Гибридная турбовентиляторная установка со встроенным роторным ДВС
HYBRID TURBOFAN PLANT WITH BUILT-IN ROTOR ICE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности, к высокоэкономичным и экологичным комбинированным газотурбинным установкам (турбовентиляторным установкам). Использование таких силовых установок на гражданских самолетах различной грузоподъемности позволит последним соответствовать требованиям к гражданским самолетам, установленным Европейской комиссией (ACARE 2050) и требованиям NASA к магистральным самолетам, которые будут эксплуатироваться после 2035 г., и может быть использовано в энергомашиностроении, авиации, тепловозо- и судостроении и технике специального назначения.
Известен (US, патент 5692372, опубл. 02.12.1997) гибридный газотурбинный двигатель (ГТД), который объединяет стандартную турбовентиляторную установку, состоящую из штатного компрессора и силовой турбины и четырехтактный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС Ванкеля), минимальное количество - три ДВС Ванкеля, которые получают сжатый атмосферный воздух от штатного компрессора стандартной турбовентиляторной установки. Отработанные газы от ДВС Ванкеля подаются на штатную турбину. ДВС Ванкеля используется для привода компрессора, а штатная турбина является приводом вентилятора. Гибридный ГТД с комбинированным циклом сочетает в себе высокий тепловой КПД роторного двигателя внутреннего сгорания с компактными размерами и малым весом газотурбинных двигателей.
Известен также (ЕР, патент 2650510, опубл. 16.10.2013) гибридный ГТД, в котором помимо стандартного ГТД, состоящего из штатного компрессора, камеры сгорания и силовой турбины есть, по меньшей мере, один свободно-поршневой компрессор и один цилиндро-поршневой ДВС (ЦП ДВС), состоящий, по меньшей мере, из одного цилиндра. При этом ЦП ДВС является приводом свободно поршневого компрессора высокого давления, каждый цилиндр ЦП ДВС имеет общую оригинальную цилиндрическую камеру и один оригинальный поршень со свободно-поршневым компрессором. Выхлопные газы от ЦП ДВС подаются в штатную камеру сгорания ГТД. В патенте рассматриваются так же варианты использования теплообменников (интеркуллеров и рекуператоров) между разными частями гибридного ГТД для повышения общего КПД этой тепловой машины.
В 2015 году в Евросоюзе был запущен Проект Ultimate Ultra Low emission Technology Innovations for Mid-century Aircraft Turbine Engines http://www.ultimate.aero/ Основной целью проекта стало создание инновационных ГТУ, которые должны быть экономичнее до 75% (по сравнению с ГТУ, разработанными в 2000-ых гг.) и полностью соответствовать требованиям ACARE 2050. По результатам проведенных исследований в 2018 г. на выставке ILA в Берлине немецкая компания Bauhaus Luftfahrt представила Composite Cycle Engine (ССЕ) [1], фиг. 1, в основу которого был положен гибридный ГТД по патенту ЕР 2650510, но с существенными отличиями.
Rкр
ССЕ сочетает в себе турбовентиляторный двигатель и поршневой двигатель в одной концепции двигателя. Однако в отличие от схемы гибридного ГТД, известного из патента ЕР 2650510, в ССЕ, вместо штатной камеры сгорания ГТУ, за которой следует турбина высокого давления, имеется два блока цилиндро-поршневых двигателей V-10 (4), которые приводят в действие компрессор высокого давления 3 (на фиг. 1 система высокого давления выделена синим цветом). Для компактности, компрессор высокого давления имеет два осевых и один радиальный этап. Система низкого давления оставлена без изменений и повторяет штатную систему низкого давления для редукторных турбовентиляторных двигателей (на фиг. 1 система низкого давления выделена голубым цветом). Высокоскоростная турбина 5 управляет компрессором низкого давления 2 и является приводом вентилятора 1, для чего сохраняется редуктор 6, фиг. 2. Чрезвычайно высокое пиковое давление (300 бар при взлете) и высокая температура внутри поршневых цилиндров повышают общую тепловую эффективность ССЕ. Расчетный общий КПД гибридной установки достигает 48.2%. ССЕ имеет удельный расход топлива тяги в режиме круиза (TSFC 11,5 г/кн/с или C 0.414 кг/(кгс⋅ч)) и уменьшает расчетный расход топлива всего полета на 50% по сравнению с лучшими ГТУ архитектуры 2000 года, которые применяются сегодня. Показано, что ССЕ превосходит на 11% по расходу топлива эталонный редукторный турбовентиляторный двигатель архитектуры 2050 года, который полностью отвечает индикаторным показателям ACARE 2050 [1, 2].
Однако представленная схема гибридного турбовентиляторного двигателя имеет ряд существенных недостатков. Остается необходимость использования редукторов для привода вентилятора и поршней, применение двух ЦП ДВС V-10 помимо необходимости преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращение вала отбора мощности, существенно увеличивает расчетный вес ССЕ по сравнению с весом штатной редукторной турбовентиляторной установки (от 17 до 31%) и увеличивает длину ССЕ на 0.54 м для создания буферного объема между импульсным потоком из рабочих тел генерируемых 2 (двумя) ЦП ДВС V-10 и высокоскоростной турбиной постоянного давления для исключения возможности помпажа приводимого этой турбиной компрессора низкого давления.
При этом включение ЦП ДВС в схему гибридного ГТД (помимо необходимости преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращение вала отбора мощности и существенного утяжеления конструкции) привносит в систему и недостатки ЦП ДВС, проистекающие из того, что все четыре такта осуществляются в одном агрегате - цилиндре. Это приводит к тому, что невозможно увеличить или снизить длительность какого-то одного такта из четырех, а для увеличения или уменьшения вырабатываемой мощности необходимо увеличить или снизить скорость осуществления всех четырех тактов. Соответственно, для согласования скоростей вращения вала отбора мощности и движителя необходимо применять коробку перемены передач, главную передачу или редуктор, что усложняет конструкцию многократно.
Вышеперечисленные недостатки ЦП ДВС преодолены в известной роторной силовой установке (РСУ), раскрыта в патенте РФ №2643274 (опубл. 31.03.2018), в ней технологические такты разнесены по отдельным роторным агрегатам, связанным только газодинамической связью. Отсутствие механического согласования работы отдельных агрегатов делает возможным осуществление технологических тактов в оптимальных условиях, исключает из схемы привода движителя любые трансмиссии и редуктора. В известной силовой установке так же нет холостого хода и стартера. Известная РСУ содержит однотипные планочные роторы с эксцентричным расположением ротора и серповидной внутренней полостью, выполняющие функции компрессора, газогенератора и исполнительного агрегата. В ней нет возвратно-поступательного движения и необходимости его преобразования во вращение вала отбора мощности. Роторный исполнительный агрегат имеет механическую связь с валом отбора мощности, при этом роторный газогенератор и исполнительный агрегат образуют рабочие и сервисные секции. Ротор газогенератора имеет две планки, что позволяет подготовить и зажечь четыре порции рабочего тела равного объема за один оборот ротора газогенератора, управление оборотами ротора газогенератора и достижение требуемой мощности исполнительного агрегата осуществляется благодаря изменению количества порций сжатого воздуха, подаваемого с ресивера, за единицу времени. Аналогично схемам комбинированных ГТД, такты всасывания и сжатия воздуха осуществляет отдельная сервисная рабочая секция, являющаяся приводом компрессора (планочный роторный агрегат). Сжатый воздух поступает в ресивер, откуда происходит подача сжатого воздуха на все газогенераторы рабочих и сервисной секций для формирования топливно-воздушной смеси.
Однако преодолев основной недостаток серийных четырехтактных ДВС, данное техническое решение обладает отдельными недостатками. В известной РСУ величина крутящего момента на валу отбора мощности определяется:
давлением, которое создает рабочее тело в постоянно расширяющейся камере расширения исполнительного агрегата;
длиной рычага, т.е. длиной части планки исполнительного агрегата от центра вала отбора мощности до внутренней стенки корпуса исполнительного агрегата;
площадью поверхности лопатки, на которую оказывается давление.
При вращении вала отбора мощности на 360° эти параметры постоянно изменяются, что определяет цикличность изменения величины крутящего момента, передаваемого на вал отбора мощности. Для того чтобы крутящий момент передавался на вал отбора мощности ровно на всем протяжении его вращения в прототипе необходимо применять маховик, как в цилиндро-поршневых ДВС, что утяжеляет двигатель в целом и снижает его экономичность.
Техническая проблема, решаемая с использованием разработанного устройства, состоит в существенном улучшении характеристик стандартного газотурбинного двигателя благодаря использованию модулей из модифицированных рабочих секций известной РСУ по аналогии с прототипом: немецким концептом ССЕ, что делает представляемую схему гибридного ГТД наиболее компактной и легкой, а сам гибридный ГТД делает наиболее экономичным и экологичным среди прототипов.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанного устройства, состоит в упрощении конструкции за счет исключения редуктора, уменьшении массогабаритных характеристик и существенном улучшении характеристик стандартного газотурбинного двигателя.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную гибридную турбовентиляторную установку с встроенным роторным ДВС. Разработанная установка содержит турбовентиляторный двигатель с системой высокого давления с побудителем генерирования высокого давления и системой низкого давления, отличающаяся тем, что побудитель высокого давления представляет собой, по меньшей мере, два модуля роторного двигателя внутреннего сгорания, содержащие, по меньшей мере, три одинаковые рабочие секции в модуле, каждая из которых включает одинаковый газогенератор и одинаковый роторный исполнительный агрегат, сообщающиеся полостями посредством общего входного-выходного канала, причем роторные исполнительные агрегаты содержат общий вал отбора мощности, при этом роторный исполнительный агрегат представляет собой планочный ротор с эксцентричным расположением ротора и серповидной внутренней полостью, содержащий корпус, ограничивающий камеру расширения, объем которой всегда заведомо больше объема камеры сгорания.
В некоторых вариантах реализации установки может быть использован газогенератор, содержащий корпус, ограничивающий внутреннюю сферическую камеру сгорания, в корпусе газогенератора выполнены три входных отверстия для подачи сжатого воздуха от ресивера, для подачи топлива от топливного бака через топливный насос и для свечи зажигания, и одно выходное отверстие, являющееся также входным отверстием для роторного исполнительного агрегата, а исполнительные агрегаты имеют по одной планке, которые пронизывают вал отбора мощности.
В подобных вариантах реализации исполнительные агрегаты могут иметь по одной планке, которые пронизывают вал отбора мощности и размещены с возможностью возвратно-поступательного перемещения сквозь вал отбора мощности при его вращении, причем изначальное расположение планок таково, что соседние планки, соответственно, соседних секций радиально смещены на определенный угол 360°/n (±10°) по отношению друг к другу, где n - число секций в модуле.
В разработанном устройстве вместо 2-х ЦП ДВС V-10, используемых в схеме ближайшего аналога ССЕ, предлагается использовать модули из модифицированных рабочих секций (МРС) известной РСУ. Модуль состоит из однотипных МРС, минимальное количество три модифицированные рабочие секции, каждая МРС включает отделенный сферический газогенератор и однопланочный роторный исполнительный агрегат, сообщающиеся полостями посредством общего входного-выходного канала, причем роторные исполнительные агрегаты МРС, входящих в модуль, имеют общий вал отбора мощности, при этом роторный исполнительный агрегат представляет собой планочный ротор с эксцентричным расположением ротора и серповидной внутренней полостью, содержащий корпус, ограничивающий камеру расширения, объем которой всегда много больше объема камеры сгорания газогенератора, в предпочтительном варианте газогенератор состоит из корпуса, ограничивающего внутреннюю сферическую камеру сгорания, в корпусе газогенератора выполнены три входных отверстия: для подачи сжатого воздуха от ресивера, для подачи топлива от топливного бака через топливный насос, и для свечи зажигания, и одно выходное отверстие, являющееся также входным отверстием для роторного исполнительного агрегата, а исполнительные агрегаты имеют по одной планке, которые пронизывают вал отбора мощности и размещены с возможностью возвратно-поступательного перемещения сквозь вал отбора мощности при его вращении, причем изначальное расположение планок таково, что соседние планки, соответственно, соседних секций радиально смещены на определенный угол 360°/n (±10°) по отношению друг к другу, где n - число рабочих секций модуля. Модифицированные рабочие секции модуля выполнены идентичными, с использованием однотипных роторных исполнительных агрегатов и однотипных газогенераторов. Габариты модифицированной рабочей секции определяют выходные характеристики модуля. Для осуществления тактов всасывания и сжатия атмосферного воздуха вместо пары сервисная рабочая секция и роторный компрессор, которые используются в известной РСУ, в заявляемом решении предлагается использовать штатный компрессор высокого давления ГТД, который закачивает сжатый воздух в ресивер, откуда сжатый воздух поступает в газогенераторы модифицированных рабочих секций для осуществления последующих технологических тактов.
Высокая производительность, эффективность и экономичность модуля из модифицированных рабочих секций (МРД) по сравнению с ЦП ДВС определяется не только тем, что в них исключено преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращение вала отбора мощности и другие недостатки ЦП ДВС описанные выше, но и благодаря тому, что такты всасывания и сжатия атмосферного воздуха в известной РСУ осуществляются вне модуля, за счет сервисной секции, которая является приводом компрессора, сжатый воздух от компрессора закачивается в ресивер, откуда поступает в газогенератор для образования топливно-воздушной смеси, образование топливно-воздушной смеси и ее поджиг происходят в стандартных условиях в отделенном газогенераторе, что позволяет оптимизировать эти условия в зависимости от требуемой производительности модуля в целом и достижением баланса между необходимыми и допустимыми температурой и давлением в модифицированных рабочих секциях, при этом в рабочей секции последовательно образуются два рабочих тела за оборот ротора исполнительного агрегата на 360°, таким образом, производительность рабочей секции в 4 (четыре) раза выше по сравнению с производительностью цилиндра аналогичного объема, длительность рабочего хода полные 180° поворота вала отбора мощности, что тоже выше, чем у ЦП ДВС, при этом модуль, состоящий из нескольких рабочих секций, может быстро варьировать количество генерируемых им рабочих тел в зависимости от того, какую мощность необходимо подать на движитель в каждый конкретный момент, так модуль, состоящий из 3 (трех) МРС может генерировать от 1 (одного) до 6 (шести) рабочих тел за один оборот вала отбора мощности на 360°. Все выше перечисленное делает представляемый модуль из модифицированных рабочих секций известной РСУ максимально эффективным и экономичным, снижает его вес и габариты, позволяет практически мгновенно изменять величину крутящего момента и выдаваемую модулем мощность вне зависимости от оборотов вала отбора мощности, т.е. исключить применение трансмиссий, редуктора для привода любого движителя, исключает необходимость холостого хода и применение стартера.
Технический результат, указанный ранее, достигается за счет того, что в схеме конструкции гибридного ГТД ближайшего аналога вместо 2 (двух) четырехтактных ЦП ДВС V-10 общим весом 2.45 т, которые в известном аналоге заменяют собою штатную камеру сгорания, исключают турбину высокого давления из схемы штатного ГТД, используют в качестве газогенератора и для привода компрессора высокого давления, в разработанном гибридном ГТД предлагает использовать модули из модифицированных рабочих секций (МРД) известной РСУ, минимальное количество один модуль для привода каждого движителя. Использование модулей МРД по аналогии с аналогом ССЕ повышает общую тепловую эффективность и расчетный общий КПД гибридной установки приводит к более полному сгоранию топлива, повышению общего КПД, снижению веса и габаритов комбинированной ГТУ в целом, в том числе благодаря редукции концентрического вала для привода компрессора низкого давления и исключению редуктора (редукторов в схеме прототипа ССЕ) из стандартной схемы турбовентиляторного двигателя и стартера из схемы газотурбинной установки.
Указанный технический результат достигается тем, что четырехтактные цилиндро-поршневые ДВС V-10, общий вес 2 450 кг, используемые в аналоге ССЕ, заменяют на аналогичные по мощности, но более эффективные, в 4 (четыре) раза более производительные и в 6.6 (шесть целых и шесть десятых) раз более легкие модули из модифицированных рабочих секций.
Модифицированные рабочие секции каждого модуля преимущественно выполнены идентичными, с использованием однотипных роторных исполнительных агрегатов и однотипных газогенераторов. Габариты модифицированной рабочей секции для каждого модуля подбирают в зависимости от требуемых технических характеристик модуля. Преимущественно каждый исполнительный агрегат модифицированной рабочей секции содержит выходное отверстие для вывода отработанных газов в общую систему отвода отработанных газов, которая выполняет роль своеобразного ресивера, в котором происходит выравнивание температуры и давления высокотемпературных газов, через которую эти высокотемпературные газы поступают на высокоскоростную штатную турбину ГТД и вращают ее, затем поступают в сопло ГТД, где формируют горячую тягу внутреннего контура ГТД, таким образом, происходит максимально полное использование отработанных газов от всех модулей, используемых в каждой представляемой схеме.
Разработаны три варианта схемы привода движителей гибридного ГТД.
В первом варианте модули МРС заменяют собою ЦП ДВС, минимальное количество два модуля МРС, и используются по схеме ближайшего аналога для привода компрессора высокого давления, схема привода системы низкого давления повторяет схему ближайшего аналога ССЕ, высокотемпературные газы от модулей: вращают штатную высокоскоростную турбину ГТД, которая является приводом компрессора низкого давления и через редуктор вращает штатный вентилятор ГТД; и участвуют в формировании горячей тяги в сопле ГТД.
Во втором варианте приводом вентилятора вместо штатной турбины ГТД служат отдельные модули из модифицированных рабочих секций, минимальное количество один модуль, что позволяет исключить из схемы редуктор, схема привода высокого давления остается неизменной, отработанные газы от всех модулей МРС, используемых в данной схеме, минимальное количество 3 модуля МРС, вращают штатную высокоскоростную турбину ГТД, которая является приводом компрессора низкого давления, и участвуют в формировании горячей тяги в сопле ГТД.
В предпочтительном третьем варианте используют многослойный вентилятор, минимальное количество два слоя, для привода каждого слоя могут использоваться отдельные модули, минимальное количество один модуль на каждый слой, отдельные модули МРС, минимальное количество 2 (два) модуля, являются приводом компрессора высокого давления, отработанные газы от всех входящих в схему модулей МРС, вращают штатную высокоскоростную турбину ГТД, которая является приводом компрессора низкого давления и участвуют в формировании горячей тяги в сопле ГТД.
Разработанная конструкция поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображен рисунок цветной 3D модели и рисунок в CAD ближайшего аналога, гибридного ГТД ССЕ.
На фиг. 2 изображена схема привода движителей ближайшего аналога (гибридного ГТД ССЕ).
На фиг. 3 изображена схема первого варианта привода движителей разработанного гибридного ГТД.
На фиг. 4 изображена схема второго варианта привода движителей разработанного гибридного ГТД.
На фиг. 5 изображена схема третьего варианта привода движителей разработанного гибридного ГТД.
На фиг. 6 изображена модифицированная рабочая секция известной РСУ.
На фиг. 7 схематично изображено сечение одной модифицированной рабочей секции с пунктирным указанием расположения планок соседних двух модифицированных рабочих секций входящих в модуль и имеющих общий вал отбора мощности.
Позициями на чертежах обозначены:
1. вентилятор штатной ГТД,
2. редуктор штатной ГТД,
3. компрессор низкого давления штатной ГТД,
4. компрессор высокого давления штатной ГТД,
5. цилиндро-поршневой ДВС, V-10
6. высокоскоростная турбина штатной ГТД,
7. модуль планочно-роторного ДВС, состоящий из модифицированных рабочих секций,
8. газогенератор,
9. роторный исполнительный агрегат,
10. вал отбора мощности,
11. выходное отверстие роторного исполнительного агрегата,
12. планка,
13. корпус газогенератора,
14. камера сгорания газогенератора,
15. входное отверстие камеры сгорания газогенератора для подачи сжатого воздуха,
16. входное отверстие камеры сгорания газогенератора для подачи топлива,
17. входное отверстие камеры сгорания газогенератора для свечи зажигания,
18. выходное отверстие камеры сгорания газогенератора,
19. корпус роторного исполнительного агрегата,
20. камера расширения исполнительного агрегата.
Разработанный гибридный ГТД представляет собою тепловую машину, в которой в технологическом порядке соединены компоненты штатного ГТД и модули из модифицированных рабочих секций известной РСУ, которые заменяют собой ЦП ДВС из схемы привода ближайшего аналога гибридного ГТД ССЕ, фиг. 2. Модуль состоит из нескольких модифицированных рабочих секций, минимальное количество 3 МРС. На фиг. 6 представлена рабочая секция известной РСУ по патенту РФ №2643274 модифицированная для конкретного применения в гибридной ГТД комбинированного цикла по аналогии с ССЕ. Преимущественно модифицированная рабочая секция (МРС) состоит из газогенератора 8 и роторного исполнительного агрегата 9, выходное отверстие газогенератора 18 является входным отверстием для роторного исполнительного агрегата, где роторный исполнительный агрегат имеет выходное отверстие для отработанных газов 11, включает корпус 19 с эксцентрично расположенным ротором 10, представляющим собой вал отбора мощности с подвижной радиально расположенной планкой 12, при этом вал отбора мощности является единым для всех модифицированных рабочих секций входящих в состав модуля, планки роторов соседних модифицированных рабочих секций расположены под углом 360°/n (±10°) по отношению друг к другу, где n - число секций двигателя, фиг. 8. Газогенератор 8 выполнен в виде сферической камеры сгорания, снабженной входом для подачи сжатого воздуха 15 от ресивера, входом для подачи топлива 16 и входом для свечи зажигания 17, обеспечивает подготовку топливно-воздушной смеси и ее поджиг. В планочно-роторном исполнительном агрегате 9 при вращении эксцентрично-расположенного вала отбора мощности 10 на 360° последовательно образуются два рабочих тела. Предпочтительно модуль состоит из нескольких модифицированных рабочих секций, минимальное количество 3 МРС, имеющих общий вал отбора мощности, что обеспечивает плавную передачу крутящего момента на вал отбора мощности.
Разработанный модуль МРС работает следующим образом.
Из ресивера в камеру сгорания каждого газогенератора через входное отверстие подачи сжатого воздуха закачивается порция сжатого воздуха. Одновременно с подачей воздуха система впрыска топлива подает в камеру сгорания порцию топлива из топливного бака, в результате чего происходит образование топливно-воздушной смеси. Всегда используется необходимая смесь воздуха и топлива для каждого вида топлива. Камера сгорания газогенератора имеет сферическую форму и постоянный объем. Посредством использования электронной системы зажигания (свеча зажигания) осуществляется воспламенение топливно-воздушной смеси. Происходит образование рабочего тела, которое по градиенту давлений в сообщающихся камере сгорания и камере расширения поступает в камеру расширения исполнительного агрегата, составляющего секцию с данным газогенератором, через выходное отверстие камеры сгорания. При этом количество рабочих тел, которые могут закачиваться в камеру расширения, регулируется электронной системой управления работой двигателя, и определяется тем, какое давление необходимо создать в каждый конкретный момент времени для вращения вала отбора мощности со скоростью равной потребной скорости приводимого устройства. Это исключает применение трансмиссий и редуктора и приводит к тому, что в каждый момент времени образуется ровно столько рабочих тел, сколько необходимо и достаточно для совершения модулем полезной работы. Так модуль из трех модифицированных рабочих секций может генерировать от 1 до 6 рабочих тел за один оборот вала отбора мощности на 360°. Т.е. для варьирования мощности передаваемой на вал отбора мощности модуля, достаточно менять количество генерируемых рабочих тел в каждом исполнительном агрегате. Исполнительные агрегаты имеют по одной планке, которые принизывают вал отбора мощности. На фиг. 7 видно, что если планка первого исполнительного агрегата стоит на 0°, второй ее конец стоит на 180°, то планка второго исполнительного агрегата находится под углом 120°, второй ее конец стоит на 300°, и планка третьего исполнительного агрегата находится под углом 240°, второй ее конец стоит на 60°. Рабочее тело поступает в камеру расширения, создает давление, которое передается на планку и вращает вал отбора мощности. При вращении общего вала отбора мощности через каждые 60° его поворота вокруг своей оси один из концов одной из трех планок проходит через 0° и в камеру расширения одного исполнительного агрегата начинает поступать рабочее тело с газогенератора, составляющего с ним секцию, при этом планки двух других исполнительных агрегатов проходят, соответственно, положения 120° и 240° и рабочие тела, сформированные в их камерах расширения вместе с новым рабочим телом, определяют суммарный крутящий момент на общем валу отбора мощности. Величина крутящего момента на валу отбора мощности определяется:
•давлением, которое создает рабочее тело в постоянно расширяющейся камере расширения исполнительного агрегата;
• длиной рычага, т.е. длиной части планки исполнительного агрегата от центра вала отбора мощности до внутренней стенки корпуса исполнительного агрегата;
• площадью поверхности лопатки, на которую оказывается давление.
При вращении вала отбора мощности на 360° эти параметры постоянно изменяются, что определяет цикличность изменения величины крутящего момента, передаваемого на вал отбора мощности. Именно для усреднения этой цикличности в заявляемом модуле используются несколько МРС, предпочтительное количество три модифицированные рабочие секции, что позволяет передавать крутящий момент на общий вал отбора мощности максимально ровно на всем протяжении его вращения. В планочно-роторном исполнительном агрегате одна модифицированная рабочая секция производит последовательно два 2 рабочих тела за один оборот вала отбора мощности на 360°, длительность рабочего хода составляет 180° из 360° поворота вала отбора мощности, т.е. работа совершается непрерывно и отработанные газы непрерывным потоком подаются и вращают высокоскоростную турбину постоянного давления. В четырехтактных ЦП ДВС, которые используются в ССЕ, длительность рабочего хода составляет до 120°. При этом одно рабочее тело генерируется в цилиндре за 720° поворота вала отбора мощности, т.е. импульсно, что приводит к необходимости удлинения ГТД по схеме прототипа ССЕ на 0.54 м для создания буферного объема, выполняющего роль своеобразного ресивера. Одна модифицированная рабочая секция последовательно производит два рабочих тела за один оборот вала отбора мощности на 360°, что соответствует производительности четырехтактного ЦП ДВС из четырех цилиндров. В ССЕ, в качестве газогенератора и для привода компрессора высокого давления используют два ЦП ДВС V-10, которые генерируют 10 рабочих тел за один оборот вала отбора мощности на 360°. Два модуля, предпочтительно из трех модифицированных рабочих секций, могут генерировать до 12 рабочих тел за один оборот вала отбора мощности. Если принять, что ЦП ДВС и модуль МРС генерируют одинаковые рабочие тела, то для выработки аналогичной энергии для совершения работы модулю МРС требуется в четыре раза меньше рабочих секций, по сравнению с количеством цилиндров аналогичного объема в ЦП ДВС, что приведет к снижению массы модуля в 6.6 раз по сравнению с ЦП ДВС аналогичной мощности.
Отработанные рабочие газы со всех рабочих секций, входящих в состав модуля МРС, выходят из камер расширения исполнительных агрегатов через выходные отверстия 11, суммируются в единый канал, который играет роль своеобразного ресивера и плотным потоком поступают на высокоскоростную турбину постоянного давления, вращают ее, турбина вращает вентилятор и компрессор низкого давления, с которого сжатый воздух поступает на компрессор высокого давления, откуда закачивается в ресивер. Сжатый воздух из ресивера поступает через систему подачи сжатого воздуха в камеры сгорания газогенераторов, входящих в состав модифицированных рабочих секций модуля, и цикл повторяется.
Разработанный гибридный ГТД работает по аналогии с ССЕ (фиг. 2), в котором одноступенчатый вентилятор 1 стандартной турбовентиляторной установки закачивает атмосферный воздух, который, с одной стороны, формирует внешний контур и создает основную тягу, с другой стороны, поступает во внутренний контур, где дополнительно последовательно сжимается компрессором низкого давления 3 и компрессором высокого давления 4, затем используется для генерации рабочих тел в ЦП ДВС 5, который благодаря энергии рабочих тел совершает работу по приводу компрессора высокого давления 4, отработанные высокотемпературные газы от двух ЦП ДВС поступают на высокоскоростную турбину постоянного давления 6, вращают ее и совершают дополнительную работу по приводу вентилятора 1 и компрессора низкого давления 3, при прохождении через сопло выхлопные газы формируют дополнительную тягу.
Разработаны три схемы приводов систем низкого и высокого давления в заявляемом гибридном ГТД. В первой схеме привода заявляемого гибридного ГТД представленного на фиг. 3 вместо ЦП ДВС для привода компрессора высокого давления используются модули из модифицированных рабочих секций. Минимальное количество два модуля МРС. Количество модулей МРС, их габариты и вес определяются, с одной стороны, необходимой производительностью компрессора высокого давления, потребной скоростью его вращения и энергией, которая необходима для вращения с потребной скоростью, с другой стороны, температурой и необходимым давлением высокотемпературных газов от модулей МРС, высокотемпературные газы поступают на высокоскоростную турбины и вращают ее, обеспечивая работу системы низкого давления, которая в данной схеме остается без изменений и аналогична системе низкого давления ССЕ.
Гибридный ГТД по первой схеме, фиг. 3, работает следующим образом: одноступенчатый вентилятор 1 стандартной турбовентиляторной установки закачивает атмосферный воздух, который, с одной стороны, формирует внешний контур и создает основную тягу, причем часть потока холодного сжатого воздуха направляется на модули МРС для их охлаждения и, нагреваясь сама, затем соединяется с основным потоком перед выходом через сопло, таким образом, увеличивая тягу внешнего контура, с другой стороны, поступает во внутренний контур, где, последовательно сжимается компрессором низкого давления 3 и компрессором высокого давления 4, затем подается в ресивер, минимальное количество - один ресивер, откуда сжатый воздух подается на газогенераторы 8 модулей МРС, в газогенераторе происходит формирование топливно-воздушной смеси и ее поджиг, фиг. 6. Образованное рабочее тело поступает через отверстие 16 в камеру расширения роторного исполнительного агрегата 9, где давление передается на планку и вращает общий вал отбора мощности одного и более модулей МРС. Модули МРС являются приводом компрессора высокого давления, отработанные высокотемпературные газы от всех МРС поступают в общий выводной канал - воздухозаборник, играющий роль своеобразного ресивера, в котором давление этих газов выравнивается и, поступая на высокоскоростную турбину, высокотемпературные газы вращают ее, в свою очередь высокоскоростная турбина постоянного давления является приводом компрессора низкого давления и через редуктор вращает вентилятор, вентилятор осуществляет всасывание атмосферного воздуха, который большей частью идет на формирование холодной тяги, а частью используется для формирования горячей тяги в системе высокого давления ГТД.
Во второй схеме привода заявляемого гибридного ГТД, фиг. 4, повторяя первую схему модули МРС 7, минимальное количество два модуля МРС 7, используют для привода компрессора высокого давления, предпочтительно отдельные модули МРС, минимальное количество - один модуль МРС 7, используют для привода одноступенчатого вентилятора фиксированного или изменяемого шага. Количество модулей МРС, их габариты и вес определяются необходимой производительностью компрессора высокого давления и необходимой производительностью вентилятора.
Гибридный ГТД по второй схеме, фиг. 4, работает следующим образом: привод одноступенчатого вентилятора 1 осуществляют предпочтительно отдельные модули МРС 7, минимальное количество - один модуль МРС. Габариты, вес и выходные характеристики модулей определяются потребной мощностью для вращения вентилятора фиксированного или изменяемого шага на всех требуемых режимах. Вентилятор закачивает атмосферный воздух, который, с одной стороны, формирует внешний контур и создает основную тягу, причем часть потока холодного сжатого воздуха направляется на все модули МРС, используемые в данной схеме, для их охлаждения и, нагреваясь сама, затем соединяется с основным потоком перед выходом через сопло, таким образом, увеличивая тягу внешнего контура, с другой стороны, поступает во внутренний контур, где, последовательно сжимается компрессором низкого давления 3 и компрессором высокого давления 4, затем подается в ресиверы, минимальное количество - один ресивер, откуда порции сжатого воздуха подают на газогенераторы 8 всех модулей МРС, где происходит формирование топливно-воздушной смеси и ее поджиг, фиг. 6. Каждое образованное рабочее тело из газогенератора 8 поступает через отверстие 16 в камеру расширения роторного исполнительного агрегата 9, где давление передается на планку и вращает общий вал отбора мощности одного и более модулей МРС. Отдельные модули МРС, со своими габаритами и потребными мощностями являются приводом компрессора высокого давлении, отработанные высокотемпературные газы от всех модулей МРС, используемых в данной схеме, поступают в общий выводной канал, где давление этих газов выравнивается и, поступая на высокоскоростную турбину, высокотемпературные газы вращают ее, в свою очередь, высокоскоростная турбина постоянного давления помимо того, что служит приводом компрессора низкого давления, осуществляет привод электрогенератора для обеспечения электричеством всех бортовых систем летательного аппарата, отработанные газы после турбины поступают в сопло, где формируют тягу внутреннего контура.
В третьей схеме привода разработанного гибридного ГТД, представленного на фиг. 5 схема привода системы высокого давления остается без изменений, а в схеме привода системы низкого давления вместо одноступенчатого вентилятора предпочтительно используют биротативные вентиляторы, привод каждого вентилятора осуществляют отдельные модули МРС 7, минимальное количество - один модуль для привода одного вентилятора. Габариты, вес и выходные характеристики модулей определяются потребной мощностью для вращения биротативных вентиляторов на всех требуемых режимах полета. Использование отдельных модулей для привода каждого слоя вентилятора упрощает трансмиссию, повышает эффективность работы многослойного вентилятора, снижает затраты на осуществление им полезной работы по созданию подъемной тяги, позволяет в широком диапазоне варьировать мощность и крутящий момент, передаваемый на каждый слой вентилятора от модуля МРД, даст возможность более полно использовать преимущества вентиляторов с изменяемым шагом и углом поворота лопастей и уменьшить диаметр вентилятора, что, в свою очередь, приведет к снижению шума от вращения вентилятора и позволит сделать гондолу в целом более тонкой и легкой и, таким образом, улучшить показатели аэродинамического сопротивления гондолы в полете. Высокоскоростная турбина используется только для привода компрессора низкого давления, что позволяет оптимизировать соотношение габаритов турбины и компрессора, снизить вес и длину приводного вала от высокоскоростной турбины на компрессор. Схема привода компрессора высокого давления остается без изменений и повторяет первую и вторую схемы. Для привода компрессора высокого давления используются модули МРД. В целом работа гибридного ГТД по третьему варианту повторяет схему по второму варианту. Изменения касаются только того, что высокоскоростную турбину вращают отработанные рабочие тела от трех и более модулей МРС, которые являются приводом многослойного вентилятора и компрессора высокого давления.
Гибридный ГТД по третьей схеме, фиг. 5, работает следующим образом: биротативные вентиляторы, закачивают и сжимают атмосферный воздух, привод каждого вентилятора 1 осуществляют предпочтительно отдельные модули МРС 7, минимальное количество 1 (один) модуль МРС. Габариты, вес и выходные характеристики модулей определяются потребной мощностью для вращения биротативных вентиляторов на всех требуемых режимах. Во всем остальном третья схема повторяет вторую схему. Вентиляторы закачивают атмосферный воздух, который, с одной стороны, формирует внешний контур и создает основную тягу, причем часть потока холодного сжатого воздуха направляется на все модули МРС, используемые в данной схеме, для их охлаждения и, нагреваясь сама, затем соединяется с основным потоком перед выходом через сопло, таким образом, увеличивая тягу внешнего контура, с другой стороны, поступает во внутренний контур, где, последовательно сжимается компрессором низкого давления 3 и компрессором высокого давления 4, затем подается в ресиверы, минимальное количество 1 (один) ресивер, откуда сжатый воздух порциями подается на газогенераторы 8 всех модулей МРС, где происходит формирование топливно-воздушной смеси и ее поджиг, фиг. 6. Каждое образованное рабочее тело поступает через отверстие 16 в камеру расширения роторного исполнительного агрегата 9, где давление передается на планку и вращает общий вал отбора мощности двух и более модулей МРС. Отдельные модули МРС, со своими габаритами и потребными мощностями являются приводом компрессора высокого давлении, отработанные высокотемпературные газы от всех модулей МРС, используемых в данной схеме, поступают в общий выводной канал, где давление этих газов выравнивается и, поступая на высокоскоростную турбину, высокотемпературные газы вращают ее, в свою очередь, высокоскоростная турбина постоянного давления помимо того, что служит приводом компрессора низкого давления, осуществляет привод электрогенератора для обеспечения электричеством всех бортовых систем летательного аппарата. На выходе из сопла отработанные газы создают горячую тягу.
Литература:
1. Палкин В.А., Обзор работ в США и Европе по авиационным двигателям для самолетов гражданской авиации 2020...2040-х гг., ж. Авиационные двигатели 3(4) 2019, стр. 63-83.
2. http://wvm.ultimate.aero/m 20technical%20data%20sheet.pdf.