Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРСАЖА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (далее ГТД) и предназначено в основном для вертолетов, танков и военных кораблей.

Известен способ форсирования турбодвигателей путем впрыска в камеру сгорания или перед компрессором воды или смеси воды с топливом (метанолом), см. Вьюнов С.А. «Конструкции и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», М., «Машиностроение», 2004, с.417-419. Однако вода как рабочее тело - не самый оптимальный вариант: у нее большая теплота парообразования - 2500 кДж/кг, большая теплоемкость - 4190 Дж/(кг·К), большая теплоемкость водяного пара - примерно 2 кДж/(кг·К) (она меняется с температурой и давлением). То есть, чтобы нагреть один килограмм воды до водяного пара с температурой 1400 градусов, потребуется примерно (без учета сжатия) 5519 кДж.

Известен также «Способ форсажа турбодвигателя» патент №2474718, в котором впрыскивается горючее вещество. Этот новый для турбодвигателей способ форсажа путем впрыска в камеру сгорания или перед компрессором, или в ступень компрессора горючей жидкости или газа называется «атмофорсажем» (от греческого «атмос» - испарение). А топливо, предназначенное для охлаждения газов перед турбиной называется «атмотопливом».

Задача и технический результат изобретения - безопасное повышение мощности ГТД.

Для этого данный способ форсажа газотурбинного двигателя заключается в подаче в камеру сгорания или в компрессор количества топлива, необходимого для его полного сгорания в поступающем в двигатель воздухе, и подачу в камеру сгорания дополнительного топлива в количестве, необходимом для снижения температуры газов в камере сгорания до безопасного предела.

При этом повышается тепловыделение в камере сгорания, и повышается количество рабочего тела для работы турбины. В результате угловая скорость вращения турбины и крутящий момент на ее лопатках увеличиваются.

Почти оптимальным рабочим телом для этого способа является вещество, которое на вертолете всегда присутствует - керосин: теплота парообразования примерно 220 кДж/кг (т.е. в 11.4 раза меньше), вдвое меньшая теплоемкость - 2,1 кДж/(кг·К), теплоемкость паров примерно 1.65 кДж/(кг·К). То есть, чтобы нагреть один килограмм керосина до состояния пара 1400 градусов, надо примерно 2575 кДж. Правда у воды больше коэффициент увеличения объема при испарении. Но зато керосин при температуре 1400 градусов может претерпевать крекинг и термическое разложение до водорода. То есть вместо одной молекулы может образоваться 15-16 молекул, и, соответственно, увеличится объем рабочего тела и его скорость истечения.

При этом, кстати, может возникнуть неопасное побочное явление: на лопастях и направляющем аппарате турбины может образоваться тонкий слой графита. Он никак не скажется на работе турбины и быстро обгорит после выключения атмофорсажа.

Может использоваться и другая горючая жидкость, в том числе сжиженный горючий газ, например этиловый эфир, спирт, пропан или охлажденный метан. И хотя в этом случае на самолете для них потребуется отдельный бак, но при необходимости их можно подать в камеру сгорания как обычное топливо и использовать в обычном экономическом режиме полета.

Казалось бы, в чем преимущества данного способа форсажа, ведь испаряющегося агента (топлива вместо воды) потребуется примерно вдвое больше? Но дело в том, что, во-первых, стало больше рабочего тела, что уже увеличивает тягу двигателя, а во-вторых, если вместо одной молекулы воды взять эквивалентное количество керосина с усредненной формулой C₁₃H₂₈, то она теоретически способна разложиться до углерода и 2,87 молекулы водорода. Да еще с небольшим экзотермическим эффектом (для метана - 4,67 мДж/кг).

Но самое главное преимущество этого способа форсажа в том, что не надо иметь, например, в вертолете запас воды. Он может никогда не пригодиться. А в случае крайней необходимости (например, при попадании боевой ракеты в один из двух двигателей) можно долететь до удобного для посадки места на одном двигателе в режиме атмофорсажа. Расход топлива при этом будет в несколько раз больше, чем при «максимале», но зато цель будет достигнута.

Но у данного ГТД есть одна эксплуатационная особенность - при большой степени расширения газов в турбине, когда температура на выходе опускается ниже 700 градусов C (температура самовоспламенения водорода), выделившийся в результате термического разложения углеводородов водород может на выходе из турбины смешаться с воздухом и образовать взрывчатую газовую смесь. Если эта смесь случайно или преднамеренно будет воспламенена, произойдет сильный взрыв. Чтобы этого не произошло, при включении атмофорсажа следует одновременно включить поджигающее устройство любого типа (бензиновая горелка, газовая горелка, пирошашка и т.п.) на выходе из турбины в атмосферу. Почти без переделок может быть применено поджигающее устройство от огнеметов. Вызывает сомнение работоспособность электрической свечи, так как на выходе из сопла водород еще не смешался с окружающим воздухом.

Причем поджигающее устройство может гореть не непрерывно, а лишь короткое время для поджигания водорода, который затем будет гореть самостоятельно до окончания режима атмофорсажа.

Подача дополнительного топлива имеет несколько нюансов. Во-первых, не стоит подавать все топливо в основные форсунки: они не рассчитаны на увеличение расхода до 10 раз, да и горение будет происходит плохо - с образованием продуктов неполного сгорания, что уменьшит экзотермический эффект горения примерно в 1.36 раза.

Зато последнее обстоятельство можно использовать для регулирования этого, казалось бы, нерегулируемого режима - можно уменьшить мощность форсажа, подавая в основные форсунки топливо в количестве, несколько превышающем стехиометрическое его количество. При этом расход атмотоплива будет значительно меньше.

Во-вторых, длина факела при подаче атмотоплива в общие форсунки из-за охлаждающего влияния излишков топлива может резко увеличиться, поэтому лучше подавать топливо до стехиометрического состава (далее - «стехиотопливо», то есть количество основного или дополнительного, жидкого или газообразного топлива, подаваемого в основные форсунки или в ступень компрессора и предназначенное для достижения стехиометрического состава с кислородом воздуха) в основные форсунки или в предпоследнюю или в предпредпоследнюю ступень компрессора. Это охладит поступающий воздух и увеличит его массовый расход. Не следует подавать стехиотопливо в начало компрессора, иначе топливо будет отброшено центробежной силой на внешнюю обечайку компрессора и будет поступать в камеру сгорания в пленочном виде.

А остальное топливо следует подавать в конец факела основных горелок (под концом факела подразумевается окончание зоны практически полного - 95-99% - горения стехиотоплива, подаваемого в основные форсунки и в ступень компрессора).

В-третьих, при подаче топлива в ступень компрессора надо следить, чтобы оно не самовозгорелось там от сжатия или чтобы пламя не вошло внутрь ступени через камеру сгорания. Чтобы избежать последнего, надо, чтобы в направляющей решетке последней ступени было сужение, обеспечивающее сверхзвуковое течение. Тогда пламя не сможет распространиться через этот участок.

В-четвертых, если подача дополнительного топлива не будет включена мгновенно, то во время переходного процесса возможно кратковременное достижение стехиометрического состава без излишков топлива, что приведет к выходу турбины из строя. Чтобы этого не произошло, на время переходного периода в камеру сгорания или в компрессор должна в возрастающем количестве подаваться негорючая жидкость, например вода.

Применяемая вода может содержать антифризные присадки, например гликоли, для предотвращения замерзания и смачиватель, например ПО-6. Чтобы при этом в бачке для воды не образовывалась пена, вода и воздух могут быть разделены в бачке резиновым мешком. Смачиватель нужен для смазки движущихся частей насоса. Поскольку смазочные свойства смачивателей специально не изучались, то возможно, потребуются эксперименты в этом направлении. Возможно также применение масляной эмульсии.

И лишь после выхода на стехиометрический состав должно произойти замещение воды на атмотопливо. Желательно - плавное, чтобы не вызвать временного, а тем более резкого снижения или повышения подачи охлаждающего агента, так как это может привести или к расплавлению турбины, или к помпажу компрессора.

Впрочем, очень быстрая, почти мгновенная подача стехиотоплива и одновременно атмотоплива не приведет к расплавлению турбины, так как время воздействия повышенной температуры будет невелико. Хотя при этом повышается вероятность срыва в помпаж.

ПРИМЕР: камера сгорания ГТД имеет два ряда форсунок. Для экстренного повышения мощности в первый (по ходу газов) ряд подается стехиометрическое количество топлива (то есть полное использование имеющегося в воздухе кислорода), а во второй ряд форсунок подается такое количество топлива, чтобы температура газов перед турбиной не увеличилась, а может быть даже несколько уменьшилась (с учетом увеличения угловой скорости вращения турбины.