турбовинтовой газотурбинный двигатель
Классы МПК: | F01D15/10 для привода электрических генераторов или комбинированные с ними F02K3/04 с воздушными винтами или вентиляторами в кольцевых обтекателях, те с вентиляторами низкого давления большой производительности, предназначенные для увеличения реактивной тяги, например двухконтурные установки |
Патентообладатель(и): | Болотин Николай Борисович (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-12-10 публикация патента:
20.06.2009 |
Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной. В турбину встроен электрогенератор. Перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом. Электрогенератор установлен на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины. Обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения. Изобретение направлено на повышение КПД и надежности турбовинтового газотурбинного двигателя. 3 ил.
Формула изобретения
Турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, при этом в турбину встроен электрогенератор, отличающийся тем, что перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом, обмотки электрогенератора установлены на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения.
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.
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 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 электрогенерических 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, при этом в турбину встроен электрогенератор, отличающийся тем, что перед компрессором установлен электродвигатель, который соединен валом с воздушным винтом, электрогенератор установлен на статоре турбины, а система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, обмотки электрогенератора заключены в кожух, к которому подведена система воздушного охлаждения.
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 электрогенератора и электродвигателя,
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. Газотурбинный двигатель содержит две электрические машины, электродвигатель 6, установленный перед компрессором 2, и электрогенератор 7, встроенный в турбину 4. Турбина 4 валом 8 соединена с валом 9 компрессора 2.
Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 10, подключенным к входу в топливный насос 11, имеющий привод 12, топливопровод высокого давления 13, вход которого соединен с топливным насосом 11, а выход соединен с кольцевым коллектором 14, кольцевой коллектор 14 соединен с форсунками 15 камеры сгорания 3.
Компрессор 2 содержит статор 16 и ротор 17 с валом компрессора 9. Кроме того, компрессор 2 содержит направляющие лопатки 18 и рабочие лопатки 19.
Турбина 3 содержит статор 20 и ротор 21. Кроме того, турбина 4 содержит сопловые аппараты турбины 22 и рабочие лопатки турбины 23 (количество ступеней турбины может быть от одной до нескольких).
Далее находятся опора турбины 24 и выхлопное устройство 5.
Двигатель имеет две электрические машины, а именно электродвигатель 6, установленный перед компрессором 2, и электрогенератор 7, совмещенный (встроенный) с турбиной 4. Электродвигатель 6 соединен валом 25 с воздушным винтом 26.
Электрогенератор 7 содержит статорные обмотки 27, установленные на статоре 20, и систему постоянных магнитов 28, установленную на рабочих лопатках 23. Электродвигатель 6 соединен с электрогенератором 7 силовым кабелем 29 через электронный регулятор 30.
Статорные обмотки 27 заключены в кожух 31. К внутренней полости 32 кожуха 31 подключена система охлаждения 33 с клапаном 34. Электродвигатель 6 (фиг.3) может иметь любую конструкцию. Для примера на фиг.3 приведен один из возможных вариантов исполнения электродвигателя 6, который содержит статор 35 и ротор 36 с постоянными магнитами 37. На статоре 35 размещены обмотки возбуждения электродвигателя 38.
При работе ГТД осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на стартер от внешнего источника энергии (на фиг.1 3 не показано). Потом включают привод топливного насоса 12, и топливный насос 11 подает топливо в камеру сгорания 3, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 3 электрозапальник не показан). Турбина 4 раскручивается, и электрогенератор 7 вырабатывает электрический ток, который по силовому кабелю 29 через электронный регулятор 30 подается на электродвигатель 6. Электродвигатель 6 в дальнейшем приводит в действие воздушный винт 26, а внешний источник тока отключается. Сила тяги воздушного винта 26 передается на статор 16 компрессора 2.
Применение изобретения позволило:
1) повысить мощность электрических машин: электрогенератора и электродвигателя, за счет их размещения на максимально возможном диаметре;
2) повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия винта, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и турбиной и между компрессором и воздушным винтом. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор, воздушный винт и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу;
3) улучшить надежность силовой установки за счет отказа от вала, соединяющего 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;
4) обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей. Облегчить запуск за счет раскрутки только ротора компрессора с турбиной;
5) облегчить условия работы винта за счет нежесткой связи с валом турбокомпрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и винта;
6) уменьшить вес и габариты двигателя.
Класс F01D15/10 для привода электрических генераторов или комбинированные с ними
Класс F02K3/04 с воздушными винтами или вентиляторами в кольцевых обтекателях, те с вентиляторами низкого давления большой производительности, предназначенные для увеличения реактивной тяги, например двухконтурные установки