Водородный газотурбинный двигатель

миниат

Изобретение относится к двигателестроению, конкретно к авиационным двигателям для сверхзвуковых и гиперзвуковых самолетов.
Предложенное техническое решение (рис. 1…4) содержит воздухозаборник 1, корпус 2 компрессор 3, воздушный тракт 4, основную камеру сгорания 5 теплообменник 6, второй компрессор 7, форсажную камеру 8 и реактивное сопло 9. Реактивное сопло 9 предпочтительно выполнить сверхзвуковым.

Компрессор 3 содержит статор 10 и ротор 11. Основная камера сгорания 5 содержит жаровую трубу 12 и форсунки 13. Второй компрессор 7 содержит статор 14 и ротор 15. Форсажная камера 8 имеет форсажный коллектор 16. Общим для двигателя является вал 17, соединяющий роторы 11 и 15 компрессоров 3 и 7 и установленный на опорах 18 и 19. Внутри воздушного тракта 4 концентрично валу 17 установлена во-дородная турбина 20, работающая на перегретом водороде. Водородная турбина имеет наружный диаметр меньше внутреннего диаметра воздушного тракта 4, чтобы его не загромождать. Кроме того, малые диаметральные габариты водородной турбины 20 уменьшают центробежнве нагрузки на ее вращающиеся детали. Водородная турбина 20 содержит статор 21, ротор 22, входной и выходной коллекторы, соответственно 23 и 24 (фиг. 1 и 3).

рис1

На фиг. 3 приведена более подробно конструкция ротора 22 водородной турбины 20. Ротор 22 содержит корпус 25 в вилле полого усеченного корпуса 26, к которому присоединены торцовые стенки 27 и 28, имеющие соосные шлицевые втулки 29 и 30. Шлицевые втулки 29 и 30 кон-тактируют со шлицами 31 и 32, выполненными на валу 17. На корпусе 25 установлены ра-бочие лопатки 33.
Водородный газотурбинный двигатель (рис. 1) содержит систему топливоподачи имеющую бак 35, для хранения водорода, топливопровод низкого давления 36, подключенный к выходу из бака 35. К топливопроводу низкого давления 36 присоединены основной и форсажный топливопроводы 37 и 38.
Основной топливопровод 37 содержит насос 39, регулятор расхода 40 и отсечной клапан 41. Трубопроводы перепуска 42 и 43 соединяют соответственно теплообменник 6 с входным коллектром 23 водородной турбины 20 и выходной коллектор 24 с основной камерой сгорания 5. Форсажный топливопровод 38 содержит насос 44, регулятор расхода 45 и отсечной клапан 46, установленный перед форсажным коллектором 16.
Возможно выполнение воздухозаборника 1 охлаждаемым топливом (рис. 2), для это-го его корпус 47 выполнен с кольцевой полость 48, к которой присоединены основной топливопровод 37 и трубопровод 49 соединяющий кольцевую полость 48 с входом в теплообменник 6.

рис.2
Возможно применение охлаждаемого топливом (водородом) реактивного сопла 9 (фиг. 4). Для этого выполнены наружная и внутренние стенки 50 и 51 с зазором 52 между ними. На наружной стенке 50 установлены входной и выходной коллекторы 53 и 54. К входному коллектору 53 подсоединен форсажный топливопровод 38, а к выходному коллектору 54 — трубопровод 55, выход которого соединен с форсажным коллектором 16.

рис3рис.4

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
При работе водородного газотурбинного двигателя осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на рис. 1 …4 стартер и источник энергии не показаны). Потом включают насос 39 и водород из бака 35 по основному топливопроводу 37 подается в теплообменник 6, потом во входной коллектор 23 водородной турбины 20, потом из выходного коллектора 24 по трубопроводу перепуска 43 в формунки 13 основной камеры сгорания 5, где воспламеняется при помощи электрозапаль-ника (на фиг. 1…4 электрозапальник не показан). Ротор 22 водородной турбины 20 раскручивается и раскручивает через вал 17 роторы 11 и 15 компрессоров 3 и 7. Компрессор 3 обеспечивает степень сжатия до 30…40, при этом температура воздуха на его выходе может достичь 800 0К. При сгорании топлива в основной камере сгорания 5 температура выхлопных газов повышается до 1800…2000 0 С.. В теплообменнике 8 продукты сгорания охлаждаются до 300 0К. Это технически осуществимо из-за высокой теплоескости водорода и его хороших показателей теплоотдачи. Второй компрессор 7 дополнительно сжимает поток выхлопных газов, создает в форсажной камере сгорания 8 высокое давление, что обеспечивает эффективную работу сопла 9, в том числе сверхзвукового.
При необходимости форсирования открывают отсечной клапан 46 и водород по форсажному топливопроводу 38 подается в форсажный коллектор 16, где воспламеняется и выхлопные газы истекают из реактивного сопла 9, создавая значительную тягу, соизмеримую с силой тяги жидкостного ракетного двигателя — ЖРД такой же размерности. Применение те-плообменника 6 как отмечалось ранее, позволит снизить температуру выхлопных газов с 1800…2000 0К до температуры 300 0К перед вторым компрессором 7, что позволит второму компрессору 7 обеспечить сжатие продуктов сгорания до 100…150 кгс/см2, т. е. до давления, соизмеримого с давлением в современных ЖРД. Без предварительного охлаждения второй компрессор 7 был бы в принципе неработоспособен. Высокое давление в форсажной камере 18 позволяет обеспечить истечение продуктов сгорания из реактивного сопл 9 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.
Регулирования силы тяги на бесфорсажном режиме осуществляется регулятором рас-хода 40, на форсажном режиме – регулятором расхода 45.
При останове водородного газотурбинного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности, т. е. закрывают отсечные клапаны 41 и 45.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить степень сжатия компрессоров газотурбинного двигателя за счет применения двух компрессоров и турбины работающей на водороде и ох-лаждения 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 проч-ностью рабочих лопаток водородной турбины, работающий в более легких условиях, чем рабочие лопатки газовой турбины.
2. Обеспечить достижение самолетами, оборудованными этими двигателями гиперзвуковых скоростей М = 5…10.
3. Повысить высотность двигателя.
4. Увеличить надежность двигателя.

Автор статьи: Патентный поверенный РФ Болотин Николай Борисович

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.