СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА Российский патент 2012 года по МПК F04F5/04 F02C3/32 

Изобретение относится преимущественно к авиадвигателестроению. Для создания реактивной тяги в авиационных двигателях используют компрессора (Теория авиационных двигателей. / Под ред. П.К.Казаджана. М.: Машиностроение, 1983, с.28, рис.21). Недостатком авиационных компрессоров является существенное повышение температуры газа при его сжатии.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

Известны струйные топливные насосы (Д.И.Нефедов, Л.Б.Лещинер. Топливные системы современных самолетов. М.: Военное издательство, 1964, стр.85, рис.43д), в которых давление топлива повышается за счет кинетической энергии струи активного топлива (жидкости).

Известен способ повышения давления газа, заключающийся в подаче в поток газа, движущийся по каналу, по направлению его движения - жидкости, находящейся под давлением, причем температура газа позволяет испарить впрыскиваемую жидкость (RU 2286483 С2, МПК F04F 5/18, 27.10.2006).

Поставленная цель достигается тем, что в поток газа, движущийся по каналу, по направлению движения газа подается жидкость под давлением более 5 МПа в количестве более 10 процентов от массового расхода газа. При этом температура газа более той, при которой вся жидкость при смешении с газом испаряется. Величина минимальной температуры газа определяется как

где Т_ж - температура жидкости, К;

Т_кип - температура кипения жидкости при исходном давлении газа, К;

q - удельная теплота парообразования жидкости, Дж/кг;

с_ж - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·град);

- удельная теплоемкость газа при исходных температуре и давлении газа, Дж/(кг·град);

m - относительный массовый расход жидкости (по отношению к расходу газа).

Сущность изобретения состоит в том, что при сочетании параметров жидкости и газа, указанных в формуле изобретения, одновременно с передачей от жидкости газу импульса силы происходит ее испарение, что ведет к повышению давления газа (смеси) и снижению его (ее) температуры.

На фиг.1 изображена схема течения газа.

На фиг.2 показаны приращения давления газа в зависимости от относительного расхода и относительной скорости истечения жидкости.

На фиг.3 показаны минимальные температуры газа для различных жидкостей в зависимости от их относительного расхода.

Внутри цилиндрического канала (фиг.1) расположена форсунка, за которой находится камера смешения. Сечение входа в камеру смешения обозначено индексом 1, сечение выхода - индексом 3. Индексом 2 обозначено сечение выхода из форсунки.

Способ осуществляется следующим образом. В поток газа через форсунку подается жидкость со скоростью, превышающей скорость движения газа. При этом температура газа более той, при которой происходит полное испарение жидкости. В результате расширения жидкости (переход из жидкого состояния в газообразное) в канале ограниченного размера давление газа (смеси) увеличивается, а температура уменьшается.

Уравнение сохранения импульса силы для течения, представленного на фиг.1, имеет вид

,

где G_i - массовые расходы газа (жидкости) в соответствующих сечениях, кг/с;

W_i - скорости газа (жидкости) в соответствующих сечениях, м/с;

Р_i - статические давления в соответствующих сечениях, Па;

F_i - площади соответствующих сечений, м².

Будем полагать, что: W₃≈W₁; P₁≈Р₂; F₃≈F₁ (F₂<<F₁); G₂=m·G₁.

В этом случае уравнение сохранение импульса принимает вид

Используя метод газодинамических функций (Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976, стр.233-239), уравнение (2) преобразуем к виду

где - приращение давления газа (смеси);

m=G₂/G₁- относительный расход жидкости;

λ₁ - относительная скорость газа;

y(λ₁) - газодинамическая функция;

- относительная скорость истечения жидкости.

На фиг.2 представлена графическая интерпретация соотношения (3) при условии, что λ₁=0,2. Эффект повышения давления , как видно из фиг.2, появляется при расходах жидкости m более 0,1 (10 процентов) и скоростях истечения более 1,5, что на практике соответствует давлениям жидкости более 5 МПа.

Уравнение сохранения энергии для течения, представленного на фиг.1, при условии полного испарения жидкости (сухой пар), имеет вид

из которого определяется минимальная температура газа (1). Изменением удельной теплоемкости газа пренебрегаем.

На фиг.3 показаны минимальные температуры для: воды, керосина, жидкого кислорода, рассчитанные при давлении газа Па.

Способ может быть использован в системах охлаждения элементов газотурбинных двигателей, где требуются высокие давления и низкие температуры хладагентов. Например, для охлаждения тех же лопаток турбины можно отобрать воздух (хладагент) от промежуточной ступени компрессора - повысить с помощью воды (топлива) его давление на 5-10 процентов, и при этом охладить. Возможны и другие варианты применения способа.

Способ повышения давления газа заключается в подаче в поток газа, движущийся по каналу, по направлению движения газа - жидкости в количестве более 10 процентов от массового расхода газа. Жидкость находится под давлением более 5 МПа. При этом температура газа более той, при которой происходит полное испарение жидкости. В качестве жидкости может быть использован керосин, вода или криогенная жидкость. Способ позволяет повышать давление газа (смеси) при снижении его (ее) температуры. Способ может быть использован в системах охлаждения элементов газотурбинных двигателей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ повышения давления газа, заключающийся в подаче в поток газа, движущийся по каналу, по направлению движения газа - жидкости, находящейся под давлением, отличающийся тем, что массовый расход жидкости составляет более 10% от массового расхода газа, давление жидкости более 5 МПа, температура газа более величины, определяемой соотношением

где Т_ж - температура жидкости, К;
Т_кип - температура кипения жидкости при исходном давлении газа, К;
q - теплота парообразования жидкости, Дж/кг;
с_ж - удельная теплоемкость жидкости, Дж/(кг·град);
с_Рг - удельная теплоемкость газа при исходных температуре и давлении газа, Дж/(кг·град);
m - относительный массовый расход жидкости (по отношению к расходу газа).

2. Способ повышения давления газа по п.1, отличающийся тем, что жидкость - керосин.

3. Способ повышения давления газа по п.1, отличающийся тем, что жидкость - вода.

4. Способ повышения давления газа по п.1, отличающийся тем, что жидкость - криогенная жидкость.