СПОСОБ ФОРСИРОВАНИЯ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК F02K3/10 F02C3/30 

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

Известен способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), заключающийся в сжигании топлива в форсажной камере, расположенной за турбинами двигателя (Теория и расчет ВРД. Под ред. С.М. Шляхтенко, М.: Машиностроение, 1987, с. 17, рис. 1.4). Недостатком способа является повышенный расход топлива и большие габариты форсажной камеры.

Известен способ экспериментального определения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя, заключающийся в подаче воды в основную камеру сгорания (Солохин Э.Л. Испытания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1975, с. 76).

Известен способ запуска форсажных камер - «огневая дорожка», когда перед турбиной впрыскивается топливо (Теория, расчет и проектирование двигателей и энергетических установок. Под ред. В.А. Сосунова, В.М. Чепкина. - М.: Изд-во МАИ, 2003, с. 168).

Известен способ форсирования турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива (патент RU 2474718 С2, 19/02/2013). Недостатками способа являются: высокий расход топлива, снижение запасов устойчивости двигателя.

Целью изобретения является повышение экономичности ТРДД на форсированных режимах работы, уменьшение размеров форсажной камеры.

Поставленная цель достигается тем, что коллектор форсажного топлива ТРДД располагается в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания.

Эффективность способа повышается (исключается появление помпажа двигателя), если частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными.

На фиг. 1 изображена схема ТРДД.

Двигатель состоит из входного устройства, турбокомпрессора, между компрессором и турбинами которого находится основная камера сгорания 1, форсажной камеры 2, которая расположена за турбинами двигателя, выходного устройства. Топливо (основное, форсажное) подается в основную камеру сгорания: основное топливо подается через коллектор 3, форсунки которого расположены внутри жаровой трубы, форсажное - через коллектор 4, форсунки которого расположены снаружи жаровой трубы (в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания).

Способ форсирования ТРДД осуществляется следующим образом.

На нефорсированном режиме воздух от компрессора поступает в основную камеру сгорания, где тормозится. Заторможенный воздух делится на первичный и вторичный. Первичный воздух поступает в жаровую трубу, смешивается с топливом, поступающим через коллектор 3, сгорает. Вторичный воздух поступает в жаровую трубу через отверстия в ее боковой поверхности, смешивается с продуктами сгорания, охлаждает их, после чего образовавшаяся газовая смесь (газ) поступает в турбины двигателя.

В турбинах совершается механическая работа, в результате чего температура и давление газа понижаются. Газ поступает в камеру смешения - смешивается с воздухом второго контура. Образовавшаяся смесь поступает в выходное устройство, где ускоряется, создавая реактивную силу.

На форсированном режиме вторичный воздух смешивается с топливом, поступающим через коллектор 4, в результате чего образуется богатая топливовоздушная смесь (коэффициент избытка воздуха менее 0,7), которая поступает в жаровую трубу через отверстия в ее боковой поверхности, смешивается с продуктами сгорания, охлаждает их, после чего образовавшаяся топливогазовая смесь поступает в турбины двигателя.

В турбинах совершается механическая работа, в результате чего температура и давление топливогазовой смеси понижаются. Топливогазовая смесь поступает в камеру смешения - смешивается с воздухом второго контура, в результате чего происходит обеднение топливогазовой смеси (коэффициент избытка воздуха 1,05…1,5). Под действием высокой температуры топливогазовая смесь воспламеняется и сгорает. Образующийся газ поступает в выходное устройство, где ускоряется, создавая реактивную силу.

Условия работы турбин двигателя на форсированном и нефорсированном режимах отличаются: на форсированном режиме расход газа через турбины больше, а температура меньше, чем на нефорсированном режиме.

Работа турбины L_т при постоянном перепаде давлений на турбине (π_т=const) определяется как

L_т=const·G_г·c_p·Т_г,

где G_г - расход газа;

c_p - теплоемкость газа при постоянном давлении;

Т_г - температура газа перед турбиной.

Для малых отклонений: δL_т=δG_г+δс_р+δТ_г, где δс_р≈δG_г.

Откуда

Давление перед турбиной определяется как

Для малых отклонений:

При включении форсированного режима регулятор частоты вращения поддерживает постоянную частоту вращения компрессора n=const (δL_т=0), что в соответствии с уравнением (1) означает снижение температуры газа перед турбиной на величину δТ_г≈-2·δG_г. При этом давление газа перед турбиной (за компрессором) в соответствии с уравнением (2) практически не меняется δР≈0.

Таким образом, подача форсажного топлива в зону вторичного воздуха основной камеры сгорания, во-первых, снижает температуру газа перед турбинами (δT_г≈-2·δG_г), которое достигается: а) поглощением энергии при испарении форсажного топлива; б) уменьшением подачи основного топлива, во-вторых, не оказывает влияния на работу компрессора (δР≈0).

Соответственно сущность способа заключается в том, что форсажное топливо, превращенное в основной камере сгорания в газ, за счет работы расширения, реализуемой в турбинах, замещает часть энергии основного топлива (уменьшает его расход), не оказывая при этом влияния на устойчивость работы двигателя (компрессора).

Применение способа позволяет:

понизить удельный расход топлива ТРДД на форсированных режимах за счет уменьшения расхода топлива в основной камере сгорания;

повысить коэффициент полноты сгорания топлива в форсажной камере за счет улучшения условий смесеобразования (смешение происходит при меньших объемах и при более высоких температурах и давлениях);

уменьшить потери давления в форсажной камере за счет исключения топливных коллекторов;

уменьшить габариты форсажной камеры за счет перемещения зоны смесеобразования из форсажной камеры в основную камеру сгорания;

повысить надежность работы турбины за счет снижения температуры газа перед лопатками турбины.

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива. Коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания. Предпочтительно частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными. Способ позволяет повысить экономичность двигателя на форсированных режимах и уменьшить габариты форсажной камеры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива, отличающийся тем, что коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания.

2. Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными.