RU2359132C1

RU2359132C1 - Turboprop gas turbine engine

Info

Publication number: RU2359132C1
Application number: RU2007145833/06A
Authority: RU
Inventors: Николай Борисович Болотин (RU); Николай Борисович Болотин
Original assignee: Николай Борисович Болотин
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2009-06-20

Abstract

FIELD: engines and pumps.

SUBSTANCE: turboprop gas turbine engine incorporates turbo compressor with compressor, combustion chamber with outlet communicating with the turbine. Electric generator is built in the turbine. The motor fitted on the shaft shared with the air screw is arranged ahead of the compressor. Electric generator is fitted on the turbine stator, while the system of permanent magnets of electric generator is fixed on the turbine blades. The windings of electric generator are arranged in the casing whereto the air cooling system is brought to.

EFFECT: higher efficiency and reliability.

3 dwg

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в том числе к авиационным и стационарным двигателям.The invention relates to engine building, including aircraft and stationary engines.

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.A known power plant according to the patent of the Russian Federation No. 2189477, which contains a gas turbine engine - gas turbine engine, a gas path connecting this gas turbine engine with a free turbine, and a load in the form of an electric generator, the shaft of which is connected to the shaft of the free turbine through a coupling.

Недостатком этой силовой установки является то, что она имеет низкий КПД около 20%, что почти в 2 раза меньше, чем у современных дизельных установок.The disadvantage of this power plant is that it has a low efficiency of about 20%, which is almost 2 times less than that of modern diesel plants.

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.A gas turbine locomotive power plant is known according to RF patent No. 2272916, which contains a gas turbine engine with a turbine and a free turbine, behind which a regenerative heat exchanger is installed, the outlet of which is connected to the gas turbine engine, specifically, to the turbine cooling system.

Недостатком является низкий КПД силовой установки.The disadvantage is the low efficiency of the power plant.

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.A gas turbine engine is known according to the patent of the Russian Federation No. 2252316 (prototype), which contains a turbocompressor consisting of a compressor, a combustion chamber and a turbine, and at least two electric machines (electric generator and electric motor) built into the turbocompressor. The system of permanent magnets is installed on the inner surface of the rotor of the turbocompressor, and the stator of the electric machine is installed on the housing of the bearing support, i.e. on a small diameter.

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.The disadvantages of this engine: a very small power generation machines, due to the fact that they are placed on a small diameter and have one stage. In addition, there are problems with cooling the stator windings located inside the motor. This design is applicable for using an electric machine as a starter or as an auxiliary electric generator to power the units of a gas turbine engine and aircraft.

Задачи создания изобретения: повышение мощности электрических машин, экономичности и надежности двигателя.Objectives of the invention: increasing the power of electric machines, efficiency and reliability of the engine.

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.The solution to these problems was achieved due to the fact that the turboprop gas turbine engine containing a turbocompressor with a compressor, a combustion chamber, the outlet of which is connected by a gas path to the turbine, while an electric generator is built into the turbine, characterized in that an electric motor is installed in front of the compressor, which is connected by a shaft with with a propeller, the generator is mounted on the turbine stator, and the system of permanent magnets of the generator is mounted on the turbine blades, the generator windings are enclosed into the casing to which the air cooling system is connected.

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.The proposed technical solution has novelty, inventive step and industrial applicability, as evidenced by patent research. To implement the invention, it is sufficient to use the known components and parts previously developed and implemented in the design of gas turbine engines and in mechanical engineering.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…3, где:The invention is illustrated in figure 1 ... 3, where:

на фиг.1 приведена схема турбовинтового газотурбинного двигателя,figure 1 shows a diagram of a turboprop gas turbine engine,

на фиг.2 приведена схема охлаждения обмоток электрогенератора и электродвигателя,figure 2 shows the cooling circuit of the windings of the generator and electric motor,

на фиг.3 приведена схема электродвигателя.figure 3 shows a diagram of an electric motor.

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.The proposed technical solution (Fig. 1) comprises a turbine generator 1 comprising a compressor 2, a combustion chamber 3 and a turbine 4, and an exhaust device 5. The gas turbine engine contains two electric machines, an electric motor 6 installed in front of the compressor 2, and an electric generator 7 built into the turbine 4. The turbine 4 shaft 8 is connected to the shaft 9 of the compressor 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.The turboprop gas turbine engine contains a fuel supply system with a low pressure fuel pipe 10 connected to the inlet of the fuel pump 11 having a drive 12, a high pressure fuel pipe 13, the input of which is connected to the fuel pump 11, and the output is connected to the annular manifold 14, the annular manifold 14 is connected to nozzles 15 of the combustion chamber 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.The compressor 2 includes a stator 16 and a rotor 17 with the shaft of the compressor 9. In addition, the compressor 2 contains guide vanes 18 and rotor blades 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).The turbine 3 includes a stator 20 and a rotor 21. In addition, the turbine 4 contains nozzle apparatuses of the turbine 22 and rotor blades of the turbine 23 (the number of stages of the turbine can be from one to several).

Далее находятся опора турбины 24 и выхлопное устройство 5.Next are the support of the turbine 24 and the exhaust device 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.The engine has two electric machines, namely, an electric motor 6 installed in front of the compressor 2, and an electric generator 7 combined (built-in) with the turbine 4. The electric motor 6 is connected by a shaft 25 to the propeller 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.The generator 7 includes stator windings 27 mounted on the stator 20, and a permanent magnet system 28 mounted on the blades 23. The electric motor 6 is connected to the generator 7 by a power cable 29 through an electronic controller 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.The stator windings 27 are enclosed in a casing 31. A cooling system 33 with a valve 34 is connected to the inner cavity 32 of the casing 31. The electric motor 6 (Fig. 3) can be of any design. For example, figure 3 shows one of the possible versions of the electric motor 6, which contains a stator 35 and a rotor 36 with permanent magnets 37. On the stator 35 placed the excitation windings of the electric motor 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.During operation of the gas turbine engine, it is started by supplying electric power to the starter from an external energy source (not shown in FIGS. 1 ... 3). Then, the drive of the fuel pump 12 is turned on, and the fuel pump 11 delivers the fuel to the combustion chamber 3, where it is ignited using an electric fuse (in FIGS. 1 ... 3, an electric fuse is not shown). The turbine 4 spins up, and the electric generator 7 generates an electric current, which is supplied to the electric motor 6 through the power cable 29 through the electronic regulator 30. The electric motor 6 subsequently drives the propeller 26, and the external current source is switched off. The traction force of the propeller 26 is transmitted to the stator 16 of the compressor 2.

Применение изобретения позволило:The application of the invention allowed:

1) повысить мощность электрических машин: электрогенератора и электродвигателя, за счет их размещения на максимально возможном диаметре;1) increase the power of electric machines: an electric generator and an electric motor, due to their placement at the maximum possible diameter;

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;2) to increase the efficiency of a gas turbine engine due to a more rational engine layout, the presence of a screw giving additional traction, the absence of a rigid kinematic connection between the compressor and the turbine and between the compressor and the propeller. This allowed us to design the optimal compressor, propeller and turbine, for example, at different operating speeds and optimally coordinate their joint work;

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;3) to improve the reliability of the power plant due to the rejection of the shaft connecting the compressor and the turbine, the rejection of the gearbox between the compressor and the propeller, which is necessary to reduce the rotor speed of the propeller to optimal values and to place the coils of electric machines outside the engine;

4) обеспечить запуск газотурбинного двигателя и питание электроэнергией очень энергоемких потребителей. Облегчить запуск за счет раскрутки только ротора компрессора с турбиной;4) to ensure the start of the gas turbine engine and power supply to very energy-intensive consumers. Facilitate starting by promoting only the compressor rotor with the turbine;

5) облегчить условия работы винта за счет нежесткой связи с валом турбокомпрессора и возможности их взаимного проскальзывания и рассогласования оборотов ротора компрессора и винта;5) to facilitate the working conditions of the screw due to the non-rigid connection with the turbocompressor shaft and the possibility of their mutual slipping and mismatch of the rotor speed of the compressor rotor and screw;

6) уменьшить вес и габариты двигателя.6) reduce the weight and dimensions of the engine.

Claims

A turboprop gas turbine engine containing a turbocompressor with a compressor, a combustion chamber, the outlet of which is connected by a gas path to the turbine, while an electric generator is built into the turbine, characterized in that an electric motor is installed in front of the compressor, which is connected by a shaft with a propeller, the generator windings are mounted on the turbine stator and the system of permanent magnets of the generator is mounted on the working blades of the turbine, the windings of the generator are enclosed in a casing to which the air system is connected ear cooling.