ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F02K3/04 

Изобретение относится к области авиационных двигателей, преимущественно гражданского назначения, а также для использования в качестве силовых установок на самолетах военно-транспортной авиации.

Из патентной документации известны двухконтурные газотурбинные двигатели, содержащие вентилятор, компрессоры, камеру сгорания, турбины и реактивные сопла, а также теплообменник, установленный внутри полых обтекателей, расположенных в наружном контуре двигателя (см., например, патент США №5123242 по кл.60-226.1 от 1992 г.).

В таких двигателях теплообменники предназначены для утилизации тепла сжатого воздуха, отбираемого из проточной части компрессора газогенератора и направляемого для использования в различных системах самолета. В качестве хладоносителя в них предполагается использовать низкотемпературный воздух, отбираемый из наружного контура двигателя за его вентилятором.

Благодаря такому теплообмену удается частично компенсировать потери тяги, связанные с отбором высокоэнергетического воздуха из внутреннего контура двигателя, поскольку подогретый воздушный поток направляется на выхлоп и добавляет дополнительный импульс реактивной струе. Очевидно, указанный теплообмен не оказывает ощутимого влияния на процессы сжатия воздуха во внутреннем контуре двигателя и не дает никакого выигрыша в характеристиках его компрессоров.

По мнению авторов, наиболее близким техническим решением заявляемому объекту изобретения является двухконтурный газотурбинный двигатель, описанный в патенте США №5269135 по кл.60-226.1 1992 г.

Этот двигатель содержит вентилятор, компрессоры, камеру сгорания, турбины и реактивные сопла, а также дополнительный воздушный контур с теплообменником.

Согласно описанию в таком двигателе теплообменник предназначен для охлаждения масла, циркулирующего в маслосистеме двигателя. Хладагентом является часть воздуха, отбираемого из наружного контура двигателя за его вентилятором. Идея такой схемы состоит в том, что подогретый в дополнительном контуре воздух направляется на выхлоп и создает дополнительный импульс в реактивной струе. Поскольку теплоресурс охлаждаемого масла невелик, для размещения теплообменника оказывается достаточным использование дополнительного воздушного контура, имеющего малые поперечные габариты в окружном направлении, о чем свидетельствуют иллюстрации, содержащиеся в описании патента.

И в данном случае очевидным недостатком рассматриваемой схемы является то, что теплообменный процесс никак не используется для улучшения процессов сжатия воздуха в компрессорах двигателя.

Предлагаемый двигатель отличается от двигателя-прототипа тем, что вход в дополнительный контур выполнен в виде перфорации на стенках межлопаточных каналов направляющих аппаратов вентилятора и на прилегающих участках стенок наружного и внутреннего контуров, а теплопередающей поверхностью теплообменника является корпус компрессора, оснащенный ребрами.

Поставленной задачей предлагаемого изобретения являются:

- повышение коэффициента полезного действия вентилятора;

- повышение КПД компрессора;

- уменьшение энергии, потребляемой компрессором;

- снижение температуры газов перед турбиной, благодаря чему увеличивается эксплуатационный ресурс двигателя.

Технический результат, направленный на решение поставленной задачи, обеспечивается тем, что двигатель содержит вентилятор, компрессоры, камеру сгорания, турбины, реактивные сопла, а также дополнительный воздушный контур с теплообменником, при этом вход в дополнительный контур выполнен в виде перфорации на стенках межлопаточных каналов направляющих аппаратов вентилятора наружного и внутреннего контуров и на прилегающих к ним участках стенок этих контуров, а теплопередающей поверхностью теплообменника является корпус компрессора, оснащенный ребрами.

Особенности описываемого двигателя поясняются следующим фигурами.

На фиг.1 схематически показан его продольный разрез.

Фиг.2 поясняет структуру входного участка дополнительного контура, а на фиг.3 - вид по стрелкам K1, K2 и К3.

На фиг.4 представлено схематическое изображение корпуса компрессора в поперечном сечении.

Двигатель содержит вентилятор 1, оснащенный направляющими аппаратами 2 и 3 в наружном 4 и внутреннем 5 контурах двигателя соответственно, компрессоры низкого 6 и высокого 7 давления внутреннего контура двигателя, камеру сгорания 8, газовые турбины 9 и реактивные сопла 10 и 24.

Помимо традиционных узлов и магистралей, заявляемый двигатель имеет дополнительный воздушный контур 11, вход в который образован перфорацией 12, 13, 14 на торцевых стенках межлопаточных каналов и на примыкающих участках 18, 19, 20, 21 и 22, 23 проточных частей наружного и внутреннего контуров двигателя, как это показано в элементах А, Б, выделенных на фиг.1 и более наглядно изображенных на фиг.2. Из конструктивных соображений в качестве входа в дополнительный воздушный контур может быть использована лишь часть из указанных перфорированных стенок 12, 13 или 14.

Дополнительный контур 11 охватывает компрессоры 6 и 7 внутреннего контура. Часть поверхности проточной части дополнительного контура на участке, охватывающем компрессор высокого давления 7, образована внешней поверхностью корпуса этого компрессора, содержащего ребра 15, условно показанные на фиг.3. Такой корпус компрессора представляет собой теплообменник 16, показанный на схеме фиг.1. Выход из дополнительного контура 11 образован профилированным реактивным соплом 17.

Принцип действия предлагаемого двигателя состоит в следующем.

Воздух, отбираемый из наружного 4 и внутреннего 5 контуров двигателя через перфорацию 12, 18, 19, 13, 20, 21, 14, 22, 23, подается в дополнительный контур 11. Следуя вдоль последнего, этот воздух протекает через теплообменник 16 и далее покидает дополнительный контур через реактивное сопло 17.

Отбор (отсос) воздуха в дополнительный контур 11 через перфорации 12, 18, 19, 13, 20, 21, 14, 22, 23 приводит к ослаблению вторичных течений в межлопаточных каналах направляющего аппаратов 2 и 3, благодаря чему снижаются гидравлические потери в них, а следовательно, повышается КПД вентилятора. Одновременно задерживается момент отрыва потока в направляющих аппаратах, вследствие чего расширяется диапазон бессрывных режимов вентилятора 1.

В теплообменнике 16 происходит отбор тепла из основного потока воздуха в компрессоре высокого давления 7 и соответствующий нагрев воздуха в дополнительном контуре 11.

Благодаря этому достигаются следующие эффекты:

В процессе теплообмена в наибольшей степени охлаждаются струйки тока в пристеночной области, т.е. в пограничном слое. Как известно, при снижении температуры газов снижается их вязкость, благодаря чему снижаются гидравлические потери в проточной части компрессора. Наличие такого эффекта ранее было экспериментально установлено авторами при испытаниях осевого компрессора [1] и подтверждается результатами продувок диффузорных каналов [2].

Из общей термодинамики процессов сжатия известно, что при отводе тепла снижается работа, потребляемая компрессором. Это свойство широко используется в стационарных газотурбинных установках - между каскадами компрессора устанавливаются промежуточные теплообменники.

Благодаря уменьшению работы, потребляемой компрессором, снижается мощность приводящей его газовой турбины. При одном и том же перепаде давлений соответственно снижается температура газа перед ней, что является одним из наиболее существенных факторов увеличения эксплуатационного ресурса и повышения надежности работы двигателя.

Теплота, подведенная к потоку воздуха в дополнительном контуре, утилизируется в виде дополнительной тяги, поскольку обеспечивается увеличение скорости реактивной струи в связи с повышением его температуры.

Источники изобретения

1. Технический отчет ЦИАМ. Инв. №4231, 1983.

2. Захаров Н.Н. Влияние теплообмена на характеристики дозвуковых диффузоров. ЦИАМ, Техн. справка №6659, 1970.

Двухконтурный газотурбинный двигатель содержит вентилятор, компрессоры, камеру сгорания, турбины, реактивные сопла, а также дополнительный воздушный контур с теплообменником. Вход в дополнительный контур выполнен в виде перфорации на стенках межлопаточных каналов направляющих аппаратов вентилятора наружного и внутреннего контуров и на прилегающих к ним участках стенок этих контуров. Теплопередающей поверхностью теплообменника является корпус компрессора, оснащенный ребрами. Изобретение позволяет повысить КПД и расширить диапазон бессрывных режимов. 4 ил.

Двухконтурный газотурбинный двигатель, содержащий вентилятор, компрессоры, камеру сгорания, турбины, реактивные сопла, а также дополнительный воздушный контур с теплообменником, отличающийся тем, что вход в дополнительный контур выполнен в виде перфорации на стенках межлопаточных каналов направляющих аппаратов вентилятора наружного и внутреннего контуров и на прилегающих к ним участках стенок этих контуров, а теплопередающей поверхностью теплообменника является корпус компрессора, оснащенный ребрами.