ВОДОРОДНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYDROGEN GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к авиационным двигателям для сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов.
Известен водородный газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2029118, МПК F02C 3/04, опубл. 20.05.1995 г., со вспомогательным контуром, работающим на водороде, во вспомогательный контур введен дополнительный воздушный тракт, связывающий выход из свободного компрессора со вспомогательной камерой. Водород в контуре двигателя играет роль хладагента. Для охлаждения турбины основного контура используется воздух высокого давления, который после охлаждения турбины подается в камеру сгорания промежуточного перегрева, куда поступает одновременно перешедший в газообразное состояние сжиженный воздух.
Недостаток - низкие удельные характеристики двигателя вследствие малой степени сжатия воздуха в компрессоре.
Известен водородный газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2320889, МПК F02K 3/04, опубл. 27.03.2008 г., который содержит вентилятор, высоконапорный скоростной компрессор, мультипликатор, пароводяной нагреватель (генератор пара), форсажную камеру, турбодетандер с тепломассообменным аппаратом. Двигатель также имеет трехступенчатую активно-реактивную турбину, у которой третья ступень радиально-осевая, проточная часть которой переходит в критическое сверхзвуковое сечение сопла Лаваля, окруженное аккумулятором пара. Высоконапорный скоростной компрессор выполнен комбинированным со степенью повышения давления, равной 60. Двигатель рассчитан на тягу не менее 150 тонн с расходом воздуха через первый контур 600 кг/с, через второй контур - 1200 кг/с, температурой газа пред турбиной 2000 К. Вентилятор имеет наружный диаметр лопастей первого ряда 4000 мм. Внутри корпуса сопла Лаваля установлены форсунки подачи атомарного водорода для дожигания несгоревшего окислителя. Диски высоконапорного скоростного компрессора выполнены комбинированными - к осевым ступеням добавлены центробежные нагнетающие. Сопло Лаваля снабжено центральным телом, через отверстия которого подается паровоздушная смесь, создающая внешнюю упругую «оболочку-подушку», что позволяет изменять площадь проходного критического сечения сопла Лаваля.
Недостатки - низкий уровень силы тяги, относительно низкие удельные параметры, например удельный расход топлива, недостаточная степень сжатия компрессора.
Низкие удельные параметры объясняются тем, что создать компрессор со степенью сжатия более 30…40 невозможно, из-за того, что температура воздуха на выходе из него превысит 800°C. Кроме того, энергетического потенциала газовой турбины недостаточно для привода более мощного компрессора из -за ограничении температуры газов на выходе из турбины диапазоном 1700…1800°К в первую очередь из-за снижения ресурса рабочих лопаток газовой турбины. Рабочие лопатки газовой турбины находятся на большом диаметре, вращаются с огромными окружными скоростями, следовательно, на них действуют значительные центробежные нагрузки. Прочностные свойства материалов при увеличении температуры ухудшаются.
Известен водородный газотурбинный двигатель по патенту FR №2687433, МПК F02R 3/12, опубл. 20.08.1992 г., прототип.
Этот водородный газотурбинный двигатель содержит воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора, имеющим вал, основную камеру сгорания, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, и сверхзвуковое реактивное сопло, тем, что между компрессором и камерой сгорания внутри воздушного тракта, соединяющего компрессор и камеру сгорания, установлена водородная турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы, а за камерой сгорания установлен теплообменник, вход которого соединен с топливопроводом, а выход - с входным коллектором водородной турбины, выходной коллектор водородной турбины соединен трубопроводом с основной камерой сгорания, на выходе из теплообменника установлен второй компрессор, между которым и сверхзвуковым реактивным соплом установлена форсажная камер.
Недостаток - низкие энергетические возможности водородного газотурбинного двигателя на гиперзвуковых скоростях из-за неиспользования мощности водородной турбины.
Задачи создания изобретения: повышение энергетических показателей водородного газотурбинного двигателя на гиперзвуковых скоростях.
Достигнутые технические результаты: повышение энергетических показателей на гиперзвуковых скоростях: степени сжатия компрессора, силы тяги двигателя и его удельных характеристик.
Решение указанных задач достигнуто в водородном газотурбинном двигателе, содержащем воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора, имеющим вал, основную камеру сгорания, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, и сверхзвуковое реактивное сопло, при этом между компрессором и камерой сгорания внутри воздушного тракта, соединяющего компрессор и камеру сгорания, установлена водородная турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы, а за камерой сгорания установлен теплообменник, вход которого соединен с топливопроводом, а выход - с входным коллектором водородной турбины, выходной коллектор водородной турбины соединен трубопроводом с основной камерой сгорания, на выходе из теплообменника установлен второй компрессор, между которым и сверхзвуковым реактивным соплом установлена форсажная камера, тем, что водородная турбина и второй компрессор связаны с валом ротора компрессора.
Реактивное сопло может быть выполнено сверхзвуковым. Воздухозаборник может быть выполнен охлаждаемым топливом. Реактивное сопло может быть выполнено охлаждаемым топливом.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…4, где:
на фиг. 1 приведена схема водородного газотурбинного двигателя,
на фиг. 2 приведена схема воздухозаборника,
на фиг. 3 приведен ротор водородной турбины,
на фиг. 4 приведено сверхзвуковое реактивное сопло.
Предложенное техническое решение (фиг. 1…4) содержит воздухозаборник 1, корпус 2 компрессор 3, воздушный тракт 4, основную камеру сгорания 5 теплообменник 6, второй компрессор 7, форсажную камеру 8 и реактивное сопло 9. Реактивное сопло 9 предпочтительно выполнить сверхзвуковым. Компрессор 3 содержит статор 10 и ротор 11. Основная камера сгорания 5 содержит жаровую трубу 12 и форсунки 13. Второй компрессор 7 содержит статор 14 и ротор 15. Форсажная камера 8 имеет форсажный коллектор 16. Общим для двигателя является вал 17, соединяющий роторы 11 и 15 компрессоров 3 и 7 и установленный на опорах 18 и 19. Внутри воздушного тракта 4 концентрично валу 17 установлена водородная турбина 20, работающая на перегретом водороде. Водородная турбина 20 имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра воздушного тракта 4, чтобы его не загромождать. Кроме того, малые диаметральные габариты водородной турбины 20 уменьшают центробежнве нагрузки на ее вращающиеся детали. Водородная турбина 20 содержит статор 21, ротор 22, входной и выходной коллекторы, соответственно 23 и 24 (фиг. 1 и 3). На фиг. 3 приведена более подробно конструкция ротора 22 водородной турбины 20. Ротор 22 содержит корпус 25 в вилле полого усеченного корпуса 26, к которому присоединены торцовые стенки 27 и 28, имеющие соосные шлицевые втулки 29 и 30. Шлицевые втулки 29 и 30 контактируют со шлицами 31 и 32, выполненными на валу 17. На корпусе 25 установлены рабочие лопатки 33.
Водородный газотурбинный двигатель (фиг. 1) содержит систему топливоподачи, имеющую бак 35, для хранения водорода, топливопровод низкого давления 36, подключенный к выходу из бака 35. К топливопроводу низкого давления 36 присоединены основной и форсажный топливопроводы 37 и 38.
Основной топливопровод 37 содержит насос 39, регулятор расхода 40 и отсечной клапан 41. Трубопроводы перепуска 42 и 43 соединяют соответственно теплообменник 6 с входным коллектром 23 водородной турбины 20 и выходной коллектор 24 с основной камерой сгорания 5. Форсажный топливопровод 38 содержит насос 44, регулятор расхода 45 и отсечной клапан 46, установленный перед форсажным коллектором 16.
Возможно выполнение воздухозаборника 1 охлаждаемым топливом (фиг. 2), для этого его корпус 47 выполнен с кольцевой полостью 48, к которой присоединены основной топливопровод 37 и трубопровод 49, соединяющий кольцевую полость 48 с входом в теплообменник 6.
Возможно применение охлаждаемого топливом (водородом) реактивного сопла 9 (фиг. 4). Для этого выполнены наружная и внутренние стенки 50 и 51 с зазором 52 между ними. На наружной стенке 50 установлены входной и выходной коллекторы 53 и 54. К входному коллектору 53 подсоединен форсажный топливопровод 38, а к выходному коллектору 54 - трубопровод 55, выход которого соединен с форсажным коллектором 16.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
При работе водородного газотурбинного двигателя осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг. 1…4 стартер и источник энергии не показаны). Потом включают насос 39 и водород из бака 35 по основному топливопроводу 37 подается в теплообменник 6, потом во входной коллектор 23 водородной турбины 20, из выходного коллектора 24 по трубопроводу перепуска 43 в формунки 13 основной камеры сгорания 5, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг. 1…4 электрозапальник не показан). Ротор 22 водородной турбины 20 раскручивается и раскручивает через вал 17 роторы 11 и 15 компрессоров 3 и 7. Компрессор 3 обеспечивает степень сжатия до 30…40, при этом температура воздуха на его выходе может достичь 800К. При сгорании топлива в основной камере сгорания 5 температура выхлопных газов повышается до 1800…2000°С. В теплообменнике 8 продукты сгорания охлаждаются до 300К. Это технически осуществимо из-за высокой теплоемкости водорода и его хороших показателей теплоотдачи. Второй компрессор 7 дополнительно сжимает поток выхлопных газов, создает в форсажной камере сгорания 8 высокое давление, что обеспечивает эффективную работу сопла 9, в том числе сверхзвукового.
2
При необходимости форсирования открывают отсечной клапан 46 и водород по форсажному топливопроводу 38 подается в форсажный коллектор 16, где воспламеняется и выхлопные газы истекают из реактивного сопла 9, создавая значительную тягу, соизмеримую с силой тяги жидкостного ракетного двигателя - ЖРД такой же размерности. Применение теплообменника 6, как отмечалось ранее, позволит снизить температуру выхлопных газов с 1800…2000К до температуры 300К перед вторым компрессором 7, что позволит второму компрессору 7 обеспечить сжатие продуктов сгорания до 100…150 кгс/см, т.е. до давления, соизмеримого с давлением в современных ЖРД. Без предварительного охлаждения второй компрессор 7 был бы в принципе неработоспособен. Высокое давление в форсажной камере 18 позволяет обеспечить истечение продуктов сгорания из реактивного сопл 9 со сверхзвуковыми скоростями, тем самым создать большую реактивную тягу. Очень высокая сила тяги при малых габаритах двигателя позволяет достичь летательным аппаратам, оборудованным таким двигателем, скоростей M=5…10 и значительно повысить высотность работы двигателя.
Выполнение водородной турбины 20 и второго компрессора 7, связанных с валом 17 ротора 11 компрессора 3 позволило повысить энергетические показатели на гиперзвуковых режимах: степени сжатия компрессора, силы тяги двигателя и его удельных характеристик. Это объясняется тем, что основную нагрузку для привода второго компрессора 7 берет на себя водородная турбина 20, имеющая особенно высокую мощность на гиперзвуковых скоростях.
Регулирования силы тяги на бесфорсажном режиме осуществляется регулятором расхода 40, на форсажном режиме - регулятором расхода 45.
При останове водородного газотурбинного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т.е. закрывают отсечные клапаны 41 и 46.
Применение изобретения позволило:
1. За счет выполнение водородной турбины и второго компрессора, связанных с валом ротора компрессора, позволило повысить энергетические показатели на гиперзвуковых режимах: степени сжатия компрессора, силы тяги двигателя и его удельных характеристик.
2. Повысить степень сжатия компрессоров газотурбинного двигателя за счет применения двух компрессоров и турбины, работающей на водороде, и охлаждения продуктов сгорания перед вторым компрессором. Водородная турбина имеет небольшие диаметральные габариты, поэтому на ее рабочие лопатки действуют меньшие центробежные силы. Применение в качестве рабочего тела чистого водорода значительно увеличивает энергетический потенциал этого рабочего тела. Кроме того, водород может быть подогрет практически до любой температуры, которая ограничивается только прочностью рабочих лопаток водородной турбины, работающей в более легких условиях, чем рабочие лопатки газовой турбины.
3. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями, гиперзкуковых скоростей M=5…0.
4. Повысить высотность двигателя.
5. Увеличить надежность двигателя.