СИЛОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК F02C7/12 

Изобретение относится к авиационному, а также к судовому и транспортному двигателестроению.

Известен ГТД [1] , в котором для интенсификации охлаждения деталей турбины используется пульсирующий поток охлаждающего воздуха. Пульсирующий поток создается специальным устройством - пульсатором.

К недостаткам двигателя следует отнести небольшую величину плотности воздуха, используемого для охлаждения горячих деталей турбины, и, как следствие, небольшую глубину их охлаждения. В результате невозможно существенно повысить температуру газа перед турбиной.

Указанные недостатки устранены в двигателе-прототипе [2]. Он содержит основной контур, включающий компрессор, камеру сгорания с жаровой трубой, систему газодинамического регулирования камеры сгорания с трактом струйных завес, имеющим ряды коллекторов струйных завес в жаровой трубе и распределитель газа по этим рядам, турбину, охлаждаемую воздухом высокого давления, вспомогательный контур, состоящий из последовательно соединенных теплообменников, дополнительного компрессора, каналов охлаждения турбины основного контура, дополнительных камеры сгорания и турбины.

К недостаткам двигателя-прототипа [2] следует отнести следующее. При небольших габаритах основного контура двигателя и небольшой величине расхода воздуха, проходящего через него, а также при высоких П_к^* размеры вспомогательных компрессора и турбины, являющихся конструктивными элементами проточной части вспомогательного контура, становятся очень малыми. В результате КПД этих лопаточных машин сильно уменьшаются и эффективность вспомогательного контура резко падает.

Целью изобретения является устранение отмеченного недостатка, повышение КПД и надежности работы двигателя.

Цель достигается тем, что во вспомогательный контур включен двигатель внутреннего сгорания, имеющий пять клапанов: первый клапан соединяет полости последовательно соединенных по горячей стороне воздухо-воздушного и топливо-воздушного теплообменников и цилиндра двигателя внутреннего сгорания, второй и третий клапаны закрывают входное и выходное отверстия каналов охлаждения турбины основного контура, четвертый клапан соединяет полости цилиндра двигателя внутреннего сгорания и камеры сгорания основного контура, пятый клапан связывает подпоршневое пространство с полостью над поршнем; в систему газодинамического регулирования камеры сгорания включены ряды струйных сопл, установленных напротив соответствующих рядов отверстий в коллекторах струйных завес в жаровой трубе; тракт системы регулирования включает центральный распределитель с подсоединенными к нему трактами струйных сопл и коллекторов струйных завес; тракт струйных завес дополнительно содержит ресивер, соединяющий центральный распределитель с распределителем газа по рядам коллекторов струйных завес, а тракт струйных сопл включает распределитель газа по рядам струйных сопл, подключенные к нему эжекторы, причем входные сечения эжектирующего и эжектируемого газа подключены соответственно к распределителю газа по рядам струйных сопл и через дроссели - к соответствующим трактам коллекторов струйных завес между распределителем газа по рядам коллекторов струйных завес и коллекторами струйных завес, а выходные сечения эжекторов соединены соответствующими рядами струйных сопл.

Использование двигателя внутреннего сгорания (ДВС) во вспомогательном контуре позволяет увеличить КПД процессов сжатия и расширения вспомогательного воздуха. В отличие от классического ДВС он имеет следующие особенности. Объем, в котором производится сжатие воздуха, соединяется через два клапана с входным и выходным отверстиями каналов охлаждения турбины основного контура. Через один из этих клапанов сжатый воздух поступает в каналы охлаждения до момента подачи топлива и его сгорания в цилиндре ДВС. Через другой клапан поступает горячий сжатый воздух в цилиндр из каналов охлаждения в момент времени, когда давление газа в цилиндре в результате расширения газа в нем станет равным давлению воздуха в каналах охлаждения. Одновременно впрыскивается топливо, которое сгорает в этом воздухе. Темп открытия этого клапана, величина зазора и количество подаваемого топлива выбираются из условия обеспечения процесса сгорания топлива, например, при постоянном давлении.

Пульсации охлаждающего воздуха, возникающие во вспомогательном контуре под действием работы ДВС, позволяют повысить интенсивность охлаждения горячих деталей турбины, горячей стороны теплообменников и глубину газодинамического регулирования камеры сгорания.

Комбинация пульсирующих струй со струйными завесами кроме увеличения глубины регулирования позволяет улучшить также процесс смесеобразования струй газа, проникающих в отверстия жаровой трубы. Давление воздуха, идущего на организацию струйных завес, перед распределителем поддерживается практически постоянным за счет успокоения пульсаций в ресивере. Давление в пульсирующих струях изменяется в пределах
Р_min≅P≅P_max, где Р_min, P_max - минимальное и максимальное давления вспомогательного воздуха.

При этом справедливо соотношение
P_min < < Р_max.

После распределителя вспомогательного воздуха часть его (≈2-4%) с давлением идет на организацию струйных завес, а оставшаяся, как правило большая, определяемая потребностью охлаждения горячих частей турбины, с давлением, изменяющимся во времени Р(τ), подается в специальные сопла, установленные против отверстий в жаровой трубе. Для того, чтобы струйные завесы в отверстиях коллекторов жаровой трубы не мешали проникновению струй, выдуваемых из сопл, организуется газодинамическое взаимодействие потоков воздуха с давлениями и Р(τ ) в специальном эжекторе. После эжектора максимальному давлению Р_max будет соответствовать минимальное давление воздуха в коллекторах. В результате в момент выдува пульсирующей струи из сопла дальнобойность струйных завес уменьшается. Чем больше расход пульсирующего воздуха, проходящего через сопло, тем будет меньше дальнобойность струйных завес. Таким образом, организуется пульсация струй, выдуваемых из сопл и щелей коллекторов, причем изменение давлений воздуха происходит в противофазе.

Струи, проникающие в отверстия жаровой трубы, обладают повышенной проникающей способностью из-за подвода в поток воздуха с давлением Р_к^*, где Р_к^* - давление воздуха за компрессором, газа с более высоким давлением. Структура этих струй благоприятна с точки зрения организации смесеобразования и стабилизации пламени в камере сгорания. Снаружи и в ядре температура в струе повышена из-за вдува струйной завесы и пульсирующей струи. Происходят периодические пульсации скорости и температуры. Это способствует турбулизации струй и лучшему их перемешиванию с газом внутри жаровой трубы.

Избыточная механическая энергия, выделенная на валу ДВС, передается из вспомогательного контура на вал турбокомпрессора в основной контур. Это позволяет сохранить или улучшить (в зависимости от выбора параметров термодинамического цикла во вспомогательном контуре) конструктивные и режимные параметры основного контура. На сжатие вспомогательного воздуха затрачивается химическая энергия топлива, а не энергия с вала основного турбокомпрессора. В результате, например, можно увеличить обороты ротора основного турбокомпрессора при том же параметре напряжения из-за увеличения π _к^* компрессора и сохранения неизменным π _т^* турбины
n_тк= где n_тк - частота вращения ротора турбокомпрессора;
ε - параметр напряжения;
F_тквых - площадь выхода из лопаточного венца турбины.

Отмеченные мероприятия позволяет существенно повысить КПД и надежность работы двигателя, особенно малоразмерного и с большой величиной π _к^*.

Авторам не известны конструкции двигателей, использующие отличительные признаки и их взаимосвязь, подобные признакам и взаимосвязи их в предлагаемом изобретении.

На фиг. 1 изображена схема ГТД; на фиг. 2 приведена схема подвода вспомогательного воздуха в камеру сгорания двигателя; на фиг. 3 представлена i-s-диаграмма термодинамического цикла двигателя (на диаграмме наложены циклы основного и вспомогательного контуров).

Двигатель содержит (см. фиг. 1) компрессор 1, камеру 2 сгорания, турбину 3 с каналами 4 охлаждения. Теплообменники 5 и 6 по горячей стороне соединены с полостью за компрессором 1 и цилиндром 7 двигателя внутреннего сгорания. По холодной стороне теплообменник 5 соединен с входом в двигатель, а теплообменник 6 - с топливным баком 8. Топливный бак 8 соединен с цилиндром 7 ДВС и камерой 2 сгорания. В цилиндре 7 ДВС установлены клапаны 9-12. Через клапан 9 осуществляется связь полости за компрессором с подпоршневым пространством цилиндра 7 ДВС. Клапаны 10 и 11 связывают полость цилиндра 7 с каналами 4 охлаждения турбины 3. Клапан 12 соединяет полость цилиндра 7 с камерой 2 сгорания. Клапан 13 соединяет подпоршневое пространство с полостью над поршнем. Вал 14 ДВС связан с валом 15 турбокомпрессора посредством шестерен и промежуточного вала 16.

На фиг. 2 показана схема регулирования и распределения газа по регулирующим элементам. Центральный распределитель 17 связывает клапан 12 цилиндра 7 ДВС с распределителями 18 и 19. Ресивер 20 соединяет центральный распределитель 17 с распределителем газа по рядам коллекторов струйных завес. К распределителю газа по рядам струйных сопл 19 подключены полости струйных сопл 21 и коллекторов 22. В тракт между распределителем 19 и струйными соплами 21 включены эжекторы 23. Эжекторы 23 подключены также к тракту воздуха, идущего в коллекторы 21 посредством дросселей 24. Количество эжекторов 23 зависит от количества рядов струйных сопл 21 и коллекторов 22.

Работает ГТД следующим образом. Воздух поступает на вход двигателя. За компрессором 1 отбирается вспомогательный воздух, который поступает во вспомогательный контур двигателя. Этот воздух охлаждается сначала в воздуховоздушном теплообменнике 5, а затем - в топливо-воздушном теплообменнике 6. Охлажденный вспомогательный воздух поступает в подпоршневое пространство через клапан 9 и заполняет его. Одновременно в цилиндре 7 вблизи верхней мертвой точки поршня до подачи топлива открывается клапан 10. Сжатый воздух поступает в каналы 4 охлаждения турбины 3. В момент подачи топлива из бака 8 в цилиндр 7 клапан 10 закрывается. После воспламенения топлива и сгорания в цилиндре 7 давление резко возрастает. Газ в цилиндре начинает расширяться и совершать механическую работу. В момент времени, когда давление в цилиндре 7 станет равным давлению в каналах 4 охлаждения, открывается клапан 11. Через него в цилиндр 7 поступает горячий воздух из каналов 4 охлаждения. Одновременно подается топливо. Сжигание топлива может осуществляться при постоянном давлении. Далее газ расширяется, совершая механическую работу. В конце процесса расширения открывается клапан 12, через который газ поступает в систему распределения и регулирования камеры 2 сгорания (в этот момент времени клапан 11 закрывается). Вблизи нижней мертвой точки поршня открывается перепускной клапан 13 и осуществляется продувка цилиндра 7. После прохождения поршнем нижней мертвой точки все клапаны кроме клапана 9 закрыты. Далее цикл повторяется. Крутящий момент с вала 14 ДВС через систему шестерен и с помощью промежуточного вала 16 передается на вал 15 турбокомпрессора.

В системе распределения и регулирования камеры сгорания (см. фиг. 2) центральным распределителем 17 задается соотношение расходов газа, подаваемого в струйные сопла 21 и коллекторы 22 струйных завес. Газ, поступающий в коллекторы 22 струйных завес, проходит через ресивер 20, в котором пульсации давления сглаживаются, распределитель 18, распределяющий газ по коллекторам 22 струйных завес (на фиг. 2 показано только два коллектора 22. В общем случае их может быть больше. В этом случае выходных отверстий в распределителе 18 будет больше). Из распределителя 18 газ поступает в коллекторы 22 и создает струйные завесы в их отверстиях. Вторая часть расхода газа (обычно большая) из центрального распределителя 17 подается в распределитель 19, где распределяется по струйным соплам 21, расположенным против отверстий в коллекторах 22. Между распределителем 19 и струйными соплами 21 установлены эжекторы 23. Эжекторы 23 эжектируют газ из тракта, связанного с коллекторами 22, через дроссели 24. Эжектирование производится с пульсациями расхода в соответствии с пульсациями эжектирующего расхода газа, поступающего в струйные сопла 21. Расход газа, отбираемый из тракта, связанного с коллекторами 22, изменяется от некоторого минимума, задаваемого дросселем 24, до максимума. В результате расход газа, выходящего в виде струйных завес через щели коллекторов 22, будет изменяться во времени так, что максимальной величине расхода газа через струйные сопла 21 будет соответствовать минимальный расход газа через щели коллектора 22. Ряду струйных сопл 21, в котором расход газа максимальный, будет соответствовать наибольшее уменьшение дальнобойности струйных завес в коллекторах 22.

На фиг. 3 изображена i-s-диаграмма термодинамического цикла двигателя. Процессу 1-2 соответствует процесс сжатия в компрессоре 1. Отрезок 2-3 соответствует сжатию за счет механической энергии, выделяемой на валу 13 ДВС и передаваемой на вал турбокомпрессора 14. Отрезок 3-4 соответствует охлаждению в теплообменниках 5 и 6. Процесс сжатия 4-5 осуществляется в цилиндре 7 ДВС. Отрезку 5-6 соответствует процесс сгорания топлива в цилиндре 7 ДВС. Отрезку 6-7 соответствует процесс расширения газа в цилиндре 7 ДВС. Отрезку 7-8 соответствует процесс подвода горячего воздуха из каналов 4 охлаждения, впрыск топлива и его сгорание в цилиндре 7 ДВС. Процесс 8-9 - процесс расширения газа в цилиндре 7. Отрезку 9-10 соответствует процесс расширения газа при выдуве его через струйные сопла 51 и щели коллекторов 22. Отрезку 10-11 соответствует процесс нагрева газа в камере 2 сгорания двигателя. Процесс 11-12 - процесс расширения газа в турбине 3 двигателя. Отрезку 12-13 соответствует процесс расширения либо в реактивном сопле, либо свободной турбине двигателя.

По сравнению с прототипом заявляемый двигатель имеет следующие преимущества. При малых размерах двигателя, а также при высоких значениях π _к^* КПД процессов сжатия и расширения воздуха и газа во вспомогательном контуре в заявляемом двигателе выше, чем в прототипе. Благодаря пульсациям расхода воздуха в охлаждающих каналах турбины и системе регулирования камеры сгорания увеличивается интенсивность охлаждения горячих деталей турбины, повышается глубина регулирования и улучшается смесеобразование в камере сгорания. При той же степени сжатия во вспомогательном контуре как и в случае реализации в нем цикла с р = соnst в предлагаемом цикле (комбинация V = const и p = const) можно получить большее количество механической энергии (сравните соответствующие площади на i-s-диаграмме).

Использование: в авиационном, судовом и транспортном двигателестроении. Сущность изобретения: установка снабжена двигателем внутреннего сгорания (ДВС), соединенным своим входом с выходом теплообменника, рабочая полость ДВС через клапаны сообщена с входом и выходом каналов полузамкнутой системы охлаждения. Система газодинамического регулирования камеры сгорания имеет струйные сопла с эжекторами, ресивер, распределитель газа по струйным соплам, центральный распределитель газа, соединенный входом с выходом ДВС. 3 ил.

СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, содержащая компрессор, камеру сгорания с системой газодинамического регулирования, включающей распределитель газа по коллекторам струйных завес и коллекторы струйных завес, турбину с каналами полузамкнутой системы охлаждения, теплообменник, связанный входом с полостью за компрессором, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД, надежности в работе и ресурса, установка снабжена двигателем внутреннего сгорания, соединенным своим входом с выходом теплообменника, система газодинамического регулирования дополнительно снабжена струйными соплами с эжекторами и дросселями, ресивером, распределителем газа по струйным соплам, центральным распределителем газа, соединенным входом с выходом двигателя внутреннего сгорания, вход и выход каналов полузамкнутой системы охлаждения сообщены через клапаны с рабочей полостью двигателя внутреннего сгорания, выходы центрального распределителя газа соединены соответственно с распределителем газа по струйным соплам и через ресивер - с распределителем газа по коллекторам струйных завес, причем струйные сопла с эжекторами соединены с соответствующими коллекторами струйных завес через дроссели.