RU2674091C1

RU2674091C1 - Пульсирующий турбореактивный двигатель

Info

Publication number: RU2674091C1
Application number: RU2017137841A
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Бирюк; Леонид Павлович Шелудько; Михаил Юрьевич Лившиц; Александра Борисовна Шиманова; Артём Андреевич Шиманов; Алексей Александрович Горшкалев; Сергей Сергеевич Корнеев
Priority date: 2017-10-30
Filing date: 2017-10-30
Publication date: 2018-12-04

Abstract

Пульсирующий турбореактивный двигатель снабжен входным диффузором, компрессором, газовой турбиной, выходным реактивным соплом и блоком пульсирующих камер сгорания, электродвигатель постоянного тока с редуктором. Блок пульсирующих камер сгорания содержит неподвижные горизонтальные пульсирующие камеры сгорания, два вращающихся клапанных диска. Камеры сгорания снабжены входными воздушными и выходными газовыми окнами. Вращающиеся клапанные диски связаны общим валом, первый из них, установленный перед камерами сгорания, имеет воздушные, а второй, установленный за камерами сгорания, имеет газовые окна. Оси клапанных дисков совпадают с горизонтальной осью блока камер сгорания. Блок камер сгорания содержит четыре пульсирующие камеры сгорания, расположенные по окружности этого блока с углами между радиальными осями камер сгорания, равными 90°. Первый клапанный диск имеет четыре воздушных отверстия, радиальные оси которых расположены под углами 45°, 135°, 225° и 315°. Второй клапанный диск имеет четыре газовые отверстия, радиальные оси которых расположены под углами 0°, 90°, 180° и 270° относительно центральной вертикальной оси блока камер сгорания. Изобретение позволяет увеличить мощность, реактивную тягу, экономичность и надежность пульсирующего турбореактивного двигателя. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться в турбореактивных авиационных двигателях.

Известен способ работы и устройство блока пульсирующих камер сгорания (патент РФ №2610362, МПК F02C 5/12, опубл. 09.02.2017 г.), содержащее три неподвижные горизонтальные пульсирующие камеры сгорания с входными воздушными и выходными газовыми окнами, первый и второй вращающиеся клапанные диски, топливную систему, систему управления, систему искрового зажигания, импульсные линии зажигания, устройства искрового зажигания со свечами зажигания), трубопроводы топлива, топливный кран: первый и второй вращающиеся клапанные диски снабжены, соответственно, воздушными и газовыми окнами, оси вращающихся клапанных дисков совпадают с горизонтальной осью блока камер сгорания, первый клапанный диск установлен перед входными воздушными окнами камер сгорания, а второй клапанный диск установлен за выходными газовыми окнами камер сгорания, клапанные диски имеют общий вал и связаны через редуктор с электродвигателем постоянного тока; система управления связана с электродвигателем постоянного тока, система искрового зажигания связана импульсными линиями через устройство искрового зажигания со свечами зажигания в камерах сгорания, топливный кран соединен топливопроводами через топливную систему с топливными форсунками камер сгорания. Положительным качеством этого блока камер сгорания является применение в нем вращающихся пульсирующих камер сгорания связанных с электродвигателем постоянного тока, что позволяет изменять их тепловую нагрузку.

Недостатком данного устройства является то, что пульсирующие реактивные двигатели с этим блоком пульсирующих камер сгорания будут иметь недостаточную мощность и реактивную тягу из-за применения небольшого числа камер сгорания.

Наиболее близким аналогом является газотурбинный двигатель периодического сгорания, содержащий воздушный компрессор, три неподвижные пульсирующие камеры сгорания, снабженные вращающимися золотниками, последовательно перекрывающими впускные и выпускные окна камер сгорания. (Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев, А.П. Чернобровкин. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. рис. 99, стр. 239 М. «Машиностроение», 1977.).

Недостатки этого газотурбинного двигателя связаны с тем, что пульсирующие камеры сгорания выполнены неохлаждаемыми и снабжены вращающимися золотниками, что приводит к низкой надежности двигателя. Кроме того, этот газотурбинный двигатель не имеет системы регулирования мощности пульсирующих камер сгорания.

Задачей данного технического решения является создание мощного турбореактивного двигателя с учетом недостатков известных аналогов.

Техническим результатом данного изобретения является повышение мощности и экономичности турбореактивного двигателя.

Технический результат достигается за счет того, что пульсирующий турбореактивный двигатель, снабженный входным диффузором, компрессором, газовой турбиной, выходным реактивным соплом и блоком пульсирующих камер сгорания, содержащим неподвижные горизонтальные пульсирующие камеры сгорания, два вращающихся клапанных диска, топливную систему, электродвигатель постоянного тока с редуктором, систему управления, блок зажигания, свечи зажигания, топливный насос, топливные клапаны, топливопроводы, топливные форсунки, импульсные линии; при этом камеры сгорания снабжены входными воздушными и выходными газовыми окнами, вращающиеся клапанные диски связаны общим валом, первый из них, установленный перед камерами сгорания, имеет воздушные, а второй, установленный за камерами сгорания, имеет газовые окна, оси клапанных дисков совпадают с горизонтальной осью блока камер сгорания, электродвигатель постоянного тока с редуктором связан со вторым клапанным диском, система управления связана импульсными линиями с системой искрового зажигания, с топливными кранами и с электродвигателем постоянного тока, причем блок камер сгорания содержит четыре пульсирующие камеры сгорания, расположенные по его окружности с углами между их радиальными осями равными 90°, первый клапанный диск имеет четыре воздушных отверстия, радиальные оси которых расположены под углами 45°, 135°^,, 225° и 315°, второй клапанный диск имеет четыре газовые отверстия радиальные оси которых расположены под углами 0°, 90°, 180° и 270° относительно центральной вертикальной оси блока камер сгорания.

Техническое решение поясняется следующими чертежами:

- на фиг. 1 изображена принципиальная схема пульсирующего турбореактивного двигателя и его системы управления;

- на фиг. 2 изображен первый клапанный диск с воздушными отверстиями;

- на фиг. 3 - изображен второй клапанный диск с газовыми отверстиями;

- на фиг. 4 изображен блок камер сгорания с четырьмя пульсирующими камерами сгорания.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема пульсирующего турбореактивного двигателя и его системы управления. Двигатель содержит: входной диффузор 1, компрессор 2, первый (левый) клапанный диск 3, горизонтальные пульсирующие камеры сгорания 4, второй (правый) клапанный диск 5, газовую турбину 6, выходное сопло 7, общий вал 8 клапанных дисков, общий вал 9 компрессора 2 и газовой турбины 6, установленный на подшипниках, топливопроводы 10, электрические свечи зажигания 11 в пульсирующих камерах сгорания 4, высоковольтные электрические линии 12, топливные форсунки 13, электромагнитный датчик 14 числа оборотов клапанных дисков 3 и 5, систему зажигания 15, электродвигатель постоянного тока с редуктором 16, систему управления 17, топливные клапаны 18, запорную задвижку 19, линию управления 20 электродвигателем постоянного тока 16, топливный насос 21, редуктор 22. Первый клапанный диск 3 соединен полым общим валом 8 со вторым клапанным диском 5, между первым 3 и вторым 5 клапанными дисками расположены горизонтальные неподвижные пульсирующие камеры сгорания 4; первый клапанный диск 3 снабжен воздушными отверстиями; второй клапанный диск 5 снабжен газовыми отверстиями, диаметры воздушных отверстий первого клапанного диска 3, диаметры газовых отверстий второго клапанного диска 5 равны диаметрам входных воздушных и выходных газовых отверстий пульсирующих камер сгорания 4. Поток воздуха через входной диффузор 1, компрессор 2, воздушные отверстия первого клапанного диска 3, камеры сгорания 4, газовые отверстия второго клапанного диска 5, газовую турбину 6 и выходное сопло 7 связан с атмосферой. Газовая турбина 6 соединена общим валом 9 с подшипниками с компрессором 2. Электромагнитный датчик 14, связан импульсной линией с входом системы управления 17. Выход которой соединен импульсными линиями с топливными клапанами 18, линией управления 20 с электродвигателем постоянного тока 16 и через блок зажигания 15 соединен высоковольтными электрическими линиями 12 с электрическими свечами 11 камер сгорания 4. Второй клапанный диск 5 через редуктор 22 связан с электродвигателем постоянного тока 16. Топливный насос 21 через запорную задвижку 19, топливные клапаны 18 и топливопроводы 10 связан с топливными форсунками 13 камер сгорания 4.

Пульсирующий турбореактивный двигатель работает следующим образом. Воздух через входной диффузор 1 поступает на вход компрессора 2, сжимается в нем и, в соответствии с положением первого вращающегося клапанного диска 3, через его воздушные отверстия периодически поступает в каждую из камер сгорания 4. При определенном угле установки вращающегося второго клапанного диска 5, относительно неподвижных камер сгорания 4, первый клапанный диск 3 перекрывает вход воздуха во все четыре камеры сгорания 4, при этом открываются газовые отверстия второго клапанного диска 5. При совместном повороте обеих клапанных дисков на заданный угол последовательно осуществляются четыре рабочих такта в пульсирующих камерах сгорания 4: первый такт - с заполнением камер сгорания воздухом, второй такт - с ввод в них топлива, его искрового зажигания с повышением температуры и давления продуктов сгорания, третий такт - с выходом из камер сгорания продуктов сгорания и их расширением в газовой турбине 6. Электродвигателем постоянного тока 16 через редуктор 22 приводятся во вращение клапанные диски 5 и 3. По сигналам электромагнитного датчика 14 система управления 17 передает управляющие электрические сигналы на топливные клапаны 18, и через блок зажигания 15 и высоковольтные электрические линии 12 к электрическим свечам 11 камер сгорания 4, электродвигателю постоянного тока 16 через линию управления 20.

Топливным насосом 21 через открытую запорную задвижку 19, топливные клапаны 18 и топливопроводы 10 топливо подается к топливным форсункам 13 каждой из камер сгорания 4. При этом производится периодическое сгорание топлива в каждой из камер сгорания 4 с повышением в них температуры и давления продуктов сгорания. После открытия газовых отверстий во втором клапанном диске 5 горячие газы расширяются в газовой турбине 6, совершая работу, передаваемую по общему валу 9 на компрессор 2. Затем эти газы расширяются в выходном сопле 7, создавая двигателю реактивную тягу. Воздействуя через систему управления 17 и линию управления 20 на частоту вращения электродвигателя постоянного тока 16 с редуктором 22 можно 22 изменять число оборотов второго клапанного диска 5 и соединенного с ним общим валом 8 первого клапанного диска 3. При этом воздушные и газовые отверстия на первом 3 и втором 5 клапанных дисках периодически открывают и закрывают входные воздушные и выходные газовые отверстия камер сгорания 4, последовательно обеспечивая этапы циклической работы камер сгорания. На первом этапе рабочего цикла в камеры сгорания 4 поступает сжатый воздух из компрессора 2 через отверстия в первом клапанном диске 3; на втором этапе, после поворота клапанных дисков на заданный угол, первый 3 и второй 5 вращающиеся клапанные диски перекрывают входные воздушные и выходные газовые отверстия камер сгорания 4, топливный насос 21 создает давление перед топливными клапанами 18. По сигналу электромагнитного датчика 14 командно-топливный аппарат 17 подает управляющие электрические импульсы топливным клапанам 18, обеспечивающим подачу топлива в данную камеру сгорания 4, при этом через систему зажигания 15 по высоковольтным электрическим линиям 12 подается импульс на электрические свечи 11 зажигания данной камеры сгорания 4. При этом осуществляется поджигание топливо - воздушной смеси и резкое повышение давление и температуры продуктов сгорания; на третьем этапе рабочего цикла, после дальнейшего поворота клапанных дисков 3 и 5 на требуемый угол, первый клапанный диск 3 продолжает перекрывать входные воздушные отверстия камер сгорания 4, а оси отверстий второго клапанного диска 5 при этом продукты сгорания с большой скоростью выходят из камеры сгорания и расширяются в газовой турбине 6, обеспечивая через общий вал 9 привод компрессора 2. Затем они расширяются в выходном сопле 7, обеспечивая газотурбинной установке реактивную тягу; на четвертом этапе рабочего цикла оси отверстий первого 3 и второго 5 клапанных дисков совпадают с осями входных воздушных и выходных газовых отверстий камер сгорания 4, при этом давление воздуха после компрессора 2, оказывается большим давления остаточных газов в камерах сгорания 4, поток воздуха поступает в камеры сгорания 4; причем на втором этапе рабочего цикла воздух из компрессора 2 через воздушные отверстия в первом клапанном диске 3, поступает во внутреннюю полость блока камер сгорания 4, производя охлаждение всех камер сгорания от перегрева, после чего, нагревшись, этот воздух на втором этапе рабочего цикла покидает полость блока камер сгорания через открытые газовые отверстия второго клапанного диска 5. Путем воздействия через систему управления 17 и линию управления 20 на электродвигатель постоянного тока 16 изменяют его число оборотов и производят изменение числа оборотов клапанных дисков 3 и 5. При этом изменяется частота импульсов выдаваемых электромагнитным датчиком 14. В соответствии с этим, система управления 17 воздействует на топливные клапаны 18 и на свечи зажигания 11 камер сгорания 4. В результате изменяется частота микровзрывов в камерах сгорания 4, мощность двигателя и реактивная тяга. Камеры сгорания 4 в течении всех рабочих циклов охлаждаются сжатым воздухом, поступающим в блок камер сгорания через открывающиеся воздушные отверстия в первом клапанном диске 3 и газовые отверстия во втором клапанном диске 5. Кроме того, воздействуя на систему управления 17, величиной мощности и реактивной тяги двигателя можно управлять путем открытия или закрытия одного или нескольких топливных клапанов 18.

Применение в пульсирующем турбореактивном двигателе вращающихся клапанных дисков позволяет осуществить в камерах сгорания цикл V = Const с повышением тепловой экономичности и мощности двигателя. Принудительное вращение клапанных дисков с возможностью изменения их числа оборотов и управления подачей топлива к отдельным камерам сгорания позволяют управлять мощностью и реактивной тягой. Система охлаждения обеспечивает возможность охлаждения сжатым воздухом камер сгорания и клапанных дисков, поступающего в блок камер сгорания через воздушные отверстия в первом клапанном диске и удаляемого через газовые отверстия во втором клапанном диске. Система управления обеспечивает возможность изменения мощности и реактивной тяги двигателя - как путем управления частотой вращения клапанных дисков за счет изменения частоты вращения электродвигателя постоянного тока, так и изменением числа работающих камер сгорания за счет открытия или закрытия их топливных клапанов.

Claims

Пульсирующий турбореактивный двигатель, снабженный входным диффузором, компрессором, газовой турбиной, выходным реактивным соплом и блоком пульсирующих камер сгорания, содержащим неподвижные горизонтальные пульсирующие камеры сгорания, два вращающихся клапанных диска, топливную систему, электродвигатель постоянного тока с редуктором, систему управления, блок зажигания, свечи зажигания, топливный насос, топливные клапаны, топливопроводы, топливные форсунки, импульсные линии; при этом камеры сгорания снабжены входными воздушными и выходными газовыми окнами, вращающиеся клапанные диски связаны общим валом, первый из них, установленный перед камерами сгорания, имеет воздушные, а второй, установленный за камерами сгорания, имеет газовые окна, оси клапанных дисков совпадают с горизонтальной осью блока камер сгорания, электродвигатель постоянного тока с редуктором связан со вторым клапанным диском, система управления связана импульсными линиями с системой искрового зажигания, с топливными кранами и с электродвигателем постоянного тока, отличающийся тем, что блок камер сгорания содержит четыре пульсирующие камеры сгорания, расположенные по окружности этого блока с углами между радиальными осями камер сгорания, равными 90°, первый клапанный диск имеет четыре воздушных отверстия, радиальные оси которых расположены под углами 45°, 135°, 225° и 315°, второй клапанный диск имеет четыре газовые отверстия, радиальные оси которых расположены под углами 0°, 90°, 180° и 270° относительно центральной вертикальной оси блока камер сгорания.