Турбовинтовой газотурбинный двигатель с ядерной силовой установкой
Турбовинтовой газотурбинный двигатель с ядерной силовой установкой содержит винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, установленный за турбиной высокого давления двигатель Стирлинга и реактивное сопло. Двигатель выполнен по трехвальной схеме с внешним, промежуточным и внутренним валами. Компрессор выполнен из каскадов низкого и высокого давления. За двигателем Стирлинга установлена турбина низкого давления, ротор которой соединен внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом. Двигатель Стирлинга соединен промежуточным валом с ротором компрессора низкого давления. Ротор турбины высокого давления соединен внешним валом с ротором компрессора высокого давления. Изобретение направлено на улучшение приемистости и надежности двигателя. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям, конкретно к турбовинтовым двигателям - ТВД, в которых применена ядерная силовая установка
Известен авиационный комбинированный двигатель по заявке РФ на изобретение №2002115896, содержащий ГТД и ракетный двигатель.
Недостаток - очень большой расход топлива, потребляемый ракетным двигателем.
Известен авиационный ГТД по патенту РФ №2211935, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло.
Недостаток - низкий КПД и, как следствие, большой удельный расход топлива, свойственный турбореактивным двигателям по сравнению с поршневыми.
Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того, возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя. Эта конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета.
Известен турбовинтовой газотурбинный двигатель по патенту РФ №2334892, прототип, который содержит винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, установленный за турбиной высокого давления двигатель Стирлинга и реактивное сопло.
Недостатками этого двигателя являются его плохая приемистость на переходных режимах из-за инерционности ядерного реактора и двигателя Стирлинга и низкая надежность: при отказе топливной системы или ядерного реактора двигатель полностью утрачивает свою работоспособность. Например, при отказе ядерного реактора прекращает работу воздушный винт, создающий более 50…70% от суммарной тяги двигателя. Аналогично при отказе топливной системы воздух в компрессоре не сжимается, и эффективность охлаждения двигателя Стирлинга ухудшается, и его реальная мощность уменьшается, несмотря на то что ядерный реактор имеет многократный запас мощности.
Задачи создания изобретения: улучшение приемистости двигателя на переходных режимах и повышение надежности двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в турбовинтовом газотурбинном двигателе с ядерной силовой установкой, содержащем винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, установленный за турбиной высокого давления двигатель Стирлинга и реактивное сопло, тем, что двигатель выполнен по трехвальной схеме с внешним, промежуточным и внутренним валами, компрессор выполнен из каскадов низкого и высокого давления, за двигателем Стирлинга установлена турбина низкого давления, ротор которой соединен внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом, двигатель Стирлинга соединен промежуточным валом с ротором компрессора низкого давления, а ротор турбины высокого давления соединен внешним валом с ротором компрессора высокого давления. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы патрубков могут выходить в атмосферу. Концы патрубков могут быть подсоединены воздухопроводом к воздухозаборнику или к выходу из первых ступеней компрессора. Между воздушными патрубками и воздухопроводами могут быть установлены регуляторы. Между турбинами высокого и низкого давлений может быть установлен теплообменник-подогреватель, соединенный с трубопроводами рециркуляции теплоносителя.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…6, где:
на фиг.1 приведена схема двигателя,
на фиг.2 приведена схема охлаждения двигателя Стирлинга без регулятора,
на фиг.3 приведена схема охлаждения двигателя Стирлинга с регулятором
на фиг.4 приведена схема двигателя с теплообменником-подогревателем,
на фиг.5 приведена схема двигателя Стирлинга,
на фиг.6 приведен вид по А-А двигателя Стирлинга.
Предложенное техническое решение (фиг.1…6) содержит винт 1, вал винта 2, редуктор 3 (или в некоторых случаях мультипликатор), газогенератор 4, содержащий в свою очередь воздухозаборник 5, компрессор 6, камеру сгорания 7 и турбины высокого и низкого давления, соответственно 8 и 9. Турбина высокого давления 8 и турбина низкого давления 9 могут содержать одну или несколько ступеней. В дальнейшем приводится описание с применением одноступенчатой турбины 8 и двухступенчатой турбины 9, так как основным потребителем мощности в турбовинтовом двигателе является винт 1. Предложенный двигатель выполнен по трехвальной схеме и содержит внешний вал 10, промежуточный вал 11 и внутренний вал 12.
Компрессор 6 содержит два каскада: каскад компрессора низкого давления 12 с ротором 13 и каскад компрессора высокого давления 14 с ротором 15.
Турбина высокого давления 8 содержит сопловой аппарат 16 и ротор 17, турбина низкого давления 9 содержит сопловой аппарат (сопловые аппараты) 18 и ротор 19.
Между турбинами 8 и 9 установлен двигатель Стирлинга 20, за турбиной низкого давления 9 установлено реактивное сопло 21.
Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 22, подключенным к входу в топливный насос 23, имеющий привод 24, топливопровод высокого давления 25, вход которого соединен с топливным насосом 23, а выход соединен с кольцевым коллектором 26, кольцевой коллектор 26 соединен с форсунками 27 камеры сгорания 7.
Внешний вал 10 соединяет ротор 15 компрессора высокого давления 14 и ротор 17 турбины высокого давления 8, промежуточный вал 11 соединяет ротор 13 компрессора низкого давления 12 и ротор 28 двигателя Стирлинга 20, а внутренний вал 12 соединят через редуктор 3 воздушный винт 1 и ротор 19 турбины низкого давления 9. К двигателю Стирлинга 20 подсоединен воздушный патрубок 29 (или несколько воздушных патрубков), другой конец которого может выходить в атмосферу, и выхлопные патрубки 30, которые выходят в полость 31 реактивного сопла 21.
Двигатель Стирлинга 20 состоит из двух частей: «горячего» блока 32 и «холодного «блока» 33. Блоки 32 и 33 заключены в кожухи 34 и 35, с образованием внутри них полостей 36 и 37 соответственно (фиг.1, 5 и 6).
Двигатель содержит ядерный реактор 38 (фиг.1), к которому присоединены подводящий трубопровод циркуляции 39 (по отношению к двигателю Стирлинга), содержащий насос 40 с приводом 41, и отводящий (от двигателя Стирлинга 20) трубопровод 42. Другие концы трубопроводов циркуляции теплоносителя 39 и 42 соединены с двигателем Стирлинга 20, точнее с «горячим» блоком 32. Насос 40 предназначен для перекачки теплоносителя (жидкого натрия). Двигатель также содержит блок управления 43, который электрическими связями 44 соединен с приводами 41 и 24 и ядерным реактором 38.
В одном из вариантов исполнения возможно подсоединение воздушного патрубка 29 (воздушных патрубков) к воздухозаборнику 5 или к первым ступеням компрессора 6 посредством одного или нескольких воздушных трубопроводов 45 (фиг.2). Между воздушным патрубком 29 и воздушным трубопроводом 45 (фиг.3) может быть установлен регулятор (регуляторы) 46.
Возможен вариант схемы двигателя (фиг.4) с теплообменником-подогревателем 47, установленным между турбинами 8 и 9. При этом теплообменник-подогреватель 47 подсоединен дополнительными трубопроводами рециркуляции 48 и 49, содержащими отсечные клапаны 50 и 51 к трубопроводам рециркуляции 39 и 42.
Двигатель Стирлинга 20 может быть выполнен по любой известной схеме. На фиг.5 и 6 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 20, который содержит установленные полости 33 «горячего блока» 444 рабочие цилиндры 52, имеющие оребрение 53 с установленным внутри каждого из них в полости 54 рабочим поршнем 55, который шатуном 56 соединен с ротором 28. Также двигатель Стирлинга 20 содержит установленные в полости 333 «холодного блока» 333 вытеснительные цилиндры 57, имеющие оребрение 58, с установленным внутри каждого из них в полости 59 вытеснительным поршнем 60. Вытеснительный поршень 60 соединен шатуном 61 с ротором 28 двигателя Стирлинга 20. Трубопроводы 63 соединяют полости 54 и 58 для перетекания рабочего тела из рабочих цилиндров 52 в вытеснительные цилиндры 57. К полости 34 подсоединены трубопроводы циркуляции теплоносителя 39 и 42, а к полости 35 присоединены воздушный патрубок 29 и выхлопной патрубок 30 (фиг.1).
Возможны три варианта работы двигателя.
1. Работает топливная система и ядерный реактор.
2. Работает только ядерный реактор.
3. Работает только топливная система.
1. ПЕРВЫЙ ВАРИАНТ
При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1…6 не показан). Потом включают привод топливного насоса 14, и топливный насос 13 подает топливо в камеру сгорания 7, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…6 не показано). В результате продукты сгорания проходят через турбину высокого давления 8 и раскручивают ее ротор 17 с внешним валом 10. Далее продукты сгорания проходят через турбину низкого давления 9 и раскручивают ее ротор 19, потом внутренний вал 12, а также ротор 13 компрессора низкого давления 12. Одновременно или заранее запускают ядерный реактор 37. Через несколько минут тепло, переносимое теплоносителем по подающему трубопроводу рециркуляции 38 прогревает рабочие цилиндры 25 двигателя Стирлинга 22. Двигатель Стирлинга 22 приводится в действие и через промежуточный вал 11 раскручивает ротор компрессора высокого давления 15. В результате двигатель запущен и готов к работе. Управление двигателем по режимам и его выключение не отличается от традиционных ТВД. При наличии регулятора 45 его можно использовать для управления работой двигателя Стирлинга 20.
2. ВТОРОЙ ВАРИАНТ
При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1…6 не показан). Потом запускают ядерный реактор 38 и рабочее тело насосом 40 по подающему трубопроводу циркуляции 39 подается в горячий блок 32. В результате раскручивается ротор 28 двигателя Стирлинга 20, промежуточный вал 11 и ротор 13 компрессора низкого давления 12, далее сжатый воздух проходит через турбину низкого давления 9 и раскручивает ее ротор 18. Управление двигателем по режимам и его выключение осуществляется изменением режима работы ядерного реактора 38 и привода 41.
3. ТРЕТИЙ ВАРИАНТ
При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1…6 не показан). Потом включают привод топливного насоса 24 и топливный насос 23 подает топливо в камеру сгорания 7, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1…6 не показано). В результате продукты сгорания проходят через рабочую турбину высокого давления 8 и турбину низкого давления 9, ротор компрессора 18. Через 5…7 мин тепло выхлопных газов прогревает рабочие цилиндры 52 двигателя Стирлинга 20 и рабочее тело внутри них (гелий или водород). Двигатель Стирлинга 20 приводится в действие и через ротор 28, промежуточный вал 10 приводит в действие ротор 13 компрессора низкого давления 12. Сжатый воздух проходит через неработающую камеру сгорания 7, раскручивает ротор 17 турбины высокого давления 8, потом ротор 19 турбины низкого давления 9 и через редуктор 3 раскручивает винт 1. В результате двигатель запущен и готов к работе. Управление двигателем по режимам и его выключение выполняются блоком управления 43 воздействием на ядерный реактор 38 и привод 41 насоса 40, перекачивающего теплоноситель.
Применение изобретения позволило:
1. Улучшить приемистость работы двигателя.
2. Повысить надежность работы двигателя, так как при отказе топливной системы или ядерного реактора он может продолжить работу с незначительной потерей мощности.
3. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия винта, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и турбиной. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу.
4. Создать благоприятные условия для работы воздушного винта с турбиной низкого давления. Особенно положительно сказывается на работе двигателя кинематическое соединение двигателя Стирлинга с каскадом компрессора высокого давления. Значительное отставание (инерция) двигателя Стирлинга при изменении режима работы не отразится на работе воздушного винта, создающего основную силу тяги. Кроме того, применение трехвальной схемы двигателя позволит развязать механически рабочее колесо и роторов турбин и каскадов компрессора от винта и двигателя Стирлинга, работа которых при запуске и на переходных режимах значительно различается, например, по частоте вращения валов и по приемистости.
5. Обеспечить оптимальную работу двигателя на переходных режимах, вследствие того, что турбовинтовые двигатели создают часть тяги винтом, а часть за счет реактивного сопла. Несмотря на плохую приемистость двигателя Стирлинга, при резком изменении расхода топлива через камеру сгорания суммарная тяга двигателя будет изменяться практически мгновенно за счет реактивной составляющей. Через 5…7 мин мощности, развиваемые винтом и газогенератором, перераспределятся, например, при форсировании основную тяговую нагрузку будет нести винт, имеющий хороший КПД на дозвуковых скоростях, в результате экономичность двигателя на крейсерском режиме полета значительно возрастет.
6. Значительно уменьшить расход топлива при эксплуатации самолета или вообще отказаться от химического топлива на всех режимах, используя только атомную энергию, это имеет важное значение в связи с исчерпанием ресурсов углеводородного топлива, его удорожанием и отсутствием альтернативы этому виду топлива. Применение водорода, имеющего стоимость в сотни раз большую, чем керосин, в ближайшие 100 лет бесперспективно, а использование сжиженного природного газа из-за его плохих энергетических характеристик и сложности в эксплуатации криогенной техники весьма ограничено.
7. Облегчить условия работы винта за счет его нежесткой связи с каскадами компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов роторов компрессора и винта.
8. Облегчить запуск и останов двигателя за счет применения трехвальной схемы, при использовании которой для запуска двигателя достаточно стартером раскрутить один из роторов.
9. Уменьшить вес и габариты двигателя за счет достижения больших степеней сжатия в трехвальном двигателе по сравнению с двухвальным.
1. Турбовинтовой газотурбинный двигатель с ядерной силовой установкой, содержащий винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину высокого давления, установленный за турбиной высокого давления двигатель Стирлинга и реактивное сопло, отличающийся тем, что двигатель выполнен по трехвальной схеме с внешним, промежуточным и внутренним валами, компрессор выполнен каскадом низкого и высокого давления, за двигателем Стирлинга установлена турбина низкого давления, ротор которой соединен внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом, двигатель Стирлинга соединен промежуточным валом с ротором компрессора низкого давления, а ротор турбины высокого давления соединен внешним валом с ротором компрессора высокого давления.
2. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что к двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки.
3. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что концы патрубков выходят в атмосферу.
4. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что концы патрубков подсоединены воздухопроводом к воздухозаборнику или к выходу из первых ступеней компрессора.
5. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что между воздушными патрубками и воздухопроводами установлены регуляторы.
6. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что между турбинами высокого и низкого давлений установлен теплообменник-подогреватель, соединенный с трубопроводами рециркуляции теплоносителя.
