Двухконтурный турбореактивный двигатель с тепловым насосом - RU2723583C1

Код документа: RU2723583C1

Чертежи

Описание

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 ηе. Как движитель ВРД характеризуется полетным КПД ηп. В целом ВРД характеризуется общим КПД ηoе⋅ηп.

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 ηп=0,8…0,9 [1].

В ТРДД [2] используется термодинамический цикл Брайтона, термический КПД которого определяется как

где πΣ - суммарная степень повышения давления в цикле, kг - показатель адиабаты. Эффективный КПД цикла Брайтона как минимум на 20% ниже его термического КПД, т.е.
. Степени повышения давления πΣ в ТРДД достигли 45. Повышение πΣ 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 πΣ 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 πΣ, 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 πв=2,0…2,5, степень повышения давления в компрессоре среднего давления πк1 - 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 ηo от суммарной степени повышения давления в двигателе πΣ 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 πΣ 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.

Реферат

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.

Формула

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.

Документы, цитированные в отчёте о поиске

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Авторы

Патентообладатели

Заявители

СПК: F02C7/143 F02K3/115

Публикация: 2020-06-17

Дата подачи заявки: 2019-12-11

0
0
0
0
Невозможно загрузить содержимое всплывающей подсказки.
Поиск по товарам