Турбомашина, яка містить детонаційну камеру, та літальний апарат, оснащений такою турбомашиною

Реферат: Даний винахід належить до турбінного двигуна, який містить детонаційну камеру, і до літального апарата, оснащеного таким турбінним двигуном. Камера (4) турбінного двигуна (1) містить двигун (6) з безперервною детонаційної хвилею, оснащений кільцевою детонаційною камерою (7) і сполученими засобами (8, 9), що забезпечують безперервне утворення гарячих газів із легкозаймистої суміші паливо-повітря. Двигун (6) з безперервною детонаційною хвилею виконаний таким чином, щоб утворювати із зазначеного захопленого потоку (Е) повітря перший потік (F1), який входить у зазначену детонаційну камеру (7) і вживаний в зазначеному двигуні (6), і другий потік (F2), що обходить зазначену камеру. Турбінний двигун (1) додатково містить допоміжні засоби (10) для змішування гарячих газів (F3), що виходять з детонаційної камери (7), із зазначеним другим потоком (F2) повітря перед їх проведенням в турбіну (5) та систему вприскування (8), що вприскує паливо окремо в повітря та безпосередньо до детонаційної камери. UA 115033 C2 (12) UA 115033 C2 UA 115033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Даний винахід відноситься до турбомашини, яка містить детонаційну камеру, і до літального апарату, зокрема до літака, оснащеного такою турбомашиною. Більш конкретно, даний винахід відноситься до будь-якого типу турбомашини, такої як турбореактивний двигун, турбогвинтовий двигун, турбогенератор чи газова турбіна, яка, як правило, містить, щонайменше в напрямку потоку газів, компресор, камеру згоряння, що забезпечує створення потоку гарячих газів із повітряної суміші, яка утворюється із захопленого потоку повітря й палива, і турбіну, яка приводиться в обертання зазначеним потоком гарячих газів, і приводить в дію вказаний компресор. Таким чином, турбомашина вилучає теплову енергію з газів, які виділяються при згорянні, здійснюваному в камері згоряння, за допомогою турбіни для приведення в дію компресора, а також допоміжних механізмів, необхідних для плавної роботи машини (насосів, регуляторів і т.д.). Зазвичай, зазначена камера згорання, призначена для утворення потоку гарячих газів, є, як правило, камерою згоряння з постійним тиском. Мета даного винаходу полягає в удосконаленні такої турбомашини, зокрема для збільшення її корисної потужності. З цією метою, відповідно до даного винаходу зазначена турбомашина, яка містить, щонайменше в напрямку потоку газів, компресор, камеру, що містить засоби, які забезпечують створення гарячих газів з повітряної суміші, яка утворюється із захопленого потоку повітря та з палива, і турбіну, що приводиться в обертання за допомогою зазначених гарячих газів, і приводить в дію вказаний компресор, характеризується тим, що вказана камера містить двигун з безперервною детонаційною хвилею, оснащений кільцевою детонаційною камерою і сполученими засобами (системою вприскування, запальним засобом), які забезпечують безперервне утворення гарячих газів з легкозаймистої суміші паливо-повітря, причому вказаний двигун з безперервною детонаційною хвилею виконаний таким чином, щоб утворювати із зазначеного захопленого потоку повітря перший потік, який входить у зазначену детонаційну камеру і вживаний зазначеним двигуном, і другий потік, який обходить зазначену камеру, і зазначена турбомашина додатково містить допоміжні засоби для змішування гарячих газів, що виходять із детонаційної камери, з зазначеним другим потоком повітря перед проведенням зазначених газів у турбіну. Отже, відповідно до даного винаходу в турбомашині (турбореактивному двигуні, турбогвинтовому двигуні, газовій турбіні, турбогенераторі) традиційна камера згоряння з постійним тиском замінена на двигун, що працює за принципом безперервної детонаційної хвилі, який описується більш докладно далі. Крім того, відповідно до даного винаходу частину захопленого свіжого повітря (припливного повітря) відхиляють навколо детонаційної камери, тим самим забезпечуючи роботу зазначеної камери на рівнях складу суміші, достатніх для забезпечення стабільної роботи і оптимального термодинамічного ККД. Потім зазначене відхилене (або відведене) повітря змішують з гарячими газами, що виходять з детонаційної камери, обмежуючи температуру газів, які приводять турбіну в дію. З цією метою переважно передбачена ежекторна/змішувальна система, яка забезпечує розбавлення газів, що виходять з детонаційної камери, і яка передає частину їхнього імпульсу відхиленому свіжому повітрю для отримання, на відносно короткій відстані, газової суміші, температура якої сумісна з характеристиками турбіни. Як правило, двигун з безперервною детонаційною хвилею (який називається CDWE) містить кільцеву камеру, в якій відбувається безперервне утворення гарячих газів, що виділяються з самопідтримних детонаційних хвиль. Таким чином отримують генератор, як і в камері згоряння, в якій підтримується постійний тиск, який створюють гарячі гази, що на виході з детонаційної камери формують надзвуковий потік з відносно рівномірними характеристиками. Навпаки, з точки зору термодинамічного циклу детонаційний ККД відповідно до даного винаходу потенційно вище на 15-25 %, ніж ККД згоряння при постійному тиску. Більше того, що стосується камери згоряння з постійним тиском імпульсного детонаційного двигуна (PDE), то проблема, пов'язана з дуже важкими умовами впливу створюваних вібрацій, не повинна вирішуватися a priori за допомогою такого імпульсного детонаційного двигуна. Дійсно, у разі CDWE потік на виході є відносно рівномірним (але надзвуковим) і не створює низькі частоти, які є причинами шуму і негативно позначаються на навколишньому середовищі, впливу яких піддається інше обладнання, пасажири транспортного засобу, який обладнаний турбомашиною. Заміна відповідно до даного винаходу традиційної камери згоряння з постійним тиском на CDWE двигун, оснащений детонаційної камерою, дозволяє, зокрема, отримувати переваги, які описуються нижче більш докладно: 1 UA 115033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - за рахунок зниженої необхідності в степені стиснення - a priori в два або три рази менше для таких самих робочих характеристик - можна спростити і скоротити ступені компресора і, отже, ступені турбіни, і тим самим скоротити витрати на розробку й виробництво, одночасно знижуючи масу; і - для такої ж складності і таких самих робочих характеристик компресора (компресорів) (і, отже, турбіни (турбін)) за рахунок більш високого ККД термодинамічного циклу представляється можливим істотно скоротити витрату палива (від 15 до 20 %) і, отже, викид СО2. Також необхідно відзначити, що практично миттєвий викид гарячих газів після проходження детонаційної хвилі забезпечує, незважаючи на отримані дуже високі максимальні температури, утворення мінімальної кількості оксидів азоту (NOX). Відповідно до конкретного варіанту здійснення зазначена турбомашина може додатково містити: - перший додатковий компресор, розташований нижче зазначеного компресора, для стиснення зазначеного другого потоку повітря; та/або - другий додатковий компресор, розташований нижче зазначеного компресора і вище зазначеної детонаційної камери, для стиснення зазначеного першого потоку повітря до того, як він увійде в зазначену камеру. Такий конкретний варіант здійснення, зокрема, полегшує можливість від'єднання компресора і детонаційної камери турбомашини, зокрема для того, щоб уникнути підняття детонаційних хвиль або хвиль стиснення до компресора. Більше того, переважно зазначена турбомашина може містити декілька кільцевих детонаційних камер, як було описано вище, які розташовані концентрично. Таким чином забезпечується створення оптимальних робочих умов у широкому діапазоні всіх складів за допомогою забезпечення більшої або меншої кількості зазначених концентричних камер з паливом, і також забезпечується обмеження ударів при запуску за допомогою розподілу займання в кожній камері за часом. Більше того, турбомашина переважно може містити щонайменше один контур охолодження зазначеної детонаційної камери, причому в цьому контурі паливо може циркулювати перед його вприскуванням у зазначену камеру. Переважно, зазначений контур охолодження проходить уздовж щонайменше однієї бічної стінки зазначеної детонаційної камери, щонайменше вздовж частини її довжини. Отже, охолодження детонаційної камери можна здійснювати за допомогою частини або всього палива до моменту вприскування зазначеного палива в зазначену камеру. Таким чином можна підтримувати температурний режим у детонаційній камері при одночасному випаровуванні, щонайменше, частини палива, що вприскується під час його циркуляції в зазначений контур. Пряме вприскування попередньо випаруваного палива забезпечує ініціювання та стабільність детонації легкозаймистої паливоповітряної суміші. Таким чином також усувають проблеми, пов'язані із затримками випаровування крапель палива та хімічної реакції. Даний винахід можна застосовувати на турбомашині будь-якого типу: на турбореактивному двигуні, турбогвинтовому двигуні, турбогенераторі, газовій турбіні. Більше того, його можна реалізовувати: - у традиційній однопотоковій турбомашині, яка містить один потік. У цьому випадку зазначений двигун з безперервною детонаційною хвилею задіє вказаний один потік; або - у традиційній двохпотоковій турбомашині, яка містить первинний потік і вторинний потік. У цьому випадку зазначений CDWE задіє вказаний первинний потік. Даний винахід також відноситься до літального апарату, зокрема літака, оснащеного щонайменше однією турбомашиною, яка описана вище. Даний винахід також відноситься до системи генерування енергії, встановленої на землі, і яка обладнана щонайменше однією такою турбомашиною. Єдина фігура, що представляє прикладений графічний матеріал, пояснює, яким чином можна виконати даний винахід. На цій єдиній фігурі схематично показаний частковий вигляд в поперечному перерізі турбомашини, описаної в загальних рисах, до якої відноситься даний винахід. Турбомашина 1, що схематично і частково показана на фігурі, містить вісь 2 і містить, як і зазвичай, у напрямку 12 потоку газів нижче отвору для впуску повітря (не показано), потік повітря, який захоплюється в нього, показаний стрілкою Е: - один або декілька традиційних компресорів 3; - камеру 4, що забезпечує створення гарячих газів з повітряної суміші, яку отримують із зазначеного захопленого потоку Е повітря, і традиційного палива; 2 UA 115033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - одну або декілька традиційних турбін 5, які приводяться в обертання за допомогою зазначених гарячих газів, і які приводять в дію вказаний компресор (компресори) З, а також традиційні допоміжні механізми (не показані), необхідні для плавної роботи турбомашини 1 (насоси, регулятори і т.д.); і - засіб 13 (сопло), який забезпечує вихід газів, як показано стрілкою G. Всі ці елементи, які є добре відомими, і які традиційно можна виробляти різними способами, нижче докладно не описані. Такий загальний опис дозволяє продемонструвати, що даний винахід є застосовним на турбомашинах 1 будь-якого типу, які мають описані вище загальні характеристики. Даний винахід можна застосовувати, зокрема, на турбореактивних двигунах, турбогвинтових двигунах, газовій турбіні або турбогенераторі. Необхідно відзначити, що в даному описі поняття "вище" і "нижче » мають відношення до напрямку потоку 12 газів. Відповідно до даного винаходу з метою удосконалення зазначеної турбомашини 1: - зазначена камера 4 оснащена двигуном з безперервною детонаційною хвилею (який називається CDWE). Зазначений двигун 6 містить, зокрема, кільцеву детонаційну камеру 7, розташовану концентрично навколо осі 2, а також сполучені засоби 8 та 9 (які описуються більш докладно нижче), необхідні для роботи зазначеного двигуна, і яка забезпечує безперервне утворення гарячих газів з легкозаймистої суміші паливо-повітря; - зазначений двигун 6 з безперервною детонаційною хвилею розташований у зазначеній камері 4 нижче зазначеного компресора 3 для застосування частини захопленого потоку Е повітря. Більш конкретно, таке розташування забезпечує формування із зазначеного захопленого потоку Е повітря наступного: першого потоку F1 повітря, який входить у зазначену детонаційну камеру 7, і який використовується зазначеним двигуном 6 для утворення гарячих газів (потік F3): і другого потоку F2 повітря, який обходить зазначену детонаційну камеру 7; і - зазначена турбомашина 1 додатково містить ежекторну/змішувальну систему 10 (спеціально не показана) для змішування гарячих газів (потік F3), що виходять з детонаційної камери 7, з зазначеним другим потоком F2 повітря перед введенням вказаної суміші в турбіну 5 для приведення її в дію. Таким чином, даний винахід забезпечує заміну в турбомашині 1 (турбореактивному двигуні, турбогвинтовому двигуні, газовій турбіні, турбогенераторі) традиційного генератора гарячого газу, тобто камери згоряння з постійним тиском, на двигун 6 з безперервною детонаційною хвилею (CDWE). Як правило, такий CDWE 6 містить кільцеву камеру 7, в якій відбувається безперервне утворення гарячих газів, що виділяються з самопідтримних детонаційних хвиль. У такому двигуні 6 система 8 вприскування забезпечує безперервне вприскування палива в кільцеву камеру 7. Зазначене паливо змішується з холодним повітрям зазначеного потоку F1, утворюючи вибухову суміш. Потім відбувається ініціювання детонаційної хвилі у зазначеній вибуховій суміші за допомогою традиційного засобу 9 ініціювання (місток електрозапальника, детонаційна труба і т.д.). Зазначена хвиля поширюється кільцеподібно в холодній вибуховій суміші, тоді як гарячі гази, які утворює зазначена хвиля, розширюються в залишеному просторі кільцевої камери 7. Оскільки впорскування холодної вибухової суміші відбувається безперервно, при поверненні хвилі в її початкову точку вона знову контактує з холодною сумішшю і продовжує кільцевий рух, який таким чином стає безперервним. До того ж, нижче проходження детонаційної хвилі і після початкового викиду гарячих газів утворюється шар холодної суміші, який за рахунок контакту з гарячими газами і під впливом певних умов створює нову самоініціюючу детонаційну хвилю. Таким чином створюється кільцева камера 7, в якій ряд обертальних детонаційних хвиль, які переміщаються на частоті в декілька кГц (до 30 кГц), утворює гарячі гази, які розширюються в напрямку відкритого, розташованого нижче кінця 14 камери 7. Таким чином, відповідно до даного винаходу частина F1 захопленого холодного повітря Е забезпечує роботу двигуна 6 зі складами, рівень яких є достатнім для забезпечення стабільної роботи і оптимального термодинамічного ККД. Більше того, ежекторна/змішувальна система 10 змішує гарячі гази F3, що виходять з детонаційної камери 7, з зазначеним другим потоком F2 (холодного повітря), обмежуючи температуру газів (суміші F2 і F3), що приводять турбіну 5 в дію. Зазначена ежекторна/змішувальна система 10 призначена для розбавлення гарячих газів F3, що виходять з детонаційної камери 7, та передачі частини їх імпульсу відхиленому холодному повітрю F2 для отримання, на відносно короткій відстані, газової суміші, температура якої сумісна з характеристиками турбіни 5. Отже, робота детонаційної камери 7 можлива при складі, 3 UA 115033 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 достатньому для досягнення стабільної та ефективної роботи (при умовах, близьких до умов Чепмена-Жуге) з одночасним підтриманням температури на вході в турбіну 5, достатньої для забезпечення її температурного режиму. Завдяки наведеним вище характеристикам, як і в камері згоряння з постійним тиском, отримують безперервне утворення гарячих газів, причому гази формують на виході з детонаційної камери 7 надзвуковий потік з відносно рівномірними характеристиками. Навпаки, з точки зору термодинамічного циклу ККД детонації, яка створюється в двигуні 6, потенційно вище на 15-25 %, ніж ККД згоряння з постійним тиском. Заміна відповідно до даного винаходу традиційної камери згоряння з постійним тиском на CDWE 6, оснащеного детонаційної камерою 7, дозволяє, зокрема, отримувати такі переваги: - за рахунок зниженої необхідності в степені стиснення - a priori в два або три рази менше для таких же робочих характеристик - можна спростити і скоротити ступені компресора 3, і, отже, ступені турбіни 5, і тим самим скоротити витрати на розробку і виробництво турбомашини 1, одночасно знижуючи масу; і - для такої ж складності і таких самих робочих характеристик компресора (компресорів) 3 і, отже, турбіни (турбін) 5), за рахунок більш високого ККД термодинамічного циклу представляється можливим істотно скоротити витрату палива (від 15 до 20 %) і, отже, викид СО2- Також необхідно відзначити, що практично миттєвий викид гарячих газів після проходження детонаційної хвилі забезпечує, незважаючи на отримані дуже високі максимальні температури, утворення мінімальної кількості оксидів азоту (NOX). Більше того, система 8 вприскування забезпечує вприскування традиційного палива окремо в повітря (потік F1). Тому вприскування попередньої суміші не відбувається, що дозволяє усунути можливість згоряння вище детонаційної камери 7. Більше того, для палива тривалого зберігання, наприклад рідкого вуглеводню, також можна виконати контур рекуперації (не показаний), який дозволяє попередньо випаровувати паливо (перед його вприскуванням) і, таким чином, отримувати задовільні умови змішування і детонації, не вдаючись до попереднього змішування. Переважно вказаний контур рекуперації (або охолодження), в якому циркулює паливо, проходить уздовж щонайменше однієї бічної стінки зазначеної детонаційної камери, щонайменше, вздовж частини її довжини. Крім того, також надається можливість забезпечити систему вприскування повітря (яка виконана, наприклад, у формі кільцевого паза, що утворює канал подачі повітря) на вході в детонаційну камеру 7, забезпечуючи виконання від'єднання зазначеної камери 7 і розташованої вище частини. Відповідно до конкретного варіанту здійснення зазначена турбомашина 1 додатково містить щонайменше один додатковий компресор 11 (або нагнітач), розташований нижче зазначеного компресора 3 і вище зазначеної детонаційної камери 7 (в напрямку потоку 12), для стиснення зазначеного потоку F1 повітря до того, як він увійде в зазначену камеру. Такий конкретний варіант здійснення, зокрема, полегшує можливість розділення компресора 3 та детонаційної камери 7, зокрема для того, щоб уникнути підняття детонаційних хвиль або хвиль стиснення до компресора 3. Більше того, зазначена турбомашина 1 може додатково містити щонайменше один інший нагнітач або додатковий компресор (не показаний), який задіє вказаний потік F2 повітря, що обходить детонаційну камеру 7. Додатково, відповідно до іншого варіанту здійснення, зазначена турбомашина 1 може містити декілька (два або більше) двигунів 6 (як було описано вище) і відповідно декілька детонаційних камер 7, концентрично розташованих одна відносно одної навколо осі 2. Зокрема, це дозволяє: - створювати оптимальні робочі умови в широкому діапазоні складів. Дійсно, у випадку даної детонаційної камери 7 представляється можливим добитися дуже хороших робочих характеристик в обмеженому діапазоні вприскувальних складів (швидкість хвилі дуже близька до швидкості Чепмена-Жуге в умовах, що розглядаються), але в цілому зі зниженням робочих характеристик для інших складів. Також, за рахунок надання декількох концентричних детонаційних камер 7 з потенційно різними характеристиками можна створити хороші робочі умови в широкому діапазоні всіх складів за допомогою забезпечення більшої або меншої кількості зазначених концентричних камер 7 з паливом; і - обмежити удари при запуску за допомогою розподілу займання в кожній камері 7 за часом. Даний винахід є застосовним для будь-якого типу турбомашин 1. Отже, даний винахід можна застосовувати, як показано на фігурі, на однопотоковій турбомашині 1, яка містить один потік Е повітря. У цьому випадку зазначений двигун 6 і, відповідно, зазначена детонаційна камера 7 задіють вказаний один потік Е, як було описано вище. Даний винахід також можна 4 UA 115033 C2 5 застосовувати на традиційній двохпотоковій турбомашині, яка містить первинний потік і вторинний потік. У такій турбомашині попередньо стиснене повітря не проходить повністю через двигун, при цьому частина стисненого повітря (холодний потік або первинний потік) обходить по його периферії до сопла, де він впорскується з гарячими газами (гарячий потік або первинний потік). Відповідно до такого варіанту застосування вказаний двигун 6 і, відповідно, зазначена детонаційна камера 7 задіють виключно вказаний первинний потік. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Турбомашина, яка належить до типу, що містить щонайменше в напрямку (12) потоку газів, компресор (3), камеру (4), яка містить засоби, що забезпечують створення гарячих газів з повітряної суміші, яка утворюється із захопленого потоку повітря, та з палива, і турбіну (5), що приводиться в обертання за допомогою зазначених гарячих газів, і яка приводить в дію вказаний компресор (3), причому зазначена камера (4) містить двигун (6) з безперервною детонаційної хвилею, оснащений кільцевою детонаційною камерою (7) і сполученими засобами (8, 9), які забезпечують безперервне утворення гарячих газів з легкозаймистої суміші паливоповітря, причому вказаний двигун (6) з безперервною детонаційною хвилею виконаний таким чином, щоб утворювати із зазначеного захопленого потоку (Е) повітря перший потік (F1), який входить до зазначеної детонаційної камери (7) і вживаний зазначеним двигуном (6), і другий потік (F2), що обходить зазначену камеру, яка відрізняється тим, що зазначена турбомашина (1) додатково містить: - допоміжні засоби (10) для змішування гарячих газів (F3), які виходять з детонаційної камери (7), із зазначеним другим потоком (F2) повітря перед їх проведенням в турбіну (5); і - систему вприскування (8), що вприскує паливо окремо в повітря та безпосередньо до детонаційної камери. 2. Турбомашина за п. 1, яка відрізняється тим, що зазначені допоміжні засоби (10) містять ежекторну/змішувальну систему, що забезпечує розбавлення гарячих газів (F3) і повертає частину їх імпульсу холодному повітрю зазначеного другого потоку (F2) повітря для отримання газової суміші, температура якої сумісна з характеристиками турбіни (5). 3. Турбомашина за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що зазначена турбомашина містить щонайменше один додатковий компресор (11), розташований нижче зазначеного компресора (3) і вище зазначеної детонаційної камери (7), для стиснення зазначеного першого потоку повітря (F1) до того, як він увійде в зазначену камеру. 4. Турбомашина за будь-яким одним з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що зазначена турбомашина містить щонайменше один додатковий компресор, розташований нижче зазначеного компресора (3) для стиснення зазначеного другого потоку повітря (F2). 5. Турбомашина за будь-яким одним з пп. 1-4, яка відрізняється тим, що містить безліч двигунів (6), чиї детонаційні камери (7) розташовані концентрично. 6. Турбомашина за будь-яким одним з пп. 1-5, яка відрізняється тим, що зазначена турбомашина містить щонайменше один контур охолодження зазначеної детонаційної камери, причому в контурі рідке паливо циркулює, дозволяючи попередньо випаровувати паливо перед його вприскуванням у зазначену детонаційну камеру. 7. Турбомашина за п. 6, яка відрізняється тим, що вказаний охолоджуючий контур проходить уздовж щонайменше однієї бічної стінки зазначеної детонаційної камери щонайменше вздовж частини її довжини. 8. Турбомашина за будь-яким одним з пп. 1-7, яка відрізняється тим, що зазначена турбомашина є однопотоковою турбомашиною, яка містить один потік (Е), причому зазначений двигун (6) з безперервною детонаційною хвилею задіює вказаний один потік (Е). 9. Турбомашина за будь-яким одним з пп. 1-7, яка відрізняється тим, що зазначена турбомашина є двопотоковою турбомашиною, яка містить первинний потік і вторинний потік, причому вказаний двигун (6) з безперервною детонаційною хвилею задіює вказаний первинний потік. 10. Літальний апарат, зокрема літак, який відрізняється тим, що вказаний апарат оснащений щонайменше однією турбомашиною (1) за будь-яким одним з пп. 1-9. 11. Система генерування енергії, яка відрізняється тим, що зазначена система оснащена щонайменше однією турбомашиною (1) за будь-яким одним з пп. 1-9. 5 UA 115033 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6