Силовая установка

 

Использование: в авиационном двигателестроении. Сущность изобретения: газотурбинный двигатель содержит вспомогательный контур (ВК), основной контур (ОК) и замкнутую паротурбинную установку (ЗПУ). Дополнительный теплообменник подключен холодной стороной к выходу из дополнительного компрессора и входу в дополнительную камеру сгорания ВК, а горячей стороной - к выходу из турбины ОК. ВК снабжен свободным каскадом компрессора, соединенным с паровой турбиной ЗПУ. 1 ил.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению и может быть применено при производстве турбовинтовых, турбовинтовентиляторных и турбовальных двигателей.

Известна конструкция ТВД с регенерацией тепла. В ней сжатый в компрессоре воздух подается в теплообменник, установленный за турбиной. Нагреваясь в нем, он отбирает часть тепла у потока газа перед реактивным соплом. В результате повышается экономичность двигателя.

Однако подобный двигатель может быть выполнен только с умеренными значениями степени сжатия воздуха π_к^* в компрессоре, так как при высоких значениях π_к^* хладоресурса воздуха может не остаться. К недостаткам следует отнести также и низкие значения коэффициентов теплоотдачи α_в, так как давление подогреваемого воздуха в теплообменнике невысокое. Это ведет к необходимости использования громоздких теплообменников.

Наиболее близким техническим решением , выбранным в качестве прототипа, является ГТД , содержащий основной контур, включающий газодинамический тракт основного ГТД, вспомогательный контур, состоящий из компрессора, камеры сгорания, турбины, системы охлаждения основного ГТД, замкнутую газо(паро)турбинную установку, включающую конденсатор, насос, турбину, связанную валом с турбиной вспомогательного контура и нагрузкой, теплообменники, греющие стороны которых включены последовательно во вспомогательный контур. В качестве топлива может быть использовано криогенное топливо.

Недостатками этого ГТД являются следующие: мощность с вала турбины замкнутой газо(паро)турбинной установки передается внешней нагрузке в виде электрогенератора, а также не утилизируется тепло выхлопных газов.

Целью изобретения является повышение экономичности и снижение веса двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что турбина замкнутой газо(паро)турбинной установки соединена валом со свободным каскадом компрессора вспомогательного контура, установленным перед компрессором вспомогательного контура и механически с ним не связанным, выход компрессора вспомогательного контура соединен с помощью дополнительного теплообменника с камерой сгорания вспомогательного контура, причем горячая сторона этого теплооб- менника включена в газодинамический тракт основного контура между турбиной и соплом.

Дополнительный подвод механической энергии из замкнутой газо(паро)турбинной установки позволяет повысить давление за турбиной газогенератора вспомогательного контура. Как следствие, уменьшится площадь выходного сечения из этой турбины F_ткв/F_ткво= (1) В результате при неизменной величине параметра напряжений ε= const в лопатках турбины газогенератора вспомогательного контура можно увеличить частоту вращения n_ткв ротора турбокомпрессора этого контура n_ткв/n_ткво= , (2) где l_кв - работа компрессора газогенератора вспомогательного контура; l_ксв - работа свободного каскада компрессора того же контура; μ_кпв - политропический КПД сжатия; F_ткв, F_ткво - площадь выходного сечения из турбины газогенератора со свободным каскадом и без него; n_ткв, n_ткво - частота вращения ротора турбокомпрессора газогенератора со свободным каскадом и без него.

Увеличение n_ткв приведет либо к уменьшению среднего диаметра компрессора вспомогательного контура, либо к уменьшению числа его ступеней, т. е. к уменьшению массы турбокомпрессора вспомогательного контура. Так как механическая энергия из замкнутй газо(паро)турбинной установки передается во вспомогательный контур, а оттуда - в основной, то, следовательно, в основной контур будет передано больше механической энергии, чем в известном двигателе. В результате массу двигателя можно будет уменьшить еще больше.

Кроме того, свободную турбину вспомогательного контура с конструктивной точки зрения выгоднее располагать в проточной части основного контура. В результате уменьшены диаметры трубопроводов, соединяющих выход турбины газогенератора с входом свободной турбины вспомогательного контура и будет меньше загромождение проточной части основного контура.

Глубокое охлаждение воздуха во вспомогательном контуре перед его сжатием в компрессоре позволяет увеличить расход воздуха в этом контуре при заданном хладоресурсе топлива. В результате, кроме охлаждения турбины и камеры сгорания основного контура, можно утилизировать тепло уходящих газов этого контура.

На чертеже изображена схема предложенного ГТД.

Он содержит основной контур, вспомогательный контур и замкнутую газо(паро)турбинную установку. Основной контур включает компрессор 1, свободный каскад компрессора основного контура 2, камеру сгорания 3, турбину 4 (каналы охлаждения и схема их подключения к вспомогательному контуру не показаны) и теплообменник 5, кроме того, в пределах основного контура находится свободная турбина 6 вспомогательного контура. Вспомогательный контур содержит теплообменники 7 и 8, свободный каскад компрессора вспомогательного контура 9, компрессор 10, камеру сгорания 11, турбину газогенератора 12 и свободную турбину 6. Замкнутая газо(паро)турбинная установка состоит из конденсатора 13, насоса 14, теплообменника 7, служащего нагревателем, турбины 15. Питание двигателя осуществляется криогенным топливом, расположенным в баке 16 и подаваемым в камеру сгорания вспомогательного контура насосом 17.

Предложенный ГТД работает следующим образом.

Воздух из атмосферы поступает в компрессор 1, сжимается в нем в свободном каскаде компрессора основного контура 2. После этого большая часть сжатого воздуха направляется в камеру сгорания 3, где, смешиваясь с горячим газом из вспомогательного контура, богатым топливом (α<1), сгорает, далее направляется в турбину 4, где, расширяясь, совершает работу. Избыточна работа передается винту или электрогенератору. Меньшая часть сжатого воздуха после свободного каскада компрессора основного контура 2 поступает во вспомогательный контур. Охлаждается в теплообменниках 7 и 8, сжимается в свободном каскаде компрессора вспомогательного контура 9, компрессоре 10. Далее одна часть воздуха подается на нужды охлаждения турбины и камеры сгорания основного контура (на чертеже не показано), другая часть воздуха подогревается в теплообменнике 5, утилизируя тепло покидающих двигатель газов. Нагретый воздух поступает в камеру сгорания 11, куда подается также избыточное количество криогенного топлива. В ней выгорает весь кислород воздуха. Богатая горючая смесь расширяется в турбинах 12 и 6, после чего поступает в камеру сгорания 3, где и догорает. В теплообменнике 7 воздух охлаждается рабочим телом замкнутой газо(паро)турбинной установки (рабочим телом может быть, например, СО₂ или вода). Сжиженное рабочее тело в конденсаторе 13 подается под высоким давлением насосом 14 в теплоообменник 7, где подогревается. Далее оно расширяется в турбине 15, механически связанной валом со свободным каскадом компрессора вспомогательного контура 9. В конденсаторе 13 рабочее тело замкнутой газо(паро)турбинной установки и воздух в теплообменнике 8 охлаждаются криогенным топливом, подаваемым из бака 16 насосом 17.

Предложенный ГТД по сравнению с прототипом позволяет повысить экономичность и снизить массу двигателя. (56) С. М. Шляхтенко. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей, М. : Машиностроение, 1987, с. 568.

Манушин Э. А. Газовые турбины: проблемы и перспективы, М. : Энергоиздат, 1986, с. 94, рис. 3.22.

Формула изобретения

СИЛОВАЯ УСТАНОВКА, содержащая основной контур с камерой сгорания, компрессором и турбиной, вспомогательный контур, имеющий последовательно соединенные дополнительный компрессор, камеру сгорания и турбину и подключенный входом к области за компрессором, а выходом - к камере сгорания основного контура, и замкнутую паротурбинную установку, включающую питательный насос, теплообменники-нагреватели, паровую турбину и теплообменник-конденсатор, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности, установка снабжена дополнительным теплообменником, подключенным холодной стороной к выходу из дополнительного компрессора и входу в дополнительную камеру сгорания, а горячей стороной - к выходу из турбины основного контура при этом вспомогательный контур снабжен свободным каскадом компрессора, соединенным с паровой турбиной и установленным перед дополнительным компрессором.

РИСУНКИ

Рисунок 1