СПОСОБ ФОРСАЖА ТУРБОДВИГАТЕЛЯ И ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF TURBOJET AFTERBURNING AND ENGINE TO THIS END (VERSIONS)

Изобретение относится к турбореактивным двигателям, преимущественно двухконтурным, и пригодно для газотурбинных двигателей.
Известен способ форсирования двигателей путем впрыска в камеру сгорания или перед компрессором воды или смеси воды с топливом (метанолом), см. Вьюнов С.А. «Конструкции и проектирование авиационных газотурбинных двигателей». - М.: «Машиностроение», с.417-419. Однако вода как рабочее тело не самый оптимальный вариант: у нее большая теплота парообразования - 2500 кДж/кг, большая теплоемкость - 4190 Дж/(кг·К), большая теплоемкость водяного пара - примерно 2 кДж/(кг·К) (она меняется с температурой и давлением). То есть, чтобы нагреть один килограмм воды до водяного пара с температурой 1400 градусов, потребуется примерно (без учета сжатия) 5519 кДж.
С этой точки зрения почти оптимальным рабочим телом является вещество, которое на самолете всегда присутствует - керосин: теплота парообразования примерно 220 кДж/кг (т.е. в 11.4 раза меньше), вдвое меньшая теплоемкость - 2,1 кДж/(кг·К), теплоемкость паров примерно 1.65 кДж/(кг·К). То есть, чтобы нагреть один килограмм керосина до состояния пара 1400 градусов, надо примерно 2575 кДж. Правда, у воды больше коэффициент увеличения объема при испарении. Но зато керосин при температуре 1400 градусов может претерпевать крекинг и термическое разложение до водорода. То есть вместо одной молекулы может образоваться 15-16 молекул, причем с изотермически эффектом, и соответственно увеличится объем рабочего тела и его скорость истечения.
При этом, кстати, может возникнуть неопасное побочное явление: на лопастях и направляющем аппарате турбины может образоваться тонкий слой графита. Он никак не скажется на работе турбины и быстро обгорит после выключения атмофорсажа.
Может использоваться и другая горючая жидкость, в том числе сжиженный горючий газ, например этиловый эфир, спирт, пропан или охлажденный метан. И хотя в этом случае на самолете для них потребуется отдельный бак, но при необходимости их можно подать в камеру сгорания как обычное топливо и использовать в экономическом режиме полета.
Вода может содержать антифризные присадки, например гликоли, для предотвращения замерзания и смачиватель, например ПО-6. Чтобы при этом в бачке для воды не образовывалась пена, вода и воздух могут быть разделены в бачке резиновым мешком. Смачиватель нужен для смазки движущихся частей насоса. Поскольку смазочные свойства смачивателей специально не изучались, то, возможно, потребуются эксперименты в этом направлении. Возможно также применение масляной эмульсии.
13
28
Казалось бы, в чем преимущества данного способа форсажа, ведь испаряющегося агента потребуется примерно вдвое больше? Но дело в том, что во-первых, стало больше рабочего тела, что уже увеличивает тягу двигателя, а во-вторых, если вместо воды взять эквивалентное количество керосина с усредненной формулой CH, то она теоретически способна разложиться до углерода и 2,78 молекулы водорода, да еще с небольшим с небольшим экзотермическим эффектом. То есть увеличится скорость истечения газов из сопла.
Но кроме того, и самое главное, если вода или другие негорючие жидкости после испарения просто вылетят в сопло как рабочее тело, то керосин или продукты его крекинга и термического разложения после турбины могут быть равномерно смешаны с воздухом вторичного контура в щелевом дефлекторе и быть сожжены в форсажной камере, увеличивая скорость истечения газов из сопла. Степень двухконтурности нового двигателя следует выбирать соответствующей полному сгоранию всего топлива.
Так как до сих пор горючие жидкости для такого способа форсажа не применялись, назовем способ форсажа путем впрыска в камеру сгорания, или перед компрессором, или в ступень компрессора горючей жидкости или газа «атмофорсажом» (от греческого «атмос» - испарение).
Особенность этого способа форсажа в том, что мощность турбины увеличивается, и, следовательно, увеличивается угловая скорость турбины и компрессора, то есть увеличивается массовый расход воздуха через компрессор и второй контур, что энергетически выгодней, чем увеличивать скорость истечения. Что в совокупности со сгоранием горючей жидкости в воздухе второго контура приведет к увеличению тяги примерно в 4-5 раз. То есть гораздо больше, чем может быть достигнуто на воде. Хотя и расход топлива будет больше «максимала» в 7-10 раз (в зависимости от допустимой температуры в камере сгорания).
Способ пригоден и для повышения мощности газотурбинных двигателей, однако при этом выгорание керосина будет бесполезно происходить уже в атмосфере.
Подача дополнительного топлива имеет несколько нюансов. Во-первых, не стоит подавать все топливо в основные форсунки: они не рассчитаны на увеличение расхода до 10 раз, да и горение будет происходит плохо - с образованием продуктов неполного сгорания, что уменьшит экзотермический эффект горения примерно в 1.36 раза.
Хотя в некоторых случаях как раз имеет смысл ограничить тепловыделение в камере сгорания (это зависит от степени двухконтурности) путем неполного сгорания до угарного газа. Ведь в этом случае будет меньше расход атмотоплива («атмотопливо» - количество основного или дополнительного, жидкого или газообразного топлива, подаваемое в основные форсунки или во второй ряд форсунок и предназначенное для испарения) на испарение. То есть в этом случае все топливо имеет смысл подавать в район основных форсунок или в ступень компрессора. Атмофорсаж, вообще-то, нерегулируемый режим, так как можно сжечь турбину. Но именно этим способом, регулируя полноту сгорания топлива в камере сгорания, можно в определенных пределах регулировать тягу двигателя примерно в 1.36 раза. То есть перераспределяя топливо между двумя или тремя рядами форсунок и, при неполном сгорании, уменьшая общую подачу топлива. Продукты неполного сгорания на пропадут даром - они догорят полностью в общей форсажной камере.
Во-вторых, длина факела при подаче атмотоплива в общие форсунки из-за охлаждающего влияния излишков топлива может резко увеличиться, поэтому лучше подавать топливо до стехиометрического состава (далее - «стехиотопливо», то есть количество основного или дополнительного, жидкого или газообразного топлива, подаваемого в основные форсунки или в ступень компрессора и предназначенное для достижения стехиометрического состава с кислородом воздуха) в основные форсунки или в предпоследнюю или в предпредпоследнюю ступень компрессора. Это охладит поступающий воздух и увеличит его массовый расход. Не следует подавать стехиотопливо в начало компрессора, иначе топливо будет отброшено центробежной силой на внешнюю обечайку компрессора и будет поступать в камеру сгорания в пленочном виде.
А остальное топливо следует подавать в конец факела основных горелок (под концом факела подразумевается окончание зоны практически полного - 95-99% - горения топлива, подаваемого в основные форсунки и в ступень компрессора. А это количество, напомню, равняется штатной топливоподаче на режиме «максимал» плюс стехиотопливо).
В-третьих, при подаче топлива в ступень компрессора надо следить, чтобы оно не самовозгорелось там от сжатия или чтобы пламя не вошло внутрь ступени через камеру сгорания. Чтобы избежать последнего, надо, чтобы в направляющей решетке последней ступени было сужение, обеспечивающее сверхзвуковое течение. Тогда пламя не сможет распространиться через этот участок.
В-четвертых, если подача дополнительного топлива не будет включена мгновенно, то во время переходного процесса возможно кратковременное достижение стехиометрического состава без излишков топлива, что приведет к выходу турбины из строя. Чтобы этого не произошло, на время переходного периода в камеру сгорания или в компрессор должна в возрастающем количестве подаваться негорючая жидкость, например вода.
И лишь после выхода на стехиометрический состав должно произойти замещение воды на атмотопливо. Желательно - плавное, чтобы не вызвать временного, а тем более - резкого снижения или повышения подачи охлаждающего агента, так как это может привести или к расплавлению турбины, или к помпажу компрессора.
Впрочем, очень быстрая, почти мгновенная подача стехиотоплива и одновременно атмотоплива не приведет к расплавлению турбины, так как время воздействия повышенной температуры будет невелико. Хотя при этом повышается вероятность срыва в помпаж.
Двигатель, реализующий данный способ, не сильно отличается от традиционного: он также содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, форсажную камеру, компрессор второго контура и систему подачи форсажного топлива, только на этот раз не в форсажную камеру, а в основные форсунки или в ступень компрессора. Двигатель также имеет дополнительную систему подачи испаряющейся жидкости в камеру сгорания. И имеет эжекторное устройство, например радиально-щелевое, для равномерного смешения потоков первого и второго контуров. Но и эти особенности известны, хотя последнее применяется не на всех двигателях.
Отличий два: во-первых, в двигатель топливо может подаваться в середину компрессора, то есть в какую-то ступень компрессора, а второе отличие - количественное - в камеру сгорания или в ступень компрессора или в компрессор подается столько топлива, что оно в основном не сгорает, а испаряется.
Если топливо подается в какую-то ступень компрессора, то с учетом центробежного отбрасывания форсунки должны быть расположены ближе к ротору.
На фиг.1 показан атмофорсажный двухконтурный двигатель. Он состоит из: компрессора 1, включая лопатки второго контура 2, камеры сгорания 3, турбины 4, второго контура 5, общей форсажной камеры 6, общего реактивного сопла 7 и щелевого радиально-эжекторного устройства 8.
Работает двигатель так: в режиме «максимал» в основные форсунки (линия «топл») или в отдельные форсунки для дополнительного количества топлива, необходимого для достижения стехиометрического состава (линия «топл-стехио») очень быстро подается топливо до стехиометрического состава. Происходит полное сгорание топлива. В образовавшиеся горячие газы в камеру сгорания 3 также очень быстро подается атмотопливо (линия «топливо и/или вода»), за счет испарения и нагрева паров атмотоплива температура падает до рабочей температуры турбины 4. Топливо, частично или полностью претерпевая крекинг и разложение, проходит турбину и в щелевом эжекторе 8 смешивается с воздухом вторичного контура 5, после чего образовавшаяся смесь сгорает в форсажной камере 6 и вылетает через сопло 7.
Отдельно рассмотрим систему подачи топлива и/или воды в двигатель. Они могут быть четырех вариантов.
Вариант 1: самая простая система получается, если пренебречь кратковременным скачком температуры при быстром впрыске топлива. В этом случае система может состоять из одного дополнительного топливного насоса и одного электромагнитного или другого быстродействующего клапана. У этой системы есть одна особенность: можно, но нежелательно, чтобы стехиотопливо подавалось в те же форсунки, что и основное, потому что колебания давления в этом тракте могут сказаться на перераспределении топлива после дополнительного топливного насоса. Разумеется, насос должен быть соединен с приводной рессорой двигателя, чтобы соблюдать соотношение «топливо - воздух» при изменении оборотов двигателя. Хотя, если характер зависимости «обороты - массовый расход воздуха» в данном диапазоне будет сильно отличаться от линейного, то придется вводить коррекцию в производительность насоса. Насос может быть нерегулируемым и подключаться к приводной рессоре двигателя через муфту сцепления. В этом случае указанную коррекцию можно вводить регулируемой рециркуляцией топлива через регулируемый жиклер.
См. фиг 2, где: 11 - дополнительный топливный насос, 12 - электромагнитный клапан, 13 - подстроечный кран для стехиотоплива.
Работает эта простейшая система так: насос 1 выводится на нужную производительность (она несколько зависит от температуры окружающего воздуха) и работает на перепускной клапан. А затем резко открывается электромагнитный клапан 2, и в нужном количестве одновременно поступают стехиотопливо и атмотопливо. При изменении оборотов двигателя соотношение сохраняется.
При выключении сначала выключают электроклапан, а затем насос.
Этот вариант легче других позволяет регулировать тягу двигателя на атмофорсаже путем управления полнотой сгорания топлива - достаточно перераспределять топливо краном 13. Но этот вариант самый рискованный в смысле вероятности появления помпажа.
Вариант 2. Этот и последующие варианты предусматривают промежуточную подачу воды в тракт атмотоплива. Простейший из таких вариантов имеет топливный форсажный насос 14 (часто он уже есть в составе двигателя). И синхронно приводимый и синхронно управляемый одной кинематикой (лучше всего - одной тягой 15) топливный насос 11 (далее - атмонасос) в антикоррозионном исполнении (см. фиг.3), где электрические или пневмолинии показаны пунктиром. На входе в насос имеет трехходовой кран «вода-топливо» 16, соединенный с водяным и топливным баками и управляемый от кинематики управления насосами по достижении стехиометрического количества форсажного топлива.
Трехходовой кран может управляться непосредственно от тяги синхронного управления насосами на последних 10-15% ее рабочего хода. Однако это несколько рискованно, так как может привести к кратковременному недостатку атмотоплива. Поэтому лучше, если тяга 15 на своем последнем 1% хода нажимает на концевой выключатель (далее - «концевик») 17, от которого срабатывает трехходовой кран 16 (на этот раз не обязательно мгновенно). Привод автоматики может быть электрический, а может быть пневматический.
Кроме того, есть еще одна хитрость. При попытке быстрого отключения атмофорсажа может возникнуть временная нехватка атмотоплива из-за запоздалой реакции трехходового крана и из-за запоздалого поступления воды вместо атмотоплива в форсунки вследствие некоторой протяженности трубопроводов. Поэтому, чтобы невозможно было быстро отключить атмофорсаж, общая тяга управления насосами блокируется во включенном положении дистанционно управляемым стопором 18. Стопор может отключаться выключателем или размыкающей кнопкой 19.
Топливо после форсажного насоса 14 может трехходовым краном 20 направляться или в стехиоканал (основные или дополнительные форсунки в камере сгорания или в ступени компрессора), или в обычную форсажную камеру и использоваться как обычно.
Работает эта система так: после вывода насосов 11 и 14 на максимальный режим тяга 15 касается концевика 17 и трехходовой кран 16 переключается с воды на топливо, а тяга 15 тормозится стопором 18. Для выключения атмофорсажа надо выключить выключатель 19 или нажать эту кнопку и, удерживая ее, сдвинуть тягу из конечного положения. При этом трехходовой кран 16 переключится на воду и можно безопасно синхронно отключить оба насоса. Если исполнительный механизм крана 16 не очень быстрый, то отключение стопора 18 следует задействовать от концевика этого исполнительного механизма, как в вариантах 3 и 4.
В варианте 2 насосы также могут быть нерегулируемыми.
Вариант 3. Следующие два варианта предусматривают постепенный ввод атмофорсажа и постепенное замещение воды атмотопливом и наоборот. Это замещение должно происходить как на диаграмме на фиг.4, с учетом разной массы потребных воды и топлива. Этот вариант предусматривает наличие трех насосов, регулируемых или нерегулируемых: форсажный насос для стехиотоплива 14, насос для воды 21 и насос для атмотоплива 11 (атмонасос,) см. фиг.5. Все они управляются одной кинематикой (одной тягой 15) или просто подключаются к рессоре двигателя одной муфтой сцепления. На выходе водяного и атмонасоса есть краны 22 и 23, которые управляются одним исполнительным механизмом 24. Механизм управляется концевиком 17 через выключатель 19. Для предупреждения слишком быстрого отключения атмофорсажа служит стопор 18, стопорящий тяги 15 во включенном положении и управляемый концевиком, расположенным в исполнительном механизме 24.
Работает система так: при включении тягой 15 всех трех насосов 14, 21, 11 в стехиоканал поступает топливо для сгорания, а в атмоканал поступает вода из насоса 21 и открытого крана 22. Насос 11 работает на перепускной клапан.
Когда насосы выйдут на полную производительность и тяга 15 коснется концевика 17, начнет работать исполнительный механизм 24, закрывая кран 22 и открывая кран 23. Профили рабочих органов кранов желательно подобрать так, чтобы характеристики их пропускной способности были линейными, как на диаграмме на фиг.4. Допускается небольшая выпуклость характеристик «вверх». Постепенно водяной кран 22 закроется, а топливный кран 23 полностью откроется.
Одновременно с началом работы исполнительного механизма 24 находящийся в нем концевик (отдельно не показан) стопорит стопором 18 тягу 15 (см. фиг.6).
Для выключения режима атмофорсажа надо выключить выключатель 19 и тогда исполнительный механизм начнет закрывать атмотопливо и открывать воду. Когда атмоканал полностью переключится на воду, отключится стопор 18 и тягой 15 можно плавно отключить подачу стехиотоплива и воды.
В третьем и четвертом вариантах нас подстерегает одна опасность: так как производительность водяного насоса меньше производительности атмонасоса, то при выключении режима атмофорсажа, когда осуществляется совместная подача воды и атмотоплива, то за счет запаздывания подачи воды из-за ее прохождения по трубопроводам, возникает некоторый недостаток суммарного испаряющегося агента. Для ликвидации этого явления производительность водяного насоса должна быть на 25-30% больше расчетной.
Вариант 4: система также содержит три насоса: форсажный насос стехиотоплива 14, водяной насос 21 и атмонасос 11. Управляющие рычаги водяного и атмонасоса лежат в одной плоскости, но направлены в разные стороны, а управляющий рычаг форсажного насоса 14 составляет с этой плоскостью угол 20-85 градусов (оптимально 70). Кроме того, система содержит коромысло 25, одним концом шарнирно прикрепленное к рычагу водяного насоса 21, а другим концом, также шарнирно через промежуточный толкатель 26 - к рычагу атмонасоса, а между ними - к коромыслу шарнирно прикреплена (примерно посередине) тяга 15 от рычага форсажного насоса 14. Причем рычаг атмонасоса приводится в действие исполнительным механизмом 24, связанным через выключатель 19 с концевиком 17 на пути тяги 15, которая стопорится во включенном положении стопором 18, срабатывающим от концевика, расположенного в исполнительном механизме 24 (отдельно не показан).
Тяга 15 в этом варианте выполнена шарнирно сочлененной.
Работает этот вариант так: тягой 15 включается форсажный насос 14 и сдвигается (вправо на чертеже) коромысло 25. Но, поскольку рычаг атмонасоса 11 был застопорен исполнительным механизмом 24, то коромысло, сдвигаясь, постепенно увеличивало производительность водяного насоса 21. По достижении его максимальной производительности срабатывает концевик 17 и включается исполнительный механизм 24, который начинает увеличивать производительность атмонасоса 11. Одновременно со включением исполнительного механизма находящийся в нем концевик включает стопор 18 и тормозит тягу 15. Так как середина коромысла 25 при этом становится неподвижной, то включение атмонасоса 11 приведет к постепенному выключению водяного насоса 21. Вода постепенно замещается атмотопливом.
Следует отметить, что шарниры атмонасоса 11 и оба крайних шарнира коромысла должны быть плоскими, причем достаточно жесткими, чтобы исключить выход коромысла из плоскости управляющих рычагов насосов 21 и 11. Или может быть применен какой-либо другой способ сохранения плоскостности движения коромысла, например, его нижний на чертеже конец или левый конец, толкатель 26 могут находиться в щелевых направляющих. А средний шарнир коромысла и два шарнира на рычаге насоса 14 должны быть наоборот - шаровыми.
Выключается атмофорсаж так: выключается выключатель 19, и исполнительный механизм 24 закрывает атмонасос 11. Исполнительный механизм, кстати, в вариантах 2, 3, 4 должен иметь именно такой алгоритм срабатывания: при подаче напряжения или пневмо- или гидродавления он смещается в одну сторону, а при отключении - возвращается обратно. Такой характеристикой обладают электромагнитный и пневмоцилиндрический исполнительные механизмы. А если будет применен электродвигательный исполнительный механизм, то потребуется дополнительное промежуточное реле.
По мере постепенного закрывания атмонасоса 11 через промежуточный толкатель 26 и коромысло 25 постепенно открывается водяной насос 21. Атмотопливо замещается водой. Когда атмонасос закроется, концевик исполнительного механизма отключит стопор 18 и освободит тягу 15. Сдвинув ее назад, летчик синхронно отключает форсажный 14 и водяной 21 насосы.
И последнее - для предотвращения попадания воды в атмотопливо и наоборот в месте соединения их трубопроводов могут быть обратные клапаны 27 или могут быть применены разные форсунки.
В данном двигателе негорючей жидкостью является вода или ее смесь с гликолями, и/или смачивателями, и/или масляной эмульсией, а горючей жидкостью является керосин или этиловый эфир, или спирт, или пропан, или метан.
Данный режим атмофорсажа, несмотря на большой расход топлива, является незаменимым в некоторых случаях: он может помочь взлететь пассажирскому, или транспортному самолету, или бомбардировщику с короткой полосы в жаркую погоду и с повышенной нагрузкой. Он поможет поврежденному штурмовику, в частности на одном двигателе, быстро покинуть зону ПВО. Истребителю он поможет разогнаться перед пуском ракет, чтобы придать им повышенную начальную скорость, или, наоборот, резко ускориться, чтобы уйти от вражеских ракет, или чтобы резко набрать высоту, или чтобы повысить потолок (это не одно и то же) и т.п. Танку он поможет быстро выйти из зоны обстрела.
Следует отметить такой нюанс - если степень двухконтурности невелика и не позволяет сжечь все атмотопливо, то имеет смысл впрыскивать в общую форсажную камеру окислитель, например раствор пятиокиси азота в азотной кислоте. Сравнительно небольшое количество окислителя способно на короткий срок резко повысить тягу такого двигателя.