Способ форсирования авиационных двигателей

Изобретение относится к энергетике. Способ работы газотурбинного двигателя с форсажной камерой, заключающийся в том, что формируют топливовоздушную смесь и обеспечивают ее горение в основной камере сгорания. Продукты сгорания расширяют в турбине и подают их в форсажную камеру, где смешивают продукты сгорания с форсажным топливом. В качестве форсажного топлива используют наночастицы алюминия, радиус которых составляет не более 25 нанометров. В качестве окислителя для форсажного топлива используют пары воды и углекислый газ, содержащиеся в продуктах сгорания основной камеры сгорания. Изобретение позволяет увеличить тягу двигателя. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационному двигателестроению и может быть использовано при проектировании газотурбинных двигателей (ГТД).

В авиационной отрасли важным направлением является форсирование газотурбинных двигателей с целью увеличения их удельной тяги.

Известен способ форсирования ГТД впрыскиванием жидкости в газовоздушный тракт двигателя (Теория и расчет ВРД. Под ред. С.М. Шляхтенко, Москва, Машиностроение, 1987, стр. 374). Известен также способ форсирования ГТД наддувом турбины воздухом второго контура (патент РФ №2193099). Известен способ форсирования ГТД увеличением частоты вращения ротора (Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров. Теория авиационных ГТД. Часть II, Москва, Машиностроение, 1978 г., с. 175, рис. 15.9) и др.

В области создания двигателей для военной авиации, для которых характерно выполнение скоростных маневров, форсирование осуществляется за счет кратковременной подачи дополнительного топлива в форсажную камеру ГТД (см., например, Теория и расчет ВРД. Под ред. С.М. Шляхтенко, Москва, Машиностроение, 1987, стр. 37).

Известен способ форсирования, при котором в форсажную камеру подают дополнительное топливо и обеспечивают дополнительное изменение направления вектора тяги (патент США №6125627).

В качестве топлива, подаваемого в форсажную камеру, может использоваться как жидкое, так и твердое топливо.

Известен способ форсирования (патент РФ №2382894), где применяется дополнительный источник топлива в форсажном режиме помимо основного. В патенте предлагается абляционное внутреннее сопло для защиты оболочки внешнего сопла, которое, испаряясь, создает дополнительный горючий газ для управляемого горения при работе форсажной камеры. Причем испарение абляционного материала происходит только на форсажном режиме при повышении температуры газового потока в силу сгорания добавочного топлива в оставшемся кислороде первичных продуктов сгорания. Согласно патенту допустимо многократное использование форсажного режима за один полет при условии малоинтенсивности и кратковременности каждого включения форсажной камеры. Оговаривается возможность восстановления абляционного покрытия при каждом следующем полете.

Данное техническое решение выбрано в качестве наиболее близкого аналога.

Недостатком известного способа является то, что сечение выхлопного сопла в дозвуковом режиме после многократного включения форсажного режима в течение одного полета изменяется. Кроме того, в авиационном двигателестроении в настоящее время существует тенденция к переходу от бедных керосино-воздушных смесей к стехиометрическим, когда после сгорания керосина в основной камере сгорания первичные продукты сгорания уже не содержат окислителя, необходимого для сгорания топлива в форсажной камере. Уменьшение количества «свободного» кислорода в форсажной камере ограничивает возможности форсирования двигателя.

Задачей изобретения является форсирование двигателя в случае использования в основной камере сгорания стехиометрических топливовоздушных смесей.

Технический результат заключается в увеличении тяги двигателя, необходимой для выполнения скоростных маневров.

Заявленный технический результат достигается реализацией способа работы газотурбинного двигателя с форсажной камерой, при котором формируют топливовоздушную смесь, обеспечивают ее горение в основной камере сгорания газотурбинного двигателя, расширяют продукты сгорания в турбине и подают их в форсажную камеру, где смешивают продукты сгорания с топливом, подаваемым в форсажную камеру.

Новым в предлагаемом способе является то, что в качестве форсажного топлива используют наночастицы алюминия, а в качестве окислителя - пары воды и углекислый газ, содержащиеся в продуктах сгорания.

Возможность достижения заявленного технического результата обусловлена тем, что замена форсажного топлива на наночастицы алюминия позволит окислять алюминий в форсажной камере продуктами сгорания керосина в основной камере, а не оставшимся в продуктах сгорания «свободным» кислородом. Следовательно, появляется возможность использовать в основной камере сгорания стехиометрическую топливовоздушную смесь. Кроме того, изменение химического состава форсажного топлива уменьшит продольные габариты форсажной камеры и расход топлива при сохранении тех же тяговых и энергетических характеристик на форсажном режиме, или, не меняя параметров уже существующей форсажной камеры, позволит добиться более существенного прироста удельной тяги.

При реализации изобретения целесообразно осуществлять подачу наночастиц алюминия в форсажную камеру путем инжектирования в струе аргона при мольном соотношении наночастиц алюминия и аргона не более 1:5. Причем желательно использовать наночастицы алюминия с радиусом не более 25 нанометров.

Целесообразно также обеспечивать защиту наночастиц алюминия от окисления путем нанесения антиоксидантного покрытия, при этом антиоксидантное покрытие желательно использовать в качестве дополнительного топлива. В этом случае антиоксидантное покрытие выполняют из карбида алюминия, толщина которого составляет 2-5 нанометров.

Изобретение поясняется подробным описанием со ссылкой на чертеж, где показана схема двухконтурного газотурбинного двигателя с форсажной камерой. На чертеже использованы следующие обозначения:

1 - внешний контур двигателя;

2 - поток воздуха;

3 - внутренний контур двигателя;

4 - компрессор;

5 - основная камера сгорания;

6 - турбина;

7 - форсажная камера сгорания;

8 - канал подачи наночастиц алюминия;

9 - вторичные продукты горения;

10 - сопло;

11 - канал подачи основного топлива (авиационного керосина);

12 - редуктор;

13 - газовый баллон со сжатым аргоном;

14 - датчик давления.

Согласно изобретению предложен способ форсирования авиационных газотурбинных двигателей с кратковременным форсажным режимом работы, при котором в форсажную камеру впрыскиваются неоксидированные наночастицы алюминия определенного размера. Способ работы газотурбинного двигателя с форсажной камерой заключается в том, что формируют топливовоздушную смесь, обеспечивают ее горение в основной камере сгорания газотурбинного двигателя, расширяют продукты сгорания в турбине и подают их в форсажную камеру. В форсажной камере продукты сгорания смешивают с форсажным топливом, в качестве которого используют наночастицы алюминия. При этом в качестве окислителя используют пары воды и углекислый газ, содержащиеся в продуктах сгорания, поступающих из основной камеры сгорания.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Воздух 2 на крейсерском режиме полета поступает в воздухозаборник двигателя. Часть воздуха поступает во внешний контур 1 двигателя, другая его часть - во внутренний контур 3. Во внутреннем контуре 3 воздух сжимается в компрессоре 4 и подается в основную камеру сгорания 5. В камеру сгорания 5 по каналу 11 обеспечивается подача основного топлива -жидкого керосина. Процесс смесеобразования и горения в камере сгорания 5 организован по обычной схеме организации горения в ГТД. Далее продукты сгорания направляются в турбину 6, где, расширяясь, производят полезную работу.

Камера сгорания 5, фактически, является также химическим реактором постоянного давления для наработки углекислого газа и паров воды (первичных продуктов горения), использующихся в форсажной камере 7 в качестве окислителя для неоксидированных наночастиц алюминия.

В форсажную камеру сгорания 7 через форсунки подаются неоксидированные наночастицы алюминия. Подача наночастиц алюминия осуществляется в потоке инертного газа по каналу 8 из баллонов 13 через регулируемый редуктор 12.

Баллон 13 предназначен для хранения наночастиц алюминия. Неоксидированные наночастицы алюминия хранятся в среде инертного газа, например аргона. Давление газа в баллоне составляет 0,5-1 МПа (5-10 атм). Давление 5-10 атм значительно превышает давление в форсажной камере 7, что необходимо для обеспечения подачи наночастиц в камеру. Баллон имеет незначительный объем и рассчитан на кратковременный форсажный режим.

Слипанию (седиментации) наночастиц в газовом баллоне 13 препятствуют тепловые флуктуации, естественная температурно-гравитационная конвекция, неизбежные вибрации баллона 13 при работе двигателя. При необходимости могут быть применены специальные средства, препятствующие седиментации наночастиц: ультразвуковое воздействие, например, с использованием пъезоэлементов, для разбивания рыхлых агрегаций наночастиц, подача электрического заряда на металлические стенки баллона 13 для зарядки наночастиц и их взаимного отталкивания. Выбор инертной газовой среды в баллоне 13 (аргон) объясняется требованием взрывобезопасной эксплуатации летательного аппарата.

Для поддержания стехиометрического соотношения между расходом первичных продуктов горения и расходом наночастиц в потоке аргона при различных внешних условиях от измерительных датчиков 14 давления подается управляющий электрический сигнал (показано пунктиром) на дистанционно управляемый редуктор 12.

Таким образом, двигатель на обычном крейсерском режиме полета использует в качестве топлива керосин, а в режиме форсажа, кроме керосина в основной камере сгорания, в форсажной камере в качестве окислителя используются продукты сгорания керосина в воздухе (пары воды Н₂O и углекислый газ СO₂), а в качестве топлива неоксидированные частицы алюминия нанометрового размера.

Пары воды и углекислый газ, вступая в реакцию окисления с наночастицами алюминия в форсажной камере 7, генерируют вторичные продукты горения 9: молекулярный водород, угарный газ и оксид алюминия. Температура в зоне горения достигает 3000 К. Продукты горения 9, истекая из сопла 10, создают дополнительную тягу при расширении, а температура продуктов сгорания падает до 1000 К.

Реакция окисления стехиометрической смеси алюминия с водой 2Аl+3Н₂O⇒Аl₂О₃+3Н₂ идет с выделением значительного количества тепла Q=481 кДж/моль, и при этом образуется большое количество водорода. Реакция окисления стехиометрической смеси алюминия с углекислым газом 2Аl+3СO₂⇒Аl₂O₃+3СО идет с выделением чуть меньшего (по сравнению с предыдущей реакцией) количества тепла Q=357 кДж/моль, и при этом образуется большое количество угарного газа. Выделяемое в результате сгорания наночастиц алюминия в смеси Н₂O и СО₂ тепло можно конвертировать в дополнительную тягу.

В результате контакта неоксидированного алюминия с парами воды и углекислым газом частицы покрываются оксидной пленкой, образующейся очень быстро и препятствующей дальнейшему окислению (температура кипения оксидной пленки 2380 К). Расчеты показали, что при определенных размерах неоксидированных частиц алюминия (радиус менее 25 нм) реакция окисления поверхности частиц происходит с таким большим тепловыделением, что частица не будет успевать отдавать тепло во внешнее пространство и алюминий внутри частицы будет вскипать и, расширяясь, разрушать оксидный слой. При этом алюминий будет атомизироваться и вступать в реакции с Н₂O и СО₂ в газовой или жидкой фазе. В этом случае, в отличие от горения частиц микрометрового размера, алюминий практически полностью сгорает в парах воды и углекислом газе. При этом в продуктах сгорания жидкие частицы Аl₂O₃ образуются через механизм гомогенной нуклеации и, как показали расчеты, за время пребывания смеси в форсажной камере 7 их размер не успевает значительно возрасти. Основная масса жидких частиц Аl₂O₃ будет иметь размер 40-50 нм. Такие частицы обладают малыми временами тепловой и динамической релаксации (~10^-7-10^-6 с) и не приводят к заметным потерям в удельном импульсе, обусловленным различными скоростями и температурами газофазного и жидкофазного континуумов (потери на двухфазность). В то же время при горении частиц алюминия микрометрового размера реализуется не кинетический, а диффузионный (существенно более медленный) режим горения и частицы в этом случае выгорают не полностью (остаются мельчайшие частички алюминия размером 5-15 нм). В этом случае образование жидкой фазы Аl₂О₃ в продуктах сгорания происходит за счет гетерогенной конденсации и образующиеся частицы достигают микронных размеров (1-20 мкм). Такие частицы обладают очень большими временами тепловой и динамической релаксации, что приводит к большим потерям на двухфазность (невозможно всю выделившуюся в процессе горения энергию преобразовать в удельный импульс).

Защитить наночастицы алюминия от окисления инертной аргоновой средой удается только частично, хотя бы потому, что для полной защиты требуется тщательно очищать аргон от примесей кислорода, из-за чего сильно дорожает хранение в нем наночастиц. Поэтому, несмотря на хранение наночастиц в аргоне, целесообразно нанесение покрытия (антиоксидантный протектор), препятствующего оксидированию частиц алюминия. Выполнение покрытия из карбида алюминия обеспечивает дополнительный эффект: сгорание с выделением значительного количества тепла в условиях форсажной камеры сгорания 7. Покрытие из карбида алюминия может быть нанесено на частицы алюминия методом плазменного напыления.

Поэтому целесообразно хранить на борту летательного аппарата и подавать по топливным магистралям неоксидированные наночастицы алюминия с радиусом менее 25 нм с покрытием из AlC₃ толщиной 2-5 нм. Хранить наночастицы алюминия предлагается в баллоне 13 со сжатым аргоном под давлением 5-10 атм при мольном соотношении нано Аl:Аr=1:5. Выбранное соотношение (нано Аl:Аr=1:5) обеспечивает незначительный массовый расход аргона по сравнению с расходом наночастиц алюминия. Такое количество аргона не влияет на процессы горения.

Определим работоспособность вторичных продуктов горения при Р=1 атм. Вторичные продукты - это смесь Н₂/СО/Аl₂О₃(ж)/N₂=1/8/9/63, полученная при условии стехиометрического горения алюминия в первичных продуктах сгорания керосина в воздухе. Работоспособность продуктов сгорания определяется выражением R·ΔТе/µ, в котором R - газовая постоянная, ΔТе=2700 К-250 К=2450 К - температура адиабатического горения за вычетом температуры вторичных продуктов сгорания на выходе из сопла 10, µ=31 г/моль - молекулярная масса вторичных продуктов сгорания.

Работоспособность составила 660 кДж/кг, что примерно соответствует работоспособности продуктов сгорания керосина в воздухе при стехиометрии или соответствует 80% работоспособности продуктов сгорания чистого алюминия в воздухе при стехиометрии.

На крейсерском режиме при форсаже с впрыском наночастиц алюминия необходимо учитывать работоспособность и первичных и вторичных продуктов сгорания, которая в сумме составляет 1320 кДж/кг, что в 2 раза больше, чем у продуктов сгорания керосина в воздухе в режиме без форсажа. Обычный форсажный режим, когда в форсажную камеру впрыскивают керосин, создавая очень богатую смесь, также проигрывает как по работоспособности, так и по экологичности и визуальной заметности выхлопа.

За счет применения топлива нано Аl+Н₂O+СO₂ в форсажной камере сгорания 7 возможно повышение экономичности форсажного режима по сравнению с обычным форсажным режимом, организованным на сгорании керосина. Этот вывод основан на том, что если потребная удельная тяга достаточно велика, то наибольшая экономичность достигается при условии использования топлива с максимальной работоспособностью продуктов сгорания.

Несмотря на то что предлагаемый ГТД при больших удельных тягах фактически использует обогащенную горючим топливную смесь, его удельная тяга, тем не менее, выше удельной тяги двигателя с обычным форсажным режимом.

В заключение следует отметить, что возможной областью применения ГТД с кратковременным впрыском наночастиц алюминия на форсаже для повышения удельной тяги является военно-транспортная (на взлете), тактическая и истребительная авиация (при маневрировании).

1. Способ работы газотурбинного двигателя с форсажной камерой, заключающийся в том, что формируют топливовоздушную смесь, обеспечивают ее горение в основной камере сгорания газотурбинного двигателя, расширяют продукты сгорания в турбине и подают их в форсажную камеру, где смешивают продукты сгорания с форсажным топливом, отличающийся тем, что в качестве форсажного топлива используют наночастицы алюминия, а в качестве окислителя - пары воды и углекислый газ, содержащиеся в продуктах сгорания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу наночастиц алюминия в форсажную камеру осуществляют путем инжектирования в струе аргона при мольном соотношении наночастиц алюминия и аргона не более 1:5.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что радиус наночастиц алюминия составляет не более 25 нанометров.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что защиту наночастиц алюминия от окисления обеспечивают путем нанесения антиоксидантного покрытия, причем антиоксидантное покрытие используют в качестве дополнительного топлива.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что антиоксидантное покрытие выполнено из карбида алюминия.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что толщина антиоксидантного покрытия составляет 2-5 нанометров.