Патент на изобретение №2349779

(54) ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к турбореактивным двигателям. Двигатель содержит корпус с передней, средней и сопловой частями и установленный в корпусе с возможностью вращения вал, на котором жестко установлены компрессор и турбина. Особенностью двигателя является то, что корпус выполнен с возможностью отделения одна от другой его частей. Эти части связаны посредством силовых балок, установленных снаружи корпуса. Вал установлен на двух роликовых радиально-упорных подшипниках, ролики одного из которых размещены в месте соединения передней и средней частей корпуса, а ролики другого – в месте соединения средней и сопловой частей корпуса. Такое выполнение двигателя обеспечивает максимальное удаление элементов качения подшипников от зоны интенсивного термического воздействия и возможность простого разделения корпуса на указанные части по местам установки подшипников, простоту контроля состояния подшипников и их замены, простоту контроля состояния элементов компрессора и турбины. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к турбореактивным двигателям преимущественно для беспилотной авиационной техники.

Известен турбореактивный двигатель, содержащий входное устройство, осевой восьмиступенчатый компрессор, трубчато-кольцевую камеру сгорания, осевую двухступенчатую реактивную турбину, выходное устройство (Фельдман Е.Л. Авиационный турбореактивный двигатель. М.: Транспорт, 1958, с.4 [1]).

Компрессор и турбина данного двигателя базируются и вращаются на подшипниках, имеющих малый радиус их установки относительно продольной оси двигателя. При этом подшипники крепятся внутри двигателя таким образом, что постоянно подвержены значительному температурному нагреву. Вследствие этого данный двигатель имеет существенные ограничения по параметрам процессов горения топлива, в частности температура газа перед турбиной не более 810°С, так как при более высоких температурах могут произойти разбалансировка и разрушение подшипников.

Известен также турбореактивный двигатель, содержащий входное устройство, центробежный компрессор, камеру сгорания, турбину, реактивное сопло (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1974, с.6 [2]). В этом двигателе компрессор и турбина установлены аналогично двигателю, описанному в [1], и поэтому данному двигателю тоже присущи отмеченные выше недостатки.

Наиболее близким к предлагаемому является турбореактивный двигатель АМТ OLYMPUS “Turbojet”, описанный в «UAV’s Fifteenth international conference, Bristol, U.K. Jointly supported by the Universitet of Bristol», April 2000, pp.10-12 [3]. Этот двигатель содержит корпус, имеющий переднюю, среднюю и сопловую части, и установленный в корпусе с возможностью вращения вал. На валу установлены подшипники, компрессор и турбина с лопатками. Двигатель имеет также камеру сгорания, образованную внутренними поверхностями сопловой части корпуса, вала и турбины.

Конструктивная схема данного двигателя, как и двигателей, известных из [1] и [2], не позволяет увеличить радиус установки подшипников, т.е. вынести их из зоны термического воздействия. Поэтому данный двигатель, как и описанные выше, имеет существенные ограничения по параметрам процессов горения топлива. Это обусловливает его малую экономичность и препятствует увеличению тяги, а при использовании более высоких параметров горения топлива двигатель имеет малый ресурс.

Кроме того, недостатком подобных двигателей является повышенная трудоемкость их сборки и разборки, так как доступ к основным изнашиваемым частям затруднен. Затруднен также визуальный и аппаратный контроль состояния элементов двигателя.

Предлагаемым изобретением решается задача достижения технического результата, заключающегося в исключении интенсивного термического воздействия на подшипники для повышения ресурса работы двигателя.

Одновременно решается задача достижения технического результата, заключающегося в упрощении эксплуатационного обслуживания и контроля двигателя.

Предлагаемый турбореактивный двигатель, как и наиболее близкий к нему известный, содержит корпус с передней, средней и сопловой частями и установленный в корпусе с возможностью вращения вал, на котором жестко установлены компрессор и турбина.

Для достижения названных технических результатов в предлагаемом турбореактивном двигателе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, корпус выполнен с возможностью отделения одна от другой указанных частей. Последние связаны посредством силовых балок, установленных снаружи корпуса. Вал установлен на двух радиально-упорных роликовых подшипниках, ролики одного из которых размещены в месте соединения передней и средней частей корпуса, а ролики другого – в месте соединения средней и сопловой частей корпуса.

Такое выполнение двигателя обеспечивает максимально возможное удаление элементов качения подшипников от зоны интенсивного термического воздействия. Одновременно обеспечиваются возможность простого разделения корпуса на указанные части по местам установки подшипников, простота контроля состояния подшипников и их замены, простота контроля состояния элементов компрессора и турбины.

Возможно, в частности, такое выполнение каждого из указанных подшипников предлагаемого двигателя, при котором подшипник содержит профилированную кольцеобразную обойму в виде диска с ободом и центральным отверстием для вала и прохождения воздуха и продуктов сгорания. К указанной обойме с каждой из ее сторон в осевом направлении примыкает одной своей стороной силовое кольцо для связи с одной из частей корпуса, примыкающее другой своей стороной к торцу соответствующей части корпуса. При этом торец соответствующей части корпуса имеет углубление, частично охватывающее обод указанного диска, в этом диске и обращенной к нему торцевой поверхности указанного силового кольца выполнены радиальные канавки, в которых размещены ролики для восприятия продольных усилий, а на наружной стороне обода указанного диска и охватывающей его поверхности указанного углубления в торце упомянутой части корпуса выполнены осевые канавки, в которых размещены игольчатые ролики для восприятия поперечных усилий. Вал связан с профилированной кольцеобразной обоймой с помощью винтов, расположенных в радиально ориентированных отверстиях, выполненных в указанном диске и его ободе.

При таком выполнении подшипников предлагаемого двигателя обеспечиваются лучшие, чем при использовании подшипников, выполненных по известным схемам, условия сопряжения частей корпуса в сочетании с удобством разборки самих подшипников, доступностью их элементов для контроля и замены отдельных частей, а также с удобством размещения элементов уплотнения соединений.

Связь каждого из указанных выше силовых колец с соответствующей частью корпуса может осуществляться через контактирующие с этим силовым кольцом опорные ролики, размещенные равномерно по окружности в нишах, выполненных в торце данной части корпуса.

Это обеспечивает большую равномерность распределения передаваемых осевых усилий по круговому периметру контактирующих частей корпуса и силового кольца.

Предлагаемый турбореактивный двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-8, на которых изображены:

фиг.1 – конструкция предлагаемого двигателя в целом;

фиг.2 – упрощенная конструктивная схема соединения частей корпуса;

фиг.3 – упрощенная конструктивная схема соединения двух частей корпуса и подшипника (справа показан вид на одну из частей корпуса вдоль осевой линии при снятых другой части и профилированной кольцеобразной обойме);

фиг.4 – более детальное изображение места соединения двух частей корпуса и радиально-упорного роликового подшипника;

фиг.5 – обойма радиально-упорного роликового подшипника;

фиг.6 – силовое кольцо;

фиг.7 – передняя часть корпуса с установленными в ее торце опорными роликами;

фиг.8 – схема запуска двигателя.

Предлагаемый двигатель содержит (см. фиг.1, 2) корпус, имеющий отделяемые друг от друга переднюю 1, среднюю 2 и сопловую 3 части. Между названными частями корпуса в местах их стыка друг с другом располагаются радиально-упорные роликовые подшипники 4. Части 1, 2, 3 корпуса жестко соединены силовыми балками 6, расположенными снаружи корпуса. Внутри корпуса размещен вал 7, на котором установлены компрессор 8 и турбина 9, расположенные соответственно в передней 1 и сопловой 3 частях корпуса. Между внутренней поверхностью средней части 2 корпуса и поверхностью вала 7 находится камера сгорания 45. Компрессор 8 и турбина 9 снабжены лопатками (соответственно 10 и 11). При этом сам вал 7 установлен на упомянутых роликовых подшипниках 4, элементы качения которых – ролики размещены в месте соединения передней 1 и средней 2 частей корпуса и в месте соединения средней 2 и сопловой 3 частей корпуса. В средней части 2 корпуса двигателя установлены форсунки 23 для подачи топлива и воспламенители 24 (см. фиг.1).

Подшипники 4 могут быть выполнены по одной из известных конструктивных схем радиально-упорных подшипников (см., например: Крайнев А.Ф. Детали машин. Словарь-справочник. М.: Машиностроение, 1992, с.219-223 [4]). При этом вал 7 может быть установлен с помощью радиально ориентированных элементов, связывающих его с внутренним кольцом каждого их таких подшипников.

Однако более целесообразно использование для установки вала 7 описываемых ниже подшипников, имеющих лучшее конструктивное сопряжение с частями корпуса, между которыми они расположены.

При предлагаемом выполнении (см. фиг.3, 4, а также фиг.1 и 2) каждый подшипник 4 содержит профилированную кольцеобразную обойму в виде диска 61 с ободом 62 и центральным отверстием 63 для вала 7 и прохождения воздуха и продуктов сгорания. К указанной профилированной кольцеобразной обойме с каждой из ее сторон в осевом направлении примыкает одной своей стороной силовое кольцо 83 для связи с одной из частей корпуса, примыкающее другой своей стороной к торцу соответствующей части корпуса (на фиг.3 – это части 2 и 3; на фиг.4 показана только часть 3). При этом торец соответствующей части корпуса имеет углубление 64 (фиг.3), частично охватывающее обод 62 диска 61 профилированной кольцеобразной обоймы. В диске 61 указанной обоймы и обращенной к нему торцевой поверхности силового кольца 83 выполнены радиальные канавки 65, 66 соответственно, в которых размещены ролики 67 для восприятия продольных усилий. На наружной стороне обода 62 и охватывающей его поверхности указанного углубления 64 в торце упомянутой части корпуса выполнены осевые канавки 68, 69 соответственно, в которых размещены игольчатые ролики 70 для восприятия поперечных усилий. Вал 7 связан с профилированной обоймой с помощью стыковочных винтов 82, расположенных в радиально ориентированных отверстиях 81 (фиг.3), выполненных в диске 61 профилированной кольцеобразной обоймы и его ободе 62. Связь каждого из указанных выше силовых колец 83 с соответствующей частью корпуса предпочтительно должна осуществляться не непосредственно, а через контактирующие с этим кольцом опорные ролики 84 (показаны только на фиг.2 и 4), размещенные равномерно по окружности в нишах, выполненных в торце данной части корпуса. После установки этих роликов в местах их посадки осуществляется развальцовка 85.

Силовые кольца 83 служат также для герметизации стыковых соединений. Кроме того, для герметизации стыковых соединений используются фторопластовое кольцо 14 уплотнения и поршневое кольцо 15 уплотнения (фиг.4).

Опорные ролики 84, которые позволяют равномерно передать нагрузку от силового кольца 83 на корпус двигателя, предпочтительно выполнять из керамики, так как при больших скоростях вращения возникают значительные силы трения между роликами и сопрягаемыми поверхностями.

Части 1, 2, 3 корпуса двигателя соединены посредством силовых балок 6 (фиг.1, 2), образуя единую силовую схему. Кроме того, силовые балки 6 являются ложементами или рамами, на которых должен базироваться двигатель при его монтаже на летательном аппарате.

Для соединения вала 7 с профилированной кольцеобразной обоймой (ее диском 61 и ободом 62 этого диска) используются стыковочные винты 82, имеющие в головках отверстия 88 для контровки указанных винтов.

Для герметизации мест стыка вала 7 и профилированных кольцеобразных обойм роликовых радиально-упорных подшипников 4 используются следующие элементы (фиг.4):

– прижимная шайба 17;

– поршневое кольцо 18 уплотнения;

– фторопластовое кольцо 19 уплотнения;

– резиновое кольцо 20 уплотнения;

– защитные кольца 21 из полиамида, армированного углеволокном.

К средней части 2 корпуса двигателя крепятся форсунки 23 и воспламенители 24 (фиг.1). В роли последних при использовании двигателя в беспилотном летательном аппарате “малой авиации” могут выступать свечи зажигания автомобильного типа.

На фиг.5, 6 и 7 изображены порознь соответственно:

– профилированная кольцеобразная обойма в виде диска 61 с ободом 62, в которых выполнены радиальные канавки 65, осевые канавки 68 и отверстия 81 для стыковочных винтов 82 крепления вала к обойме;

– силовое кольцо 83, в котором выполнены радиальные канавки 66;

– передняя часть 1 корпуса с опорными роликами 84 и развальцовкой 85 в местах их посадки, а также с проушинами 90 для крепления силовых балок 6; показаны также осевые канавки 69 для размещения игольчатых роликов 70.

Предлагаемый турбореактивный двигатель работает следующим образом.

Запуск двигателя осуществляется с помощью генератора механической энергии, в роли которого может выступать электродвигатель 91, питаемый от аккумуляторной батареи 92 (см. фиг.8). Посредством генератора механической энергии осуществляется раскрутка вала 7. При этом с валом одновременно вращаются обоймы (диски 61 с ободами 62). Энергия генератора механической энергии преобразуется в энергию сжатия воздушной среды. Воздушная среда всасывается в полость компрессора и сжимается. Генератор механической энергии отключается при достижения скорости вращения вала 12000-15000 об/мин. Далее сжатая воздушная среда поступает в камеру 45 сгорания и смешивается с керосином, подаваемым через форсунки 23 (см. фиг.1). Одновременно происходит воспламенение горючей смеси посредством воспламенителей 24, например свечей зажигания автомобильного типа. Продукты сгорания после разложения поступают в сопловую часть 3, где разгоняются до околозвуковой скорости истечения и раскручивают турбину 9. Вместе с турбиной вращаются вал 7 и компрессор 8, обеспечивая тем самым постоянный приход воздушной массы в камеру сгорания 45, т.е. стабильный процесс горения топлива.

При этом тяга устройства регулируется величиной давления, с которым топливо поступает в камеру сгорания 45 через форсунки 23.

Дополнительно для увеличения тяги в горючую смесь может впрыскиваться катализатор, который увеличивает массовый приход продуктов сгорания в камеру сгорания двигателя. В роли катализатора используется водный 70% раствор перекиси водорода, который изменяет скорость химической реакции разложения компонентов топлива в 1,6 раза.

Источники информации

1. Фельдман Е.Л. Авиационный турбореактивный двигатель. М.: Транспорт, 1958.

2. Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. М.: Машиностроение, 1974.

3. UAV’s Fifteenth international conference, Bristol, U.K. Jointly supported by the Universitet of Bristol», April 2000.

4. Крайнев А.Ф. Детали машин. Словарь-справочник. М.: Машиностроение, 1992.

Формула изобретения

1. Турбореактивный двигатель, содержащий корпус с передней, средней и сопловой частями и установленный в корпусе с возможностью вращения вал, на котором жестко установлены компрессор и турбина, отличающийся тем, что корпус выполнен с возможностью отделения одна от другой указанных частей, которые связаны посредством силовых балок, установленных снаружи корпуса, вал установлен на двух роликовых радиально-упорных подшипниках, ролики одного из которых размещены в месте соединения передней и средней частей корпуса, а ролики другого – в месте соединения средней и сопловой частей корпуса.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый из указанных подшипников содержит профилированную кольцеобразную обойму в виде диска с ободом и центральным отверстием для вала и прохождения воздуха и продуктов сгорания, к указанной обойме с каждой из ее сторон в осевом направлении примыкает одной своей стороной силовое кольцо для связи с одной из частей корпуса, примыкающее другой своей стороной к торцу соответствующей части корпуса, этот торец имеет углубление, частично охватывающее указанный обод, в указанном диске и обращенной к нему торцевой поверхности силового кольца выполнены радиальные канавки, в которых размещены ролики для восприятия продольных усилий, а на наружной стороне указанного обода и охватывающей его поверхности указанного углубления в торце соответствующей части корпуса выполнены осевые канавки, в которых размещены игольчатые ролики для восприятия поперечных усилий, при этом вал связан с профилированной кольцеобразной обоймой с помощью винтов, расположенных в радиально ориентированных отверстиях, выполненных в диске этой обоймы и его ободе.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что связь каждого из силовых колец с соответствующей частью корпуса осуществляется через контактирующие с этим кольцом керамические ролики, размещенные равномерно по окружности в нишах, выполненных в торце данной части корпуса.

РИСУНКИ