Вспомогательный газотурбинный двигатель с функцией вспомогательной силовой установки

Полезная модель относится к области авиадвигателестроения, преимущественно к вспомогательным (бустерным) двигателям и вспомогательным силовым установкам (ВСУ), обеспечивающим эффективный взлёт, питание дополнительной электрической или другой энергией самолёта на различных режимах эксплуатации, включая аварийные.
Перспективные технологии предполагают значительное повышение электрической мощности различных приводов (в основном за счёт сокращения гидромеханических и пневматических систем). Ведутся исследования по созданию электрического привода колёс для руления с выключенными основными двигателями. При этом должны повышаться мощности электрогенераторов и ёмкость аккумуляторных батарей (Воронович С., Каргопльцев В., Кутахов В. Полностью электрический самолёт // Авиапанорама. №2 (74), 2009; Умеренная гибридизация - путь к электрическим СУ на ближайшую перспективу // Обозрение ЦИАМ по материалам иностранных публикаций №7, IV - 2020).
Известен вспомогательный газотурбинный двигатель, содержащий одновальный двухконтурный турбореактивный двигатель с двумя опорами, одноступенчатой турбиной, выходным устройством, внутри которого установлен конический корпусной элемент, образующий проточную часть, (А.Л. Дынкин  Самолет начинается с двигателя. Рыбинск: Рыбинское подворье, 1995. Кн.2. С. 298-309)
Вспомогательный двигатель РД-48 создает тягу на режимах взлёта и посадки. Но его нельзя использовать в качестве вспомогательной силовой установки большой мощности для выработки электроэнергии.
Наиболее близким к предлагаемому является вспомогательный газотурбинный двигатель, содержащий одновальный двухконтурный турбореактивный двигатель с двумя опорами, одноступенчатой высокоперепадной турбиной, выходным устройством, внутри которого установлен конический корпусной элемент, образующий проточную часть, и электрогенератор, установленный за турбиной внутри конического корпусного элемента и механически связанный с двигателем (В.И. Богданов Концепция совершенствования газотурбинных двигателей за счет применения высокоперепадных турбин // Изв. вузов. Авиационная техника. 2018. № 2. С. 93-99).
Двигатель выполнен в виде одновального ТРДД с двумя опорами, с одноступенчатой высокоперепадной турбиной, на одном валу с ТРДД установлен мощный стартер-генератор. Вспомогательный двигатель позволяет совместить высокую экономичность, свойственную ТРДД, и простую конструкцию с малой удельной массой, как у одновального ТРД.
Известный двигатель может быть использован в качестве вспомогательной силовой установки для выработки электроэнергии, но из-за того, что перепадом давления не управляют, его проточная часть не меняется, мощность вырабатываемой электроэнергии будет ограничена.
Технической задачей полезной модели является создание вспомогательного (бустерного) турбореактивного двигателя с функцией вспомогательной силовой установки, а именно придание двигателю дополнительной функции привода электрогенератора сравнительно большой мощности путем управления перепадом давления на турбине при минимальных тяге и расходе топлива.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является повышения мощности электрогенератора за счет повышения перепада давления на турбине путем изменения проходного сечения - выполнение корпусного конического элемента выдвижным с возможностью занимать три положения.
Дополнительным техническим результатом является расширение функциональных возможностей вспомогательного двигателя и повышение эффективности самолёта в целом, путем обеспечения самолёта энергией при взлете (создание дополнительной тяги), на стоянке и при рулении (с отключёнными основными двигателями) электрическим питанием при минимальном расходе топлива.
в отличие от известного,
Технический результат достигается тем, что во вспомогательном газотурбинном двигателе с функцией вспомогательной силовой установки, содержащем одновальный двухконтурный турбореактивный двигатель с двумя опорами, одноступенчатой турбиной, выходным устройством, внутри которого установлен конический корпусной элемент, образующий проточную часть, и электрогенератор, установленный за турбиной внутри конического корпусного элемента и механически связанный с двигателем, конический корпусной элемент снабжен электроприводом и установлен с возможностью перемещения вдоль оси выходного устройства в три положения, в одном из которых корпусной элемент полностью перекрывает проточную часть выходного устройства, во втором положении корпусной элемент частично перекрывает проточную часть выходного устройства, а в третьем положении проточная часть выходного устройства полностью открыта.
Полезная модель поясняется фиг., на которой изображена схема предлагаемого вспомогательного газотурбинного двигателя с функцией вспомогательной силовой.
Вспомогательный газотурбинный двигатель с функцией вспомогательной силовой установки (фиг.) содержит одновальный двухконтурный турбореактивный двигатель (ТРДД) 1 с двумя опорами 2 и 3, одноступенчатой высокоперепадной турбиной 4 и выходным устройством 5. Внутри выходного устройства 5 установлен выдвижной конический корпусной элемент 6, образующий проточную часть 7.
На одном валу с ТРДД установлен мощный электрогенератор 8, который установлен за турбиной 4 внутри конического корпусного элемента 6 и механически, например, через муфту, рессору (на фиг. не показана) связана с двухконтурным турбореактивным двигателем 1.
Конический корпусной элемент 6 снабжен электроприводом 9, установленным в корпусе ТРДД 1. Корпусной элемент 6 установлен с возможностью перемещения вдоль оси выходного устройства 5 в три положения.
В одном положении 10 (показано пунктиром) конический корпусной элемент 6 полностью перекрывает проточную часть 7 выходного устройства 5, корпусной элемент 6 занимает крайнее правое положение.
Во втором положении 11 (показано пунктиром) конический корпусной элемент 6 частично перекрывает проточную часть 7 выходного устройства 5.
В третьем положении 12 проточная часть 7 выходного устройства 5 полностью открыта, конический корпусной элемент 6 занимает крайнее левое положение.
Устройство работает следующим образом.
Вспомогательный ГТД установлен в хвостовой части фюзеляжа самолёта. Три положения корпусного элемента 6 (фиг.) от электропривода 9 в выходном устройстве соответствуют трем режимам его работы.
Положение 11 корпусного элемента, в котором выходное устройство ТРДД частично перекрыто, соответствует режиму работы вспомогательного двигателя как бустерного  - создание дополнительной тяги на взлёте и в аварийной ситуации, например, при отказе основного двигателя. На этом режиме выходное устройство частично раскрыто реализуется максимальная тяга.Воздух на вход установки подаётся при открытых створках входного устройства в хвостовой части фюзеляжа (на фиг. не показано). С электрогенератора снимается промежуточное значение мощности.
Положение 12 корпусного элемента 6, в котором выходное устройство ТРДД полностью раскрыто, соответствует режиму работы как вспомогательной силовой установки - обеспечение самолёта на стоянке и при рулении (с отключёнными основными двигателями) электрическим питанием при минимальном расходе топлива. На турбине реализуется максимальный перепад давлений для получения максимальной мощности на электрогенераторе, при этом тяга и расход топлива минимальны. При наличии электропривода колёс основные двигатели выключены.
Положение 10 корпусного элемента 6, в котором выходное устройство ТРДД полностью перекрыто соответствует крейсерскому режиму полета, т.е. вспомогательный двигатель отключен. Створки входного устройства в хвостовой части фюзеляжа закрыты (на фиг. не показано).
Предлагаемый вспомогательный ГТД не только создает дополнительную тягу на взлете и в полете при необходимости, но и обеспечивает режим вспомогательной силовой установки - обеспечение электроэнергией на стоянке и рулении.
Предлагаемый вспомогательный ГТД, выполненный в виде одновального ТРДД с двумя опорами и с одноступенчатой высокоперепадной турбиной, обеспечивает реализацию научно-технического задела авиадвигателестроения пятого поколения, минимальные массогабаритные характеристики и достаточно высокую экономичность.
Предлагаемый вспомогательный ГТД может быть использован для реализации новых перспективных технологий «Полностью электрический самолёт», «Более электрический самолёт».