ДВИГАТЕЛЬ
ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям на базе авиационного двигателя, в частности, предназначенным для выработки электрической энергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В течение многих лет для выработки электрической энергии использовали газовые турбины. Такие газовые турбины, которые часто называют наземными газовыми турбинами, могут быть разделены на две основные группы: промышленные двигатели и двигатели на базе авиационного двигателя.
Промышленные двигатели создают специально для выработки электроэнергии или для других наземных применений, в то время как двигатели на базе авиационного двигателя получают из авиационных газотурбинных двигателей, которые первоначально были разработаны для применения в авиации, например, в качестве силовых установок для самолетов. В то время как промышленные двигатели, как правило, имеют большие физические размеры и вес, двигатели на базе авиационного двигателя являются, как правило, гораздо более компактными.
Некоторые типы двигателей на базе авиационного двигателя получают из газотурбинных двигателей, которые ранее применяли в авиации. В таких случаях газотурбинные двигатели обновляют и переоборудуют для выработки электрической энергии.
Традиционный подход для переоборудования газовой турбины турбореактивного типа для получения газовой турбины на базе авиационного двигателя заключается в замене выхлопного сопла на аэродинамически связанную силовую турбину, которая вырабатывает мощность на валу, которая, в свою очередь, может быть использована для приведения в действие генератора электрической энергии, например, такого как генератор переменного тока, для выработки электрической энергии.
Традиционный подход для переоборудования газовой турбины турбовинтового типа для получения газовой турбины на базе авиационного двигателя, например, для выработки электрической энергии, заключается в удалении винта и редуктора с силовой турбины и в механическом соединении упомянутой силовой турбины турбовинтового двигателя с генератором электрической энергии.
Традиционный подход для переоборудования газовой турбины турбовентиляторного типа для получения газовой турбины на базе авиационного двигателя заключается в переоборудовании турбовентиляторного двигателя в турбореактивный двигатель путем замены вентилятора и наружного контура на дополнительный компрессор с малой степенью сжатия и путем замены выхлопного сопла на аэродинамически связанную силовую турбину, которая генерирует мощность на валу, которая, в свою очередь, может быть использована для приведения в действие генератора электрической энергии.
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ
В соответствии с аспектом настоящего изобретения предложен способ переоборудования турбовентиляторного двигателя, содержащий:
(a) обеспечение наличия турбовентиляторного двигателя, причем турбовентиляторный двигатель содержит:
- внутренний контур двигателя, содержащий по меньшей мере один узел каскада высокого давления и камеру сгорания;
- немодифицированный вентилятор, конфигурированный для создания, по меньшей мере, потока наружного контура, обходящего внутренний контур двигателя по меньшей мере при одном наборе условий двигателя, причем вентилятор механически соединен с турбиной низкого давления, в свою очередь приводимой в действие внутренним контуром двигателя;
(b) создание переоборудованного турбовентиляторного двигателя из турбовентиляторного двигателя путем модифицирования или замены немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора, причем модифицированный вентилятор конфигурирован для генерирования уменьшенного потока наружного контура по отношению к упомянутому потоку наружного контура вентилятора в течение работы переоборудованного турбовентиляторного двигателя в соответствии с упомянутым по меньшей мере одним набором условий двигателя согласно этапу (а), для обеспечения тем самым возможности генерирования упомянутой турбиной низкого давления избыточной мощности на валу сверх базовой мощности на валу, необходимой для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора в течение работы переоборудованного турбовентиляторного двигателя.
Таким образом, при работе переоборудованного турбовентиляторного двигателя упомянутая турбина низкого давления создает вышеупомянутую избыточную мощность на валу, причем эта избыточная мощность на валу превышает базовую мощность на валу, которая необходима для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора при работе переоборудованного турбовентиляторного двигателя. Избыточная мощность на валу может быть использована для различных целей, например для выработки электрической энергии.
Например, на этапе (b) упомянутый модифицированный вентилятор модифицируют, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем уменьшения наружного диаметра лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора. Дополнительно или альтернативно на этапе (b) упомянутый модифицированный вентилятор модифицируют, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем удаления по меньшей мере наружной радиальной части лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора. Дополнительно или альтернативно на этапе (b) упомянутый модифицированный вентилятор модифицируют, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем удаления лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора.
Альтернативно, например, на этапе (b), упомянутый модифицированный вентилятор модифицируют, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем модифицирования геометрии по меньшей мере наружной радиальной части лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора таким образом, что упомянутая по меньшей мере наружная радиальная часть лопаток вентилятора создает уменьшенный поток наружного контура по сравнению с лопатками немодифицированного вентилятора. Опционально по меньшей мере наружную радиальную часть лопаток вентилятора модифицируют путем создания нулевого или близкого к нулевому угла атаки по отношению к направлению воздушного потока в переоборудованном турбовентиляторном двигателе.
Дополнительно или альтернативно на этапе (а) немодифицированный вентилятор также конфигурирован для создания потока внутреннего контура через внутренний контур двигателя. Опционально упомянутый немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполняют так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя упомянутую первую степень повышения давления, причем первая степень повышения давления близка по величине ко второй степени повышения давления. Альтернативно немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для создания первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполняют так, чтобы создать взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя первую степень повышения давления, причем первая степень повышения давления меньше по величине, чем вторая степень повышения давления. Альтернативно упомянутый немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполняют так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя первую степень повышения давления, причем первая степень повышения давления больше по величине, чем вторая степень повышения давления. Альтернативно немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполняют так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем вторая степень повышения давления составляет 1,0.
Дополнительно или альтернативно на этапе (b) упомянутый модифицированный вентилятор конфигурирован для создания уменьшенной тяги наружного контура, по сравнению с тягой наружного контура, создаваемой немодифицированным вентилятором.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый модифицированный вентилятор и упомянутую турбину низкого давления выполняют в узле каскада низкого давления.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый способ дополнительно содержит функциональное соединение переоборудованного турбовентиляторного двигателя с электрическим генератором для обеспечения возможности преобразования упомянутой избыточной мощности на валу в электрическую энергию. Дополнительно или альтернативно упомянутый способ дополнительно содержит функциональное соединение переоборудованного турбовентиляторного двигателя с механической нагрузкой для приложения упомянутой избыточной мощности на валу к упомянутой механической нагрузке.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый турбовентиляторный двигатель на этапе (а) является многокаскадным, с высокой степенью двухконтурности, с передним расположением вентилятора, турбовентиляторным газотурбинным двигателем, в котором упомянутый немодифицированный вентилятор установлен спереди. Например, переоборудованный турбовентиляторный двигатель избирательно соединяют с электрическим генератором через модифицированный вентилятор, причем, опционально переоборудованный турбовентиляторный двигатель дополнительно избирательно соединяют с дополнительным электрическим генератором через турбину низкого давления. Например, переоборудованный турбовентиляторный двигатель соединяют с электрическим генератором через турбину низкого давления.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый турбовентиляторный двигатель на этапе (а) является многокаскадным, с высокой степенью двухконтурности, с задним расположением вентилятора, турбовентиляторным газотурбинным двигателем, в котором упомянутый немодифицированный вентилятор установлен сзади. Например, на этапе (а) немодифицированный вентилятор выполнен с возможностью создания только воздушного потока наружного контура, т.е. упомянутый немодифицированный вентилятор не создает поток внутреннего контура. Дополнительно или альтернативно упомянутый модифицированный вентилятор и упомянутую турбину низкого давления выполняют в виде однороторного узла. Дополнительно или альтернативно переоборудованный турбовентиляторный двигатель соединяют с электрическим генератором через турбину низкого давления. Дополнительно или альтернативно упомянутая уменьшенная тяга потока наружного контура номинально равна нулю.
Дополнительно или альтернативно упомянутый способ дополнительно содержит использование механизма упорного подшипника для турбины низкого давления для уравновешивания последующего осевого усилия, соответствующего упомянутой избыточной мощности на валу.
Дополнительно или альтернативно упомянутый способ дополнительно содержит сохранение степени повышения давления турбовентиляторного двигателя в модифицированном турбовентиляторном двигателе. Например, сохранение степени повышения давления турбовентиляторного двигателя в модифицированном турбовентиляторном двигателе содержит модифицирование турбины низкого давления в модифицированном турбовентиляторном двигателе для получения площади поперечного сечения потока для потока через турбину низкого давления в ее осевом местоположении, которая больше соответствующей площади поперечного сечения потока для потока в турбовентиляторном двигателе.
Дополнительно или альтернативно упомянутый способ дополнительно содержит замену сопла внутреннего контура немодифицированного двигателя согласно этапу (а), на выпускной диффузор для внутреннего контура двигателя на этапе (b), причем упомянутый выпускной диффузор конфигурирован для уменьшения тяги внутреннего контура по сравнению с тягой внутреннего контура двигателя в немодифицированном турбовентиляторном двигателе.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый по меньшей мере один набор условий двигателя включает в себя по меньшей мере одно из расчетных режимов турбовентиляторного двигателя и максимального непрерывного крейсерского полета в условиях международной стандартной атмосферы (ISA) для турбовентиляторного двигателя.
Кроме того, в соответствии с аспектом раскрытого в данном документе изобретения предложен турбовентиляторный двигатель, содержащий
- внутренний контур двигателя, содержащий по меньшей мере один узел каскада высокого давления и камеру сгорания;
- модифицированный вентилятор, механически соединенный с турбиной низкого давления, в свою очередь приводимой в действие посредством горячих газов, генерируемых внутренним контуром двигателя;
- причем упомянутый модифицированный вентилятор получен из немодифицированного вентилятора или заменяет его;
- при этом упомянутая турбина низкого давления первоначально предназначена для приведения в действие немодифицированного вентилятора, когда соединена с ним вместо модифицированного вентилятора, причем немодифицированный вентилятор конфигурирован для создания, по меньшей мере, потока наружного контура, обходящего внутренний контур двигателя, по меньшей мере при одном наборе условий двигателя, когда он приводится в действие упомянутой турбиной низкого давления;
- при этом упомянутый модифицированный вентилятор конфигурирован для генерирования уменьшенного потока наружного контура по отношению к упомянутому потоку наружного контура вентилятора в течение работы турбовентиляторного двигателя в соответствии с упомянутым по меньшей мере одним набором условий двигателя и для одновременного обеспечения возможности генерирования упомянутой турбиной низкого давления избыточной мощности на валу сверх базовой мощности, необходимой для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора в течение работы турбовентиляторного двигателя, по меньшей мере, при упомянутом по меньшей мере одном наборе условий двигателя.
Например, упомянутый турбовентиляторный двигатель получен путем переоборудования немодифицированного турбовентиляторного двигателя, причем немодифицированный турбовентиляторный двигатель содержит упомянутый внутренний контур двигателя и упомянутый немодифицированный вентилятор, при этом упомянутый немодифицированный вентилятор механически соединен с турбиной низкого давления, которую, в свою очередь, приводят в действие посредством горячих газов, создаваемых внутренним контуром двигателя, причем упомянутое переоборудование содержит модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора.
Например, упомянутый модифицированный вентилятор конфигурирован для создания уменьшенной тяги потока наружного контура, по сравнению с тягой потока наружного контура, создаваемой немодифицированным вентилятором, когда он соединен с турбовентиляторным двигателем вместо модифицированного вентилятора.
Например, упомянутый модифицированный вентилятор модифицирован, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем уменьшения наружного диаметра лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора. Опционально упомянутый модифицированный вентилятор модифицирован, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем удаления по меньшей мере наружной радиальной части лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора. Дополнительно или альтернативно упомянутый модифицированный вентилятор модифицирован, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем удаления лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора.
Альтернативно упомянутый модифицированный вентилятор модифицирован, по отношению к немодифицированному вентилятору, путем модифицирования геометрии по меньшей мере наружной радиальной части лопаток упомянутого немодифицированного вентилятора так, чтобы упомянутая по меньшей мере наружная радиальная часть лопаток вентилятора создавала уменьшенный, по сравнению с лопатками немодифицированного вентилятора, поток наружного контура. Например, по меньшей мере наружная радиальная часть лопаток вентилятора модифицирована путем обеспечения нулевого или близкого к нулевому угла атаки по отношению к направлению воздушного потока в турбовентиляторном двигателе.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для создания потока внутреннего контура через внутренний контур двигателя. Опционально упомянутый немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замена немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполнены так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя первую степень повышения давления, причем первая степень повышения давления близка по величине к второй степени повышения давления. Альтернативно упомянутый немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замена немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполнены так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя первую степень повышения давления, причем первая степень повышения давления меньше по величине, чем вторая степень повышения давления. Альтернативно упомянутый немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замена немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполнены так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя первую степень повышения давления, причем первая степень повышения давления больше по величине, чем вторая степень повышения давления. Альтернативно немодифицированный вентилятор дополнительно конфигурирован для обеспечения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутое модифицирование или замена немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполнены так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя, заменяя первую степень повышения давления, причем вторая степень повышения давления составляет 1,0.
Например, упомянутый модифицированный вентилятор и упомянутая турбина низкого давления выполнены в узле каскада низкого давления.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый турбовентиляторный двигатель конфигурирован для функционального соединения с электрическим генератором для обеспечения возможности преобразования упомянутой избыточной мощности на валу в электрическую энергию. Дополнительно или альтернативно упомянутый турбовентиляторный двигатель конфигурирован для функционального соединения переоборудованного турбовентиляторного двигателя с механической нагрузкой для приложения упомянутой избыточной мощности на валу к упомянутой механической нагрузке.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый турбовентиляторный двигатель является многокаскадным, с высокой степенью двухконтурности, с передним расположением вентилятора, турбовентиляторным газотурбинным двигателем, в котором немодифицированный вентилятор установлен спереди. Например, турбовентиляторный двигатель избирательно соединен с электрическим генератором через модифицированный вентилятор. Опционально турбовентиляторный двигатель дополнительно избирательно соединен с дополнительным электрическим генератором через турбину низкого давления. Альтернативно турбовентиляторный двигатель избирательно соединен с электрическим генератором через турбину низкого давления.
Например, дополнительно или альтернативно к вышесказанному упомянутый турбовентиляторный двигатель является многокаскадным, с высокой степенью двухконтурности, с задним расположением вентилятора, турбовентиляторным газотурбинным двигателем, в котором упомянутый немодифицированный вентилятор установлен сзади. Например, немодифицированный вентилятор конфигурирован для создания только воздушного потока наружного контура, т.е. не создает поток внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя. Например, упомянутый модифицированный вентилятор и упомянутая турбина низкого давления расположены в однороторном узле. Например, турбовентиляторный двигатель избирательно соединен с электрическим генератором через турбину низкого давления.
Например, упомянутая уменьшенная тяга потока наружного контура номинально равна нулю.
Дополнительно или альтернативно упомянутый турбовентиляторный двигатель дополнительно содержит механизм упорного подшипника для турбины низкого давления для уравновешивания последующего осевого усилия, соответствующего упомянутой избыточной мощности на валу.
Дополнительно или альтернативно турбовентиляторный двигатель сохраняет степень повышения давления двигателя немодифицированного турбовентиляторного двигателя в турбовентиляторном двигателе. Например, турбина низкого давления в турбовентиляторном двигателе модифицирована, по отношению к соответствующей турбине низкого давления в немодифицированном турбовентиляторном двигателе, для получения площади поперечного сечения потока для потока через турбину низкого давления турбовентиляторного двигателя в его осевом местоположении, которая больше, чем соответствующая площадь поперечного сечения потока для потока в немодифицированном турбовентиляторном двигателе.
Дополнительно или альтернативно турбовентиляторный двигатель дополнительно содержит выпускной диффузор, присоединенный к внутреннему контуру двигателя, причем упомянутый выпускной диффузор конфигурирован для уменьшения тяги внутреннего контура двигателя, по сравнению с базовой тягой внутреннего контура в немодифицированном турбовентиляторном двигателе.
Дополнительно или альтернативно упомянутый по меньшей мере один набор условий двигателя включает в себя расчетный режим турбовентиляторного двигателя.
Дополнительно или альтернативно упомянутый по меньшей мере один набор условий двигателя включает в себя максимальный непрерывный крейсерский полет в условиях международной стандартной атмосферы (ISA) для турбовентиляторного двигателя.
Способ и переоборудованный турбовентиляторный двигатель в соответствии с по меньшей мере одним примером раскрытого в данном документе изобретения обеспечивают, по сравнению с традиционным подходом переоборудования газовой турбины турбовентиляторного типа для создания газовой турбины на базе авиационного двигателя, по меньшей мере одно из нижеследующих преимуществ:
- по сравнению с традиционным подходом, может быть значительно уменьшено общее время разработки, и/или может потребоваться меньшее количество испытаний соответствующего двигателя на базе авиационного двигателя,
- по сравнению с традиционным подходом, для создания соответствующего двигателя на базе авиационного двигателя требуется относительно малое количество изменений в первоначальной аппаратной части двигателя (т.е. в немодифицированном турбовентиляторном двигателе),
- по сравнению с традиционным подходом потребуется меньше новых деталей для переоборудования и изготовления соответствующего двигателя на базе авиационного двигателя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания изобретения, раскрытого в данном документе, и для пояснения примером, как оно может быть выполнено на практике, ниже описаны примеры, посредством только неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематически изображены различные этапы способа переоборудования турбовентиляторного газотурбинного двигателя в двигатель на базе авиационного двигателя для получения электрической энергии, в соответствии с, по меньшей мере, некоторыми примерами раскрытого в данном документе изобретения,
на фиг. 2 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении первого примера немодифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя,
на фиг. 3 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении первого примера модифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, переоборудованного из примера немодифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, который показан на фиг. 2, на основе первого примера модифицированного вентилятора,
на фиг. 4 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении первого примера модифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, переоборудованного из примера немодифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, который показан на фиг. 2, на основе второго примера модифицированного вентилятора,
на фиг. 5 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении первого примера модифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, переоборудованного из примера немодифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, который показан на фиг. 2, на основе третьего примера модифицированного вентилятора,
на фиг. 6 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении альтернативного варианта примера выполнения, показанного на фиг. 3, включая пример механизма уравновешивания осевого усилия,
на фиг. 7 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении второго примера немодифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя,
на фиг. 8 схематически изображен вид сбоку в поперечном сечении второго примера модифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, переоборудованного из примера немодифицированного турбовентиляторного газотурбинного двигателя, показанного на фиг. 7.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Как показано на фиг. 1, первый пример способа переоборудования турбовентиляторного двигателя в двигатель на базе авиационного двигателя для выработки электрической энергии (причем упомянутый способ в целом обозначен ссылочной позицией 900) содержит нижеследующие этапы:
Этап 910 - обеспечение наличия турбовентиляторного двигателя.
Этап 920 - создание переоборудованного турбовентиляторного двигателя из турбовентиляторного двигателя.
Этап 930 - функциональное соединение переоборудованного турбовентиляторного двигателя с электрическим генератором.
В данном документе термин «модифицированный турбовентиляторный двигатель» используется как равнозначный терминам «двигатель на базе авиационного двигателя», «переоборудованный турбовентиляторный двигатели» и т.п.
Как будет более понятно из нижеследующего описания, турбовентиляторный двигатель согласно этапу 910 содержит по меньшей мере следующие компоненты:
- внутренний контур двигателя, содержащий по меньшей мере один узел каскада высокого давления и камеру сгорания,
- немодифицированный вентилятор, конфигурированный для создания, по меньшей мере, потока наружного контура, обходящего внутренний контур двигателя, причем упомянутый вентилятор соединен с турбиной низкого давления, которую, в свою очередь приводят в действие посредством внутреннего контура двигателя.
Кроме того, как показано на фиг. 2, первый пример турбовентиляторного двигателя, в целом обозначенный ссылочной позицией 100, используемый на этапе 910, является многокаскадным, с высокой степенью двухконтурности, с передним расположением вентилятора, турбовентиляторным газотурбинным двигателем.
В этом примере турбовентиляторный двигатель 100 является авиационным газотурбинным двигателем, например турбовентиляторным двигателем модели CFM56, построенным компанией CFM International, которая является совместным предприятием, образованным GE Aviation, подразделением General Electric (США), и Snecma, подразделением Safran (Франция). Однако в альтернативных вариантах этого примера или в других альтернативных примерах турбовентиляторный двигатель, используемый на этапе 910, может быть любым подходящим турбовентиляторным двигателем, с учетом соответствующих изменений, например другими экземплярами турбовентиляторных двигателей модельного ряда CFM 56 или другими подходящими турбовентиляторными двигателями.
Турбовентиляторный двигатель 100 содержит внутренний контур 110 двигателя, содержащий корпус 130, узел 120 каскада высокого давления и камеру 140 сгорания. Узел 120 каскада высокого давления выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси 150 и содержит компрессор 124 высокого давления и турбину 126 высокого давления, разнесенные друг от друга в осевом направлении посредством наружного вала 125.
Камера 140 сгорания расположена между компрессором 124 высокого давления и турбиной 126 высокого давления. Камера 140 сгорания является, в данном примере, кольцевой камерой сгорания и функционально соединена с топливной системой 148.
Кроме того, турбовентиляторный двигатель 100 содержит вентилятор 164, механически соединенный с турбиной 166 низкого давления для вращения вместе с ней. В этом примере вентилятор 164 расположен в передней части турбовентиляторного двигателя 100, перед внутренним контуром 110 двигателя, и упомянутое механическое соединение выполнено посредством внутреннего вала 165. Внутренний вал 165 расположен соосно с наружным валом 125 и вращается независимо от него вокруг продольной оси 150. Таким образом, в этом примере, узел 160 каскада низкого давления содержит вентилятор 164, турбину 166 низкого давления и внутренний вал 165.
Кроме того, в этом примере узел 160 каскада низкого давления содержит компрессор 162 низкого давления, расположенный ниже по потоку относительно вентилятора 164 и размещенный в корпусе 130.
В альтернативных вариантах этого примера внутренний контур 110 двигателя может содержать дополнительные узлы каскада. Например, может быть предусмотрен узел каскада промежуточного давления, расположенный между узлом 160 каскада низкого давления и узлом 120 каскада высокого давления.
Предусмотрен кольцевой канал 170 наружного контура, имеющий внутреннюю стенку 172, образованную наружной частью передней части корпуса 130, и имеющий наружную стенку 174, образованную внутренней частью корпуса 135 наружного контура. Корпус 135 наружного контура расположен на удалении, в радиальном направлении, от корпуса 130 благодаря радиальным стойкам 138.
Узел 160 каскада низкого давления и узел 120 каскада высокого давления установлены с возможностью вращения непосредственно или опосредованно на передней опоре, выполненной в виде рамы 137 вентилятора, и на задней опоре, выполненной в виде рамы 136 турбины, посредством соответствующих подшипников.
Вентилятор 164 размещен в корпусе 135 наружного контура перед корпусом 130. Вентилятор 164 содержит множество лопаток 180, выступающих в радиальном направлении из диска 182 вентилятора.
Снаружи корпуса 135 наружного контура может быть преусмотрена секция 145 вспомогательного привода. Упомянутая секция 145 вспомогательного привода может содержать одно или более из следующих устройств, например, стартер/генератор, промежуточный редуктор, передаточный редуктор, горизонтальный приводной вал, радиальный приводной вал, входной редуктор.
При обычной работе турбовентиляторного двигателя 100 вентилятор создает в турбовентиляторном двигателе 100 поток W воздуха, и этот поток разделяется на передней кромке 131 корпуса 130 на внутренний воздушный поток WI, который направляется во внутренний контур 110 двигателя, и воздушный поток WO наружного контура, который направляется в канал 170 наружного контура.
В этом примере степень двухконтурности, определяемая как отношение массового расхода воздушного потока WO наружного контура к массовому расходу внутреннего воздушного потока WI, составляет 5:1, или примерно 5:1, например 4,75:1. Однако в приведенных выше или других альтернативных вариантах этого примера, или в приведенных выше или других альтернативных примерах, соответствующая степень двухконтурности может быть меньше, чем 5:1 или больше, чем 5:1.
Внутренний воздушный поток WI сжимают компрессором 162 низкого давления и компрессором 124 высокого давления и подают в камеру 140 сгорания, в которой происходит сгорание топлива, подаваемого в указанную камеру сгорания посредством топливной системы 148, с образованием горячих газообразных продуктов сгорания. Эти газообразные продукты сгорания, проходя через турбину 126 высокого давления и затем через турбину 166 низкого давления, приводят их в действие. Для применений в области авиации в задней части турбины 166 низкого давления и корпуса 130 для ускорения горячих газообразных продуктов сгорания и создания тяги внутреннего контура предусмотрено сопло (не показано).
Воздушный поток WO наружного контура протекает через канал 170 наружного контура, обходя внутренний контур 110 двигателя и создавая, при применении в авиации, тягу наружного контура вентилятора.
Таким образом, внутренний контур 110 двигателя предназначен для создания горячих газообразных продуктов сгорания, обеспечивающих приведение в действие турбины 126 высокого давления, турбины 166 низкого давления, и имеющих достаточную энергию, чтобы обеспечивать необходимую тягу внутреннего контура двигателя. В свою очередь, турбина 126 высокого давления предназначена для создания мощности, достаточной для приведения в действие компрессора 124 высокого давления, в то время как турбина 166 низкого давления предназначена для создания мощности, достаточной для приведения в действие компрессора 162 низкого давления и вентилятора 164, и, таким образом, для создания необходимой тяги наружного контура вентилятора.
Как будет более понятно ниже, этап 920 содержит создание переоборудованного турбовентиляторного двигателя из (немодифицированного) турбовентиляторного двигателя 100 путем модифицирования или замены первоначального немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора, который теперь конфигурирован для уменьшения воздушного потока наружного контура, создаваемого вентилятором при работе двигателя (по сравнению с воздушным потоком наружного контура, создаваемым немодифицированным вентилятором в первоначальном турбовентиляторном двигателе), для обеспечения возможности создания турбиной низкого давления избыточной мощности на валу сверх базовой мощности на валу, необходимой для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора при работе переоборудованного турбовентиляторного двигателя.
Как показано на фиг. 3, турбовентиляторный двигатель 100 переоборудуют в модифицированный или переоборудованный турбовентиляторный двигатель 200, содержащий, то есть, сохраняющий, внутренний контур 110 двигателя, в том числе узел 120 каскада высокого давления и камеру 140 сгорания, а также содержащий, то есть, сохраняющий, турбину 166 низкого давления. Как ясно из раскрытого в данном документе изобретения, турбина 166 низкого давления первоначально предназначена для приведения в действие немодифицированного вентилятора 164, причем немодифицированный вентилятор 164, приводимый в действие упомянутой турбиной низкого давления, конфигурирован для создания по меньшей мере воздушного потока наружного контура, в обход внутреннего контура, для создания тяги наружного контура вентилятора. (Кроме того, в этом примере немодифицированный вентилятор 164 конфигурирован для создания воздушного потока внутреннего контура через внутренний контур 110 двигателя для его работы.)
Тем не менее, в переоборудованном или модифицированном турбовентиляторном двигателе первоначальный или немодифицированный вентилятор 164 модифицируют для создания модифицированного вентилятора или, альтернативно заменяют модифицированным вентилятором, который соединяют с турбиной 166 низкого давления через соответственно модифицированный каскад 260 низкого давления, аналогично соединению немодифицированного вентилятора 164 с турбиной 166 низкого давления через немодифицированный узел 160 каскада низкого давления, как раскрыто в данном документе, с учетом соответствующих изменений. Аналогичным образом, в модифицированном турбовентиляторном двигателе 200 турбину 166 низкого давления приводят в действие посредством горячих газов, создаваемых внутренним контуром 110 двигателя, тем самым приводя во вращение модифицированный вентилятор.
Модифицированный вентилятор конфигурирован для создания уменьшенного воздушного потока (как правило, это сопровождается снижением тяги вентилятора) при работе модифицированного турбовентиляторного двигателя 200, по сравнению с воздушным потоком наружного контура (и, соответственно, тягой наружного контура), создаваемым немодифицированным вентилятором (при аналогичных условиях двигателя). Таким образом, турбина 166 низкого давления создает избыток мощности на валу сверх базовой мощности на валу, которая необходима только для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора при работе переоборудованного турбовентиляторного двигателя. Чем больше уменьшение воздушного потока WO наружного контура (и, таким образом, как правило, тяги наружного контура вентилятора), тем больше избыточная мощность на валу, создаваемая турбиной 166 низкого давления, при этом этот избыток мощности на валу может быть доведен до максимума путем уменьшения тяги наружного контура вентилятора или воздушного потока наружного контура до нуля или до значения, близкого к нулю.
Другими словами, путем исключения или существенного уменьшения необходимости создания модифицированным вентилятором воздушного потока наружного контура, мощность на валу, которая ранее требовалась для приведения в действие немодифицированного вентилятора для создания такого воздушного потока наружного контура (и, как правило, тяги наружного контура вентилятора) в первоначальном турбовентиляторном двигателе 100, теперь становится мощностью на валу, доступной для использования и, таким образом, для последующего преобразования в электрическую энергию.
Таким образом, модифицированный вентилятор конфигурирован для создания значительно уменьшенного воздушного потока WOR наружного контура, вплоть до нулевого воздушного потока наружного контура, по сравнению с воздушным потоком WO наружного контура, создаваемым немодифицированным турбовентиляторным двигателем 100 с немодифицированным вентилятором 164, в аналогичных условиях эксплуатации (т.е., при аналогичных условиях двигателя).
На практике может быть полезно сохранять небольшую долю массового расхода потока наружного контура для улучшения аэродинамического качества потока, поступающего во внутренний контур, и/или этот минимальный поток наружного контура может обеспечивать полезное охлаждение внутреннего контура. Могут быть найдены наилучшие условия, при которых может быть, с одной стороны, увеличена до максимума производительность внутреннего контура, и, с другой стороны, уменьшен до минимума поток наружного контура.
Одновременно с этим, немодифицированный вентилятор 164 конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура, который протекает к внутреннему контуру двигателя, причем модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора выполняют так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура, который протекает к внутреннему контуру двигателя (с заменой, таким образом, первой степени повышения давления), причем упомянутая первая степень повышения давления близка по величине к упомянутой второй степени повышения давления. Тем не менее, первая степень повышения давления может быть больше по величине, чем вторая степень повышения давления, т.е. модифицирование или замена немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора может привести к тому, что вторая степень повышения давления будет меньше первой степени повышения давления. С другой стороны, можно также получить вторую степень повышения давления, которая фактически больше первой степени повышения давления, например, путем увеличения скорости вращения каскада низкого давления.
Как показано на фиг. 3, в первом примере модифицированного вентилятора, обозначенного в данном документе ссылочной позицией 164А, упомянутый модифицированный вентилятор 164А содержит модифицированные лопатки 180А, имеющие протяженности SA от оснований до концов, которые значительно короче, чем соответствующие протяженности S немодифицированных лопаток 180 вентилятора немодифицированного турбовентиляторного двигателя 100. В этом примере первоначальные лопатки 180 вентилятора обрабатывают путем механического удаления радиально наружной части 181 каждой из лопаток 180 вентилятора, так что у модифицированных лопаток 180А вентилятора остается только радиально внутренняя часть 183 лопаток 180 вентилятора. Таким образом, наружный диаметр DA модифицированного вентилятора 164А значительно меньше, чем соответствующий наружный диаметр D немодифицированного вентилятора 164. Опционально модифицированный вентилятор 164А может быть дополнительно модифицирован посредством кольцевого бандажа (не показан), соединяющего концы Т модифицированных лопаток 180А вентилятора.
Альтернативно вместо модифицирования существующих лопаток 180 вентилятора, они могут быть удалены и заменены на новые, заменяющие лопатки 180А вентилятора или весь вентилятор 180 может быть заменен на новый вентилятор, имеющий модифицированные лопатки 180А с уменьшенным диаметром по сравнению с немодифицированными лопатками вентилятора.
В этом примере концы Т модифицированных лопаток 180А вентилятора проходят в радиальном направлении к радиальному местоположению передней кромки 131 кожуха 130, или даже за него - например, радиальное местоположение кромки 131 может быть оптимизировано для получения наилучшей производительности модифицированного двигателя, в котором может быть, с одной стороны, доведена до максимума производительность внутреннего контура и, с другой стороны, уменьшен поток наружного контура, с созданием, тем самым, небольшого потока наружного контура, который может быть полезным, как упоминалось выше. Таким образом, воздушный поток WI внутреннего контура может оставаться относительно нечувствительным к вышеупомянутому модифицированию вентилятора, тем самым обеспечивая то, что степень повышения давления при сжатии воздушного потока во внутреннем контуре 110 двигателя остается по существу такой же, как в немодифицированном турбовентиляторном двигателе 100 (для того же набора условий работы (двигателя)). В альтернативных вариантах этого примера концы Т модифицированных лопаток 180А вентилятора проходят в радиальном направлении не до радиального местоположения передней кромки 131 корпуса 130, а расположены, вместо этого, в радиальном местоположении, смещенном внутрь от упомянутого радиального местоположения передней кромки 131.
По меньшей мере в этом примере (и, опционально также во втором и третьем примерах, описанных ниже, и в их альтернативных вариантах, с учетом соответствующих изменении), сохраняют корпус 135 наружного контура, причем вспомогательное оборудование 145 также может быть сохранено, чтобы свести к минимуму необходимость дополнительных модифицирований модифицированного турбовентиляторного двигателя 200. Однако в альтернативных вариантах этих примеров, а также в других примерах, возможно также удаление корпуса 135 и/или вспомогательного оборудования 145.
В этом примере камера сгорания 140 является неизмененной по сравнению с немодифицированной турбовентиляторной газовой турбиной 100, и, таким образом, продолжает работать на основе жидкого топлива. Тем не менее, в альтернативных вариантах данного примера или других примеров, или в других примерах, камера сгорания может быть модифицирована или заменена для получения возможности сжигания газообразных видов топлива или даже твердых видов топлива.
Как показано на фиг. 4, во втором примере использован модифицированный вентилятор, обозначаемый в данном документе ссылочной позицией 164В, который заменяет, с учетом соответствующих изменений, модифицированный вентилятор 164А модифицированного двигателя 200, показанный на фиг. 3.
В модифицированном вентиляторе 164В лопатки 180 вентилятора удалены с опциональным сохранением диска 182 вентилятора. Кроме того, опционально могут быть установлены заглушки 180В для закрытия отверстий, оставшихся на периферийной поверхности диска 182 вентилятора, например, отверстий, соответствующих замкам елочного типа обычных лопаток вентилятора. В этом примере отсутствие лопаток 180 вентилятора обеспечивает немного уменьшенный воздушный поток WIR внутреннего контура по сравнению с воздушным потоком WI внутреннего контура немодифицированного турбовентиляторного двигателя 100, причем, таким образом, степень повышения давления при сжатии в модифицированном турбовентиляторном двигателе 200 соответственно меньше, чем в немодифицированном турбовентиляторном 100 двигателе (для того же набора условий двигателя), что приводит к уменьшению доступной для использования избыточной мощности на валу, создаваемой соответствующим модифицированным турбовентиляторным двигателем 200.
Таким образом, немодифицированный вентилятор 164 конфигурирован для получения первой степени повышения давления для потока внутреннего контура, который течет к внутреннему контуру двигателя; модифицирование или замену немодифицированного вентилятора для создания модифицированного вентилятора 164В выполняют так, чтобы получить взамен вторую степень повышения давления для потока внутреннего контура к внутреннему контуру двигателя (с заменой, таким образом, первой степени повышения давления), причем в результате вторая степень повышения давления составляет 1.0.
Как показано на фиг. 5, в третьем примере использован модифицированный вентилятор, обозначаемый в данном документе ссылочной позицией 164С, который заменяет, с учетом соответствующих изменений, модифицированный вентилятор 164А модифицированного двигателя 200, показанный на фиг. 3.
Модифицированный вентилятор 164С содержит модифицированные лопатки 180С, у которых наружную радиальную часть 181С лопаток 180С вентилятора создает уменьшенную тягу и уменьшенный воздушный поток наружного контура по сравнению с немодифицированными лопатками 180 вентилятора немодифицированного турбовентиляторного двигателя 100. Как показано на фиг. 5(а), наружная радиальная часть 181С каждой лопатки вентилятора 180С имеет нулевой или близкой к нулевому угол атаки по отношению к направлению воздушного потока в переоборудованном турбовентиляторном двигателе 200. Внутренняя радиальная часть 183С каждой лопатки 180С имеет геометрию, аналогичную геометрии соответствующей части немодифицированных лопаток 180 вентилятора, и имеет соответствующий угол атаки. В этом примере первоначальные лопатки 180 вентилятора обработаны путем механического изгиба радиально наружной части 181С лопаток 180 вентилятора в соответствующем направлении для получения необходимой модифицированной геометрической формы лопаток 180С вентилятора. Таким образом, радиальная часть 181С каждой модифицированной лопатки 180С вентилятора 164С не обеспечивает значительного воздушного потока наружного контура или тяги наружного контура. Альтернативно вместо модифицирования существующих лопаток 180 вентилятора они могут быть удалены и заменены на новые модифицированные лопатки 180С вентилятора или весь вентилятор 180 может быть заменен на новый вентилятор, имеющий модифицированные лопатки 180С.
В этом примере радиальное местоположение переходного участка Т' между наружной радиальной частью 181С и внутренней радиальной частью 183С модифицированных лопаток 180С вентилятора соответствует радиальному местоположению передней кромки 131 корпуса 130 или даже находится за его пределами. Таким образом, воздушный поток WI внутреннего контура двигателя может оставаться относительно нечувствительным к вышеупомянутому модифицированию вентилятора, тем самым обеспечивая то, что степень повышения давления при сжатии воздушного потока во внутреннем контуре 110 двигателя остается по существу такой же, как в немодифицированном турбовентиляторном двигателе 100 (для того же набора условий двигателя, т.е. для того же набора условий эксплуатации). В альтернативных вариантах этого примера радиальное местоположение переходного участка Т' модифицированных лопаток 180С вентилятора не проходит в радиальном направлении до радиального местоположения передней кромки 131 корпуса 130, а расположено, вместо этого, в радиальном местоположении, смещенном внутрь от радиального местоположения передней кромки 131, включая местоположение вплоть до соответствующих оснований лопаток вентилятора.
Следует отметить, что вышеупомянутое уменьшение воздушного потока наружного контура, как правило, обеспечивает также уменьшение тяги наружного контура, что может приводить к чистому осевому усилию, приложенному к узлу 160 каскада низкого давления в направлении задней части. В некоторых случаях узел 160 каскада низкого давления уже конфигурирован для работы в таких условиях, в других случаях можно заменить подшипники узла 160 каскада низкого давления, чтобы он выдерживал новые нагрузки, возникающие из чистого осевого усилия, приложенного к узлу 160 каскада низкого давления. В варианте примера на фиг. 3, и по меньшей мере в некоторых других примерах (например, в примерах, показанных на фиг. 4 и 5, с учетом соответствующих изменений) модифицированная турбовентиляторная газовая турбина 200 (содержащая вентилятор, модифицированный в соответствии с любым из примеров, с первого по третий, или с его альтернативными вариантами или другими его примерами, в соответствии с раскрытым в данном документе изобретением) может быть дополнительно модифицирована посредством соответствующего механизма компенсации осевого усилия для подшипников узла 160 каскада низкого давления. Например, как показано на фиг. 6, такой механизм уравновешивания осевого усилия может содержать уравновешивающий поршень 300, содержащий головку 310 поршня, закрепленную на выходном валу 330 для перемещения, посредством него, относительно корпуса 312 поршня. Таким образом, головка 310 поршня механически соединена с внутренним валом 165. Одна сторона поршня подвергается воздействию воздуха высокого давления, подводимого через линию 314 отбора, гидравлически сообщающуюся с компрессором 120 высокого давления, в то время как другая сторона головки 310 поршня находится под действием другого давления, например, более низкого давления, например, давления окружающего воздуха, для создания перепада ΔР давлений на головке поршня. Такой механизм приводит к созданию компенсирующего усилия, прикладываемого спереди к каскаду низкого давления, посредством внутреннего вала 165 и путем регулирования разности ΔР давлений на головке поршня, а также площади, на которой действует эта разность давлений, причем может быть получено компенсирующее усилие, которое уравновешивает вышеупомянутое чистое осевое усилие, например, подобное первоначальному усилию, создаваемому немодифицированным вентилятором. Альтернативно усилие для компенсации чистого осевого усилия может быть создано посредством гидравлического поршневого механизма или посредством механического поршневого механизма, или посредством любого другого соответствующего механизма для создания компенсирующего усилия.
Как показано на фиг. 3, 4 и 5, в задней части турбины 166 низкого давления может быть, например, опционально установлен диффузор 190, чтобы свести к минимуму тягу внутреннего контура или уменьшить тягу внутреннего контура до значения, близкого к нулю. Таким образом, с помощью турбины 166 малой мощности может быть извлечено большее количество энергии, запасенной в горячих газах, с дополнительным повышением, тем самым, вышеупомянутой избыточной мощности на валу.
Как правило, первоначальную степень повышения давления турбовентиляторного двигателя сохраняют в модифицированном турбовентиляторном двигателе. Это может быть полезно для обеспечения возможности работы модифицированного турбовентиляторного двигателя наилучшим образом, аналогично немодифицированному турбовентиляторному двигателю. По меньшей мере в некоторых примерах, в том числе в одном или нескольких из вышеприведенных примеров, первоначальную степень повышения давления турбовентиляторного двигателя сохраняют в модифицированном турбовентиляторном двигателе путем модифицирования турбины низкого давления в модифицированном турбовентиляторном двигателе для получения площади поперечного сечения потока для потока через турбину низкого давления в ее осевом местоположении, которая больше соответствующей площади поперечного сечения потока для потока в турбовентиляторном двигателе.
Среднему специалисту в данной области техники очевидно, что для получения требуемой производительности необходимо соответствующим образом управлять модифицированным турбовентиляторным двигателем 200, причем также могут быть необходимы некоторые дополнительные меры по регулировке модифицированного двигателя 200. Например, может потребоваться ряд тестов и/или численных моделирований для определения оптимальных условий эксплуатации (т.е. оптимальных условий двигателя), например, согласование каскада высокого давления по отношению к каскаду низкого давления.
Как будет более понятно ниже, этап 930 содержит функциональное соединение переоборудованного турбовентиляторного двигателя с электрическим генератором для получения возможности преобразования упомянутой избыточной мощности на валу в электрическую энергию. Следует отметить при этом, что избыточная мощность на валу может быть использована по-разному, например, для приведения в действие механической нагрузки.
Как показано на фиг. 3, 4 и 5, вал 330 отвода мощности двигателя соединен с узлом 160 каскада низкого давления и приводится в действие упомянутым каскадом. В этом примере вал 330 отвода мощности двигателя соединен с узлом 160 каскада низкого давления на переднем конце двигателя 200, в связи с чем устранено взаимодействие или контакт с горячими газообразными продуктами сгорания. В частности, вал 330 отвода мощности двигателя соединен с соответствующим модифицированным вентилятором 164А, 164В, 164С либо непосредственно, либо, например, посредством универсального шарнира. Однако в альтернативных вариантах этого примера вал 330 отвода мощности двигателя может быть альтернативно соединен с узлом 160 каскада низкого давления в задней части двигателя 200, например, путем непосредственного соединения с турбиной 166 низкого давления. В других альтернативных вариантах этого примера с узлом 160 каскада низкого давления в задней части двигателя 200 может быть соединен дополнительный вал отвода мощности двигателя, например, путем непосредственного соединения с турбиной 166 низкого давления так, чтобы модифицированный турбовентиляторный двигатель 200 был соединен с двумя электрическими генераторами, с одним через турбину низкого давления, а с другим - посредством модифицированного вентилятора.
В свою очередь, вал 330 отвода мощности двигателя соединен также с редуктором 310, в то время как выходной вал 315 редуктора 310 соединен с входным валом 316 электрического генератора 320. Электрический генератор 320 может быть любым из ряда подходящих электрических генераторов, вырабатывающих электрическую энергию и реагирующих на механическое вращение входного вала 316. Например, электрический генератор может быть генератором с постоянным магнитом и может обеспечивать любое необходимое одно- или трехфазное напряжение. Примерами соответствующих электрических генераторов могут быть генераторы серии Sgen-100A-4P производства компании Siemens (Германия) и серии 6А8 производства компании GE (США). Примерами соответствующих редукторов могут быть высокоскоростные одноступенчатые редукторы с параллельными валами производства компании Flender Graffenstaden (Евросоюз, ЕС) или компании Elecon (Индия).
Таким образом, переоборудованный турбовентиляторный двигатель 200 конфигурирован для функционального соединения с электрическим генератором 320 для обеспечения возможности преобразования упомянутой избыточной мощности на валу в электрическую энергию.
По меньшей мере в одном из приведенных выше примеров, в которых переоборудованный турбовентиляторный двигатель 200 переоборудуют из турбовентиляторного двигателя CFM 56-3, предполагается, что такой переоборудованный турбовентиляторный двигатель 200 может создавать электрическую мощность, например, около 15 МВт.
Например, в теоретических исследованиях, проведенных заявителями при непрерывных условиях международной стандартной атмосферы (ISA), немодифицированный турбовентиляторный двигатель CFM 56-3 создает чистую тягу 21995 фунт-сила (97839 Н) с удельным расходом топлива 0,39. При тех же условиях, в том числе при расходе топлива 8686 фунтов/ч (1,1 кг/с), степени повышения давления в двигателе 3,99, модифицированный турбовентиляторный двигатель (модифицированный в соответствии с примером, показанным на фиг. 3) генерирует мощность на валу 15551 кВт, с эффективностью на валу 32,9%, тепловой мощностью на валу 10372 Британский тепловых единиц/кВтч и эффективностью на валу 0,42 фунтов массы/лошадиная сила-час (в то же время модифицированный турбовентиляторный двигатель создает чистую тягу 3530 фунт-сила (15702 Н)).
Как показано на фиг. 7, второй пример турбовентиляторного двигателя, в целом обозначенный ссылочной позицией 1100, используемый на этапе 910, является многокаскадным, с высокой степенью двухконтурности, с задним расположением вентилятора, турбовентиляторным газотурбинным двигателем. Турбовентиляторный двигатель 1100 аналогичен турбовентиляторному двигателю 100, с учетом соответствующих изменений, но с некоторыми отличиями, указанными ниже.
Турбовентиляторный двигатель 1100 содержит внутренний контур 1110 двигателя, содержащий корпус 1130, узел 1120 каскада высокого давления (выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси 1150 и содержащий компрессор 1124 высокого давления и турбину 1126 высокого давления, разнесенные друг от друга в осевом направлении посредством наружного вала 1125), и камеру 1140 сгорания, аналогичные, с учетом соответствующих изменений, соответствующим компонентам турбовентиляторного двигателя 100, таким как внутренний контур 110 двигателя, корпус 130, узел 120 каскада высокого давления (продольная ось 150, компрессор 124 высокого давления, турбина 126 высокого давления, наружный вал 125), и камера 140 сгорания.
Кроме того, турбовентиляторный двигатель 1100 содержит вентилятор 1164, механически соединенный с турбиной 1166 низкого давления для вращения вместе с ней. В этом примере вентилятор 1164 расположен в задней части турбовентиляторного двигателя 1100, в задней части внутреннего контура 1110 двигателя, при этом данное механическое соединение получено путем выполнения вентилятора 1164 и турбины 1166 низкого давления в однороторном узле 1160.
Предусмотрен кольцевой канал 1170 наружного контура, имеющий внутреннюю стенку 1172, образованную наружной частью заднего корпуса 1133, который соединен с корпусом 1130 в задней части турбины 1126 низкого давления, и имеющий наружную стенку 1174, образованную внутренней частью корпуса 1135 наружного контура. Корпус 1135 наружного контура расположен на удалении, в радиальном направлении, от заднего корпуса 1133 благодаря радиальным стойкам 1138.
Роторный узел 1160 содержит диск 1182 ротора и множество двойных аэродинамических элементов 1190, установленных на периферии диска 1182 ротора, отстоящих друг от друга в окружном направлении и выступающих в радиальном направлении из диска 1182 ротора.
Каждый двойной аэродинамический элемент 1190 содержит внутреннюю часть 1192 лопатки турбины, соединенную с наружной частью 1194 лопатки вентилятора посредством платформы 1193, причем в этом примере каждый двойной аэродинамический элемент 1190 выполнен в виде интегральной конструкции. Соответствующие внутренние части 1192 лопаток турбины образуют турбину 166 низкого давления, в то время как наружные части 1194 лопаток наружного вентилятора образуют вентилятор 1166. Платформы 1193 соединены друг с другом, образуя кольцо, которое создает уплотнение с возможностью вращения относительно заднего корпуса 1133. Таким образом, вентилятор 1164 размещен в корпусе 1135 наружного контура, в то время как турбина 1164 низкого давления размещена в заднем корпусе 1133.
Роторный узел 1160 расположен соосно с валом 1125 и вращается независимо от него вокруг продольной оси 1150.
Позади заднего корпуса 1133 предусмотрено сопло 1191.
При обычной работе турбовентиляторного двигателя 1100 внутренний воздушный поток WI' направляют во внутренний контур 1110 двигателя, а воздушный поток WO' наружного контура направляют в канал 1170 наружного контура.
В этом примере степень двухконтурности, определяемая как отношение массового расхода воздушного потока WO' наружного контура к массовому расходу внутреннего воздушного потока WI', составляет примерно 5:1, например 5:1. Однако в приведенных выше или других альтернативных вариантах этого примера, или в приведенных выше или других альтернативных примерах соответствующая степень двухконтурности может быть меньше, чем 5:1 или больше, чем 5:1.
Внутренний воздушный поток WI' сжимают компрессором 1124 высокого давления и подают в камеру 1140 сгорания, в которой происходит сгорание топлива, подаваемого в указанную камеру сгорания посредством топливной системы (не показана), с образованием горячих газообразных продуктов сгорания. Эти газообразные продукты сгорания, проходя через турбину 1126 высокого давления и затем через турбину 1166 низкого давления, приводят их в действие. При применениях в авиации сопло 1191 ускоряет горячие газообразные продукты сгорания и обеспечивает тягу внутреннего контура.
Воздушный поток WO' наружного контура протекает исключительно через канал 1170 наружного контура, полностью обходя внутренний контур 1110 двигателя и обеспечивая, при применениях в авиации, тягу наружного контура вентилятора.
Таким образом, внутренний контур 1110 двигателя предназначен для создания горячих газообразных продуктов сгорания, обеспечивающих приведение в действие турбины 1126 высокого давления, турбины 1166 низкого давления и имеющих достаточную энергию, чтобы обеспечивать необходимую тягу внутреннего контура. В свою очередь, турбина 1126 высокого давления предназначена для создания мощности, достаточной для приведения в действие компрессора 1124 высокого давления, в то время как турбина 1166 низкого давления предназначена для создания мощности, достаточной для приведения в действие нагнетательного вентилятора 1164, и, таким образом, для создания необходимой тяги наружного контура вентилятора.
Как будет более понятно ниже, во втором примере этап 920 содержит создание переоборудованного турбовентиляторного двигателя из турбовентиляторного двигателя 1100 путем модифицирования или замены первоначального немодифицированного вентилятора 1164 для создания модифицированного вентилятора, который теперь конфигурирован для уменьшения тяги наружного контура вентилятора/воздушного потока наружного контура, создаваемой/создаваемого вентилятором при работе двигателя (по сравнению с тягой наружного контура вентилятора/воздушным потоком наружного контура, создаваемой/создаваемым немодифицированным вентилятором в первоначальном турбовентиляторном двигателе), для обеспечения возможности создания турбиной низкого давления избыточной мощности на валу сверх базовой мощности на валу, необходимой для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора при работе переоборудованного турбовентиляторного двигателя.
Как показано на фиг. 8, турбовентиляторный двигатель 1100 переоборудуют в модифицированный или переоборудованный турбовентиляторный двигатель 1200, содержащий, то есть, сохраняющий, внутренний контур 1110 двигателя, в том числе узел 1120 каскада высокого давления и камеру 1140 сгорания, а также содержащий, то есть, сохраняющий, турбину 1166 низкого давления. Как ясно из раскрытого в данном документе изобретения, турбина 1166 низкого давления первоначально предназначена для приведения в действие немодифицированного вентилятора 1164, причем немодифицированный вентилятор 1164, приводимый в движение упомянутой турбиной низкого давления, конфигурирован для создания, по меньшей мере, воздушного потока наружного контура, в обход внутреннего контура, для создания тяги наружного контура вентилятора. (Кроме того, в этом примере немодифицированный вентилятор 1164 конфигурирован для создания только воздушного потока наружного контура и не участвует в создании потока внутреннего контура через внутренний контур 1110 двигателя.)
Тем не менее, в этом примере переоборудованного или модифицированного турбовентиляторного двигателя 1200 первоначальный или немодифицированный вентилятор 1164, по существу, удален путем удаления части или всей наружной части 1194 лопатки вентилятора двойных аэродинамических элементов 1190, предпочтительно до соответствующих платформ 1193, но не включая их, хотя в альтернативных вариантах этого примера часть соответствующей наружной части 1194 лопатки вентилятора может быть сохранена. Результатом является наличие первоначального или немодифицированного вентилятора 1164, модифицированного до получения такого устройства или замененного таким устройством, которое в данном документе упоминается, как правило, как «модифицированный вентилятор» и обозначается ссылочной позицией 1166А, даже если такой «модифицированный вентилятор» может вообще не иметь лопаток вентилятора или имеет очень короткие лопатки вентилятора. Такой «модифицированный вентилятор» 1166А, который в данном примере может содержать только наружные части платформ 1193, если все части 1194 лопатки вентилятора удалены, соединен с турбиной 1166 низкого давления через соответствующим образом модифицированный однороторный узел 1260, аналогично соединению немодифицированного вентилятора 1164 с турбиной 1166 низкого давления через немодифицированный роторный узел 1160, как раскрыто в данном документе, с учетом соответствующих изменений.
Аналогичным образом, в модифицированном турбовентиляторном двигателе 1200 турбину 1166 низкого давления приводят в действие посредством горячих газов, создаваемых внутренним контуром 1110 двигателя, тем самым приводя во вращение модифицированный вентилятор 1166А.
Модифицированный вентилятор конфигурирован для создания уменьшенной или нулевой тяги наружного контура вентилятора и/или модифицированного воздушного потока наружного контура при работе модифицированного турбовентиляторного двигателя 1200 по сравнению с тягой наружного контура вентилятора и/или воздушным потоком наружного контура, создаваемым(и) соответственно, немодифицированным вентилятором (при аналогичных условиях работы двигателя). Таким образом, турбина 1166 низкого давления создает избыточную мощность на валу сверх базовой мощности на валу, которая необходима только для приведения в действие упомянутого модифицированного вентилятора при работе переоборудованного турбовентиляторного двигателя 200. В приведенном выше примере, когда не формируют воздушный поток наружного контура, базовая мощность на валу является минимальной, а избыточная мощность на валу может быть доведена до максимума.
Следует отметить, что вышеупомянутая избыточная мощность на валу может приводить к возникновению чистого осевого усилия, приложенного к роторному узлу 1160. Соответственно, модифицированная турбовентиляторная газовая турбина 1200 может быть дополнительно модифицирована посредством соответствующего механизма компенсации осевого усилия для подшипников роторного узла 1160, например уравновешивающего поршня, как описано выше, с учетом соответствующих изменений.
Как показано на фиг. 8, в задней части турбины 1166 низкого давления может быть установлен диффузор 1197 для замены сопла 1191 и, таким образом, сведения к минимуму тяги внутреннего контура или уменьшения базовой тяги внутреннего контура до нуля. Таким образом, с помощью турбины 1166 малой мощности может быть извлечено большее количество энергии, запасенной в горячих газах, с дополнительным повышением, тем самым, вышеупомянутой избыточной мощности на валу.
В этом пример, этап 930 содержит функциональное соединение переоборудованного турбовентиляторного двигателя с электрическим генератором для обеспечения возможности преобразования упомянутой избыточной мощности на валу в электрическую энергию. Следует отметить при этом, что избыточная мощность на валу может быть использована по-разному, например, для приведения в действие механической нагрузки.
Как показано на фиг. 8, вал 1330 отвода мощности двигателя соединен с роторным узлом 1160 и приводится в действие упомянутым узлом. В этом примере вал 1330 отвода мощности двигателя соединен с узлом 160 каскада низкого давления на заднем конце двигателя 1200, при этом в задней части диффузора 1197 можно разместить соответствующий отводной канал 1199 для отвода горячих газов в сторону от заднего конца выходного вала 1330. В частности, вал 1330 отвода мощности двигателя соединен с роторным узлом 1160 либо непосредственно, либо, например, посредством универсального шарнира. В свою очередь вал 1330 отвода мощности двигателя соединен также с редуктором 1310, в то время как выходной вал 1315 редуктора 1310 соединен с входным валом 1316 электрического генератора 1320. Электрический генератор 1320 может быть любым из ряда подходящих электрических генераторов, вырабатывающих электрическую энергию и реагирующий на механическое вращение входного вала 1316, например, таким, как описано выше для первого примера, с учетом соответствующих изменений.
Таким образом, переоборудованный турбовентиляторный двигатель 1200 конфигурирован для функционального соединения с электрическим генератором 1320 для обеспечения возможности преобразования упомянутой избыточной мощности на валу в электрическую энергию.
В пунктах формулы изобретения на способ буквенно-цифровые символы и римские цифры, используемые для обозначения этапов пунктов формулы изобретения, представлены исключительно для удобства и не подразумевают какого-либо конкретного порядка выполнения этапов.