ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F01D15/10 

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.

Недостатками этого двигателя является низкий КПД силовой установки

Известен газотурбинный двигатель по патенту GB №1341241 (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 и обмотки установлены на внутренней поверхности дисков турбины и компрессора.

Недостатки этого двигателя: малая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре

Кроме того, возникают проблемы с охлаждение обмоток статора, размещенных внутри двигателя на относительно горячих дисках компрессора и турбины. Эта конструкция возможно, 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 в газотурбинном двигателе, содержащем турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин, встроенных в турбокомпрессор, при этом в компрессор встроен электродвигатель, а в турбину - электрогенератор, причем турбина выполнена свободной, а электрогенератор соединен с электродвигателем посредством силового кабеля, тем, что обмотки электрогенератора установлены на статоре турбины, система постоянных магнитов электродвигателя закреплена на рабочих лопатках компрессора, обмотки электрогенератора установлены на статоре турбины, система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, при этом обмотки электродвигателя и электрогенератора заключены в кожуха, к которым 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 и 2, где:

на фиг.1 приведена схема газотурбинного двигателя,

на фиг.2 - схема охлаждения обмоток.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит газогенератор 1, содержащий компрессор 2, камеру сгорания 3, турбину 4 и выхлопное устройство 5. Газотурбинный двигатель содержит две электрические машины, встроенные в газогенератор 1, при этом в компрессор 2 встроен электродвигатель 6, в турбину 4 встроен электрогенератор 7. Турбина 4 выполнена свободной, т.е. ее вал не связан с валом компрессора.

Газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 8, подключенным ко 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 13, кольцевой коллектор 12 соединен с форсунками 13 камеры сгорания 3.

Компрессор 2 содержит статор компрессора 14 и ротор компрессора 15 с валом компрессора 16. Кроме того, компрессор 2 содержит направляющие лопатки компрессора 17 и рабочие лопатки компрессора 18.

Турбина 3 содержит статор турбины 19 и ротор турбины 20 с валом турбины 21, который кинематически не связан с валом компрессора 16, т.е. турбина 4 выполнена свободной. Кроме того, турбина 4 содержит сопловые аппараты турбины 22 и рабочие лопатки турбины 23 (количество ступеней свободной турбины может быть от одной до нескольких).

Далее находятся опора турбины 24 и выхлопное устройство 5.

Две электрические машины, а именно электродвигатель 25, совмещенный с компрессором 2, и электрогенератор 26, совмещенный с турбиной 4. Электродвигатель 25 содержит статорные обмотки 27, выполненные на статоре компрессора 14, и систему постоянных магнитов электродвигателя, установленную на рабочих лопатках компрессора 28.

Электрогенератор 26 содержит статорные обмотки электродвигателя 29, установленные на статоре турбины 19, и систему постоянных магнитов электрогенератора 39, установленную на рабочих лопатках турбины 23. Электродвигатель 25 соединен с электрогенератором 26 силовым кабелем.

Статорные обмотки электродвигателя 29 заключены в кожух компрессора 32, а статорные обмотки электрогенератора 29 заключены в кожух турбины 33 (фиг.2). К внутренним полостям кожухов «А» и «Б» подключена система охлаждения 34.

При работе ГТД осуществляют его запуск путем подачи электроэнергии на электродвигатель 25 от внешнего источника энергии (на фиг.1 и 2 не показано). Потом включают привод топливного насоса 10 и топливный насос 9 подает топливо в камеру сгорания, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 и 2 электрозапальник не показан). Турбина 4 раскручивается и электрогенератор 26 вырабатывает электрический ток, который по силовому кабелю 31 подается на электродвигатель 25. Электродвигатель 25 в дальнейшем приводит в действие компрессор 2, а внешний источник тока отключается.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя и отсутствия жесткой кинематической связи между компрессором и турбиной. Это позволило спроектировать оптимальные компрессор и турбину, например, на разные рабочие обороты и оптимально согласовать их совместную работу.

2. Улучшить надежность силовой установки за счет отказа от вала, соединяющего компрессор и турбину, размещения катушек электрических машин вне двигателя.

3. Обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей.

4. Уменьшить вес и габариты силовой установки.

Газотурбинный двигатель содержит турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин, встроенных в турбокомпрессор. В компрессор встроен электродвигатель, а в турбину - электрогенератор. Турбина выполнена свободной. Электрогенератор соединен с электродвигателем посредством силового кабеля. Обмотки электродвигателя выполнены на статоре компрессора. Система постоянных магнитов электродвигателя закреплена на рабочих лопатках компрессора. Система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, Обмотки электродвигателя и электрогенератора заключены в кожуха, к которым подведена система воздушного охлаждения. Изобретение позволяет повысить КПД и надежность газотурбинного двигателя. 2 ил.

Газотурбинный двигатель, содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин, встроенных в турбокомпрессор, при этом в компрессор встроен электродвигатель, а в турбину - электрогенератор, причем турбина выполнена свободной, а электрогенератор соединен с электродвигателем посредством силового кабеля, отличающийся тем, что обмотки электродвигателя выполнены на статоре компрессора, система постоянных магнитов электродвигателя закреплена на рабочих лопатках компрессора, система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, при этом обмотки электродвигателя и электрогенератора заключены в кожуха, к которым подведена система воздушного охлаждения.