ТРЕХКОНТУРНЫЙ ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК F02K3/77 

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, в частности к трехконтурным турбореактивным двигателям.

Известен трехконтурный турбореактивный двигатель, содержащий компрессор низкого давления, выход первой ступени которого соединен с наружным контуром, а выход второй ступени - с трактами внутреннего и форсажного контуров. Во внутреннем контуре расположены компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины высокого и низкого давления. С компрессором низкого давления соединена турбина низкого давления, выход из которой соединен с соплом. В форсажный контур входит вторая ступень компрессора низкого давления и форсажная камера, выход которой связан с соплом. В наружном контуре установлена заслонка, посредством которой контур может сообщаться с трактом форсажного контура (см. патент США 4050242, НКИ 60/204, опубл. 27.09.77).

Недостатком известного двигателя является низкая удельная мощность, а также невысокая надежность.

Наиболее близким к предложенному изобретению является трехконтурный турбореактивный двигатель, содержащий первый контур, включающий первый компрессор, выход которого через первый охладитель связан со вторым компрессором, выход которого подключен к входу второго подогревателя, первую турбину, механически связанную с первым компрессором, и вторую турбину, второй контур, включающий компрессор низкого давления, выход которого подключен к входам первого компрессора и первого подогревателя, третий контур, включающий третью турбину, выход которой через третий подогреватель связан с входом четвертой турбины, выход которой через второй охладитель связан с первым входом теплообменного устройства, первый выход которого связан с входом третьей турбины, а также третий компрессор, переключатель потока и теплообменное устройство (см. патент РФ 2067683, кл. F 02 К 3/077, on. 10.10.96).

Недостатком известного двигателя является низкая удельная мощность, а также невысокая надежность.

Изобретение решает задачу повышения удельной мощности двигателя и его надежности на различных режимах работы, в том числе и на нестационарных режимах его работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в трехконтурный турбореактивный двигатель, содержащий подключенный к соплу первый контур с компрессорами, турбинами и подогревателем, подключенный к другому соплу второй контур с компрессором и подогревателем, выполненный замкнутым третий контур с первой и второй турбинами, подогревателем между ними и связанным с ними по потоку компрессором, а также теплообменное устройство и переключатель потока, все три контура выполнены газовоздушными, первый контур снабжен двумя дополнительными подогревателями и выполнен двухвальным, на втором валу установлена дополнительная турбина, расположенный перед турбинами, установленными на втором валу, подогреватель имеет тепловую связь с дополнительным подогревателем третьего контура, установленным перед первой турбиной третьего контура, обладающей возможностью подключения к валу первого контура, подогреватель первого контура, установленный между турбинами, размещенными на втором валу, имеет тепловую связь с подогревателем третьего контура, расположенным между турбинами третьего контура, теплообменное устройство, установленное на выходе первого контура между одним из выходов переключателя потока, входом подключенного к выходу последней по потоку турбины первого контура, и соплом первого контура, подключено к третьему контуру между компрессором и дополнительным подогревателем, другой выход переключателя потока подключен непосредственно к первому соплу.

На чертеже представлена схема предлагаемого трехконтурного турбореактивного двигателя.

Ниже описан пример выполнения заявленного устройства.

Трехконтурный двигатель содержит первый компрессор 1 (называемый обычно компрессором низкого давления или вентилятором), выходом связанный со вторым компрессором 2, выход которого через последовательно соединенные первый охладитель 3, третий компрессор 4, второй подогреватель 5, вторую турбину 6, четвертый подогреватель 7, пятую турбину 8, пятый подогреватель 9, первую турбину 10, шестой подогреватель 11, шестую турбину 12 и переключатель 13 потока (по его первому выходу) связан с первым входом теплообменного устройства 14, второй выход которого через седьмой подогреватель 15 подключен ко входу третьей турбины 16, стоящей первой по потоку. Выход турбины 16 через последовательно соединенные третий подогреватель 17, четвертую турбину 18, второй охладитель 19, четвертый компрессор 20, третий охладитель 21, пятый компрессор 22, четвертый охладитель 23, шестой компрессор 24, пятый охладитель 25 и седьмой компрессор 26 связан со вторым входом теплообменного устройства 14.

Выход первого компрессора 1 через первый подогреватель (форсажную камеру сгорания) 27 связан с вторым соплом 28, а первый выход теплообменного устройства 14 подключен к первому соплу 29. Второй выход переключателя 13 потока также связан с первым соплом 29. В качестве переключателя 13 потока может использоваться, в частности, поворотная створка (см. патент РФ 2067683, кл. F 02 К 3/077, оп. 10.10.96, кол.4, строки 29-34). Конструктивные элементы 1-13 и 29 входят в состав первого контура, элементы 27 и 28 входят в состав второго контура, а элементы 15-26 входят в состав третьего контура. При этом элемент 14 является общим для первого и третьего контуров, а элемент 1 - общим для первого и второго контуров. Третий компрессор 4, вторая турбина 6 и пятая турбина 8 механически связаны между собой, например, посредством первого вала 30. Первый компрессор 1, второй компрессор 2, первая турбина 10, а также шестая турбина 12 механически связаны между собой, например, посредством второго вала 31. Выходы первого сопла 29 и второго сопла 28, а также вход первого компрессора 1 сообщаются с окружающий двигатель средой (например, с атмосферой). Таким образом, в преимущественном варианте исполнения первый контур является открытым (разомкнутым) и двухвальным.

Четвертая турбина 18, четвертый компрессор 20, пятый компрессор 22, шестой компрессор 24 и седьмой компрессор 26 механически связаны между собой, например, посредством третьего вала 32.

Третья турбина 16 посредством четвертого вала 33 непосредственно или через муфту 34 обладает возможностью подключения к системам двигателя, а также к системам летательного аппарата, использующим энергию, получаемую от двигателя, например, таким как генераторы систем электроснабжения двигателя и/или летательного аппарата, системы запуска двигателя, приводы систем вентиляции и кондиционирования и другие устройства. Муфта 34 и элемент ее связи 35 с системами двигателя, в частности, с одним из валов первого контура на чертеже показаны пунктиром. Первый вал 30 и второй вал 31 могут быть также механически связаны между собой (связь 36 показана пунктиром).

По меньшей мере, один из подогревателей первого контура обладает тепловой связью, по меньшей мере, с одним из подогревателей третьего контура. В описываемом примере указанной тепловой связью между собой могут обладать пятый 9 подогреватель, расположенный перед турбинами 10 и 12, установленными на втором валу 31 первого контура, и седьмой 15 подогреватель, установленный перед первой по потоку турбиной 16 третьего контура.

Аналогичной тепловой связью обладают подогреватель 11, расположенный между турбинами 10 и 12 первого контура и подогреватель 17 расположенный между турбинами 16 и 18 третьего контура.

Второй охладитель 19, третий охладитель 21, четвертый охладитель 23 и пятый охладитель 25 могут быть выполнены, например, в виде однотипных газовоздушных теплообменных элементов, размещенных в одном сечении газовоздушного тракта двигателя, например, в виде стоек с внутренними каналами (см. патент РФ 2067683), установленных перед первым компрессором или непосредственно за его первыми каскадами в сечении, перпендикулярном продольной оси двигателя. Необходимость и возможность этого диктуется потребностью приближения к идеальному циклу Карно. Охладитель 3 решает аналогичную задачу и может быть выполнен, например, в виде любого воздухо-воздушного теплообменного аппарата.

Трехконтурный турбореактивный двигатель работает следующим образом.

Воздух, забираемый из атмосферы, поступает в первый компрессор 1 (компрессор низкого давления), который работает на первый и второй контуры.

Часть потока с выхода первого компрессора 1 сжимается во втором компрессоре 2 и через первый охладитель 3 поступает на вход третьего компрессора 4. Далее нагретый во втором подогревателе 5 воздух (газ, если в качестве подогревателя 5 используется камера сгорания), поступает на вторую турбину 6, где происходит его расширение, в результате которого совершается механическая работа, а сам воздух охлаждается.

Аналогичные процессы "подогрев-расширение-совершение механической работы" происходят в последовательно установленных по потоку парах "подогреватель-турбина", обозначенных соответственно 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12. Подогреватели 5, 7, 9 и 11 (так же как и используемые во втором и третьем контурах заявленного устройства подогреватели 15, 17 и 27) могут быть выполнены как в виде традиционных камер сгорания, использующих углеводородное топливо, так и в виде нагревательных устройств, использующих тепло, выделяемое, например, при химических, ядерных реакциях и др. (например, Ю.С. Елисеев и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. / Учебник для вузов. - М.: Издат-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2000 г., с. 354).

Турбины 6 и 8 приводят во вращение первый вал 30 с установленным на нем третьим компрессором 4, а турбины 10 и 12 приводят во вращение второй вал 31 с компрессорами 1 и 2. В одном из возможных частных случаев выполнения первый вал 30 и второй вал 31 механически связаны между собой (связь показана пунктиром) или представляют единый вал. С выхода шестой турбины 12 отработавший газ через переключатель 13 потока поступает в первое сопло 29 либо непосредственно, либо через теплообменное устройство 14 (например, рекуперативного типа), первый выход которого также связан с соплом 29. Первый вариант организации потока газа используется на достаточно нагруженных, но относительно кратковременных режимах работы, например на взлетном или максимальном, т. е. тогда, когда необходимо получить от первого контура максимальные значения тяги. Второй вариант используется на установившихся режимах работы двигателя, а также после его запуска на стоянке.

Другая часть потока с выхода первого компрессора 1 проходит через первый подогреватель 27 (где он значительно повышает свою температуру на форсажных режимах работы) и, расширяясь во втором сопле 28, создает тягу.

При работе по описанному выше второму варианту организации потока на выходе первого контура, когда отработавшие газы первого контура поступают в сопло 29 через теплообменное устройство 14, часть их тепловой энергии отдается газообразной рабочей среде, циркулирующей в третьем контуре, являющимся в преимущественном варианте выполнения устройства замкнутым контуром. Рабочая среда подвергается дальнейшему нагреву третьим подогревателем 15 и отдает накопленную энергию, расширяясь в третьей турбине 16, механическая энергия с которой посредством вала 33 передается в любую полезную нагрузку в системе двигателя и/или летательного аппарата, например, через муфту 34 на второй вал 31. После нагрева при прохождении через третий подогреватель 17 рабочая среда вновь отдает накопленную энергию, расширяясь теперь на четвертой турбине 18. В результате становится возможным снизить мощность, отбираемую от турбин, размещенных на втором валу 31 (а в случае механической связи валов 30 и 31 - от турбин всего первого контура) или мощность, затрачиваемую на сжатие воздуха первым компрессором 1 (вентилятором) с соответствующим изменением угла установки его лопаток. Затем рабочая среда подвергается последовательно циклическому охлаждению и нагреву за счет сжатия, проходя через последовательно соединенные по потоку охладители 19, 21, 23, 25, чередующиеся с компрессорами 20, 22, 24 и 26. Это позволяет приблизить термодинамический цикл в третьем контуре к идеальному циклу Карно и тем самым приводит к повышению удельной мощности трехконтурного двигателя. После седьмого компрессора 26 рабочая среда вновь поступает в теплообменное устройство 14 и цикл повторяется.

В преимущественном варианте выполнения двигателя третий контур также является газовоздушным. В этом случае упрощается решение вопросов герметизации контура и компенсации утечек рабочей среды, что неизбежно влечет за собой повышение надежности трехконтурного двигателя в целом.

Тепловые связи, например, между пятым 9 и седьмым 15 подогревателями, а также между шестым 11 и третьим 17 подогревателями могут быть реализованы, например, в виде плоской или гофрированной теплопроводящей перегородки между внутренними полостями газового тракта каждой из перечисленных пар подогревателей (на фигуре показаны стрелками). Аналогичным образом могут быть организованы тепловые связи между другими подогревателями. Большая тепловая инерционность теплообменного устройства 14 препятствует быстрому выходу третьего контура на заданный режим работы, что снижает удельную мощность двигателя, особенно на нестационарных режимах работы, и снижает его надежность. И лишь наличие указанных связей позволяет за более короткий отрезок времени после запуска двигателя вывести его третий контур, а следовательно, и весь трехконтурный двигатель на режим, соответствующий максимальной удельной мощности.

В свою очередь после выхода третьего контура на стационарный режим работы накопленные в нем тепловая энергия (через тепловые связи между контурами) и механическая энергия (через механические связи между контурами) может быть передана в первый контур, например, для облегчения высотного запуска двигателя в аварийной или нештатной ситуации. Таким образом, обеспечивается не только повышение надежности трехконтурного двигателя, но и снижение расхода топлива при запуске.

Трехконтурный турбореактивный двигатель содержит подключенный к соплу первый контур, подключенный к другому соплу второй контур и замкнутый третий контур, а также теплообменное устройство и переключатель потока. Все три контура выполнены газовоздушными. Первый контур снабжен двумя дополнительными подогревателями и выполнен двухвальным. Расположенный перед турбинами, установленными на втором валу, подогреватель имеет тепловую связь с дополнительным подогревателем третьего контура, установленным перед первой по потоку турбиной третьего контура, обладающей возможностью подключения к валу первого контура. Подогреватель первого контура, установленный между турбинами, размещенными на втором валу, имеет тепловую связь с подогревателем третьего контура, расположенным между турбинами третьего контура. Теплообменное устройство, установленное на выходе первого контура между одним из выходов переключателя потоков, входом подключенного к выходу последней по потоку турбины первого контура и соплом первого контура, подключено к третьему контуру между компрессором и дополнительным подогревателем, другой выход переключателя потока подключен непосредственно к первому соплу. Изобретение позволяет повысить удельную мощность двигателя и его надежность на различных режимах работы. 1 ил.

Трехконтурный турбореактивный двигатель, содержащий подключенный к соплу первый контур с компрессорами, турбинами и подогревателем, подключенный к другому соплу второй контур с компрессором и подогревателем, выполненный замкнутым третий контур с турбинами, подогревателем между ними и, связанным с ними по потоку компрессором, а также теплообменное устройство и переключатель потока, отличающийся тем, что все три контура выполнены газовоздушными, первый контур снабжен двумя дополнительными подогревателями и выполнен двухвальным, на втором валу установлена дополнительная турбина, расположенный перед турбинами, установленными на втором валу, подогреватель имеет тепловую связь с дополнительным подогревателем третьего контура, установленным перед первой по потоку турбиной третьего контура, обладающей возможностью подключения к валу первого контура, подогреватель первого контура, установленный между турбинами, размещенными на втором валу, имеет тепловую связь с подогревателем третьего контура, расположенным между турбинами третьего контура, теплообменное устройство, установленное на выходе первого контура между одним из выходов переключателя потока, входом подключенного к выходу последней по потоку турбины первого контура, и соплом первого контура, подключено к третьему контуру между компрессором и дополнительным подогревателем, другой выход переключателя потока подключен непосредственно к первому соплу.