СПОСОБ ФОРСИРОВАНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD FOR FORCING A TURBORETACTIVE ENGINE

Изобретение относится к авиадвигателестроению.
На сверхзвуковых скоростях полета производительность компрессоров турбореактивных двигателей (ТРД) вследствие нагрева воздуха уменьшается, что приводит к замедлению роста тяги ТРД - ограничивает максимальную скорость полета летательных аппаратов (ЛА) числами M<3,5.
Целью изобретения является устранение указанного недостатка.
Известен способ форсирования газотурбинных двигателей (прототип), заключающийся в подаче воды на вход в двигатель (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987 г. С. 374÷375). Недостатками способа являются: а) способ провоцирует появление срыва на лопатках компрессора вследствие испарения воды внутри и за компрессором; б) снижается экономичность двигателя вследствие затрат энергии топлива на испарение воды.
Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в повышении температуры газа перед турбиной (там же, с. 25, рис. 1.8).
Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в повышении частоты вращения компрессора (там же, с. 281, рис. 8.68).
Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в подаче на вход в компрессор жидкого воздуха либо жидкого кислорода (патент US 6644015 В1, МПК F02K 11/00 от 11.11.2003).
Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в подаче топлива (не более 3 процентов от расхода воздуха) на вход в компрессор (патент RU 2386832 С1, МПК F02C 7/143, 2010).
Известны способы воздушного охлаждения лопаток турбин (П.К. Казанджан, Н.Д. Тихонов, А.К. Янко. Теория авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1983. С. 188÷193). Эффективность воздушного охлаждения зависит от температуры и расхода охлаждающего воздуха, величина которого зависит от количества охлаждаемых венцов турбины и коэффициента интенсивности охлаждения лопаток, который достигает 0,8 (там же, с. 195, рис. 11.8, 11.9).
Известен способ охлаждения турбинных лопаток, заключающийся в охлаждении воздуха, отбираемого от двигателя, водой (топливом) путем их смешения с последующей подачей образовавшейся смеси во внутренние полости лопаток турбин (патент RU 2409745 С1, МПК F01D 5/18 от 20.01.2011).
Известны монокристаллические лопатки, позволяющие выдерживать температуры более 1300 К.
Известны керамические сопловые аппараты, позволяющие выдерживать температуры более 2500 К.
Известна технология «БЛИСК», позволяющая создавать рабочие колеса турбин с минимальными размерами втулки (относительный диаметр менее 0,55).
Поставленная цель достигается тем, что в турбореактивном двигателе, состоящем из входного устройства, турбокомпрессора, у которого лопатки турбины охлаждаются воздухом, отбираемым от компрессора, выходного устройства, на скоростях полета более 3,2 чисел Маха при температуре газа перед лопатками турбины более 2300 К и частоте вращения компрессора, превышающей более чем в 1,3 раза частоту вращения компрессора в условиях взлета, на вход в компрессор подается вода.
н
*
Сущность изобретения заключается в том, что на скоростях полета M>3,2 критическая температура воды (647 К) меньше температуры торможения воздуха Т, что делает невозможным существование воды в жидком состоянии, а значит, недостатки, присущие прототипу, устраняются.
Переход воды из жидкого состояния в газообразное сопровождается понижением температуры (увеличением плотности) воздуха и, как следствие, увеличением расхода воздуха через компрессор, что создает условия для дополнительного подвода топлива в камере сгорания двигателя - форсирования тяги (мощности) двигателя.
Существенным является наличие признаков «при температуре газа перед лопатками турбины более 2300 К и частоте вращения компрессора, превышающей более чем в 1,3 раза частоту вращения компрессора в условиях взлета», так как при их отсутствии скорости полета M>3,2 не могут быть достигнуты из-за невозможности подвода необходимого для разгона ЛА количества энергии (топлива) к двигателю (форсирование ТРД по температуре газа перед турбиной и частоте вращения компрессора должно быть полным, что, собственно, и является сутью указанных признаков).
Охлаждение лопаток турбины обеспечивается воздухом, отбираемым от компрессора, и водой, которая подводится к указанному воздуху.
Охлаждение лопаток компрессора обеспечивается водой, которая подается на вход в компрессор в количестве, при котором температура воздуха на входе в компрессор (выходе из компрессора) - постоянная величина (определяется жаропрочностью лопаток последней ступени компрессора).
Признак «температура воздуха на входе в компрессор - постоянная величина» кроме решения проблемы прочности лопаток компрессора решает проблему энергетического вырождения ТРД как газодинамической системы. Существующее представление о вырождении ТРД как о предопределенном (при заданной температуре газа перед турбиной) событии ошибочно - формирует неправильный методологический подход к созданию ТРД больших скоростей полета.
На фиг. 1 изображен ТРД;
на фиг. 2 изображены дроссельные характеристики ТРД;
на фиг. 3 изображены скоростные характеристики ТРД;
на фиг. 4 изображена характеристика компрессора в системе ТРД;
на фиг. 5 изображена таблица данных.
Турбореактивный двигатель (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, турбокомпрессора 2, водяного коллектора 3 с форсунками, направленными по потоку воздуха, установленного на входе в компрессор, смесителя 4, через который проходит воздушный канал, соединяющий воздушную полость за компрессором с каналами охлаждения лопаток турбины, выходного устройства 5.
Способ осуществляется следующим образом.
г
*
После взлета ЛА выполняется его разгон на максимальном режиме работы двигателя. В процессе разгона приведенная частота вращения компрессора поддерживается постоянной  (физическая частота вращения , где  - частота вращения в условиях взлета, изменяется пропорционально ). Повышение частоты вращения  обеспечивается повышением перепада давлений в турбине  при температуре газа перед турбиной Т более 2300 К. При достижении предельного перепада  перепад давлений в турбине поддерживается постоянным (приведенная частота вращения  снижается, физическая частота (>1,3) - практически не меняется).
в
*
На скорости полета M≥3,2 на вход в компрессор через коллектор 3 подается вода в количестве, обеспечивающем заданную температуру воздуха на входе в компрессор Т в частности, постоянную (в этом случае режим работы турбокомпрессора практически не меняется). Температура газа перед лопатками турбины - предельно допустимая.
Проблема высоких температур турбинных лопаток решается путем использования жаропрочных материалов, включая керамику, и применением охлаждения. Рабочие лопатки - монокристаллические (сопловые лопатки - керамические), охлаждение - воздушно-жидкостное. Воздух, используемый для охлаждения лопаток, забирается за компрессором и подается в систему охлаждения турбины, при необходимости в смеситель 4 подается вода, что позволяет понизить температуру охлаждающего воздуха до той, при которой обеспечивается прочность лопаток турбины.
Проблема высоких температур компрессорных лопаток решается путем применения жаропрочных материалов и охлаждением воздуха, проходящего через компрессор, водой.
о
о
*
Ниже приводятся летно-технические характеристики ТРД (фиг. 1) с исходными данными: взлетная тяга Rдв=20000 кгс; исходная степень повышения давления в компрессоре =5; температура газа перед турбиной на взлетном режиме Тг=2400 К; минимальный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания (=1,06; минимальный перепад давлений в турбине =1,43; максимальный перепад давлений в турбине =1,86; к.п.д. элементов двигателя - стандартные; потери давления во входном устройстве - стандартные; отбор воздуха на охлаждение - 7%; коэффициент интенсивности охлаждения в лопатках турбины - 0,7; камера сгорания двухзонная (поддерживает горение в диапазоне (=1,0…7,0).
На фиг. 2 изображены дроссельные характеристики ТРД в условиях взлета (Н=0, M=0). Малый газ (мг) соответствует относительной частоте вращения турбокомпрессора =0,67; максимальный (м) - =1,0. Режимы от малого газа (мг) до максимального (м) реализуются при закрытом сопле: =1,43. Экономичным режимом (эк) является режим =1,0 при =1,86 (сопло полностью открыто). Отбор воздуха на дроссельных режимах - 2%.
г
к
г
*
*
*
На фиг. 3 представлены скоростные характеристики, включая регулируемые параметры: , Т, , Т, Тлт, для высоты полета H=20 км на максимальном и форсированном режимах работы двигателя. До скорости M=2,7 приведенная частота вращения  поддерживается постоянной: сначала за счет температуры Т (до M=1,2), затем - за счет ; физическая частота вращения  увеличивается пропорционально . На скорости M=2,7 перепад давлений в турбине достигает максимального значения =1,86, физическая частота вращения  перестает увеличиваться; приведенная частота вращения  снижается.
вк
к
G
R
т
*
*
На скорости M=3,2 на вход в компрессор подается вода в количестве, обеспечивающем постоянство температуры воздуха на входе в компрессор Т≈650 К и, соответственно, на выходе - Т≈1100 К (фиг. 3). Подача воды на вход в компрессор увеличивает расход воздуха через двигатель по отношению к его расходу без подачи воды. Это видно по изменению коэффициента расхода воздуха К (фиг. 3). Коэффициент расхода воздуха - это отношение действительного расхода воздуха, проходящего через двигатель, к теоретически возможному, определяет потенциальные возможности двигателя по форсированию тяги. Тяга двигателя при форсировании водой резко увеличивается. Это видно по изменению коэффициента тяги C (фиг. 3). Эффект роста тяги усиливается еще за счет небольшого повышения частоты вращения  (фиг. 3), которое является следствием увеличения относительного расхода топлива q, которое является результатом того же форсирования водой.
уд
Вода, используемая для форсирования ТРД, является так называемым пассивным топливом, обладающим хладоресурсом и кинетической энергией, которые наравне с энергией керосина (кинетической, химической, хладоресурсом) преобразуются в работу перемещения ЛА. Удельный расход топлива С определяется как сумма расходов активного (керосин) и пассивного (вода) топлив, приходящаяся на 1 кгс тяги в течение часа (фиг. 3).
воды
R
Расход воды G с ростом скорости полета (М>3,2) быстро увеличивается (фиг. 3), поэтому форсирование водой следует применять на предельно больших высотах, где расходы воздуха и, соответственно, воды - минимальны. При рациональном выборе исходных параметров ТРД и траектории полета способ позволяет ЛА с ТРД за минимальное время достигнуть гиперзвуковых скоростей полета (это видно по характеру изменения C).
о
е
п
Σ
Общий к.п.д. двигателя η с ростом скорости полета растет, приближаясь к 0,6 (фиг. 3, где η - эффективный к.п.д., η - полетный к.п.д.), что является следствием роста суммарной степени повышения давления π (эффективный к.п.д.) и той же скорости полета (полетный к.п.д.).
Температура рабочих лопаток турбины Тлт на скоростях M>2,2 поддерживается на уровне 1200 К (фиг. 3) за счет подачи воды в смеситель 4 (фиг. 1).
г
г
г
*
*
*
На фиг. 4 представлена характеристика компрессора в системе ТРД с рабочей линией мг-м-эк-ф-ф'. Перемещение вдоль этой линии осуществляется за счет изменений Т и , а также за счет подачи воды на вход в компрессор. Характерными режимами являются: малый газ (мг), максимальный режим (м), экономичный режим (эк), гиперфорсированный режим (ф-ф'). Малый газ реализуется при закрытом сопле и минимальной Т; максимальный режим - при максимальной Т и различных  от минимального (на малых скоростях) до максимального (на больших скоростях); экономичный режим - на дозвуковых скоростях при полностью раскрытом сопле; гиперфорсированный - при подаче воды на вход в компрессор.
На фиг. 5 изображена таблица, в которой представлены основные расчетные данные ТРД (фиг. 1).
Способ позволяет летательным аппаратам с турбореактивными двигателями развивать гиперзвуковые скорости полета, может быть использован в самолетах-перехватчиках (разгонщиках). Авторское название способа - гиперфорсаж.