RU2495269C2

RU2495269C2 - Compressor air breather

Info

Publication number: RU2495269C2
Application number: RU2011110642/06A
Authority: RU
Inventors: Михаил Зеликович Боярер
Original assignee: Михаил Зеликович Боярер
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-10-10
Also published as: RU2011110642A

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: air breather fuel combustion chamber and jet nozzle are rotated at radial flow compressor screw hollow vane end at peripheral speed over 300 m/s. Gas flowing from combustion chamber into supersonic nozzle is premixed in mixing chamber with atmospheric air compressed to compression ratio over 40.

EFFECT: higher engine efficiency due to fuel premixing with atmospheric air.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области ВРД.The invention relates to the field of WFD.

Аналогом и прототипом является способ работы КВРД в устройстве передачи механической энергии от КВРД к электрогенератору ТЭС (патент №2382896), где воздушный компрессор двигателя состоит из компрессора предварительного сжатия воздуха и центробежного компрессора, выполненного в виде полых лопастей высокоскоростного воздушного винта (ВВВ) (патент №2378155), а камера сгорания топлива (КСТ) и сверхзвуковое реактивное сопло (СЗРС) расположены в конце лопасти ВВВ.The analogue and prototype is the method of operation of the high pressure air pump in the device for transferring mechanical energy from the high pressure air pump to the TPP electric generator (patent No. 2382896), where the air compressor of the engine consists of an air pre-compressor and a centrifugal compressor made in the form of hollow blades of a high-speed propeller (BBB) (patent No. 2378155), and the fuel combustion chamber (CCT) and the supersonic jet nozzle (NWRS) are located at the end of the BBB blade.

Стреловидное, по отношению к вектору окружной скорости сечения лопасти, расположение лопастей ВВВ позволяет затянуть начало волнового кризиса, а крепление концов смежных лопастей ВВВ между собой и к агрегатам КВРД предохраняет лопасти от разрушения.Arrow-shaped, relative to the vector of the peripheral velocity of the section of the blade, the location of the BBB blades allows you to delay the onset of the wave crisis, and the fastening of the ends of the adjacent BBB blades to each other and to the KVRD units protects the blades from destruction.

Существенное отличительное свойство известного способа работы КВРД, общее с изобретением, заключается в том, что КСТ и СЗРС двигателя вращают на конце полой лопасти воздушного винта центробежного компрессора с окружной скоростью конца лопасти >300 м/с.An essential distinguishing feature of the known method of operation of the CVAC, common with the invention, is that the KST and the SZRS of the engine rotate at the end of the hollow blade of the centrifugal compressor propeller with a peripheral speed of the end of the blade> 300 m / s.

Главным преимуществом известного способа является возможность получения в КСТ степени сжатия воздуха >40 при окружной скорости вращения концов лопастей воздушного винта 300÷400 м/с.The main advantage of this method is the ability to obtain in the CCT a degree of air compression> 40 at a peripheral speed of rotation of the ends of the blades of the propeller 300 ÷ 400 m / s.

Однако при высоком давлении газа на входе в СЗРС непропорционально высокая скорость истечения газа на выходе из сопла, по сравнению с окружной скоростью вращения самого сопла, существенно снижает его полетный КПД и создает высокий уровень шума, а кратковременный процесс сжигания топлива в камере сгорания не позволяет кислороду воздуха полностью окислить углерод топлива.However, at a high gas pressure at the inlet to the NWRS, a disproportionately high rate of gas outflow from the nozzle, compared with the peripheral speed of the nozzle itself, significantly reduces its flight efficiency and creates a high noise level, and the short-term process of burning fuel in the combustion chamber does not allow oxygen air completely oxidize the carbon fuel.

Цель изобретения - повышение полетного КПД сопла, снижения выброса в атмосферу окиси углерода и уменьшение уровня шума, создаваемого винтом.The purpose of the invention is to increase the flight efficiency of the nozzle, reduce the emission of carbon monoxide into the atmosphere and reduce the noise level created by the screw.

Существо изобретения состоит в том, что посредством камеры смешения газов (КСГ) газ, вытекающий из КСТ в СЗРС, перед поступлением в сопло предварительно смешивают в КСГ с атмосферным воздухом, имеющим степень сжатия >40.The essence of the invention lies in the fact that by means of a gas mixing chamber (LHG), the gas flowing from the LHC to the CWS is preliminarily mixed in the LHH with atmospheric air having a compression ratio> 40 before entering the nozzle.

Причинно-следственная связь: доказательство базируется на допущении о том, что сжигание топлива в КСТ и его дожигание в КСГ может протекать как по циклу Брайтона (P=Const) в ПРЯМОТОЧНОМ КВРД, так и по циклу Хампри (V=Const) в КВРД С ВХОДНЫМ УПРАВЛЯЕМЫМ КЛАПАНОМ КСТ. Так при работе по циклу Хампри после сгорания топлива в КСТ основная часть массы газа под действием высокого давления из КСТ сразу перетечет в КСГ и существенно УВЕЛИЧИТ в ней МАССУ и, соответственно, ПЛОТНОСТЬ, а также УМЕНЬШИТ ТЕМПЕРАТУРУ и ДАВЛЕНИЕ смеси газа с атмосферным воздухом.Causal relationship: the evidence is based on the assumption that the combustion of fuel in the KST and its afterburning in the KSG can proceed both according to the Brighton cycle (P = Const) in the DIRECT RAC, and in the Humpri cycle (V = Const) in the RV C INPUT CONTROLLED VALVE KST. So, when working on the Humpri cycle after fuel combustion in the CST, the main part of the gas mass under the influence of high pressure will immediately flow from the CST to the CSG and significantly INCREASE the MASS and, accordingly, DENSITY, and REDUCE the TEMPERATURE and PRESSURE of the gas mixture with atmospheric air.

При этом большая часть внутренней тепловой энергии этих газов за счет большой длительности сжигания и дожигания топлива дополнительно преобразуется в потенциальную энергию давления, что существенно увеличит термический КПД.At the same time, most of the internal thermal energy of these gases due to the long duration of combustion and afterburning of fuel is additionally converted to potential pressure energy, which will significantly increase thermal efficiency.

Увеличение плотности и уменьшение давления на входе в сопло уменьшает скорость вытекающей из сопла реактивной струи газа, что повысить ПОЛЕТНЫЙ КПД СОПЛА, а перемешивание продуктов сгорания с атмосферным воздухом, достигаемое в КСГ за счет длительного дефлаграционного процесса дожигания в ней топлива, позволит дожечь в КСГ весь углерод топлива.An increase in density and a decrease in pressure at the inlet to the nozzle reduces the speed of the jet of gas flowing out of the nozzle, which increases the FLIGHT EFFICIENCY of the NOZZLE, and mixing of the combustion products with atmospheric air, achieved in KSG due to the long deflagration process of burning the fuel in it, will allow to burn the whole carbon fuel.

При этом уменьшение уровня шума обусловлено наличием в ВВВ лопастей, расположенных стреловидно к вектору окружной скорости сечения лопасти, и уменьшением величины сверхзвуковой скорости реактивной струи газа на выходе из сопла.In this case, the decrease in the noise level is due to the presence of blades in the BBB located arrow-shaped to the vector of the peripheral velocity of the blade section, and to a decrease in the supersonic velocity of the jet of gas at the exit of the nozzle.

На фиг.1 представлена схема размещения агрегатов КВРД с ВХОДНЫМ КЛАПАНОМ КСТ. На схеме обозначено: 1 - камера сгорания топлива (КСТ), 2 - камера смешения газов (КСГ), 3 - сверхзвуковое реактивное сопло (СЗРС), 4 - ВХОДНОЙ КЛАПАН КСТ, 5 - полая лопасть воздушного винта центробежного компрессора. Способ работы КВРД по циклу Хампри заключается в следующем: при открытии входного клапана КСТ (4) КСТ (1) и КСГ (2) заполняются атмосферным воздухом со степенью сжатия >40.Figure 1 presents the layout of the units of the air-breathing valve with an inlet valve KST. The diagram shows: 1 - fuel combustion chamber (KST), 2 - gas mixing chamber (KGS), 3 - supersonic jet nozzle (NWRS), 4 - KST inlet valve, 5 - hollow rotor blade of a centrifugal compressor propeller. The mode of operation of the air-breathing valve on the Hampri cycle is as follows: when the KST (4) inlet valve is opened, the KST (1) and KSG (2) are filled with atmospheric air with a compression ratio> 40.

После закрытия клапана (4) в КСТ (1) впрыскивается и сжигается топливо. При этом большая часть горячего газа высокого давления из КСТ (1) сразу перетечет в КСГ (2) и увеличит в ней массу смеси продуктов сгорания с атмосферным воздухом, что увеличит в ней плотность газа, поступающего в СЗРС (3), и уменьшит его давление и температуру.After closing the valve (4), fuel is injected and burned into the CCT (1). In this case, most of the hot high-pressure gas from KST (1) will immediately flow to KSG (2) and will increase the mass of the mixture of combustion products with atmospheric air in it, which will increase the density of gas entering the CWS (3) and reduce its pressure and temperature.

После того как давление в камере КСТ (1) уменьшится до давления, равного давлению атмосферного воздуха, поступающего из воздушного компрессора, цикл повторяется.After the pressure in the CCT chamber (1) decreases to a pressure equal to the pressure of atmospheric air coming from the air compressor, the cycle repeats.

Увеличение ПЛОТНОСТИ газа и уменьшение его ДАВЛЕНИЯ на входе в СЗРС (3) уменьшит скорость вытекающей из сопла реактивной струи и повысит полетный КПД сопла.An increase in the DENSITY of the gas and a decrease in its PRESSURE at the inlet to the NWRS (3) will reduce the speed of the jet flowing out of the nozzle and increase the flight efficiency of the nozzle.

На Фиг.2 представлен пример использования способа работы ПРЯМОТОЧНОГО КВРД по циклу Брайтона в высокоскоростном реактивном пропеллере летательного аппарата.Figure 2 presents an example of the use of the method of operation of the Rectangular CVRD according to the Brighton cycle in a high-speed jet propeller of an aircraft.

На схеме обозначено: 6 - втулка пропеллера, 7 - летательный аппарат, 8 - вал, 9 - воздушный компрессор предварительного сжатия воздуха, 10 - входной диффузор компрессора предварительного сжатия воздуха, 11 - лопасть расположенная под отрицательным углом стреловидности к вектору окружной скорости сечения лопасти, 12 - опорная силовая лопасть, 13 - лопасть расположенная под положительным углом стреловидности, 14 - камера сгорания топлива (КСТ), 15 - камера смешения газов (КСГ), 16 - сверхзвуковое реактивное сопло(СЗРС), 17 - обтекатель.The diagram shows: 6 — propeller hub, 7 — aircraft, 8 — shaft, 9 — air pre-compressor, 10 — inlet diffuser of the air pre-compressor, 11 — blade located at a negative sweep angle to the blade circumferential velocity vector, 12 - supporting power vane, 13 - vane located at a positive sweep angle, 14 - fuel combustion chamber (KST), 15 - gas mixing chamber (KGS), 16 - supersonic jet nozzle (NWRS), 17 - fairing.

На режиме горизонтального полета устройство работает следующим образом.In the horizontal flight mode, the device operates as follows.

Компрессор предварительного сжатия воздуха (9) приводится во вращение через редуктор от винта самого реактивного пропеллера. Сжатый воздух от компрессора (9) через полые лопасти (11) и (12) поступает ОДНОВРЕМЕННО И В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА (14,) И В КАМЕРУ СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ (15). В результате сгорания топлива в КСТ (14) при ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ резко увеличивается объем и, соответственно, уменьшается ПЛОТНОСТЬ вытекающих из КСТ (14) в КСГ (15) газов. В результате смешивания в КСГ (15) этих газов с атмосферным воздухом, того же ДАВЛЕНИЯ, но существенно БОЛЬШЕЙ ПЛОТНОСТИ, повышается ПЛОТНОСТЬ газа, поступающего в сопло, что уменьшает скорость вытекающей из сопла реактивной струи и, соответственно, повышает полетный КПД сопла.The air pre-compressor (9) is driven into rotation through a gearbox from the screw of the jet propeller itself. Compressed air from the compressor (9) passes through the hollow blades (11) and (12) SIMULTANEOUSLY TO THE FUEL COMBUSTION CHAMBER (14,) AND TO THE GAS MIXING CHAMBER (15). As a result of fuel combustion in CCS (14) under CONSTANT PRESSURE, the volume sharply increases and, accordingly, DENSITY of gases flowing from CCS (14) to CSG (15) decreases. As a result of mixing these gases with atmospheric air in KSG (15), of the same PRESSURE, but significantly DENSITY, the DENSITY of the gas entering the nozzle increases, which reduces the speed of the jet flowing out of the nozzle and, accordingly, increases the flight efficiency of the nozzle.

На Фиг.2 видно, что при приближении к оси винта угол стреловидности, стреловидно расположенных по отношению к вектору окружной скорости сечения лопасти лопастей, существенно возрастает. Так на радиусе, равном ~0,5R, угол стреловидности возрастает ~ вдвое по сравнению с концевым сечением лопасти.Figure 2 shows that when approaching the axis of the screw, the sweep angle, arrow-shaped relative to the vector of the peripheral velocity of the section of the blade blades, increases significantly. So at a radius equal to ~ 0.5R, the sweep angle increases ~ twice as compared with the end section of the blade.

Если же стреловидно расположенные лопасти выполнить широкохордными саблевидной формы (напр., винтовентиляторными), то большая суммарная стреловидности лопастей на радиусе, равном 0,5R, позволит существенно затянуть появление волнового кризиса на лопастях до скоростей горизонтального полета, соответствующих числу М=1,5-2.If arrow-shaped blades are executed with broad-chord saber-like form (for example, fan-shaped ones), then a large total sweep of the blades at a radius of 0.5R will significantly delay the appearance of a wave crisis on the blades to horizontal flight speeds corresponding to the number M = 1.5- 2.

ФЕНОМИНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКТИВНОГО ПРОПЕЛЛЕРАPHENOMINAL FEATURES OF THE REACTIVE PROPELLER

1. Способ работы КВРД позволяет в схеме реактивного пропеллера применить простой, надежный и дешевый ПРЯМОТОЧНЫЙ КВРД, который уже при окружной скорости концов лопастей, соответствующих числу М=1,5-2, может иметь термический КПД=0,6-0,7 и высокий полетный КПД реактивного сопла КВРД.1. The method of operation of the air pressure regulator allows the use of a simple, reliable and cheap DIRECT-LINE air pressure regulator in the jet propeller circuit, which, even at the peripheral speed of the ends of the blades corresponding to the number M = 1.5-2, can have thermal efficiency = 0.6-0.7 and high flight efficiency of the jet nozzle KVRD.

2. Большой суммарный угол стреловидности, при использовании широкохордных саблевидных лопастей, позволит достигнуть высоких сверхзвуковых скоростей полета.2. A large total sweep angle, using wide-chord saber-shaped blades, will allow to achieve high supersonic flight speeds.

3. Уже при расположении оси реактивного сопла КВРД под углом 30° к плоскости вращения винта 50% всей мощности реактивных струй газа, вытекающего из сопел ,создадут ДОПОЛНИТЕЛЬНУЮ силу тяги в направлении полета.3. Already with the position of the axis of the jet nozzle of the CVAC at an angle of 30 ° to the plane of rotation of the screw, 50% of the total power of the jet of gas flowing from the nozzles will create an ADDITIONAL thrust force in the direction of flight.

4. Весь КВРД расположен практически на самом реактивном пропеллере, поэтому ГАБАРИТЫ, ВЕС, СЛОЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ И СТОИМОСТЬ КВРД НА ПОРЯДОК МЕНЬШЕ, ЧЕМ ЭТО ИМЕЕТ МЕСТО У СОВРЕМЕННЫХ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫХ ВРД.4. The whole ASRD is located practically on the jet propeller itself, therefore OVERALL DIMENSIONS, WEIGHT, COMPLEXITY OF DESIGN AND THE PRICE OF ASRD IS ORDER LESS THAN THAT IT HAPPENS AT MODERN VENTILENT FANS.

Claims

The method of operation of a compressor jet engine, including the rotation of the combustion chamber of the fuel and the supersonic jet nozzle of the engine at the end of a hollow blade of a centrifugal compressor propeller with a peripheral speed of the tip of the blade> 300 m / s, characterized in that the gas flowing out of the chamber through the gas mixing chamber combustion of fuel into a supersonic jet nozzle, before entering the nozzle, is pre-mixed in a gas mixing chamber with atmospheric air having a compression ratio> 40.