ТУРБОВИНТОВОЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TURBOPROP GAS TURBINE ENGINE

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.