Турбореактивный двигатель с вращающимися камерами сгорания

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к конструкции газотурбинных двигателей. Технической задачей полезной модели является повышение экономических (по КПД) и экологических показателей турбореактивного двигателя (ТРД), снижение весовых и габаритных параметров. Двигатель содержит расположенное на валу привода первой ступени компрессора реактивное колесо с камерами сгорания, осевой и радиальные смесеподводящие каналы. Последние из каналов образуют вторую ступень компрессора. Двигатель содержит также топливную форсунку, свечу зажигания, турбинное колесо и вал отбора мощности. Смесеподводящий канал на входе в камеру сгорания выполнен в виде спирали, создающей угол закрутки потока топливовоздушной смеси, а выход камеры сгорания выполнен в виде расширяющегося сопла, при этом радиальные смесеподводящие каналы спрофилированы в виде лопаточного колеса. 1 ил.

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к конструкции газотурбинных двигателей.

Известные одноступенчатые газотурбинные двигатели (ГТД), например авиационные, содержат одно или двухступенчатый компрессор, камеру сгорания, направляющий аппарат и газовую турбину, приводящую компрессор и вал отбора мощности (1. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей / Ю.М.Пчелкин - М.: Машиностроение, 1984. - 150 с.). КПД такого двигателя, определяемый максимальной температурой рабочего тела - Т_max и гидравлическими потерями в проточной части лопаток турбинных колес, зависящими от агрегатной мощности и оцениваемыми гидравлическими КПД - _r, невелик. При максимально допустимой для современных материалов лопаток температуре, (Т=1100-1200 К), КПД двигателя мощностью Ne=200-1500 кВт не превышает 20-25%, что не позволяет им конкурировать с поршневыми двигателями по экономичности, а организация послойного способа смесеобразования и сгорания в камере сгорания предопределяет достаточно высокую токсичность по оксидам азота и сажи.

Недостатками известных ГТД малой мощности для транспортных машин, являются низкая допустимая температура рабочего тела, большие гидравлические потери и токсичность рабочего тела.

Применение новых термостойких монокристаллических материалов, регенерация и охлаждение лопаток, ведущие к усложнению конструкции, увеличению веса и габаритов двигателя, не дали большого эффекта в повышении КПД двигателей малой мощности.

Известен реактивный двигатель (РД) с вращающимися камерами сгорания, в котором испарение топлива, смесеобразование и горение смеси осуществляется в объеме камеры сгорания, а теплоперепад «срабатывается» в сопловой части (2. Planted Feb. 17, 1953. 2.628.473. Stationary power plant having radially and axially displayed jet engines). Недостатками такого двигателя являются: - низкий КПД одноступенчатого РД; - невозможность создания многоступенчатого турбореактивного двигателя (ТРД), а значит и невозможность реализации большого теплоперепада и получения высокого КПД; - введение нескольких вращающихся камер сгорания для увеличения мощности РД лишь делит известную стационарную камеру сгорания на несколько камер, не ведет к увеличению КПД, но ведет к созданию дополнительной центробежной силы от массы камер, а значит и увеличивает напряжения в материале подводящего радиального воздушного канала и вес; - повышение КПД в таком РД за счет повышения температуры рабочего тела при послойном способе смесеобразования и сжигания топлива (с коэффициентами избытка воздуха <1 в зоне обратных токов и >1 при последующем «разбавлении» газа вторичным воздухом), обеспечивая дожигание СО и С_nН_m до СО₂ и Н₂О, не снижает содержания наиболее токсичных оксидов азота - NO_x и требует охлаждения стенок камеры сгорания. Следовательно, повышение КПД и снижение токсичности по NO_x в таком двигателе невозможно без решения проблемы повышения температуры и изменения способа сжигания топлива с <1. Предлагаемое решение ведет лишь к ухудшению массогабаритных показателей и усложнению конструкции.

Известен турбореактивный двигатель (ТРД), содержащий турбинное колесо и реактивный ротор с вращающимися камерами сгорания, в котором камера сгорания также расположена на радиусе R от оси и выполнена в виде эжектора, в котором топливо является рабочим телом, подсасывающим воздух (3. Osterreisches Planetamt Patentschrift. Kl. 46f. 12 Nr.239606). Такая конструкция позволяет использовать воздухоподводящие радиальные каналы и эжекторы реактивной ступени в качестве компрессора для повышения давления в камере сгорания и позволяет создавать многоступенчатые ТРД, но не решает проблемы повышения максимальной температуры рабочего тела в камере сгорания выше достигнутой в известных ГТД, то есть проблемы улучшения экономических и экологических параметров двигателя. Кроме того, такая конструкция требует охлаждения камер, увеличивает вес и габариты, необходимые для организации выравнивания скорости (и давления) в эжекторе до соплового аппарата и установку нейтрализатора NO_x.

Технической задачей полезной модели является повышение экономических (по КПД) и экологических показателей турбореактивного двигателя (ТРД), снижение весовых и габаритных параметров.

Указанная задача решается тем, что турбореактивный двигатель с вращающимися камерами сгорания, содержащий, расположенное на валу привода первой ступени компрессора реактивное колесо с камерами сгорания, осевой и радиальные смесеподводящие каналы, последние образующие вторую ступень компрессора, а также содержащий топливную форсунку, свечу зажигания, турбинное колесо и вал отбора мощности, характеризуется тем, что смесеподводящий канал на входе в камеру сгорания выполнен в виде спирали, создающей угол закрутки потока топливовоздушной смеси, а выход камеры сгорания выполнен в виде расширяющегося сопла, при этом радиальные каналы спрофилированы в виде лопаточного колеса второй ступени компрессора.

Повышение экономичности турбореактивного двигателя достигается за счет:

- срабатывания части теплоперепада в сопле вращающейся камеры сгорания - h=С_р(Т_max-T₁), где T_max>T₁) на 200-250°С до допустимой для лопаток первой ступени турбины температуры T_l, что ведет к повышению термического КПД _t на 10-15%;

- снижения механических потерь за счет использования смесеподводящих каналов в качестве лопаток второй ступени компрессора, что снижает гидравлические потери и повышает гидравлический КПД _t.

Малые габариты и вес вращающихся камер сгорания достигаются за счет:

- ограничения функции камеры сгорания только процессом сгорания топлива. Процесс приготовления смеси осуществляется в подводящих каналах;

- исключения регистров, стабилизаторов и жаровой трубы из конструкции камеры сгорания и нейтрализаторов из конструкции двигателя.

Улучшение экологии достигается переходом с послойного способа сжигания топлива в известных камерах сгорания современных ГТД на пленочно-вихревое, при котором отсутствует зона обратных токов с коэффициентом избытка воздуха <1 (высокой температурой Т2000°С и максимальным образованием оксидов азота NO _x и С) с последующим «разбавлением» токсичных компонентов (NO_x и С) вторичным воздухом и снижением температуры газа Т_max до допустимой из условий жаропрочности материала лопаток первой турбинной ступени.

При пленочно-вихревом испарительном смесеобразовании коэффициент избытка воздуха больше единицы (Т_max=f()), температуру Т_max можно понизить до уровня допустимого из условий надежности материала лопаток до Т _max1400-1500° К, при которых окисление азота до NO _x еще не происходит. Снижается и процесс образования сажи.

Защита стенок камеры сгорания от нагрева при пленочно-вихревом смесеобразовании достигается закручиванием топливовоздушной смеси на вводе ее во вращающуюся камеру сгорания, вход которой выполнен в виде спирали, сепарацией топлива на стенку камеры сгорания, снижением температуры за счет теплоты испарения и образования защитного парового слоя над пленкой, имеющего высокое термосопротивление. Это позволяет повысить максимальную температуру рабочего тела во вращающейся камере сгорания без нагрева ее стенок, сработать часть теплоперепада h в реактивном колесе (РК) реактивной ступени так, чтобы на входе газа на лопатки первого газотурбинного колеса (ТК) ступени температура T_l его не превышала допустимую для лопаток двигателя величину.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где дана принципиальная схема турбореактивного двигателя с вращающимися камерами сгорания.

Турбореактивный двигатель содержит корпус 1, расположенное на валу 2 привода первой ступени компрессора реактивное колесо 3 с вращающимися камерами сгорания 4. Осевой смесеподводящий канал 5 соединен с радиальными смесеподводящим каналом 6, переходящим в смесеподводящий канал 7, который на входе в камеру сгорания выполнен в виде спирали 8, создающей угол закрутки потока топливовоздушной смеси. Выход камер сгорания выполнен в виде кольцевых расширяющихся сопел 9. Турбинное колесо 10 двигателя с лопатками 11 установлено на валу 12 отбора мощности. Радиальные смесеподводящие канала каналы выполнены в виде лопаток колеса второй ступени компрессора 13. Форсунка 14 и свеча зажигания 15 расположены в осевом смесеподводящем канале.

Работа двигателя. Воздух из первой ступени компрессора подводится через пустотелый вал 2 реактивного колеса 3 в коллектор 16. По радиальным смесеподводящим каналам 6, образующим вторую ступень компрессора, и подается в тангенциально расположенные вращающиеся камеры сгорания 4.

Топливо впрыскивается форсункой 14 в коллектор 16 (общий для всех камер), а зажигание осуществляется свечей 15. За время задержки воспламенения смесь со скоростью >30-40 м/с выносится в камеры сгорания, где при увеличении сечения камеры осевая скорость снижается, а абсолютная - увеличивается за счет тангенциальной скорости закрученного воздушного потока, увеличивая время пребывания топлива во вращающейся камере сгорания.

Вход смеси в камеру сгорания из радиального канала осуществляется по спирали под углом 90° к оси камеры и обеспечивает закрутку смеси под углом 55-60°. Топливо под действием центробежных сил в закрученном потоке воздуха сепарируется на стенку камеры сгорания в виде тонкой пленки, охлаждая ее за счет теплоты испарения. Толщина пленки уменьшается до нуля на входе в сопло 9, в котором происходит преобразование теплоперепада h в кинетическую энергию продуктов сгорания (в виде массового расхода m скорости V), создающую реактивную силу P=mV и вращающий момент М=PR. С поверхности пленки происходит испарение топлива в воздушный поток. Продукты сгорания из сопел со сниженной T₁ температурой поступают на лопатки турбинного колеса и далее через газосборник 17 на выхлоп или глушитель. Наличие паров топлива в слое над пленкой увеличивает термосопротивление слоев: пары - пленка - стенка.

Наличие жидкостной и паровой фаз топлива в пристеночном слое камеры обеспечивает защиту ее стенки от высокой температуры, а закрученный над пленкой поток воздуха смешивается с парами топлива, образуя кольцевую зону смеси с >>1. В камере сгорания имеет место пленочно-вихревое (точнее испарительное) смесеобразование и сгорание топлива со средним значением коэффициента избытка воздуха а, обеспечивающим после преобразования части теплоперепада h в сопле 9, снижение температуры Т_max (в камере сгорания) до температуры T₁, определяемой термостойкостью материала лопаток 11 турбинного колеса 10. Для промышленных ГТД (Ковецкий В.М. Газотурбинные двигатели в енергетике: достижения, особенности, возможности / Ковецкий В.М., Ковецкая Ю.Ю. // Проблемы загальноi енергетики. - Киев: 17/2008, с.24-30) величина а определяется в диапазоне >1 так, чтобы Т_max не превышала температуру начала активации реакции окисления азота воздуха кислородом с образованием оксидов азота (N₂+О₂=NO _x) и крекинга неиспарившихся капель топлива с образованием сажи.

Использование турбореактивного двигателя с вращающимися камерами сгорания предлагаемой конструкции обеспечит повышение экономических и экологических показателей при снижении веса и уменьшении габаритных параметров. Это сделает их более конкурентноспособными по сравнению с современными поршневыми двигателями, позволит использовать не только в качестве силовой установки для тяжелой техники мощностью Ne=1000 кВт, но и сделает перспективными для автотракторной техники.

Турбореактивный двигатель с вращающимися камерами сгорания, содержащий расположенное на валу привода первой ступени компрессора реактивное колесо с камерами сгорания, осевой и радиальные смесеподводящие каналы, последние из которых образуют вторую ступень компрессора, а также содержащий топливную форсунку, свечу зажигания, турбинное колесо и вал отбора мощности, отличающийся тем, что смесеподводящий канал на входе в камеру сгорания выполнен в виде спирали, создающей угол закрутки потока топливовоздушной смеси, а выход камеры сгорания выполнен в виде расширяющегося сопла, при этом радиальные смесеподводящие каналы спрофилированы в виде лопаточного колеса.