RU2285131C1 - Steam-turbine engine - Google Patents
Steam-turbine engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2285131C1 RU2285131C1 RU2005112688/06A RU2005112688A RU2285131C1 RU 2285131 C1 RU2285131 C1 RU 2285131C1 RU 2005112688/06 A RU2005112688/06 A RU 2005112688/06A RU 2005112688 A RU2005112688 A RU 2005112688A RU 2285131 C1 RU2285131 C1 RU 2285131C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- engine
- compressor
- water
- turbine engine
- steam
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к авиадвигателестроению.The invention relates to aircraft engine manufacturing.
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.Recently, in Russia and abroad, the STIG technology of gas turbine engines (steam injection into the combustion chamber) has been developed, which have already found practical application in stationary and ship gas turbines (Emin O.N. Use of aircraft gas turbine engines to create combined gas turbine units for stationary and transport purposes. Textbook.M.: MAI, 1998, 80 pp.). The effective efficiency of combined cycle plants today reaches 58–60%, which is significantly higher than the efficiency of aircraft engines. One of the main problems hindering the introduction of STIG gas turbine technology in aviation is the need to place enough water on board an aircraft to operate the engine in flight. The use of hydrogen as an aviation fuel allows us to solve this problem: the output of water vapor (water) during the combustion of hydrogen in air is ~ 9 kg per kilogram of hydrogen, which is significantly greater than other known fuels. The technical solution in this case is reduced to two main tasks: the allocation of water from the combustion products and its effective use.
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).Known gas turbine engines (Theory, calculation and design of aircraft engines and power plants: Textbook edited by V. A. Sosunov, V. M. Chepkin. M: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 2003, Fig. 19-10, p. 567 ) in which a heat exchanger is installed in the output device (behind the turbine), the refrigerant of which is fuel (liquid hydrogen).
Известен способ форсирования газотурбинного двигателя впрыскиванием жидкости (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М.Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987 г., стр.374).A known method of forcing a gas turbine engine by injecting a liquid (Theory and calculation of jet engines. Edited by S.M.Shlyakhtenko. M.: Engineering, 1987, p. 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.Known liquid-air rocket engines (Theory, calculation and design of aircraft engines and power plants: a Textbook edited by V. A. Sosunov, V. M. Chepkin. M: Publishing House of the Moscow Aviation Institute, 2003, Fig. 19-21, p.576), which use freezers to release oxygen from the air.
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.Known air-fuel heat exchanger (Patent RU No. 2241937, MPK7 F 28 D 11/02, 2004), allowing to cool the air in the gas-air duct of the axial compressor. The heat exchanger is designed for gas turbine engines using cryogenic fuels.
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.The essence of the invention lies in the fact that in a gas turbine engine using liquid hydrogen as fuel, a freezer is located in the output device (behind the turbine), which consists of a heat exchanger whose coolant is fuel (liquid hydrogen) and a centrifugal separator located at the outlet of specified chamber and heated by exhaust gases. In the freezer, water is released (frozen) from the combustion products and removed (in the form of ice and condensate) in a special container. In gas turbine engines, water is used as an additional working fluid, which is supplied to the internal cavity of the drum of the axial compressor or to the mixing chamber in front of the engine turbine.
На фиг.1 изображена схема паротурбинного двигателя (ПТД);Figure 1 shows a diagram of a steam turbine engine (PDD);
На фиг.2 изображены зависимости эффективного КПД и удельной мощности ПТД от параметров рабочего процесса;Figure 2 shows the dependence of the effective efficiency and specific power of the PDD on the parameters of the working process;
На фиг.3 изображены зависимости эффективного КПД и удельной мощности ПТД от параметров рабочего процесса;Figure 3 shows the dependence of the effective efficiency and specific power of the PDD on the parameters of the working process;
На фиг.4 изображена схема паротурбинного двигателя.Figure 4 shows a diagram of a steam turbine engine.
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.The PTD is based on a turboprop engine and consists of an input device, a
Работа двигателя осуществляется следующим образом. Воздух через входное устройство поступает в компрессор 1 для сжатия (степень сжатия не менее 30).The engine is as follows. Air through the inlet device enters the
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.Water from the tank 7 under the action of the high-pressure pump is fed into the inner cavity of the
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.Compressed to a predetermined pressure air (a mixture of air and water vapor) is supplied in a continuous stream to
После прохождения турбины 3 отходящие газы делятся на два потока.After passing through the
Первый поток через выходное устройство удаляется в атмосферу.The first stream through the output device is removed to the atmosphere.
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.The second stream is sent to the
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.Figure 2 shows the dependences of the effective efficiency η e and the specific power N beats (effective power per kilogram of air flow) of a steam turbine engine on the parameters of the working process: the degree of air compression by the compressor PC and the relative water flow m (water flow per kilogram of flow air). The characteristics are calculated for the takeoff mode of the PDD. In the calculation, the gas temperature in front of the turbine was taken equal to 2000 K, the losses were taken into account by the corresponding coefficients: compressor efficiency - 0.83; Turbine efficiency - 0.94; pressure loss: in the input device - 1%; in the combustion chamber - 4%; in the output device - 4%. The separator was modeled by a separation coefficient Kc (the proportion of released water). Figure 2 presents the dependence for the four values of Ks: 0; 0.5; 0.75; 1,0. At Ks = 0, the PTD degenerates into a high-temperature fuel recovery with heat recovery, the characteristics of which are used as the starting point for evaluating (by comparison) the effectiveness of the PTD.
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.An analysis of the dependences shown in Fig. 2 shows that the liquid hydrogen coolant is sufficient to provide a water flow rate of 4% of the air flow rate, which makes it possible to increase the effective engine efficiency by 5–6%. A certain increase in engine mass (within 20%) due to the appearance of a freezer and an increase in the compression ratio of the compressor is compensated by an increase in the specific power of the engine by 15–30% and, accordingly, does not lead to a deterioration in the weight characteristics of the engine, rather the opposite.
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.In flight conditions, the effect of using the freezer increases. Figure 3 shows the dependences of the effective efficiency and specific power of the PTD obtained for the cruise flight conditions of the aircraft (H = 8 km, M = 0.8). It can be seen that the effective efficiency increases by 7–8%, and the specific power by 20–45%. The increase in the gap in the characteristics of the compared engines (PTD and TVD) is explained by the fact that, along with traditionally acting factors, such as: a decrease in air temperature and an increase in the total compression ratio, the efficiency of the freezer increases in the PDD with an increase in flight height. The latter is due to the fact that the relative fuel consumption increases, and, consequently, the water yield.
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.When using the liquid hydrogen coolant placed on board an aircraft, the theoretical capabilities of the PDD to extract water from the combustion products are realized by less than 20% (gas flow through the freezer does not exceed 25% of its total flow). Forcing the PDD (increase in water consumption) is possible due to the use of the atmospheric cold resource, which, unlike the fuel cold resource, is not limited. Technically, this means placing an
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.Water from the tank 7 can also be fed into the mixing chamber located in front of the engine turbine. However, in this case, a positive effect (an increase in effective efficiency) will be manifested when the relative water flows are greater than when the water is supplied to the internal cavity of the compressor.
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.Thus, the use of combined-cycle technologies in aircraft engine manufacturing, which is made possible by the use of a freezer, allows one to obtain effective efficiency of aircraft engines using liquid hydrogen at a level of 65% or more.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005112688/06A RU2285131C1 (en) | 2005-04-26 | 2005-04-26 | Steam-turbine engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005112688/06A RU2285131C1 (en) | 2005-04-26 | 2005-04-26 | Steam-turbine engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2285131C1 true RU2285131C1 (en) | 2006-10-10 |
Family
ID=37435614
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005112688/06A RU2285131C1 (en) | 2005-04-26 | 2005-04-26 | Steam-turbine engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2285131C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2628166C2 (en) * | 2012-02-29 | 2017-08-15 | Ансалдо Энерджиа Свитзерлэнд Аг | Method for operation of gas-turbine power plant with spent gas recycling and corresponding gas-turbine power plant |
RU196907U1 (en) * | 2019-08-12 | 2020-03-19 | Владимир Анисимович Романов | Missile with a gas-vapor powder engine, explosive nuclear charges and a rotary nozzle |
-
2005
- 2005-04-26 RU RU2005112688/06A patent/RU2285131C1/en active
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2628166C2 (en) * | 2012-02-29 | 2017-08-15 | Ансалдо Энерджиа Свитзерлэнд Аг | Method for operation of gas-turbine power plant with spent gas recycling and corresponding gas-turbine power plant |
RU196907U1 (en) * | 2019-08-12 | 2020-03-19 | Владимир Анисимович Романов | Missile with a gas-vapor powder engine, explosive nuclear charges and a rotary nozzle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
SU543360A3 (en) | Installation for the secondary liquefaction of gas | |
US8286431B2 (en) | Combined cycle power plant including a refrigeration cycle | |
US20140250935A1 (en) | Desiccant based chilling system | |
CN101185827A (en) | System and method for removing water and siloxanes from gas | |
WO2020176296A2 (en) | Method and apparatus for net-zero-water power plant cooling and heat recovery | |
RU2273741C1 (en) | Gas-steam plant | |
RU2285131C1 (en) | Steam-turbine engine | |
JPS6131290B2 (en) | ||
RU2287708C1 (en) | Power plant | |
US20110005192A1 (en) | Cooling system for an aircraft, aircraft comprising the cooling system and cooling method | |
RU2272916C2 (en) | Steam-gas turbine plant | |
CA2479985A1 (en) | Enhanced energy conversion system from a fluid heat stream | |
RU2545261C9 (en) | Gas turbine plant of raised efficiency | |
US20140216045A1 (en) | Gas turbine with improved power output | |
KR101727408B1 (en) | Gas turbine device | |
RU2779814C1 (en) | Gas turbine unit of gas pumping unit with anti-iced device | |
RU2067683C1 (en) | Three-loop steam-and-gas jet engine | |
RU23921U1 (en) | POWER GAS-TURBINE COMBINED PLANT | |
RU2238415C2 (en) | Combined-cycle plant | |
RU2666701C1 (en) | Stoichiometric steam and gas installation | |
RU2349775C1 (en) | Nuclear gas-turbine aviation engine | |
EP2295765A1 (en) | Autonomous cooling process, adaptable to thermal engines including gas turbine engines | |
RU2126902C1 (en) | Gas-turbine plant power stabilizing device | |
Shestopalov | EJECTOR CASCADE REFRIGERATION UNIT UTILIZING WASTE HEAT FOR MARINE APPLICATION | |
Radchenko | Assessment of ejector waste heat recovery refrigeration for pre-cooling gas turbine inlet air |