РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ	(19) RU (11) 2 354 836 (13) C1
	(51) МПК F02C 3/05 (2006.01)

Статус:	не действует (последнее изменение статуса: 02.07.2021)
Пошлина:	учтена за 8 год с 25.09.2014 по 24.09.2015. Возможность восстановления: нет.

(21)(22) Заявка: 2007135286/06, 24.09.2007 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 24.09.2007 (45) Опубликовано: 10.05.2009 Бюл. № 13 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: US 5932940 А, 03.08.1999. RU 2282734 С2, 27.02.1996. RU 2094635 С1, 27.10.1997. RU 2054560 С1, 20.02.1996. US 5685062 А, 04.02.1997. US 5600190 А, 27.08.2006. Адрес для переписки: 111116, Москва, ул. Авиамоторная, 2, ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", отдел интеллектуальной собственности

(72) Автор(ы): Иванов Олег Иванович (RU), Милешин Виктор Иванович (RU), Огарко Николай Иванович (RU) (73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)

(54) МИКРОРАЗМЕРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к газотурбинным турбовальным и реактивным микродвигателям беспилотных летательных аппаратов (БЛА).

В последние годы ряд зарубежных фирм все большее внимание уделяют разработке различного типа и назначения беспилотной авиации. Это было продемонстрировано на проходившей в 2005 г. в Малайзии Международной выставке вооружений «Лима-2005», в июне 2007 г.на авиасалоне Ле Бурже, Франция, в июле 2007 г. на авиасалоне МАКС Российской Федерации.

Специалистами прогнозируется в ближайшие годы рост количества и разнообразия типов и размерности беспилотных летательных аппаратов.

Появляется совершенно новое направление беспилотной авиации, характеризуемой очень малыми размерами, так называемая микроавиация.

В Мессачусетском технологическом институте (США) по заказу Министерства обороны США разрабатывается газотурбинный двигатель тягой 0.127Н. Комплексная работа ведется совместно авиационным, механическим и электротехническим отделениями института. Двигатель предназначен для летательного аппарата с размахом крыла ~125 мм и массой 50 г. Летательный аппарат имеет скорость полета 55-110 км/час и дальность полета 60-120 км.

Диаметр рабочего колеса компрессора и турбины 4 мм, высота лопаток 0,25 мм. Толщина корпуса двигателя ~1 мм. Частота вращения ротора 2500000 об/мин.

Микроразмерный газотурбинный двигатель представляет собой круглый цилиндр с малым отношением высоты к диаметру. Корпус двигателя имеет два отверстия: воздухозаборное и выхлопное. Внутри корпуса расположены: центробежный микрокомпрессор, микрокамера сгорания и центростремительная микротурбина. Рабочее колесо центробежного компрессора выполнено в виде диска с радиально расположенными лопатками. Вокруг рабочего колеса расположен неподвижный лопаточный венец радиального лопаточного диффузора.

Камера сгорания представляет собой кольцевой объем прямоугольного сечения вокруг компрессора и турбины. По периметру камеры сгорания расположены отверстия со стабилизатором пламени для прохода топливовоздушной смеси.

Центростремительная турбина имеет круговой сопловой аппарат и рабочее колесо, выполненное в виде диска с радиально расположенными лопатками.

Наружный воздух из окружающей атмосферы через воздухозаборное отверстие засасывается центробежным компрессором, в котором сжимается. В кольцевую проточную часть за радиальным лопаточным диффузором подается топливо, и топливовоздушная смесь далее через отверстия со стабилизатором пламени подается в камеру сгорания. В камере сгорания топливовоздушная смесь воспламеняется, и высокотемпературная газовоздушная смесь при непрерывном горении из камеры сгорания поступает в центростремительную турбину. В турбине газовоздушная смесь совершает механическую работу и через выхлопное отверстие выходит в атмосферу.

Рабочее колесо центробежного компрессора и рабочее колесо центростремительной турбины имеют наружный диаметр 4 мм. При частоте вращения ротора ~2500000 об/мин окружная скорость рабочих колес составляет 535 м/с. Степень повышения давления воздуха в компрессоре на этом режиме ~4.0. Эти параметры соответствуют параметрам типовых полноразмерных центробежных компрессоров.

Двигатель имеет электрический запуск от электродвигателя. Запуск и раскрутка ротора двигателя осуществляется микроэлектродвигателем, интегрированным с центробежным микрокомпрессором. Рабочее колесо центробежного компрессора выполнено закрытым, с покрывным диском. На наружную поверхность покрывного диска нанесено магнитное покрытие. В корпусе двигателя, над покрывным диском центробежного колеса выполнена специальная статорная электрообмотка. Такая система представляет собой элементарный электрический микродвигатель. От внешнего источника электрической энергии (микроаккумулятора или микробатарейки) в электообмотку статора подается электрический ток, и создаваемое электротоком магнитное поле раскручивает центробежное колесо - ротор газотурбинного двигателя, состоящий из рабочего колеса центробежного компрессора и рабочего колеса центростремительной турбины, связанных между собой валом, через который передается крутящий момент от рабочего колеса турбины к рабочему колесу компрессора.

При достижении определенной частоты вращения ротора и определенной степени повышения давления в центробежном компрессоре, в камеру сгорания подается топливо. Далее топливовоздушная смесь воспламеняется от того же внешнего источника электрической энергии. Температура топливовоздушной смеси при непрерывном горении повышается до 1500-1600 К. Высокотемпературная газовая смесь через радиальный сопловой аппарат направляется на рабочее колесо центростремительной турбины, где, расширяясь, энергия газа преобразуется в механическую работу. Остаток энергии газа на выходе из турбины идет на создание тяги в турбореактивном двигателе.

Полезная мощность микрогазотурбинного двигателя, как и полноразмерного натурного газотурбинного двигателя, при постоянной температуре газа зависит от степени повышения давления воздуха в компрессоре.

В связи с этим решение проблемы обеспечения высокого КПД процесса сжатия воздуха в компрессоре газотурбинного микродвигателя является особенно важной вследствие очень малых геометрических размеров и особых технологических ограничений, накладываемых на профилирование лопаточных венцов: постоянный профиль по всей высоте лопатки и отсутствие осевого входного участка лопаточного венца рабочего колеса компрессора.

Данная компоновка микроразмерного газотурбинного двигателя обладает существенным недостатком. Близко друг к другу расположенные диски рабочих колес центробежного компрессора и центростремительной турбины, связанные между собой коротким валом, имеют мощный тепловой контакт. Тепловой поток, передаваемый от рабочего колеса высокотемпературной центростремительной турбины к очень близко расположенному рабочему колесу центробежного компрессора, приводит к короткому тепловому замыканию. В результате эффективность сжатия воздуха в компрессоре с подводом внешнего тепла резко снижается, что ограничивает увеличение степени повышения давления воздуха в одноступенчатом компрессоре.

Выполнить компрессор многоступенчатым, например, двухступенчатым в приведенной выше компоновке микроразмерного газотурбинного двигателя не представляется возможным из-за уменьшения размерности второй ступени. Расстояние между дисками рабочих колес компрессора и турбины уменьшается до ~0,5 мм и меньше. Тепловой поток от турбины к компрессору усиливается, и вследствие снижения эффективности процесса сжатия воздуха в компрессоре мощности турбины окажется недостаточно для реализации требуемой степени повышения давления воздуха в компрессоре.

Известна перспективная компоновка газотурбинного микродвигателя (патент США, №5932940 от 03.08.1999 г., который принят за прототип предлагаемого изобретения).

В патенте-прототипе разработана компоновка газотурбинного микродвигателя центробежного компрессора и центростремительной турбины.

В основу компоновки микродвигателя положены узлы интегрированных микрокомпрессора-электродвигателя и микротурбины-электрогенератора.

Колесо центробежного компрессора выполнено в виде диска с радиально расположенными профилированными рабочими лопатками. На торцах рабочих лопаток расположен покрывной диск, имеющий специальное магнитное покрытие на наружной поверхности и являющийся ротором электродвигателя. На внутренней поверхности корпуса микродвигателя над магнитным слоем на поверхности покрывного диска рабочего колеса выполнена статорная обмотка электродвигателя.

Колесо центростремительной турбины также выполнено в виде диска с радиально расположенными профилированными рабочими лопатками с покрывным диском на торцах рабочих лопаток. Наружная поверхность покрывного диска имеет специальное магнитное покрытие, являющееся ротором электрогенератора. Над покрывным диском колеса турбины на внутренней поверхности корпуса микродвигателя выполнена статорная обмотка электрогенератор.

Воздух из окружающей атмосферы поступает в центробежное колесо через воздухозаборное отверстие. Из центробежного колеса через радиальный лопаточный диффузор воздух подается в камеру сгорания, в выходном сечении которой имеется сеть микроотверстий подачи топлива. Топливовоздушная смесь из сборной камеры по пристеночным каналам поступает в камеру сгорания, где осуществляется непрерывное горение, сопровождаемое повышением температуры газа. Высокотемпературная газовоздушная смесь через конфузорный кольцевой канал и сопловой аппарат направляется на лопатки рабочего колеса центростремительной турбины, приводя его во вращение, и далее выпускается в атмосферу.

При вращении рабочего колеса турбины в статорной обмотке над магнитным слоем покрывного диска генерируется электрическая энергия, которая отводится потребителю. Часть электрической энергии идет в статорную обмотку над магнитным слоем покрывного диска рабочего колеса центробежного компрессора и переменным магнитным полем приводит во вращение рабочее колесо компрессора.

Таким образом, создается электрическая система привода микрокомпрессора-электродвигателя от электрогенератора-микротурбины, связанных между собой газовым потоком и электросетью. Механическая связь между рабочими колесами компрессора и турбины отсутствует.

Эффективность процесса сжатия воздуха в центробежном микрокомпрессоре существенно возрастает, т.к. сжатие практически будет происходить без подвода тепла от высокотемпературного рабочего колеса турбины.

Однако величина степени повышения давления воздуха в центробежном микрокомпрессоре зависит от частоты вращения ротора компрессора, которая ограничена прочностью применяемого конструкционного материала. В качестве конструкционного материала рабочих колес центробежного компрессора и центростремительной турбины газотурбинного микродвигателя применяют кремний, карбид кремния и нитрид кремния.

Рассмотренные выше газотурбинные микродвигатели имеют диаметр рабочего колеса компрессора 4 мм, а высоту лопатки колеса (ширину проточной части) 0,25 мм. Общая толщина двигателя 1 мм. Ротор двигателя имеет частоту вращения 2500000-2700000 об/мин и окружную скорость диска центробежного компрессора 500-550 м/с. При таком уровне окружной скорости в одноступенчатом центробежном компрессоре может быть достигнута степень повышения давления ~4,0.

Существенным недостатком предложенных в патенте-прототипе решений компоновок газотурбинного микродвигателя является ограничение величины степени повышения давления воздуха и, следовательно, ограничение величины получаемой полезной мощности двигателя заданной размерности, заданном расходе воздуха и при заданной температуре газа перед турбиной.

Задачей заявляемого технического решения является разработка микроразмерного газотурбинного двигателя повышенной термодинамической эффективности, имеющего увеличенную мощность (тягу) при заданных: расходе воздуха, температуре газа перед турбиной и частоте вращения.

Технический результат достигается тем, что для увеличения термодинамической эффективности микроразмерного газотурбинного двигателя в цикле сжатия воздуха применяется многоступенчатый многокаскадный компрессор с последовательным соединением ступеней, обеспечивающем повышение мощности и экономичности путем увеличения степени повышения давления воздуха и применения регулируемой степени двухконтурности.

Микроразмерный газотурбинный двигатель, преимущественно одноконтурный, содержащий корпус, имеющий воздухозаборное отверстие и выхлопное отверстие, внутри корпуса расположены центробежный микрокомпрессор и центростремительная микротурбина, а камера сгорания представляет собой кольцевой объем вокруг микрокомпрессора и микротурбины, по периметру камеры сгорания расположены микроотверстия для подачи топлива со стабилизатором пламени для прохода топливовоздушной смеси, рабочее колесо центробежного микрокомпрессора выполнено в виде диска с радиально расположенными лопатками, вокруг рабочего колеса микрокомпрессора расположены неподвижные лопатки радиального диффузора, на торцах лопаток рабочего колеса микрокомпрессора расположен покрывной диск, на внешнюю поверхность которого нанесен магнитный слой, а на внутренней поверхности корпуса двигателя над покрывным диском рабочего колеса микрокомпрессора выполнена статорная электрообмотка, рабочее колесо центростремительной микротурбины выполнено в виде диска с радиально расположенными лопатками, вокруг рабочего колеса микротурбины расположены неподвижные лопатки радиального диффузора, на торцах лопаток рабочего колеса микротурбины расположен покрывной диск, на внешнюю поверхность которого нанесен магнитный слой, а на внутренней поверхности корпуса двигателя над покрывным диском рабочего колеса микротурбины выполнена статорная электрообмотка, центростремительная микротурбина имеет сопловой аппарат, при этом двигатель снабжен приводом,

причем корпус двигателя выполнен в виде плоской конструкции с плавными криволинейными обводами боковой поверхности,

внутри корпуса размещены разделенные между собой центробежный микрокомпрессор и центростремительная микротурбина, и камера сгорания,

при этом центробежный микрокомпрессор выполнен многоступенчатым, по меньшей мере, двухступенчатым, двухкаскадным, состоящим из последовательно соединенных центробежных ступеней, имеющих выходные улитки, при этом центробежные ступени микрокомпрессора размещены в одной плоскости двигателя, а проточная часть выходной улитки второй центробежной ступени микрокомпрессора соединена с камерой сгорания,

камера сгорания расположена между многоступенчатым центробежным микрокомпрессором и центростремительной микротурбиной,

при этом выходной участок камеры сгорания заканчивается сборной улиткой, расположенной вокруг круговой решетки радиальных лопаток соплового аппарата центростремительной турбины,

каждая центробежная ступень микрокомпрессора имеет воздухозаборное отверстие, причем воздухозаборное отверстие второй центробежной ступени снабжено регулируемым клапаном,

между собой центробежные ступени микрокомпрессора последовательно соединены переходным воздушным каналом, имеющим регулируемый клапан, расположенный перед входом во вторую центробежную ступень,

переходный воздушный канал имеет отводной воздушный канал, который соединен с камерой сгорания, при этом отводной воздушный канал снабжен регулируемым клапаном,

каждая центробежная ступень микрокомпрессора имеет автономный привод, позволяющий автономно регулировать цикл сжатия микродвигателя.

Выхлопное отверстие центростремительной микротурбины выполнено плоским или круглым.

Центробежные ступени микрокомпрессора полностью изолированы от теплового потока центростремительной микротурбины.

Увеличение степени повышения давления воздуха достигается последовательным соединением воздушным каналом ступеней компрессора с независимым автономным приводом каждой ступени, обеспечивающим их оптимальное согласование на всех режимах эксплуатации двигателя без применения промежуточного перепуска воздуха между ступенями и поворотных лопаток регулируемых направляющих аппаратов.

На фиг.1 схематично показана принципиальная схема компоновки микроразмерного газотурбинного двигателя.

На фиг.2 показан разрез по А-А фиг.1, где изображено последовательное соединение центробежных ступеней микрокомпрессора.

На фиг.3 показан разрез по Б-Б фиг.1, где изображено соединение камеры сгорания с микротурбиной.

На фиг.4 представлен график зависимости мощности газотурбинного микродвигателя при полном расширении газа в турбине от величины КПД компрессора для степени повышения давления воздуха в компрессоре 4.0 и 8.0.

На фиг.5 схематично показаны места установки регулировочных клапанов и их рабочее положение, где:

а) регулировочные клапаны установлены в положении: клапан I закрыт, клапан II открыт, клапан III закрыт;

б) регулировочные клапаны установлены в положении: клапан I закрыт, клапан II закрыт, клапан III открыт;

в) регулировочные клапаны установлены в положении: клапан I открыт, клапан II закрыт, клапан III закрыт.

График на фиг.4 построен для газотурбинного микродвигателя с расходом воздуха 0,18 г/с. Температура газа на входе в турбину 1600 К. Коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания 0,95 и адиабатический КПД турбины 0,8.

Из графика следует, что мощность газотурбинного микродвигателя возрастает с увеличением КПД компрессора и степени повышения давления воздуха в компрессоре.

При КПД компрессора 0,6 с увеличением степени повышения давления воздуха с 4,0 до 8,0 мощность микродвигателя возрастает с ~33,4 Вт до 35,5 Вт, т.е. на ~6%. При КПД компрессора 0,7 мощность двигателя увеличивается с 39,4 Вт до 45,5 Вт, т.е. на ~16%. А при КПД компрессора 0.8 мощность двигателя увеличивается с 43,9 Вт до 53,1 Вт, т.е. на ~22%.

На фиг.1, 2, 3, где представлена принципиальная компоновка предлагаемого микроразмерного газотурбинного двигателя с многоступенчатым, в частности двухступенчатым, двухкаскадным компрессором, состоящим из последовательно соединенных воздушными каналами центробежных ступеней. Двигатель имеет корпус 1, выполненный в виде узкой плоской конструкции с плавными криволинейными обводами боковой поверхности, обеспечивающей высокое аэродинамическое качество. Внутри корпуса 1 размещены все двигателеобразующие узлы: двухступенчатый микрокомпрессор, камера сгорания и микротурбина. На поверхности корпуса 1 имеются отверстия: воздухозаборные 2, 15 и выхлопное 3.

Первая центробежная ступень компрессора состоит из рабочего колеса 4, выполненного в виде диска с радиально расположенными профилированными лопатками 5, неподвижных лопаток радиального диффузора 6 и выходной сборной улитки 7. Рабочее колесо 4 первой центробежной ступени микрокомпрессора по торцам рабочих лопаток 5 закрыто покрывным диском 8.

Вторая центробежная ступень микрокомпрессора также состоит из рабочего колеса 9, выполненного в виде диска с радиально расположенными профилированными лопатками 10, неподвижными лопатками 11 радиального диффузора и выходной сборной улитки 12. На торцах рабочих лопаток колеса 9 расположен покрывной диск 13.

Центробежные ступени микрокомпрессора могут быть выполнены без неподвижных лопаток радиального диффузора, состоящими из рабочего колеса и выходной сборной улитки, расположенной непосредственно за рабочим колесом ступени компрессора (не показано).

Выходная сборная улитка 7 первой центробежной ступени переходным воздушным каналом 14 последовательно соединена с входным воздухозаборным отверстием 15 второй центробежной ступени.

В корпусе 1 компрессора имеется полость, являющаяся топливным баком 16, который через каналы 17 сообщается с проточной частью выходной сборной улитки 12 второй центробежной ступени.

Выходная сборная улитка 12 второй центробежной ступени плавно проточной частью переходит в плоскую камеру сгорания 18. По периметру камеры сгорания 18 выполнен ряд отверстий 19 для прохода топливовоздушной смеси.

Выходной участок камеры сгорания 18 заканчивается сборной улиткой 20, расположенной вокруг круговой решетки радиальных лопаток 21 соплового аппарата центростремительной микротурбины, имеющей рабочее колесо 22 с радиальными профилированными рабочими лопатками 23. На торцах рабочих лопаток 23 колеса 22 микротурбины расположен покрывной диск 24.

Выхлопное отверстие центростремительной микротурбины выполнено плоским или круглым.

Каждая центробежная ступень микрокомпрессора имеет автономный привод, позволяющий автономно регулировать цикл сжатия микродвигателя.

Работа заявляемого микроразмерного газотурбинного двигателя осуществляется следующим образом.

Наружный воздух из окружающей атмосферы через воздухозаборное отверстие 2 в корпусе 1 двигателя поступает в лопатки 5 центробежного колеса 4 первой ступени компрессора. Из рабочего колеса 5 сжатый воздух через лопатки 6 радиального диффузора подается в выходную сборную улитку 7 и далее через внутренний переходный промежуточный канал 14 поступает в воздухозаборное отверстие 15 рабочего колеса 9 второй центробежной ступени. В рабочем колесе 9 второй центробежной ступени производится дополнительное сжатие воздуха. Из радиальных лопаток 10 рабочего колеса 9 второй центробежной ступени воздух через лопатки радиального диффузора 11 выходит в выходную сборную улитку 12 второй центробежной ступени.

В проточную часть выходной сборной улитки 12 через отверстия 17 из топливного бака 16 подается топливо. Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания 18 через отверстия 19 по периметру камеры сгорания 18. Топливовоздушная смесь воспламеняется от внешнего источника электрической энергии (аккумулятор, микробатарейка т.п.). Высокотемпературная газовоздушная смесь при непрерывном горении в камере сгорания 18 поступает в сборную улитку 20, далее в лопатки 21 соплового аппарата центростремительной турбины, которые направляют газовоздушную смесь на лопатки 23 рабочего колеса 22 центростремительной микротурбины. В центростремительной микротурбине газовоздушная смесь совершает механическую работу, приводя во вращение лопатки 23 рабочего колеса 22 центростремительной микротурбины.

Последовательное соединение центробежных ступеней микрокомпрессора обеспечивает резкое увеличение суммарной степени повышения давления. При степени повышения давления в первой ступени 4,0-4,5 и во второй ступени 2,0-2,5, суммарная степень повышения давления компрессора составит 8,0-10.

Микроразмерный газотурбинный двигатель имеет электрический запуск от внешнего источника электрической энергии: аккумулятора или микробатарейки. Электродвигатель запуска и привода компрессора интегрирован с центробежным компрессором. Рабочие колеса центробежных ступеней микрокомпрессора выполнены закрытыми, с покрывными дисками. На наружную поверхность покрывного диска 8 рабочего колеса 4 первой ступени и покрывного диска 13 рабочего колеса 9 второй ступени компрессора нанесен слой специального магнитного покрытия 25. В корпусе 1 двигателя на внутренней поверхности над магнитным слоем покрывного диска 8 рабочего колеса 4 первой центробежной ступени и покрывного диска 13 рабочего колеса 9 второй центробежной ступени выполнена статорная обмотка 26.

Такая система представляет собой элементарный электрический двигатель, интегрированный с центробежным компрессором.

Турбина двигателя выполнена интегрированной с генератором электрического тока. На внешнюю поверхность покрывного диска 24 рабочего колеса 22 турбины нанесен слой магнитного покрытия 27. На внутреннюю поверхность корпуса 1 двигателя, над магнитным слоем 27 покрывного диска 24 расположена статорная обмотка 28 электрогенератора электрического тока.

Такая система представляет собой элементарный электрический двигатель, интегрированный с центробежным микрокомпрессором.

При запуске двигателя от внешнего источника электрической энергии раскручивается электродвигатель, интегрированный с рабочим колесом 9 второй центробежной ступени. При достижении частоты вращения малого газа, определенного расхода воздуха и степени повышения давления в выходную улитку 12 через каналы 17 из топливного бака 16 подается топливо. Образующаяся топливная смесь в камере сгорания 18 воспламеняется от внешнего источника электрической энергии. Высокотемпературная газовоздушная смесь через радиальные лопатки 21 соплового аппарата центростремительной микротурбины подается на рабочие лопатки 23 рабочего колеса 22 центростремительной микротурбины, раскручивая ротор микротурбины.

При достижении определенной частоты вращения ротора центростремительной микротурбины начинает вырабатывать электрическую энергию электрогенератор, интегрированный с центростремительной турбиной. Внешний источник электроэнергии отключается, и питание электродвигателя компрессора второй центробежной ступени переходит на электрогенератор центростремительной микротурбины.

Частота вращения рабочих колес компрессора второй центробежной ступени и центростремительной микротурбины увеличивается и начинает раскручиваться рабочее колесо первой центробежной ступени микрокомпрессора.

Микроразмерный газотурбинный двигатель выходит на рабочий режим работы.

Микроразмерный газотурбинный двигатель выполняется с полным или частичным расширением газа в центростремительной микротурбине. При полном расширении газа в турбине вся энергия газа превращается в механическую работу, идущую на выработку электрической энергии в интегрированном с турбиной электрогенераторе. Вырабатываемая электроэнергия потребляется электродвигателями, интегрированными с компрессором и другими потребителями.

Это микроразмерный газотурбинный двигатель.

При неполном расширении газа в турбине механическая работа в турбине идет на выработку электроэнергии в интегрированном электрогенераторе. Эта электроэнергия приводит электродвигатель компрессора.

Оставшаяся часть энергии газа идет на создание реактивной тяги.

Это микроразмерный турбореактивный двигатель.

Автономный электрический привод каждой центробежной ступени компрессора интегрированным электродвигателем открывает широкие перспективы в организации рабочего цикла микроразмерного двигателя, обеспечивающего сберегательную экономику.

Для реализации этого переходный воздушный канал 14 между центробежными ступенями дополняют тремя управляемыми клапанами - I, II и III, и отводным каналом 29, связывающим переходный воздушный канал 14 с камерой сгорания 18.

Клапан I связывает воздухозаборное отверстие 15 второй центробежной ступени микрокомпрессора с окружающей атмосферой.

Клапан II регулирует доступ воздуха из первой центробежной ступени микрокомпрессора во вторую центробежную ступень.

Клапан III связывает переходный воздушный канал 14 непосредственно с камерой сгорания 18 через отводной воздушный канал 29.

Наибольшую полезную мощность двигатель будет иметь при последовательно включенных центробежных ступенях, открытом клапане II и закрытых клапанах I и III, т.е. описанный выше рабочий цикл.

При необходимости уменьшения полезной мощности второй компрессор отключают от электропитания (останавливают), открывают клапан III и закрывают клапан II.

В этой конфигурации в двигателе работает одна первая ступень компрессора, сжатый воздух из которой через отводной воздушный канал 29 поступает в камеру сгорания 18 и далее в турбину 22.

Для более глубокого снижения полезной мощности отключают от электропитания первую ступень компрессора, открывают клапан I при закрытых клапанах II и III. При этом воздух из атмосферы через открытый клапан I поступает в воздухозаборное отверстие второй центробежной ступени и далее по улитке 12 в камеру сгорания 18 и в турбину 22.

Неравномерное, ступенчатое изменение полезной мощности при изменении рабочего цикла двигателя сглаживается выбором оптимального изменения частоты вращения соответствующего компрессора.

В результате обеспечивается возможность регулирования мощности и экономичности микроразмерного газотурбинного двигателя в широких диапазонах.

Формула изобретения

1. Микроразмерный газотурбинный двигатель, преимущественно одноконтурный, содержащий корпус, имеющий воздухозаборное отверстие и выхлопное отверстие, расположенные внутри корпуса центробежный микрокомпрессор, центростремительную микротурбину и камеру сгорания, причем по периметру камеры сгорания расположены микроотверстия для подачи топлива со стабилизатором пламени для прохода топливовоздушной смеси, рабочее колесо центробежного микрокомпрессора выполнено в виде диска с радиально расположенными лопатками, вокруг рабочего колеса микрокомпрессора расположены неподвижные лопатки радиального диффузора, на торцах лопаток рабочего колеса микрокомпрессора расположен покрывной диск, на внешнюю поверхность которого нанесен магнитный слой, а на внутренней поверхности корпуса двигателя над покрывным диском рабочего колеса микрокомпрессора выполнена статорная электрообмотка, рабочее колесо центростремительной микротурбины выполнено в виде диска с радиально расположенными лопатками, вокруг рабочего колеса микротурбины расположены неподвижные лопатки радиального диффузора, на торцах лопаток рабочего колеса микротурбины расположен покрывной диск, на внешнюю поверхность которого нанесен магнитный слой, а на внутренней поверхности корпуса двигателя над покрывным диском рабочего колеса микротурбины выполнена статорная электрообмотка, центростремительная микротурбина имеет сопловой аппарат, при этом двигатель снабжен приводом, отличающийся тем, что корпус двигателя выполнен в виде плоской конструкции с плавными криволинейными обводами боковой поверхности, центробежный микрокомпрессор выполнен, по меньшей мере, двухступенчатым, состоящим из последовательно соединенных центробежных ступеней, имеющих выходные улитки, при этом центробежные ступени микрокомпрессора размещены в одной плоскости двигателя, а проточная часть выходной улитки второй центробежной ступени микрокомпрессора соединена с камерой сгорания, при этом выходной участок камеры сгорания заканчивается сборной улиткой, расположенной вокруг круговой решетки радиальных лопаток соплового аппарата центростремительной турбины, каждая центробежная ступень микрокомпрессора имеет воздухозаборное отверстие, причем воздухозаборное отверстие второй центробежной ступени снабжено регулируемым клапаном, центробежные ступени микрокомпрессора последовательно соединены между собой переходным воздушным каналом, имеющим регулируемый клапан, расположенный перед входом во вторую центробежную ступень, переходной воздушный канал между центробежными ступенями имеет отводной воздушный канал, который соединен с камерой сгорания, при этом отводной воздушный канал снабжен регулируемым клапаном, а каждая центробежная ступень микрокомпрессора имеет автономный привод, позволяющий автономно регулировать цикл сжатия микродвигателя.

2. Микроразмерный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что выхлопное отверстие центростремительной микротурбины выполнено плоским или круглым.

ИЗВЕЩЕНИЯ

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.09.2015

Дата публикации: 10.05.2016