СПОСОБ ФОРСИРОВАНИЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F02C3/30 F02C7/143 

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

На сверхзвуковых скоростях полета производительность компрессоров турбореактивных двигателей (ТРД) вследствие нагрева воздуха уменьшается, что приводит к замедлению роста тяги ТРД - ограничивает максимальную скорость полета летательных аппаратов (ЛА) числами M<3,5.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

Известен способ форсирования газотурбинных двигателей (прототип), заключающийся в подаче воды на вход в двигатель (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987 г. С. 374÷375). Недостатками способа являются: а) способ провоцирует появление срыва на лопатках компрессора вследствие испарения воды внутри и за компрессором; б) снижается экономичность двигателя вследствие затрат энергии топлива на испарение воды.

Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в повышении температуры газа перед турбиной (там же, с. 25, рис. 1.8).

Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в повышении частоты вращения компрессора (там же, с. 281, рис. 8.68).

Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в подаче на вход в компрессор жидкого воздуха либо жидкого кислорода (патент US 6644015 В1, МПК F02K 11/00 от 11.11.2003).

Известен способ форсирования газотурбинных двигателей, заключающийся в подаче топлива (не более 3 процентов от расхода воздуха) на вход в компрессор (патент RU 2386832 С1, МПК F02C 7/143, 2010).

Известны способы воздушного охлаждения лопаток турбин (П.К. Казанджан, Н.Д. Тихонов, А.К. Янко. Теория авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1983. С. 188÷193). Эффективность воздушного охлаждения зависит от температуры и расхода охлаждающего воздуха, величина которого зависит от количества охлаждаемых венцов турбины и коэффициента интенсивности охлаждения лопаток, который достигает 0,8 (там же, с. 195, рис. 11.8, 11.9).

Известен способ охлаждения турбинных лопаток, заключающийся в охлаждении воздуха, отбираемого от двигателя, водой (топливом) путем их смешения с последующей подачей образовавшейся смеси во внутренние полости лопаток турбин (патент RU 2409745 С1, МПК F01D 5/18 от 20.01.2011).

Известны монокристаллические лопатки, позволяющие выдерживать температуры более 1300 К.

Известны керамические сопловые аппараты, позволяющие выдерживать температуры более 2500 К.

Известна технология «БЛИСК», позволяющая создавать рабочие колеса турбин с минимальными размерами втулки (относительный диаметр менее 0,55).

Поставленная цель достигается тем, что в турбореактивном двигателе, состоящем из входного устройства, турбокомпрессора, у которого лопатки турбины охлаждаются воздухом, отбираемым от компрессора, выходного устройства, на скоростях полета более 3,2 чисел Маха при температуре газа перед лопатками турбины более 2300 К и частоте вращения компрессора, превышающей более чем в 1,3 раза частоту вращения компрессора в условиях взлета, на вход в компрессор подается вода.

Сущность изобретения заключается в том, что на скоростях полета M>3,2 критическая температура воды (647 К) меньше температуры торможения воздуха Т_н^*, что делает невозможным существование воды в жидком состоянии, а значит, недостатки, присущие прототипу, устраняются.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное сопровождается понижением температуры (увеличением плотности) воздуха и, как следствие, увеличением расхода воздуха через компрессор, что создает условия для дополнительного подвода топлива в камере сгорания двигателя - форсирования тяги (мощности) двигателя.

Существенным является наличие признаков «при температуре газа перед лопатками турбины более 2300 К и частоте вращения компрессора, превышающей более чем в 1,3 раза частоту вращения компрессора в условиях взлета», так как при их отсутствии скорости полета M>3,2 не могут быть достигнуты из-за невозможности подвода необходимого для разгона ЛА количества энергии (топлива) к двигателю (форсирование ТРД по температуре газа перед турбиной и частоте вращения компрессора должно быть полным, что, собственно, и является сутью указанных признаков).

Охлаждение лопаток турбины обеспечивается воздухом, отбираемым от компрессора, и водой, которая подводится к указанному воздуху.

Охлаждение лопаток компрессора обеспечивается водой, которая подается на вход в компрессор в количестве, при котором температура воздуха на входе в компрессор (выходе из компрессора) - постоянная величина (определяется жаропрочностью лопаток последней ступени компрессора).

Признак «температура воздуха на входе в компрессор - постоянная величина» кроме решения проблемы прочности лопаток компрессора решает проблему энергетического вырождения ТРД как газодинамической системы. Существующее представление о вырождении ТРД как о предопределенном (при заданной температуре газа перед турбиной) событии ошибочно - формирует неправильный методологический подход к созданию ТРД больших скоростей полета.

На фиг. 1 изображен ТРД;

на фиг. 2 изображены дроссельные характеристики ТРД;

на фиг. 3 изображены скоростные характеристики ТРД;

на фиг. 4 изображена характеристика компрессора в системе ТРД;

на фиг. 5 изображена таблица данных.

Турбореактивный двигатель (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, турбокомпрессора 2, водяного коллектора 3 с форсунками, направленными по потоку воздуха, установленного на входе в компрессор, смесителя 4, через который проходит воздушный канал, соединяющий воздушную полость за компрессором с каналами охлаждения лопаток турбины, выходного устройства 5.

Способ осуществляется следующим образом.

После взлета ЛА выполняется его разгон на максимальном режиме работы двигателя. В процессе разгона приведенная частота вращения компрессора поддерживается постоянной (физическая частота вращения , где - частота вращения в условиях взлета, изменяется пропорционально ). Повышение частоты вращения обеспечивается повышением перепада давлений в турбине при температуре газа перед турбиной Т_г^* более 2300 К. При достижении предельного перепада перепад давлений в турбине поддерживается постоянным (приведенная частота вращения снижается, физическая частота (>1,3) - практически не меняется).

На скорости полета M≥3,2 на вход в компрессор через коллектор 3 подается вода в количестве, обеспечивающем заданную температуру воздуха на входе в компрессор Т_в^* в частности, постоянную (в этом случае режим работы турбокомпрессора практически не меняется). Температура газа перед лопатками турбины - предельно допустимая.

Проблема высоких температур турбинных лопаток решается путем использования жаропрочных материалов, включая керамику, и применением охлаждения. Рабочие лопатки - монокристаллические (сопловые лопатки - керамические), охлаждение - воздушно-жидкостное. Воздух, используемый для охлаждения лопаток, забирается за компрессором и подается в систему охлаждения турбины, при необходимости в смеситель 4 подается вода, что позволяет понизить температуру охлаждающего воздуха до той, при которой обеспечивается прочность лопаток турбины.

Проблема высоких температур компрессорных лопаток решается путем применения жаропрочных материалов и охлаждением воздуха, проходящего через компрессор, водой.

Ниже приводятся летно-технические характеристики ТРД (фиг. 1) с исходными данными: взлетная тяга Rдв_о=20000 кгс; исходная степень повышения давления в компрессоре =5; температура газа перед турбиной на взлетном режиме Тг_о^*=2400 К; минимальный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания (=1,06; минимальный перепад давлений в турбине =1,43; максимальный перепад давлений в турбине =1,86; к.п.д. элементов двигателя - стандартные; потери давления во входном устройстве - стандартные; отбор воздуха на охлаждение - 7%; коэффициент интенсивности охлаждения в лопатках турбины - 0,7; камера сгорания двухзонная (поддерживает горение в диапазоне (=1,0…7,0).

На фиг. 2 изображены дроссельные характеристики ТРД в условиях взлета (Н=0, M=0). Малый газ (мг) соответствует относительной частоте вращения турбокомпрессора =0,67; максимальный (м) - =1,0. Режимы от малого газа (мг) до максимального (м) реализуются при закрытом сопле: =1,43. Экономичным режимом (эк) является режим =1,0 при =1,86 (сопло полностью открыто). Отбор воздуха на дроссельных режимах - 2%.

На фиг. 3 представлены скоростные характеристики, включая регулируемые параметры: , Т_г^*, , Т_к^*, Тлт, для высоты полета H=20 км на максимальном и форсированном режимах работы двигателя. До скорости M=2,7 приведенная частота вращения поддерживается постоянной: сначала за счет температуры Т_г^* (до M=1,2), затем - за счет ; физическая частота вращения увеличивается пропорционально . На скорости M=2,7 перепад давлений в турбине достигает максимального значения =1,86, физическая частота вращения перестает увеличиваться; приведенная частота вращения снижается.

На скорости M=3,2 на вход в компрессор подается вода в количестве, обеспечивающем постоянство температуры воздуха на входе в компрессор Т_вк^*≈650 К и, соответственно, на выходе - Т_к^*≈1100 К (фиг. 3). Подача воды на вход в компрессор увеличивает расход воздуха через двигатель по отношению к его расходу без подачи воды. Это видно по изменению коэффициента расхода воздуха К_G (фиг. 3). Коэффициент расхода воздуха - это отношение действительного расхода воздуха, проходящего через двигатель, к теоретически возможному, определяет потенциальные возможности двигателя по форсированию тяги. Тяга двигателя при форсировании водой резко увеличивается. Это видно по изменению коэффициента тяги C_R (фиг. 3). Эффект роста тяги усиливается еще за счет небольшого повышения частоты вращения (фиг. 3), которое является следствием увеличения относительного расхода топлива q_т, которое является результатом того же форсирования водой.

Вода, используемая для форсирования ТРД, является так называемым пассивным топливом, обладающим хладоресурсом и кинетической энергией, которые наравне с энергией керосина (кинетической, химической, хладоресурсом) преобразуются в работу перемещения ЛА. Удельный расход топлива С_уд определяется как сумма расходов активного (керосин) и пассивного (вода) топлив, приходящаяся на 1 кгс тяги в течение часа (фиг. 3).

Расход воды G_воды с ростом скорости полета (М>3,2) быстро увеличивается (фиг. 3), поэтому форсирование водой следует применять на предельно больших высотах, где расходы воздуха и, соответственно, воды - минимальны. При рациональном выборе исходных параметров ТРД и траектории полета способ позволяет ЛА с ТРД за минимальное время достигнуть гиперзвуковых скоростей полета (это видно по характеру изменения C_R).

Общий к.п.д. двигателя η_о с ростом скорости полета растет, приближаясь к 0,6 (фиг. 3, где η_е - эффективный к.п.д., η_п - полетный к.п.д.), что является следствием роста суммарной степени повышения давления π_Σ (эффективный к.п.д.) и той же скорости полета (полетный к.п.д.).

Температура рабочих лопаток турбины Тлт на скоростях M>2,2 поддерживается на уровне 1200 К (фиг. 3) за счет подачи воды в смеситель 4 (фиг. 1).

На фиг. 4 представлена характеристика компрессора в системе ТРД с рабочей линией мг-м-эк-ф-ф'. Перемещение вдоль этой линии осуществляется за счет изменений Т_г^* и , а также за счет подачи воды на вход в компрессор. Характерными режимами являются: малый газ (мг), максимальный режим (м), экономичный режим (эк), гиперфорсированный режим (ф-ф'). Малый газ реализуется при закрытом сопле и минимальной Т_г^*; максимальный режим - при максимальной Т_г^* и различных от минимального (на малых скоростях) до максимального (на больших скоростях); экономичный режим - на дозвуковых скоростях при полностью раскрытом сопле; гиперфорсированный - при подаче воды на вход в компрессор.

На фиг. 5 изображена таблица, в которой представлены основные расчетные данные ТРД (фиг. 1).

Способ позволяет летательным аппаратам с турбореактивными двигателями развивать гиперзвуковые скорости полета, может быть использован в самолетах-перехватчиках (разгонщиках). Авторское название способа - гиперфорсаж.

Способ форсирования турбореактивного двигателя, состоящего из входного устройства, турбокомпрессора, у которого лопатки турбины охлаждаются воздухом, отбираемым от компрессора, выходного устройства. На вход в компрессор подается вода. Вода подается на скоростях полета более 3,2 чисел Маха при температуре газа перед лопатками турбины более 2300 К и частоте вращения компрессора, превышающей более чем в 1,3 раза частоту вращения компрессора в условиях взлета. Способ позволяет летательным аппаратам с турбореактивными двигателями развивать гиперзвуковые скорости полета, может быть использован в самолетах-перехватчиках. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ форсирования турбореактивного двигателя, состоящего из входного устройства, турбокомпрессора, у которого лопатки турбины охлаждаются воздухом, отбираемым от компрессора, выходного устройства, заключающийся в том, что на вход в компрессор подается вода, отличающийся тем, что вода подается на скоростях полета более 3,2 чисел Маха при температуре газа перед лопатками турбины более 2300 К и частоте вращения компрессора, превышающей более чем в 1,3 раза частоту вращения компрессора в условиях взлета.

2. Способ форсирования турбореактивного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что к воздуху, отбираемому от компрессора, подводится вода.

3. Способ форсирования турбореактивного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что температура воздуха на входе в компрессор - постоянная величина.