Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель

 

Область применения: в авиационной технике, в частности относится к авиационным трехконтурным парогазовым реактивным двигателям. Сущность изобретения: трехконтурный парогазовый реактивный двигатель содержит генераторный контур с компрессором, подключенным к камере сгорания, паровой контур с паровой турбиной, соединенной посредством вала с компрессором и реактивное сопло, при этом, двигатель соединен с дополнительными двигателями и расположенными по всему фронту конденсатора, компрессором снабжены системой жидкостного охлаждения, каналы охлаждения выполнены в лопатках направляющих аппаратов, испаритель с пароперегревателем подключен на два контура, во втором контуре имеется промежуточный пароперегреватель, перепускные створки и дополнительный контур с соплом, в дополнительных двигателях расположены вентилятор и турбина среднего и низкого давления, а под ними расположена кольцевая камера сгорания с соплом. 6 ил.

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к авиационному двигателестроению.

Известен трехконтурный газотурбинный двигатель по пат. США N 4050242, F 02 K 3/06, опубликованный в 1977 г.

Основным недостатком прототипа является то, что все три контура расположены в общем корпусе, что не позволяет создать высокую степень двухконтурности двигателя, а в данном случае высокую степень трехконтурности двигателя. Газовая турбина ограничивает верхний предел температуры газа Т 1500К, что не позволяет снять максимально возможный теплоперепад, который в 3-4 раза выше, чем снимаемый на газовой турбине.

Задача изобретения повышение удельной мощности, экономичности и надежности двигателя.

Указанная задача достигается тем, что перед газовой турбиной установлен испаритель и максимальная температура порядка 2000^oC после камеры сгорания попадает на испаритель, который имеет эффективное охлаждение со стороны воды и пара. Максимальная температура газа снижается до необходимой перед газовой турбиной, а теплоперепад передается на испарение воды и создание пара в испарителе. Таким образом в камере сгорания воздух почти полностью используется для горения топлива, а это значит что его нужно в 3-4 раза меньше, чем в обычной газовой турбине и соответственно во столько же раз легче нужен компрессор. Оставшийся в газе теплоперепад после испарителя с температурой порядка 1500К в первом контуре поступает на газовую турбину, а во втором контуре на пароперегреватель, где отдает свое тепло и расширяется в соплах. В результате этого мы получили огромный теплоперепад пара, который необходимо сработать на создание воздушного потока. В основном двигателе срабатывается теплоперепад газа и теплоперепад пара на паровой турбине высокого давления и за счет этого приводятся во вращение компрессора первого и второго контура. Для срабатывания теплоперепада на турбинах среднего и низкого давления пар необходимо делить на два потока, чтобы получить приемлемые габариты паровых турбин. С этой целью к корпусу основного двигателя жестко пристыковывается два дополнительных корпуса, в которых и расположены паровые турбины среднего и низкого давления. Это позволяет также вынести два вентилятора в дополнительные корпуса и создать необходимый поток третьего контура, что значительно увеличивает общую тягу двигателя при максимальной экономичности.

На фиг. 1 показан продольный разрез трехконтурного парогазового реактивного двигателя.

На фиг. 2 показан вид А в уменьшенном масштабе.

На фиг. 3 показан вид Б в уменьшенном масштабе.

На фиг. 4 показано сечение Г-Г.

На фиг. 5 показано сечение В-В.

На фиг. 6 показано сечение Д-Д.

Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель содержит конденсатор 1, который расположен перед входным устройством 3. Во входном устройстве 3 расположен конус 2. За входным устройством 3 расположен компрессор I каскада 5, перед которым установлен направляющий аппарат 4. Компрессор I каскада 5 имеет охлаждаемые направляющие аппараты 6. За компрессором I каскада 5 установлен компрессор II каскада 7, с охлаждаемыми направляющими аппаратами. За компрессором II каскада 7 расположен компрессор III каскада 9, с охлаждаемыми направляющими аппаратами. Над компрессорами II и III каскада расположена кольцевая камера сгорания первого контура 8, а над ней расположена кольцевая камера сгорания второго контура 10, которая имеет створки 12 с механизмом переключения створок 11. За камерами сгорания 8 и 10 расположен испаритель с пароперегревателем 13. За компрессором III каскада 9 установлен паровой цилиндр высокого давления 14, который соединен с компрессором III каскада. К цилиндру высокого давления 14 подсоединен канал пара 15 в промежуточный пароперегреватеаль 16. За промежуточным пароперегревателем 16 установлен канал отвода пара в цилиндры среднего и низкого давления 17. За каналом 16, который проходит через стойки, установлена газовая турбина II каскада 18 и, соединенная с компрессором II каскада 7. За камерой сгорания второго контура 10 расположено сопло промежуточного контура 19. За турбиной второго каскада 18 установлена газовая турбина первого каскада 20 и соединенная с компрессором первого каскада 5. За промежуточным пароперегревателем 16 и газовой турбиной первого каскада 20 установлено сопло первого и второго контура 21. Полость сбора конденсата (воды) 22 расположена в нижней части двигателя под компрессором первого каскада 5. К этой полости 22 подсоединен забор рабочего тела 23. Этот забор подсоединен к нагнетающему насосу низкого давления 24. От насоса низкого давления 24 питается коллектор 25 подвода воды для направляющих аппаратов компрессоров I, II и III каскадов. Через отводы 26 вода поступает в водяной насос высокого давления 27, а водяной насос высокого давления соединен с испарителем подводом 28. За газовой турбиной расположен выходной конус 29.

Основной двигатель 30 соединен с дополнительными двигателями 31, а между ними закреплены: агрегат регенеративного подогрева воды 32, крепление водяного насоса высокого давления 35, крепление насоса низкого давления 33 и крепление турбостартера 34. В дополнительном двигателе 31 расположен конус входного устройства 36 и входное устройство 37 дополнительного двигателя, за которым расположен вентилятор 38 дополнительного двигателя. Отвод пара осуществляется через стойки 39 в конденсатор. За стойками расположена камера сгорания 40 дополнительного двигателя. Подвод пара из промежуточного пароперегревателя осуществляется по стойкам 41, за которыми расположено сопло 42 дополнительного двигателя и выходной конус 43. Между входным и выходным устройством расположена паровая турбина среднего и низкого давления 44. Выходной канал отработавшего пара 45 соединен со стойками 39. По каналам 46 вода распределяется по лопаткам 6, а по каналам 47 вода отводится от лопаток 6. По лопатке вода поступает по каналу 49 и отводится по каналу 48, омывая перегородку 50.

Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель работает следующим образом. Турбостартером 34 раскручивается компрессор первого каскада 5, а вместе с ним и турбина первого каскада 20. В камеры сгорания 8 и 10 подается топливо и происходит его сгорание. Газ при температуре 2000^oC поступает в испаритель с пароперегревателем 13. Створки 12 находятся в закрытом положении механизмом переключения створок 11, поэтому весь газ проходит через испаритель 13. Далее газ первого контура проходит через газовую турбину второго каскадам 18, которая раскручивается и вращает компрессор 7 второго каскада. Затем газ проходит через газовую турбину 20 и раскручивается компрессор 5 первого каскада, а турбостартер 34 отключается.

По мере набора оборотов газовыми турбинами 18 и 20, через конденсатор 1 прокачивается максимальное количество воздуха и происходит интенсивное охлаждение воды, которая собирается в полости сбора конденсата 22. На старте при запуске двигателя в жарком климате температура наружного воздуха достигает +40^oC и более, поэтому конденсатор 1 не может сконденсировать весь пар, вырабатываемой испарителем 13. Для уменьшения выработки пара, часть газов второго контура перепускается мимо испарителя 13, с помощью раскрытия створок 12 механизмом переключения 11. Горячий газ из камеры сгорания 10 проходит по дополнительному контуру и попадает в сопло промежуточного контура 19. В сопле 19 газ промежуточного контура разгоняется и создает дополнительный разгонный импульс на старте и взлете самолета. Пар из испарителя и пароперегревателя 13 поступает в паровой цилиндр высокого давления 14 и срабатывает часть своего теплоперепада. Далее пар идет по каналу отвода пара 15 в промежуточный пароперегреватель 16. На старте и на взлете пар в промежуточном пароперегревателе 16 не подогревается, потому что часть газа перепускается мимо испарителя 13, а газ, который проходит через испаритель 13, охлаждается до минимальной температуры. После промежуточного пароперегревателя 16 по каналу отвода пара 17, он попадает в канал 41, расположенный в стойках и попадает в паровую турбину среднего и низкого давления 44. Затем по каналу 45 попадает в стойки 39, после чего пар попадает в конденсатор 1.

Паровая турбина 44 раскручивает вентилятор 38, который прокачивает воздух через конденсатор 16, входное устройство 37 и камеру сгорания 40. В камере сгорания на старте и взлете создается максимальная температура газа, и он разгоняется в сопле 42. Из конденсатора 1 вода попадает в полость сбора воды 22 и через заборное устройство 23 закачивается насосом низкого давления 24. Этот насос подает воду по коллектору 25 в направляющие аппараты 6. Далее вода попадает в канал подвода воды 46 и движется по каналу 49 и 48 и попадает в канал отвода воды от направляющего аппарата 47.

По мере прокачивания воды по направляющим аппаратам компрессоров I, II и III каскада, происходит охлаждение сжимаемого воздуха и значительно снижается работа на сжатие. Кроме того, происходит регенеративный подогрев питательной воды, что значительно повышает к.п.д. двигателя. Подогретая вода поступает в агрегат регенеративного подогрева воды 32 и насосом высокого давления 27 закачивается через подвод 28 в испаритель 13.

На старте и при взлете в жарком климате конденсатор 1 работает при избыточном давлении 3,5-5 ата и основная тяга создается за счет максимальной температуры дополнительных двигателей 31 и тяги основного двигателя 30, которая состоит из первого, второго и дополнительного контура. При высокой температуре окружающего воздуха теплоперепад пара минимальный и не может вентилятор 38 раскрутиться до максимальных оборотов. Пк дополнительного двигателя не достигает максимального значения, поэтому на старте и взлете экономичность двигателя будет соответствовать экономичности современных ДТРД. При взлете при низких температурах окружающего воздуха и при наборе высоты 11 км температура также падает до -60^oC, дополнительный контур переключается створками 12 и весь газ проходит через испаритель. Испаритель не может забрать весь теплоперепад и температура газа за испарителем растет, значит оставшаяся часть теплоперепада будет расходоваться на промежуточный перегрев пара в пароперегревателе 16. С увеличением производительности пара мощность всех паровых турбин растет и особенно сильно растет мощность турбин среднего и низкого давления из-за перегрева пара и срабатывания теплоперепада до очень низких давлений. При минимальной температуре окружающего воздуха паровые турбины выходят на самый экономичный режим и создают максимальные Пк компрессоров. Температура в камере сгорания 40 снижается за счет уменьшения подачи топлива, а тяга сохраняется за счет роста Пк.

На этом режиме к.п.д. двигателя достигает максимального значения и превышает 60% а это в два раза выше, чем у существующих ДТРД. Огромная экономия топлива очень благоприятно скажется на экологии, так как уменьшится количество вредных выбросов. В настоящее время экономия топлива играет решающее значение в развитии техники, поэтому предлагаемый двигатель найдет широкое применение в авиации.

Формула изобретения

Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель, содержащий корпус с реактивным соплом и входным устройством, в котором размещены с образованием трех контуров компрессоры, камеры сгорания и турбины, при этом корпус выполнен с кольцевыми перегородками, образующими каналы рабочих контуров, а турбина соединена валом с компрессором, при этом камеры сгорания выполнены кольцевыми и расположенными одна над другой, а третий контур имеет перепускные створки, соединяющие его с вторым контуром, имеющим выходное сопло, замкнутый паровой контур, включающий парогенератор, паровую турбину, конденсатор и насос, размещенные внутри корпуса двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности и экономичности, к корпусу основного двигателя жестко присоединены два дополнительных двигателя, а перед входными устройствами трех двигателей расположен конденсатор, в дополнительных двигателях установлены вентиляторы третьего контура и паровые турбины среднего и низкого давления, которые соединены между собой посредством вала, над паровой турбиной установлена кольцевая камера сгорания и реактивное сопло, лопатки направляющих аппаратов всех компрессоров имеют каналы жидкостного охлаждения, которые соединены посредством труб с конденсатором и паровым котлом, испаритель установлен в первом и втором контуре перед газовой турбиной и подключен к кольцевым камерам сгорания этих контуров, за испарителем во втором контуре установлен промежуточный пароперегреватель, который соединен посредством каналов в стойках с турбиной высокого давления, расположенной в основном двигателе, и паровой турбиной среднего давления, расположенной в дополнительных двигателях третьего контура, перепускные створки установлены перед пароперегревателем, за которым расположен дополнительный контур с соплом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6