RU2848345C1 - Hypersonic turbojet engine and its regulation method - Google Patents
Hypersonic turbojet engine and its regulation methodInfo
- Publication number
- RU2848345C1 RU2848345C1 RU2024132934A RU2024132934A RU2848345C1 RU 2848345 C1 RU2848345 C1 RU 2848345C1 RU 2024132934 A RU2024132934 A RU 2024132934A RU 2024132934 A RU2024132934 A RU 2024132934A RU 2848345 C1 RU2848345 C1 RU 2848345C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixing chamber
- hypersonic
- air
- inlet
- compressor
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к авиадвигателестроению.The invention relates to aircraft engine manufacturing.
Известен турбореактивный двигатель (ТРД), содержащий сверхзвуковое входное устройство, турбокомпрессор, форсажную камеру, выходное устройство (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1987, с. 16, рис. 1.2).A turbojet engine (TRD) is known that contains a supersonic inlet device, a turbocompressor, an afterburner, and an outlet device (Theory and calculation of air-breathing engines. Ed. S.M. Shlyakhtenko. Moscow: Mashinostroenie, 1987, p. 16, Fig. 1.2).
Известен турбореактивный двигатель с эжекторным наддувом (ТРДэж), содержащий газовый эжектор, канал высокого давления которого закольцован через камеру смешения, диффузор и компрессор, а канал низкого давления с одной стороны соединен с атмосферой через входное устройство, а с другой стороны - с компрессором через камеру смешения и диффузор (патент RU 2201518).A turbojet engine with ejector supercharging (TRD) is known, containing a gas ejector, the high-pressure channel of which is looped through a mixing chamber, a diffuser and a compressor, and the low-pressure channel is connected on one side to the atmosphere through an inlet device, and on the other side to the compressor through a mixing chamber and a diffuser (patent RU 2201518).
Известны способы форсирования газотурбинного двигателя, в частности, гиперфорсаж - подача воды на вход в компрессор на скоростях полета более трех чисел Маха (Письменный В.Л. Способы форсирования газотурбинного двигателя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2024, №9, с. 120-130).Methods for boosting a gas turbine engine are known, in particular, hyperboost - feeding water to the compressor inlet at flight speeds greater than three Mach numbers (Pismenny V.L. Methods for boosting a gas turbine engine. News of higher educational institutions. Mechanical Engineering, 2024, No. 9, pp. 120-130).
Известны способы повышения температуры газа перед лопатками турбины газотурбинного двигателя, в частности, монокристаллические лопатки, воздушно-жидкостное охлаждение (Письменный В.Л. Методы и способы повышения температуры газа перед турбиной газотурбинного двигателя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, №6, с. 108-118).Methods for increasing the temperature of the gas in front of the turbine blades of a gas turbine engine are known, in particular, single-crystal blades and air-liquid cooling (Pismenny V.L. Methods and means of increasing the temperature of the gas in front of the turbine of a gas turbine engine. News of higher educational institutions. Mechanical Engineering, 2023, No. 6, pp. 108-118).
Известен стехиометрический турбореактивный двигатель, в котором в качестве программы регулирования двигателя использован закон регулирования (Письменный В.Л. Концепция построения стехиометрического турбореактивного двигателя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, №9, с. 116-126).A stoichiometric turbojet engine is known in which the control law is used as the engine control program (Pismenny V.L. Concept of constructing a stoichiometric turbojet engine. News of higher educational institutions. Mechanical Engineering, 2023, No. 9, pp. 116-126).
Известен турбореактивный двигатель, в котором используется одноступенчатая регулируемая турбина (патент RU 2616137).A turbojet engine is known that uses a single-stage adjustable turbine (patent RU 2616137).
Известен способ регулирования осевого компрессора в системе газотурбинного двигателя, заключающийся в подаче горячего газа, отбираемого из канала, расположенного за турбиной, в канал, расположенный между входным устройством и компрессором двигателя (патент RU 2535186).A method for regulating an axial compressor in a gas turbine engine system is known, which consists of feeding hot gas, taken from a channel located behind the turbine, into a channel located between the inlet device and the engine compressor (patent RU 2535186).
Известен способ повышения давления газа, заключающийся в подаче в поток газа, движущийся по каналу, по направлению движения газа - жидкости, находящейся под давлением более 5 МПа (патент RU 2468260).A method for increasing gas pressure is known, which consists of feeding a liquid under pressure of more than 5 MPa into the gas flow moving through a channel in the direction of gas movement (patent RU 2468260).
Известен способ понижения температуры воздуха на входе газотурбинного двигателя с использованием теплообменного устройства, по которому подается топливо в основную камеру сгорания двигателя (свидетельство на полезную модель RU 29752).A method is known for reducing the air temperature at the inlet of a gas turbine engine using a heat exchange device through which fuel is supplied to the main combustion chamber of the engine (Certificate for Utility Model RU 29752).
Принципиальным недостатком турбореактивного двигателя, который ограничивает скоростные возможности двигателя, является снижение производительности компрессора с ростом скорости полета (уменьшение приведенного расхода воздуха).The fundamental disadvantage of a turbojet engine, which limits the engine's speed capabilities, is the decrease in compressor performance with increasing flight speed (a decrease in the equivalent air flow rate).
Целью изобретения является устранение указанного недостатка.The aim of the invention is to eliminate the said disadvantage.
Поставленная цель достигается тем, что между входным устройством и компрессором турбореактивного двигателя с форсажной камерой расположен газовый эжектор с камерой смешения и диффузором, канал высокого давления газового эжектора с одной стороны соединен с полостью, расположенной за турбиной, а с другой стороны - с входом в камеру смешения, канал низкого давления газового эжектора с одной стороны соединен с атмосферой через входное устройство, а с другой стороны - с входом в камеру смешения, на выходе из канала высокого давления газового эжектора установлено регулируемое сопло, в камере смешения расположен водяной коллектор с форсунками направленными по потоку воздуха, в диффузоре расположено теплообменное устройство, по которому подается топливо в основную камеру сгорания двигателя. Стандартными для работы двигателя принимаются условия, соответствующие условиям крейсерского режима полета летательного аппарата (ЛА). В этом случае относительная приведенная частота вращения ротора определяется по формуле The stated objective is achieved by the fact that a gas ejector with a mixing chamber and a diffuser is located between the inlet device and the compressor of a turbojet engine with an afterburner. The high-pressure channel of the gas ejector is connected on one side to a cavity located behind the turbine, and on the other side to the inlet of the mixing chamber. The low-pressure channel of the gas ejector is connected on one side to the atmosphere through the inlet device, and on the other side to the inlet of the mixing chamber. An adjustable nozzle is installed at the outlet of the high-pressure channel of the gas ejector. A water manifold with nozzles directed along the air flow is located in the mixing chamber. A heat exchanger is located in the diffuser, through which fuel is supplied to the main combustion chamber of the engine. The standard operating conditions of the engine are those corresponding to the conditions of the cruising flight mode of the aircraft. In this case, the relative reduced rotor speed is determined by the formula
где - относительная физическая частота вращения,Where - relative physical rotation frequency,
- физическая частота вращения, - physical rotation frequency,
- физическая частота вращения на крейсерском режиме полета, - physical rotation frequency at cruise flight mode,
- температура торможения воздуха на входе в компрессор на крейсерском режиме полета, - braking temperature of the air at the compressor inlet in the cruising flight mode,
- температура торможения воздуха на входе в компрессор. Сущность изобретения заключается в том, что наддув компрессора горячим газом высокого давления с использованием газового эжектора, имеющего регулируемое сопло на выходе из канала высокого давления, позволяет в широком диапазоне скоростей полета исключить влияние температуры воздуха на работу турбокомпрессора, обеспечить реализацию закона регулирования двигателя (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. С.М. Шляхтенко - М.: Машиностроение, 1987, с. 254), при котором расход воздуха через двигатель максимально возможный. - the stagnation temperature of the air at the compressor inlet. The essence of the invention is that supercharging the compressor with hot, high-pressure gas using a gas ejector with an adjustable nozzle at the outlet of the high-pressure channel makes it possible to eliminate the influence of air temperature on turbocharger operation over a wide range of flight speeds, ensuring the implementation of the engine control law. (Theory and calculation of air-breathing engines. Ed. by S.M. Shlyakhtenko - M.: Mashinostroenie, 1987, p. 254), at which the air flow through the engine is the maximum possible.
На фиг.1 изображена схема гиперзвукового турбореактивного двигателя (ГТРД);Fig. 1 shows a diagram of a hypersonic turbojet engine (HTJE);
на фиг.2 изображены параметры ГТРД на взлетном режиме;Fig. 2 shows the parameters of the gas turbine engine in take-off mode;
на фиг.3 изображены высотно-скоростные характеристики ГТРД.Fig. 3 shows the altitude-speed characteristics of the gas turbine engine.
ГТРД (фиг.1) состоит входного устройства 1, звукового газового эжектора 2, цилиндрической камеры смешения 3, внутри которой расположен водяной коллектор 4 с форсунками, направленными по потоку воздуха, диффузора 5, внутри которого расположено теплообменное устройство 6, по которому подается топливо в основную камеру сгорания двигателя, турбокомпрессора 7, форсажной камеры 8, внутри которой расположен топливный коллектор 9, выходного устройства (регулируемое сопло Лаваля) 10. Газ в канал высокого давления газового эжектора поступает из полости, расположенной за турбиной двигателя, на выходе из канала высокого давления газового эжектора установлено регулируемое (с помощью конусообразного внутреннего тела) сужающееся сопло 11. Канал низкого давления с одной стороны соединен с атмосферой через входное устройство, а с другой стороны - с камерой смешения.The gas turbojet engine (Fig. 1) consists of an inlet device 1, a sonic gas ejector 2, a cylindrical mixing chamber 3, inside of which is a water manifold 4 with nozzles directed along the air flow, a diffuser 5, inside of which is a heat exchange device 6, through which fuel is supplied to the main combustion chamber of the engine, a turbocharger 7, an afterburner 8, inside of which is a fuel manifold 9, an outlet device (adjustable Laval nozzle) 10. Gas enters the high-pressure channel of the gas ejector from a cavity located behind the engine turbine, at the outlet of the high-pressure channel of the gas ejector an adjustable (with the help of a conical inner body) tapering nozzle 11 is installed. The low-pressure channel is connected to the atmosphere on one side through the inlet device, and on the other side - to the mixing chamber.
Работа двигателя осуществляется следующим образом. На дозвуковых скоростях полета до М=0,9 температура торможения воздуха на входе в компрессор равна температуре торможения наружного воздуха относительная физическая частота вращения ротора соответственно, The engine operates as follows. At subsonic flight speeds up to Mach 0.9, the stagnation temperature of the air at the compressor inlet equal to the braking temperature of the outside air relative physical rotor speed respectively,
На скоростях полета более М=0,9 и менее крейсерской (М ~ 2,5) температура торможения воздуха на входе в компрессор равна температуре торможения воздуха на крейсерском режиме полета - поддерживается за счет наддува компрессора горячим газом, относительная физическая частота вращения равна относительной приведенной частоте вращения . Топливо (керосин) поступает в основную камеру сгорания через теплообменное устройство 6. В теплообменном устройстве керосин испаряется, поглощая часть тепловой энергии воздуха. Температура воздуха на входе в компрессор понижается ~ на 6 градусов, а теплотворная способность керосина повышается ~ на 300 кДж/кг.At flight speeds greater than M=0.9 and less than cruising speed (M~2.5), the stagnation temperature of the air at the compressor inlet equal to the air stagnation temperature at cruising flight mode - is maintained by supercharging the compressor with hot gas, the relative physical rotation frequency is equal to the relative reduced rotation frequency Fuel (kerosene) enters the main combustion chamber through heat exchanger 6. In the heat exchanger, the kerosene evaporates, absorbing some of the air's thermal energy. The air temperature at the compressor inlet decreases by approximately 6 degrees, and the calorific value of the kerosene increases by approximately 300 kJ/kg.
При достижении крейсерской скорости полета перепад давлений в турбине увеличивается до максимального (за счет раскрытия сопла), относительная частота вращения сохраняется неизменной температура газа перед турбиной уменьшается.When cruising speed is reached, the pressure difference in the turbine increases to its maximum (due to the nozzle opening), the relative rotation frequency remains unchanged. the gas temperature in front of the turbine decreases.
На скоростях полета, превышающих крейсерскую, физическая частота вращения увеличивается пропорционально до момента достижения ограничения по температуре газа перед турбиной , после чего в камеру смешения подается вода под давлением более 10 МПа (гиперфорсаж) в количестве, обеспечивающем поддержание неизменной температуры воздуха на выходе из камеры смешения, что обеспечивает выдерживание условий: At flight speeds exceeding cruising speed, the physical rotation frequency increases proportionally until the gas temperature limit in front of the turbine is reached , after which water is supplied to the mixing chamber under a pressure of more than 10 MPa (hyperforce) in an amount that ensures maintaining a constant air temperature at the outlet of the mixing chamber, which ensures that the following conditions are met:
После достижения ограничения по расходу воды включается форсаж, относительная приведенная и относительная физическая частоты вращения снижаются, двигатель постепенно вырождается.After reaching the water flow limit, afterburner is activated, the relative reduced and relative physical rotation speeds decrease, and the engine gradually degenerates.
Ниже приводятся летно-технические характеристики ГТРД (фиг.1) с исходными данными: взлетная тяга 20 тонн; максимальная температура газа перед турбиной 1900 К; температура форсажа 2200 К; максимальная температура рабочих лопаток 1350 К; коэффициент отбора воздуха на охлаждение турбины (коэффициент интенсивности охлаждения рабочих лопаток 0,67); степень повышения давления компрессора в условиях взлета степень понижения давления в турбине в условиях взлета потери давления во входном устройстве, газовом эжекторе, камере сгорания, выходном устройстве - стандартные; коэффициенты полезного действия компрессора, турбины - стандартные. Эжектор - звуковой, отношение площадей выходных сечений сопел для эжектирующего и эжектируемого газов α=0,17. Диаметр миделя двигателя 1,7 м.Below are the flight characteristics of the gas turbine engine (Fig. 1) with the initial data: takeoff thrust 20 tons; maximum gas temperature in front of the turbine 1900 K; afterburner temperature 2200 K; maximum temperature of the working blades 1350 K; air bleed coefficient for cooling the turbine (cooling intensity coefficient of the working blades 0.67); the degree of increase in compressor pressure under takeoff conditions turbine pressure reduction ratio under takeoff conditions Pressure losses in the inlet device, gas ejector, combustion chamber, and outlet device are standard; compressor and turbine efficiencies are standard. The ejector is sonic, the ratio of the nozzle outlet cross-sectional areas for the ejecting and ejected gases is α = 0.17. The engine midsection diameter is 1.7 m.
На фиг.2 представлены характеристики взлетного режима ГТРД. На фиг.3 представлены высотно-скоростные характеристики ГТРД (фиг.1) для типовой траектории полета гиперзвукового ЛА (здесь Н - высота полета, R - тяга двигателя, Суд - удельный расход топлива, - температура газа перед турбиной, - температура форсажа; - температура рабочих лопаток, - температура воздуха на выходе из компрессора, - относительная частота вращения ротора, - относительная приведенная частота вращения ротора, - степень повышения давления в компрессоре, - степень понижения давления в турбине, - общий к.п.д. двигателя; - относительный расход топлива; - относительный расход воды; - коэффициент избытка воздуха в основной камере сгорания; - коэффициент избытка воздуха в форсажной камере; - доля отбираемого газа на наддув компрессора.Fig. 2 shows the takeoff mode characteristics of the gas turbine engine. Fig. 3 shows the altitude-speed characteristics of the gas turbine engine (Fig. 1) for a typical flight trajectory of a hypersonic aircraft (here H is the flight altitude, R is the engine thrust, S is the specific fuel consumption, - gas temperature before turbine, - afterburner temperature; - temperature of the working blades, - air temperature at the compressor outlet, - relative rotor speed, - relative reduced rotor speed, - the degree of pressure increase in the compressor, - the degree of pressure reduction in the turbine, - overall engine efficiency; - relative fuel consumption; - relative water consumption; - excess air coefficient in the main combustion chamber; - excess air coefficient in the afterburner; - the share of gas extracted for compressor boosting.
Крейсерской скоростью полета является скорость М=2,5. Эжектор включается на скорости М=0,9 и отключается на скорости М=2,5. До скорости М=4,0 реализуется закон регулирования На скоростях М > 4,0 двигатель находится на ограничителе по расходу воды - реализуется закон регулирования включается форсаж Предельная скорость полета ЛА (М=5,0) ограничена прочностью лопаток компрессора Максимальная топливная эффективность двигателя достигается на скоростях полета The cruising speed is Mach 2.5. The ejector is turned on at Mach 0.9 and turned off at Mach 2.5. Up to Mach 4.0, the control law is implemented. At speeds M> 4.0 the engine is at the water flow limiter - the regulatory law is being implemented afterburner is turned on The maximum flight speed of the aircraft (M=5.0) is limited by the strength of the compressor blades Maximum engine fuel efficiency is achieved at flight speeds
ГТРД (фиг.1) обладает уникальными тяговыми и расходными характеристиками на до- сверх и гиперзвуковых скоростях полета (фиг.2, фиг.3): удельный расход топлива на взлете ~ 1,0 кг/(кгс⋅ч), общий к.п.д. на скорости четыре Маха ~ 0,47, максимальная скорость полета ~ 5М.The gas turbine engine (Fig. 1) has unique thrust and fuel consumption characteristics at sub- and hypersonic flight speeds (Fig. 2, Fig. 3): specific fuel consumption at takeoff is ~ 1.0 kg/(kgf⋅h), overall efficiency at a speed of four Mach is ~ 0.47, maximum flight speed is ~ 5M.
ГТРД может применяться как двигатель для сверхзвуковых пассажирских и транспортных самолетов и как двигатель для самолетов военного (специального) назначения.The gas turbine engine can be used as an engine for supersonic passenger and transport aircraft and as an engine for military (special) purpose aircraft.
Для пассажирских и транспортных самолетов ГТРД применяется без средств форсирования тяги: максимальная скорость полета - 3,3М. Для создания подобных двигателей достаточно существующих (внедренных в производство) технологий производства двигателей пятого поколения.For passenger and transport aircraft, the gas turbine engine is used without thrust augmentation: the maximum flight speed is Mach 3.3. Existing fifth-generation engine technologies (implemented in production) are sufficient to create such engines.
Для самолетов военного (специального) назначения ГТРД используются в комплектации со средствами форсирования тяги (гиперфорсаж, форсаж, см. фиг.1): максимальная скорость полета - 5М. Для создания подобных двигателей требуется разработка новых технологий, обеспечивающих повышение жаропрочности лопаток компрессора до 1200 К, лопаток турбины - до 1400 К либо внедрение более эффективных способов их охлаждения (защиты) (Письменный В.Л. Методы и способы повышения температуры газа перед турбиной газотурбинного двигателя. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2023, №6, с. 108-118).For military (special) purpose aircraft, gas turbine engines are used in combination with thrust augmentation devices (hyperforce, afterburner, see Fig. 1): maximum flight speed is 5M. To create such engines, it is necessary to develop new technologies that ensure an increase in the heat resistance of compressor blades to 1200 K, turbine blades - up to 1400 K, or the introduction of more effective methods of their cooling (protection) (Pismenny V.L. Methods and means of increasing the gas temperature in front of the turbine of a gas turbine engine. News of higher educational institutions. Mechanical Engineering, 2023, No. 6, pp. 108-118).
Claims (22)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2848345C1 true RU2848345C1 (en) | 2025-10-17 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4644746A (en) * | 1985-12-30 | 1987-02-24 | L. W. Fleckenstein, Inc. | Gas compressor for jet engine |
| RU2126344C1 (en) * | 1993-09-21 | 1999-02-20 | Бил-Инновационс-Штифтунг | Flying vehicle |
| RU2201518C2 (en) * | 2001-03-19 | 2003-03-27 | Письменный Владимир Леонидович | Turbojet engine with ejector supercharging |
| RU29752U1 (en) * | 2002-12-26 | 2003-05-27 | Письменный Владимир Леонидович | Cryogenic fuel turbojet engine |
| RU2535186C1 (en) * | 2013-05-17 | 2014-12-10 | Владимир Леонидович Письменный | Adjustment of axial compressor of gas turbine engine |
| RU2576403C2 (en) * | 2010-11-23 | 2016-03-10 | Снекма | Combined turbo-ramjet engine |
| RU2645373C1 (en) * | 2016-05-17 | 2018-02-21 | Владимир Леонидович Письменный | Turbo-jet engine and control method thereof |
| RU2674089C1 (en) * | 2018-01-22 | 2018-12-04 | Владимир Леонидович Письменный | Method of forcing gas turbine plant |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4644746A (en) * | 1985-12-30 | 1987-02-24 | L. W. Fleckenstein, Inc. | Gas compressor for jet engine |
| RU2126344C1 (en) * | 1993-09-21 | 1999-02-20 | Бил-Инновационс-Штифтунг | Flying vehicle |
| RU2201518C2 (en) * | 2001-03-19 | 2003-03-27 | Письменный Владимир Леонидович | Turbojet engine with ejector supercharging |
| RU29752U1 (en) * | 2002-12-26 | 2003-05-27 | Письменный Владимир Леонидович | Cryogenic fuel turbojet engine |
| RU2576403C2 (en) * | 2010-11-23 | 2016-03-10 | Снекма | Combined turbo-ramjet engine |
| RU2535186C1 (en) * | 2013-05-17 | 2014-12-10 | Владимир Леонидович Письменный | Adjustment of axial compressor of gas turbine engine |
| RU2645373C1 (en) * | 2016-05-17 | 2018-02-21 | Владимир Леонидович Письменный | Turbo-jet engine and control method thereof |
| RU2674089C1 (en) * | 2018-01-22 | 2018-12-04 | Владимир Леонидович Письменный | Method of forcing gas turbine plant |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2514513A (en) | Jet power plant with boundary layer control for aircraft | |
| RU2447308C2 (en) | Bypass turbojet engine with airflow redistribution at inlet | |
| US2356557A (en) | Reaction propelling device with supercharged engine | |
| US2411227A (en) | Power plant for airplanes | |
| US2704434A (en) | High pressure ratio gas turbine of the dual set type | |
| CN109252981A (en) | Turbo/Shock Convergence Detonation Combination Engine | |
| CN111878252B (en) | Intake nozzle model and turbofan engine model | |
| US11884414B2 (en) | Supersonic aircraft turbofan engine | |
| CN114746700A (en) | Rotary detonation combustion and heat exchanger systems | |
| CN116201656B (en) | A turbojet propulsion system suitable for UAV hypersonic cruise | |
| CN106762221A (en) | Turbo ramjet engine ram-air turbine heat to electricity conversion and forecooling method | |
| CN106168185A (en) | Air turbine punching press combined engine and method of work thereof | |
| GB1313841A (en) | Gas turbine jet propulsion engine | |
| RU2661427C1 (en) | Bypass turbojet engine | |
| US4007892A (en) | Aircraft flight method and apparatus for boosting an aircraft to a very high altitude and thereafter boosting the aircraft to a high rate of forward speed | |
| RU2848345C1 (en) | Hypersonic turbojet engine and its regulation method | |
| CN113482774B (en) | Small-sized high-speed turbojet engine with kerosene jet precooling function | |
| CN103726952B (en) | Shunting gas-turbine unit | |
| CN106368851A (en) | Multi-fan propelling device | |
| CN105927421A (en) | Venturi jet engine | |
| CN108087150B (en) | Boost type small turbofan engine for supersonic missile | |
| CN107842423A (en) | The pushing system of water spray or methanol suitable for small-size turbojet engine | |
| RU2418969C2 (en) | Turbojet engine | |
| RU2645373C1 (en) | Turbo-jet engine and control method thereof | |
| RU2844597C1 (en) | Jet turbine engine with ejector supercharging |