RU2386829C1 - Hypersonic turbo ejector engine - Google Patents
Hypersonic turbo ejector engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2386829C1 RU2386829C1 RU2009119156/06A RU2009119156A RU2386829C1 RU 2386829 C1 RU2386829 C1 RU 2386829C1 RU 2009119156/06 A RU2009119156/06 A RU 2009119156/06A RU 2009119156 A RU2009119156 A RU 2009119156A RU 2386829 C1 RU2386829 C1 RU 2386829C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ejector
- pressure channel
- turbine
- compressor
- main combustion
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к авиадвигателестроению.The invention relates to aircraft engine manufacturing.
Сегодня тяговые и расходные характеристики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) уступают аналогичным характеристикам прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), если скорость полета более трех-пяти чисел Маха. При этом комбинация ГТД и ПВРД не улучшает характеристик исходных двигателей.Today, the thrust and flow characteristics of aircraft gas turbine engines (GTE) are inferior to the similar characteristics of ramjet engines, if the flight speed is more than three to five Mach numbers. Moreover, the combination of gas turbine engines and ramjet engines does not improve the characteristics of the original engines.
Целью изобретения является разработка ГТД, обладающего лучшими тяговыми и расходными характеристиками, чем ПВРД.The aim of the invention is the development of a gas turbine engine with better traction and expense characteristics than ramjet.
Известен турбоэжекторный двигатель (Патент RU 2190772, МПК 7 F02С 3/32, 1999 г.), содержащий входное устройство, компрессор, основную камеру сгорания, турбину, газовый эжектор, канал высокого давления которого с одной стороны соединен с компрессором через основную камеру сгорания, а с другой стороны - с турбиной через камеру смешения, канал низкого давления с одной стороны соединен с атмосферой через входное устройство, а с другой стороны - с турбиной через камеру смешения, форсажную камеру сгорания, выходное устройство. Недостатком турбоэжекторных двигателей (ТРДЭ) является то, что на скоростях полета более пяти чисел Маха перепад давлений (разница давлений на выходе и на входе) в турбокомпрессоре становится отрицательным, что делает тяговые и расходные характеристики ТРДЭ хуже, чем у ПВРД.Known turbojet engine (Patent RU 2190772, IPC 7 F02C 3/32, 1999) containing an input device, a compressor, a main combustion chamber, a turbine, a gas ejector, the high pressure channel of which is connected on one side to the compressor through the main combustion chamber, and on the other hand, with the turbine through the mixing chamber, the low pressure channel is connected on one side to the atmosphere through the inlet device, and on the other hand, with the turbine through the mixing chamber, afterburner, and outlet device. The disadvantage of turbojet engines (TRDE) is that at flight speeds of more than five Mach numbers the pressure drop (pressure difference at the outlet and inlet) in the turbocharger becomes negative, which makes the traction and flow characteristics of the turbojet engine worse than for ramjet engines.
Известны теплообменные устройства, которые используются в ГТД, в том числе для охлаждения воздуха на входе в компрессор (Нечаев Ю.Н. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. - М.: Академия космонавтики, 1996, рис.24, 25).Heat transfer devices that are used in gas turbine engines are known, including for cooling air at the compressor inlet (Nechaev Yu.N. Power plants of hypersonic and aerospace aircraft. - M.: Cosmonautics Academy, 1996, Fig. 24, 25) .
Поставленная цель достигается тем, что в канале низкого давления газового эжектора ТРДЭ установлен паровоздушный эжектор, канал высокого давления которого является продолжением канала высокого давления водовоздушного теплообменника, установленного на входе в компрессор двигателя. Появление в ТРДЭ новых элементов позволяет решить ряд технических задач: а) повысить давление в канале низкого давления газового эжектора; б) понизить температуру воздуха на входе в компрессор; в) понизить коэффициент избытка воздуха в основной камере сгорания без повышения температуры газа перед турбиной, что в итоге позволяет достичь поставленной цели.This goal is achieved by the fact that a steam-air ejector is installed in the low-pressure channel of the gas ejector TRDE, the high-pressure channel of which is a continuation of the high-pressure channel of the water-air heat exchanger installed at the inlet to the engine compressor. The appearance of new elements in the TRE allows to solve a number of technical problems: a) increase the pressure in the low-pressure channel of the gas ejector; b) lower the air temperature at the inlet to the compressor; c) reduce the coefficient of excess air in the main combustion chamber without increasing the gas temperature in front of the turbine, which ultimately allows you to achieve your goal.
На фиг.1 изображена схема гиперзвукового турбоэжекторного двигателя (ГТРДЭ);Figure 1 shows a diagram of a hypersonic turbojet engine (GTRDE);
на фиг.2 изображена зависимость коэффициента тяги ГТРДЭ и ПВРД от числа Маха;figure 2 shows the dependence of the thrust coefficient GTRDE and ramjet from the Mach number;
на фиг.3 изображена зависимость общего коэффициента полезного действия ГТРДЭ и ПВРД от числа Маха;figure 3 shows the dependence of the overall efficiency of GTRDE and ramjet on the Mach number;
на фиг.4 изображена зависимость удельного импульса различных реактивных двигателей от числа Маха.figure 4 shows the dependence of the specific impulse of various jet engines on the Mach number.
ГТРДЭ (фиг.1) состоит из входного устройства 1, паровоздушного эжектора 2, водовоздушного теплообменника 3, канала низкого давления 4, компрессора 5, основной камеры сгорания 6, газового эжектора с камерой смешения 7, турбины 8, форсажной камеры сгорания 9, выходного устройства 10. При этом канал высокого давления газового эжектора соединен с компрессором через основную камеру сгорания, а канал низкого давления - с атмосферой через входное устройство 1. Камера смешения 7 с одной стороны соединена с газовым эжектором, а с другой стороны - с турбиной 8.GTRDE (figure 1) consists of an
Работа двигателя осуществляется следующим образом. Воздух из атмосферы через входное устройство 1 поступает в канал низкого давления 4 и в компрессор 5 (через канал низкого давления теплообменника 3). Сжатый в компрессоре до заданного давления воздух непрерывным потоком направляется в основную камеру сгорания 6, куда одновременно через форсунки подается топливо. Образующийся в результате сгорания газ поступает в канал высокого давления газового эжектора, заканчивающийся сужающимся соплом, и далее в камеру смешения 7. Скорость потока при истечении из сопла увеличивается, а статическое давление падает, что создает условия для эжекции воздуха из канала низкого давления 4 в камеру смешения. В камере смешения воздух и газ перемешиваются, тормозятся, в результате чего на выходе из камеры смешения устанавливается повышенное (по отношению к давлению воздуха во входном устройстве) полное давление газа. Из камеры смешения 7 газ поступает в турбину 8. Турбина приводит во вращение компрессор 5. Выходящий из турбины газ поступает в форсажную камеру сгорания, после чего расширяется в выходном устройстве и истекает в атмосферу, создавая тягу.The engine is as follows. Air from the atmosphere through the
На скоростях полета более пяти чисел Маха в теплообменник 3 под высоким давлением (более 5 МПа) с помощью гидравлического насоса подается вода, которая испаряется в каналах теплообменника (температура воды выше критической, которая для воды составляет 648 К) и в виде пара поступает в канал высокого давления паровоздушного эжектора 2, откуда со звуковой (сверхзвуковой) скоростью истекает в канал низкого давления 4 газового эжектора. При работе теплообменника 3 (паровоздушного эжектора) происходят энергетические превращения: а) понижается температура воздуха перед компрессором, что облегчает сжатие воздуха - повышает давление газа за компрессором (перед турбиной); б) повышается давление газа в канале низкого давления газового эжектора на 15÷20% (кинетическая энергия пара преобразуется в давление газа), что также повышает давление газа перед турбиной; в) повышается теплоемкость газа, что при неизменной температуре газа перед турбиной повышает расход топлива (понижается коэффициент избытка воздуха в основной камере сгорания) - мощность двигателя. Указанные энергетические превращения позволяют поддерживать перепад давлений в выходном устройстве ГТРДЭ выше, чем в ПВРД, что определяет физическую сущность достигаемого положительного результата.At flight speeds of more than five Mach numbers, water is supplied to the
Методом математического моделирования выполнено сравнение эффективности ГТРДЭ и ПВРД при условии задания оптимальных рабочих параметров для обоих двигателей: ГТРДЭ (степень повышения давления в условиях старта πк=3,6; коэффициент эжекции в условиях старта m=0,05; температура газа перед турбиной Тг*=2300 К; коэффициент избытка воздуха в основной камере сгорания αкс не более 1,3; суммарный коэффициент избытка воздуха αΣ=1,0); ПВРД (αΣ=1,0). Характеристики входного и выходного устройств - стандартные для ГЛА (Нечаев Ю.Н. Силовые установки гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. - M.: Академия космонавтики, 1996, табл.3, табл.8.а). Траектория полета - стандартная для ГЛА (Вестник академии космонавтики. - M.: Академия космонавтики, 1998, №2, с.153, рис.1). Изменение свойств газа в зависимости от его температуры и состава, а также потери давления в элементах двигателя и диссоциация продуктов сгорания при выполнении расчета учтены.By mathematical modeling performed and to compare the efficacy GTRDE ramjet provided job optimum operating parameters for both engines: GTRDE (pressure ratio π start conditions of k = 3.6, the ejection rate in the start conditions of m = 0,05; the gas temperature before the turbine Tr * = 2300 K; coefficient of excess air in the main combustion chamber α ks no more than 1.3; total coefficient of excess air α Σ = 1.0); Ramjet ramjet (α Σ = 1,0). The characteristics of the input and output devices are standard for the GLA (Nechaev Yu.N. Power plants of hypersonic and aerospace aircraft. - M .: Academy of Cosmonautics, 1996, Table 3, Table 8.a). The flight path is standard for the GLA (Bulletin of the Academy of Cosmonautics. - M .: Academy of Cosmonautics, 1998, No. 2, p. 153, Fig. 1). The change in the properties of a gas depending on its temperature and composition, as well as the pressure loss in the engine elements and the dissociation of combustion products during the calculation are taken into account.
На фиг.2 и 3 показаны зависимости коэффициента тяги Ср и общего КПД от числа Маха для ГТРДЭ и ПВРД. Видно, что во всем диапазоне скоростей полета (до семи чисел Маха) тяговые и расходные характеристики ГТРДЭ лучше, чем у ПВРД. Рост КПД на скоростях М>5 (фиг.3) происходит вследствие использования в ГТРДЭ дополнительного рабочего тела - воды, расход которой соизмерим с расходом топлива (на предельной скорости полета расход воды достигает 200% от расхода топлива).Figures 2 and 3 show the dependences of the traction coefficient Cp and the overall efficiency on the Mach number for GTRDE and ramjet. It can be seen that in the entire range of flight speeds (up to seven Mach numbers), the traction and discharge characteristics of the engine are better than those of the ramjet. The increase in efficiency at speeds M> 5 (Fig. 3) is due to the use of an additional working fluid in the gas turbine engine - water, the flow rate of which is comparable to the fuel consumption (at the maximum flight speed, water consumption reaches 200% of fuel consumption).
На фиг.4 показаны закономерности протекания удельных импульсов по М для ТРД, ПВРД, ГПВРД и ЖРД, работающих на водороде и керосине, по данным ЦИАМ. Здесь же для сравнения нанесены рассчитанные автором удельные импульсы ТРДЭ (затененные области), включая ГТРДЭ. Верхние границы указанных областей соответствуют минимальным температурам рабочего тела (максимальный КПД), при которых возможен горизонтальный полет ЛА, нижние - максимальным температурам, при которых реализуется максимальная лобовая тяга двигателя. Видно, что ТРДЭ в диапазоне скоростей от двух с половиной до семи чисел Маха являются наиболее эффективными двигателями среди известных аналогов.Figure 4 shows the patterns of specific impulses along M for turbojet engines, ramjet engines, engine scramjet engines and liquid propellant rocket engines operating on hydrogen and kerosene, according to TsIAM. Here, for comparison, the specific pulses of TRDE (shaded areas) calculated by the author, including GTRDE, are plotted. The upper boundaries of these regions correspond to the minimum temperatures of the working fluid (maximum efficiency) at which horizontal flight of the aircraft is possible, and the lower ones correspond to the maximum temperatures at which the maximum frontal thrust of the engine is realized. It can be seen that TRDE in the speed range from two and a half to seven Mach numbers are the most efficient engines among the known analogues.
ГТРДЭ могут найти применение в космической отрасли. Перспективным направлением считается доставка грузов в космос с использованием двухступенчатых авиационно-космических систем, в которых первой ступенью является гиперзвуковой самолет-разгонщик, разгоняющий вторую ступень до скоростей М=6÷7. По оценкам экспертов, стоимость доставки грузов в космос при использовании двухступенчатых авиационно-космических систем снижается в 5÷10 раз (Вестник академии космонавтики. - М.: Академия космонавтики, 1998, № 2, c.115).GTRDE can find application in the space industry. A promising direction is the delivery of goods into space using two-stage aerospace systems, in which the first stage is a hypersonic accelerator aircraft, which accelerates the second stage to speeds M = 6 ÷ 7. According to experts, the cost of delivering goods into space when using two-stage aerospace systems is reduced by 5–10 times (Bulletin of the Academy of Cosmonautics. - M: Academy of Cosmonautics, 1998, No. 2, p. 115).
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009119156/06A RU2386829C1 (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Hypersonic turbo ejector engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009119156/06A RU2386829C1 (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Hypersonic turbo ejector engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2386829C1 true RU2386829C1 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=46275244
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009119156/06A RU2386829C1 (en) | 2009-05-20 | 2009-05-20 | Hypersonic turbo ejector engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2386829C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2529601C2 (en) * | 2012-09-18 | 2014-09-27 | Николай Евгеньевич Староверов | Hypersonic engine (versions) |
RU2746294C1 (en) * | 2020-02-28 | 2021-04-12 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Two-engined aircraft power plant and power plant control method |
-
2009
- 2009-05-20 RU RU2009119156/06A patent/RU2386829C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2529601C2 (en) * | 2012-09-18 | 2014-09-27 | Николай Евгеньевич Староверов | Hypersonic engine (versions) |
RU2529601C9 (en) * | 2012-09-18 | 2015-03-20 | Николай Евгеньевич Староверов | Hypersonic engine (versions) |
RU2746294C1 (en) * | 2020-02-28 | 2021-04-12 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Two-engined aircraft power plant and power plant control method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109184953B (en) | Rocket type rotary detonation ramjet combined engine | |
EP1992788B1 (en) | Aircraft combination engines plural airflow conveyances system | |
JP2007182873A (en) | Thrust augmenting device and its method, and exhaust nozzle | |
CN105221295A (en) | A kind of punching press-turbojet compound aeroengine | |
CN107762661A (en) | A kind of pulse-knocking injection ultra-combustion ramjet combined engine | |
CN105156229A (en) | Mass injection-assistant turbine-based combined cycle engine | |
CN114810350B (en) | Methane precooling turbine-based combined cycle engine system with interstage combustion chamber | |
CN106168185A (en) | Air turbine punching press combined engine and method of work thereof | |
CN102146858A (en) | Stamping engine for pneumatic turbine | |
RU2386829C1 (en) | Hypersonic turbo ejector engine | |
US3396538A (en) | Water injection for thrust augmentation | |
CN102619642B (en) | Efficient turbojet engine | |
CN104832318A (en) | Ramjet engine | |
RU2386832C1 (en) | Method to augment aircraft engine | |
CN106523187A (en) | Divided flow gas turbine engine | |
CN204877714U (en) | Aviation, space flight, navigation in mixed engine of an organic whole | |
CN202001139U (en) | Stamping engine with pneumatic turbine | |
Lee et al. | Studies on ejector systems for hydrogen fuel cell | |
RU2594828C1 (en) | Propulsion engine of supersonic aircraft | |
CN203685414U (en) | Ramjet engine | |
CN102588303A (en) | Axial-flow compressor with air-supplying and pressurizing function | |
RU2179255C2 (en) | Hypersonic cryogenic air-jet engine | |
CN104963788A (en) | Hybrid engine applicable for aviation, spaceflight and navigation | |
RU2376483C1 (en) | Nuclear gas turbine engine with afterburning | |
CN105927421A (en) | Venturi jet engine |