ТУРБОВИНТОВОЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TURBOPROPELLER GAS-TURBINE ENGINE

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.