ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

∑
г
∑
∑
Полезная модель относится к авиадвигателестроению. Эффективный КПД двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) не превышает 0,5 [1]. В ТРДД используется термодинамический цикл Брайтона, термический КПД которого зависит от степени повышения давления воздуха в цикле, где π - суммарная степень повышения давления в цикле, k - показатель адиабаты. Эффективный КПД цикла Брайтона как минимум на 20% ниже его термического КПД, т.е. . При этом степени повышения давления π в ТРДД составляют менее 45 (при π>45 в цикле Брайтона происходит увеличение доли внутренних потерь и, как следствие, снижение эффективного КПД [1, с. 35, рис. 1.15]).
Целью полезной модели является повышение эффективного КПД ТРДД более 0,5.
Известен двухконтурный турбореактивный двигатель [2], состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен воздуховоздушный теплообменник, сужающееся сопло; внешний контур пересекается выхлопными патрубками, которые соединяют внутренний контур с атмосферой.
Поставленная цель достигается тем, что в двухконтурном турбореактивном двигателе, состоящем из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен воздуховоздушный теплообменник, сужающееся сопло, внешний контур которого пересекается выхлопными патрубками, соединяющими внутренний контур с атмосферой, воздух из компрессора среднего давления поступает в воздуховоздушный теплообменник и далее - в компрессор высокого давления.
∑
∑
Сущность полезной модели заключается в том, что охлаждение воздуха на входе в компрессор высокого давления путем передачи части теплоты из внутреннего контура во внешний позволяет повысить суммарную степень повышения давления воздуха в ТРДД до 100 и более и, как следствие, его эффективный КПД. Повышение π связано с тем, что при фиксированной температуре газа перед турбиной та же температура воздуха на входе в камеру сгорания (то же количество подведенной в цикле теплоты) достигается при более высоких π, чем в прототипе.
в
Предпочтительно иметь степень повышения давления в вентиляторе π=2,0…2,5.
На фиг. 1 показан ТРДД;
на фиг. 2 показан термодинамический цикл ТРДД;
на фиг. 3 показана зависимость эффективного КПД ТРДД от суммарной степени повышения давления в двигателе.
ТРДД (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.
Во внутреннем контуре расположены: компрессор среднего давления 3, компрессор высокого давления 4, камера сгорания 5, турбины 6, выходные патрубки 7, которые пересекают внешний контур - соединяют внутренний контур с атмосферой.
Внешний контур представляет собой кольцевой канал, заканчивающийся сужающимся соплом 8. Внутри внешнего контура, кроме патрубков 7, расположен воздуховоздушный теплообменник 9.
Воздух через входное устройство 1 попадает в вентилятор 2, где его давление повышается в 2…2,5 раза. После вентилятора часть воздуха попадает во внутренний (первый) контур, а часть - в наружный (второй) контур.
В компрессоре 3 воздух сжимается, его температура повышается, после чего воздух поступает в теплообменник 9.
В теплообменнике 9 температура воздуха понижается, и он поступает в компрессор высокого давления 4, сжимается, поступает в камеру сгорания 5, смешивается с топливом, которое затем сгорает в камере сгорания. Образовавшийся газ расширяется в турбинах, приводя в действие вентилятор и компрессоры. Продукты сгорания удаляются в атмосферу через выхлопные патрубки 8. Наличие патрубков позволяет реализовать в турбинах максимально-возможный перепад давлений, что необходимо для получения максимально-возможной степени двухконтурности ТРДД.
Другая часть воздуха, сжатого в вентиляторе, поступает во внешний контур двигателя, где этот воздух нагревается в теплообменнике 9, а также - при контакте с патрубками 7, после чего воздух разгоняется в сопле 8 и истекает в атмосферу со скоростью большей (скорость звука), чем скорость полета. В результате создается реактивная сила.
1
1
1
2
На фиг. 2 показан термодинамический цикл ТРДД в Р-υ координатах. Здесь н - в - сжатие воздуха во входном устройстве и вентиляторе; в - к - сжатие воздуха в компрессоре среднего давления; к' - в' - процесс отвода теплоты в теплообменнике-нагревателе; в'- к - сжатие воздуха в компрессоре высокого давления; к - г - процесс подвода теплоты в камере сгорания; г - т - расширение газа в турбинах; т - п - процесс отвода теплоты в выхлопных патрубках; п - н - отвод теплоты в атмосферу; в - г' - процесс подвода теплоты во внешнем контуре; г' - с - процесс расширения воздуха в сопле; с - н - отвод теплоты в атмосферу. Lц - работа внешнего цикла; Lц - работа внутреннего цикла [3].
1
2
Работа цикла ТРДД складывается из работ внешнего и внутреннего циклов: Lц=Lц+m⋅Lц, где m - степень двухконтурности ТРДД.
е
∑
На фиг. 3 показана зависимость эффективного КПД ТРДД η от суммарной степени повышения давления в двигателе π для двигателя с теплообменником (сплошная линия) и без него (пунктирная линия). Эффективный КПД ТРДД (фиг. 1) определялся как
1
Расхождение в значениях эффективного КПД ТРДД с теплообменником и без него (фиг. 3) объясняется тем, что работа цикла в ТРДД без теплообменника при больших степенях повышения давления уменьшается, а потери энергии практически не меняются, соответственно, доля потерь по отношению к работе цикла возрастает, что ведет к снижению эффективного КПД (в конце концов, вся работа цикла тратится на компенсацию указанных потерь - эффективный КПД стремится к нулю). В ТРДД с теплообменником этого не происходит - работа цикла при больших степенях повышения давления воздуха не уменьшается, что является следствием сохранения разницы температур на выходе из камеры сгорания и на входе в камеру сгорания (q ≈ const).
Двухконтурный турбореактивный двигатель может быть использован в гражданской и военно-транспортной авиации. Положительным техническим результатом является уменьшение удельного расхода топлива, который, как известно [1], обратно пропорционален величине эффективного КПД.
Источники информации:
[1] Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. Шляхтенко С.М. -М.: Машиностроение, 1987. 568 с.
[2] Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель. Пат. РФ 2661427, 2018, бюл. №20, 9 с.
[3] Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // Общероссийский научно-технический журнал «Конверсия в машиностроении», 2006, №3, с. 5-10.