Газотурбинный струйный двигатель

Газотурбинные двигатели (ГТД) имеют ряд преимуществ по сравнению с поршневыми двигателями. Они обладают большей удельной мощностью, благоприятным для транспортных машин изменением крутящего момента, т.е. лучшим коэффициентом приспособляемости, большим в 2-3 раза ресурсом за счёт уравновешенности и сведения к минимуму трущихся поверхностей, меньшим расходом смазочных жидкостей, низкими требованиями к качеству топлива независимо от октанового числа, меньшим временем подготовки к запуску, особенно при низких температурах, меньшей токсичностью выхлопных газов. Между тем, ГТД проигрывают поршневым двигателям по экономичности. Это определяется недостаточно высоким термическим коэффициентом полезного действия – отношению полезной работы к затраченному теплу – вследствие ограничения температуры на входе в турбину по причине недостаточной жаропрочности материала турбинных лопаток. Понижение температуры газов до допустимых пределов в известных ГТД достигается за счет подачи большого количества воздуха, значительно превышающее требуемое для сжигания топлива при стехиометрическом соотношении. Повышение допустимой рабочей температуры в известных случаях достигается за счет увеличения жаропрочности турбинных лопаток, например, применения термобарьерных покрытий на основе металлокерамики и (или) внутреннего охлаждения лопаток. Лучшие зарубежные ГТД имеют температуру газов на входе в турбину 1500°С, однако эти значения существенно ниже температуры горения стехиометрических смесей углеводородных топлив с воздухом (~ 2300°К). То есть потенциально имеются еще возможности повышения температуры рабочего тела и, следовательно, увеличения экономичности двигателя.

С целью повышения экономичности представляется перспективным создание струйного газотурбинного двигателя с вращающейся камерой сгорания (КС) и истечением рабочего тела из реактивных сопел по типу известного из курса физики сегнерова колеса. В этом случае устраняются турбинные лопатки, что позволяет повысить температуру, исчезают зазоры между ротором и статором. Вращающий момент на валу создается за счет силы реакции струй, истекающих из сопел. По существу, реализуется устройство с вращающимися ракетными двигателями, термодинамическая эффективность которых, как известно, сопоставима с эффективностью поршневых двигателей.

Двигатель [1-3] имеет вращающуюся КС с истечением газа из тангенциально расположенных нерасширяю-щихся сопел. Истечение происходит со скоростью звука при критическом перепаде давления. При равенстве давления в струе и окружающем пространстве (расчетном режиме) устраняются волновые потери давления, возникающие в случае сверхзвукового истечения. Однако использование сопел со звуковым истечением не позволяет полностью расширить рабочее тело в одной ступени, требуется многоступенчатое расширение. Расширение происходит в нескольких вращающихся камерах (роторах), последовательно охватывающих КС. Роторы также оснащены по периферии тангенциально расположенными соплами. Суммарная площадь проходного сечения сопел каждой последующей ступени подбирается таким образом, чтобы обеспечить расчетный режим истечения из сопел предыдущей ступени.

Вращающий момент роторов суммируется с помощью редуктора и передается на вал отбора мощности. Роторы вращаются взаимозависимо с числами оборотов, полученными в результате газодинамического расчета проточного тракта двигателя.

Во вращающейся КС и в последующихступенях расширения происходит преобразование химической энергии топлива в механическую работу, поэтому температура газа на выходе из сопел каждой ступени будет последовательно понижаться и, учитывая возможность применения достаточно термостойких материалов, ступени, следующие за камерой сгорания, не потребуют принудительного охлаждения.

Охлаждение камеры сгорания и сопел камеры осуществляется посредством жидкометаллического теплоносителя (сплав натрий + калий), циркулирующего под действием центробежных сил в сочетании с термосифонным эффектом. Сброс тепла от теплоносителя к входящему воздуху осуществляется после последней ступени компрессора, обеспечивая тем самым регенерацию тепла. Это повышает КПД двигателя.

Расчетные оценки показывают, что для струйного ГТД полезной мощности около 100 квт при температуре рабочего тела, соответствующей температуре горения стехиометрической смеси углеводородного топлива с воздухом, термический КПД равен 0,46, удельный расход топлива 0,258 кг/квтч, что сопоставимо с соответствующими показателями для поршневых двигателей.

Автор ищет возможности взаимовыгодного сотрудничества с заинтересованными лицами с целью создания и экспериментального исследования опытного образца двигателя.