Паротурбинный двигатель
Изобретение относится к авиадвигателестроению. Паротурбинный двигатель выполнен на базе турбовинтового двигателя, использующего жидкий водород, с использованием парогазовых технологий. В качестве дополнительного рабочего тела в паротурбинном двигателе используется вода, которая выделяется из продуктов сгорания с помощью морозильной камеры, установленной в выходном устройстве двигателя. Для охлаждения выхлопных газов до температуры замерзания (конденсации) воды используется хладоресурс топлива (жидкого водорода), а в случае форсирования мощности двигателя - и хладоресурс атмосферы. Изобретение позволяет повысить КПД двигателя в условиях полета и в случае его форсирования. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к авиадвигателестроению.
В последнее время в России и за рубежом получили развитие технологии STIG ГТУ (впрыск пара в камеру сгорания), которые уже нашли практическое применение в стационарных и корабельных ГТУ (Емин О.Н. Использование авиационных ГТД для создания комбинированных газотурбинных установок стационарного и транспортного назначения. Учеб. пособие. М.: МАИ, 1998, 80 с.). Эффективный КПД парогазовых установок сегодня достигает 58÷60%, что существенно выше, чем КПД авиационных двигателей. Одной из основных проблем, препятствующих внедрению технологий STIG ГТУ в авиацию, является необходимость размещения на борту летательного аппарата запаса воды, достаточного для работы двигателя в полете. Применение водорода в качестве авиационного топлива позволяет решить эту проблему: выход водяного пара (воды) при сгорании водорода в воздухе составляет ˜9 кг с килограмма водорода, что существенно больше, чем у других известных топлив. Техническое решение в этом случае сводится к двум основным задачам: выделению воды из продуктов сгорания и эффективному ее использованию.
Известны газотурбинные двигатели (Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник под ред. В.А.Сосунова, В.М.Чепкина. М.: Изд-во МАИ, 2003, рис.19-10, с.567), в которых в выходном устройстве (за турбиной) установлен теплообменник, хладагентом которого является топливо (жидкий водород).
Известен способ форсирования газотурбинного двигателя впрыскиванием жидкости (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М.Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987 г., стр.374).
Известны жидкостно-воздушные ракетные двигатели (Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник под ред. В.А.Сосунова, В.М.Чепкина. М.: Изд-во МАИ, 2003, рис.19-21, с.576), в которых используются морозильные камеры для выделения кислорода из воздуха.
Известен топливовоздушный теплообменник (Патент RU №2241937, МПК7 F 28 D 11/02, 2004 г.), позволяющий охлаждать воздух в газовоздушном тракте осевого компрессора. Теплообменник предназначен для ГТД, использующих криогенные топлива.
Сущность изобретения состоит в том, что в газотурбинном двигателе, использующем в качестве топлива жидкий водород, в выходном устройстве (за турбиной) расположена морозильная камера, состоящая из теплообменника, хладагентом которого является топливо (жидкий водород), и центробежного сепаратора, расположенного на выходе из указанной камеры и обогреваемого отходящими газами. В морозильной камере происходит выделение (вымораживание) воды из продуктов сгорания и ее удаление (в виде льда и конденсата) в специальную емкость. В ГТД вода используется как дополнительное рабочее тело, которое подается во внутреннюю полость барабана осевого компрессора либо в камеру смешения перед турбиной двигателя.
На фиг.1 изображена схема паротурбинного двигателя (ПТД);
На фиг.2 изображены зависимости эффективного КПД и удельной мощности ПТД от параметров рабочего процесса;
На фиг.3 изображены зависимости эффективного КПД и удельной мощности ПТД от параметров рабочего процесса;
На фиг.4 изображена схема паротурбинного двигателя.
ПТД выполнен на базе турбовинтового двигателя и состоит из входного устройства, компрессора 1, камеры сгорания 2, турбины 3, морозильной камеры 4, в состав которой входят теплообменник 5 и сепаратор 6, емкости для хранения воды 7, выходного устройства, насосов (н). При этом хладагентом в теплообменнике 5 является топливо - жидкий водород.
Работа двигателя осуществляется следующим образом. Воздух через входное устройство поступает в компрессор 1 для сжатия (степень сжатия не менее 30).
Вода из емкости 7 под действием насоса высокого давления подается во внутреннюю полость барабана компрессора 1, где распиливается и перемешивается с влажным паром, находящимся внутри барабана. Часть воды испаряется и в виде сухого пара, который вследствие действия центробежных сил располагается в центральной части барабана, удаляется (через специальные каналы) в газовоздушный тракт двигателя. Неиспарившаяся вода в виде тонкой пленки располагается по внутренней поверхности барабана. Под действием центробежных сил пленка перемещается в сторону более нагретой части барабана. При своем движении пленка нагревается со стороны поверхности барабана и со стороны поверхности пара, что ведет к интенсивному ее испарению. Неиспарившаяся часть пленки под действием центробежных сил и давления пара выдавливается через перфорированные отверстия, выполненные в корпусе барабана, в проточную часть компрессора, где испаряется. Испарение воды как внутри барабана, так и в проточной части компрессора понижает температуру воздуха в проточной части компрессора, что, во-первых, снижает работу, потребную для сжатия воздуха, а во-вторых, позволяет (из условия прочности лопаток компрессора) повысить степень сжатия самого компрессора.
Сжатый до заданного давления воздух (смесь воздуха с водяным паром) непрерывным потоком подается в камеру сгорания 2, куда одновременно насосом высокого давления нагнетается газообразное топливо, нагретое в теплообменнике 5. В результате сгорания топлива температура газов повышается до величины, допускаемой по прочности лопаток турбины 3. При этом энтальпия горячих газов вследствие повышения теплоемкости паровоздушной смеси оказывается выше, чем энтальпия газов при сгорании топливовоздушной смеси. В турбине 3 часть потенциальной энергии газов преобразуется в механическую работу на валу двигателя, которая передается компрессору и винту.
После прохождения турбины 3 отходящие газы делятся на два потока.
Первый поток через выходное устройство удаляется в атмосферу.
Второй поток направляется в морозильную камеру 4, в которой расположен жидкостно-воздушный теплообменник 5, хладагентом которого является жидкий водород. При движении газа внутри морозильной камеры его температура понижается до температуры ниже точки замерзания воды, что вызывает обледенение теплообменника 5 и, как следствие, увеличивает его тепловое сопротивление. Процесс обледенения продолжается до тех пор, пока не наступает тепловое равновесие, при котором температура газа в морозильной камере равна температуре замерзания воды. Для удаления конденсата, включая лед, который при указанной температуре активно образуется, в конце морозильной камеры установлен центробежный сепаратор 6. В рабочем колесе сепаратора вода и частички льда центробежными силами отбрасываются в кольцевой коллектор, расположенный на периферии сепаратора (для предотвращения обледенения коллектор обогревается внешним потоком). Из коллектора вода удаляется в емкость 7, откуда под давлением подается во внутреннюю полость барабана компрессора 1. Охлажденный в морозильной камере газ удаляется в атмосферу. Режим работы морозильной камеры регулируется изменением площади выходного сечения внешнего сопла: при увеличении расхода топлива (водорода) внешнее сопло "зажимается", что ведет к увеличению расхода газа через морозильную камеру и, соответственно, увеличению выхода воды.
На фиг.2 показаны зависимости эффективного КПД ηe и удельной мощности Nуд (эффективной мощности, приходящейся на килограмм расхода воздуха) паротурбинного двигателя от параметров рабочего процесса: степени сжатия воздуха компрессором Пк и относительного расхода воды m (расход воды, приходящийся на килограмм расхода воздуха). Характеристики рассчитаны для взлетного режима ПТД. При расчете температура газа перед турбиной принималась равной 2000 К, потери учитывались соответствующими коэффициентами: КПД компрессора - 0,83; КПД турбины - 0,94; потери давления: во входном устройстве - 1%; в камере сгорания - 4%; в выходном устройстве - 4%. Сепаратор моделировался коэффициентом сепарации Кс (доля выделившейся воды). На фиг.2 представлены зависимости для четырех значений Кс: 0; 0,5; 0,75; 1,0. При Кс=0 ПТД вырождается в ТВД с регенерацией теплоты, характеристики которого использованы в качестве исходных для оценки (методом сравнения) эффективности ПТД.
Анализ представленных на фиг.2 зависимостей показывает, что хладоресурса жидкого водорода достаточно, чтобы обеспечить расход воды в пределах 4% от расхода воздуха, что позволяет повысить эффективный КПД двигателя на 5÷6%. Некоторое увеличение массы двигателя (в пределах 20%) вследствие появления морозильной камеры и увеличения степени сжатия компрессора компенсируется увеличением удельной мощности двигателя на 15÷30% и, соответственно, не ведет к ухудшению весовых характеристик двигателя, скорее наоборот.
В полетных условиях эффект от использования морозильной камеры возрастает. На фиг.3 показаны зависимости эффективного КПД и удельной мощности ПТД, полученные для условий крейсерского полета летательного аппарата (Н=8 км, М=0,8). Видно, что эффективный КПД увеличивается на 7÷8%, а удельная мощность на 20÷45%. Увеличение разрыва в характеристиках сравниваемых двигателей (ПТД и ТВД) объясняется тем, что наряду с традиционно действующими факторами, как то: уменьшение температуры воздуха и повышение суммарной степени сжатия, в ПТД с увеличением высоты полета повышается эффективность работы морозильной камеры. Последнее связано с тем, что увеличивается относительный расход топлива, а следовательно, и выход воды.
При использовании хладоресурса жидкого водорода, размещенного на борту летательного аппарата, теоретические возможности ПТД по выделению воды из продуктов сгорания реализуются менее чем на 20% (расход газа через морозильную камеру не превышает 25% от его общего расхода). Форсирование ПТД (увеличение расхода воды) возможно за счет использования хладоресурса атмосферы, который в отличие от хладоресурса топлива не ограничен. Технически это означает размещение в морозильной камере 4 дополнительного теплообменника 8 (фиг.4), который будет передавать часть тепловой энергии в атмосферу, что позволит, например, при относительном расходе воды ˜10% иметь эффективный КПД более 70%. Однако решение обозначенной проблемы, по-видимому, связано с возможностью создания высокоэффективных и легких теплообменных устройств, использующих в качестве рабочего тела легкоиспаряющиеся жидкости, например аммиак.
Воду из емкости 7 можно также подавать в камеру смешения, расположенную перед турбиной двигателя. Однако в этом случае положительный эффект (увеличение эффективного КПД) будет проявляться при больших, чем при подаче воды во внутреннюю полость компрессора, относительных расходах воды.
Таким образом, применение парогазовых технологий в авиадвигателестроении, которое становится возможным благодаря использованию морозильной камеры, позволяет получать эффективный КПД авиационных двигателей, использующих жидкий водород, на уровне 65% и более.
1. Паротурбинный двигатель, содержащий входное устройство, компрессор, камеру сгорания (камеру смешения), турбину, теплообменник, расположенный за турбиной, хладагентом которого является топливо (жидкий водород), выходное устройство, отличающийся тем, что теплообменник расположен внутри морозильной камеры, которая расположена внутри выходного устройства и на выходе из которой установлен центробежный сепаратор, обогреваемый отходящими газами, коллектор сепаратора соединен с емкостью, которая соединена с внутренней полостью барабана осевого компрессора.
2. Паротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутри морозильной камеры расположен теплообменник, имеющий общее рабочее тело с теплообменником, размещенным в атмосфере.
3. Паротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что коллектор сепаратора соединен с камерой смешения, расположенной перед турбиной.
4. Паротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что степень сжатия компрессора более 30.
5. Паротурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, внутренняя полость барабана компрессора через перфорированные отверстия соединена с проточной частью компрессора.
