ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ВЕНТИЛЯТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F02K3/04 

Изобретение относится (3) к области двигателестроения, в частности к авиационным двухконтурным трубореактивным двигателям.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий установленный на входе контуров вентилятор и последовательно расположенные во внутреннем контуре компрессор, камеру сгорания и двухступенчатую турбину, приводящую во вращение компрессор и вентилятор, реактивное сопло, теплообменник, пароводяной нагреватель (генератор пара) [см. SU 10456890, МПК 7 F 02 К 3/04, 1994).

Недостатками этого двигателя являются недостаточно высокие кпд и мощность.

Задачей настоящего изобретения является повышение кпд и мощности.

Поставленная задача достигается за счет того, что двухконтурный газотурбинный вентиляторный двигатель, содержащий вентилятор, высокоскоростной компрессор, камеру сгорания, двухступенчатую турбину, приводящую во вращение компрессор и вентилятор, реактивное сопло, теплообменник, пароводяной нагреватель (генератор пара), согласно изобретению, снабжен воздушно-водородным азотно-кислородным тепломассобменником, форсажной камерой сгорания, мультипликатором, при этом вентилятор выполнен соосным, двухрядным, шестнадцатилопастным, изменяемого шага, с диаметром 3-3,4 м, двухступенчатая турбина выполнена активно-реактивной, а на ее выходе размещено сопло Лаваля, высокоскоростной компрессор выполнен со степенью повышения давления П_К=40, с числом оборотов в минуту 6000-7600, двигатель выполнен тягой 100 т, с расходом воздуха через первый контур - 400 кг/с, через второй - 1000 кг/с, температурой газа перед турбиной 1800 К.

Поставленная задача достигается также за счет того, что мультипликатор своей ведущей шестерней закреплен на валу вентилятора, а сателлиты (5 шт.) расположены на осях сателлитодержателя, одновременно являющегося корпусом переднего подшипниками, и входит в целом в переднюю опору двигателя.

Поставленная задача достигается также за счет того, что воздушно-водородный азотно-кислородный тепломассообменник расположен между первой и второй ступенями высокоскоростного компрессора и служит для понижения энтальпии воздушного потока и получения жидкого воздуха, с последующим разложением его на азот и кислород.

Поставленная задача решается также за счет того, что камера сгорания содержит в своей центральной части, внутри корпуса шароторовой конвектор, служащий для приготовления топливовоздушной смеси с водяным паром.

Поставленная задача решается также за счет того, что лопатки двухступенчатой турбины от корневого сечения до 70-75% длины образуют активный канал, а по высоте лопатки - реактивный канал, при этом рабочие и сопловые лопатки охлаждают воздухом, отбираемым из-за высокоскоростного компрессора.

Поставленная задача решается также за счет того, что пароводяной нагреватель (генератор пара) выполнен шаровым, расположен по оси двигателя за его задней опорой и обогревается выходящими из сопла Лаваля газами, служащего одновременно корпусом задней опоры двигателя.

Поставленная задача решается также за счет того, что соосный двухрядный вентилятор имеет разную ширину лопастей, второй ряд короче первого и его лопатки закрыты по внешнему диаметру входным обогреваемым обтекателем наружного корпуса высокоскоростного компрессора.

Поставленная задача решается также за счет того, что лопасти первого ряда вентилятора имеют шаровые лунки, направляемые на борьбу со срывом потока воздуха.

В двигателе включены следующие схемы:
1) турбореактивного двигателя (ТРД);
2) турбовинтового двигателя (ТВД) - вместо вентилятора может быть винт;
3) двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД);
4) жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) - камера сгорания -смеситель I и II контуров;
5) прямоточного - воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) -второй контур работает в экономичном режиме на всех скоростях полета, включая взлетный режим.

Главное достоинство двигателя - реактивно-активная турбина, где более эффективно срабатывается значительный теплоперепад - критерий тяги. Введение дополнительных мероприятий позволяет:
- снизить волновые потери, связанные с обтеканием лопастей винтовентилятора (ВВ), до минимума, что существенно повышает кпд ВВ;
- увеличить адиабатическую работу сжатия I ступени высокоскоростного компрессора за счет введения в схему двигателя мультипликаторя;
- осуществить более быстрый переход с режима малого газа до взлетного за счет введения стартер-турбины, приемистость 2-3 с (высокая газодинамическая устойчивость двигателя даже в экстремальных условиях, исключает появление разного рода вибраций, колебаний, резонансных явлений;
- получить в камере сгорания кумулятивный эффект и условия кинетического горения;
- совершенствование рабочего процесса двигателя достигается за счет улучшения циклов двигателя (Брайтона, Отто, термического) с использованием хладоресурса и работоспособности водорода, тепломассообменника для понижения энтальпии газообразного воздуха и парогенератора (нагревателя)- теплоносителя пара (р= 60-80 атм, Т -1200-1300^oС). Техническим эффектом изобретения является повышение кпд и тяги за счет введения в газодинамическую часть двигателя, воздушно-водородного азотно-кислородного тепломассообменника.

На фиг.1 изображен продольный разрез предлагаемого двигателя.

На фиг.2 - вид А фиг.1
На фиг.3 - вид Б фиг.1.

На фиг.4 - вид В фиг.1.

На фиг.3 - вид Г фиг.1.

На фиг.6 - вид сзади на фиг.1.

Двухконтурный, газотурбинный вентиляторный двигатель (фиг.1) содержит соосный двухрядный шестнадцатилопастной вентилятор (или винт) изменяемого шага (ВИШ)-1, высокоскоростной компрессор (ВСК) 2, камеру сгорания 3, двухступенчатую турбину 4, приводящую во вращение ВСК 2 и через мультипликатор 5 вентилятор 1, реактивное сопло 6. Для повышения энерговооруженности и кпд двигателя на нем дополнительно установлены воздушно-водородный азотно-кислородный теплообменник 7, пароводяной нагреватель (генератор пара) 8, сопло Лаваля 9 на выходе из турбины, форсажная камера сгорания 10.

Мультипликатор 5 своей ведущей шестерней 11 закреплен на валу ВИШ 1. Сателлиты 12 расположены на осях 13 сателлитодержателя 14.

Воздушно-водородный азотно-кислородный теплоомассообменник 7 расположен между первой и второй ступенями ВСК 2 и служит для понижения энтальпии воздушного потока и получения жидкого воздуха, с последующим разложением на азот и кислород. На наружной поверхности корпуса передней опоры выполнен теплообменник 15. На внутренней поверхности корпуса ВСК 2 перед второй его ступенью выполнен коллектор 16 отбора воздуха на нужды воздушно-водородного азотно-кислородного тепломаслообменника 7.

Воздушно-водородный азотно-кислородный теплообменник 7 (см. фиг.3) содержит трубу подвода водорода 17 из коллектора 18, сборник жидкого кислорода 19, сборник азота 20, лопатки направляющие 21, коллектор отбора жидкого кислорода 22. Снаружи воздушно-водородный азотно-кислородный теплообменник 7 содержит двухстенный корпус 23, крепящийся к сборнику жидкого водорода 24, и фланец отбора жидкого водорода, заборник воздуха 26, патрубок отбора жидкого азота 27 и накопитель жидкого азота 28.

Силовой пояс двигателя 29 (фиг.4) соединен шестью трубами 30 со вторым силовым поясом 31. На трубах 30 установлены лопатки 32, заполненные жидким водородом, при этом носок 33, лопатки 32 обогреваются воздухом. В трубах 30 выполнены отверстия 34, а в носке 33 лопатки 32 имеются отверстия 35.

К диску 36 компрессора ВСК 2 крепится диск 37 последней ступени ВСК 2, который опирается на подшипник 38, который сам сидит на втулке 39 корпуса средней опоры. В верхней части диска 37 имеются лопатки 40 стартера 4, на которые подается из полости 41 пар от парогенератора 8 или воздух от наземной станции к патрубку 42 и далее в полость 43. В полость 41 пар подводится через фланец 44. На корпусе камеры сгорания 3 расположен коллектор пускового топлива с каналами 45 и 46. Здесь же выполнен штуцер отбора воздуха 47 на обогрев носка корпуса входного направляющего аппарата (не показан).

Двигатель также (фиг. 6) имеет форсунки 48, в центре форсунки 49 с реверсом тяги, смеситель потоков I и II контуров 50, 51 и коллектор подвода топлива 52 и сопло двигателя 53, форсунки 54 и форсунки 55 первого и второго ряда форсажной камеры 56.На фиг. 6 изображен также элемент подвески 57.

Камера сгорания 3 в центральной части содержит торовый конвектор 58, служащий для смещения подводимого пара с водородом.

Двухступенчатая турбина 4 имеет лопатки, которые от корневого сечения до 70-75% длины образуют активный канал, а выше по высоте лопатки - реактивный канал.

Двигатель работает следующим образом: к коллектору запуска от стационарной установки (р=10 кг/см², G_B=50-60 кг/с) подается сжатый воздух. В камеру сгорания 3 поступает от пускового коллектора 45 водород, который поджигается запальником, установленным на корпусе жаровой трубы. Лопатки 40 стартера начинают вращаться, приводя во вращение ВСК 2 и ВИШ1 через мультипликатор 5. На заданных режимах (взлет, например) включается форсажная камера 56 и двигатель начинает работать в режиме ПВРД.

Первая ступень компрессора ВСК 2, нагнетая воздух по внутреннему контуру, заставляет его обтекать торовый коллектор 58 и воздушно-водородный азотно-кислородный теплообменник 7, тем самым охлаждая нагнетаемый по внутреннему контуру воздух. А отбираемый из ВСК 2 по коллектору отбора 16 воздух направляет воздушно-водородный азотно-кислородный в тепломассообменник 7, где он разлагается на жидкий кислород и азот. Азот по трубопроводу 27 направляется в атомный реактор, а кислород через отверстия поступает в проточную часть компрессора ВСК 2.

Далее компрессор ВСК 2 подает сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую через трубопроводы подается под давлением пар из парогенератора. А в камеру сгорания 3 подается водород, который дожигается в двухступенчатой турбине 4 двигателя.

Двухконтурный газотурбинный вентиляторный двигатель содержит вентилятор, высокоскоростной компрессор, камеру сгорания, двухступенчатую турбину, приводящую во вращение компрессор и вентилятор, реактивное сопло, пароводяной нагреватель (генератор пара). Двигатель также снабжен воздушно-водородным азотно-кислородным тепломассообменником, форсажной камерой сгорания, мультипликатором. Вентилятор выполнен соосным, двухрядным, шестнадцатилопастным, изменяемого шага, с диаметром 3-3,4 м. Двухступенчатая турбина выполнена активно-реактивной, а на ее выходе размещено сопло Лаваля. Высокоскоростной компрессор выполнен со степенью повышения давления П_к=40, с числом оборотов в минуту 6000-7600. Двигатель выполнен тягой 100 т, с расходом воздуха через первый контур 400 кг/с, через второй - 1000 кг/с, температурой газа перед турбиной 1800 К. Изобретение позволяет повысить кпд двигателя. 7 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Двухконтурный газотурбинный вентиляторный двигатель, содержащий вентилятор, высокоскоростной компрессор, камеру сгорания, двухступенчатую турбину, приводящую во вращение компрессор и вентилятор, реактивное сопло, пароводяной нагреватель (генератор пара), отличающийся тем, что двигатель снабжен воздушно-водородным азотно-кислородным тепломассообменником, форсажной камерой сгорания, мультипликатором, при этом вентилятор выполнен соосным двухрядным, шестнадцатилопастным, изменяемого шага, с диаметром 3-3,4 м, двухступенчатая турбина выполнена активно-реактивной, а на ее выходе размещено сопло Лаваля, высокоскоростной компрессор выполнен со степенью повышения давления П_К=40, с числом оборотов в минуту 6000-7600, двигатель выполнен тягой 100 т, с расходом воздуха через первый контур 400 кг/с, через второй - 1000 кг/с, температурой газа перед турбиной 1800^oК. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что мультипликатор своей ведущей шестерней закреплен на валу вентилятора, а сателлиты (5 шт.) расположены на осях сателлитодержателя, одновременно являющегося корпусом переднего подшипника, и входит в целом в переднюю опору двигателя. 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что воздушно-водородный азотокислородный тепломассообменник расположен между первой и второй ступенями высокоскоростного компрессора и служит для понижения энтальпии воздушного потока и получения жидкого воздуха, с последующим разложением его на азот и кислород. 4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что камера сгорания содержит в своей центральной части, внутри корпуса, шароторовой конвектор, служащий для приготовления топливовоздушной смеси с водяным паром. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что лопатки двухступенчатой турбины от корневого сечения до 70-75% длины образуют активный канал, а выше по высоте лопатки - реактивный канал, при этом рабочие и сопловые лопатки охлаждаются воздухом, отбираемым из-за высокоскоростного компрессора. 6. Двигатель по п. 3, отличающийся тем, что пароводяной нагреватель (генератор пара) выполнен шаровым, расположен по оси двигателя за его задней опорой и обогревается выходящими из сопла Лаваля газами, служащего одновременно корпусом задней опоры двигателя. 7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соосный двухрядный вентилятор имеет разную ширину лопастей, второй ряд короче первого и его лопатки закрыты по внешнему диаметру входным обогреваемым обтекателем наружного корпуса высокоскоростного компрессора. 8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что лопасти первого ряда вентилятора имеют шаровые лунки, направленные на борьбу со срывом потока воздуха.