винтовентиляторный авиационный газотурбинный двигатель

Формула изобретения

1. Винтовентиляторный авиационный газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и винтовентилятор, отличающийся тем, винтовентилятор соединен с турбиной через магнитную муфту, при этом магнитная муфта содержит ведущую полумуфту, установленную в турбине, например, на ее рабочих лопатках, и ведомую полумуфту, установленную на корпусе турбокомпрессора.

2. Винтовентиляторный авиационный газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что турбокомпрессор выполнен двухкаскадным с возможностью вращения каскадов в противоположные стороны, винтовентилятор выполнен двухступенчатым и содержит переднюю и заднюю ступени, выполненные также с возможностью вращения в противоположные стороны.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям.

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.

Недостатком этого двигателя является низкий КПД силовой установки.

Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ № 2252316, 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.

Недостаток - низкая мощность электрогенератора и электродвигателя из-за их расположения на небольшом диаметре.

Известен газотурбинный двигатель по патенту Великобритании № 1341241, 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.

Известен винтовентиляторный газотурбинный двигатель по патенту РФ № 2075658, прототип, содержащий турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и винтовентилятор.

Недостатки двигателя: малая мощность электрических машин, надежность и экономичность.

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

Решение указанных задач достигнуто за счет того, что винтовентиляторный авиационный газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с корпусом, компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и винтовентилятор, отличается тем, винтовентилятор соединен с турбиной через магнитную муфту. Магнитная муфта выполнена на корпусе турбокомпрессора и содержит ведущую полумуфту, установленную в турбине, например, на ее рабочих лопатках, и ведомую полумуфту, установленную на корпусе турбокомпрессора. Турбокомпрессор может быть выполнен двухкаскадным с возможностью вращения каскадов в противоположные стороны, винтовентилятор выполнен двухступенчатым и содержит переднюю и заднюю ступени, выполненные также с возможностью вращения в противоположные стороны.

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 винтовентиляторного газотурбинного авиационного двигателя,

на фиг.2 приведена схема двигателя с одной ступенью винтовентилятора,

на фиг.3 приведена схема двигателя с двумя ступенями винтовентилятора.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит турбокомпрессор 1, содержащий компрессор 2, камеру сгорания 3 и турбину 4 и выхлопное устройство 5. Ротор компрессора 6 соединен с валом турбогенератора 7 (фиг.1 и 2).

Винтовентиляторный авиационный газотурбинный двигатель (фиг.1) содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 8, подключенным ко 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 компрессора 14 с корпусом турбокомпрессора 16 и ротор компрессора 6. Кроме того, компрессор 2 содержит направляющие лопатки компрессора 17 и образующие ротор компрессора 6 рабочие лопатки компрессора 18.

Турбина 4 содержит статор турбины 19 и ротор турбины 20, который кинематически связан с валом турбокомпрессора 7 и ротором компрессора 6. Кроме того, турбина 4 содержит сопловые аппараты турбины 21 и рабочие лопатки турбины 22 (количество ступеней свободной турбины может быть от одной до нескольких).

Далее находятся опора турбины 23 и выхлопное устройство 5.

В передней части турбокомпрессора 1 установлен винтовентилятор 24 (фиг.1 и 2). Винтовентилятор - устройство для нагнетания (сжатия) воздуха, занимает промежуточное положение между воздушным винтом и вентилятором. Применительно к авиационным двигателям винтом считается устройство, имеющее от 2-х до 4-х лопастей. Вентилятор имеет значительное число лопаток от 14 до 50 и более, т.е. он практически не отличается от осевого компрессора. Винтовентилятор имеет от 5 до 13 лопаток. Применение воздушного винта позволяет создать авиационный двигатель, имеющий высокую экономичность, но из-за большого диаметра имеет ограничения по скорости полета и создает большой уровень шума. Двухконтурный двигатель с вентилятором позволяет спроектировать ГТД для полетов на сверхзвуковых скоростях, но значительно уступает по экономичности двигателям, имеющим воздушные винты, например турбовинтовым газотурбинным двигателям. Применение винтовентиляторов является новейшим направлением в авиадвигателестроении и позволит объединить положительные свойства двух типов авиационных двигателей, описанных выше, и устранить все недостатки.

Винтовентилятор 24 соединен с ротором компрессора 6 посредством магнитной муфты 25, имеющей ведущую полумуфту 26 с ведущими магнитами 27 и ведомую полумуфту 28 с ведомыми магнитами 29. На ведомой полумуфте 28 закреплен винтовентилятор 24. Возможно применение схемы двигателя с двумя ступенями винтовентилятора передней 30 и задней 31 (фиг.3), имеющими возможность вращения в противоположные стороны. В этом варианте двигателя компрессор 2 выполнен двухкаскадным (фиг.3), т.е. содержит ротор компрессора низкого давления 32 и ротор компрессора высокого давления 33, соответственно с внутренним валом 34 и внешним валом 35, не связанными кинематически между собой. Роторы 32 и 33 выполнены так, что при работе всегда вращаются в противоположные стороны. Это достигнуто за счет разных углов установки направляющих и рабочих лопаток в обоих каскадах компрессора. Противоположное вращение уменьшает реактивный момент, действующий на крыло самолета, и гироскопический эффект, создающий радиальные нагрузки на подшипники двигателя.

Винтовентиляторы 30 и 31 могут быть установлены внутри обтекателя 36. Это позволит устранить радиальное перетекание воздуха и увеличить КПД двигателя. Кроме того, обтекатель снижает шум двигателя.

При работе винтовентиляторного авиационного газотурбинного двигателя осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг.1 3 не показано). Потом включают привод топливного насоса 10, и топливный насос 9 подает топливо в камеру сгорания 3, точнее в форсунки 13, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 3 электрозапальник не показан). Турбина 4 раскручивается и раскручивает ротор компрессора 6. Через магнитные муфты 25 приводятся в действие винтовентиляторы 30 и 31, а внешний источник энергии отключается.

При остановке винтовентиляторного авиационного газотурбинного двигателя все операции осуществляются в обратной последовательности. Необходимость в применении тяжелого и дорогостоящего редуктора, который применяется, например, на двигателе НК 12 MB отпадает. Ступени винтовентилятора 30 и 31 (если в схеме двигателя применены две ступени винтовентилятора) вращаются в противоположные стороны с примерно одинаковыми частотами вращения.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД винтовентиляторного авиационного газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия винтовентилятора, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и винтовентилятором. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор, воздушные винты и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу.

2. Улучшить надежность винтовентиляторного авиационного газотурбинного двигателя за счет размещения магнитной муфты вне двигателя в зоне низких температур на компрессоре, предпочтительно ближе к его входу и на максимально возможном диаметре.

3. Облегчить запуск за счет раскрутки только ротора компрессора, без раскручивания винтовентилятора.

4. Облегчить условия работы винтовентилятора за счет отсутствия его механической связи с валом турбокомпрессора и возможности их взаимного проскальзывания и работы на различающихся частотах вращения.

5. Уменьшить вес и габариты двигателя за счет отсутствия редуктора между компрессором и винтовентилятором.

6. Обеспечить противоположное вращение ступеней винтовентиляторов без применения редуктора в схеме с двумя ступенями винтовентилятора.