двигатель
Классы МПК: | F02K3/08 с дополнительным подогревом рабочего тела; регулирование подогрева F02C3/32 индуцирование воздушного потока с помощью струй жидкости или газа, например с помощью эжектирования |
Автор(ы): | Шевцов В.Ф. |
Патентообладатель(и): | Шевцов Валентин Федорович, Авиационный научно-технический комплекс им.А.Н.Туполева |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-11-17 публикация патента:
20.09.1996 |
Использование: в газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: после насоса метанол (жидкие водород или метан) за счет бросового тепла за основной турбиной в теплообменнике ТК в эндотермической реакции в присутствии катализатора газифицируется (при 250oС) на смесь газов Н2 и СО, которая подается на дополнительную турбину, механически связанную с дополнительным компрессором ДК, газы и воздух после которых при из соотношении, близком к стехиометрическому, поступают в камеру сгорания, выполненную в виде полости сопла эжектора СЭ, входной патрубок низкого давления которого связан с выходом основного компрессора ОК, как и вход ДК, а выход подключен к входу основной турбины ОТ. Часть смеси газов после дополнительной турбины ДТ поступает на вход в ОТ и полые ее лопатки, на передних кромках которых выполнены щели для выхода смеси газов в газовоздушный тракт ОТ. На входе в ОК могут быть установлены водяные форсунки. Для получения механической энергии в виде кинетической энергии реактивной струи двухконтурного турбореактивного двигателя двигатель может быть снабжен окружающим его кожухом с образованием второго контура эжекторного типа и реактивным соплом, а между выходом ОТ и входом ТК установлено СЭ внешнего контура, причем полость СЭ внешнего контура может быть выполнена в виде форсажной камеры с форсунками, подключенными к выходу ДТ. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Двигатель, содержащий воздухозаборник, компрессор, подключенный к нему дополнительный компрессор, соединенный с камерой сгорания, турбину привода компрессора, эжектор с активным соплом, выполненным в виде выхода из камеры сгорания, с пассивным патрубком, подключенным к выходу из компрессора, и выходным патрубком, соединенным с входом в турбину, отличающийся тем, что он снабжен теплообменником испарения или испарения и эндотермического разложения топлива и подогрева продуктов его разложения, установленным за турбиной, и дополнительной турбиной, подключенной на входе к выходу по нагреваемой среде теплообменника, и на выходе к форсункам камеры сгорания, лопатки турбины привода компрессора выполнены со щелями на передней кромке и их полости подключены к выходу дополнительной турбины. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительный компрессор и турбина объединены в отдельный турбокомпрессор. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен водяными форсунками, установленными на входе в компрессор. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен окружающим его кожухом, установленным с образованием второго контура эжекторного типа и реактивным соплом, а между выходом турбины и входом в теплообменник установлено сопло эжектора второго контура. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что он снабжен форсажной камерой сгорания, расположенной в полости сопла эжектора второго контура и имеющей форсунки, подключенные к выходу дополнительной турбины.Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к области газотурбинных двигателей (ГТД) и может найти применение при получении из располагаемой химической энергии топлив механической энергии в виде крутящего момента на валу двигателя, например, электрогенератора и/или колес любого наземного транспорта или в виде кинетической энергии реактивной струи, например, в аэрокосмической технике. В газотурбинном, в частности реактивном двигателестроении, существует множество способов повышения эффективности двигателей, т.е. повышения степени идеальности, заключающейся в том, чтобы достичь как можно больших отношений тяги к расходу топлива, тяги к весу и стоимости изготовления двигателя. Способы повышения каждого из этих отношений находятся в техническом противоречии друг с другом. Действительно, использование лопаточного компрессора осевого типа дает наибольший адиабатической КПД, а следовательно, и наибольшее отношение тяги к расходу топлива, но он несравненно тяжелее и дороже в изготовлении, чем центробежный, у которого уже ниже адиабатический КПД и больше мидель. Увеличение температура газа перед турбиной увеличивает отношение тяги к весу и расходу топлива, но увеличение температуры перед турбиной в настоящее время ограничено температурой примерно в 1400oС, да и увеличение этой температуры влечет за собой увеличение стоимости двигателя и уменьшение его ресурса. Мероприятия по достижению большей экономичности реактивных двигателей имеют свои особенности по сравнению, например, с газотурбинными двигателями (ГТД), предназначенными для выработки механической энергии в условиях земли. Если экономичность последних определяется термическим КПД, в основном зависящим от выбранных степеней сжатия и расширения, равных между собой, то в реактивных двигателях, во-первых, степень сжатия воздуха в компрессоре всегда больше степени расширения на турбине и, во-вторых, тяга двигателя равна произведению расхода воздуха через двигатель на разницу скорости истечения газов из сопла и скорости полета летательного аппарата, причем это произведение имеет оптимум и экономичность двигателя определяется произведением термического и полетного КПД, опять-таки имеющего свой оптимум. В обычной схеме ТРД увеличение термического и полетного КПД находятся в техническом противоречии друг к другу. Действительно, в ТРД чем больше давление в камере сгорания (до определенных пределов, зависящих от диабатических КПД компрессора и турбины, а также от температуры газов перед турбиной), тем и больше термический КПД, в то время как наибольшая величина полетного КПД может быть достигнута при возможности изменения скорости истечения газов из сопла и расхода воздуха через двигатель независимо от термического КПД. Это техническое противоречие разрешается в схеме двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД), в котором назначение внутреннего контура достижение максимального термического КПД, а внешнего - достижение максимального полетного КПД для заданной скорости полета. Практикуемое сейчас, в основном на ДТРД гражданских самолетов, выполнение внешнего контура по аналогии с внутренним, влечет за собой резкое увеличение веса и стоимости изготовления двигателя на единицу тяги за счет появления громоздких и дорогих вентиляторов и турбины низкого давления его привода, но этот недостаток ликвидируется в случае выполнения внешнего контура эжекторного типа, как, например, в двигателе по патенту Великобритании N 2190964 с приоритетом от 1986 г. в котором кинетическая энергия струи газа внутреннего контура используется в эжекторе для увеличения массы газа перед выхлопным соплом двигателя за счет поджатия воздуха, поступающего в двигатель через воздухозаборник. Мощным средством повышения термического КПД двигателя является введение регенерации тепла, в частности, еще горячего воздуха за турбиной воздуху, сжатому в компрессоре, но снижение удельного расхода топлива в этом случае дается ценой снижения удельной мощности двигателя и увеличения веса двигателя за счет громоздких воздушных теплообменников. Схема такого ТВД с регенерацией тепла показана, например, в "Теории ВРД" под редакцией С.М.Шляхтенко, М. Машиностроение, 1975 г. с.400В качестве метода, повышающего термический КПД двигателя, можно рассматривать использование топлива не только в качестве горючего, но и рабочего тела для совершения термодинамических процессов. На рис.16, 10, стр. 492 "Теория и расчет ВРД" под ред. С.М.Шляхтенко, М. Машиностроение, 1987 г. показана схема пароводородного ракетно-турбинного двигателя. В пароводородном двигателе рабочим телом турбины, приводящей во вращение компрессор, служит газофицированный и подогретый в газоводородном теплообменнике водород. После расширения в турбине водород смешивается с воздухом, поступающем из компрессора, и сгорает в камере сгорания. К недостаткам этой схемы двигателя можно отнести то, что: максимально возможная степень сжатия воздуха в компрессоре, а следовательно, перед соплом составляет всего
![двигатель, патент № 2066777](/images/patents/406/2066051/960.gif)
Эти двигатели содержат воздухозаборник, компрессор, подключенный к нему дополнительный компрессор, соединенный с камерой сгорания, турбину привода компрессора, эжектор с активным соплом, выполненным в виде выхода из камеры сгорания, и пассивным патрубком, подключенным к выходу из компрессора, а выходной патрубок эжектора соединен с входом в турбину. Для ликвидации отмеченных недостатков двигателей известных схем за счет преимуществ двигателей уже других известных схем при объединении их в надсистему, предлагается эти конструктивные признаки дополнить существенными признаками, заключающимися в том, что двигатель снабжен теплообменником испарения или испарения и эндотермического разложения топлива и подогрева продуктов его разложения, установленным за турбиной, подключенной на входе к выходу по нагреваемой среде теплообменника, а на выходе к форсункам камеры сгорания, лопатки турбины привода компрессора выполнены со щелями на передней кромке и их полости подключены к выходу дополнительной турбины. В частном случае, чтобы согласовать агрегаты по частоте вращения и не использовать редукторы, предлагаемый двигатель может быть дополнен существенным признаком, заключающимся в том, что дополнительные компрессор и турбина объединены в отдельный турбокомпрессор. В частном случае двигатель может быть дополнен и существенным признаком, заключающимся в том, что он снабжен водяными форсунками, установленными на входе в компрессор. В таком сочетании существенных признаков двигатель может быть использован в качестве высокоэффективного ГТД для выработки механической энергии для получения электрической энергии и привода наземных и морских транспортных средств, а в варианте ТВД и воздушного транспорта. Высокий термический, а следовательно, и эффективный КПД этого двигателя будет обеспечен за счет того, что в нем может быть обеспечена практически неограниченная степень повышения давления без снижения удельной работы за счет:
практически изотермического, а следовательно, с меньшими затратами механической энергии, сжатия воздуха в основном компрессоре при впрыске в него воды, обладающей наибольшей теплоемкостью при ее испарении, что одновременно увеличивает и количество рабочего тела перед турбиной;
практически идеального дожатия воздуха перед турбиной, эквивалентного использованию как бы компрессора с адиабатическим КПД > 1, за счет применения для этого простого по конструкции и малого по весу эжектора не, как обычно, в качестве компрессора, обладающего сравнительно малым адиабатическим КПД, а в качестве турбокомпрессора, в состав которого входит высокоэффективная турбина сопло эжектора (с адиабатическим КПД до 0,98), перед которой в камере сгорания может быть достигнута температура сгорания топлива при стехиометрическом соотношении с воздухом (до 2500oС), что позволяет без какого-либо расходования тепла (оно только из высокотемпературного преобразуется в тепло с меньшей температурой за счет распределения его на большую массу и уже приемлемой для лопаточной турбины, предназначенной для получения механической энергии из тепла), получить КПД турбокомпрессора в варианте компрессора больше 1, если вариант адиабатического сжатия газа без необратимых потерь энергии считать происходящим с КПД расхода механической энергии равным 1, что имеет место на самом деле;
использования бросового тепла газов за турбиной для регенеративного возврата обратно в термодинамический цикл, причем потребителем этого тепла является топливо, теплотворная способность которого автоматически увеличивается на ту же величину, а это для метанола составляет до 27, а для жидкого водорода до 6-8% от их исходной теплотворной способности;
использования газифицированных продуктов эндотермического разложения или испарения топлива, в качестве не только горючего и приемника регенеративного тепла в термодинамический цикл, но и в качестве рабочего тела, которое позволяет реализовать наиболее эффективный термодинамический цикл бескомпрессорного ГТД и обеспечить эффективное охлаждение турбины с одновременным наиболее эффективным изотермическим расширением особенно в двигателе с ренегеративным подводом тепла, что позволит довести эффективный КПД использования располагаемой энергии в виде официальной низшей теплотворной способности топлива, например метанола (метилового спирта СН3ОН, с низшей теплотворной способностью 20000 кдж/кг) -наиболее перспективного массового топлива в механическую работу до 0,8-0,9, а жидкого водорода до 0,6-0,65, что естественно делает предлагаемую схему двигателя (и эти топлива) и наиболее перспективной в качестве внутреннего контура двухконтурных турбореактивных двигателей (ДТРД). В связи с этим двигатель может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что он снабжен окружающим его контуром в виде кожуха с образованием второго контура эжекторного типа и реактивным соплом, а между выходом турбины и входом в теплообменник установлено сопло эжектора второго контура. Для форсирования двигателя по реактивной тяге он может быть дополнен существенными признаками, заключающимися в том, что он снабжен форсажной камерой сгорания перед соплом эжектора второго контура с форсунками, подключенными к выходу дополнительной турбины. При такой схеме ДТРД за счет отсутствия наиболее громоздких вентилятора и турбины низкого давления его привода при высоком эффективном КПД внутреннего контура представляется возможным обеспечить одновременное выполнение требований по экономичности и весовым показателям двигателя при расширении диапазона скоростей полета для его наиболее эффективного применения. На представленной схеме конструкция двигателя показана в варианте двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД). Предлагаемый двигатель в варианте ДТРД имеет в своем составе агрегаты ДТРД обычной схемы: воздухозаборник 1, общий для внешнего 2 и внутреннего 3 контуров, последний из которых включает в себя компрессор 4, камеру сгорания 5 и турбину 6 механически связанную с компрессором 4, а также камеру смешения 7 контуров и сопло 8. Конструктивное отличие предлагаемого ДТРД от известных заключается в том, что он имеет два эжектора дожатия воздуха 9 и 10 соответственно внутреннего 3 и внешнего 2 контуров, первый из которых состоит из камеры сгорания 5, выполняющей роль сопла эжектора 9, подсоединенного к выходу компрессора 4 через дополнительный компрессор 11, жестко связанный с дополнительной газовой турбиной 12, вход которой соединен с выходом теплообменника 13 испарения и нагрева или испарения и эндотермического разложения на СО и Н2 соответственно жидкого водорода и метанола, установленного в камере смешения 7 внешнего и внутреннего контуров 2 и 3, одновременно являющейся и камерой смешения эжектора 10 внешнего контура 2, многосекционное (лепестковое) сопло 14 которого через форсажную камеру 15 связано с выходом турбины 6, а вход и выход соответственно с воздухозаборником 1 и соплом 8. Вход и выход эжектора 9 дожатия воздуха сообщены соответственно с выходом компрессора 4 и входом в турбину 6, а выход дополнительной газовой турбины 12 соединен форсунками 16 подачи газифицированного топлива в камеру сгорания 5 и форсажную камеру 15, а также в полые охлаждаемые лопатки 17 турбины 6 изотермического расширения, которые на передних кромках имеют щели 18 для выхода газообразного топлива в газовоздушный тракт турбины 6. Вход по нагреваемой среде теплообменника 13 связан с выходом топливного насоса 19, механически связанного с одним из двух валов турбокомпрессоpа ДТРД. Предлагаемый ДТРД работает следующим образом. Жидкие метанол или водород подаются насосом 19 в теплообменник 13, где соответственно разлагаются и испаряются, поглощая неиспользованное во внутреннем контуре низкопотенциальное тепло, но на эту же величину увеличивая и теплотворную способность (на 27% для метанола) уже газообразного топлива, которое до момента начала горения используется еще и в качестве дополнительного рабочего тела на дополнительной газовой турбине 12, механическая энергия которой используется для привода дополнительного компрессора 11, который запитывает камеру сгорания 5, в которой топливо может сгорать при стехиометрическом соотношении с воздухом, в связи с чем эжектор 9 начинает выполнять роль тепловой машины-турбокомпрессора с КПД дожатия воздуха перед турбиной 6 большим 1 без расходования на это тепла, которое начинает превращаться в механическую работу уже на турбине 6. Учитывая, что давление газа на входе в турбину 6 становится значительно больше чем на выходе из компрессора 4, давление за турбиной 6 намного увеличивается, в том числе и за счет отсутствия турбины низкого давления привода вентилятора ДТРД обычной схемы, что позволяет со значительно большим термическим КПД форсировать двигатель опять-таки для повышения КПД дожатия воздуха вторым эжектором 10 уже во внешнем контуре 2 до величины большей 1, опять-таки без расходования на это тепла, превращение которого в нужную нам работу (кинетическую энергию реактивной струи) осуществляется уже в сопле 8. При этом на единицу тяги двигателя расходуется меньшее количество топлива как за счет повышения КПД эжекторов в обоих контурах, работающих в качестве компрессоров, до величины большей 1, так и регенерации низкопотенциального, неиспользованного во внутренней контуре тепла обратно в термодинамический цикл не сжатому в компрессоре 4 воздуху, а на испарение водорода или эндотермическое (при 250oС) разложение метанола, в результате чего теплотворная способность продуктов его разложения увеличивается на 27% и на эту же величину уменьшается абсолютная величина выброса тепла в атмосферу. Немаловажным является и тот факт, что, например, доля метанола как рабочего тела, участвующего в термодинамическом цикле внутреннего контура двигателя может составлять 13% при стехиометрическом соотношении с воздухом при работоспособности продуктов его эндотермического разложения (СО и Н2) в 79/29,3 2,7 раза больше чем у воздуха, что позволяет заменить до 35% воздуха в качестве рабочего тела внутреннего контура особенно в качестве активного рабочего тела эжекторов 9 и 10, на сжатие которого в жидком виде тратится механической энергии на несколько порядков меньше, чем для сжатия воздуха, что в сочетании с перегревом его до максимально возможных температур позволяет при максимально возможных КПД эжекторов получить и большие коэффициенты расхода эжекторов 9 и 10, от величины которых в прямой зависимости находится и КПД эжекторов-тепловых машин-турбокомпрессоров, полезная работа которых заключается в сжатии воздуха без затрат тепловой энергии, которая начинает превращаться в механическую энергию на турбине 6 и сопле 8. Иначе говоря, неравенство n+1 > 1/
![двигатель, патент № 2066777](/images/patents/406/2066058/951.gif)
Класс F02K3/08 с дополнительным подогревом рабочего тела; регулирование подогрева
Класс F02C3/32 индуцирование воздушного потока с помощью струй жидкости или газа, например с помощью эжектирования