенциально расположенными на их внешней стороне по окружности воздухозаборными каналами (28) и (28'), представляющими собой открытые в сторону вращения рабочего колеса (26) второго ротора выпуклые полости с выполненными в их нишах сквозными отверстиями (29) и (29'), выполненными в дисках (27) и (27'), каждый из которых соединен жестко (например, с помощью крепежа) своей внешней стороной со своим валом (30) и (30') соответственно. Валы (30) и (30') выполнены в виде полых, открытых с двух сторон цилиндров, каждый из которых установлен коаксиально, через подшипниковые опоры (31) и (31'), и (32) и (32') на соответствующие корпусы (8) и (8') трубопроводов окислительного рабочего тела, а на внутренней стороне каждого из валов (30) и (30') выполнены проточки, в которых установлены жестко (например, с помощью клея) магниты (33) и (33'), выполненные в виде элементов различной формы (например, в форме колец, или полуколец).

Проточки, выполненные на наружной поверхности цилиндрической части трубопроводов (8) и (8') окислительного рабочего тела, в которые установлены токопроводящие обмотки статоров (13) и (13'), и проточки, выполненные на внутренней поверхности валов (30) и (30') рабочего колеса (26) второго ротора, в которых закреплены жестко магниты (33) и (33'), установлены друг против друга концентрически, с целью образования высокочастотных электродвигателей - электрогенераторов.

Диски (27) и (27') соединены между собой по периферии жестко и герметично кольцом (34) жолобообразной формы, с образованием внутри кольца замкнутой полости, в котором установлены тангенциально и одинаково направленные сверхзвуковые сопла (35), выполненные виде плоских сопел Лаваля, с обеспечением вращения рабочего колеса (26) второго ротора в сторону, противоположную вращению рабочего колеса (7) первого ротора. При этом панель дозвуковой части плоского сверхзвукового сопла (35), расположенная параллельно оси вращения рабочего колеса (26) второго ротора, и по радиусу, ближе к центру его вращения, выполнена удлиненной, с целью выполнения ею в работе рабочего колеса (26) второго ротора функции лопатки.

Для охлаждения токопроводящей обмотки статоров (13) и (13'), а так же магнитов (33) и (33'), в корпусах (8) и (8') трубопроводов окислительного рабочего тела выполнены продольные и поперечные проточные каналы (14), в которые в процессе работы двигателя нагнетается первыми (по потоку окислительного рабочего тела) ступенями компрессоров (6) и (6') воздух окружающей среды, при этом диаметр рабочих колес первых ступеней компрессоров (6) и (6') выполнен увеличенным по отношению к диаметру рабочих колес их последующих ступеней.

Запуск и работа Роторного биротативного газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

От внешнего источника электрической энергии (например, от дизель-генератора) по команде блока управления (на чертежах не показан) электрический ток поступает на установленный отдельно внешний высокочастотный электродвигатель - электрогенератор, соединенный через муфту с валом (5) рабочего колеса (7) первого ротора. При этом внешний высокочастотный электродвигатель - электрогенератор начинает работать в режиме электродвигателя, и с мощностью, равной, или чуть большей мощности, потребляемой совместно компрессорами (6) и (6'), и закрытым центробежным колесом (15), раскручивает их вал (5) до высоких оборотов, примерно порядка 25620 об/мин. (или 421-423 Гц.). Одновременно с этим, от внешнего источника электрической энергии (например, другого дизель-генератора) электрический ток подается на токопроводящие обмотки статоров (13) и (13') рабочего колеса (26) второго ротора, образующих вместе с магнитами (33) и (33') высокочастотные электродвигатели - электрогенераторы, которые начинают работать в режиме электродвигателей, и раскручивают рабочее колесо (26) второго ротора с валами (30) и (30') до высоких оборотов, так же, примерно порядка 25620 об/мин. (или 421-423 Гц.). Благодаря высокой скорости вращения рабочего колеса (7) первого ротора окислительное рабочее тело (например, воздух окружающей среды) начинает засасываться с помощью компрессоров (6) и (6'), и центробежного колеса (15) в проточный тракт корпусов (8) и (8') трубопроводов окислительного рабочего тела, где сжимается сначала с помощью компрессоров (6) и (6') до давления расчетного значения, а затем сжимается дальше в центробежном колесе (15) с существенным повышением энтальпии (с существенным повышением температуры, и кратным повышением давления до 8-25 атм, и более). Сжатое до указанных выше значений давления окислительное рабочее тело на выходе из каналов закрытого центробежного колеса (15) проходит через дроссельное средство (25) с торможением и выравниванием термодинамических параметров в сечениях проточного тракта, и поступает в камеры сгорания (20). Одновременно с окислительным рабочим телом, горючее рабочее тело через канал (12) вала (5), и средства подачи (23), так же поступает в камеры сгорания (20), где оба компонента перемешивается, с образованием смеси, которая с помощью система зажигания (24) воспламеняется, и сгорает с недостатком окислительного рабочего тела. В процессе сгорания смеси горючего с недостатком окислительного рабочего тела, в камерах сгорания (20) образуются продукты ее неполного сгорания с повышенными температурой и давлением, за счет чего продукты неполного сгорания из камер сгорания (20) начинают истекать через тангенциально установленные сопла (22) с высокой сверхзвуковой скоростью, двукратно превышающей окружную скорость вращения рабочего колеса (7) первого ротора, создавая при этом высокий импульс реактивной силы, обеспечивающий на валу (5) рабочего колеса (7) первого ротора момент вращения требуемой мощности. При этом продукты неполного сгорания истекают из камер сгорания (20) рабочего колеса (7) первого ротора через сопла (22) с расчетным недорасширением, и имеют на выходе из сопел (22) расчетные избыточные значения температуры и давления, с которыми поступают в полость рабочего колеса (26) второго ротора, образованную кольцом (34) жолобообразной формы, и дисками (27) и (27') с валами (30) и (30').

Так как рабочее колесо (26) второго ротора вращается с окружной скоростью, равной по модулю окружной скорости вращения рабочего колеса (7) первого ротора, но в противоположную сторону, совпадающую с направлением истечения продуктов неполного сгорания из рабочего колеса (7) со скоростью, в два раза большей окружной скорости его вращения, то при сверхзвуковом истечении продуктов неполного сгорания из сопел (22) в полость рабочего колеса (26) второго ротора, в ней не происходит возникновение ударных волн, приводящих к потере полного давления в продуктах неполного сгорания и, как следствие, не происходит уменьшение мощности и эффективности работы по КПД Роторного биротативного газотурбинного двигателя. Таким образом, продукты неполного сгорания, истекающие со сверхзвуковой скоростью из рабочего колеса (7) через сопла (22) в полость рабочего колеса (26) второго ротора, с одной стороны обеспечивают мощный импульс реактивной силы, обеспечивающий на валу (5) момент вращения требуемой мощности, а с другой стороны не образуют в полости рабочего колеса (26) второго ротора ударных волн, и с относительно небольшой скоростью, имея достаточные значения температуры и избыточного давления (скорость, температура и давление подбираются численным моделированием на суперкомпьютере), попадают на удлиненные панели дозвуковых частей плоских сверхзвуковых сопел (35) рабочего колеса (26) второго ротора, которые в данном исполнении представляют собой поверхности, выполняющие функцию лопаток. При этом на удлиненных панелях дозвуковых частях сверхзвуковых сопел (35) происходит торможение продуктов неполного сгорания, с некоторым повышением их статического давления и температуры, и повышением импульса вращения рабочего колеса (26) второго ротора. Одновременно с поступлением продуктов неполного сгорания из рабочего колеса (7) первого ротора в полость рабочего колеса (26) второго ротора, туда же через специально спрофилированные отверстия (29) и (29') воздухозаборного устройства (28) и (28') поступает с расчетными значениями расхода и избыточного давления дополнительная масса окислительного рабочего тела, которая перемешивается с находящимися там продуктами неполного сгорания, обеспечивая их полное догорание с повышением их температуры и давления. Полностью догоревшие продукты сгорания истекают из полости рабочего колеса (26) через сопла (35) со сверхзвуковой скоростью в окружающее пространство с образованием реактивной силы, создающей на валах (30) и (30') рабочего колеса (26) второго ротора момент вращения требуемой мощности. Как только рабочее колеса (7) первого ротора и рабочее колеса (26) второго ротора выходят на режим работы требуемой мощности, обеспечивающей устойчивый режим работы Роторного биротативного газотурбинного двигателя под полной нагрузкой, так сразу внешний электродвигатель - электрогенератор, связанный через муфту с валом (5) рабочего колеса (7) первого ротора, и высокочастотные электродвигатели - электрогенераторы, образованные расположенной в корпусах (8) и (8') токопроводящей обмоткой статоров (13) и (13'), и вращающимися в корпусе валов (30) и (30') магнитами (33) и (33') соответственно, переходят из режима работы электродвигателей, в режим работы электрогенераторов, вырабатывая электрическую энергию требуемой мощности, и с высокой энергоэффективностью по КПД.

Воздухозаборные устройства (28) и (28'), выполненные на дисках (27) и (27'), в процессе работы Роторного биротативного газотурбинного двигателя выполняют две функции. Во - первых, они обеспечивают поступление через сквозные отверстия (29) и (29') в полость рабочего колеса (26) второго ротора дополнительной массы окислительного рабочего тела с расчетными значениями расхода и избыточного давления, с помощью которой продукты неполного сгорания, истекающие из сопел (22) рабочего колеса (7) первого ротора в полость рабочего колеса (26) второго ротора, полностью догорают с повышением температуры и давления. При этом за счет присоединения к потоку продуктов неполного сгорания смеси окислительного и горючего рабочего тела дополнительной массы окислительного рабочего тела, поступающей в полость рабочего колеса (26) второго ротора, а так же за счет повышения в полости рабочего колеса (26) второго ротора температуры и давления в продуктах полного сгорания, увеличивается мощность и эффективность работы по КПД рабочего колеса (26) второго ротора, и Роторного биротативного газотурбинного двигателя в целом. Во - вторых, поступление в полость рабочего колеса (26) второго ротора дополнительной массы окислительного рабочего тела позволяет обеспечить эффективное воздушное охлаждение его дисков (27) и (27'), испытывающих в процессе работы Роторного биротативного газотурбинного двигателя высокие температурные и центробежные нагрузки.

В Таблице 1 представлены значения эффективности работы по КПД рабочего колеса (7) первого ротора с однопоточным закрытым центробежным колесом, определенные по формулам, представленным ниже с учетом реальных характеристик закрытого центробежного колеса (15) и сверхзвуковых сопел (22), представленных так же ниже.

η - коэффициент полезного действия устройства;

Т₁ - температура окислительного рабочего тела перед компрессором;

T₂ - температура окислительного рабочего тела на выходе из компрессора;

V_{компрес.} - степень сжатия окислительного рабочего тела в компрессоре;

к=1.4 - показатель политропы для воздуха, тогда

Из Таблицы 1 следует, что эффективность работы рабочего колеса (7) первого ротора не достаточно высокая, и соответствует эффективности работы по КПД известных ГТД. Обусловлено это выбранным расчетным режимом работы рабочего колеса (7) первого ротора, а именно неполным сгоранием смеси окислительного и горючего рабочего тела, и истечением продуктов неполного сгорания через сверхзвуковые сопла (22) с расчетным недорасширением. Однако для рабочего колеса (7) первого ротора даже при таком режиме работы есть пути повышения ее эффективности, связанные с увеличением степени сжатия окислительного рабочего тела в компрессоре (закрытом центробежном колесе (15)), а так же с уменьшением коэффициента соотношения работы компрессора (закрытого центробежного колеса (15)) к работе турбины (сверхзвуковых сопел (22)), конструкцию и работу которых необходимо совершенствовать. Используемое в Роторном газотурбинном двигателе закрытое центробежное колесо (15) рабочего колеса (7) первого ротора имеет определенный достаточный потенциал повышения эффективности работы.

В заявленном Роторном биротативном газотурбинном двигателе работа рабочего колеса (7) первого ротора тождественна работе «сегнерова колеса» (или, «колеса Герона»), в которой четко просматривается причинно - следственная связь между предварительным дополнительным сжатием потока рабочего тела перед турбиной (соплами (22)), и повышением мощности и КПД Роторного биротативного газотурбинного двигателя. Рассмотрим эту связь через работу сжатия окислительного рабочего тела в закрытом центробежного колеса (15) первого ротора, и через тангенциальное сверхзвуковое истечение продуктов неполного сгорания с его периферии через сопла (22).

КПД на окружности рабочего колеса (7) первого ротора представляет собой отношение работы на окружности колеса L_T к располагаемому теплоперепаду H_T (разности энтальпий при входе, и выходе из колеса первого ротора (7))

согласно теореме Эйлера работу на окружности колеса (7) первого ротора можно записать в виде:

где c_u1, c_u2 - окружные (тангенциальные) составляющие абсолютной скорости рабочего тела, u₁, u₂ - окружные скорости рабочего колеса первого ротора, 1 - при входе, и 2 - при выходе из рабочего колеса (7).

Вводя скорость адиабатного истечения

В нашем случае, при подводе рабочего тела у оси рабочего колеса (7) первого ротора, первое слагаемое в числителе обращается в нуль

В случае тангенциального истечения рабочего тела из рабочего колеса (7) первого ротора треугольник выходной скорости вырождается в сумму отрезков скоростей, и тогда окружную составляющую абсолютной скорости истечения рабочего тела при выходе из рабочего колеса (7) первого ротора можно представить в виде:

где w₂ - скорость истечения рабочего тела из рабочего колеса первого ротора в относительном движении, которая в случае отсутствия потерь и подвода внешней энергии в рабочем колесе первого ротора будет равна адиабатной скорости истечения

Тогда КПД рабочего колеса (7) первого ротора на его окружности можно представить в виде:

или

Дифференцируя полученное выражение и приравнивая его нулю

Из этого выражения получаем зависимость влияния на КПД рабочего колеса (7) первого ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя отношения окружной скорости (u) на окружности рабочего колеса (7) первого ротора к скорости адиабатного истечения (с₀) рабочего тела, представленную на графике фиг. 9.

Таким образом, теоретически максимально достижимое КПД на окружности рабочего колеса (7) первого ротора чисто реактивной турбины (реактивность равна единице) составляет 0,5 (или 50%).

Из графика на фиг. 9 следует так же, что с целью повышения мощности рабочего колеса (7) первого ротора Роторного биротативного газотурбинного двигателя (при сохранении расхода рабочего тела) необходимо повышать скорость истечения (с₀) рабочего тела через сопла (22). Но, при этом, с целью обеспечения максимально достижимого значения КПД рабочего колеса (7) первого ротора (согласно графика на фиг. 9) необходимо повышать и скорость вращения (u) рабочего колеса (7), что в свою очередь приведет к повышению степени сжатия рабочего тела в центробежном колесе (15) первого ротора, и соответствующему повышению давления рабочего тела перед его соплами (22). Очевидно, что повышение давления рабочего тела перед соплами (22) первого ротора приводит к повышению скорости его истечения (со), а значит, и к повышению мощность рабочего колеса (7) первого ротора при обеспечении максимально достижимого уровня КПД. В свою очередь, истекающее из сопел (22) рабочего колеса (7) первого ротора потоки рабочего тела, обладающие высокой кинетической энергией, определяемой скоростью их истечения (через выражение-(m_{раб.тела}×с₀²)/2) попадают затем в полости рабочего колеса (26) на лопатки, образованные удлиненной панелью дозвуковой части сверхзвуковых сопел (35), и передают им свой импульс энергии, идущий на увеличение момента вращения рабочего колеса (26) второго ротора. При этом потоки рабочего тела затормаживаются на этих лопатках с повышением температуры и давления торможения, и затем истекают из рабочего колеса (26) второго ротора через сверхзвуковые сопла (35) с увеличением мощности рабочего колеса (26) второго ротора, при обеспечении максимально уровня его КПД.

Очевидно, что именно повышение степени сжатия рабочего тела в центробежном колесе (15) первого ротора, и связанное с ним соответствующее увеличение скорости (c₀) истечения рабочего тела из сопел (22) рабочего колеса (7) первого ротора приводят к повышению мощности и КПД рабочего колеса (26) второго ротора заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя.

Предварительные расчеты показывают, что значения КПД второго ротора заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя могут быть близкими расчетным значениям КПД первого ротора, при этом эффективность работы по КПД Роторного биротативного газотурбинного двигателя будет определяться арифметической суммой значений КПД совместной работы его первого и второго роторов.

Из Таблицы 2 видно, что при незначительной разнице в диаметре описанной окружности последних ступеней роторов, мощность заявляемого Роторного биротативного газотурбинного двигателя с одним однопоточным закрытым центробежным колесом первого ротора в 3.75-7.54 раза выше мощности Газотурбинного струйного двигателя А.В. Локотко, (по патенту РФ №2441998, от 31.08.2010 г.). В случае использования в Роторном биротативном газотурбинном двигателе рабочего колеса (7) первого ротора с двухпоточным закрытым центробежным колесом (15), представленные в Таблице 2 значения его мощности следует удваивать. При этом мощность рабочего колеса (7) первого ротора почти полностью расходуется на работу компрессоров (6) и (6') и центробежного колеса (15), а мощность рабочего колеса (26) второго ротора полностью расходуется на полезную нагрузку, а доля энергии, затрачиваемая Роторным биротативным газотурбинным двигателем на работу компрессоров (6) и (6'), и закрытого центробежного колеса (15) для сжатия окислительного рабочего тела составляет порядка 30% от всей, вырабатываемой им энергии, что меньше, чем у ближайшего аналога. Для известных и эксплуатируемых ГТД затраты мощности турбины на работу компрессора составляют до 50-70%. Столь низкие значения затрат энергии на работу компрессоров Роторного биротативного газотурбинного двигателя свидетельствуют о высокой энергоэффективности его работы по КПД.

Для повышения эффективности работы по КПД рабочего колеса (26) второго ротора и Роторного биротативного газотурбинного двигателя в целом так же есть определенный потенциал. Из расчетных данных, приведенных в Таблице 2 видно, что ожидаемые значения мощности и эффективности работы Роторного биротативного газотурбинного двигателя по КПД будут существенно выше мощности и эффективности работы ближайшего аналога - Газотурбинного струйного двигателя.

По предварительным расчетным оценкам эффективности работы Роторного биротативного газотурбинного двигателя по КПД может иметь значения на уровне ни менее 65-70%. При этом порядка до 30-33% КПД может обеспечить рабочее колесо (7) первого ротора, и, по крайней мере, ни меньшую эффективность работы по КПД может обеспечить рабочее колесо (26) второго ротора двигателя.

Таким образом, путем реализации в Роторном биротативном газотурбинном двигателе независимого вращения рабочих колес первого и второго роторов на своих валах в противоположные стороны, с одинаковой, или близкой по модулю окружной скоростью, с истечением при этом продуктов неполного сгорания смеси окислительного и горючего рабочего тела из рабочего колеса (7) первого ротора с расчетным недорасширением, и со сверхзвуковой скорость, в двое превышающей окружную скорость вращения рабочего колеса (7) первого ротора, с образованием на валу (5) рабочего колеса (7) первого ротора момента вращения требуемой мощности, а так же последующим поступлением продуктов не полного сгорания смеси окислительного и горючего рабочего тела со сверхзвуковой скоростью в полость рабочего колеса (26) второго ротора, их перемешивание с поступающей в него через воздухозаборные устройства (28) и (28') дополнительной массой окислительного рабочего тела, и полное их догорание, с последующим истечением из рабочего колеса (26) второго ротора со сверхзвуковой скоростью, в двое превышающей окружную скорость вращения рабочего колеса (26) второго ротора, с образованием на валах (30) и (30') рабочего колеса (26) второго ротора момента вращения требуемой мощности, обеспечиваются высокие значения мощности и эффективности его работы по КПД, представляющие собой арифметическую сумму мощностей, и соответственно, арифметическую сумму КПД его рабочих колес (7) и (26) первого и второго роторов соответственно.

*⁾ - с однопоточным закрытым центробежным колесом первого ротора, при этом режим работы рабочего колеса (7) первого ротора - неполное сгорание смеси горючего и окислителя, и истечение из сопел (22) с недорасширением.

**⁾ - сопоставим с соответствующими показателями поршневого двигателя.

***⁾ - фактически будет меньше на 10-12%.

****⁾ - мощность первого ротора не обеспечивает работу компрессора.

*****⁾ - по газодинамической схеме - это сумма мощностей 2^го, 3^го, и 4^го роторов.

Реферат

Изобретение относится к машиностроению. Роторный биротативный газотурбинный двигатель содержит корпус с трубопроводами подачи окислительного и горючего рабочих тел в рабочее колесо первого ротора. Рабочее колесо первого ротора выполнено в виде моноблока, содержащего двухпоточное закрытое центробежное колесо, охватываемое корпусом коллектора торообразной формы, выполненным с отдельными камерами сгорания, в которых тангенциально расположены сверхзвуковые сопла. Вал первого ротора выполнен одним концом с внутренним осевым каналом для подвода горючего рабочего тела, а другим соединен с полезной нагрузкой. Рабочее колесо второго ротора установлено соосно и коаксиально вокруг рабочего колеса первого ротора, с возможностью независимого вращения в противоположном направлении, и выполнено из двух одинаковых дисков, соединенных между собой по периферии жестко и герметично кольцом желобообразной формы. На внешних сторонах дисков тангенциально по окружности расположены воздухозаборные каналы. Диски своей внешней стороной соединены жестко и герметично, каждый со своим валом, выполненным в виде полого, открытого с двух сторон цилиндра, выполненного на внутренней поверхности с проточкой в виде кольцеобразных углублений, в которых установлены жестко магниты. В рабочем колесе второго ротора установлены тангенциально и одинаково направленные сверхзвуковые сопла с удлиненной панелью дозвуковой части. Каждый из валов рабочего колеса второго ротора установлен подвижно на соответствующий корпус трубопровода окислительного рабочего тела, выполненный в виде полого, открытого с двух сторон цилиндра с фланцами и с проточкой на наружной поверхности цилиндрической части, в которой установлена токопроводящая обмотка статора. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение абсолютной и удельной мощности роторного биротативного газотурбинного двигателя, а также экономичности его работы в заданных габаритных ограничениях по диаметру описанной окружности роторов, а также упрощение его конструкции. 9 з.п. ф-лы, 9 ил., 2 табл.

Формула