ВВЕДЕНИЕ
В последние годы в нашей стране уделяется большое внимание созданию экономичных газотурбинных двигателей для гражданских и военных самолетов
Авиационный газотурбинный двигатель постоянно совершенствуется у и удельный расход топлива при этом снижается, но почти всегда это достигается форсированием термодинамического цикла: степени сжатия компрессора и повышением температуры продуктов сгорания перед турбиной. Реже применением новых схем компоновки двигателя: применением двухвальных и трехвальных ГТД, биротативных компрессоров и турбин, сложных схем камер сгорания.

Одним из авторов статьи Болотиным Н. Б. разработаны многочисленные способы повышения экономичности авиационных газотурбинных двигателей. При этом сделаны мно-гочисленные запатентованные разработки принципиально новых схем газотурбинных двигателей [1] … [88].
ОБЗОР ПАТЕНТОВ ПО ГАЗОТУРБИННЫМ ДВИГАТЕЛЯМ
Большинство этих изобретений связано с регулированием радиальных зазоров в турбине и компрессоре, несколько изобретений касаются усовершенствования камеры сгорания, газодинамического тракта, воздухозаборника и реактивного сопла. Однако эти мероприятия не позволяют повысить КПД узлов более, чем на 1%…2%.
Методы улучшения экономичности авиационных ГТД можно сгруппировать на следующие направления.
— совершенствование схемы ГТД,
— регулирование радиальных зазоров в компрессоре и турбине ГТД,
— совершенствование процесса горения за счет изменения конструкции камеры сгорания,
— совершенствование процесса горения за счет применения новых топлив и присадок к ним.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ ГТД
Значительная часть патентов касается новых схем и компоновок ГТД.
Представляет интерес использование кроме компрессоров и турбин обратимых электрических машин: генераторов и электродвигателей органично совмещенных с турбомашинами, например, пат. РФ № 2359130, № 2358120, № 2359119, № 2359114, № 2359132, №2359131, №2325539, 2322588, № 2379523, № 2382208, № 2382209, №2382210.
Запатентовано применение в ГТД атомной энергии: пат. РФ № 2348775, № 2336429, № 2383763, № 2383762, № 2389887, № 2389886, 2391525, № 2334892.
Запатентованы схемы комбинированного авиационного двигателя, представляющие собой гибрид ГТД и двигателя Стирлинга – пат РФ № 2372505, № 2373417, № 2373418, № 2334115.
Для вертикального взлета ГТД должен иметь небольшие осевые габариты, но значительную силу тяги и естественно должен быть экономичен. Примеры таких изобретений пат. РФ № 2361786,
РЕГУЛИРОВАНИЕ РАДИАЛЬНЫХ ЗАЗОРОВ В ГТД
Радиальные зазоры между ротором и статором могут регулироваться и в компрессоре и в турбине.
Больше патентов на управление радиальными зазорами в турбине.
Например, в пат. РФ № 2498087 предложено управлять радиальным зазором относительно холодным воздухом.
Более оригинальный способ использование для этой цели поперечного термомагнитного эффекта Маджи-Риги Ледюка, при котором на вставки над ротором ГТД воздейст-вуют магнитным полем — патент РФ № 2498086.
Не менее оригинальным является применение для управления радиальными зазора-ми материалов « с памятью формы» — пат. РФ № 249805.
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ
В камере сгорания ГТД топливо сгорает не полностью. Возможны следующие способы повышения полноты сгорания в камере сгорания или ее усовершенствование или качественная подготовка топлива посредством добавление в него присадок: катализаторов или других инициирующих реакцию окисления веществ. Предложена активировать топливо перед его подачей в камеру сгорания коронным разрядом. На это техническое решение оформлена заявка на изобретение РФ № 2014109324 приор. от 2014 г.
ДРУГИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГТД
Газотурбинный привод может применяться во многих отраслях народного хозяйства.
Например, возможно его использование в качестве привода для газотурбовоза: пат. РФ № 2370386, №2334114, № 2327890, № 2308383, № 2375219, № 2374103, № 2379777, № 2320497, №2319024, 2316440, № 2315881, № 2312239, № 2312231, № 2312239.
Возможно применение ГТД при добыче нефти и газа — пат. РФ № 2382878, № 2381349, № 2379484, № 2379483, № 2379482, № 2379481, 2379480, № 2377402, № 2377393.

Постановка задачи и главный метод ее решения
Авторами была поставлена задача значительно повысить экономичность существующих газотурбинных двигателей, не производя их значительной переделки и без больших экономических затрат.
Радикально повышение экономичности двигателя предложено осуществить применением электрофизических методов воздействия на топливо или воздух. На любом газотурбинном двигателе должен быть установлен относительно простой по конструкции и имеющий небольшой вес агрегат – активатор топлива. Потребление энергии для этого агрегата незначительное по сравнению с мощностью двигателя, на котором он установлен.
На это техническое решение оформлена заявка на изобретение РФ № 2014109324 приор. от 2014 г и ожидается снижение расхода топлива в ГТД до 10 %..
Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к авиационным двигателям для гражданских, военных, дозвуковых и сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов.
Описание газотурбинного двигателя в статике
Предложенный газотурбинный двигатель (рис. 1 …19) содержит воздушный тракт 1, содержащий в свою очередь воздухозаборник 2, компрессор 3, камеру сгорания 4, турбину 5 и реактивное сопло 6. Реактивное сопло 6 предпочтительно выполнить сверхзвуковым.

Компрессор 3 содержит несколько ступеней 7, каждая из которых содержит направляющий аппарат 8 и рабочее колесо 9. Турбина 5 содержит по меньшей мере одну ступень 10. Каждая ступень 10 содержит сопловой аппарат 11 и рабочее колесо 12. Камера сгорания 4 содержит жаровую трубу 13, форсуночную плиту 14 с форсунками 15 для подачи топлива. Более подробно конструкция камеры сгорания 4 приведена далее со ссылкой на фиг. 5. Валы 16 и 17, соединяют рабочие колеса 9 компрессора 3 и рабочих колес 12 турбины 5 и установлены на опорах 18.
Особенностью предложенного ГТД является наличие активатора воздуха 19. При этом возможна установка в воздушном тракте 1 (рис. 1…3) или вне двигателя (фиг. 18 и 19).
Кроме того, к валу 16 через редуктор 20 валом отбора 21 присоединен электрогенератор 22, который электрическими связями 23 соединен с источником высокого напряжения 24, который высоковольтными проводами 25 соединен с активатором воздуха 19, точнее с его электродами 26 и 27. Источник высокого напряжения 24 рассчитан на 20…30 кВ.
В зависимости от напряжения между электродами 26 и 27 и расстояния между ними в воздухе будут образовываться ионы или озон или их смесь.

Озо́н (О3) (от греч. ὄζω, «пахну») — простое вещество состава O3, одно из аллотропических видоизменений элемента кислорода. В отличие от наиболее распростра-нённой в атмосфере Земли молекулярной формы, кислорода O2 молекула озона состоит из трёх атомов. Чистый озон при обыкновенных условиях представляет из себя резко пахнущий взрывчатый газ, в толстом слое синего цвета, обладает сильнейшими окислительными свойствами.
История открытия озона довольно туманна, и в целом ряду научных энциклопедий приводятся различные авторы открытия озона. В настоящее время научным сообществом принято что озон был впервые найден в начале 1785 года Ван-Марумом, по характерному запаху и окислительным свойствам, обнаруженным в воздухе, после длительного пропуска-ния в последнем электрических искр. Ван-Марум сделал вывод, что озон — это так называе-мая «электрическая материя».
В 1840 году Шёнбейн произвёл сопоставление свойств газообразного кислорода при пропускании в нём электрических искр, и после выделения его электролитически, и объяс-нил изменение физических и химических свойств видоизмененного кислорода тем что он при обработке электрическими искрами переходит в иное молекулярное состояние.
Позже Мариньяк и де ля Рив подтвердили что озон является аллотропической моди-фикацией кислорода. В дальнейшем известный изобретатель Никола Тесла запатентовал (22 сентября 1896 г.) первый в истории озонатор, а в 1857 г. Вернер фон Сименс с помощью созданной им «совершенной трубки магнитной индукции» построил первый промышленный озонатор. В 1901 г. фирмой «Сименс» построена первая гидростанция с мощным озонатором в городе Висбанд.
Озон хорошо растворяется в воде (при обычных условиях 0,45 объёма/1 объём воды) и при этом его водный раствор приобретает тонкую голубоватую окраску. Значительно лучше озон растворяется в различных хлор и фторопроизводных углеводородов (фреонах), например при обычных условиях в четырёххлористом углероде растворяется 3 объема озо-на/1 объём и раствор имеет красивый и насыщенный голубой цвет.
Образование озона проходит по обратимой реакции:
3O2 + 68 ккал (285 кДж) ←→ 2O3.
Озон представляет из себя весьма реакционноспособное химическое вещество, химическая активность которого исключительно велика. Это его свойство обусловлено тем, что трёхатомная молекула озона способна к лёгкому распаду и дополнительному выделению энергии (озон эндотермичен). Освобождающийся атом кислорода имеет чрезвычайно высокую активность, усиленную дополнительной энергией. Так, например при комнатной температуре озон взаимодействует практически со всеми химическими элементами и их химическими соединениями. Под действием газообразного озона все металлы кроме Au, Pt, Ir превращаются в оксиды или покрываются тонкой оксидной плёнкой, сульфиды, селениды, теллуриды окисляются до сульфатов, селенатов, теллуратов, аммиак окисляется до азотистой и азотной кислоты и т. д. Резина чрезвычайно быстро разрушается озоном (охрупчивается и рассыпается в порошок), а многие горючие органические вещества (спирты, кетоны, углеводороды и т. д.) при соприкосновении с озоном воспламеняются или взрываются. После не-которого поверхностного окисления довольно хорошо противостоят воздействию озона Cu, Ni, Sn а также безуглеродистые сплавы железа с 25% хрома.
Более детально конструкция активатора показана на рис. 4…11.
Активатор 19 содержит кроме электродов 26 и 27 внутренний диэлектрический кор-пус 28 и внешний диэлектрический корпус 29, установленный внутри корпуса 30 двигателя. При этом электроды 26 и 27 могут быть установлены радиально (рис. 4 и 5) или параллельно (рис. 6 и 7).

Электроды 26 и 27 могут быть выполнены радиальными и консольными (рис. 8 и 9)

Электроды 26 и 27 могут быть выполнены параллельными и консольными (рис. 10 и 11).

Электроды 26 и 27 могут быть выполнены в виде параллельных пластин с острыми кромками 31 (рис. 12) или a виде ромбов (фиг. 13) или в виде обтекаемых профилей (рис. 14).

Электроды 26 и 27 образуют секцию которая монтируется на приливах на корпусе 20 при помощи крышки 32 из электроизоляционного материала (рис. 15). Острые кромки 31 способствую активации процесса электрического разряда.

Воздушно-реактивный двигатель (рис. 1) содержит систему топливоподачи. Система подачи топлива содержит бак 33, для хранения топлива, топливопровод низкого давления 34, подключенный к выходу из бака 33. К топливопроводу низкого давления 34 присоединены насос 35, топливопровод высокого давления 36, регулятор расхода 37 и отсечной клапан 38.
Второй вариант ГТД (рис. 16) с выносным активатором дополнительно содержит трубопровод отбора воздуха 39, присоединенный к выходу из компрессора 3, присоединенный к активатору воздуха 19, выход из которого трубопроводом 40 соединен с камерой сгорания 4.
Конструкция выносного активатора 19 приведена на рис. 17. Активатор воздуха 19 содержит цилиндрический корпус 41 из диэлектрического материала, к которому присоединены входной и выходной патрубки 42 и 43. В камере 44 на держателях 45 и 46 установлены электроды 26 и 27.

Камера сгорания 4 для второго варианта ГТД в выносным активатором воздуха 19 (рис. 18) содержит жаровую трубу 13, форсуночную пииту 14 и форсунки 15. На форсуночной плите 14 установлены два коллектора 47 и 48. К коллектору 47 присоединены форсунки 15, а к коллектору 48 – форсунки ионизированного воздуха или озона 49. Под жаровой тру-бой 13 установлен внутренний кожух 50, образующий с жаровой трубой 13 внутренний канал 51. Между корпусом 52 камеры сгорания 4 и жаровой трубой 13 образован внешний канал 53. В жаровой трубе 13 выполнены отверстия 54.

Возможен вариант (рис. 19) когда воздух с примесью ионов и озона подается перед форсуночной плитой 14.

Возможно выполнение реактивного сопла 6 сверхзвуковым. Это целесообразно для сверхзвуковых летательных аппаратов.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
При работе газотурбинного двигателя (рис 1 …19) осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на рис. 1 …19 стартер не показан).
Потом включают насос 21 (рис. 1) и топливо из бака 33 по топливопроводу низкого давления 34 подается в насос 35 и далее по топливопроводу высокого давления 36 подается в форсунки 15 камеры сгорания 4.
Одновременно воздух из атмосферы поступает в воздушный тракт 1 и проходит через активатор воздуха 19, в котором образуются ионы и/или озон в зависимости от напряжения на выходе источника высокого напряжения 24. Ионы и/или озон образующегося за счет раз-рядов между электродами 26 и 27 высокого напряжения, подаваемого по высоковольтным проводам 25.
При наличии выносного активатора воздуха 19 через него проходит часть воздуха, потребляемого двигателем (рис. 18 и 19)
В камеру сгорания 4 поступает смесь воздуха с ионизированным воздухом (и/или озоном) и топливо. Учитываю, что ионизированный воздух и озон обладает более высокими окислительными свойствами, топливо сгорает полнее, при сгорании образуется более высокая температура продуктов сгорания. Это увеличивает его энергетический потенциал на турбине 5 и реактивном сопле 6. Учитывая, что температура продуктов сгорания на входе в турбину всегда имеет предельное проектное значение можно снизить расход топлива для сохранения заданной температуры. Это приведет к экономии 3…5% топлива.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить экономичность авиационного газотурбинного двигателя за счет более полного сгорания углеводородного топлива.
2. Уменьшить количество углерода – С и окислов углерода — СО в выхлопных газах.
3. Обеспечить работоспособность двигателя на очень больших высотах за счет применения ионизированного воздуха или озона.
4. На максимальных (форсажных) режимах, при полете на гиперзвуковых скоростях повысить степень сжатия компрессоров газотурбинного двигателя за счет применения полного сгорании я топлива.
5. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями гипер-звуковых скоростей М = 3…6.
6. Уменьшить затраты на полет летательного аппарата за счет использования более дешевого углеводородного топлива.
7. Все предложенные мероприятия могут быть реализованы и на любом стационар-ном газотурбинном двигателе, например, используемом в качестве привода газоперекачивающего агрегата.

Литература

Авторы статьи: Академик Дудышев Валерий Дмитриевич

Патентный поверенный рег № 466, Болотин Николай Борисович