RU2561772C1 - Air-jet engine - Google Patents
Air-jet engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2561772C1 RU2561772C1 RU2014101068/06A RU2014101068A RU2561772C1 RU 2561772 C1 RU2561772 C1 RU 2561772C1 RU 2014101068/06 A RU2014101068/06 A RU 2014101068/06A RU 2014101068 A RU2014101068 A RU 2014101068A RU 2561772 C1 RU2561772 C1 RU 2561772C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- compressor
- hydrogen
- turbine
- air
- gas turbine
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к авиационным двигателям для сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов.The invention relates to engine building, specifically to aircraft engines for supersonic and hypersonic aircraft.
Известен водородный газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2029118, МПК F02C 3/04, опубл. 20.05.1995 г., со вспомогательным контуром, работающим на водороде, во вспомогательный контур введен дополнительный воздушный тракт, связывающий выход из свободного компрессора со вспомогательной камерой. Водород в контуре двигателя играет роль хладагента. Для охлаждения турбины основного контура используется воздух высокого давления, который после охлаждения турбины подается в камеру сгорания промежуточного перегрева, куда поступает одновременно перешедший в газообразное состояние сжиженный воздух.Known hydrogen gas turbine engine according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2029118, IPC F02C 3/04, publ. 05/20/1995, with an auxiliary circuit operating on hydrogen, an additional air path was introduced into the auxiliary circuit, connecting the outlet from the free compressor with the auxiliary chamber. Hydrogen in the engine circuit acts as a refrigerant. To cool the turbine of the main circuit, high-pressure air is used, which, after cooling the turbine, is supplied to the intermediate overheating combustion chamber, where liquefied air enters the gaseous state at the same time.
Недостаток - низкие удельные характеристики двигателя вследствие малой степени сжатия воздуха в компрессоре.The disadvantage is the low specific characteristics of the engine due to the low degree of air compression in the compressor.
Известен водородный газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2320889, МПК F02K 3/04, опубл. 27.03.2008 г. (прототип), который содержит вентилятор, высоконапорный скоростной компрессор, мультипликатор, пароводяной нагреватель (генератор пара), форсажную камеру, турбодетандер с тепломассообменным аппаратом. Двигатель также имеет трехступенчатую активно-реактивную турбину, у которой третья ступень радиально-осевая, проточная часть которой переходит в критическое сверхзвуковое сечение сопла Лаваля, окруженное аккумулятором пара. Высоконапорный скоростной компрессор выполнен комбинированным со степенью повышения давления, равной 60. Двигатель рассчитан на тягу не менее 150 тонн с расходом воздуха через первый контур 600 кг/с, через второй контур - 1200 кг/с, температурой газа пред турбиной 2000 К. Вентилятор имеет наружный диаметр лопастей первого ряда 4000 мм. Внутри корпуса сопла Лаваля установлены форсунки подачи атомарного водорода для дожигания несгоревшего окислителя. Диски высоконапорного скоростного компрессора выполнены комбинированными - к осевым ступеням добавлены центробежные нагнетающие. Сопло Лаваля снабжено центральным телом, через отверстия которого подается паровоздушная смесь, создающая внешнюю упругую «оболочку-подушку», что позволяет изменять площадь проходного критического сечения сопла Лаваля.Known hydrogen gas turbine engine according to the patent of the Russian Federation for the invention No. 2320889, IPC F02K 3/04, publ. 03/27/2008 (prototype), which contains a fan, a high-pressure high-speed compressor, a multiplier, a steam-water heater (steam generator), an afterburner, a turboexpander with a heat and mass transfer apparatus. The engine also has a three-stage active-jet turbine, in which the third stage is radial-axial, the flow part of which passes into the critical supersonic section of the Laval nozzle, surrounded by a steam accumulator. The high-speed high-speed compressor is combined with a pressure increase of 60. The engine is designed for thrust of at least 150 tons with an air flow through the first circuit of 600 kg / s, through the second circuit - 1200 kg / s, the gas temperature in front of the turbine is 2000 K. The fan has the outer diameter of the blades of the first row is 4000 mm. Inside the housing of the Laval nozzle, atomic hydrogen injectors are installed to burn the unburned oxidizer. The disks of a high-pressure high-speed compressor are made combined - centrifugal pumps are added to the axial steps. The Laval nozzle is provided with a central body, through the openings of which a steam-air mixture is created, creating an external elastic “shell-pillow”, which allows changing the area of the critical section of the Laval nozzle through passage.
Недостатки - низкий уровень силы тяги, относительно низкие удельные параметры, например удельный расход топлива, недостаточная степень сжатия компрессора.Disadvantages - low level of traction, relatively low specific parameters, such as specific fuel consumption, insufficient compression of the compressor.
Низкие удельные параметры объясняются тем, что создать компрессор со степенью сжатия более 30…40 невозможно из-за того, что температура воздуха на выходе из него превысит 800°C. Кроме того, энергетического потенциала газовой турбины недостаточно для привода более мощного компрессора из-за ограничения температуры газов на выходе из турбины диапазоном 1700…1800 К в первую очередь из-за снижения ресурса рабочих лопаток газовой турбины. Рабочие лопатки газовой турбины находятся на большом диаметре, вращаются с огромными окружными скоростями, следовательно, на них действуют значительные центробежные нагрузки. Прочностные свойства материалов при увеличении температуры ухудшаются.Low specific parameters are explained by the fact that it is impossible to create a compressor with a compression ratio of more than 30 ... 40 due to the fact that the air temperature at its outlet exceeds 800 ° C. In addition, the energy potential of a gas turbine is not enough to drive a more powerful compressor due to the limitation of the temperature of the gases at the outlet of the turbine with a range of 1700 ... 1800 K, primarily due to a decrease in the resource of working blades of a gas turbine. The working blades of a gas turbine are on a large diameter, rotate at huge peripheral speeds, therefore, they are subject to significant centrifugal loads. The strength properties of materials with increasing temperature deteriorate.
Задачи создания изобретения: повышение энергетических возможностей газотурбинного двигателя и улучшение его удельных характеристик.Objectives of the invention: increasing the energy capabilities of a gas turbine engine and improving its specific characteristics.
Достигнутые технические результаты: повышение степени сжатия компрессора, увеличение силы тяги двигателя и улучшение его удельных характеристик.Achieved technical results: increasing the compression ratio of the compressor, increasing the traction force of the engine and improving its specific characteristics.
Решение указанных задач достигнуто в воздушно-реактивном двигателе, содержащем воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора и камеру сгорания, газовую турбину, вал, соединяющий компрессор и газовую турбину, и реактивное сопло, отличающемся тем, что за компрессором выполнен воздушный тракт, в котором установлен первый водородовоздушный теплообменник, внутри воздушного тракта коаксиально валу установлена водородная турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы, входной коллектор соединен с выходом из теплообменника, а выходной - с камерой сгорания, при этом за воздушным трактом установлены компрессор среднего давления и компрессор высокого давления, между которыми установлен второй водородовоздушный теплообменник, перед газовой турбиной установлена газовая турбина высокого давления, водородная турбина и компрессор среднего давления соединены вторым валом, установленным коаксиально первому, а компрессор высокого давления соединен с турбиной высокого давления третьим валом.The solution of these problems was achieved in an air-jet engine containing an air intake, a housing, a compressor with a compressor rotor and a combustion chamber, a gas turbine, a shaft connecting the compressor and a gas turbine, and a jet nozzle, characterized in that the air path is arranged behind the compressor, in which a first hydrogen-air heat exchanger is installed, a hydrogen turbine is installed coaxially to the shaft inside the air duct, which has an input and output collectors, an input collector is connected to the output of the heat exchanger and the output - with a combustion chamber, with a medium pressure compressor and a high pressure compressor installed between the air duct, a second hydrogen-air heat exchanger installed between them, a high-pressure gas turbine installed in front of the gas turbine, a hydrogen turbine and a medium pressure compressor connected by a second shaft mounted coaxially the first, and the high-pressure compressor is connected to the high-pressure turbine by a third shaft.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…4, где:The invention is illustrated in FIG. 1 ... 4, where:
- на фиг. 1 приведена схема водородного газотурбинного двигателя,- in FIG. 1 shows a diagram of a hydrogen gas turbine engine,
- на фиг. 2 приведена схема водородной турбины,- in FIG. 2 shows a diagram of a hydrogen turbine,
- на фиг. 3 приведена схема последовательного соединения водородновоздушных теплообменников,- in FIG. 3 shows a series connection diagram of hydrogen-air heat exchangers,
- на фиг 4 приведена схема параллельного соединения водородновоздушных теплообменников.- Fig. 4 shows a diagram of the parallel connection of hydrogen-air heat exchangers.
Предложенное техническое решение (фиг. 1…4) содержит воздухозаборник 1, корпус 2, компрессор 3, воздушный тракт 4, первый водородновоздушный теплообменник 5, компрессор среднего давления 6, второй водородновоздушный теплообменник 7, компрессор высокого давления 8, камеру сгорания 9, газовую турбину высокого давления 10, газовую турбину 11 и реактивное сопло 12. Реактивное сопло 12 предпочтительно выполнить сверхзвуковым.The proposed solution (Fig. 1 ... 4) contains an air intake 1,
Компрессор 3 содержит статор 14 и ротор 15. Компрессор среднего давления 6 содержит статор 16 и ротор 17. Компрессор высокого давления 8 содержит статор 18 и ротор 19. Камера сгорания 9 содержит жаровую трубу 20 и форсунки 21. Газовая турбина высокого давления 10 содержит статор 22 и ротор 23. Газовая турбина 11 содержит статор 24 и ротор 25. Вал 26 соединяет роторы 15 и 25 компрессора 3 и газовой турбины 11 и установлен на опорах 27 и 28. Внутри воздушного тракта 4 концентрично валу 26 установлена водородная турбина 29, работающая на перегретом водороде. Водородная турбина 29 имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра воздушного тракта 4, чтобы его не загромождать. Кроме того, малые диаметральные габариты водородной турбины 29 уменьшают центробежные нагрузки на ее вращающиеся детали. Водородная турбина 29 содержит статор 30, ротор 31, входной и выходной коллекторы соответственно 32 и 33 (фиг. 1 и 2).The
На фиг. 2 приведена более подробно конструкция водородной турбины 29. Статор 30 содержит корпус 34 с торцовыми крышками 35 и 36, на которых размещены входной коллекторы 32 и выходной коллектор 33 соответственно. На торцовых крышках 35 и 36 под коллекторами 33 и 32 выполнены отверстия 37 и 38.In FIG. 2 shows the construction of the
Ротор 31 содержит корпус 39 в виде полого усеченного корпуса, к которому присоединены торцовые стенки 40 и 41. К торцовой стенке 40 присоединена втулка 42, а к торцовой стенке 41 - второй вал 43. Второй вал 43 соединяет роторы 31 и 17 водородной турбины 27 и компрессора среднего давления 6. На корпусе 32 с внутренней стороны установлены сопловые лопатки 44, а на корпусе 39 ротора 31 с внешней стороны установлены рабочие лопатки 45. Ротор 31 установлен на опорах 46 и 47 и уплотнен относительно статора 30 уплотнениями 48, 49 и 50, 51.The
Третий вал 52 соединяет роторы 19 и 23 компрессора высокого давления 8 и турбины высокого давления 10 соответственно.A third shaft 52 connects the
Воздушно-реактивный двигатель (фиг. 1) содержит систему топливоподачи 52, имеющую бак 53 для хранения водорода, топливопровод низкого давления 54, подключенный к выходу из бака 53. К топливопроводу низкого давления 54 присоединены насос 55, топливопровод высокого давления 56, регулятор расхода 57 и отсечной клапан 58. Трубопроводы перепуска 59…61 соединяют соответственно второй водородно-воздушный теплообменник 7 с входом в первый водородновоздушный теплообменник 5, выход из первого водородновоздушного теплообменника 5 с входным коллектором 32 водородной турбины 29 и выходной коллектор 32 с камерой сгорания 9.The jet engine (FIG. 1) comprises a fuel supply system 52 having a
Водородновоздушные теплообменники 5 и 7 могут быть соединены последовательно (фиг. 1 и 3) или параллельно (фиг. 4). Во втором варианте входы в водородновоздушные тепообменники 5 и 7 соединены при помощи трубопровода 62, которому присоединен топливопровод высокого давления 56. Выходы из водородновоздушных теплообменников 5 и 7 соединены трубопроводом 63, к которому присоединен трубопровод 61.Hydrogen-
Возможно выполнение реактивного сопла 12 сверхзвуковым. Это целесообразно для сверхзвуковых летательных аппаратов.Possible execution of the
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯENGINE OPERATION
При работе воздушно-реактивного двигателя (фиг 1 и 2) осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг. 1 и 2 стартер и источник энергии не показаны). Потом включают насос 55 и водород из бака 53 подается во второй водородно-воздушный теплообменник 7, потом по трубопроводу перепуска 49 во входной коллектор 26 водородной турбины 23, потом из выходного коллектора 27 по трубопроводу перепуска 50 в форсунки 13 камеры сгорания 8, где воспламеняется при помощи запального устройства (на фиг. 1 и 2 запальное устройство не показано). Ротор 31 водородной турбины 29 раскручивается и раскручивает через второй вал 43 ротор 15 второго компрессора 6. Ротор 11 приводится в действие ротором 19 газовой турбины 8 через вал 20. Компрессор 3 обеспечивает степень сжатия до 30…40, при этом температура воздуха на его выходе может достичь 800 К. Сжимать такой горячий воздух в компрессоре дальше практически невозможно. В воздушном тракте 4 воздух охлаждается до 300…400 К и становится снова пригодным для сжатия. При сгорании топлива (водорода) в камере сгорания 9 температура выхлопных газов повышается до 1800…2000°C. Газ, имеющий высокую температуру и давление, обладает значительным энергетическим потенциалом для его срабатывания на газовых турбинах 10 и 11 и для обеспечения эффективной работы реактивного сопла 12.When the jet engine is operating (FIGS. 1 and 2), it is started by supplying electric power to the starter from an external energy source (in FIGS. 1 and 2, the starter and power source are not shown). Then they turn on the
Применение двух водородновоздушных теплообменников 5 и 7, как отмечалось ранее, позволит снизить температуру воздуха на выходе из них с 700…800 К до температуры 250…300 К перед компрессорами среднего и высокого давления 6 и 8, что позволит обеим компрессорам 6 и 8 совместно с компрессором 3 обеспечить сжатие продуктов сгорания до 100…150 кгс/см2 (в земных условиях), т.е. до давления, соизмеримого с давлением в современных ЖРД. Без предварительного охлаждения компрессоры среднего и высокого давлений 6 и 8 были бы в принципе неработоспособны. Высокое давление перед камерой сгорания 9 позволяет обеспечить перепад давления на газовых турбинах 10 и 11 и истечение продуктов сгорания из реактивного сопл 12 со сверхзвуковыми скоростями, тем самым создать большую реактивную тягу. Очень высокая сила тяги при малых габаритах двигателя позволяет достичь летательным аппаратам, оборудованным таким двигателем скоростей М=5…10 и значительно повысить высотность работы двигателя.The use of two hydrogen-
Регулирования силы тяги осуществляется регулятором расхода 57.Traction control is provided by a
При останове воздушно-реактивного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т.е. закрывают отсечной клапан 58.When the jet engine is stopped, all operations are carried out in the reverse order, i.e. close the shut-off
Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:
1. Повысить степень сжатия компрессоров газотурбинного двигателя за счет применения трех компрессоров, двух газовых турбин и турбины, работающей на водороде, а также охлаждения продуктов сгорания перед вторым компрессором. Водородная турбина имеет небольшие диаметральные габариты, поэтому на ее рабочие лопатки действуют меньшие центробежные силы. Применение в качестве рабочего тела чистого водорода значительно увеличивает энергетический потенциал этого рабочего тела. Кроме того, водород может быть подогрет практически до любой температуры, которая ограничивается только прочностью рабочих лопаток водородной турбины, работающей в более легких условиях, чем рабочие лопатки газовой турбины. Степень сжатия компрессоров удается повысить за счет применения двух водородновоздушных теплообменников, установленных между ними.1. To increase the compression ratio of the gas turbine engine compressors through the use of three compressors, two gas turbines and a hydrogen turbine, as well as cooling of the combustion products in front of the second compressor. The hydrogen turbine has small diametrical dimensions, so less centrifugal forces act on its working blades. The use of pure hydrogen as a working fluid significantly increases the energy potential of this working fluid. In addition, hydrogen can be heated to almost any temperature, which is limited only by the strength of the working blades of a hydrogen turbine operating in lighter conditions than the working blades of a gas turbine. The compression ratio of the compressors can be increased through the use of two hydrogen-air heat exchangers installed between them.
2. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями гиперзвуковых скоростей М=5…10.2. Ensure that aircraft equipped with these engines achieve hypersonic speeds M = 5 ... 10.
3. Повысить высотность двигателя за счет большей производительности трех компрессоров.3. Increase the height of the engine due to the greater productivity of the three compressors.
4. Увеличить надежность двигателя за счет небольших габаритов водородной турбины и уменьшения центробежных нагрузок на ее лопатки.4. Increase engine reliability due to the small size of the hydrogen turbine and reduce centrifugal loads on its blades.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014101068/06A RU2561772C1 (en) | 2014-01-14 | 2014-01-14 | Air-jet engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014101068/06A RU2561772C1 (en) | 2014-01-14 | 2014-01-14 | Air-jet engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2561772C1 true RU2561772C1 (en) | 2015-09-10 |
Family
ID=54073373
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014101068/06A RU2561772C1 (en) | 2014-01-14 | 2014-01-14 | Air-jet engine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2561772C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112096538A (en) * | 2020-08-26 | 2020-12-18 | 哈尔滨工业大学 | Hybrid multi-mode turbine stamping combined engine |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4751814A (en) * | 1985-06-21 | 1988-06-21 | General Electric Company | Air cycle thermodynamic conversion system |
FR2635826A1 (en) * | 1988-09-01 | 1990-03-02 | Mtu Muenchen Gmbh | METHOD FOR FUEL SUPPLYING A TURBO-STATOREACTOR AND TURBO-STATOREACTOR FOR IMPLEMENTING THE PROCESS |
FR2648517A1 (en) * | 1989-06-14 | 1990-12-21 | Snecma | COMBINED TURBOFUSED COMBINED STORAGE PROPELLER AND METHOD OF OPERATING THE SAME |
EP0444913A1 (en) * | 1990-02-27 | 1991-09-04 | Turbine Developments Aktiengesellschaft | A gas turbine |
SU1760806A1 (en) * | 1988-07-26 | 1995-11-10 | Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе | Gas-turbine engine with auxiliary loop |
RU2066777C1 (en) * | 1992-11-17 | 1996-09-20 | Шевцов Валентин Федорович | Engine |
-
2014
- 2014-01-14 RU RU2014101068/06A patent/RU2561772C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4751814A (en) * | 1985-06-21 | 1988-06-21 | General Electric Company | Air cycle thermodynamic conversion system |
SU1760806A1 (en) * | 1988-07-26 | 1995-11-10 | Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе | Gas-turbine engine with auxiliary loop |
FR2635826A1 (en) * | 1988-09-01 | 1990-03-02 | Mtu Muenchen Gmbh | METHOD FOR FUEL SUPPLYING A TURBO-STATOREACTOR AND TURBO-STATOREACTOR FOR IMPLEMENTING THE PROCESS |
FR2648517A1 (en) * | 1989-06-14 | 1990-12-21 | Snecma | COMBINED TURBOFUSED COMBINED STORAGE PROPELLER AND METHOD OF OPERATING THE SAME |
EP0444913A1 (en) * | 1990-02-27 | 1991-09-04 | Turbine Developments Aktiengesellschaft | A gas turbine |
RU2066777C1 (en) * | 1992-11-17 | 1996-09-20 | Шевцов Валентин Федорович | Engine |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112096538A (en) * | 2020-08-26 | 2020-12-18 | 哈尔滨工业大学 | Hybrid multi-mode turbine stamping combined engine |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2576403C2 (en) | Combined turbo-ramjet engine | |
US11255544B2 (en) | Rotating detonation combustion and heat exchanger system | |
US20150275762A1 (en) | High speed propulsion system with inlet cooling | |
US20080229751A1 (en) | Cooling system for gas turbine engine having improved core system | |
WO2001031181A1 (en) | Gas turbine cooling system | |
RU2561757C1 (en) | Three-component air-jet engine | |
RU2545615C1 (en) | Liquid-propellant rocket engine turbo pump unit | |
US8978387B2 (en) | Hot gas path component cooling for hybrid pulse detonation combustion systems | |
RU2561772C1 (en) | Air-jet engine | |
RU2594828C1 (en) | Propulsion engine of supersonic aircraft | |
US20240044287A1 (en) | Antoni cycle intermittent combustion engine | |
RU2554392C1 (en) | Hydrogen gas turbine engine | |
RU2591361C1 (en) | Engine of hypersonic aircraft | |
RU2594091C1 (en) | Engine of hypersonic aircraft | |
RU2553052C1 (en) | Hydrogen air-jet engine | |
RU2593573C1 (en) | Engine of hypersonic aircraft | |
RU2561764C1 (en) | Hydrogen gas turbine engine | |
US3486340A (en) | Gas turbine powerplant with means for cooling compressed air | |
CN115680881A (en) | Dual cycle intercooled engine architecture | |
RU2552012C1 (en) | Hydrogen gas-turbine engine | |
RU2376483C1 (en) | Nuclear gas turbine engine with afterburning | |
RU2271460C2 (en) | Gas-turbine turbofan engine | |
RU2561773C1 (en) | Double-fuel air-jet engine | |
RU2379532C1 (en) | Nuclear gas turbine aircraft engine | |
US20120151895A1 (en) | Hot gas path component cooling for hybrid pulse detonation combustion systems |