ДВУХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ТЕПЛООБМЕННИКОМ Российский патент 1997 года по МПК F02K3/115 

Изобретение относится в двигателестроению и может быть использовано на тяжелых транспортных самолетах и пассажирских аэробусах.

Во втором контуре двухконтурного турбореактивного двигателя установлен теплообменник. Это позволяет увеличить П_к компрессора в три раза по сравнению с существующими двигателями. В этом случае температура воздуха за компрессором высокого давления получается ниже, чем у существующих двигателях, а это значит, что увеличивается удельная тяга двигателя за счет большего подвода топлива в камеру сгорания. Сжатый воздух после компрессора среднего давления поступает в теплообменник, где отдает свою тепловую энергию воздуху второго контура. За счет подогрева воздуха второго контура его скорость увеличивается, что увеличивает тягу двигателя и улучшает экономичность двигателя. Охлажденный воздух в теплообменнике проходит по каналам наружного корпуса, где дополнительно охлаждается обтекаемым наружным воздухом, и попадает в компрессор высокого давления. За счет того, что температура воздуха значительно ниже, чем в существующих двигателях, работа компрессора высокого давления уменьшается на 1/3 и составляет примерно такую же величину, как и свободная энергия турбины. Значит, свободная энергия турбины увеличивается в два раза. Если у существующих ДТРД вентилятор при П_к 1,42 прокачивает через второй контур в пять раз больше воздуха m 5, то у предлагаемого двигателя можно степень двухконтурности увеличить в два раза. Теплообменник выполнен из набора сегментов спиралевидной формы из легкого металла, например из алюминия. За счет выполнения сегментов по спирали Архимеда сохраняется равномерный шаг между сегментами, что позволяет набрать максимальную площадь теплообмена при минимальном объеме теплообменника. По внутренним каналам сегментов проходит сжатый воздух и его примерно в десять раз меньше, чем прокачиваемого воздуха по наружным каналам, поэтому внутренние каналы по проходным сечениям могут быть значительно меньше, чем наружные каналы. Внутренний воздух, сжатый примерно до 10 ата, имеет значительно больший коэффициент теплоотдачи, чем у наружного воздуха, значит и внутренняя площадь теплообменника должна быть значительно меньше, чем наружная. Наружная поверхность теплообменника набирается за счет оребренной поверхности сегментов. Для устранения вибраций сегментов и создания необходимой жесткости по наружной поверхности сегментов выполняются упоры, на которые сегменты опираются и образуют единый узел.

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель с большой степенью двухконтурности m 5 и П_в 1,42 вентилятора, степень повышения давления компрессора равна 27 [1]
Основным недостатком его является невысокая степень повышения давления компрессора П_к 27 при большой механической работе, затрачиваемой на привод компрессора газовой турбиной. В связи с этим на привод вентилятора остается незначительная свободная энергия газовой турбины. Это снижает удельную мощность двигателя и его экономичность.

Известен двухконтурный двигатель, содержащий вентилятор, установленный в наружном контуре, компрессор среднего давления, установленный во внутреннем корпусе, компрессор высокого давления, теплообменник, расположенный за вентилятором, между наружным и внутренним корпусом двигателя [2]
Недостатком известного двигателя является низкая экономичность.

Задачей изобретения является повышение удельной мощности и экономичности двигателя.

Задача достигается тем, что за вентилятором между наружным и внутренним корпусом устанавливается теплообменник, выполненный в виде спиралевидных сегментов с наружным оребрением и внутренними каналами. В наружном корпусе выполнены каналы, которые омываются наружным воздухом, что дополнительно снижает температуру сжимаемого в компрессоре воздуха, и значительно уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре высокого давления газовой турбиной. Сбрасываемая тепловая энергия сжатого воздуха первого контура подогревает воздух второго контура, что увеличивает его скорость, а значит и удельный импульс двигателя, а это приводит к увеличению экономичности двигателя.

На фиг. 1 изображен двигатель, общий вид; на фиг. 2 сечение А-А на фиг.1 в увеличенном масштабе; на фиг. 3 узел I на фиг. 2 в увеличенном масштабе; на фиг. 4 сечение Б-Б в увеличенном масштабе.

Двухконтурный турбореактивный двигатель с теплообменником состоит из вентилятора 1, который установлен в корпусе вентилятора 2. За вентилятором расположен компрессор среднего давления 3, который установлен в корпусе компрессора среднего давления 4. За компрессором среднего давления расположен компрессор высокого давления 5, за которым расположена кольцевая камера сгорания 6. За кольцевой камерой сгорания расположены газовые турбины 7, которые посредством валов соединены с компрессорами высокого и среднего давления, а также с вентилятором. За газовой турбиной установлено реактивное сопло 8. За вентилятором между наружным и внутренним корпусом установлен теплообменник 9, который соединен с компрессором среднего давления каналом подвода воздуха в теплообменник 10. Канал отвода воздуха из теплообменника 11 соединяет теплообменник с каналами наружного корпуса 12, которые соединены каналами подвода воздуха 13 в компрессор высокого давления. Каналы в наружном корпусе образованы волнообразной поверхностью корпуса 14, которая позволяет увеличить площадь теплообмена. Теплообменник состоит из набора спиральных профилей теплообменника 15. Эти профили имеют наружное оребрение 16 и внутренние перегородки 17. На наружной поверхности профиля между оребрением расположены упоры профиля 18. Между каналами подвода воздуха расположен теплоизолятор 19, профиль цельнотянутый с внутренними каналами 20, а наружный канал 21 образуется двумя соседними профилями.

Двухконтурный турбореактивный двигатель с теплообменником работает следующим образом.

Двигатель запускается от внешнего источника энергии раскруткой компрессора аналогично прототипу. В камеру сгорания подается топливо, где происходит его сгорание в сжатом воздухе. За счет выделенной энергии происходит раскрутка турбин до необходимых оборотов, а значит раскручивается вентилятор и компрессор. Всасываемый в двигатель воздух сжимается компрессором среднего давления 3 и по каналу 10 поступает в теплообменник 9. Сжатый в компрессоре воздух имеет высокую температуру и проходит по внутренним каналам 20 теплообменника и омывает внутренние стенки канала и перегородки профиля 17. По наружным каналам 21 прокачивается вентилятором 1 холодный воздух второго контура, который омывает наружные стенки профиля 15 и наружное оребрение профиля 16. Между горячим воздухом первого контура и холодным воздухом второго контура происходит теплообмен, в результате которого воздух первого контура охлаждается почти до температуры воздуха второго контура. В связи с тем, что степень двухконтурности составляет порядка m 10, наружный воздух нагревается в десять раз слабее, чем охлаждается воздух первого контура. Подогрев воздуха второго контура составляет порядка 40-50^oC и этот подогрев увеличивает скорость воздуха второго контура, что повышает удельный импульс и экономичность двигателя. Охлажденный воздух первого контура по каналу 11 попадает в каналы 12, которые образуются стенками наружного корпуса 14. Эта поверхность выполнена волнистой для увеличения площади контакта внешнего воздуха, омывающего двигатель при полете. В канале 12 происходит дополнительное охлаждение воздуха первого контура, который по каналу 13 попадает в компрессор высокого давления 5. В связи с тем, что начальная температура воздуха перед компрессором 5 имеет минимальную величину, работа на его сжатие уменьшается, а значит уменьшается работа газовой турбины на привод компрессора высокого давления. Энергия, выделенная в кольцевой камере сгорания 6, преобразуется турбиной 7 в механическую работу. На привод компрессора работа уменьшается на 1/3, а свободная энергия увеличивается в два раза.

Таким образом, на вентилятор второго контура подается в два раза больше механической работы, что позволяет увеличить прокачку воздуха через второй контур в два раза. Соответственно в два раза увеличивается тяга двигателя. Повышается удельная мощность двигателя и его экономичность.

Теплообменник 9 выполнен из набора спиральных профилей 15. Эти профили можно получить из легкого металла, например алюминия, путем протяжки. Внутренние перегородки 17 образуют внутренние каналы 20, по которым проходит горячий воздух первого контура, и они обеспечивают необходимую для теплообмена поверхность. Профиль вытягивают в виде спирали Архимеда для того, чтобы уложить их в корпусе теплообменника с постоянным шагом. Эти профили вытягиваются одновременно с наружным оребрением 16, которое омывается воздухом второго контура и составляет необходимую площадь теплообмена. Между оребрением 16 с определенным шагом расположены упоры 18, которые позволяют сжать весь пакет профилей 15 в единый теплообменник 9, а также предотвратить возникновение вибраций профилей. Передняя часть профиля выполнена аэродинамической формы и образует канал отвода воздуха 11 и приваривается к профилю 15. Задняя часть профиля приваривается к профилю 15 и образует канал 10. К этому каналу закрепляется стойка аэродинамической формы, которая образует канал 13. Между каналом 10 и каналом 13 установлена теплоизолирующая прокладка 19 для исключения теплообмена между горячим воздухом в канале 10 и холодным в канале 13. Аэродинамическая форма каналов 11 и 13 необходима для уменьшения сопротивления прокачиваемому воздуху второго контура. Потери воздуха второго контура на трение о теплообменник несколько снизят напор вентилятора, но от трения температура воздуха второго контура повысится и эти потери частично будут использованы на разгон потока за счет повышения температуры потока второго контура. Холодный воздух первого контура после теплообменника попадает в компрессор высокого давления 5 и может сжиматься до П_к более 70, при этом температура воздуха первого контура за компрессором будет значительно ниже, чем температура за компрессором в обычном ДТРД при П_к 27 без промежуточного охлаждения. Примерно затрачивается и одинаковая работа на привод компрессоров, а это повышает экономичность двигателя и его удельную мощность. Удельная мощность растет примерно в два раза, а экономичность увеличивается на 20%
Применение двухконтурного турбореактивного двигателя с теплообменником позволит уже в ближайшее будущее создать тяжелые транспортные самолеты, предназначенные в качестве первой ступени для вывода в космос орбитальных кораблей с огромной экономией топлива, а также создать аэробусы на 1000 и более пассажиров с очень малым расходом топлива.

Использование: в авиадвигателестроении. Сущность изобретения: в двухконтурном турбореактивном двигателе за вентилятором между внутренним и наружным корпусами двигателя расположен теплообменник, состоящий из набора спиралевидных профилей с внутренними каналами и наружным оребрением. Наружная поверхность корпуса двигателя выполнена гофрированной и соединяет спиралевидные профили. 4 ил.

Двухконтурный турбореактивный двигатель с теплообменником, содержащий вентилятор, установленный в наружном контуре, компрессор среднего давления, установленный во внутреннем корпусе, компрессор высокого давления, кольцевую камеру сгорания, газовые турбины, сопло и теплообменник, расположенный за вентилятором между наружным и внутренним корпусом двигателя, отличающийся тем, что теплообменник состоит из набора спиралевидных профилей с внутренними каналами среднего давления и наружным оребрением, наружная поверхность корпуса двигателя выполнена гофрированной и соединяет спиралевидные профили в единый теплообменник, входная часть спиралевидного профиля имеет аэродинамическую форму, в которой расположен канал отвода охлажденного воздуха, выходная часть спиралевидного профиля имеет подводящий канал горячего воздуха от компрессора среднего давления, за спиралевидными профилями установлены каналы аэродинамической формы подвода воздуха в компрессор высокого давления, между спиралевидными профилями и каналами аэродинамической формы установлены теплоизоляторы, в гофрированной поверхности наружного корпуса двигателя имеются каналы, соединяющие каналы отвода охлаждающего воздуха с каналами подвода воздуха в компрессор высокого давления.