турбовинтовой газотурбинный двигатель

Формула изобретения

1. Турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и электрическую машину, встроенную в турбокомпрессор, отличающаяся тем, что в компрессор встроен электрогенератор, перед компрессором установлен электродвигатель, соединенный валом с воздушным винтом, а электрогенератор соединен с электродвигателем посредством силового кабеля, обмотки электрогенератора установлены на статоре компрессора, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках, обмотки электрогенератора заключены в кожух электрогенератора, к которому подведена система воздушного охлаждения.

2. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в линии силового кабеля установлен электронный регулятор.

3. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что система воздушного охлаждения содержит клапан и трубопровод сброса воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным двигателям ТВД.

Известна силовая установка по патенту РФ № 2189477, которая содержит газотурбинный двигатель - ГТД, газовый тракт, соединяющий этот газотурбинный двигатель, со свободной турбиной и нагрузку в виде электрогенератора, вал которого подсоединен к валу свободной турбины через муфту.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.

Известна силовая установка газотурбовоза по патенту РФ № 2272916, которая содержит газотурбинный двигатель с турбиной и свободную турбину, за которой установлен регенеративный теплообменник, выход из которого соединен с газотурбинным двигателем, конкретно - с системой охлаждения турбины.

Недостатком этого двигателя является низкий КПД силовой установки.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ № 2252316 (прототип), который содержит турбокомпрессор, состоящий из компрессора, камеры сгорания и турбины, и не менее двух электрических машин (электрогенератор и электродвигатель), встроенных в турбокомпрессор. Система постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, а статор электрической машины установлен на корпусе подшипниковой опоры, т.е. на малом диаметре.

Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того - возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя. Эта конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета.

Задачи создания изобретения: повышение мощности электрических машин, экономичности и надежности двигателя.

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и электрическую машину, встроенную в турбокомпрессор, отличается тем, что в компрессор встроен электрогенератор, перед компрессором установлен электродвигатель, соединенный валом с воздушным винтом, а электрогенератор соединен с электродвигателем посредством силового кабеля, обмотки электрогенератора установлены на статоре компрессора, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках, обмотки электрогенератора заключены в кожух электрогенератора, к которому подведена система воздушного охлаждения. В линии силового кабеля установлен электронный регулятор. Система воздушного 'охлаждения содержит клапан и трубопровод сброса воздуха.

Предложенное техническое решение обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью, что подтверждается проведенными патентными. исследованиями'. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкции газотурбинных двигателей и в машиностроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 3, где:

на фиг.1 приведена схема турбовинтового газотурбинного двигателя,

на фиг.2 приведена схема охлаждения обмоток,

на фиг.3 приведена схема электродвигателя.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит турбогенератор 1, содержащий компрессор 2, камеру сгорания 3 и турбину 4 и выхлопное устройство 5. Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит две электрические машины. В компрессор 2 встроен электрогенератор 6. Роторы компрессора 2 и турбины 4 соединены валом турбокомпрессора 7. Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 8, подключенным к входу в топливный насос 9, имеющий привод 10, топливопровод высокого давления 11, вход которого соединен с топливным насосом 9, а выход соединен с кольцевым коллектором 12, кольцевой коллектор 12 соединен с форсунками 13 камеры сгорания 3.

Компрессор 2 содержит статор 14 и ротор 15 с валом 7 турбокомпрессора 1. Кроме того, компрессор 2 содержит направляющие лопатки 16 и рабочие лопатки 17 компрессора 2.

Турбина 3 содержит статор 18 и ротор 19 турбины 4. Кроме того, турбина 4 содержит сопловые аппараты 20 и рабочие лопатки 21, сгруппированные в ступени (количество ступеней свободной турбины может быть от одной до нескольких). Далее находятся опора 22 и выхлопное устройство 5.

Электродвигатель 23 установлен перед компрессором 2 и соединен валом 24 с воздушным винтом 25.

Электрогенератор 6 содержит обмотки 26, установленные на статоре 14, и систему постоянных магнитов 27, установленную на рабочих лопатках 17 компрессора 2, на одной или нескольких ступенях компрессора, предпочтительно ближе к входу в двигатель. Это позволит уменьшить вредное влияние высоких температур на обмотки 26 и систему постоянных магнитов 27. Обмотки 26 электрогенератора 6 предпочтительно закрыть кожухом 28 с полостью «Б» внутри для организации эффективного охлаждения обмоток, которые значительно нагреваются из-за протекания больших токов. К кожуху 28 подсоединена система воздушного охлаждения 29 с клапаном 30, подключенная к компрессору 2 в любом месте. С другой стороны к кожуху 28 подключен трубопровод сброса воздуха 31. Электрогенератор 6 соединен силовым кабелем 32, в линии которого может быть установлен электронный регулятор 33 с электродвигателем 23.

Электродвигатель 23 (фиг.3) содержит статор 34 и ротор 35 с постоянными магнитами 36. На статоре 34 установлены обмотки электродвигателя 37.

При работе ГТД осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг.1 3 не показан). Потом включают привод топливного насоса 10 и топливный насос 9 подает топливо в камеру сгорания 3, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 3 электрозапальник не показан). Турбина 4 раскручивается и электрогенератор 6 вырабатывает электрический ток, который по силовому кабелю 32 через электронный регулятор 33 подается на электродвигатель 23. Электродвигатель 23 в дальнейшем через вал 24 приводит в действие воздушный винт 25, а внешний источник тока отключается. Сила тяги воздушного винта 25 передается на статор 14 компрессора 2.

При работе вал 7 турбокомпрессора 1 вращается с угловой скоростью п1, а воздушный винт 25 с угловой скоростью п2, которая в несколько раз меньше. Это позволило отказаться от применения редуктора, традиционно используемого в ТВД.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия винта, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между воздушным винтом и компрессором с турбиной.

2. Спроектировать оптимальные воздушный винт, компрессор и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу.

3. Улучшить надежность силовой установки и мощность электрогенератора за счет:

- отказа от вала, соединяющего воздушный винт, компрессор и турбину,

- отказа от редуктора между компрессором и воздушным винтом, который необходим для уменьшения скорости вращения воздушного винта до оптимальных величин и размещения катушек электрических машин вне двигателя,

- размещения электрогенератора в зоне относительно низких температур, близко ко входу в двигатель,

- размещения электрогенератора на максимально большом диаметре турбокомпрессора,

- организации эффективного охлаждения обмоток электрогенератора, по которым проходит очень большой ток,

- уменьшения длины силового кабеля и уменьшения потерь электроэнергии в нем за счет максимального приближения электрогенератора к электродвигателю.

4. Обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей.

5. Облегчить запуск за счет раскрутки только ротора турбокомпрессора.

6. Облегчить условия работы винта за счет его нежесткой связи с валом турбокомпрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и винта.

7. Улучшить систему регулирования работы воздушного винта (изменение его частоты вращения и реверсирование) за счет замены гидромеханической системы регулирования на более надежную, простую электронную.

8. Уменьшить вес турбовинтового газотурбинного двигателя за счет отказа от редуктора.