Результат интеллектуальной деятельности: Двухконтурный газотурбинный вентиляторный двигатель

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к авиационным турбореактивным вентиляторным двигателям (ТРВД). Двухконтурный газотурбинный вентиляторный двигатель содержит вентилятор, высокоскоростной компрессор, камеру сгорания, двухступенчатую турбину, приводящую во вращение компрессор и вентилятор, реактивное сопло, пароводяной нагреватель (генератор пара), двигатель, отличающийся наличием ресивера пара, наличием канала подведения пара из ресивера к винту с реактивными соплами на концах, предназначенные для создания реактивной тяги и вращения винта, сидящем на валу двигателя и, тем самым, уменьшая нагрузку турбины двигателя, и выступающие за пределы диаметра вентилятора, турбину, отличающуюся наличием канала отведения пара из сопла в крылья летательного аппарата (ЛА) для предотвращения обледенения и образования конденсата, наличием емкости для сбора конденсата и насоса для закачивания конденсата из крыльев ЛА в пароводяной нагреватель (генератор пара) через форсунку.

Близким техническим решением к изобретению является двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий установленный на входе общий для двух контуров вентилятор и последовательно расположенные во внутреннем контуре компрессор, камеру сгорания, двухступенчатую турбину, связанную с компрессором и вентилятором посредством вала и редуктора, реактивное сопло, теплообменник, пароводяной нагреватель (регенератор пара) (1). Недостатками этого двигателя являются достаточно низкий эффективный КПД и малая удельная тяга.

Основной задачей предлагаемого изобретения является повышение кпд двигателя и его экономичность за счет использования дополнительной энергии пара, образованного в парогенераторе и который подается в реактивные сопла, располагаемые на концах винта. Винт закреплен на валу двигателя. За счет реактивной тяги пар, вылетая из сопла винта, вращает его и создает дополнительное усилие для вращения турбины двигателя. Чем повышает экономичность двигателя. После совершения работы пар поступает в крылья ЛА для их нагрева и предотвращения обледенения и образования конденсата. Конденсат пара собирается в специальные емкости и с помощью насоса подается через форсунки опять в парогенератор. Так образуется замкнутый цикл. Хотя, как вариант, пар после совершения работы по вращению винта может поступать в камеру сгорания как дополнительное горючее. Огромное количество тепловой энергии при работе турбореактивного вентиляторного двигателя (ТРВД) практически не используется и уходит на нагрев, например, стенок камеры сгорания и других элементов конструкции двигателя. Если мы попробуем использовать жидкостную систему охлаждения двигателя для получения пара, который можно использовать в виде реактивной энергии для вращения винта, закрепленного на валу двигателя, то мы получим дополнительную энергию для вращения турбины. Тем самым мы повысим экономичность двигателя. И сняли бы ряд проблем, связанных с изготовлением камеры сгорания. Пар скрывает в себе огромные запасы энергии. Энергия пара может двигать тяжелые поезда и огромные пароходы, может приводить в действие многочисленные станки целого завода, а в случае катастрофы разносит вдребезги паровой котел и рушит каменные стены. Нагревая килограмм воды на один градус, мы затрачиваем порцию тепла, которая называется «калорией». Когда же эта порция теплоты, калория, превращается полностью в механическую работу, получается запас энергии, достаточный для подъема килограммовой гири на высоту 427 метров. (2)

Описание

Система работает следующим образом. Парогенератор 1, входящий в жидкостную систему охлаждения ТРВД, охлаждает камеру сгорания 10. Он подключен к ресиверу 2, в котором концентрируется определенный объем пара с определенным давлением. Пар подается в сопла 3, расположенные на концах винта 4, который расположен на валу ТРВД. Диаметр винта 4 превышает диаметр вентилятора 5 турбины с тем, чтобы встречный поток воздуха, образуемый вентилятором 5, не пересекался с потоком пара, вырывающегося из сопел 3 винта 4. Реактивная струя пара создает дополнительный вращающий момент для турбины. После чего пар по специальному каналу 6 поступает в крылья ЛА для их подогрева и предотвращения оледенения. В крыльях происходит охлаждение пара и образование конденсата. В крыльях предусматривается емкость для сбора конденсата 7, а также насос 8 для закачки конденсата через форсунку 9 в парогенератор 1. Так предполагается организовать замкнутый цикл. Хотя для упрощения конструкции реактивная струя пара из сопла 3 после выполнения работы по вращению винта 4 может просто направляться в камеру сгорания 10 ТРВД для повышения тяги. Как это использовалось, например, на самолетах Boeing 707-120 с двигателями Pratt & Whitney JT3C-6 и более поздние самолеты Boeing 747-100 и 200 с двигателями Pratt & Whitney JT9D-3AW и -7AW, которые использовали впрыск воды для увеличения тяги. (3) Использование реактивной тяги для вращения винта нашло свое применение на французском вертолете Sud-Ouest S.0.1221 Djinn (4). Это легкий двухместный вертолет с реактивным (компрессорным) приводом несущего винта. Разработан и производился французским предприятием Sud-Ouest (позже Sud Aviation) с 1954 по середину 1960-х годов. Единственный на настоящее время серийно строившийся реактивный вертолет. От вертолетов классической схемы его выгодно отличала именно простота пилотирования: аэродинамическая симметричность, отсутствие перекрестных связей в управлении и реактивного момента. Высокая инерция тяжелых лопастей весьма облегчала авторотацию. К сожалению, реактивный привод имеет и свои недостатки, причем некоторые из них весьма существенные. Первым делом это, конечно, экономичность. КПД подобной системы довольно маленький, что приводит к высокому и неэффективному расходу топлива. Из-за этого данный вертолет имел совсем небольшую дальность полета. Все дело в том, что преимущество использования реактивной тяги на концах винта состоит в том, что чем больше диаметр винта, тем больше рычаг и, соответственно, меньше усилие для вращения винта. Как зависит сила от длины рычага? Она определяется моментом:

где М - момент, F - сила, l - длина рычага.

Отсюда не проблема вывести силу:

F=M/l

Чем больше рычаг, тем меньше прикладываемая сила. Т.е., чем больше длина винта с реактивным соплом на конце, тем меньше необходимая реактивная сила для вращения винта. Но вот применительно к винту с реактивным соплом на конце получается, что чем больше рычаг, тем больший линейный путь проходит сопло. Ведь длина окружности пропорционально зависит от радиуса окружности:

С - длина окружности, r - радиус окружности. А чем больше путь, тем больше затрачиваемая работа на вращение винта. Работа в общем случае определяется:

где А - работа, F - сила, S - длина пути.

В случае движения реактивного сопла, расположенного на концах винта, путь будет определяться длиной дуги: S=l*α, где l - длина плеча, α - угол поворота (в радианах). Таким образом, можно выразить работу через момент:

A=F*l*α=(M/l)*l*α=M*α;

A=M*α=F*l*α.

Чем больше длина винта, тем больше рычаг, тем меньше требуется сила для вращения винта. Но при этом пропорционально возрастает работа, затрачиваемая энергией струи реактивного сопла на прохождение сопла по увеличившемся пути по окружности за счет увеличения радиуса окружности. Т.е. выигрыш в увеличении рычага с использованием реактивной струи на концах винта нивелируется пропорциональным увеличением работы, затрачиваемой на вращения винта. Поэтому винты с реактивной тягой на концах не нашли пока широкого применения. Например, вертолет Sud-Ouest S.O.1221 Djinn имел дальность полета всего 220 км. Но это при постоянной приложенной силе струи из сопла. Это похоже, если мы будем раскручивать небольшую карусель бегая по кругу. Понятное дело, что мы быстро устанем. И это неэффективно. Но если мы будем раскручивать карусель стоя на месте, прилагая усилие дискретно, то мы можем поддерживать вращение карусели длительное время. Получается, что если реактивная струя из сопла винта будет поступать импульсно, то мы получим значительный выигрыш в энергетике. Частота дискрета здесь будет зависеть от инерции вращения винта. Момент инерции - это мера инертности тела при вращательном движении вокруг оси. Для материальной точки массы m, вращающейся вокруг оси на расстоянии r от нее, упрощенная формула имеет вид:

Т.е инерция напрямую зависит от массы и радиуса винта. Но поскольку двухконтурный газотурбинный вентиляторный двигатель имеет значительную массу, то и момент инерции в этом случае тоже значительный. Похоже импульсная подача струи из сопла, расположенного на концах винта, может дать существенный экономический эффект и позволит создать прорыв в создании супер экономичного двигателя.

Литература

1. Патент 1045686, МПК 7 F02K 3/04,1994 г.

2. Яков Перельман." Физика на каждом шагу" Издательство: Аванта, 2021 г.

3. С.М. Дорошко, А.С. Глазков. Газотурбинные двигатели гражданской авиации. Учебное пособие. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации. 2018 г.

4. Sud-Ouest SO. 1221 "Djinn". Архивная копия от 21 мая 2011 на Wayback Machine

5. Трофимова Т.И. Курс физики. 7-е изд. М.: Высшая школа, 2001. 542 с.

6. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. - М.: Наука, 1978.