Предварительное охлаждение воздушно-реактивных двигателей: концепция и перспективы.
Precooled jet engine
Предварительное охлаждение воздушно-реактивных двигателей: концепция для высоких скоростей. Использование жидкого водорода для повышения эффективности компрессора и газогенератора.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Концепция турбомашины
Turbomachinery concept
Предварительно охлаждаемый реактивный двигатель – это концепция, позволяющая использовать реактивные двигатели с турбомашиной, в отличие от прямоточных воздушно-реактивных двигателей, на высоких скоростях. Предварительное охлаждение восстанавливает часть или всю потерю производительности компрессора двигателя (предотвращая срыв потока / удушение / снижение расхода), а также газогенератора в целом (поддерживая существенный перепад температуры в камере сгорания при заданном пределе температуры турбины), что иначе сделало бы невозможным полет при высоких температурах набегающего потока.
A precooled jet engine is a concept that enables jet engines with turbomachinery, as opposed to ramjets, to be used at high speeds. Precooling restores some or all of the performance degradation of the engine compressor (by preventing rotating stall/choking/reduced flow), as well as that of the complete gas generator (by maintaining a significant combustor temperature rise within a fixed turbine temperature limit), which would otherwise prevent flight with high ram temperatures.
История
Роберт П. Кармайкл в 1955 году разработал несколько циклов двигателя, в которых использовался жидкий водород для предварительного охлаждения воздуха на входе в двигатель перед его применением в качестве топлива.
Robert P. Carmichael in 1955 devised several engine cycles that used liquid hydrogen to precool the inlet air to the engine before using it as fuel.
Дизайн
Для достижения более высоких скоростей полета, предварительное охлаждение может включать в себя криогенный теплообменник, охлаждаемый топливом, перед поступлением воздуха в компрессор. После нагрева и испарения в теплообменнике топливо (например, H2) сгорает в камере сгорания. Предохлаждение с использованием теплообменника ранее не применялось в полете, но прогнозируется, что оно обеспечит значительно более высокую тягу и эффективность на скоростях до 5,5 Маха. Циклы реактивных двигателей с предохлаждением были проанализированы Робертом П. Кармайклом в 1955 году. Этот метод использовался для кратковременного увеличения (ограниченного запасом охлаждающей жидкости) нормальной максимальной скорости самолета. В ходе "Операции Skyburner", установившей мировой рекорд скорости на самолете McDonnell Douglas F-4 Phantom II, и самолете Микоян Ye-266 (МиГ-25) применялось распыление воды с добавлением спирта для охлаждения воздуха перед компрессором. Предохлаждение (а также впрыск воды в камеру сгорания) используется на самых низких скоростях полета, то есть при взлете, для повышения тяги при высоких температурах окружающей среды.
For higher flight speeds, precooling may feature a cryogenic fuel cooled heat exchanger before the air enters the compressor. After gaining heat and vapourising in the heat exchanger, the fuel (e. g. H2) burns in the combustor. Precooling using a heat exchanger has not been used in flight, but is predicted to have significantly high thrust and efficiency at speeds up to Mach 5.5. Precooled jet engine cycles were analyzed by Robert P. Carmichael in 1955. This method has been used for short duration (due to limited coolant capacity) increases to an aircraft's normal maximum speed. "Operation Skyburner", which gained a world speed record with a McDonnell Douglas F 4 Phantom II, and the Mikoyan Ye 266 (Mig 25) both used a water/alcohol spray to cool the air ahead of the compressor. Precooling (as well as combustion chamber water injection) is used at the lowest flight speeds, i. e. during take off, to increase thrust at high ambient temperatures.
Характеристики
Одним из основных преимуществ предварительного охлаждения является (как предсказывается законом идеального газа) то, что при заданном общем коэффициенте давления происходит значительное снижение температуры на выходе компрессора (T3), что отодвигает достижение предела T3 к более высокому числу Маха. Следовательно, условия, соответствующие уровню моря (скорость на входе, скорректированная до стандартных условий), могут поддерживаться после предварительного охладителя в очень широком диапазоне скоростей полета, тем самым максимизируя чистую тягу даже на высоких скоростях. Компрессор и воздуховоды после воздухозаборника подвергаются гораздо более низким и стабильным температурам, и, следовательно, могут быть изготовлены из легких сплавов. Это снижает вес двигателя, что дополнительно улучшает отношение тяги к весу. Водород является подходящим топливом, поскольку он находится в жидком состоянии при глубоко криогенных температурах и в полезном диапазоне обладает очень высокой общей удельной теплоемкостью, включая теплоту парообразования, превышающей теплоемкость воды. Однако низкая плотность жидкого водорода оказывает негативное влияние на остальные элементы летательного аппарата, и его физические размеры становятся очень большими, хотя вес на шасси и нагрузка на крыло могут оставаться небольшими. Водород вызывает структурное ослабление многих материалов, известное как водородное охрупчивание. Вес предварительного охладителя увеличивает вес двигателя, тем самым снижая его отношение тяги к весу. Пропуск впускного воздуха через предварительный охладитель увеличивает аэродинамическое сопротивление воздухозаборника, что снижает чистую тягу двигателя и, следовательно, отношение тяги к массе. В зависимости от необходимой степени охлаждения, несмотря на высокую теплоемкость, для охлаждения воздуха может потребоваться больше водорода, чем может быть сожжено с охлажденным воздухом. В некоторых случаях избыток водорода может быть сожжен в прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ПВРД) с неохлажденным воздухом для снижения этой неэффективности. В отличие от двигателя LACE, двигателю с предварительным охлаждением не требуется сжижать кислород, поэтому объем охлаждения уменьшается, поскольку нет необходимости обеспечивать сжижение кислорода и требуется меньшее общее снижение температуры. Это, в свою очередь, снижает количество водорода, используемого в качестве теплоотвода, который не может быть сожжен. Кроме того, не требуется конденсатор, что обеспечивает экономию веса.
One main advantage of pre cooling is (as predicted by the ideal gas law) for a given overall pressure ratio, there is a significant reduction in compressor delivery temperature (T3), which delays reaching the T3 limit to a higher Mach number. Consequently, sea level conditions (corrected flow) can be maintained after the pre cooler over a very wide range of flight speeds, thus maximizing net thrust even at high speeds. The compressor and ducting after the inlet is subject to much lower and more consistent temperatures, and hence may be made of light alloys. This reduces the weight of the engine, which further improves the thrust/weight ratio. Hydrogen is a suitable fuel because it is liquid at deeply cryogenic temperatures, and over its useful range has a very high total specific heat capacity, including the latent heat of vapourisation, higher than water. However, the low density of liquid hydrogen has negative effects on the rest of the vehicle, and the vehicle physically becomes very large, although the weight on the undercarriage and wing loading may remain low. Hydrogen causes structural weakening in many materials, known as hydrogen embrittlement. The weight of the precooler adds to the weight of the engine, thereby reducing its thrust to weight ratio. Passing the intake air through the precooler adds to the inlet drag, thereby reducing the engine net thrust, and so reducing the thrust to weight ratio. Depending on the amount of cooling required, despite its high thermal capacity, more hydrogen may be needed to cool the air than can be burnt with the cooled air. In some cases, part of the excess hydrogen can be burnt in a ramjet with uncooled air to reduce this inefficiency. Unlike a LACE engine, a precooled engine does not need to liquefy the oxygen, so the amount of cooling is reduced as there is no need to cover of fusion of the oxygen and a smaller total temperature drop is required. This in turn reduces the amount of hydrogen used as a heat sink, but unable to be burnt. In addition a condenser isn't required, giving a weight saving.