Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом

Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом содержит входное устройство, вентилятор, внутренний контур, внешний контур. Внутри внутреннего контура расположены компрессор среднего давления, теплообменник-испаритель, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины. Внутри внешнего контура расположены теплообменник-конденсатор, сужающееся сопло. Внутренний контур соединен с атмосферой через выхлопные патрубки, которые пересекают внешний контур. Теплообменник-испаритель и теплообменник-конденсатор закольцованы между собой через гидравлический насос, имеют общее рабочее тело - жидкость, переходящую в пар и обратно. Объем жидкости равен объему каналов теплообменника-испарителя, по которым течет вода, и объему трубопроводов, соединяющих теплообменники. Теплообменники позволяют понизить температуру воздуха на входе в компрессор среднего давления и одновременно повысить температуру воздуха перед соплом. Это обстоятельство позволяет повысить степень повышения давления воздуха в газотурбинном двигателе, сохранив при этом разницу температур газа на выходе из камеры сгорания и на входе в камеру сгорания, а также осуществить регенерацию теплоты во внешнем контуре, что в итоге позволяет повысить экономичность двигателя при сохранении его тяги. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

Воздушно-реактивные двигатели, включая двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), выступают в двух качествах: как тепловая машина и как движитель. Как тепловая машина ВРД характеризуется эффективным КПД η_е. Как движитель ВРД характеризуется полетным КПД η_п. В целом ВРД характеризуется общим КПД η_o=η_е⋅η_п.

Как движитель дозвуковой ТРДД достиг своего технического совершенства. Полетный КПД дозвукового ТРДД определяется двумя величинами: потребной тягой R в условиях крейсерского полета (Н=10 км, М=0,8) и диаметром вентилятора d [1]. И та, и другая величины имеют технические пределы: потребная тяга R=3000…7000 кгс, диаметр вентилятора d<3,5 м. С учетом этих пределов максимальный полетный КПД ТРДД в зависимости от потребной тяги R и диаметра вентилятора d составляет η_п=0,8…0,9 [1].

В ТРДД [2] используется термодинамический цикл Брайтона, термический КПД которого определяется как где π_Σ - суммарная степень повышения давления в цикле, k_г - показатель адиабаты. Эффективный КПД цикла Брайтона как минимум на 20% ниже его термического КПД, т.е. . Степени повышения давления π_Σ в ТРДД достигли 45. Повышение π_Σ более 45 ведет к росту доли внутренних потерь в цикле Брайтона и, как следствие, снижению эффективного КПД [3, с. 35, рис. 1.15], а значит, ТРДД [2] как тепловая машина также достиг своего технического предела.

Учитывая данные обстоятельства, максимальный общий КПД ТРДД [2] составляет 0,4…0,42.

Целью изобретения является повышение максимального общего КПД ТРДД более 0,4…0,42 путем изменения его термодинамического цикла.

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель [4], состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник-конденсатор, сужающееся сопло; внешний контур пересекается выхлопными патрубками, которые соединяют внутренний контур с атмосферой.

Поставленная цель достигается тем, что в двухконтурном турбореактивном двигателе, состоящим из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник-конденсатор, сужающееся сопло, между компрессором среднего и компрессором высокого давления расположен теплообменник-испаритель, который через гидравлический насос закольцован с теплообменником-конденсатором. Теплообменники имеют общее рабочее тело - жидкость, переходящую в пар и обратно. При этом объем жидкости равен объему каналов теплообменника-испарителя, по которым течет вода, и объему трубопроводов, соединяющих теплообменники, внешний контур пересекается выхлопными патрубками, которые соединяют внутренний контур с атмосферой.

Сущность изобретения заключается в том, что охлаждение воздуха на входе в компрессор высокого давления путем передачи части теплоты из внутреннего контура во внешний позволяет повысить суммарную степень повышения давления воздуха в ТРДД до 100 и более и, как следствие, - его эффективный КПД. Повышение π_Σ связано с тем, что при фиксированной температуре газа перед турбиной та же самая температура воздуха за компрессором , а следовательно, и то же самое количество подведенной в цикле теплоты q₁, достигаются при более высоких π_Σ, чем в прототипе.

Кроме этого, передача теплоты из внутреннего контура в наружный позволяет организовать внутренний термодинамический цикл [5], который увеличивает (за счет регенерации теплоты) полезную работу цикла ТРДД.

Предпочтительно степень повышения давления в вентиляторе иметь π_в=2,0…2,5, степень повышения давления в компрессоре среднего давления π_к1 - более 10, а в качестве жидкости - использовать воду.

На фиг. 1 показан ТРДД с тепловым насосом;

на фиг. 2 показан термодинамический цикл ТРДД с тепловым насосом;

на фиг. 3 показана зависимость общего КПД ТРДД с тепловым насосом от суммарной степени повышения давления в двигателе и потребной тяги в условиях крейсерского полета.

ТРДД с тепловым насосом (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров.

Во внутреннем контуре расположены: компрессор среднего давления 3, теплообменник-испаритель 4, компрессор высокого давления 5, камера сгорания 6, турбины 7, выходные патрубки 8, которые пересекают внешний контур - соединяют внутренний контур с атмосферой.

Внешний контур представляет собой кольцевой канал, заканчивающийся сужающимся соплом 9. Внутри внешнего контура, кроме патрубков 8, расположен теплообменник-конденсатор 10.

Теплообменник-испаритель 4 и теплообменник-конденсатор 10 имеют общее рабочее тело - воду, переходящую в пар и обратно. Теплообменники закольцованы через гидравлический насос Н. Объем воды равен объему каналов теплообменника-испарителя, по которым течет вода, и объему трубопроводов, соединяющих теплообменники.

Воздух через входное устройство 1 попадает в вентилятор 2, где его давление повышается в 2…2,5 раза. После вентилятора часть воздуха попадает во внутренний (первый) контур, а часть - в наружный (второй) контур.

В компрессоре 3 воздух сжимается (степень повышения давления на максимальных частотах вращения компрессора более 10). Температура воздуха повышается, после чего он поступает в теплообменник-испаритель 4.

В теплообменнике 4 циркулирует вода, которая перекачивается насосом Н из теплообменника 4 в теплообменник 10, а затем возвращается обратно.

На повышенных режимах работы двигателя (воздух за компрессором среднего давления нагревается до температуры более 600 К) вода в теплообменнике 4 превращается в пар, который вместе с остатками горячей воды отводится в теплообменник-конденсатор 10.

В теплообменнике 10 температура пара понижается, а давление - повышается до тех пор, пока не начинается выделение конденсата. Конденсат отводится насосом Н в теплообменник 4. Процесс повторяется. Система, состоящая из двух теплообменников и гидравлического насоса (фиг. 1), классифицируется как тепловой насос. Количество отводимой теплоты из внутреннего контура во внешний регулируется производительностью насоса Н.

Охлажденный в теплообменнике 4 воздух поступает в компрессор 5, сжимается, смешивается с топливом, которое затем сгорает в камере сгорания 6. Образовавшийся газ расширяется в турбинах, приводя в действие вентилятор и компрессоры. Продукты сгорания удаляются в атмосферу через выхлопные патрубки 8. Наличие патрубков позволяет реализовать в турбинах максимально-возможный перепад давлений, что необходимо для получения максимально-возможной степени двухконтурности ТРДД.

Другая часть воздуха, сжатого в вентиляторе, поступает во внешний контур двигателя, где этот воздух нагревается в теплообменнике 10, а также -при контакте с патрубками 8, после чего воздух разгоняется в сопле 9 и истекает в атмосферу со скоростью большей (скорость звука), чем скорость полета. В результате создается реактивная сила.

На фиг. 2 показан термодинамический цикл ТРДД с тепловым насосом в Р-υ координатах. Здесь н - в - сжатие воздуха во входном устройстве и вентиляторе; в - к₁ - сжатие воздуха в компрессоре среднего давления; к' - в' - процесс отвода теплоты в теплообменнике-нагревателе; в' - к₁ - сжатие воздуха в компрессоре высокого давления; к - г - процесс подвода теплоты в камере сгорания; г - т - расширение газа в турбинах; т - п - процесс отвода теплоты в выхлопных патрубках; п - н - отвод теплоты в атмосферу; в - г' - процесс подвода теплоты во внешнем контуре; г' - с - процесс расширения воздуха в сопле; с - н - отвод теплоты в атмосферу. Lц₁ - работа внешнего цикла; Lц₂ - работа внутреннего цикла.

Работа цикла ТРДД складывается из работ внешнего и внутреннего циклов: Lц=Lц₁+m⋅Lц₂, где m - степень двухконтурности ТРДД.

На фиг. 3 показана зависимость общего КПД ТРДД с тепловым насосом η_o от суммарной степени повышения давления в двигателе π_Σ и потребной тяги R в условиях крейсерского полета (Н=10 км, М=0,8) при диаметре вентилятора d=3,2 м. При построении данной зависимости величина полетного КПД определялась в соответствии с методикой, изложенной в работе [1], величина эффективного КПД определялась как .

Видно (фиг. 3), что повышение π_Σ более 40, которое возможно благодаря использованию теплового насоса (тепловой насос, перекачивая тепло, предотвращает рост температура воздуха более допустимой), повышает максимальный общий КПД ТРДД более 0,4…0,42.

Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом может быть использован в гражданской и военно-транспортной авиации. Положительным техническим результатом является уменьшение удельного расхода топлива, который обратно пропорционален общему КПД ТРДД.

Источники информации:

[1] Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2019, №6, с. 50-59, dio:10.18698/0536-1044-2019-6-50-59.

[2] Люлька A.M. Двухконтурный турбореактивный двигатель. А.с. 117179 СССР, 1958. 2 с.

[3] Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей / Под ред. Шляхтенко С.М. - М.: Машиностроение, 1987. 568 с.

[4] Письменный В.Л. Двухконтурный турбореактивный двигатель. Пат. РФ 2661427, 2018, бюл. №20, 9 с.

[5] Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // Общероссийский научно-технический журнал «Конверсия в машиностроении», 2006, №3, с. 5-10.

1. Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен теплообменник-конденсатор, сужающееся сопло; внешний контур пересекается выхлопными патрубками, которые соединяют внутренний контур с атмосферой, отличающийся тем, что между компрессором среднего давления и компрессором высокого давления расположен теплообменник-испаритель, который через гидравлический насос закольцован с теплообменником-конденсатором, теплообменники имеют общее рабочее тело - жидкость, переходящую в пар и обратно, объем жидкости равен объему каналов теплообменника-испарителя, по которым течет вода, и объему трубопроводов, соединяющих теплообменники.

2. Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом по п. 1, отличающийся тем, что жидкость - вода.

3. Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом по п. 1, отличающийся тем, что степень повышения давления в вентиляторе 2,0…2,5.

4. Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом по п. 1, отличающийся тем, что степень повышения давления в компрессоре среднего давления более 10.