ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК F02K3/06 F01K23/06 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к авиационному двигателестроению.

В предлагаемом двигателе применен бинарный термодинамический цикл. Полученный тепловой поток в камере сгорания преобразуется во вращение паровой турбины, а созданное в компрессоре давление используется для создания реактивной тяги двигателя. Просасываемый вентилятором холодный воздух поступает для охлаждения конденсатора паровой турбины и отвода тепла от конденсирующегося рабочего тела. В связи с тем, что камера сгорания создает максимально возможную температуру около 2000^оС, а в холодильнике используется холодный воздух на высоте 11 км 60_оС, предлагаемый двигатель имеет максимально возможный КПД.

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель. Его основным недостатком является то, что турбина ограничивает верхний предел температуры газа Т 1483 К и работает за счет перепада давлений перед турбиной. На работу турбины расходуется 2/3 созданного компрессором давления.

Цель изобретения повышение удельной мощности, экономичности и надежности двигателя.

Цель достигается тем, что вместо турбины, работающей на перепаде давлений, установлена паровая турбина, работающая только на температурном градиенте, что позволяет использовать давление компрессора полностью для расширения в сопле и на создание огромного удельного импульса тяги двигателя. Тяга двигателя увеличивается также за счет подогрева воздуха второго контура конденсатором паровой турбины и за счет омывания камер сгорания.

На фиг. 1 изображен двухконтурный турбореактивный двигатель продольный разрез на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1.

Двухконтурный турбореактивный двигатель содержит наружный корпус 1 с расположенным в нем входным устройством 2, вентилятором 3 и выходным устройством 4, размещенный между последними внутренний корпус 5 с установленными в нем компрессором 6 и паровой турбиной 9. Теплообменник-испаритель 8 расположен над паровой турбиной 9. Камера 7 сгорания расположена на втором контуре и интенсивно охлаждается холодным воздухом. Воздушный конденсатор 10 расположен над камерой сгорания и имеет каналы второго контура, воздушный канал 28. На выходе из компрессора 6 расположен охладитель 12 воздуха. Компрессор 6 и паровая турбина 9 разделены лабиринтными уплотнениями 13, в которых выполнены каналы 14 отвода пара и воздуха. Водяной насос 11 соединен трубой 15 низкого давления с забором 22 жидкости, который установлен в канале 16 сбора жидкости. После насоса установлена магистраль 18 высокого давления, которая подключена к подводящему патрубку 23 охладителя. Через отводящий патрубок 24 охладителя проходит магистраль 25 подогретой жидкости и соединяется с подводящим патрубком 26 испарителя. Канал 21 отвода пара соединен через воздушный конденсатор 10 со сливным каналом 17 через стойку 29. Гофрированная перегородка 30 разделяет поток движущегося холодного воздуха второго контура с движущимся навстречу конденсирующимся паром и обладает большой площадью оребрения и высокой теплопроводностью. Редуктор 27 служит для согласования характеристики паровой турбины с вентилятором. Пар из испарителя выходит по направляющим лопаткам 19, а газы вытекают по каналу 20.

Двухконтурный турбореактивный двигатель работает следующим образом.

На старте раскручивается вентилятор 3, через который воздушный поток поступает в компрессор 6 и в прямоточный контур, образованный корпусами 1 и 5. Подается топливо в камеру 7 сгорания, где при подводе тепла за счет его горения увеличивается температура газа. При раскрутке вентилятора 3 через редуктор 27 раскручивается паровая турбина 9, через которую рабочее тело в замкнутом контуре направляется в воздушный конденсатор 10. Воздушный поток через гофрированную перегородку 30 охлаждает рабочее тело и оно конденсируется. Сконденсировавшаяся жидкость по стойке 29 попадает в канал 16 и через заборник 22 и трубу 15 заканчивается насосом 11. Затем жидкость под давлением по трубе 18 попадает в патрубок 23 и охладитель 13 воздуха, а из него по патрубку 24, трубе 25 и патрубку 26 попадает в теплообменник-испаритель 8. Горячие газы из камеры 7 сгорания попадают в теплообменник-испаритель 8, и происходит испарение рабочего тела. По направляющим лопаткам 19 пар под давлением вытекает в турбину 9 и раскручивает ее, а турбина соответственно раскручивает компрессор. Выходной канал 21 пара теплоизолирован от омывающих его горячих газов. Для уменьшения количества ступеней паровой турбины она имеет противодавление, что позволяет повысить температуру конденсации рабочего тела и значительно уменьшить поверхность воздушного конденсатора. Создаваемое противодавление в конденсаторе позволяет также производить подогрев прокачиваемого воздуха второго контура до более высокой температуры и разгонять его за счет энергии межфазового перехода конденсации рабочего тела. Таким образом, сбрасываемое в холодильнике тепло первого контура является нагревателем воздуха второго контура, что значительно увеличивает КПД бинарного цикла. В теплообменнике-испарителе пар нагревается не более 500-550^оС, а проходящий через него газ имеет температуру 2000^оС, что снижает его габариты до минимальных. Подогрев воздуха второго контура происходит также за счет интенсивного охлаждения камер сгорания, что увеличивает скорость истечения воздуха через канал 28, а значит, возрастает удельный импульс тяги. Для эффективной работы камеры сгорания и испарителя компрессор должен создавать П_к > 60, поэтому на выходе из компрессора установлен охладитель воздуха. Это позволяет снизить температуру воздуха за компрессором и значительно уменьшить мощность паровой турбины для привода компрессора. Одновременно происходит подогрев питательной воды, поступающей из охладителя в испаритель, что также повышает КПД двигателя. Газ под большим давлением вытекает из камеры сгорания и проходит через теплообменник-испаритель 8, где отдает свое избыточное тепло для работы паровой турбины, затем расширяется в сопле Лаваля и разгоняется до высокой скорости истечения. Так как газ расширяется полностью в сопле при максимальном давлении, то и температура его за соплом значительно ниже, чем у существующих реактивных двигателях, а это также повышает КПД двигателя.

Использование: в авиационной технике, преимущественно в авиационном двигателестроении. Сущность изобретения: двигатель содержит наружный и внутренний корпусы 1 и 5 с входным и выходным устройствами 2 и 4. Во входном устройстве 2 размещен вентилятор 3. Во внутреннем корпусе размещены компрессор 6, камера 7 сгорания, газовая турбина 9. Над последней размещен теплообменник-испаритель 8, к которому подсоединен вход паровой турбины 9, а конденсатор 10 последней выполнен в виде воздушного конденсатора, представляющего собой полость между стенкой наружного корпуса 1 и гофрированной перегородкой. 2 ил.

ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий соосно размещенные с образованием воздушного канала между их стенками наружный и внутренний корпусы с входным и выполненным в виде сопла выходным устройствами, установленный во входном устройстве наружного корпуса вентилятор, а также размещенные во внутреннем корпусе компрессор, подключенную к нему камеру сгорания и турбину, причем последняя расположена на одном валу с компрессором и вентилятором, а вал установлен по оси корпусов, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен гофрированной перегородкой, охладителем воздуха, насосом и теплообменником-испарителем, подключенным по греющей среде к выходу камеры сгорания и установленным во внутреннем корпусе соосно с турбиной, при этом последняя выполнена в виде паровой турбины, вход которой подсоединен к выходу теплообменника-испарителя, гофрированная перегородка размещена в воздушном канале с образованием воздушного конденсатора паровой турбины, выполненного в виде полости между стенкой наружного корпуса и гофрированной перегородкой, причем полость сообщена с выхлопом паровой турбины и входом насоса, выход которого подсоединен к входу теплообменника-испарителя через охладитель воздуха, установленный на выходе компрессора.