ДВУХТОПЛИВНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DOUBLE-FUEL 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 F02С 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 F03B 13/00, 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 K. 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 K 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 двухтопливный воздушно-реактивный двигатель по патенту FR №2635826, МПК F02K 7/16, опубл. 1990 г., прототип.
Этот двухтопливный воздушно-реактивный двигатель содержит воздухозаборник, корпус, по меньшей мере, один компрессор, камеру сгорания с топливным коллектором и группой форсунок, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, по меньшей мере, одну турбину и, по меньшей мере, один вал, соединяющий компрессор и турбину, реактивное сопло и систему подачи углеводородного топлива в камеру сгорания, при этом двигатель оборудован системой подачи водорода, в камере сгорания выполнена вторая группа форсунок, соединенная с вторым топливным коллектором, корпус камеры сгорания выполнен в виде теплообменника кольцевой формы с входным и выходным коллекторами, при этом входной коллектор соединен с системой подачи водорода, а выходной коллектор соединен с вторым топливным коллектором.
Задачи создания изобретения: повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя и улучшение его удельных характеристик.
Достигнутые технические результаты: повышение степени сжатия компрессора, повышение температуры перед турбиной, и увеличение силы тяги двигателя, и улучшение его удельных характеристик.
Решение указанных задач достигнуто в двухтопливном воздушно-реактивном двигателе, содержащем воздухозаборник, корпус, по меньшей мере, один компрессор, камеру сгорания с топливным коллектором и группой форсунок, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, по меньшей мере, одну турбину и, по меньшей мере один вал, соединяющий компрессор и турбину, реактивное сопло и систему подачи углеводородного топлива в камеру сгорания, при этом двигатель оборудован системой подачи водорода, в камере сгорания выполнена вторая группа форсунок, соединенная с вторым топливным коллектором, корпус камеры сгорания выполнен в виде теплообменника кольцевой формы с входным и выходным коллекторами, при этом входной коллектор соединен с системой подачи водорода, а выходной коллектор соединен с вторым топливным коллектором, тем что турбина, установленная непосредственно после камеры сгорания, выполнена охлаждаемой и содержит сопловой аппарат с полостью, которая отверстиями соединена с внешним каналом, кроме того, турбина содержит рабочие лопатки, установленные на диске, рабочие лопатки выполнены также охлаждаемыми, полость соплового аппарата соединена каналами с аппаратом закрутки, предназначенным для подачи охлаждающего воздуха к диску и рабочим лопаткам.
Реактивное сопло может быть выполнено сверхзвуковым.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где:
- на фиг. 1 приведена схема двухтопливного газотурбинного двигателя,
- на фиг. 2 приведена схема камеры сгорания и охлаждаемой турбины.
Предложенное техническое решение (фиг. 1 и 2) содержит воздухозаборник 1, корпус 2, по меньшей мере, один компрессор 3, воздушный тракт 4, камеру сгорания 5, по меньшей мере одну турбину 6 и реактивное сопло 7 с центральным обтекателем 8. Реактивное сопло 7 предпочтительно выполнить сверхзвуковым.
Компрессор 3 содержит статор 9 и ротор 10. Камера сгорания 5 содержит первый и второй топливный коллекторы 11 и 12, первую и вторую группы форсунок 13 и 14 (фиг. 2). Турбина 6 содержит статор 15 и ротор 16. Вал 17, соединяет роторы 10 и 16 компрессора 3 и газовой турбины 6 и установлен на опорах 18 и 19. Возможно применение двух компрессоров 3 и двух турбин 6.
Двухтопливный воздушно-реактивный двигатель (фиг. 1) содержит систему подачи углеводородного топлива, имеющую бак 20, для хранения топлива, топливопровод низкого давления 21, подключенный к выходу из бака 20. К топливопроводу низкого давления 21 присоединены насос 22, топливопровод высокого давления 23, регулятор расхода 24 и отсечной клапан 25. Топливопровод высокого давления 23 соединен с первым топливным коллектором 11 и далее с первой группой форсунок 13.
Кроме того, двухтопливный воздушно-реактивный двигатель (фиг. 1) содержит систему подачи водорода, имеющую бак 26, для хранения водорода (второго топлива), топливопровод низкого давления 27, подключенный к выходу из бака 26. К топливопроводу низкого давления 27 присоединены насос 28, топливопровод высокого давления 29, регулятор расхода 30 и отсечной клапан 31. Топливопровод высокого давления 29 соединен через теплообменник 32 с вторым топливным коллектором 12 и далее с второй группой форсунок 14.
Теплообменник 32 выполнен заодно с корпусом 33 камеры сгорания 5 и содержит внешнюю стенку 34, внутреннюю стенку 35, установленные концентрично и с зазором 36 между ними, входной коллектор 37 и выходной коллектор 38. К входному коллектору 37 присоединен топливопровод высокого давления 29, а к выходному коллектору 38 посредством трубопровода 39 присоединен второй топливный коллектор 13, сообщающийся с второй группой форсунок 14.
Камера сгорания 5 кроме двух групп форсунок 12 и 14 содержит жаровую трубу 40, форсуночную плиту 41 и внутренний кожух 34, между которым и жаровой трубой 40 образован внутренний канал 42, а между жаровой трубой 40 и внутренней стенкой 35 образован внешний канал 43.
Турбина 5, непосредственно установленная за камерой сгорания 5, выполнена охлаждаемой и содержит сопловой аппарат 44 с полостью 45, которая отверстиями 46 соединена с внешним каналом 43. Кроме того, турбина 6 содержит рабочие лопатки 47, установленные на диске 48. Рабочие лопатки 47 выполнены также охлаждаемыми. Полость 45 соплового аппарата 44 соединена каналами 49 с аппаратом закрутки 50, предназначенным для подачи охлаждающего воздуха к диску 48 и рабочим лопаткам 47. На жаровой трубе 40 выполнены отверстия 51.
Возможно выполнение реактивного сопла 7 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 22 и углеводородное топливо из бака 20 подается в первый топливный коллектор 11 и далее в первую группу форсунок 13.
При необходимости форсировать силу тяги двигателя водород из бака 26 по топливопроводу низкого давления 27, насосом 28, подается в топливопровод высокого давления 29, далее через регулятор расхода 30 и отсечной клапан 31 в теплообменник 32, где газифицируется и далее по трубопроводу 39 подается во второй топливный коллектор 12 и далее во второй группу форсунок 14 для сгорания.
Продукты сгорания приводит в действие ротором 16 турбины 6 и через вал 17 ротор 10 компрессора 3. Компрессор 3 обеспечивает степень сжатия до 30…40, при этом температура воздуха на его выходе может достичь 800 K.
Высокое давление после камеры сгорания 5 позволяет обеспечить перепад давления на турбине 6 и истечение продуктов сгорания из реактивного сопла 7 со сверхзвуковыми скоростями, тем самым создать большую реактивную тягу.
Вследствие большого хладоресурса водорода (низкая температура и высокая теплоемкость) он охлаждает часть воздуха, идущего по внешнему каналу 43 на 200…400°C. Охлажденный воздух поступает в сопловой аппарат 44 и рабочие лопатки 47 охлаждаемой турбины 6. Это компенсирует увеличение температуры продуктов сгорания перед турбиной 6. В итоге сила тяги двигателя и его удельные характеристики значительно возрастают.
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.
Регулирование силы тяги осуществляется регуляторами расхода 24 и 30.
При останове воздушно-реактивного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т.е. закрывают отсечные клапаны 25 и 31.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить силу тяги двигателя при его форсировании за счет увеличения степени сжатия компрессора и увеличения температуры перед турбиной.
Это достигнуто за счет того, что турбина, установленная непосредственно после камеры сгорания, выполнена охлаждаемой и содержит сопловой аппарат с полостью, которая отверстиями соединена с внешним каналом, кроме того, турбина содержит рабочие лопатки, установленные на диске, рабочие лопатки выполнены также охлаждаемыми, полость соплового аппарата соединена каналами с аппаратом закрутки, предназначенным для подачи охлаждающего воздуха к диску и рабочим лопаткам.
2. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями, гиперзвуковых скоростей М=5…10.
3. Повысить высотность двигателя за счет применения жидкого кислорода.