ТРЕХЗОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК F23R3/34 

Изобретение относится к ракетным и к воздушным двухконтурным турбореактивным и прямоточным двигателям и предназначено для использования в авиации и космонавтике.

Известен реактивный двигатель, осуществляющий в полете термическое разложение водород-содержащего, например, углеводородного топлива (метана, этана, керосина, далее - «метана»), на водород и углерод. См. заявку России 2008105221/06-005668 (других источников нет). Преимущества такого двигателя понятны, при увеличении общего запаса топлива всего на 7%, возможно увеличение тяги двигателя на 50%. Однако, в его конструкцию входит реактор в виде двойных стенок или другой формы, к тому же нуждающийся в очистке.

Изобретение 1. Сущность предлагаемого изобретения в том, что разложение метана происходит непосредственно в камере сгорания ракетного, турбореактивного или прямоточного двигателя. Хотя и с меньшей эффективностью. А именно: в ракетном двигателе часть метана сгорает непосредственно, выделяя тепло, необходимое для разложения другой его части. В турбореактивных и прямоточных двигателях этот недостаток может быть устранен (см. ниже), но останется общий для всех этих двигателей недостаток: часть образовавшегося углерода будет тоже сгорать, что энергетически невыгодно. Однако % сгорающего углерода будет невелик: находящийся в твердой фазе углерод будет значительно уступать в реакционноспособности газообразному водороду. Поэтому такой двигатель все равно будет значительно мощнее при прочих равных условиях, чем керосиновый. А турбореактивный и прямоточный варианты такого двигателя будут не уступать водородному.

Трехзонный двигатель имеет три последовательно расположенные зоны (см. фиг.1): зону полного сгорания топлива (любого, лучше - по моему изобретению «ракетное топливо»), в которую подается топливо и окислитель или воздух, зону термического разложения водород-содержащего топлива, в которую подается водород-содержащее топливо, и зону вторичного горения, в которую подается окислитель или воздух (фиг.2).

Изобретение 2. Воздушно-реактивный (турбореактивный или прямоточный) трехзонный двигатель может дополнительно иметь устройство рециркуляции в виде патрубков, расположенных за зоной разложения, через которые часть водородно-газовой смеси подается в эжекторы или дефлекторы, расположенные в начале зоны полного горения топлива.

Рециркуляция происходит за счет скоростного давления на входе в патрубки и эжекционного действия движущегося воздуха после компрессора или входного устройства. Ракетный двигатель лишен такой возможности, так как в нем скоростной напор не сможет преодолеть разницы давлений по ходу камеры сгорания.

В турбореактивном двигателе возможна принудительная рециркуляция с помощью компрессора, приводимого от основной или вспомогательной турбины. При работе от основной турбины компрессор может быть расположен на ее валу коаксиально кольцевой камере сгорания. При работе от вспомогательной турбины водородно-газовая смесь после нее должна подаваться во второй контур для сгорания.

Изобретение 3. Прямоточный воздушно-реактивный трехзонный двигатель должен иметь два контура: в одном расположена зона полного горения топлива, и зона термического разложения топлива, а также имеется зона вторичного горения, где потоки двух контуров смешиваются.

Два контура могут иметь разные входные профилированные устройства или одно общее. При разделенных входных устройствах компоновка получается более оптимальной.

На фиг.1 изображен ракетный трехзонный двигатель, состоящий из камеры сгорания 1, и реактивного сопла 2, в который сначала в зону полного горения (зона ПГ) подается окислитель и топливо (лучше всего - ацетилен) в стехиометрической пропорции. Стехиометрическая пропорция очень важна для того, чтобы не произошло неоптимального неполного горения с образованием СО (исключение - когда топливом является H₂) и чтобы в случае избытка кислорода этого неполного горения не происходило во второй зоне. Вторая зона - зона Р - начинается после полного сгорания топлива в первой, и в нее подается водородсодержащее топливо, лучше всего метан. Количество подаваемого метана должно быть таким, чтобы температура в зоне Р не опускалась ниже температуры, при которой возможно достаточно интенсивное разложение метана. Под действием высокой температуры метан разлагается на С и Н₂, после чего эта смесь водорода и сажи подается в третью зону - зону вторичного горения (зона 2Г), в которую подается окислитель. В этой зоне происходит полное сгорание водорода и частичное сгорание С, после чего нагретая до высокой температуры смесь газов и сажи подается в реактивное сопло 2.

На фиг.2 изображен трехзонный двухконусный ТРД с противоположно вращающимися роторами, где 3 - компрессор, 1 - камера сгорания, 4 - турбина, 5 - второй контур. Этот двигатель может работать как обычный ТРА, а может работать как трехзонный, причем по трем вариантам.

1 вариант работы: аналогично ракетному, с двумя поправками - окислителем является воздух, а количество подаваемого в зону разложения метана должно быть таким, чтобы охладить смесь газов после зоны ПГ до температуры, которую может выдержать турбина (например, 1400°). В зависимости от этого количества метана и, следовательно, водорода, выбирается степень двухконтурности двигателя. Впрочем, степень двухконтурности может не соответствовать количеству воздуха, необходимого для стехиометрического горения водорода, она может быть как больше, так и меньше (излишний расход топлива на кратковременном форсажном режиме не так уж важен). В последнем случае для уменьшения температуры можно впрыскивать в камеру сгорания воду как в изобретении автора «турбодвигатель». Причем воду можно кратковременно впрыскивать в переходных режимах включения и выключения форсажа, чтобы при подаче топлива в стехиометрической пропорции не произошло перегрева турбины. Зона 2Г начинается в этом двигателе после турбины. В ней смешиваются, например, с помощью радиальных щелевых дефлекторов, потоки I и II контуров (этот процесс на фиг.2 схематично показан двойными скрещивающимися стрелками).

2 вариант работы: часть водорода после зоны разложения рециркулируется, например, через коаксиальную камере сгорания полость, в начало зоны ПГ и постепенно заменяет подаваемое вначале туда топливо. Таким образом, подача первоначального топлива прекращается, а количество подаваемого в зону Р метана, наоборот, увеличивается. Рециркуляция происходит под действием скоростного напора в патрубках на входе в рециркуляцию и в эжекторах на выходе из нее (показаны схематично, см. надпись «рециркуляция»).

3 вариант работы: он отличается от второго тем, что рециркуляция интенсифицируется одноступенчатым компрессором, расположенным в коаксиальной плоскости, и приводимым от внешнего вала многовальной турбины 3. В этом случае патрубки и эжекторы могут быть легче или их может не быть совсем.

На фиг.3 изображен двухконтурный прямоточный двигатель, где 6 - первый контур, 5 - второй контур, 1 - камера сгорания первого контура, в которой находятся зона ПГ и зона Р, 7 - канал рециркуляции в двойных стенках камеры сгорания, 8 - радиальные щелевые дефлекторы, в которых смешиваются потоки I и II контуров и за которыми находится зона 2Г.

Работает двигатель так: во входном устройстве I контура 6 давление повышается, и воздух поступает в камеру сгорания 1, где сгорает топливо, являющееся постоянным или стартовым. Сюда же подается водород после рециркуляции 7. После завершения процесса полного сгорания топлива в камеру сгорания подается метан. После завершения разложения (хотя бы на 90%) водородно-газовая смесь через дефлекторы 8 смешивается с воздухом второго контура, и горячие газы подаются в сопло 2, создавая тягу.

Следует отметить, что в двигателях на фиг.2, 3 очень важной и технически затруднительной задачей является точное дозирование подаваемого в зону ПГ топлива, в зависимости от высоты, температуры, скорости и режима работы двигателя. Желательно применение £-датчика (анализатора сгоревших газов). В этом смысле рециркуляция водорода решает эту проблему - избыток водорода разрежается, т.е. зона ПГ может быть в этом случае таковой лишь условно - избыток водорода допустим.

Трехзонный реактивный двигатель содержит камеру сгорания и реактивное сопло. В камере сгорания имеется три последовательно расположенные зоны: зона полного сгорания топлива, в которую подается топливо и окислитель или воздух, зону термического разложения водород-содержащего топлива, в которую подается такое топливо, и зону вторичного горения, в которую подается окислитель или воздух. Трехзонный реактивный двигатель может быть воздушно-реактивным прямоточным, турбореактивным или жидкостным ракетным. Прямоточный или турбореактивный двигатель дополнительно имеет устройство рециркуляции в виде патрубков, расположенных за зоной разложения, через которые часть водородно-газовой смеси подается в эжекторы или дефлекторы, расположенные в начале зоны полного горения топлива. Достигается увеличение тяги двигателя за счет использования окислителя только для сжигания содержащегося в топливе водорода. Несгоревшая часть топлива выбрасывается через сопло, в случае применения углеводородного топлива - в виде сажи. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Трехзонный двигатель, содержащий камеру сгорания и реактивное сопло, отличающийся тем, что имеет три последовательно расположенные зоны: зону полного сгорания топлива, в которую подается топливо и окислитель или воздух, зону термического разложения водородсодержащего топлива, в которую подается такое топливо, и зону вторичного горения, в которую подается окислитель или воздух.

2. Воздушно-реактивный прямоточный или турбореактивный трехзонный двигатель, содержащий камеру сгорания и реактивное сопло, отличающийся тем, что имеет три последовательно расположенные зоны: зону полного сгорания топлива, в которую подается топливо и окислитель или воздух, зону термического разложения водородсодержащего топлива, в которую подается такое топливо, и зону вторичного горения, в которую подается окислитель или воздух, причем двигатель имеет устройство рециркуляции в виде патрубков, расположенных за зоной разложения, через которые часть водородно-газовой смеси подается в эжекторы или дефлекторы, расположенные в начале зоны полного горения топлива.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что дополнительно имеет компрессор в тракте рециркуляции.

4. Прямоточный трехзонный двигатель, содержащий входные устройства, камеры сгорания и реактивное сопло, отличающийся тем, что имеет два контура, в одном из которых расположены зона полного горения топлива и зона термического разложения водород-содержащего топлива, а также имеет зону вторичного горения, где потоки обоих контуров смешиваются.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что потоки обоих контуров смешиваются с помощью радиально-щелевых дефлекторов.