ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
AIR-JET 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. (прототип), 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 ограничения 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.
Задачи создания изобретения: повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя и улучшение его удельных характеристик.
Достигнутые технические результаты: повышение степени сжатия компрессора, увеличение силы тяги двигателя и улучшение его удельных характеристик.
Решение указанных задач достигнуто в воздушно-реактивном двигателе, содержащем воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора и камеру сгорания, газовую турбину, вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, и реактивное сопло, отличающемся тем, что за компрессором выполнен воздушный тракт, в котором установлен первый водородовоздушный теплообменник, внутри воздушного тракта коаксиально валу установлена водородная турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы, входной коллектор соединен с выходом из теплообменника, а выходной - с камерой сгорания, при этом за воздушным трактом установлены компрессор среднего давления и компрессор высокого давления, между которыми установлен второй водородовоздушный теплообменник, перед газовой турбиной установлена газовая турбина высокого давления, водородная турбина и компрессор среднего давления соединены вторым валом, установленным коаксиально первому, а компрессор высокого давления соединен с турбиной высокого давления третьим валом.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…4, где:
- на фиг. 1 приведена схема водородного газотурбинного двигателя,
- на фиг. 2 приведена схема водородной турбины,
- на фиг. 3 приведена схема последовательного соединения водородновоздушных теплообменников,
- на фиг 4 приведена схема параллельного соединения водородновоздушных теплообменников.
Предложенное техническое решение (фиг. 1…4) содержит воздухозаборник 1, корпус 2, компрессор 3, воздушный тракт 4, первый водородновоздушный теплообменник 5, компрессор среднего давления 6, второй водородновоздушный теплообменник 7, компрессор высокого давления 8, камеру сгорания 9, газовую турбину высокого давления 10, газовую турбину 11 и реактивное сопло 12. Реактивное сопло 12 предпочтительно выполнить сверхзвуковым.
Компрессор 3 содержит статор 14 и ротор 15. Компрессор среднего давления 6 содержит статор 16 и ротор 17. Компрессор высокого давления 8 содержит статор 18 и ротор 19. Камера сгорания 9 содержит жаровую трубу 20 и форсунки 21. Газовая турбина высокого давления 10 содержит статор 22 и ротор 23. Газовая турбина 11 содержит статор 24 и ротор 25. Вал 26 соединяет роторы 15 и 25 компрессора 3 и газовой турбины 11 и установлен на опорах 27 и 28. Внутри воздушного тракта 4 концентрично валу 26 установлена водородная турбина 29, работающая на перегретом водороде. Водородная турбина 29 имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра воздушного тракта 4, чтобы его не загромождать. Кроме того, малые диаметральные габариты водородной турбины 29 уменьшают центробежные нагрузки на ее вращающиеся детали. Водородная турбина 29 содержит статор 30, ротор 31, входной и выходной коллекторы соответственно 32 и 33 (фиг. 1 и 2).
На фиг. 2 приведена более подробно конструкция водородной турбины 29. Статор 30 содержит корпус 34 с торцовыми крышками 35 и 36, на которых размещены входной коллекторы 32 и выходной коллектор 33 соответственно. На торцовых крышках 35 и 36 под коллекторами 33 и 32 выполнены отверстия 37 и 38.
Ротор 31 содержит корпус 39 в виде полого усеченного корпуса, к которому присоединены торцовые стенки 40 и 41. К торцовой стенке 40 присоединена втулка 42, а к торцовой стенке 41 - второй вал 43. Второй вал 43 соединяет роторы 31 и 17 водородной турбины 27 и компрессора среднего давления 6. На корпусе 32 с внутренней стороны установлены сопловые лопатки 44, а на корпусе 39 ротора 31 с внешней стороны установлены рабочие лопатки 45. Ротор 31 установлен на опорах 46 и 47 и уплотнен относительно статора 30 уплотнениями 48, 49 и 50, 51.
Третий вал 52 соединяет роторы 19 и 23 компрессора высокого давления 8 и турбины высокого давления 10 соответственно.
Воздушно-реактивный двигатель (фиг. 1) содержит систему топливоподачи 52, имеющую бак 53 для хранения водорода, топливопровод низкого давления 54, подключенный к выходу из бака 53. К топливопроводу низкого давления 54 присоединены насос 55, топливопровод высокого давления 56, регулятор расхода 57 и отсечной клапан 58. Трубопроводы перепуска 59…61 соединяют соответственно второй водородно-воздушный теплообменник 7 с входом в первый водородновоздушный теплообменник 5, выход из первого водородновоздушного теплообменника 5 с входным коллектором 32 водородной турбины 29 и выходной коллектор 32 с камерой сгорания 9.
Водородновоздушные теплообменники 5 и 7 могут быть соединены последовательно (фиг. 1 и 3) или параллельно (фиг. 4). Во втором варианте входы в водородновоздушные тепообменники 5 и 7 соединены при помощи трубопровода 62, которому присоединен топливопровод высокого давления 56. Выходы из водородновоздушных теплообменников 5 и 7 соединены трубопроводом 63, к которому присоединен трубопровод 61.
Возможно выполнение реактивного сопла 12 сверхзвуковым. Это целесообразно для сверхзвуковых летательных аппаратов.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
При работе воздушно-реактивного двигателя (фиг 1 и 2) осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг. 1 и 2 стартер и источник энергии не показаны). Потом включают насос 55 и водород из бака 53 подается во второй водородно-воздушный теплообменник 7, потом по трубопроводу перепуска 49 во входной коллектор 26 водородной турбины 23, потом из выходного коллектора 27 по трубопроводу перепуска 50 в форсунки 13 камеры сгорания 8, где воспламеняется при помощи запального устройства (на фиг. 1 и 2 запальное устройство не показано). Ротор 31 водородной турбины 29 раскручивается и раскручивает через второй вал 43 ротор 15 второго компрессора 6. Ротор 11 приводится в действие ротором 19 газовой турбины 8 через вал 20. Компрессор 3 обеспечивает степень сжатия до 30…40, при этом температура воздуха на его выходе может достичь 800 К. Сжимать такой горячий воздух в компрессоре дальше практически невозможно. В воздушном тракте 4 воздух охлаждается до 300…400 К и становится снова пригодным для сжатия. При сгорании топлива (водорода) в камере сгорания 9 температура выхлопных газов повышается до 1800…2000°C. Газ, имеющий высокую температуру и давление, обладает значительным энергетическим потенциалом для его срабатывания на газовых турбинах 10 и 11 и для обеспечения эффективной работы реактивного сопла 12.
2
Применение двух водородновоздушных теплообменников 5 и 7, как отмечалось ранее, позволит снизить температуру воздуха на выходе из них с 700…800 К до температуры 250…300 К перед компрессорами среднего и высокого давления 6 и 8, что позволит обеим компрессорам 6 и 8 совместно с компрессором 3 обеспечить сжатие продуктов сгорания до 100…150 кгс/см (в земных условиях), т.е. до давления, соизмеримого с давлением в современных ЖРД. Без предварительного охлаждения компрессоры среднего и высокого давлений 6 и 8 были бы в принципе неработоспособны. Высокое давление перед камерой сгорания 9 позволяет обеспечить перепад давления на газовых турбинах 10 и 11 и истечение продуктов сгорания из реактивного сопл 12 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 М=5…10 и значительно повысить высотность работы двигателя.
Регулирования силы тяги осуществляется регулятором расхода 57.
При останове воздушно-реактивного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т.е. закрывают отсечной клапан 58.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить степень сжатия компрессоров газотурбинного двигателя за счет применения трех компрессоров, двух газовых турбин и турбины, работающей на водороде, а также 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. Степень сжатия компрессоров удается повысить за счет применения двух водородновоздушных теплообменников, установленных между ними.
2. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями гиперзвуковых скоростей М=5…10.
3. Повысить высотность двигателя за счет большей производительности трех компрессоров.
4. Увеличить надежность двигателя за счет небольших габаритов водородной турбины и уменьшения центробежных нагрузок на ее лопатки.