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. (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°С. 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.
Задачи создания изобретения: повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя.
Достигнутые технические результаты: повышение степени сжатия компрессора, увеличение силы тяги двигателя и улучшение его удельных характеристик.
Решение указанных задач достигнуто в водородном газотурбинном двигателе, содержащем воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора, имеющим вал, камеру сгорания, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, газовую турбину и 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 и второй вал, а за камерой сгорания установлен теплообменник, вход которого соединен с топливопроводом, а выход - с входным коллектором турбины, выходной коллектор водородной турбины соединен трубопроводом с основной камерой сгорания, на выходе из газовой турбины установлен второй компрессор, при этом водородная турбина и второй компрессор соединены вторым валом.
Реактивное сопло может быть выполнено сверхзвуковым.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…2, где:
на фиг. 1 приведена схема водородного газотурбинного двигателя,
на фиг. 2 приведена схема водородной турбины,
Предложенное техническое решение (фиг. 1…2) содержит воздухозаборник 1, корпус 2, компрессор 3, воздушный тракт 4, основную камеру сгорания 5 теплообменник 6, второй компрессор 7, газовую турбину 8 и реактивное сопло 9. Реактивное сопло 9 предпочтительно выполнить сверхзвуковым. Компрессор 3 содержит статор 10 и ротор 11. Камера сгорания 5 содержит жаровую трубу 12 и форсунки 13. Второй компрессор 7 содержит статор 14 и ротор 15. Газовая турбина 8 содержит статор 16 и ротор 17. Вал 18 соединяет роторы 11 и 17 компрессора 3 и газовой турбины 8 и установлен на опорах 19 и 20. Внутри воздушного тракта 4 концентрично валу 18 установлена водородная турбина 21, работающая на перегретом водороде. Водородная турбина 21 имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра воздушного тракта 4, чтобы его не загромождать. Кроме того, малые диаметральные габариты водородной турбины 21 уменьшают центробежные нагрузки на ее вращающиеся детали. Водородная турбина 21 содержит статор 22, ротор 23, входной и выходной коллекторы, соответственно 24 и 25 (фиг.1 и 2).
На фиг.2 приведена более подробно конструкция водородной турбины 21. Статор 22 содержит корпус 26 с торцовыми крышками 27 и 28, на которых размещены коллекторы 25 и 24 соответственно. На торцовых крышках 27 и 28 под коллекторами 25 и 24 выполнены отверстия 29 и 30.
Ротор 23 содержит корпус 31 в виде полого усеченного корпуса, к которому присоединены торцовые стенки 32 и 33. К торцовой стенке 32 присоединена втулка 34, а к торцовой крышке 33 - второй вал 35. Второй вал 35 соединяет роторы 23 и 17 водородной турбины 21 и второго компрессора 8. На корпусе 26 установлены сопловые лопатки 36, а на корпусе 31 ротора 23 рабочие лопатки 37. Ротор 23 установлен на опорах 38 и 39 и уплотнен относительно статора 22 уплотнениями 40.
Водородный газотурбинный двигатель (фиг.1) содержит систему топливоподачи, имеющую бак 41 для хранения водорода, топливопровод низкого давления 42, подключенный к выходу из бака 41. К топливопроводу низкого давления 42 присоединены насос 43, регулятор расхода 44 и отсечной клапан 45. Трубопроводы перепуска 46 и 47 соединяют соответственно теплообменник 6 с входным коллектором 24 водородной турбины 21 и выходной коллектор 25 с камерой сгорания 5.
Возможно выполнение реактивного сопла 9 сверхзвуковым.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
При работе водородного газотурбинного двигателя 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 43 и водород из бака 41 подается в теплообменник 6, потом по трубопроводу перепуска 46 во входной коллектор 24 водородной турбины 21, потом из выходного коллектора 25 по трубопроводу перепуска 47 в форсунки 13 камеры сгорания 5, где воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 и 2 электрозапальник не показан). Ротор 23 водородной турбины 21 раскручивается и раскручивает через вал 18 ротор 15 второго компрессора 7. Компрессор 3 обеспечивает степень сжатия до 30…40, при этом температура воздуха на его выходе может достичь 800 К. При сгорании топлива в камере сгорания 5 температура выхлопных газов повышается до 1800…2000°С. В теплообменнике 8 продукты сгорания охлаждаются до 300 К. Это технически осуществимо из-за высокой теплоемкости водорода и его хороших показателей теплоотдачи. Второй компрессор 7 дополнительно сжимает поток выхлопных газов, создает перед газовой турбиной 8 высокое давление, что обеспечивает ее эффективную работу.
2
Применение теплообменника 6, как отмечалось ранее, позволит снизить температуру выхлопных газов с 1800…2000 К до температуры 300 К 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 перед газовой турбиной 8 позволяет обеспечить перепад давления на ней и истечение продуктов сгорания из реактивного сопла 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 М=5…10 и значительно повысить высотность работы двигателя.
Регулирование силы тяги на бесфорсажном режиме осуществляется регулятором расхода 44.
При останове водородного газотурбинного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т.е. закрывают отсечной клапан 45.
Применение изобретения позволило:
1. 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, работающий в более легких условиях, чем рабочие лопатки газовой турбины.
2. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями гиперзвуковых скоростей М=5…10.
3. Повысить высотность двигателя.
4. Увеличить надежность двигателя.