Способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой
METHOD FOR OPERATION OF THREE-CIRCUIT TURBOJET ENGINE WITH AFTERBURNER CHAMBER

Изобретение относится к области авиационной техники и может быть использовано в системах управления силовой установкой летательных аппаратов, содержащей трехконтурный турбореактивный двигатель с форсажной камерой.
Надежность и устойчивость работы двигателя на установившихся и переходных режимах в условиях длительных полетов с дозвуковой и сверхзвуковой скоростями при обеспечении требуемых уровней полетной тяги и расхода топлива с учетом ограничений по габаритным размерам является важным критерием оценки качества авиационной силовой установки.
Одним из основных направлений повышения экономичности турбореактивных двигателей является снижение удельного расхода топлива за счет повышения степени двухконтурности двигателей. Однако реализация высоких значений степени двухконтурности в турбореактивных двигателях ограничена существенным повышением габаритных характеристик.
Поэтому наиболее перспективным направлением совершенствования турбореактивных двигателей является создание многоконтурного двигателя с регулированием степени двухконтурности в зависимости от режима его работы. В свою очередь, увеличение количества регулирующих элементов, а также расширение диапазона работы некоторых узлов двигателя негативно сказываются на надежности работы всей силовой установки. Плавное изменение свойств рабочего тела и стабилизация его параметров в процессе перехода с одного режима на другой способствует увеличению надежности и устойчивости работы во всем диапазоне значений скорости полета, повышая безопасность воздушного движения.
Известен способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в том, что сжатый воздух из регулируемого вентилятора разделяют на три потока, поток первого контура подают в камеру сгорания, продукты сгорания из которой подают в турбины высокого и низкого давления и далее - в основное реактивное сопло, поток второго контура смешивают в смесителе с потоком первого контура, подают в камеру сгорания и в основное реактивное сопло, поток третьего контура из канала третьего контура через распределительное устройство подают в сопло третьего контура, задают основные и переходные режимы работы двигателя, контролируют параметры работы двигателя и регулируют работу двигателя переходом с трехконтурной схемы работы на двухконтурную схему работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем переключения распределительными устройствами направления потоков сжатого воздуха (международная заявка WO 2011/038188).
В известном способе работы управление третьим контуром с отдельным входом и двухъярусной ступенью вентилятора осуществляется с помощью регулируемых направляющих аппаратов вентилятора, независимых для каждого яруса. Воздух третьего контура в предложенной схеме направляется в проточный тракт за критическое сечение основного сопла.
Основным недостатком предложенной схемы является использование отдельного не перекрываемого входа в канал третьего контура и наличие двухъярусной лопатки вентилятора, что на режимах с выключенным третьим контуром вызывает дополнительный отбор мощности от ротора низкого давления, снижает экономичность двигателя и ограничивает возможности использования третьего контура на различных режимах работы двигателя.
Известен способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой, заключающийся в том, что сжатый воздух из регулируемого вентилятора разделяют на три потока, поток первого контура подают в газогенератор, продукты сгорания из которого подают в турбину низкого давления, а от нее в основное реактивное сопло, поток второго контура подают через форсажную камеру в реактивное сопло, поток третьего контура подают в сопло третьего контура, задают основные и переходные режимы работы двигателя, в качестве параметров работы двигателя контролируют расход топлива по времени и значения частоты вращения ротора газогенератора и ротора низкого давления и регулируют работу двигателя переходом с трехконтурной схемы работы на двухконтурную схему работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем переключения распределительными устройствами направления потоков сжатого воздуха и включения в работу форсажной камеры (патент US 4080785).
В известном способе работы с помощью регулируемого смесителя происходит управление расходом воздуха в каналах второго и третьего контуров для получения требуемых характеристик двигателя. Недостатком данного способа является использование третьего контура только на дозвуковых скоростях, что не позволяет повысить экономичность двигателя на форсированных режимах его работы.
Известен способ работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой, заключающийся в том, что сжатый воздух из регулируемого вентилятора разделяют на три потока, поток первого контура подают в газогенератор, продукты сгорания из которого подают в турбину низкого давления, а от нее через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло, поток второго контура подают через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло, поток третьего контура из канала третьего контура через распределительное устройство подают либо в сопло третьего контура либо через форсажную камеру в основное реактивное сопло, задают основные и переходные режимы работы двигателя, в качестве параметров работы двигателя контролируют температуру торможения потока воздуха на входе в двигатель, расход топлива по времени и значения частоты вращения ротора газогенератора и ротора низкого давления, а регулируют работу двигателя переходом с трехконтурной схемы работы на двухконтурную схему работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем переключения распределительными устройствами направления потоков сжатого воздуха и включения в работу форсажной камеры, причем на малом, взлетном и максимальном режимах, а также на переходных режимах без форсирования двигателя его работу осуществляют по двухконтурной схеме, а поток сжатого воздуха третьего контура направляют в канал второго контура, а на крейсерском режиме работы без форсирования двигателя поток сжатого воздуха третьего контура через канал третьего контура подают в сопло третьего контура (патент US 4064692).
В известном способе поток сжатого воздуха третьего контура используется только для перепуска из середины регулируемого вентилятора к основному реактивному соплу без возможности направлять воздух третьего контура в форсажную камеру непосредственно из канала третьего контура. При этом использование канала третьего контура в известном способе ограничивается дозвуковыми дроссельными режимами работы двигателя и не позволяет расширить возможности двигателя на основных и переходных режимах с форсированием его работы, что существенно снижает экономичность работы двигателя на этих режимах и не позволяет повысить полетную тягу на максимальных режимах с форсированием двигателя.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ работы турбореактивного двигателя с форсажной камерой, который содержит признаки, совпадающие с существенными признаками описываемого изобретения, а именно: сжатый воздух из регулируемого вентилятора разделяют на поток первого контура и поток второго контура, поток первого контура подают в газогенератор, продукты сгорания из которого подают в турбину низкого давления, а от нее через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло, поток второго контура подают через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло, а для формирования потока третьего контура канал третьего контура подключают через переключатель к воздухозаборному устройству, задают основные и переходные режимы работы двигателя, измеряют параметры работы двигателя и регулируют работу двигателя переходом с двухконтурной схемы работы на трехконтурную и прямоточную схемы работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем переключения распределительными устройствами направления потоков сжатого воздуха и включения в работу форсажной камеры, причем на взлетном, максимальном и переходных режимах без форсирования двигателя его работу осуществляют по двухконтурной схеме, а на максимальном режиме работы с форсированием двигателя - по прямоточной схеме, при этом поток третьего контура подают непосредственно из воздухозаборного устройства через канал третьего контура в форсажную камеру и основное реактивное сопло (патент US 5694768).
В известном способе работы двигателя включение максимального режима работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме осуществляется при работе двигателя по двухконтурной схеме при полностью перекрытом канале третьего контура (фиг. 7 патента), при этом одновременно с открытием воздушного клапана 138, сообщающего канал третьего контура с форсажной камерой, закрывается створчатый клапан 36а, перекрывая подачу воздуха к регулируемому вентилятору и отключается подача топлива в камеру сгорания газогенератора.
Параметры среды на входе в форсажную камеру резко изменяются - значительно повышается количество подаваемого топлива, вместо продуктов сгорания и сжатого воздуха из регулируемого вентилятора подается чистый воздух из воздухозаборного устройства, что может привести к нарушению стабильной работы форсажной камеры.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение надежности работы двигателя на максимальном и переходных режимах работы с форсированием двигателя.
Техническим результатом изобретения является обеспечение стабилизации параметров рабочего тела на входе в форсажную камеру на переходных режимах.
пр
отн
Этот технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой сжатый воздух из регулируемого вентилятора разделяют на поток первого контура и поток второго контура, поток первого контура подают в газогенератор, продукты сгорания из которого подают в турбину низкого давления, а от нее через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло, поток второго контура подают через смеситель и форсажную камеру в основное реактивное сопло, а для формирования потока третьего контура канал третьего контура подключают через переключатель к воздухозаборному устройству, задают основные и переходные режимы работы двигателя, измеряют параметры работы двигателя и регулируют работу двигателя переходом с двухконтурной схемы работы на трехконтурную и прямоточную схемы работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем переключения распределительными устройствами направления потоков сжатого воздуха и включения в работу форсажной камеры, причем на взлетном, максимальном и переходных режимах без форсирования двигателя его работу осуществляют по двухконтурной схеме, а на максимальном режиме работы с форсированием двигателя - по прямоточной схеме, при этом поток третьего контура подают непосредственно из воздухозаборного устройства через канал третьего контура в форсажную камеру и основное реактивное сопло. Согласно изобретению включение максимального режима работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме осуществляют с переходного режима работы с форсированием двигателя, при котором канал третьего контура подключают через распределительное устройство к выходу регулируемого вентилятора и подают поток третьего контура непосредственно из канала третьего контура через форсажную камеру в основное реактивное сопло, а открытие и закрытие переключателя и распределительных устройств для включения максимального режима работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме осуществляют по значению приведенной частоты вращения регулируемого вентилятора N и относительной величине температуры торможения потока рабочего тела Т.
пр
Значение приведенной частоты вращения регулируемого вентилятора N может быть определено из следующего соотношения:
, где
физ
N - частота вращения регулируемого вентилятора;
0
Т - стандартное значение температуры, к которому приводится значение частоты вращения;
*
вх
Т - полная температура торможения потока воздуха на входе в двигатель,
отн
а значение относительной величины температуры торможения потока рабочего тела Т может быть определено из следующего соотношения:
отн
т
вх
*
*
Т=Т/Т, где
*
т
Т - полная температура на выходе из турбины.
Существенность отличительных признаков способа работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение позволяет получить его технический результат - обеспечение стабилизации параметров рабочего тела на входе в форсажную камеру на переходных режимах.
Пример реализации способа работы трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид трехконтурного турбореактивного двигателя с форсажной камерой;
на фиг. 2 - схема работы двигателя на максимальном режиме без форсирования двигателя по двухконтурной схеме;
на фиг. 3 - схема работы двигателя на крейсерском дозвуковом режиме без форсирования двигателя по трехконтурной схеме;
на фиг. 4 - схема работы двигателя на максимальном режиме с форсированием двигателя по прямоточной схеме;
на фиг. 5 - схема работы двигателя на переходном режиме с форсированием двигателя по трехконтурной схеме.
Трехконтурный турбореактивный двигатель содержит регулируемый вентилятор 1, выполненный двухкаскадным. Выходом второго каскада 2 регулируемый вентилятор 1 сообщен каналом 3 первого контура с газогенератором 4, состоящим из компрессора высокого давления 5, основной камеры сгорания 6 и турбины высокого давления 7. К выходу газогенератора 4 последовательно подключены турбина низкого давления 8, смеситель 9, форсажная камера 10 и основное реактивное сопло 11.
Регулируемый вентилятор 1 выходом второго каскада 2 через канал 12 второго контура последовательно сообщен со смесителем 9, форсажной камерой 10 и основным реактивным соплом 11, а выходом первого каскада 13 сообщен через распределительное устройство 14 с каналом 15 третьего контура, подключенным через распределительное устройство 16 к реактивному соплу 17 третьего контура, либо к форсажной камере 10 и основному реактивному соплу 11.
Регулируемый вентилятор 1 приводится в движение турбиной низкого давления 8, а компрессор высокого давления 5 приводится в движение турбиной высокого давления 7. Воздухозаборное устройство 18 через переключатель 19 подключено ко входу регулируемого вентилятора 1, либо к каналу 15 третьего контура.
Для контроля параметров работы в двигателе установлены датчик 20 температуры торможения потока воздуха на входе в двигатель, датчик 21 температуры газа на выходе из турбины, датчик 22 расхода топлива в основную камеру сгорания, датчик 23 расхода топлива в форсажную камеру и датчик 24 частоты вращения регулируемого вентилятора 1. Датчики 20, 21, 22, 23 и 24 подключены через блок контроля измеряемых параметров 25 к блоку сравнения 26, подключенному к блоку управления 27 с задающим устройством 28.
Работа трехконтурного турбореактивного двигателя осуществляется следующим образом. Сжатый воздух из регулируемого вентилятора 1 разделяют на два потока, поток сжатого воздуха первого контура по каналу 3 первого контура подают в газогенератор 4, продукты сгорания из которого подают в турбину низкого давления 8, а от нее через смеситель 9 и форсажную камеру 10 в основное реактивное сопло 11, поток сжатого воздуха второго контура подают по каналу 12 второго контура через смеситель 9 и форсажную камеру 10 в основное реактивное сопло 11. Для формирования потока третьего контура канал 15 третьего контура подключают через переключатель 19 к воздухозаборному устройству 18, либо через распределительное устройство 14 к выходу первого каскада 13 регулируемого вентилятора 1. Поток третьего контура через распределительное устройство 16 подают либо в сопло 17 третьего контура, либо через форсажную камеру 10 в основное реактивное сопло 11.
Регулируют работу двигателя переходом с двухконтурной схемы работы на трехконтурную или прямоточную схемы работы и обратно, а также изменением степени двухконтурности двигателя путем изменения распределительными устройствами 14 и 16, а также переключателем 19 направления потоков сжатого воздуха и включения в работу форсажной камеры 10. На взлетном и максимальном режимах, а также на переходных режимах без форсирования двигателя его работу осуществляют по двухконтурной схеме (фиг. 2), а поток сжатого воздуха третьего контура через распределительное устройство 14 и второй каскад 2 регулируемого вентилятора 1 направляют в канал 12 второго контура.
пр
отн
На максимальном режиме работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме поток третьего контура подают из воздухозаборного устройства 18 через переключатель 19 и канал 15 третьего контура непосредственно в форсажную камеру 10 и в основное реактивное сопло 11, а включение максимального режима работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме осуществляют с переходного режима работы с форсированием двигателя, при котором канал 15 третьего контура подключают через распределительное устройство 14 к выходу первого каскада 13 регулируемого вентилятора 1 и подают поток сжатого воздуха с помощью распределительного устройства 16 непосредственно из канала 15 третьего контура через форсажную камеру 10 в основное реактивное сопло 11, причем открытие и закрытие распределительных устройств 14 и 16, а также переключателя 19 для включения форсирования двигателя по прямоточной схеме осуществляют по значению приведенной частоты вращения регулируемого вентилятора N и относительной величине температуры торможения потока рабочего тела Т.
*
*
вх
т
физ
Оператором задаются основные и переходные режимы работы двигателя, в качестве параметров работы двигателя датчиком 20 контролируют полную температуру Т торможения потока воздуха на входе в двигатель, датчиком 21 контролируют полную температуру Т на выходе из турбины, с помощью датчиков 22 и 23 определяют расход топлива по времени в основную и форсажную камеры сгорания соответственно, датчиком 24 контролируют значения частоты вращения N регулируемого вентилятора 1.
пр
отн
пр
Открытие и закрытие переключателя 19 и распределительных устройств 14 и 16 для подключения и отключения канала 15 третьего контура осуществляют по значению приведенной частоты вращения регулируемого вентилятора N и относительной величине температуры торможения потока рабочего тела Т, причем значение N определяют из следующего соотношения:
, где
физ
N - частота вращения регулируемого вентилятора;
0
0
Т - стандартное значение температуры, к которому приводится значение частоты вращения (по ГОСТ 4401-81 Т=288 К);
*
вх
Т - полная температура торможения потока воздуха на входе в двигатель,
отн
а значение относительной величины температуры торможения потока рабочего тела Т может быть определено из следующего соотношения:
отн
т
вх
*
*
Т=Т/Т, где
*
т
Т - полная температура на выходе из турбины.
пр
На максимальном режиме без форсирования двигателя и взлетном режиме работы без форсирования двигателя он работает по обычной двухконтурной схеме, так как параметр N выше граничного значения переключения режима работы третьего контура. На данных режимах переключатель 19 и распределительные устройства 14 и 16 сводят к минимуму расход воздуха в канале 15 третьего контура, а реактивное сопло 17 третьего контура закрыто. Поток воздуха из воздухозаборного устройства 18 последовательно подается через оба каскада 13 и 2 регулируемого вентилятора 1.
пр
Такая же схема работы двигателя сохраняется на режимах с форсированием двигателя в условиях дозвукового и низкоскоростного сверхзвукового полета (минимальный форсированный, крейсерский форсированный), обеспечивая максимально возможную тягу двигателя. В этих условиях регулируемый вентилятор 1 работает на максимальном режиме, тем самым не допуская снижения параметра N из-за снижения частоты его вращения, а набегающий поток воздуха имеет низкое значение полной температуры.
физ
пр
На крейсерском дозвуковом режиме работы без форсирования двигателя, характеризующемся пониженными частотами вращения газогенератора 4, при выключенной форсажной камере 10 регулируемый вентилятор 1 работает с низкой физической частотой вращения N, значение параметра N становится ниже заданной величины. Распределительные устройства 14 и 16 через канал 15 третьего контура направляют расход воздуха в реактивное сопло 17 третьего контура, подача воздуха третьего контура в форсажную камеру 10 отсутствует, как это показано на фиг. 3.
На максимальном режиме с форсированием двигатель работает по прямоточной схеме. Переключатель 19 и распределительные устройства 14 и 16 направляют весь поток воздуха из воздухозаборного устройства 18 через канал 15 третьего контура в форсажную камеру 10 (фиг. 4). Подача воздуха к регулируемому вентилятору 1 и газогенератору 4 перекрыта переключателем 19, реактивное сопло 17 третьего контура закрыто.
На переходных режимах работы управление двигателем осуществляется следующим образом.
При переходе двигателя с максимального режима работы без форсирования двигателя на максимальный режим работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме по команде оператора включается форсажная камера 10.
*
вх
пр
При этом двигатель работает по обычной двухконтурной схеме с включенной форсажной камерой 10, но в связи с увеличением температуры Т торможения потока воздуха на входе в двигатель значение параметра N снижается и при достижении им установленного граничного значения распределительные устройства 14 и 16 дополнительно направляют поток сжатого воздуха из первого каскада 13 регулируемого вентилятора 1 через канал 15 третьего контура в форсажную камеру 10 и основное реактивное сопло 11 (фиг. 5).
Двигатель выходит на переходный режим работы с форсированием двигателя, что позволяет увеличить скорость полета без выключения турбокомпрессорной части за счет увеличения количества чистого воздуха, подаваемого в форсажную камеру 10. При этом химический состав, давление и температура рабочего тела на входе в форсажную камеру 10 изменяются менее резко, чем если бы переход происходил сразу на прямоточную схему.
отн
Двигатель адаптируется к условиям работы, характерным для режима глубокого дросселирования, приближаясь к облику прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Ускорение продолжается до тех пор, пока значение относительной величины температуры торможения потока рабочего тела Т не снизится до величины, когда режим работы газогенератора 4 не приблизится к «тепловому вырождению».
отн
По мере увеличения скорости полета при достижении относительной величины температуры торможения потока рабочего тела Т заданного значения происходит плавный переход на максимальный режим работы с форсированием двигателя по прямоточной схеме, распределительное устройство 14 закрывается, переключатель 19 перекрывает вход в регулируемый вентилятор 1, одновременно прекращается подача топлива в камеру сгорания 6 газогенератора 4, реактивное сопло 17 третьего контура закрыто (фиг. 4). В результате этого перехода на вход в форсажную камеру 10 поступает чистый воздух с параметрами, близкими к параметрам на переходном режиме с форсированием двигателя, за счет чего обеспечивается устойчивая работа форсажной камеры 10 на переходных режимах, и тем самым способствует повышению надежности ее работы и двигателя в целом.
По мере работы двигателя на этом режиме ускорение полета прекращается, и двигатель продолжает работу по прямоточной схеме, обеспечивая более высокую тягу при данной скорости полета, нежели в конфигурации с отбором потока сжатого воздуха в канал 15 третьего контура на переходном режиме работы с форсированием двигателя.
Особенностью данного режима является отсутствие расхода топлива в камеру сгорания 6 газогенератора 4, в то время как в форсажную камеру 10 топливо подается по заданной программе приведенного расхода топлива, контролируемое датчиком 23.
*
*
вх
вх
При поступлении команды оператора в блок управления 27 на изменение режима работы для снижения тяги в зависимости от величины полной температуры Т торможения потока воздуха на входе в двигатель режим работы может быть переключен на режим работы по двухконтурной схеме с форсированием двигателя или без форсирования двигателя (фиг. 2). Переключение происходит при получении сигнала о снижении величины приведенного расхода топлива в форсажной камере ниже граничного значения для максимального режима с форсированием двигателя. При преодолении указанной величины приведенного расхода топлива система управления оценивает скорость снижения полной температуры Т торможения потока воздуха на входе в двигатель, определяемой путем вычисления ее первой производной по времени, и производит переключение режима работы двигателя.
*
вх
Переход на форсажный режим осуществляется в случае, когда скорость снижения полной температуры Т меньше заданной величины. При этих условиях с целью плавного изменения режима работы форсажной камеры сначала осуществляется переключение на переходный режим с форсированием двигателя (фиг. 5), при этом за счет контроля датчиком 23 расхода топлива в форсажной камере 10 осуществляется плавное снижение тяги двигателя.
пр
Переключатель 19 открывает вход в регулируемый вентилятор 1, распределительные устройства 14 и 16 направляют поток сжатого воздуха третьего контура в форсажную камеру 10 непосредственно из канала 15 третьего контура. По мере снижения тяги происходит рост приведенной частоты вращения N регулируемого вентилятора, которая преодолевает граничное значение, определенное для переходного режима с форсированием двигателя. После этого распределительные устройства 14 и 16 закрываются. Двигатель переходит в конфигурацию без подачи потока сжатого воздуха в канал 15 третьего контура, вновь управляется как двухконтурный турбореактивный двигатель с включенной форсажной камерой.
*
вх
пр
В случае, когда скорость снижения полной температуры Т больше заданной величины, осуществляется переход на максимальный режим без форсирования двигателя. При этом аналогично происходит переключение сначала на переходный режим с форсированием двигателя, однако после преодоления приведенной частотой вращения N регулируемого вентилятора граничного значения, определенного для переходного режима с форсированием двигателя, распределительные устройства 14 и 16 закрываются, подача топлива в форсажную камеру 10 прекращается. Двигатель переходит в конфигурацию двухконтурной схемы без подачи потока сжатого воздуха в канал 15 третьего контура.
пр
отн
Таким образом, управление двигателем по параметрам N и Т на максимальном и переходных режимах с форсированием двигателя и подача потока сжатого воздуха непосредственно из канала третьего контура через форсажную камеру в основное реактивное сопло позволяют повысить надежность работы двигателя на основных и переходных режимах полета.