Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННЫЙ ТУРБОПРЯМОТОЧНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к комбинированному турбопрямоточному реактивному двигателю, содержащему наружный корпус, центральное тело, соединенное с наружным корпусом конструктивными связями и образующее с ним входной канал для воздуха и воздуховод, по меньшей мере, первую ступень воздушного компрессора, содержащую первую турбину, расположенную в центральном теле, и первый ротор с лопатками, которые расположены в воздуховоде и могут избирательно приводиться посредством первой турбины для функционирования в режиме турбореактивного двигателя и переводиться во флюгерное положение для функционирования в режиме прямоточного реактивного двигателя.

Уровень техники

Из патентного документа EP 04030372 B1 известен комбинированный турбопрямоточный двигатель с дожиганием, представленный на фиг.5 и 6.

Такой известный комбинированный двигатель содержит двухмерный воздушный входной канал 1 переменного сечения, за которым следует передаточная секция 2, форма которой допускает сообщение с кольцевым воздуховодом 3, образованным между наружным корпусом 4 и центральным телом 5 обтекаемой формы, которое соединено с наружным корпусом 4 конструктивными связями 7, расположенными поперечно кольцевому воздуховоду 3. За конструктивными связями 7 на уровне задней конической части 6 центрального тела 5 определена зона 10 сгорания, в которой расположены топливные форсунки 11 для функционирования двигателя в режиме прямоточного реактивного двигателя и система 12 дожигания, содержащая кольцевой стабилизатор факела, установленный на заднем конусе 6.

За зоной 10 сгорания следует реактивная труба 13, конструкция корпуса которой содержит теплообменник 14, способный сообщать энергию жидкому топливу перед его использованием и охлаждать стенку реактивной трубы, за которой следует выпускное сопло 15 переменного сечения с сужением и расширением.

На фиг.5 схематично показан газогенератор 19, к которому сзади подаются компоненты ракетного топлива для генерирования газов сгорания, поступающих вперед в стационарную центральную выпускную полость 20 в направлении к передней кольцевой полости 21, в которой газы реактивного двигателя вытесняются к турбине дозвуковой мощности, образованной двумя модулями 22, 23 противоположного вращения с взаимно перемежающимися лопатками, которые соединены соответственно с передним модулем 8 и задним модулем 9 компрессора.

После привода турбины 22, 23 газы генератора 19 выбрасываются в воздуховод сжатого воздуха на уровне зоны 10 сгорания по продольным каналам 24, которые пересекают стенку центрального тела 5.

Газогенератор 19 питается через систему 25 трубопроводов кислородом, нагнетаемым турбонасосом 26 в баке 27, и через систему 32 трубопроводов водородом, нагнетаемым турбонасосом 29 в баке 28. Нагнетаемый турбонасосом 29 водород вначале служит для питания через первое ответвление 30 теплообменника 14, где водород переходит в газообразное состояние перед подачей в газогенератор через систему 32 трубопроводов для функционирования в режиме турбореактивного двигателя. Трехходовой клапан 31 расположен на выходе теплообменника 14 и на входе в системы 32 и 33 трубопроводов.

Нагнетаемый турбонасосом 29 водород подается также через второе ответвление 34 и трехходовой клапан 35 в два контура 36, 37 охлаждения для охлаждения лопаток роторов переднего и заднего модулей 8 и 9 компрессора. Теплообменники 53 и 54 расположены в контурах 36, 37 охлаждения для обеспечения первичного нагрева жидкого водорода.

Таким образом, в известном комбинированном реактивном двигателе этого типа для цикла турбореактивного двигателя используется цикл работы газогенератора с подачей водорода и кислорода, а исходящие из генератора газы позволяют питать дозвуковую турбину взаимно противоположного вращения, которая приводит две ступени компрессора. Для функционирования в режиме прямоточного реактивного двигателя, начиная с определенной скорости, газогенератор останавливается, лопатки переднего и заднего модулей компрессора переводятся во флюгерное положение, и функционирует только дожигание.

Использование цикла с газогенератором предусматривает наличие на борту жидкого кислорода для фазы функционирования в режиме турбореактивного двигателя. Это представляет неудобство, так как связано со специальными мерами безопасности и увеличивает бортовую массу. Используемые турбины, которые приводятся горячими газами от газогенератора, являются дозвуковыми и не обеспечивают оптимального функционирования. Кроме того, лопатки роторов компрессора охлаждаются при повышенном числе Маха посредством испарения водорода, который выбрасывается лопатками в область сжатия и вследствие этого может вызывать ухудшенное сгорание.

Известен также турбореактивный двигатель с циклом расширителя, который был объектом демонстрации под названием ATREX (от англ. "Air Turbo Ramjet Expander Cycle" - турбореактивный двигатель с циклом расширения) и был разработан японской фирмой JAXA, но разработка которого была прекращена.

Принципиальная схема этого типа турбопрямоточного реактивного двигателя представлена на фиг.4. Турбонасос 65 контура питания водородом и турбина 67 турбодвигателя приводятся посредством расширения жидкого водорода.

Турбина 67 двигателя расположена на периферии решетки 68 лопаток компрессора, вращающихся не в противоположных направлениях вокруг центрального тела 66 обтекаемой формы. Турбина 67 питается нагретым водородом через передний и задний теплообменники 64 и 69. Турбина 67 приводит решетку лопаток компрессора 68, который сжимает воздух, входящий через входную секцию 61 в воздуховод 63 и охлаждаемый передним теплообменником 64, который является предохладителем, расположенным перед турбиной 67.

Сгорание является сгоранием типа дожигания, которое помимо создания тяги обеспечивает энергию привода турбины 67 с помощью заднего теплообменника 69. Турбина 67 относится к типу сверхзвуковых турбин. Давление подачи в турбину 67 обеспечивается турбонасосом 65 холодной турбины, которая питается регенерированным водородом.

На фиг.4 показаны обтекаемое тело 62, определяющее кольцевой воздушный вход 61 переменного сечения, предохладитель 64, обтекаемое центральное тело 66, вокруг которого вращаются турбина 67 и решетка 68 лопаток компрессора, камера 70 сгорания с первым устройством 75 впрыска топлива, задний теплообменник 69 и второе устройство 77 впрыска топлива. Сужающееся и расширяющееся сопло 71 с обтекаемым центральным телом 72 допускает выброс газов за камерой 70 сгорания. Жидкий водород, нагнетаемый турбонасосом 65 из непоказанного бака, вначале циркулирует на участке 73, образующем часть предохладителя 64, затем проходит на участке 74 стенки сужающегося и расширяющегося сопла 71 для охлаждения этой стенки и продолжает нагреваться перед поступлением к первому устройству 75 впрыска и в контур 76 заднего теплообменника 69, который сообщается со вторым устройством 77 впрыска. Задний теплообменник 69 может быть заключен в углерод-углеродной матрице.

Холодная турбина турбонасоса 65 получает водород, который был нагрет в предохладителе 64 и в стенке выпускного сопла, но не прошел через задний теплообменник 69. В отличие от этого турбина 67 питается водородом, который был нагрет также и в теплообменнике 69.

Использование теплообменника или предохладителя 64 на входе воздуха позволяет охлаждать компрессор, но порождает образование льда вследствие регенерации жидкого водорода с окружающим воздухом. Кроме того, тот факт, что задний теплообменник 69 включен в углерод-углеродную структуру, не позволяет оптимизировать его характеристики. И наконец, принципиальная конструкция турбины 67 (называемой "Tip turbine"), расположенной снаружи решетки 68 лопаток компрессора, приводит к очень небольшой высоте лопаток и повышенным механическим напряжениям вследствие большой величины периферийной скорости.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в том, чтобы устранить указанные недостатки известных комбинированных двигателей, в частности избежать использования жидкого кислорода, и создать компактный двигатель более простой конструкции со сниженной массой и улучшенными рабочими характеристиками.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается в комбинированном турбопрямоточном реактивном двигателе, содержащем наружный корпус, центральное тело, соединенное с наружным корпусом конструктивными связями и образующее с ним входной канал для воздуха и воздуховод, по меньшей мере, первую ступень воздушного компрессора, содержащую первую турбину, расположенную в центральном теле, и первый ротор с лопатками, которые расположены в воздуховоде и могут избирательно приводиться посредством первой турбины для функционирования в режиме турбореактивного двигателя и переводиться во флюгерное положение для функционирования в режиме прямоточного реактивного двигателя, отличающемся тем, что он дополнительно содержит турбонасос, содержащий насос, питаемый водородом от водородного бака для ввода водорода в нагреватель, расположенный в наружном корпусе позади центрального тела, и дозвуковую турбину привода насоса, которая получает водород, собранный на выходе нагревателя и частично расширившийся, при этом частично расширившийся в дозвуковой турбине водород передается на первую турбину, которая является сверхзвуковой турбиной, для функционирования в режиме турбореактивного двигателя, при этом выходящий из первой сверхзвуковой турбины водород далее собирается в первых трубопроводах внутри центрального тела для отправки в камеру сгорания, образованную внутри корпуса позади центрального тела, тогда как частично расширившийся в дозвуковой турбине водород отправляется непосредственно в камеру сгорания с помощью топливных форсунок для функционирования в режиме прямоточного реактивного двигателя.

Предпочтительно комбинированный реактивный двигатель дополнительно содержит средства отбора части водорода, выходящего из первой сверхзвуковой турбины, средства ввода этой части водорода в первые внутренние каналы, выполненные в лопатках первого ротора, и средства удаления этой части водорода к камере сгорания через первые трубопроводы после его прохода в первых внутренних каналах.

Согласно частному примеру выполнения комбинированный реактивный двигатель дополнительно содержит вторую ступень воздушного компрессора, содержащую вторую сверхзвуковую турбину, расположенную в центральном теле, и второй ротор с лопатками противоположного направления вращения, которые расположены в воздуховоде и могут избирательно приводиться посредством второй турбины для функционирования в режиме турбореактивного двигателя и переводиться во флюгерное положение для функционирования в режиме прямоточного реактивного двигателя, при этом вторая турбина также получает водород, частично расширившийся в дозвуковой турбине, а водород, выходящий из второй сверхзвуковой турбины, затем собирается в втором трубопроводе внутри центрального тела для отправки в камеру сгорания для функционирования в режиме турбореактивного двигателя.

В этом случае согласно выгодному аспекту изобретения комбинированный реактивный двигатель может дополнительно содержать средства отбора части водорода, выходящего из второй сверхзвуковой турбины, средства ввода этой части водорода во вторые внутренние каналы, выполненные в лопатках второго ротора, и средства удаления этой части водорода к камере сгорания через вторые трубопроводы после его прохода во вторых внутренних каналах.

Комбинированный реактивный двигатель содержит устройство дожигания с кольцевыми стабилизаторами факела, расположенными в камере сгорания между задней частью центрального тела и частью наружного корпуса, содержащей нагреватель.

Нагреватель может содержать теплообменник с регенеративной стенкой и ребрами.

В качестве примера нагреватель может содержать теплообменник со стенкой, содержащей фрезерованные каналы, и материал на основе меди и высокотемпературного никеля.

Краткое описание графических материалов

Другие особенности и преимущества изобретения будут ясны из дальнейшего описания примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах:

фиг.1 схематично изображает в продольном осевом разрезе комбинированный реактивный двигатель в первом примере выполнения с циклом расширения с двумя сверхзвуковыми турбинами питания двух роторов компрессора, вращающихся в противоположных направлениях,

фиг.2 схематично изображает в продольном осевом разрезе комбинированный реактивный двигатель во втором примере выполнения с циклом расширения с одной сверхзвуковой турбиной питания ротора компрессора,

фиг.3A изображает на виде в перспективе участок теплообменника, который может использоваться в решении по изобретению,

фиг.3B изображает участок теплообменника по фиг.3A в разрезе по линии IIIB-IIIB на фиг.1,

фиг.4 схематично изображает в продольном осевом разрезе известный комбинированный двигатель типа ATREX с циклом расширения,

фиг.5 изображает в продольном осевом разрезе схему известного комбинированного турбопрямоточного реактивного двигателя и

фиг.6 изображает в продольном осевом разрезе пример выполнения известного комбинированного турбопрямоточного реактивного двигателя по фиг.5.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан пример выполнения комбинированного турбопрямоточного реактивного двигателя с циклом расширения в соответствии с изобретением.

Комбинированный двигатель содержит наружный корпус 104, внутри которого расположено центральное тело 105 по существу обтекаемой формы, которое соединено с наружным корпусом 104 поперечными конструктивными связями 107, равномерно разнесенными вокруг центрального тела 105. В примере выполнения по фиг.1 показан первый ряд связей 107, поддерживающий переднюю входную часть центрального тела 105 и второй ряд связей 107, поддерживающий заднюю часть 106 центрального тела 105, для распределения усилий. Однако может быть предусмотрен также всего один ряд связей 107 для поддержки средней части центрального тела 105.

Между центральным телом 105 и наружным корпусом 104 образован кольцевой воздуховод 103. Входной канал 101 для воздуха допускает вход наружного воздуха в воздуховод 103. Первая и вторая ступени воздушного компрессора с первым и вторым роторами 108, 109 с лопатками 180, 190 противоположного направления вращения расположены в воздуховоде 103 между первым и вторым рядами конструктивных связей 107, находящихся соответственно между передней частью и задней частью 106 центрального тела 105.

В фазе функционирования в режиме турбореактивного двигателя первый и второй роторы 108, 109 приводятся во вращение в противоположных направлениях вокруг центрального тела 105 с помощью первой и второй сверхзвуковых турбин 122, 123, расположенных в ступице решеток лопаток компрессора, образующих первый и второй роторы 108, 109.

В фазе функционирования в режиме прямоточного реактивного двигателя лопатки 180 и 190 роторов 108 и 109 переводятся во флюгерное положение.

Турбонасос 129 содержит насос 129A, к которому подается жидкий водород от водородного бака 128 для впрыска водорода в нагреватель 150, расположенный в наружном корпусе 104 за центральным телом 105. Турбонасос 129 дополнительно содержит дозвуковую турбину 129B, которая служит для привода насоса 129A и получает частично расширившийся водород, собирающийся на выходе нагревателя 150.

В фазе функционирования в режиме турбореактивного двигателя частично расширившийся в дозвуковой турбине 129B водород подается к сверхзвуковым турбинам 122, 123 после прохода по траектории, которая проходит, по меньшей мере, мимо одной задней конструктивной связи 107, для входа центральное тело 105 и питания кольцевой системы каналов впрыска водорода на вход каждой из сверхзвуковых турбин 122, 123.

Водород, выходящий из расположенной спереди сверхзвуковой турбины 122, собирается в трубопроводе 124, который подает поток водорода к оси двигателя и затем через центральный продольный трубопровод 125 к задней части 106 центрального тела для удаления через кольцевой выход в камеру сгорания 110, образованную внутри корпуса 104 позади центрального тела 105.

Трехходовой клапан 131 или Т-образное соединение расположено на пути водорода между выходом дозвуковой турбины 129B и входом внутрь наружного корпуса 104 для того, чтобы при работе двигателя в прямоточном реактивном режиме направлять водород, частично расширившийся в дозвуковой турбине 129B, непосредственно в камеру 110 сгорания через топливные форсунки 111, расположенные вблизи заднего конца 106 центрального тела 105.

Кольцевые стабилизаторы 112, 112A факела расположены в камере 110 сгорания между задним концом 106 центрального тела 105 и частью 113 корпуса 104, содержащей нагреватель 150. Эти кольцевые стабилизаторы могут быть укреплены на стенке корпуса 104 (кольцо 112A) или на задней части 106 центрального тела 105 (кольцо 112).

Водород, расширившийся в расположенной позади сверхзвуковой турбине 123, собирается трубопроводом 126, который проходит по существу продольно к выходу центрального тела 105 и выходит в камеру 110 сгорания через кольцевой выход, который может совпадать или не совпадать с кольцевым выходом, получающим водород, который циркулирует в центральном продольном трубопроводе 125 после прохода в передней сверхзвуковой турбине 122.

Таким образом, когда комбинированный двигатель по фиг.1 работает в режиме турбореактивного двигателя согласно циклу расширения, осуществляется последовательная подача водорода через дозвуковую турбину 129B, связанную с насосом 129A подачи водорода, и через сверхзвуковые турбины 122, 123, связанные с двумя ступенями роторов 108, 109 с лопатками, вращающихся в противоположных направлениях.

Более конкретно, на выходе насоса 129A подачи водорода он впрыскивается в нагреватель 150, расположенный в стенке 113 наружного корпуса 104 за камерой 110 сгорания.

Водород, собираемый на выходе нагревателя 150, частично расширяется в дозвуковой турбине 129B, служащей для питания насоса 129A.

Водород, выходящий из дозвуковой турбины 129B, передается к сверхзвуковым турбинам 122, 123, где он работает для привода роторов 108, 109 с лопатками, вращающихся в противоположных направлениях, при этом каждая турбина 122 и 123 соответственно связана с соответствующей ступенью ротора 108 и 109.

Выходящий из сверхзвуковых турбин 122, 123 водород далее собирается в трубопроводах 124, 125 и 126 для направления в камеру 110 сгорания.

В данном контексте следует заметить, что комбинированный сверхзвуковой двигатель по изобретению использует в качестве топлива только жидкий водород, так что нет необходимости ни в размещении бака для жидкого кислорода, ни в установке турбонасоса для жидкого кислорода.

На уровне центрального тела 105 перед камерой 110 сгорания нет никакого теплообменника, так что не существует риска обледенения на входе воздуха. Нагреватель 150, который является единственным теплообменником, установлен в зоне дожигания, непосредственно за камерой 110 сгорания как таковой.

Вся энергия, необходимая для работы двигателя, получается посредством восстановления водорода.

Сверхзвуковые турбины 122, 123 очень мало ограничены по температурам и не требуют охлаждения. Только лопатки 180, 190 роторов 108, 109 компрессора охлаждаются циркуляцией водорода в каналах, представленных штриховыми линиями 136, 137 на фиг.1, а после прохода в лопатках водород возвращается в трубопроводы 124, 125 или 126, чтобы затем выбрасываться к задней части 106 центрального тела 105 в зону 110 сгорания или дожигания.

Следует заметить, что запуск двигателя очень прост. Он не требует специального пускового устройства и осуществляется за счет инерции теплообменника 150.

Двигатель по изобретению позволяет получать осень высокие рабочие характеристики с развитием скорости предпочтительно с числом Маха примерно до 5.

Начальный удельный импульс может быть порядка 4000 с в отличие от начального удельного импульса 3000 с для классического реактивного двигателя, сжигающего керосин. Можно получить даже начальный удельный импульс порядка 7000 с в турбореактивном двигателе со сжиганием водорода при числе Маха 0,8.

При работе в режиме прямоточного реактивного двигателя комбинированный двигатель по фиг.1 имеет следующий цикл.

Лопатки 180, 190 решеток 108, 109 компрессора переведены во флюгерное положение.

На выходе водородного насоса 129A водород вводится в нагреватель 150, размещенный позади камеры 110 сгорания. Затем водород собирается на выходе нагревателя 150 для частичного расширения в дозвуковой турбине 129B привода насоса 129A (как и в режиме турбореактивного двигателя).

Затем трехходовой клапан 131 изменяет положение по сравнению с функционированием в режиме турбореактивного двигателя таким образом, что собранный на выходе дозвуковой турбины 129B водород направляется в топливные форсунки 111 для непосредственного впрыска в камеру 110 сгорания без прохода через сверхзвуковые турбины 122, 123, которые обходятся по перепускным путям. Таким образом, почти весь водород направляется в камеру 110 сгорания. Однако небольшая доля водорода может быть отведена на уровне трехходового клапана 131 для продолжения питания контуров охлаждения лопаток 180, 190 (по траекториям циркуляции 136, 137 на фиг.1). Далее эта небольшая доля водорода отправляется в камеру 110 сгорания по трубопроводам 124, 125, 126, как было указано выше.

В примере выполнения по фиг.1 решение с двумя сверхзвуковыми турбинами 122, 123 и низкой скоростью частичного впрыска для привода компрессора с лопатками позволяет получать повышенную степень расширения при уменьшенном числе ступеней 108, 109, а также размещению сверхзвуковых турбин 122, 123 в центральной ступице решеток компрессора, так что комбинированный двигатель имеет одновременно сниженную массу и более простую конструкцию.

В примере выполнения по фиг.2 воздушный компрессор содержит единственную ступень 108 решеток с лопатками 180, так что требуется только одна сверхзвуковая турбина 122.

Конструкция и принцип действия комбинированного двигателя по фиг.2 аналогичны конструкции и принципу действия решения по фиг.1 как в режиме турбореактивного двигателя, так и в режиме прямоточного реактивного двигателя. Те же элементы обозначены теми же позициями и вновь не описываются. Единственная разница заключается в отсутствии одного ротора компрессора и связанной с ним сверхзвуковой турбины.

На фиг.2 показана сверхзвуковая турбина 122, для которой ввод водорода производится сзади, то есть единственная сверхзвуковая турбина соответствует передней сверхзвуковой турбине 122 по фиг.1, а ротор 108 компрессора также соответствует передней ступени 108 компрессора в примере выполнения по фиг.1.

Однако в качестве варианта можно использовать одну сверхзвуковую турбину в виде задней сверхзвуковой турбины 123 по фиг.1 с передним вводом водорода. Такой вариант выполнения предусматривал бы как заднюю сверхзвуковую турбину 123 по фиг.1 и ступень 109 решетки компрессора, так и трубопровод 126 отвода водорода, при этом отсутствовали бы передняя сверхзвуковая турбина 122, ступень 108 решетки компрессора и трубопроводы 124, 125 отвода водорода.

На фиг.3A и 3B показан частный пример выполнения теплообменника 150, размещенного в стенке 113 корпуса 104 позади камеры 110 сгорания. На фиг.3A и 3B показан участок 150 теплообменника, содержащий внутреннюю цилиндрическую регенеративную стенку 151 и также регенеративные ребра 152, которые проходят радиально по всей длине теплообменника.

При этом теплообменник может быть реализован с помощью технологии, сходной с технологией изготовления стенок диффузора реактивного двигателя, с использованием, например, фрезерованных каналов 153 и материалов на основе меди, высокотемпературного никеля или на основе железа как для цилиндрической стенки 150, так и для ребер 152.

На фиг.1 и 2 показано в качестве примера включение теплообменника 150 по фиг.3A и 3B в стенку 113 камеры дожигания, расположенной позади камеры 110 сгорания, однако само собой разумеется, что возможны и другие формы теплообменника.

Как видно на фиг.3A и 3B, теплообменник 150 образован цилиндрической регенеративной частью 151 и множеством регенеративных ребер 152. Внутренняя облицовка цилиндрической части 151 является стенкой 113 камеры дожигания. Продольные каналы 153, выполненные в регенеративных стенках 151 и 152, сообщаются в осевом направлении с одной стороны с коллектором 160 ввода и с другой стороны с выпускным коллектором 161.

Выпускной коллектор 161 механически связан с корпусом 104 позади камеры 110 сгорания, а коллектор 160 ввода механически связан с сужающимся и расширяющимся выпускным соплом 155, которое образует заднюю часть комбинированного двигателя (см. фиг.1 и 2).