RU208884U1

RU208884U1 - Двухконтурный турбореактивный двигатель

Info

Publication number: RU208884U1
Application number: RU2021123692U
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонидович Письменный
Original assignee: Владимир Леонидович Письменный
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2022-01-19

Abstract

Полезная модель содержит входное устройство, вентилятор, внутренний контур, внешний контур. Внутри внутреннего контура расположены компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины. Внутри внешнего контура расположены воздуховоздушный теплообменник, сужающееся сопло. Внутренний контур соединен с атмосферой через выхлопные патрубки, которые пересекают внешний контур. Воздух из компрессора среднего давления поступает в воздухвоздушный теплообменник и далее - в компрессор высокого давления. Воздуховоздушный теплообменник позволяет понизить температуру воздуха на входе в компрессор среднего давления и, соответственно, на входе в камеру сгорания, что позволяет иметь высокие степени повышения давления воздуха в двигателе (более 100) и, соответственно, высокий эффективный КПД (более 0,5).

Description

Полезная модель относится к авиадвигателестроению. Эффективный КПД двухконтурных турбореактивных двигателей (ТРДД) не превышает 0,5 [1]. В ТРДД используется термодинамический цикл Брайтона, термический КПД которого зависит от степени повышения давления воздуха в цикле

, где π_∑ - суммарная степень повышения давления в цикле, k_г - показатель адиабаты. Эффективный КПД цикла Брайтона как минимум на 20% ниже его термического КПД, т.е.

. При этом степени повышения давления π_∑ в ТРДД составляют менее 45 (при π_∑>45 в цикле Брайтона происходит увеличение доли внутренних потерь и, как следствие, снижение эффективного КПД [1, с. 35, рис. 1.15]).

Целью полезной модели является повышение эффективного КПД ТРДД более 0,5.

Известен двухконтурный турбореактивный двигатель [2], состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены: компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен воздуховоздушный теплообменник, сужающееся сопло; внешний контур пересекается выхлопными патрубками, которые соединяют внутренний контур с атмосферой.

Поставленная цель достигается тем, что в двухконтурном турбореактивном двигателе, состоящем из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины; внешнего контура, внутри которого расположен воздуховоздушный теплообменник, сужающееся сопло, внешний контур которого пересекается выхлопными патрубками, соединяющими внутренний контур с атмосферой, воздух из компрессора среднего давления поступает в воздуховоздушный теплообменник и далее - в компрессор высокого давления.

Сущность полезной модели 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_∑ связано с тем, что при фиксированной температуре газа перед турбиной та же температура воздуха на входе в камеру сгорания (то же количество подведенной в цикле теплоты) достигается при более высоких π_∑, чем в прототипе.

Предпочтительно иметь степень повышения давления в вентиляторе π_в=2,0…2,5.

На фиг. 1 показан ТРДД;

на фиг. 2 показан термодинамический цикл ТРДД;

на фиг. 3 показана зависимость эффективного КПД ТРДД от суммарной степени повышения давления в двигателе.

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

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

Внешний контур представляет собой кольцевой канал, заканчивающийся сужающимся соплом 8. Внутри внешнего контура, кроме патрубков 7, расположен воздуховоздушный теплообменник 9.

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, его температура повышается, после чего воздух поступает в теплообменник 9.

В теплообменнике 9 температура воздуха понижается, и он поступает в компрессор высокого давления 4, сжимается, поступает в камеру сгорания 5, смешивается с топливом, которое затем сгорает в камере сгорания. 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 9, а также - при контакте с патрубками 7, после чего воздух разгоняется в сопле 8 и истекает в атмосферу со скоростью большей (скорость звука), чем скорость полета. В результате создается реактивная сила.

На фиг. 2 показан термодинамический цикл ТРДД 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 [3].

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

На фиг. 3 показана зависимость эффективного КПД ТРДД η_е от суммарной степени повышения давления в двигателе π_∑ для двигателя с теплообменником (сплошная линия) и без него (пунктирная линия). Эффективный КПД ТРДД (фиг. 1) определялся как

Расхождение в значениях эффективного КПД ТРДД с теплообменником и без него (фиг. 3) объясняется тем, что работа цикла в ТРДД без теплообменника при больших степенях повышения давления уменьшается, а потери энергии практически не меняются, соответственно, доля потерь по отношению к работе цикла возрастает, что ведет к снижению эффективного КПД (в конце концов, вся работа цикла тратится на компенсацию указанных потерь - эффективный КПД стремится к нулю). В ТРДД с теплообменником этого не происходит - работа цикла при больших степенях повышения давления воздуха не уменьшается, что является следствием сохранения разницы температур на выходе из камеры сгорания и на входе в камеру сгорания (q₁ ≈ const).

Двухконтурный турбореактивный двигатель может быть использован в гражданской и военно-транспортной авиации. Положительным техническим результатом является уменьшение удельного расхода топлива, который, как известно [1], обратно пропорционален величине эффективного КПД.

Источники информации:

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

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

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

Claims

1. Двухконтурный турбореактивный двигатель, состоящий из входного устройства, вентилятора, внутреннего контура, внутри которого расположены компрессор среднего давления, компрессор высокого давления, камера сгорания, турбины, внешнего контура, внутри которого расположены воздуховоздушный теплообменник, сужающееся сопло, внешний контур пересекается выхлопными патрубками, которые соединяют внутренний контур с атмосферой, отличающийся тем, что воздух из компрессора среднего давления поступает в воздуховоздушный теплообменник и далее в компрессор высокого давления.

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