RU2591361C1 - Engine of hypersonic aircraft - Google Patents

Engine of hypersonic aircraft Download PDF

Info

Publication number
RU2591361C1
RU2591361C1 RU2015100927/06A RU2015100927A RU2591361C1 RU 2591361 C1 RU2591361 C1 RU 2591361C1 RU 2015100927/06 A RU2015100927/06 A RU 2015100927/06A RU 2015100927 A RU2015100927 A RU 2015100927A RU 2591361 C1 RU2591361 C1 RU 2591361C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
compressor
combustion chamber
shaft
gas turbine
engine
Prior art date
Application number
RU2015100927/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Борисович Болотин
Original Assignee
Николай Борисович Болотин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Борисович Болотин filed Critical Николай Борисович Болотин
Priority to RU2015100927/06A priority Critical patent/RU2591361C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2591361C1 publication Critical patent/RU2591361C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: hypersonic aircraft engine comprises engine nacelle, air intake, casing, compressor with rotor compressor, combustion chamber installed after compressor and connected therewith an air duct, gas turbine, jet nozzle and fuel system connected with combustion chamber. Engine unit is made two-shaft. Compressor is made two-staged in form of in-series installed low and high pressure compressors, between which is air path, in which heat exchanger is installed. Inside air path coaxially with first shaft there is steam turbine with inlet and outlet headers. Input header is connected to output of heat exchanger, which input is connected to fuel system operating on water. Output header is connected with electrolytic cell, which first and second outputs are connected to combustion chamber. Downstream of combustion chamber there is gas turbine. Low-pressure compressor rotor is connected by first shaft to the steam turbine and compressor rotor is connected by second shaft with gas turbine.
EFFECT: invention is aimed at improving power performance of engine by increasing compression ratio of compressor, increased thrust and improved specific characteristics of propulsion system.
7 cl, 15 dwg

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 of 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 ограничений 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 the outlet of it exceeds 800 ° C. In addition, the energy potential of a gas turbine is not enough to drive a more powerful compressor due to gas temperature limitations 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 двигательной установке гиперзвукового самолета, содержащей мотогондолу, воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора, камеру сгорания, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, газовую турбину, реактивное сопло и топливную систему, соединенную с камерой сгорания, тем, что двигатель выполнен двухвальным, а компрессор выполнен двухкаскадным в виде последовательно установленных компрессоров низкого и высокого давления, между компрессорами низкого и высокого давления выполнен воздушный тракт, в котором установлен теплообменник, внутри воздушного тракта коаксиально первому валу установлена паровая турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы, входной коллектор соединен с выходом из теплообменника, вход которого соединен с топливной системой, работающей на воде, а выходной соединен с электролизером, первый и второй выходы которого соединены с камерой сгорания, за камерой сгорания установлена газовая турбина, ротор компрессора низкого давления первым валом соединен с газовой турбиной, а ротор компрессора высокого давления соединен вторым валом с газовой турбиной.The solution of these problems was achieved in the propulsion system of a hypersonic aircraft containing a nacelle, an air intake, a housing, a compressor with a compressor rotor, a combustion chamber installed behind the compressor and connected to it by an air path, a gas turbine, a jet nozzle and a fuel system connected to the combustion chamber, that the engine is twin-shaft, and the compressor is two-stage in the form of sequentially installed low and high pressure compressors, between low and high compressors In addition, an air path has been installed in which a heat exchanger is installed, a steam turbine is installed coaxially with the first shaft inside the air path, which has an input and output collectors, an input collector is connected to the outlet of the heat exchanger, the input of which is connected to a water-based fuel system, and the output is connected to an electrolyzer, the first and second outputs of which are connected to the combustion chamber, a gas turbine is installed behind the combustion chamber, the rotor of the low-pressure compressor is connected to the gas turbine by the first shaft, and the rotor of the high-pressure compressor is connected by a second shaft to a gas turbine.

С первым валом может быть соединен электрогенератор, который установлен во входном обтекателе и выход которого электрическими проводами соединен с электролизером. Мотогондола может быть выполнена с системой его охлаждения, которая соединена с топливной системой и с теплообменником. Входной обтекатель выполнен охлаждаемым и соединен последовательно с топливной системой и теплообменником. Двигательная установка может содержать вторую топливную систему, например, работающую на углеводородном топливе, а камера сгорания выполнена с двумя группами форсунок. Воздухозаборник может быть выполнен сверхзвуковым. Реактивное сопло может быть выполнено сверхзвуковым.An electric generator can be connected to the first shaft, which is installed in the input fairing and the output of which is connected to the electrolyzer by electric wires. The nacelle can be made with its cooling system, which is connected to the fuel system and to the heat exchanger. The inlet cowl is made cooled and connected in series with the fuel system and the heat exchanger. A propulsion system may contain a second fuel system, for example, operating on hydrocarbon fuel, and the combustion chamber is made with two groups of nozzles. The air intake can be made supersonic. The jet nozzle can be made supersonic.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…15, где:The invention is illustrated in FIG. 1 ... 15, where:

- на фиг. 1 приведена первая схема газотурбинного двигателя,- in FIG. 1 shows a first diagram of a gas turbine engine,

- на фиг. 2 приведена вторая схема газотурбинного двигателя,- in FIG. 2 shows a second diagram of a gas turbine engine,

- на фиг. 3 приведена третья схема газотурбинного двигателя,- in FIG. 3 shows a third diagram of a gas turbine engine,

- на фиг. 4 приведена схема охлаждаемого воздухозаборника,- in FIG. 4 shows a diagram of a cooled air intake,

- на фиг. 5 приведена схема охлаждаемого входного обтекателя,- in FIG. 5 shows a diagram of a cooled input fairing,

- на фиг. 6 приведена четвертая схема газотурбинного двигателя,- in FIG. 6 shows a fourth diagram of a gas turbine engine,

- на фиг. 7 приведена схема паровой турбины,- in FIG. 7 shows a diagram of a steam turbine,

- на фиг. 8 приведена схема электролизера,- in FIG. 8 shows a diagram of an electrolyzer,

- на фиг. 9 приведена первая схема камеры сгорания,- in FIG. 9 shows a first diagram of a combustion chamber,

- на фиг. 10 приведена вторая схема камеры сгорания,- in FIG. 10 shows a second diagram of a combustion chamber,

- на фиг. 11 приведена схема соединения теплообменника и мотогондолы,- in FIG. 11 shows a connection diagram of a heat exchanger and a nacelle,

- на фиг. 12 приведена схема соединения теплообменника, мотогондолы и воздухозаборника,- in FIG. 12 shows a connection diagram of a heat exchanger, a nacelle and an air intake,

- на фиг. 13 приведена схема соединения теплообменника, мотогондолы, воздухозаборника и входного обтекателя,- in FIG. 13 shows a connection diagram of a heat exchanger, a nacelle, an air intake and an intake fairing,

- на фиг. 14 приведен сверхзвуковой воздухозаборник,- in FIG. 14 shows a supersonic air intake,

- на фиг. 15 приведено сверхзвуковое реактивное сопло.- in FIG. 15 shows a supersonic jet nozzle.

Предложенное техническое решение (фиг. 1…15) содержит мотогондолу 1, воздухозаборник 2, входной обтекатель 3, корпус 4, компрессор низкого давления 5, воздушный тракт 6, теплообменник 7, компрессор высокого давления 8, камеру сгорания 9, газовую турбину 10 и реактивное сопло 11. Реактивное сопло 11 предпочтительно выполнить сверхзвуковым. В реактивном сопле 11 установлен обтекатель 12.The proposed solution (Fig. 1 ... 15) contains a nacelle 1, an air intake 2, an inlet cowl 3, a housing 4, a low pressure compressor 5, an air duct 6, a heat exchanger 7, a high pressure compressor 8, a combustion chamber 9, a gas turbine 10, and a jet nozzle 11. The jet nozzle 11 is preferably supersonic. In the jet nozzle 11 mounted fairing 12.

Компрессор низкого давления 5 содержит статор 13 и ротор 14. Компрессор высокого давления 8 содержит статор 15 и ротор 16. Камера сгорания 9 содержит жаровую трубу 17 и форсунки 18. Газовая турбина 10 содержит статор 19 и ротор 20.The low-pressure compressor 5 contains a stator 13 and a rotor 14. The high-pressure compressor 8 contains a stator 15 and a rotor 16. The combustion chamber 9 contains a heat pipe 17 and nozzles 18. A gas turbine 10 contains a stator 19 and a rotor 20.

Двигатель содержит два вала 21 и 22. Первый вал 21 установлен на опорах 23 и 24. Второй вал 22 установлен на опорах 25 и 26. Внутри воздушного тракта 6 концентрично первому валу 21 установлена паровая турбина 27, работающая на перегретой воде (паре). Паровая турбина 27 имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра воздушного тракта 6, чтобы его не загромождать. Кроме того, малые диаметральные габариты паровой турбины 27 уменьшают центробежные нагрузки на ее вращающиеся детали. Паровая турбина 27 содержит внешний корпус 28, входной и выходной коллекторы соответственно 29 и 30 и ротор 31 (фиг. 1 и 2). На фиг. 2 приведена более подробно конструкция паровой турбины 27.The engine contains two shafts 21 and 22. The first shaft 21 is mounted on the supports 23 and 24. The second shaft 22 is mounted on the supports 25 and 26. Inside the air path 6 concentrically to the first shaft 21 is installed a steam turbine 27 operating on superheated water (steam). The steam turbine 27 has an outer diameter smaller than the inner diameter of the air path 6 so as not to clutter it. In addition, the small diametrical dimensions of the steam turbine 27 reduce centrifugal loads on its rotating parts. The steam turbine 27 comprises an outer casing 28, input and output manifolds 29 and 30, respectively, and a rotor 31 (Fig. 1 and 2). In FIG. 2 shows in more detail the design of the steam turbine 27.

Двигатель (фиг. 1) содержит систему топливоподачи 32, имеющую бак 33, для хранения первого топлива (воды), топливопровод низкого давления 34, подключенный к выходу из бака 33. К топливопроводу низкого давления 34 присоединены насос 35, топливопровод высокого давления 36, регулятор расхода 37 и отсечной клапан 38. К системе топливоподачи 32 присоединен теплообменник 7 к выходу которого трубопроводом 39 присоединена паровая турбина 27, к выходу из которой трубопроводом 40 присоединен электролизер 41, предназначенный для разложения воды и имеющий два выхода, первый 42 для водорода и второй 43 для кислорода. Первый выход 42 трубопроводом 44 соединен с коллектором 45 и далее с форсунками 18. Второй выход 42 трубопроводом 46 соединен с полостью 47 перед камерой сгорания 9.The engine (Fig. 1) contains a fuel supply system 32 having a tank 33 for storing the first fuel (water), a low pressure fuel line 34 connected to the outlet of the tank 33. A pump 35, a high pressure fuel line 36, a regulator are connected to the low pressure fuel line 34. 37 and a shut-off valve 38. A heat exchanger 7 is connected to the fuel supply system 32, to the outlet of which a steam turbine 27 is connected by a pipe 39, to the outlet of which an electrolyzer 41, designed to decompose water and having two outputs, is connected by a pipe 40, the first 42 for hydrogen and the second 43 for oxygen. The first exit 42 by a pipe 44 is connected to the manifold 45 and then to the nozzles 18. The second exit 42 by a pipe 46 is connected to a cavity 47 in front of the combustion chamber 9.

К первому валу 21 присоединен электрогенератор 48, к выходу которого присоединены электрические провода 49, выходы которых соединены с анодом 50 и катодом 51 электролизера 41.An electric generator 48 is connected to the first shaft 21, to the output of which electric wires 49 are connected, the outputs of which are connected to the anode 50 and the cathode 51 of the electrolyzer 41.

Мотогондола 1 (фиг. 2) может быть выполнена из наружной оболочки 52, внутренней оболочки 53 с зазором 54 между ними, входного коллектора 55 и выходного коллектора 56, который трубопроводом 57 соединен с входом в теплообменник 7, выход которого трубопроводом 58 соединен с входом в электролизер 41.The nacelle 1 (Fig. 2) can be made of the outer shell 52, the inner shell 53 with a gap 54 between them, the inlet manifold 55 and the outlet manifold 56, which is connected by a pipe 57 to the inlet to the heat exchanger 7, the outlet of which is connected by a pipe 58 to the inlet electrolyzer 41.

На фиг. 3 приведена третья схема двигателя.In FIG. 3 shows the third engine diagram.

В ней входное устройство 2 и входной обтекатель 3 выполнены охлаждаемыми (фиг. 4 и 5). Воздухозаборник 2 содержит наружную стенку 59, внутреннюю стенку 60 с зазором 61 между ними. Кроме того, он содержит входной коллектор 62 и выходной коллектор 63. К входному коллектору 62 присоединена труба 64, а к выходному коллектору 63 труба 65.In it, the input device 2 and the input fairing 3 are made cooled (Figs. 4 and 5). The air intake 2 comprises an outer wall 59, an inner wall 60 with a gap 61 between them. In addition, it contains an input manifold 62 and an output manifold 63. A pipe 64 is connected to the input manifold 62, and a pipe 65 is connected to the output manifold 63.

На фиг. 5 приведен охлаждаемый входной обтекатель 3, который содержит наружную стенку 66, внутреннюю стенку 67, зазор 68 между ними, входной коллектор 69 и выходной коллектор 70, к которому присоединена труба 71. Внутри входного обтекателя 3 установлен электрогенератор 48. Это способствует его охлаждению.In FIG. 5 shows a cooled inlet fairing 3, which comprises an outer wall 66, an inner wall 67, a gap 68 between them, an input manifold 69 and an output manifold 70 to which the pipe 71 is connected. An electric generator 48 is installed inside the input fairing 3. This helps to cool it.

На фиг. 6 приведена схема двухтопливного двигателя.In FIG. 6 shows a diagram of a dual-fuel engine.

Применение двухтопливного двигателя целесообразно для разгона гиперзвукового самолета, так как для его взлета в случае использования в качестве топлива воды будет недостаточно энергии от сжигания водорода, разложенного на водород и кислород в электролизере 41.The use of a dual-fuel engine is expedient for accelerating a hypersonic aircraft, since for its take-off if water is used as fuel, there will be insufficient energy from burning hydrogen decomposed into hydrogen and oxygen in the electrolyzer 41.

Система подачи второго топлива 72 содержит бак 73 для хранения второго топлива, топливопровод низкого давления 74, подключенный к выходу из бака 73. К топливопроводу низкого давления 74 присоединены насос 75, топливопровод высокого давления 76, регулятор расхода 77 и отсечной клапан 78. К системе подачи второго топлива 72 присоединен теплообменник 7 и охлаждаемые воздухозаборник 2 и входной обтекатель 3, далее паровая турбина 27 и второй коллектор 79 с второй группой форсунок 80.The second fuel supply system 72 comprises a second fuel storage tank 73, a low pressure fuel line 74 connected to the outlet of the tank 73. A pump 75, a high pressure fuel line 76, a flow regulator 77, and a shutoff valve 78 are connected to the low pressure line 74. the second fuel 72 is connected to a heat exchanger 7 and a cooled air intake 2 and an intake fairing 3, then a steam turbine 27 and a second manifold 79 with a second group of nozzles 80.

Далее описана более подробно конструкция паровой турбины 27 (фиг. 7).The construction of the steam turbine 27 is described in more detail below (FIG. 7).

Корпус 28 содержит торцовые крышки 81 и 82, на которых размещены входной коллектор 29 и выходной коллектор 30 соответственно. На торцовых крышках 81 и 82 под коллекторами 29 и 30 выполнены отверстия 83 и 84. Корпус 31 установлен на статорной детали 85.The housing 28 includes end caps 81 and 82, on which the input manifold 29 and the output manifold 30 are located. The holes 83 and 84 are made on the end caps 81 and 82 under the collectors 29 and 30. The housing 31 is mounted on the stator part 85.

Ротор 31 содержит корпус 86 в виде полого усеченного конуса, к которому присоединены торцовые стенки 87 и 88. К торцовой стенке 87 присоединен первый вал 25, а к торцовой стенке 88 - втулка 89. Втулка 89 установлена на опоре 90.The rotor 31 comprises a housing 86 in the form of a hollow truncated cone to which end walls 87 and 88 are attached. A first shaft 25 is connected to end wall 87, and sleeve 89 is connected to end wall 88. Sleeve 89 is mounted on support 90.

На корпусе 28 с внутренней стороны установлены сопловые лопатки 91, а на корпусе 86 ротора 31 с внешней стороны установлены рабочие лопатки 92. Ротор 31 установлен на опорах 24 и 25 и уплотнен относительно статора 28 уплотнениями 93…96.Nozzle vanes 91 are installed on the housing 28 on the inside, and rotor blades 92 are installed on the housing 86 of the rotor 31 on the outside. The rotor 31 is mounted on the supports 24 and 25 and sealed relative to the stator 28 by seals 93 ... 96.

Второй вал 22 соединяет ротор 18 компрессора высокого давления 6 и ротор 24 газовой турбины 10 соответственно и установлен на опорах 25 и 26.The second shaft 22 connects the rotor 18 of the high-pressure compressor 6 and the rotor 24 of the gas turbine 10, respectively, and is mounted on supports 25 and 26.

На фиг. 8 приведен электролизер.In FIG. 8 shows the electrolyzer.

На фиг. 9 приведен первый вариант камеры сгорания 9. Применена кольцевая камера сгорания. Она содержит форсуночную плиту 97 с форсунками 18, жаровую трубу 17 с отверстиями 98, кожух 99 под жаровой трубой 17, установленный с образованием кольцевой полости 100 между ним и жаровой трубой 17. Внутри кожуха 99 выполнена полость 101.In FIG. 9 shows a first embodiment of the combustion chamber 9. An annular combustion chamber is used. It contains a nozzle plate 97 with nozzles 18, a flame tube 17 with holes 98, a casing 99 under the flame tube 17, mounted with the formation of an annular cavity 100 between it and the flame tube 17. Inside the casing 99, a cavity 101 is made.

На фиг.10 приведен второй вариант камеры сгорания. Между жаровой трубой 17 и внешней стенкой 102 выполнена полость 103.Figure 10 shows a second embodiment of the combustion chamber. A cavity 103 is formed between the flame tube 17 and the outer wall 102.

Теплообменник 7 может быть соединены последовательно с паровой турбиной (фиг. 11) или последовательно с охлаждаемым воздухозаборником 2 (фиг. 10) или еще дополнительно с охлаждаемым входным обтекателем 3 (фиг. 11)The heat exchanger 7 can be connected in series with a steam turbine (Fig. 11) or in series with a cooled air intake 2 (Fig. 10) or additionally with a cooled inlet cowl 3 (Fig. 11)

Возможно выполнение воздухозаборника 2 сверхзвуковым (фиг. 12). В этом случае он содержит сверхзвуковую часть 104, дозвуковую часть 105, входной коллектор 106, выходной коллектор 107.It is possible to perform the suction 2 supersonic (Fig. 12). In this case, it contains a supersonic part 104, a subsonic part 105, an input collector 106, an output collector 107.

Возможно выполнение реактивного сопла 11 сверхзвуковым. Это целесообразно для сверхзвуковых летательных аппаратов. В этом случае оно содержит дозвуковую часть 108, сверхзвуковую часть 109, входной коллектор 110, выходной коллектор 111.The execution of the jet nozzle 11 is supersonic. This is suitable for supersonic aircraft. In this case, it contains a subsonic part 108, a supersonic part 109, an input collector 110, an output collector 111.

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯENGINE OPERATION

При работе двигательной установки (фиг. 1…15) осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг. 1…15 стартер и источник энергии не показаны). Потом включают насос 35 и вода из бака 33 подается в теплообменник 7, потом по трубопроводу 39 в паровую турбину 27 и далее по трубопроводу 40 в электролизер 41, где разлагается на водород и кислород. Полученный водород по трубопроводу 44 подается в коллектор 45 и далее в форсунки 18 камеры сгорания 9. Одновременно по трубопроводу 46 кислород подается в полость 47, где смешивается с воздухом (фиг. 1 и 9). Водород воспламеняется при помощи запального устройства (на фиг. 1…15 запальное устройство не показано). В таком режиме двигатель может работать, если самолет уже летит с околозвуковой скоростью и подогрев воздуха на его входе достигает значительной величины. Разгон самолета может быть выполнен с применением других двигателей или с применением второго топлива.When the propulsion system is operating (Fig. 1 ... 15), it is started by supplying electricity to the starter from an external energy source (in Fig. 1 ... 15, the starter and the energy source are not shown). Then they turn on the pump 35 and the water from the tank 33 is supplied to the heat exchanger 7, then through the pipe 39 to the steam turbine 27 and then through the pipe 40 to the electrolyzer 41, where it decomposes into hydrogen and oxygen. The obtained hydrogen is fed through a pipe 44 to a manifold 45 and then to the nozzles 18 of the combustion chamber 9. At the same time, a pipe 46 is supplied with oxygen into a cavity 47, where it is mixed with air (Figs. 1 and 9). Hydrogen is ignited by the ignition device (in Fig. 1 ... 15 the ignition device is not shown). In this mode, the engine can work if the plane is already flying at a transonic speed and the air heating at its inlet reaches a significant value. Acceleration of the aircraft can be performed using other engines or using a second fuel.

Во втором варианте камеры сгорания (фиг. 10) запуск двигателя и работа на первом этапе осуществляется с применением второго топлива, которое из бака 73 (фиг. 6) подается по системе подачи второго топлива 72 во второй коллектор 79 и далее во вторую группу форсунок 80. После разгона самолета до М=0,8…1,0 производят переключение на первое топливо (воду), энергетического потенциала которого будет достаточно для автономной работы двигателя.In the second embodiment of the combustion chamber (Fig. 10), the engine is started and the first stage is operated using a second fuel, which is supplied from the tank 73 (Fig. 6) through the second fuel supply system 72 to the second manifold 79 and then to the second group of nozzles 80 After acceleration of the aircraft to M = 0.8 ... 1.0, they switch to the first fuel (water), the energy potential of which will be sufficient for the autonomous operation of the engine.

Возможна работа двигателя одновременно на двух топливах.The engine can operate simultaneously on two fuels.

Ротор 31 паровой турбины 27 раскручивается и раскручивает через первый вал 21 ротор 14 компрессора низкого давления 4. Ротор 16 компрессора высокого давления 8 приводится в действие ротором 20 газовой турбины 10 через второй вал 22. Компрессор низкого давления 5 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 6 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°С. Газ, имеющий высокую температуру и давление, обладает значительным энергетическим потенциалом для его срабатывания на газовой турбине 10 и для обеспечения эффективной работы реактивного сопла 11.The rotor 31 of the steam turbine 27 spins and spins through the first shaft 21 the rotor 14 of the low pressure compressor 4. The rotor 16 of the high pressure compressor 8 is driven by the rotor 20 of the gas turbine 10 through the second shaft 22. The low pressure compressor 5 provides a compression ratio of up to 30 ... 40, while the air temperature at its outlet can reach 800 ° K. It is next to impossible to compress such hot air in the compressor further. In the air path 6, the air is cooled to 300 ... 400 K and becomes again suitable for compression. During the combustion of fuel (hydrogen) in the combustion chamber 9, the temperature of the exhaust gas rises to 1800 ... 2000 ° C. A gas having a high temperature and pressure has a significant energy potential for its operation on the gas turbine 10 and to ensure the effective operation of the jet nozzle 11.

Применение парового теплообменника 7, как отмечалось ранее, позволит снизить температуру воздуха на выходе из них с 700…800 К до температуры 250…300 К перед компрессорами низкого и высокого давления 4 и 6, что позволит обеим компрессорам 5 и 8 обеспечить сжатие продуктов сгорания до 100…150 кгс/см (в земных условиях), т.е. до давления, соизмеримого с давлением в современных ЖРД. Без предварительного охлаждения компрессоры низкого и высокого давлений 5 и 8 были бы в принципе неработоспособны. Высокое давление перед камерой сгорания 9 позволяет обеспечить перепад давления на газовой турбине 10 и истечение продуктов сгорания из реактивного сопла 11 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=10…20 и значительно повысить высотность работы двигателя.The use of a steam heat exchanger 7, as noted earlier, will reduce the air temperature at the outlet of them from 700 ... 800 K to a temperature of 250 ... 300 K in front of the low and high pressure compressors 4 and 6, which will allow both compressors 5 and 8 to compress the combustion products to 100 ... 150 kgf / cm (in terrestrial conditions), i.e. to a pressure commensurate with the pressure in modern rocket engines. Without pre-cooling, low and high pressure compressors 5 and 8 would in principle be inoperative. The high pressure in front of the combustion chamber 9 allows for a pressure differential across the gas turbine 10 and the expiration of the combustion products from the jet nozzle 11 at supersonic speeds, thereby creating a large jet thrust. Very high thrust with small engine dimensions allows you to reach aircraft equipped with such an engine speed M = 10 ... 20 and significantly increase the altitude of the engine.

Регулирования силы тяги осуществляется регулятором расхода 37. При останове воздушно-реактивного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т.е. закрывают отсечной клапан 38.The thrust force is regulated by the flow regulator 37. When the jet engine is stopped, all operations are carried out in the reverse order, i.e. close the shut-off valve 38.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1. Повысить степень сжатия компрессоров газотурбинного двигателя за счет применения двух компрессоров, газовой турбины и паровой турбины, работающей на водяном паре, а также охлаждения продуктов сгорания перед вторым компрессором. Паровая турбина имеет небольшие диаметральные габариты, поэтому на ее рабочие лопатки действуют меньшие центробежные силы. Применение в качестве рабочего тела паров воды значительно увеличивает энергетический потенциал этого рабочего тела и обеспечивает безопасность. Кроме того, электролиз воды и использование в качестве топлива водорода увеличивает энергетический потенциал двигателя. Степень сжатия компрессоров удается повысить за счет применения теплообменника, установленного между ними.1. To increase the compression ratio of the compressors of the gas turbine engine through the use of two compressors, a gas turbine and a steam turbine running on steam, as well as cooling the combustion products in front of the second compressor. The steam turbine has small diametric dimensions, therefore, less centrifugal forces act on its working blades. The use of water vapor as a working fluid significantly increases the energy potential of this working fluid and ensures safety. In addition, the electrolysis of water and the use of hydrogen as fuel increases the energy potential of the engine. The compression ratio of the compressors can be increased through the use of a heat exchanger installed between them.

2. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями гиперзвуковых скоростей М=10…20.2. Ensure that aircraft equipped with these engines achieve hypersonic speeds M = 10 ... 20.

3. Повысить высотность двигателя за счет получения кислорода из воды.3. Increase engine altitude by generating oxygen from water.

4. Увеличить надежность двигателя за счет небольших габаритов паровой турбины и уменьшения центробежных нагрузок на ее лопатки.4. Increase engine reliability due to the small dimensions of the steam turbine and reduce centrifugal loads on its blades.

Claims (7)

1. Двигательная установка гиперзвукового самолета, содержащая мотогондолу, воздухозаборник, корпус, компрессор с ротором компрессора, камеру сгорания, установленную за компрессором и соединенную с ним воздушным трактом, газовую турбину, реактивное сопло и топливную систему, соединенную с камерой сгорания, отличающаяся тем, что двигательная установка выполнена двухвальной, а компрессор выполнен двухкаскадным в виде последовательно установленных компрессоров низкого и высокого давления, между компрессорами низкого и высокого давления выполнен воздушный тракт, в котором установлен теплообменник, внутри воздушного тракта коаксиально первому валу установлена паровая турбина, которая имеет входной и выходной коллекторы, входной коллектор соединен с выходом из теплообменника, вход которого соединен с топливной системой, работающей на воде, а выходной соединен с электролизером, первый и второй выходы которого соединены с камерой сгорания, за камерой сгорания установлена газовая турбина, ротор компрессора низкого давления первым валом соединен с паровой турбиной, а ротор компрессора высокого давления соединен вторым валом с газовой турбиной.1. The propulsion system of a hypersonic aircraft containing a nacelle, an air intake, a housing, a compressor with a compressor rotor, a combustion chamber installed behind the compressor and connected to it by an air path, a gas turbine, a jet nozzle and a fuel system connected to the combustion chamber, characterized in that the propulsion system is twin-shaft, and the compressor is two-stage in the form of sequentially installed low and high pressure compressors, between low and high pressure compressors an air path is made in which a heat exchanger is installed, a steam turbine is installed inside the air path coaxially to the first shaft, which has an inlet and an outlet manifold, the inlet manifold is connected to the outlet of the heat exchanger, the inlet of which is connected to the fuel system running on water, and the outlet is connected to the electrolyzer the first and second exits of which are connected to the combustion chamber, a gas turbine is installed behind the combustion chamber, the rotor of the low-pressure compressor is connected to the steam turbine by the first shaft, and the rotor the high pressure compressor is connected by a second shaft to a gas turbine. 2. Двигательная установка гиперзвукового самолета по п. 1, отличающаяся тем, что с первым валом соединен электрогенератор, который установлен во входном обтекателе и выход которого электрическими проводами соединен с электролизером.2. The propulsion system of a hypersonic aircraft according to claim 1, characterized in that an electric generator is connected to the first shaft, which is installed in the input fairing and the output of which is connected to the electrolyzer by electric wires. 3. Двигательная установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что фюзеляж выполнен с системой его охлаждения, которая соединена с топливной системой и с теплообменником.3. A propulsion system according to claim 1 or 2, characterized in that the fuselage is made with its cooling system, which is connected to the fuel system and to the heat exchanger. 4. Двигательная установка гиперзвукового самолета по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что входной обтекатель выполнен охлаждаемым и соединен последовательно с топливной системой и теплообменником.4. The propulsion system of a hypersonic aircraft according to claim 1 or 2, characterized in that the inlet fairing is made cooled and connected in series with the fuel system and the heat exchanger. 5. Двигательная установка гиперзвукового самолета по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит вторую топливную систему, например, работающую на углеводородном топливе, а камера сгорания выполнена с двумя группами форсунок.5. The propulsion system of a hypersonic aircraft according to claim 1 or 2, characterized in that it contains a second fuel system, for example, operating on hydrocarbon fuel, and the combustion chamber is made with two groups of nozzles. 6. Двигательная установка гиперзвукового самолета по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что воздухозаборник выполнен сверхзвуковым.6. The propulsion system of a hypersonic aircraft according to claim 1 or 2, characterized in that the air intake is made supersonic. 7. Двигательная установка гиперзвукового самолета по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что реактивное сопло выполнено сверхзвуковым. 7. The propulsion system of a hypersonic aircraft according to claim 1 or 2, characterized in that the jet nozzle is made supersonic.
RU2015100927/06A 2015-01-13 2015-01-13 Engine of hypersonic aircraft RU2591361C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015100927/06A RU2591361C1 (en) 2015-01-13 2015-01-13 Engine of hypersonic aircraft

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015100927/06A RU2591361C1 (en) 2015-01-13 2015-01-13 Engine of hypersonic aircraft

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2591361C1 true RU2591361C1 (en) 2016-07-20

Family

ID=56412388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015100927/06A RU2591361C1 (en) 2015-01-13 2015-01-13 Engine of hypersonic aircraft

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2591361C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674836C1 (en) * 2016-10-24 2018-12-13 Мицубиси Хитачи Пауэр Системс, Лтд. Gas turbine combustion chamber and method for operation thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2190964A (en) * 1986-05-28 1987-12-02 Messerschmitt Boelkow Blohm Combined turbojet, ramjet, rocket propulsion unit
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
DE3909050C1 (en) * 1989-03-18 1990-08-16 Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De
FR2687433A1 (en) * 1992-02-14 1993-08-20 Onera (Off Nat Aerospatiale) Propulsion unit with reversed components, with modulated supply
RU2066777C1 (en) * 1992-11-17 1996-09-20 Шевцов Валентин Федорович Engine
RU2327888C2 (en) * 2006-07-25 2008-06-27 Михаил Иванович Весенгириев Gas turbine engine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2190964A (en) * 1986-05-28 1987-12-02 Messerschmitt Boelkow Blohm Combined turbojet, ramjet, rocket propulsion unit
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
DE3909050C1 (en) * 1989-03-18 1990-08-16 Messerschmitt-Boelkow-Blohm Gmbh, 8012 Ottobrunn, De
FR2687433A1 (en) * 1992-02-14 1993-08-20 Onera (Off Nat Aerospatiale) Propulsion unit with reversed components, with modulated supply
RU2066777C1 (en) * 1992-11-17 1996-09-20 Шевцов Валентин Федорович Engine
RU2327888C2 (en) * 2006-07-25 2008-06-27 Михаил Иванович Весенгириев Gas turbine engine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2674836C1 (en) * 2016-10-24 2018-12-13 Мицубиси Хитачи Пауэр Системс, Лтд. Gas turbine combustion chamber and method for operation thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11828200B2 (en) Hydrogen-oxygen fueled powerplant with water and heat recovery
RU2561757C1 (en) Three-component air-jet engine
US20150275762A1 (en) High speed propulsion system with inlet cooling
US8250854B2 (en) Self-starting turbineless jet engine
RU2545615C1 (en) Liquid-propellant rocket engine turbo pump unit
RU2594828C1 (en) Propulsion engine of supersonic aircraft
US8978387B2 (en) Hot gas path component cooling for hybrid pulse detonation combustion systems
RU2591361C1 (en) Engine of hypersonic aircraft
RU135000U1 (en) HYDROCARBON RECTANGULAR ENGINE
AU3210384A (en) Process of intensification of the thermoenergetical cycle andair jet propulsion engines
US20240044287A1 (en) Antoni cycle intermittent combustion engine
RU2554392C1 (en) Hydrogen gas turbine engine
RU2561772C1 (en) Air-jet engine
CN204877714U (en) Aviation, space flight, navigation in mixed engine of an organic whole
US3486340A (en) Gas turbine powerplant with means for cooling compressed air
RU2553052C1 (en) Hydrogen air-jet engine
RU2594091C1 (en) Engine of hypersonic aircraft
RU2593573C1 (en) Engine of hypersonic aircraft
CN109869241B (en) Hypergravity gas engine device and method
RU2561764C1 (en) Hydrogen gas turbine engine
RU2552012C1 (en) Hydrogen gas-turbine engine
WO2011096850A1 (en) Blade and propulsion unit for tip-jet helicopter
RU2561773C1 (en) Double-fuel air-jet engine
RU2379532C1 (en) Nuclear gas turbine aircraft engine
RU95035U1 (en) JET HELICOPTER MOTOR