RU2523510C1 - Method of gas turbine engine afterburning - Google Patents

Method of gas turbine engine afterburning Download PDF

Info

Publication number
RU2523510C1
RU2523510C1 RU2013107310/06A RU2013107310A RU2523510C1 RU 2523510 C1 RU2523510 C1 RU 2523510C1 RU 2013107310/06 A RU2013107310/06 A RU 2013107310/06A RU 2013107310 A RU2013107310 A RU 2013107310A RU 2523510 C1 RU2523510 C1 RU 2523510C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fuel
combustion chamber
turbine
compressor
gas turbine
Prior art date
Application number
RU2013107310/06A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Евгеньевич Староверов
Original Assignee
Николай Евгеньевич Староверов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Николай Евгеньевич Староверов filed Critical Николай Евгеньевич Староверов
Priority to RU2013107310/06A priority Critical patent/RU2523510C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2523510C1 publication Critical patent/RU2523510C1/en

Links

Abstract

FIELD: engines and pumps.
SUBSTANCE: proposed method consists in the fuel feed into combustion chamber or compressor in amount required for its complete combustion. Besides, extra fuel is fed into combustion chamber in amount required for decrease in the temperature of gases in combustion chamber to safe limit (atmospheric supercharging). At activation of said atmospheric supercharging and exiting from the turbine igniter of whatever type is fired at a time.
EFFECT: perfected process.
2 cl

Description

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (далее ГТД) и предназначено в основном для вертолетов, танков и военных кораблей.The invention relates to gas turbine engines (GTE) and is intended mainly for helicopters, tanks and warships.

Известен способ форсирования турбодвигателей путем впрыска в камеру сгорания или перед компрессором воды или смеси воды с топливом (метанолом), см. Вьюнов С.А. «Конструкции и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», М., «Машиностроение», 2004, с.417-419. Однако вода как рабочее тело - не самый оптимальный вариант: у нее большая теплота парообразования - 2500 кДж/кг, большая теплоемкость - 4190 Дж/(кг·К), большая теплоемкость водяного пара - примерно 2 кДж/(кг·К) (она меняется с температурой и давлением). То есть, чтобы нагреть один килограмм воды до водяного пара с температурой 1400 градусов, потребуется примерно (без учета сжатия) 5519 кДж.A known method of forcing turbo engines by injection into the combustion chamber or in front of the compressor of water or a mixture of water with fuel (methanol), see Vyunov S.A. "Design and Design of Aircraft Gas Turbine Engines", M., "Mechanical Engineering", 2004, p. 417-419. However, water as a working fluid is not the best option: it has a high heat of vaporization - 2500 kJ / kg, a large heat capacity - 4190 J / (kg · K), a large heat capacity of water vapor - about 2 kJ / (kg · K) (it varies with temperature and pressure). That is, to heat one kilogram of water to water vapor with a temperature of 1400 degrees, it will take approximately (excluding compression) 5519 kJ.

Известен также «Способ форсажа турбодвигателя» патент №2474718, в котором впрыскивается горючее вещество. Этот новый для турбодвигателей способ форсажа путем впрыска в камеру сгорания или перед компрессором, или в ступень компрессора горючей жидкости или газа называется «атмофорсажем» (от греческого «атмос» - испарение). А топливо, предназначенное для охлаждения газов перед турбиной называется «атмотопливом».Also known is the "Method of afterburner of a turbo engine" patent No. 2474718, in which a combustible substance is injected. This new method of afterburning for turbo engines by injection into the combustion chamber either in front of the compressor, or into the compressor stage of a combustible liquid or gas is called “atmosphere” (from the Greek “atmosphere” - evaporation). And the fuel intended for cooling the gases in front of the turbine is called "fuel oil".

Задача и технический результат изобретения - безопасное повышение мощности ГТД.The objective and technical result of the invention is a safe increase in the power of a gas turbine engine.

Для этого данный способ форсажа газотурбинного двигателя заключается в подаче в камеру сгорания или в компрессор количества топлива, необходимого для его полного сгорания в поступающем в двигатель воздухе, и подачу в камеру сгорания дополнительного топлива в количестве, необходимом для снижения температуры газов в камере сгорания до безопасного предела.To this end, this method of afterburning of a gas turbine engine consists in supplying to the combustion chamber or to the compressor the amount of fuel necessary for its complete combustion in the air entering the engine, and supplying to the combustion chamber additional fuel in an amount necessary to reduce the temperature of the gases in the combustion chamber to a safe the limit.

При этом повышается тепловыделение в камере сгорания, и повышается количество рабочего тела для работы турбины. В результате угловая скорость вращения турбины и крутящий момент на ее лопатках увеличиваются.This increases the heat in the combustion chamber, and increases the amount of working fluid for the turbine. As a result, the angular velocity of rotation of the turbine and the torque on its blades increase.

Почти оптимальным рабочим телом для этого способа является вещество, которое на вертолете всегда присутствует - керосин: теплота парообразования примерно 220 кДж/кг (т.е. в 11.4 раза меньше), вдвое меньшая теплоемкость - 2,1 кДж/(кг·К), теплоемкость паров примерно 1.65 кДж/(кг·К). То есть, чтобы нагреть один килограмм керосина до состояния пара 1400 градусов, надо примерно 2575 кДж. Правда у воды больше коэффициент увеличения объема при испарении. Но зато керосин при температуре 1400 градусов может претерпевать крекинг и термическое разложение до водорода. То есть вместо одной молекулы может образоваться 15-16 молекул, и, соответственно, увеличится объем рабочего тела и его скорость истечения.An almost optimal working fluid for this method is the substance that is always present on the helicopter - kerosene: the heat of vaporization is about 220 kJ / kg (i.e. 11.4 times less), the half heat capacity is 2.1 kJ / (kg · K) , the heat capacity of the vapor is approximately 1.65 kJ / (kg · K). That is, to heat one kilogram of kerosene to a state of steam of 1400 degrees, you need about 2575 kJ. True, water has a larger coefficient of increase in volume during evaporation. But kerosene at a temperature of 1400 degrees can undergo cracking and thermal decomposition to hydrogen. That is, instead of one molecule, 15-16 molecules can be formed, and, accordingly, the volume of the working fluid and its flow rate will increase.

При этом, кстати, может возникнуть неопасное побочное явление: на лопастях и направляющем аппарате турбины может образоваться тонкий слой графита. Он никак не скажется на работе турбины и быстро обгорит после выключения атмофорсажа.In this case, by the way, a non-hazardous side effect can occur: a thin layer of graphite can form on the blades and guide vanes of the turbine. It does not affect the operation of the turbine and quickly burns after turning off the atmosphere.

Может использоваться и другая горючая жидкость, в том числе сжиженный горючий газ, например этиловый эфир, спирт, пропан или охлажденный метан. И хотя в этом случае на самолете для них потребуется отдельный бак, но при необходимости их можно подать в камеру сгорания как обычное топливо и использовать в обычном экономическом режиме полета.Other flammable liquids may also be used, including liquefied flammable gas, such as ethyl ether, alcohol, propane or chilled methane. And although in this case they need a separate tank for the airplane, they can be fed into the combustion chamber as ordinary fuel if necessary and used in the normal economic flight mode.

Казалось бы, в чем преимущества данного способа форсажа, ведь испаряющегося агента (топлива вместо воды) потребуется примерно вдвое больше? Но дело в том, что, во-первых, стало больше рабочего тела, что уже увеличивает тягу двигателя, а во-вторых, если вместо одной молекулы воды взять эквивалентное количество керосина с усредненной формулой C13H28, то она теоретически способна разложиться до углерода и 2,87 молекулы водорода. Да еще с небольшим экзотермическим эффектом (для метана - 4,67 мДж/кг).It would seem, what are the advantages of this afterburner method, because an evaporating agent (fuel instead of water) will need about twice as much? But the fact is that, firstly, there is more working fluid, which already increases engine thrust, and secondly, if instead of one water molecule we take an equivalent amount of kerosene with the averaged formula C 13 H 28 , then it theoretically can decompose to carbon and 2.87 hydrogen molecules. Yes, even with a slight exothermic effect (for methane - 4.67 mJ / kg).

Но самое главное преимущество этого способа форсажа в том, что не надо иметь, например, в вертолете запас воды. Он может никогда не пригодиться. А в случае крайней необходимости (например, при попадании боевой ракеты в один из двух двигателей) можно долететь до удобного для посадки места на одном двигателе в режиме атмофорсажа. Расход топлива при этом будет в несколько раз больше, чем при «максимале», но зато цель будет достигнута.But the main advantage of this afterburner method is that it is not necessary to have, for example, a water supply in a helicopter. It may never come in handy. And in case of emergency (for example, if a combat missile hits one of the two engines), you can fly to a place convenient for landing on one engine in the atmosphere mode. In this case, fuel consumption will be several times greater than with the "maximum", but the goal will be achieved.

Но у данного ГТД есть одна эксплуатационная особенность - при большой степени расширения газов в турбине, когда температура на выходе опускается ниже 700 градусов C (температура самовоспламенения водорода), выделившийся в результате термического разложения углеводородов водород может на выходе из турбины смешаться с воздухом и образовать взрывчатую газовую смесь. Если эта смесь случайно или преднамеренно будет воспламенена, произойдет сильный взрыв. Чтобы этого не произошло, при включении атмофорсажа следует одновременно включить поджигающее устройство любого типа (бензиновая горелка, газовая горелка, пирошашка и т.п.) на выходе из турбины в атмосферу. Почти без переделок может быть применено поджигающее устройство от огнеметов. Вызывает сомнение работоспособность электрической свечи, так как на выходе из сопла водород еще не смешался с окружающим воздухом.But this gas turbine engine has one operational feature - with a large degree of gas expansion in the turbine, when the outlet temperature drops below 700 degrees C (the self-ignition temperature of hydrogen), the hydrogen released as a result of thermal decomposition of hydrocarbons can mix with the air and form explosive gas mixture. If this mixture is accidentally or intentionally ignited, a strong explosion will occur. To prevent this, when you turn on the atmosphere, you must simultaneously turn on the ignition device of any type (gasoline burner, gas burner, pyroshashka, etc.) at the outlet of the turbine to the atmosphere. Almost without alterations, an arsonist from flamethrowers can be used. The efficiency of the electric candle is doubtful, since at the exit from the nozzle the hydrogen has not yet mixed with the surrounding air.

Причем поджигающее устройство может гореть не непрерывно, а лишь короткое время для поджигания водорода, который затем будет гореть самостоятельно до окончания режима атмофорсажа.Moreover, the ignition device may not burn continuously, but only for a short time to ignite hydrogen, which will then burn on its own until the end of the atmosphere mode.

Подача дополнительного топлива имеет несколько нюансов. Во-первых, не стоит подавать все топливо в основные форсунки: они не рассчитаны на увеличение расхода до 10 раз, да и горение будет происходит плохо - с образованием продуктов неполного сгорания, что уменьшит экзотермический эффект горения примерно в 1.36 раза.The supply of additional fuel has several nuances. Firstly, it is not necessary to supply all the fuel to the main nozzles: they are not designed to increase the flow rate up to 10 times, and combustion will be bad - with the formation of products of incomplete combustion, which will reduce the exothermic effect of combustion by about 1.36 times.

Зато последнее обстоятельство можно использовать для регулирования этого, казалось бы, нерегулируемого режима - можно уменьшить мощность форсажа, подавая в основные форсунки топливо в количестве, несколько превышающем стехиометрическое его количество. При этом расход атмотоплива будет значительно меньше.But the last circumstance can be used to regulate this seemingly unregulated mode - you can reduce the afterburner power by supplying fuel to the main nozzles in an amount slightly exceeding its stoichiometric amount. At the same time, fuel consumption will be much less.

Во-вторых, длина факела при подаче атмотоплива в общие форсунки из-за охлаждающего влияния излишков топлива может резко увеличиться, поэтому лучше подавать топливо до стехиометрического состава (далее - «стехиотопливо», то есть количество основного или дополнительного, жидкого или газообразного топлива, подаваемого в основные форсунки или в ступень компрессора и предназначенное для достижения стехиометрического состава с кислородом воздуха) в основные форсунки или в предпоследнюю или в предпредпоследнюю ступень компрессора. Это охладит поступающий воздух и увеличит его массовый расход. Не следует подавать стехиотопливо в начало компрессора, иначе топливо будет отброшено центробежной силой на внешнюю обечайку компрессора и будет поступать в камеру сгорания в пленочном виде.Secondly, the length of the torch when applying fuel to common nozzles due to the cooling effect of excess fuel can increase dramatically, therefore it is better to supply fuel to a stoichiometric composition (hereinafter referred to as “stoichiofuel”, that is, the amount of primary or secondary, liquid or gaseous fuel supplied to the main nozzles or to the compressor stage and intended to achieve a stoichiometric composition with atmospheric oxygen) to the main nozzles or to the penultimate or penultimate compressor stage. This will cool the incoming air and increase its mass flow rate. Stoichiofuel should not be fed to the beginning of the compressor, otherwise the fuel will be discarded by centrifugal force to the outer shell of the compressor and will enter the combustion chamber in film form.

А остальное топливо следует подавать в конец факела основных горелок (под концом факела подразумевается окончание зоны практически полного - 95-99% - горения стехиотоплива, подаваемого в основные форсунки и в ступень компрессора).And the rest of the fuel should be fed to the end of the torch of the main burners (the end of the torch means the end of the zone of almost complete - 95-99% - combustion of stoichiofuel supplied to the main nozzles and to the compressor stage).

В-третьих, при подаче топлива в ступень компрессора надо следить, чтобы оно не самовозгорелось там от сжатия или чтобы пламя не вошло внутрь ступени через камеру сгорания. Чтобы избежать последнего, надо, чтобы в направляющей решетке последней ступени было сужение, обеспечивающее сверхзвуковое течение. Тогда пламя не сможет распространиться через этот участок.Thirdly, when supplying fuel to the compressor stage, it must be ensured that it does not spontaneously ignite there from compression or that the flame does not enter the stage through the combustion chamber. To avoid the latter, it is necessary that in the guide lattice of the last stage there is a narrowing, providing a supersonic flow. Then the flame cannot spread through this section.

В-четвертых, если подача дополнительного топлива не будет включена мгновенно, то во время переходного процесса возможно кратковременное достижение стехиометрического состава без излишков топлива, что приведет к выходу турбины из строя. Чтобы этого не произошло, на время переходного периода в камеру сгорания или в компрессор должна в возрастающем количестве подаваться негорючая жидкость, например вода.Fourth, if the supply of additional fuel is not turned on instantly, then during the transition process, it is possible to achieve a stoichiometric composition for a short time without excess fuel, which will lead to turbine failure. To prevent this from happening, a non-combustible liquid, such as water, must be supplied to the combustion chamber or to the compressor in an increasing amount during the transition period.

Применяемая вода может содержать антифризные присадки, например гликоли, для предотвращения замерзания и смачиватель, например ПО-6. Чтобы при этом в бачке для воды не образовывалась пена, вода и воздух могут быть разделены в бачке резиновым мешком. Смачиватель нужен для смазки движущихся частей насоса. Поскольку смазочные свойства смачивателей специально не изучались, то возможно, потребуются эксперименты в этом направлении. Возможно также применение масляной эмульсии.The water used may contain antifreeze additives, for example glycols, to prevent freezing and a wetting agent, for example PO-6. To prevent foam from forming in the water tank, water and air can be separated in the tank with a rubber bag. A wetting agent is needed to lubricate the moving parts of the pump. Since the lubricating properties of wetting agents have not been specifically studied, experiments in this direction may be required. It is also possible to use an oil emulsion.

И лишь после выхода на стехиометрический состав должно произойти замещение воды на атмотопливо. Желательно - плавное, чтобы не вызвать временного, а тем более резкого снижения или повышения подачи охлаждающего агента, так как это может привести или к расплавлению турбины, или к помпажу компрессора.And only after reaching the stoichiometric composition should water be replaced by fuel. It is desirable - smooth, so as not to cause a temporary, and even more so sharp decrease or increase in the supply of cooling agent, as this can lead to either a melting of the turbine or surging of the compressor.

Впрочем, очень быстрая, почти мгновенная подача стехиотоплива и одновременно атмотоплива не приведет к расплавлению турбины, так как время воздействия повышенной температуры будет невелико. Хотя при этом повышается вероятность срыва в помпаж.However, a very fast, almost instantaneous supply of stoichiofuel and at the same time fuel oil will not lead to melting of the turbine, since the time of exposure to elevated temperature will be short. Although this increases the likelihood of a breakdown in surge.

ПРИМЕР: камера сгорания ГТД имеет два ряда форсунок. Для экстренного повышения мощности в первый (по ходу газов) ряд подается стехиометрическое количество топлива (то есть полное использование имеющегося в воздухе кислорода), а во второй ряд форсунок подается такое количество топлива, чтобы температура газов перед турбиной не увеличилась, а может быть даже несколько уменьшилась (с учетом увеличения угловой скорости вращения турбины.EXAMPLE: A GTE combustion chamber has two rows of nozzles. For an emergency increase in power, a stoichiometric amount of fuel (that is, the full use of oxygen available in the air) is supplied to the first row (along the gas path), and such a quantity of fuel is supplied to the second row of nozzles that the temperature of the gases in front of the turbine does not increase, or maybe even decreased (taking into account the increase in the angular velocity of rotation of the turbine.

Claims (2)

1. Способ форсажа газотурбинного двигателя, заключающийся в подаче в камеру сгорания или в компрессор количества топлива, необходимого для его полного сгорания, и подачу в камеру сгорания дополнительного топлива в количестве, необходимом для снижения температуры газов в камере сгорания до безопасного предела, причем при включении атмофорсажа следует одновременно включить поджигающее устройство любого типа на выходе из турбины в атмосферу.1. The method of boosting a gas turbine engine, which consists in supplying to the combustion chamber or to the compressor the amount of fuel necessary for its complete combustion, and supplying to the combustion chamber additional fuel in the amount necessary to reduce the temperature of the gases in the combustion chamber to a safe limit, and when turned on During atmospheric use, an ignition device of any type should be simultaneously turned on at the exit of the turbine into the atmosphere. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поджигающим устройством является бензиновая горелка или пирошашка. 2. The method according to claim 1, characterized in that the igniter is a gas burner or pyroshash.
RU2013107310/06A 2013-02-19 2013-02-19 Method of gas turbine engine afterburning RU2523510C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013107310/06A RU2523510C1 (en) 2013-02-19 2013-02-19 Method of gas turbine engine afterburning

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013107310/06A RU2523510C1 (en) 2013-02-19 2013-02-19 Method of gas turbine engine afterburning

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2523510C1 true RU2523510C1 (en) 2014-07-20

Family

ID=51217747

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013107310/06A RU2523510C1 (en) 2013-02-19 2013-02-19 Method of gas turbine engine afterburning

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2523510C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU576060A3 (en) * 1974-08-16 1977-10-05 Рори Самерсет Дэ Чер (Фирма) Gas-turbine engine
RU2000457C1 (en) * 1990-11-20 1993-09-07 Спир ков Г.Н. Gas-turbine engine
RU2084377C1 (en) * 1992-11-02 1997-07-20 Александр Николаевич Гришин Power plant of flying vehicle with laminar-flow control system of aerodynamic surfaces
RU2138661C1 (en) * 1996-05-22 1999-09-27 Акционерное общество "Авиадвигатель" Gas turbine engine operating on cryogenic fuel
RU2347143C2 (en) * 2003-07-31 2009-02-20 Мес Интернешнл,Инк. System of gas-turbine engine with recuperation and method with application of catalytic combustion
RU2361102C2 (en) * 2003-09-12 2009-07-10 Мес Интернешнл, Инк. Multi-cascade turbogenerator system and method for its control
RU2474718C2 (en) * 2011-01-25 2013-02-10 Николай Евгеньевич Староверов Method of turbojet afterburning and engine to this end (versions)

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU576060A3 (en) * 1974-08-16 1977-10-05 Рори Самерсет Дэ Чер (Фирма) Gas-turbine engine
RU2000457C1 (en) * 1990-11-20 1993-09-07 Спир ков Г.Н. Gas-turbine engine
RU2084377C1 (en) * 1992-11-02 1997-07-20 Александр Николаевич Гришин Power plant of flying vehicle with laminar-flow control system of aerodynamic surfaces
RU2138661C1 (en) * 1996-05-22 1999-09-27 Акционерное общество "Авиадвигатель" Gas turbine engine operating on cryogenic fuel
RU2347143C2 (en) * 2003-07-31 2009-02-20 Мес Интернешнл,Инк. System of gas-turbine engine with recuperation and method with application of catalytic combustion
RU2361102C2 (en) * 2003-09-12 2009-07-10 Мес Интернешнл, Инк. Multi-cascade turbogenerator system and method for its control
RU2474718C2 (en) * 2011-01-25 2013-02-10 Николай Евгеньевич Староверов Method of turbojet afterburning and engine to this end (versions)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210215100A1 (en) Blow down impingement start system
RU2471082C2 (en) Operation control system of gas turbine engine, and thermal power plant containing such system
TWI422741B (en) Motor
JP6093450B2 (en) Cryogenic fuel composition and dual fuel aircraft system
CN108413443B (en) The starting method of active cooling scramjet engine and starting device
US11131461B2 (en) Effervescent atomizing structure and method of operation for rotating detonation propulsion system
RU2561757C1 (en) Three-component air-jet engine
US11629855B2 (en) Redesigned burner
RU2454607C1 (en) Method for stabilisation of fuel combustion process in combustion chamber, and combustion chamber of straight-jet engine of aircraft
CN104949152A (en) LNG and aviation kerosene dual fuel combustor of aero-gas turbine
RU2474718C2 (en) Method of turbojet afterburning and engine to this end (versions)
RU2523510C1 (en) Method of gas turbine engine afterburning
GB702779A (en) Means for supplying propellents to a rocket motor
RU2706870C1 (en) Air-jet detonation engine on solid fuel and method of its operation
US3124933A (en) Leroy stram
CN108662612A (en) A kind of more boiling point fuel mixed combustion apparatus and its ignition method
US7690191B2 (en) Fuel preconditioning for detonation combustion
US9200596B2 (en) Catalytically enhanced gas generator system for rocket applications
RU2451202C1 (en) Method of augmenting liquid-propellant rocket engine thrust and liquid-propellant rocket engine
WO2015009488A1 (en) Combustion system, apparatus and method
GB191003407A (en) Improvements in the Generation of Gases and Products of Combustion under Pressure for Operating Motive Power Engines.
RU2562822C2 (en) Aircraft gas turbine engine and method of its speedup
RU2539315C1 (en) Liquid-propellant rocket engine turbopump unit
RU174498U1 (en) POWER INSTALLATION OF A HYPERSONIC AIRCRAFT
JP5604075B2 (en) Plenum air preheating for cold start of liquid fuel pulse detonation engine