ТУРБОВИНТОВОЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2008 года по МПК F02K3/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям, конкретно к турбовинтовым двигателям - ТВД.

Известен авиационный комбинированный двигатель по заявке РФ на изобретение №2002115896, содержащий ГТД и ракетный двигатель.

Недостаток - очень большой расход топлива, потребляемого ракетным двигателем.

Известен авиационный ГТД по патенту РФ №2211935, прототип, содержащий компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло.

Недостаток - низкий КПД и как следствие большой удельный расход топлива, свойственный турбореактивным двигателям по сравнению с поршневыми.

Недостатки этого двигателя: очень маленькая мощность электрических машин, связанная с тем, что они размещены на малом диаметре и имеют по одной ступени. Кроме того - возникают проблемы с охлаждением обмоток статора, размещенных внутри двигателя. Эта конструкция применима для использования электрической машины в качестве стартера или в качестве вспомогательного электрогенератора для питания агрегатов газотурбинного двигателя и самолета.

Задачи создания изобретения: повышение экономичности и надежности двигателя.

Задачи создания изобретения: повышение КПД и надежности двигателя. Турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло, отличающийся тем, что двигатель выполнен по двухвальной схеме, за турбиной установлен двигатель Стирлинга, соединенный внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы патрубков выходят в атмосферу. Концы патрубков подсоединены к воздухозаборнику или к выходу из первых ступеней компрессора.

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...4, где:

на фиг.1 приведена схема двигателя,

на фиг.2 приведена схема охлаждения двигателя Стирлинга,

на фиг.3 приведена схема двигателя Стирлинга,

на фиг.4 приведен вид по А-А двигателя Стирлинга.

Предложенное техническое решение (фиг.1) содержит винт 1, вал винта 2, редуктор 3 (или мультипликатор), газогенератор 4, содержащий в свою очередь воздухозаборник 5, компрессор 6, камеру сгорания 7 и турбину 8. Турбина 8 может содержать одну или несколько ступеней. Далее конструкция двигателя описывается на примере одноступенчатой турбины. Турбина 8 содержит сопловой аппарат 9 и рабочее колесо 10, далее реактивное сопло 11.

Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит систему топливоподачи с топливопроводом низкого давления 12, подключенным к входу в топливный насос 13, имеющий привод 14, топливопровод высокого давления 15, вход которого соединен с топливным насосом 13, а выход соединен с кольцевым коллектором 16, кольцевой коллектор 16 соединен с форсунками 17 камеры сгорания 7.

Компрессор 6 содержит ротор компрессора 18 с внешним валом 19. На внешнем валу 19 установлено рабочее колесо турбины 10.

Внутренний вал 20 проходит внутри внешнего вала 19, установлен на опорах 21 и соединен с одной стороны с редуктором 3, а с другой - с двигателем Стирлинга 22. К двигателю Стирлинга подсоединен воздушный патрубок 23 или несколько воздушных патрубков, другой конец которого выходит в атмосферу, и выхлопные патрубки 24, которые выходят внутрь реактивного сопла 11 в полость «Д».

Отличительной особенностью силовой установки является наличие двигателя Стирлинга 22 за турбиной 8, конкретно за рабочим колесом турбины 10.

Двигатель Стирлинга 22 состоит из двух частей: группы рабочих цилиндров 25 и группы вытеснительных цилиндров 26, которые соединены трубопроводами 27. Группу вытеснительных цилиндров 26 предпочтительно теплоизолировать от газового тракта ГТД.

В одном из вариантов исполнения возможно подсоединение воздушного патрубка 23 (воздушных патрубков) к воздухозаборнику 5 или к первым ступеням компрессора 6 посредством одного или нескольких трубопроводов 28 (фиг.2).

На фиг.3 и 4 приведена схема одного из вариантов исполнения двигателя Стирлинга 22, который содержит группу рабочих цилиндров 25, имеющих оребрение 29 с установленным внутри каждого из них в полости «Б» рабочим поршнем 30, который шатуном 31 соединен с внутренним валом двигателя 20.

Также двигатель Стирлинга 22 содержит группу вытеснительных цилиндров 26 с установленным внутри каждого из них в полости «В» вытеснительным поршнем 32. Каждый расширительный цилиндр 26 оборудован снаружи кожухом 33, образующим полость «Г» для охлаждения расширительного цилиндра 26. Вытеснительный поршень 32 соединен шатуном 34 с внутренним валом двигателя 20. Трубопровод 27 соединяет полости «Б» и «В» для перетекания рабочего тела из рабочего цилиндра 25 в вытеснительный цилиндр 26. К полости «Г» подсоединены воздушные патрубки 23, а выхлопные трубы 24 соединяют полость «Г» с внутренней полостью «Д» реактивного сопла 11 (фиг.1).

При работе ГТД осуществляют его запуск стартером (стартер на фиг.1...4 не показан). Потом включают привод топливного насоса 14, и топливный насос 13 подает топливо в камеру сгорания 7, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (на фиг.1 не показано). В результате продукты сгорания проходят через рабочее колесо турбины 10 и раскручивают его и внешний вал 20, а также ротор компрессора 18. Через 5...7 мин тепло выхлопных газов прогревает рабочие цилиндры 25 двигателя Стирлинга 22. Двигатель Стирлинга 22 приводится в действие и через внутренний вал 20 и редуктор 3 раскручивает винт 1. В результате двигатель запущен и готов к работе. Управление двигателем по режимам и его выключение не отличается от традиционных ТВД.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД газотурбинного двигателя за счет более рациональной компоновки двигателя, наличия винта, дающего дополнительную тягу, отсутствия жесткой кинематической связи между 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 уменьшения числа ступеней турбины до одной ступени и распределения большей части нагрузки на двигатель Стирлинга.

3. Создать благоприятные условия для работы винта и двигателя Стирлинга, согласовав их оптимальные расчетные угловые скорости вращения за счет применения редуктора или мультипликатора. Кроме того, применение двухвальной схемы двигателя позволит развязать механически рабочее колесо и ротор турбины и компрессора с одной стороны от винта и двигателя Стирлинга, работа которых при запуске и на переходных режимах значительно различаются, например, по частоте вращения валов и по приемистости.

4. Обеспечить оптимальную работу двигателя на переходных режимах, вследствие того, что турбовинтовые двигатели создают часть тяги винтом, а часть за счет реактивного сопла. Несмотря на плохую приемистость двигателя Стирлинга при резком изменении расхода топлива через камеру сгорания суммарная тяга двигателя будет изменяться практически мгновенно за счет реактивной составляющей. Через 5...7 мин мощности, развиваемые винтом и газогенератором, перераспределятся, например, при форсировании основную тяговую нагрузку будет нести винт, имеющий хороший КПД на дозвуковых скоростях, в результате экономичность двигателя на крейсерском режиме полета значительно возрастет.

5. Значительно уменьшится расход топлива при эксплуатации самолета, это имеет важное значение в связи с исчерпанием ресурсов углеводородного топлива, его удорожанием и отсутствием альтернативы этому виду топлива. Применение водорода, имеющего стоимость в сотни раз большую, чем керосин, в ближайшие 100 лет бесперспективно, а использование сжиженного природного газа из-за его плохих энергетических характеристик и сложности в эксплуатации криогенной техники весьма ограничено.

6. Облегчить условия работы винта за счет его нежесткой связи с валом компрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и винта.

7. Облегчить запуск и останов двигателя за счет применения двухвальной схемы.

8. Уменьшить вес и габариты двигателя.

9. Снизить стоимость двигателя за счет отказа от дорогостоящих материалов, используемых при изготовлении турбины.

Турбовинтовой газотурбинный двигатель содержит винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло. Двигатель выполнен по двухвальной схеме. За турбиной установлен двигатель Стирлинга, соединенный внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом. К двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки. Концы патрубков выходят в атмосферу и подсоединены к воздухозаборнику или к выходу из первых ступеней компрессора. Изобретение направлено на повышение КПД и надежности силовой установки. 3 з.п ф-лы, 4 ил.

1. Турбовинтовой газотурбинный двигатель, содержащий винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло, отличающийся тем, что двигатель выполнен по двухвальной схеме, за турбиной установлен двигатель Стирлинга, соединенный внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом.2. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что к двигателю Стирлинга присоединены воздушные патрубки.3. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что концы патрубков выходят в атмосферу.4. Турбовинтовой газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что концы патрубков подсоединены к воздухозаборнику или к выходу из первых ступеней компрессора.