Газотурбинная силовая установка летательного аппарата
AIRCRAFT GAS TURBINE POWER PLANT

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к малоразмерным газотурбинным двигателям летательных аппаратов.
Известна силовая установка летательного аппарата, содержащая расположенные в корпусе полый центральный обтекатель с антиобледенительным устройством, двигатель с выходным валом и расположенный в полости центрального обтекателя электрогенератор, статор которого закреплен на корпусе, а ротор подключен к выходному валу двигателя (патент США №6137082).
В известной силовой установке центральный обтекатель выполнен вращающимся вместе с выходным валом двигателя, электрогенератор выполнен в виде дисковых обмоток, между которыми расположен диск с постоянными магнитами, установленный с возможностью свободного вращения, причем ротор генератора закреплен непосредственно на выходном валу двигателя, а антиобледенительное устройство выполнено в виде электронагревательных элементов, установленных на лопастях движущего винта и крыльях летательного аппарата.
Известное устройство достаточно сложно в исполнении. Невозможность отключения электрогенератора в нормальных условиях полета приводит к снижению экономичности силовой установки, поэтому область применения этого антиобледенительного устройства ограничена винтовыми летательными аппаратами.
Известна газотурбинная силовая установка летательного аппарата, содержащая расположенные в корпусе воздухозаборный канал с полым центральным обтекателем и антиобледенительным устройством, двигатель с выходным валом и генератор, расположенный в полости центрального обтекателя и выполненный в виде электрической машины, статор которой закреплен на корпусе, а ротор подключен к выходному валу двигателя (заявка США №2012/0025676). В известной силовой установке электрогенератор расположен в полости центрального обтекателя и охлаждается за счет естественного теплообмена наружной поверхности обтекателя с наружным воздухом. При этом часть электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором, отбирается для использования в электронагревательных элементах антиобледенительного устройства.
Недостатком известной газотурбинной силовой установки является отсутствие системы охлаждения с принудительной циркуляцией охлаждающей среды, что может привести к перегреву части обмоток генератора и тем самым существенно снижает надежность работы всей силовой установки.
Известна газотурбинная силовая установка летательного аппарата, содержащая расположенные в корпусе воздухозаборный канал с центральным и периферийным обтекателями, двигатель с выходным валом и антиобледенительное устройство, выполненное в виде воздушной полости, образованной между обтекателем и обечайкой, сообщенной с каналами подвода горячей среды и каналами отвода воздуха в воздухозаборный канал (патент РФ №2575676). В известной силовой установке винтового летательного аппарата обечайка антиобледенительного устройства, выполненная в виде внешней кольцевой оболочки, установлена снаружи периферийного обтекателя.
Недостатком известного антиобледенительного устройства является то, что выполнение обечайки в виде внешней кольцевой оболочки невозможно использовать для центрального обтекателя газотурбинной силовой установки летательного аппарата в связи со сложностью надежного крепления кольцевой конической или сферической оболочки на центральном обтекателе.
Известна газотурбинная силовая установка летательного аппарата, содержащая расположенные в корпусе воздухозаборный канал с полым центральным обтекателем и антиобледенительным устройством, двигатель с выходным валом, планетарный редуктор с механизмом переключения и генератор, расположенный в полости центрального обтекателя и выполненный в виде обратимой электрической машины, статор которой закреплен на корпусе, а ротор - через планетарный редуктор подключен к выходному валу двигателя (заявка США №2016/0229549). В известной силовой установке антиобледенительное устройство выполнено в виде электронагревательных элементов, размещенных на элементах конструкции летательного аппарата, которые обдуваются внешним воздушным потоком. Электронагревательные элементы питаются от электрической машины, работающей в режиме генератора, расположенной в полости центрального обтекателя и приводимой от выходного вала газотурбинного двигателя.
Обратимая электрическая машина в известной силовой установке выполнена небольшой мощности, т.к. используется в качестве вспомогательного генератора, предназначенного для питания электронагревательных элементов антиобледенительного устройства и может быть использована в аварийных случаях для работы в качестве электродвигателя. Поэтому она не имеет системы охлаждения с принудительной подачей охлаждающей среды, что снижает надежность работы силовой установки и антиобледенительного устройства из-за возможного перегрева обмоток электрической машины и выхода ее из строя.
При размещении в полости центрального обтекателя обратимой электрической машины, выполняющей функции пускового двигателя газотурбинной силовой установки и основного электрогенератора этой силовой установки, электрическая машина должна быть повышенной мощности. В связи с этим для надежной и бесперебойной работы электрической машины требуется обеспечить ее эффективное охлаждение с принудительной подачей охлаждающей среды, при этом развитые поверхности центрального обтекателя и стоек воздухозаборного канала нуждаются в эффективной надежной защите от льдообразования.
Техническая проблема заключается в необходимости обеспечения эффективного охлаждения электрической машины и снижения вероятности обледенения обтекаемых поверхностей воздухозаборного канала.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы силовой установки, а также повышение экономичности газотурбинной силовой установки за счет использования в антиобледенительном устройстве тепла, полученного в системе охлаждения обратимой электрической машины.
Этот технический результат достигается за счет того, что газотурбинная силовая установка летательного аппарата содержит расположенные в корпусе воздухозаборный канал с полым центральным обтекателем, стойками и антиобледенительным устройством, двигатель с выходным валом, планетарный редуктор с механизмом переключения и стартер-генератор, расположенный в полости центрального обтекателя и выполненный в виде обратимой электрической машины, статор которой закреплен на корпусе, а ротор - через планетарный редуктор подключен к выходному валу двигателя.
Согласно изобретению обратимая электрическая машина снабжена системой охлаждения с каналами подвода и отвода охлаждающего воздуха, стойки воздухозаборного канала выполнены полыми, центральный обтекатель снабжен внутренней обечайкой, а антиобледенительное устройство выполнено в виде воздушной полости, образованной между обечайкой и центральным обтекателем, подключенной через переключатель к каналу отвода охлаждающего воздуха из системы охлаждения обратимой электрической машины и сообщенной с внутренними полостями стоек, причем упомянутые полости стоек сообщены с воздухозаборным каналом через калиброванные отверстия, выполненные в боковых стенках стоек.
Существенность отличительных признаков газотурбинной силовой установки летательного аппарата подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет достичь технический результат изобретения - повышение надежности и экономичности газотурбинной силовой установки за счет использования в антиобледенительном устройстве тепла, полученного в системе охлаждения обратимой электрической машины.
Пример реализации изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - представлена носовая часть газотурбинной силовой установки летательного аппарата;
на фиг. 2 - показан продольный разрез стойки воздухозаборного канала;
на фиг. 3 - показан разрез стойки по Б-Б.
Газотурбинная силовая установка летательного аппарата содержит расположенные в корпусе 1 (фиг. 1) воздухозаборный канал 2 с полым центральным обтекателем 3 и стойками 4, двигатель 5 с выходным валом 6, планетарный редуктор 7 с механизмом переключения 8 и стартер-генератор 9, расположенный в полости центрального обтекателя 3. Стартер-генератор 9 выполнен в виде обратимой электрической машины 10, статор 11 которой закреплен на корпусе 1, а ротор 12 - через планетарный редуктор 7 подключен к выходному валу 6 двигателя 5.
Обратимая электрическая машина 10 снабжена системой охлаждения 13, имеющей канал подвода охлаждающего воздуха 14, сообщенный с источником давления воздуха, в данном случае с полостью 15 компрессора низкого давления 16, и канал отвода охлаждающего воздуха 17, подключенный через переключатель 18 к атмосфере.
Стойки 4 воздухозаборного канала 2 выполнены полыми, причем внутренние полости 19 (фиг. 3) стоек 4 сообщены с воздухозаборным каналом 2 через калиброванные отверстия 20 (фиг. 2), выполненные в боковых стенках 21 стоек. Центральный обтекатель 3 снабжен внутренней обечайкой 22, установленной с образованием между центральным обтекателем 3 и обечайкой 22 воздушной полости 23, подключенной через переключатель 18 к каналу отвода охлаждающего воздуха 17 из системы охлаждения 13 обратимой электрической машины 10.
Сообщенные между собой воздушная полость 23 и внутренние полости 19 стоек 4 образуют антиобледенительное устройство, предназначенное для обогрева обтекаемых поверхностей центрального обтекателя 3 и стоек 4 и предотвращения образования на этих поверхностях льда.
Работа газотурбинной силовой установки осуществляется следующим образом. При запуске газотурбинной силовой установки раскрутка двигателя 5 осуществляется обратимой электрической машиной 10, работающей в режиме электродвигателя и передающей крутящий момент через ротор 12 и планетарный редуктор 7 на выходной вал 6 двигателя 5. После запуска двигателя 5 планетарный редуктор 7 с помощью механизма переключения 8 переводится в режим передачи крутящего момента с выходного вала 6 двигателя 5 к ротору 12 обратимой электрической машины 10, которая переводится на режим работы в качестве генератора, обеспечивающего энергоснабжение системы управления силовой установки и приводов всех ее агрегатов.
Воздух под давлением из полости 15 компрессора низкого давления 16 по каналу подвода охлаждающего воздуха подается в систему охлаждения 13 обратимой электрической машины 10, охлаждает обмотки статора 11 и ротора 12 и отводится по каналу отвода охлаждающего воздуха 17 через переключатель 18 в атмосферу.
При полете летательного аппарата в условиях обледенения нагретый воздух из канала отвода охлаждающего воздуха 17 через переключатель 18 подается в воздушную полость 23, образованную между центральным обтекателем 3 и обечайкой 22, нагревает поверхность центрального обтекателя 3, предотвращая образование на ней льда. Из воздушной полости 23 нагретый воздух поступает во внутренние полости 19 стоек 4, нагревает обтекаемые поверхности стоек 4 и через калиброванные отверстия 20 в боковых стенках 21 выбрасывается в проточную часть воздухозаборного канала 2, повышая температуру всасываемого воздуха.
Описанное выше размещение стартер-генератора в полости центрального обтекателя газотурбинной силовой установки малоразмерного летательного аппарата, оптимизирующее весогабаритные характеристики силовой установки, позволяет повысить экономичность силовой установки за счет использования в антиобледенительном устройстве тепла, полученного в системе охлаждения обратимой электрической машины, и отсутствия дополнительного отбора воздуха из газовоздушного тракта двигателя для антиобледенительной системы.