Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя

Иллюстрации

Показать все

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива. Коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания. Предпочтительно частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными. Способ позволяет повысить экономичность двигателя на форсированных режимах и уменьшить габариты форсажной камеры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Реферат

Изобретение относится к авиадвигателестроению.

Известен способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД), заключающийся в сжигании топлива в форсажной камере, расположенной за турбинами двигателя (Теория и расчет ВРД. Под ред. С.М. Шляхтенко, М.: Машиностроение, 1987, с. 17, рис. 1.4). Недостатком способа является повышенный расход топлива и большие габариты форсажной камеры.

Известен способ экспериментального определения запасов газодинамической устойчивости газотурбинного двигателя, заключающийся в подаче воды в основную камеру сгорания (Солохин Э.Л. Испытания воздушно-реактивных двигателей. М.: Машиностроение, 1975, с. 76).

Известен способ запуска форсажных камер - «огневая дорожка», когда перед турбиной впрыскивается топливо (Теория, расчет и проектирование двигателей и энергетических установок. Под ред. В.А. Сосунова, В.М. Чепкина. - М.: Изд-во МАИ, 2003, с. 168).

Известен способ форсирования турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива (патент RU 2474718 С2, 19/02/2013). Недостатками способа являются: высокий расход топлива, снижение запасов устойчивости двигателя.

Целью изобретения является повышение экономичности ТРДД на форсированных режимах работы, уменьшение размеров форсажной камеры.

Поставленная цель достигается тем, что коллектор форсажного топлива ТРДД располагается в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания.

Эффективность способа повышается (исключается появление помпажа двигателя), если частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными.

На фиг. 1 изображена схема ТРДД.

Двигатель состоит из входного устройства, турбокомпрессора, между компрессором и турбинами которого находится основная камера сгорания 1, форсажной камеры 2, которая расположена за турбинами двигателя, выходного устройства. Топливо (основное, форсажное) подается в основную камеру сгорания: основное топливо подается через коллектор 3, форсунки которого расположены внутри жаровой трубы, форсажное - через коллектор 4, форсунки которого расположены снаружи жаровой трубы (в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания).

Способ форсирования ТРДД осуществляется следующим образом.

На нефорсированном режиме воздух от компрессора поступает в основную камеру сгорания, где тормозится. Заторможенный воздух делится на первичный и вторичный. Первичный воздух поступает в жаровую трубу, смешивается с топливом, поступающим через коллектор 3, сгорает. Вторичный воздух поступает в жаровую трубу через отверстия в ее боковой поверхности, смешивается с продуктами сгорания, охлаждает их, после чего образовавшаяся газовая смесь (газ) поступает в турбины двигателя.

В турбинах совершается механическая работа, в результате чего температура и давление газа понижаются. Газ поступает в камеру смешения - смешивается с воздухом второго контура. Образовавшаяся смесь поступает в выходное устройство, где ускоряется, создавая реактивную силу.

На форсированном режиме вторичный воздух смешивается с топливом, поступающим через коллектор 4, в результате чего образуется богатая топливовоздушная смесь (коэффициент избытка воздуха менее 0,7), которая поступает в жаровую трубу через отверстия в ее боковой поверхности, смешивается с продуктами сгорания, охлаждает их, после чего образовавшаяся топливогазовая смесь поступает в турбины двигателя.

В турбинах совершается механическая работа, в результате чего температура и давление топливогазовой смеси понижаются. Топливогазовая смесь поступает в камеру смешения - смешивается с воздухом второго контура, в результате чего происходит обеднение топливогазовой смеси (коэффициент избытка воздуха 1,05…1,5). Под действием высокой температуры топливогазовая смесь воспламеняется и сгорает. Образующийся газ поступает в выходное устройство, где ускоряется, создавая реактивную силу.

Условия работы турбин двигателя на форсированном и нефорсированном режимах отличаются: на форсированном режиме расход газа через турбины больше, а температура меньше, чем на нефорсированном режиме.

Работа турбины Lт при постоянном перепаде давлений на турбине (πт=const) определяется как

Lт=const·Gг·cp·Тг,

где Gг - расход газа;

cp - теплоемкость газа при постоянном давлении;

Тг - температура газа перед турбиной.

Для малых отклонений: δLт=δGг+δср+δТг, где δср≈δGг.

Откуда

Давление перед турбиной определяется как

Для малых отклонений:

При включении форсированного режима регулятор частоты вращения поддерживает постоянную частоту вращения компрессора n=const (δLт=0), что в соответствии с уравнением (1) означает снижение температуры газа перед турбиной на величину δТг≈-2·δGг. При этом давление газа перед турбиной (за компрессором) в соответствии с уравнением (2) практически не меняется δР≈0.

Таким образом, подача форсажного топлива в зону вторичного воздуха основной камеры сгорания, во-первых, снижает температуру газа перед турбинами (δTг≈-2·δGг), которое достигается: а) поглощением энергии при испарении форсажного топлива; б) уменьшением подачи основного топлива, во-вторых, не оказывает влияния на работу компрессора (δР≈0).

Соответственно сущность способа заключается в том, что форсажное топливо, превращенное в основной камере сгорания в газ, за счет работы расширения, реализуемой в турбинах, замещает часть энергии основного топлива (уменьшает его расход), не оказывая при этом влияния на устойчивость работы двигателя (компрессора).

Применение способа позволяет:

понизить удельный расход топлива ТРДД на форсированных режимах за счет уменьшения расхода топлива в основной камере сгорания;

повысить коэффициент полноты сгорания топлива в форсажной камере за счет улучшения условий смесеобразования (смешение происходит при меньших объемах и при более высоких температурах и давлениях);

уменьшить потери давления в форсажной камере за счет исключения топливных коллекторов;

уменьшить габариты форсажной камеры за счет перемещения зоны смесеобразования из форсажной камеры в основную камеру сгорания;

повысить надежность работы турбины за счет снижения температуры газа перед лопатками турбины.

1. Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива, отличающийся тем, что коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания.

2. Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными.