Модульная электроприводная вспомогательная газотурбинная установка
Владельцы патента RU 2322598:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" (RU)
Модульная электроприводная вспомогательная газотурбинная установка состоит из модуля энергетического газотурбинного двигателя, модуля дополнительного электроприводного компрессора, модуля электронно-цифрового управляющего устройства. Модуль энергетического газотурбинного двигателя служит для выработки электрической энергии и содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, электрогенератор, приводимый во вращение турбиной. Модуль дополнительного электроприводного компрессора служит для выработки воздуха повышенного давления и содержит дополнительный компрессор, электрический двигатель, приводящий во вращение дополнительный компрессор. Модуль электронно-цифрового управляющего устройства служит для оптимального согласования режимов работы указанных выше модулей, соединенных между собой и с потребителями электроэнергии и воздуха повышенного давления и содержит блоки управления указанными модулями, блок оптимизации согласования режимов их работы, блок всережимного управления модулем электроприводной вспомогательной газотурбинной установкой, интегрированный с компьютером системы автоматического управления маршевыми двигателями и самолета. Модуль энергетического газотурбинного двигателя установлен, например, в хвостовой части фюзеляжа самолета. Модуль дополнительного электроприводного компрессора установлен, например, в местах расположения маршевых двигателей. Модуль электронно-цифрового управляющего устройства установлен с центральной системой автоматического управления маршевыми двигателями и самолетом. Модуль энергетического газотурбинного двигателя через модуль электронно-цифрового управляющего устройства соединен с модулем дополнительного электроприводного компрессора электрической сетью с двухсторонней связью. Изобретение позволяет расширить диапазон регулирования дополнительного компрессора и уменьшить потери мощности, идущей на выработку воздуха повышенного давления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к газотурбинным двигателям, а конкретно к авиационным вспомогательным газотурбинным установкам, предназначенным для выработки электрической энергии и воздуха повышенного давления, и направлено на существенное увеличение экономичности, эксплуатационной надежности, ремонтопригодности, быстрой адаптации к требованиям компоновки и размещения на борту самолета и обеспечение податливости к изменению закона регулирования.
Вспомогательные газотурбинные установки (ВГТУ) или вспомогательные газотурбинные силовые установки являются достаточно самостоятельным направлением авиационного двигателестроения.
Широкое распространение ВГТУ получили в качестве обязательного бортового оборудования самолета и в качестве наземного аэродромного оборудования.
Основное назначение ВГТУ заключается в выработки электроэнергии и получении воздуха повышенного давления.
Электроэнергия требуется для работы различных самолетных систем, обеспечения управлением режимами полета и питания радиолокационного оборудования. Воздух повышенного давления необходим для запуска маршевых газотурбинных двигателей на земле и в условиях полета на различных высотах, а также для питания системы кондиционирования и противообледенительной системы.
В конструкции современной вспомогательной газотурбинной установке имеется специальный приводной дополнительный компрессор, вырабатывающий воздух повышенного давления.
Наиболее близкими техническими решениями к заявляемому являются такие конструктивные решения вспомогательной газотурбинной установки, как одновальные и двухвальные ВГТУ.
Типичным представителем одновальной ВГТУ является ТА18-200 (ОАО «Аэросила», Россия, 2000 г., 3 л.), где дополнительный компрессор расположен на валу ротора газогенератора, при этом между дополнительным компрессором и турбиной газогенератора существует механическая связь. Газогенератор установки состоит из центробежного компрессора, противоточной камеры сгорания и двухступенчатой осевой турбины. Дополнительный центробежный компрессор имеет поворотные лопатки входного направляющего аппарата и кольцевой воздухосборный канал (улитку) на выходе из радиального диффузора. Кольцевой воздухосборный канал дополнительного компрессора соединен с воздушным трубопроводом самолета.
Дополнительный компрессор и компрессор газогенератора имеют общий кольцевой радиально-осевой воздухозаборник. За турбиной газогенератора расположено выходное сопло, к которому подсоединен патрубок трубопровода перепуска воздуха повышенного давления из воздухосборной улитки дополнительного компрессора. За дополнительным компрессором находится корпус коробки приводов со смонтированными на нем электрогенератором, двигательными и самолетными агрегатами, привод которых осуществляется выводным валом газогенератора.
На приведенной принципиальной схеме компоновки одновальной вспомогательной газотурбинной установки показано, что дополнительный компрессор, компрессор газогенератора и силовая турбина газогенератора имеют один общий вал. Этот же вал является приводом электрогенератора. Воздух к дополнительному компрессору и компрессору газогенератора подводится общим воздухозаборником. Воздух повышенного давления из компрессора газогенератора поступает в камеру сгорания, а высокотемпературный газ из камеры сгорания подается в силовую турбину газогенератора. Из турбины газ отводится в атмосферу через сопло. Воздух повышенного давления из дополнительного компрессора подается в самолетную воздушную систему. Выходная система дополнительного компрессора каналом перепуска воздуха повышенного давления соединена с выхлопным соплом газогенератора.
Типичными представителями двухвальной вспомогательной газотурбинной установки являются МС-2 (ОАО «Мотор Сич», Украина, 2000 г., 3 л.).
В двухвальных вспомогательных газотурбинных установках газогенератор и дополнительный компрессор имеют отдельные валы и отдельные турбины привода: силовую и свободную. Между свободной турбиной дополнительного компрессора и силовой турбиной газогенератора существует только газовая связь.
Газогенератор двухвальной вспомогательной установки, например, МС-2 (ОАО «Мотор Сич», Украина, 2003 г., 3 л.), состоит из центробежного компрессора, противоточной камеры сгорания, осевой ступени силовой турбины и осевой ступени свободной турбины. На валу свободной турбины расположен дополнительный центробежный компрессор, имеющий поворотные лопатки входного направляющего аппарата. Компрессоры газогенератора и дополнительный имеют общий воздухосборник. За свободной турбиной имеется выхлопное сопло, к которому подсоединен воздушный трубопровод перепуска воздуха повышенного давления из кольцевого воздухосборника дополнительного компрессора. За дополнительным компрессором находится корпус коробки приводов. На корпусе коробки приводов смонтированы электрогенератор, двигательные и самолетные агрегаты. Привод электрогенератора и агрегатов осуществляется свободной турбиной.
На принципиальной схеме двухвальной вспомогательной газотурбинной установки показано, что компрессор газогенератора и силовая турбина связаны валом. Воздух повышенного давления из компрессора подается в камеру сгорания, а высокотемпературный газ из камеры сгорания поступает в силовую турбину газогенератора. Из турбины газогенератора газ идет в свободную турбину, которая валом связана с дополнительным компрессором. Компрессоры газогенератора и дополнительный имеют общий воздухозаборник. Из свободной турбины газ через выходное сопло отводится в атмосферу. Из дополнительного компрессора воздух повышенного давления подается в самолетную воздушную систему. Каналом перепуска воздуха повышенного давления выходная система дополнительного компрессора соединяется с выхлопным соплом.
Вспомогательная газотурбинная установка является многорежимным двигателем, работающим в широком диапазоне изменения температуры воздуха на входе в воздухозаборник от -60°С до +60°С и на различных высотах полета. Особенностью ее работы является удовлетворение различных требований по выработке воздуха повышенного давления и электроэнергии в различном количественном соотношении. В установке регламентируются режимы работы с подачей максимального количества воздуха повышенного давления и режим максимального отбора мощности без подачи воздуха. Возможны также промежуточные режимы работы с уменьшенной подачей воздуха повышенного давления и частичным отбором мощности. На режиме работы установки, когда требуется максимальный отбор мощности, необходимо до минимального уровня сократить затраты мощности на привод дополнительного компрессора. Для этой цели в вспомогательных установках на входе в дополнительный компрессор применяются поворотные лопатки входного направляющего аппарата.
Уменьшение потребляемой компрессором мощности достигается снижением расхода воздуха через дополнительный компрессор прикрытием лопаток входного направляющего аппарата. Освобождаемая мощность турбины идет на увеличение отбора электрической мощности от установки.
Неиспользованный воздух повышенного давления из дополнительного компрессора через трубопровод перепуска подается в выхлопное сопло установки.
Недостатком данного способа уменьшения потребляемой дополнительным компрессором мощности (увеличения отбираемой мощности) является довольно высокий процент непроизводительных потерь мощности.
В качестве примера можно привести характеристики центробежного компрессора при различных углах установки поворотных лопаток ВНА, приведенные в работе «Осевые и центробежные компрессоры», Б.Эккерт, Машгиз, М., 1959 г., стр.641, фиг.412.
На максимальной частоте вращения при расчетном положении лопаток ВНА (β=100°) в оптимальной точке характеристики центробежный компрессор имеет степень повышения давления воздуха πк=4.35 при адиабатическом КПД ηад=0.8. С прикрытием лопаток ВНА на 75° (β=25°) степень повышения давления снижается до πк=2.5 при ηад=0.59. Приведенный расход воздуха при этом на максимальной частоте вращения уменьшается в 2.143 раза.
В соответствии с этими характеристиками в дополнительном компрессоре с ВНА вспомогательной газотурбинной установки непроизводительные расходы мощности составят ˜36% от номинала.
Неиспользованный воздух повышенного давления из дополнительного компрессора перепускается в выхлопную систему газогенератора, что в еще большей степени снижает экономичность установки.
Основным недостатком современных вспомогательных ГТУ является то, что на режиме максимального отбора мощности значительная часть располагаемой мощности от турбины газогенератора одновальной установки, или от свободной турбины двухвальной установки, вынуждено расходуется вхолостую.
В связи с этим остается актуальной задача разработки мероприятий уменьшения потерь мощности вспомогательной установки.
Однако недостаточно рассматривать экономику эксплуатации вспомогательной газотурбинной установки автономно, без связи с самолетными воздушными системами.
В сложившейся практике создания современного самолета очевидным недостатком является разделение ответственности между проектантами, создающими газотурбинную установку и воздушную систему самолета, транспортирующую воздух повышенного давления от дополнительного компрессора ВГТУ до потребителя, в частности маршевого двигателя самолета.
Большой недостаток применения ВГТУ связан с их расположением в заднем хвостовом отсеке фюзеляжа пассажирского регионального и магистрального самолетов.
На компоновочной схеме воздушной системы самолета вспомогательная ГТУ расположена в хвостовом отсеке фюзеляжа самолета. Воздушные трубопроводы проложены вдоль фюзеляжа к маршевым двигателям. Данная воздушная система громоздка, сложна в обслуживании и эксплуатации, недостаточно надежна и безопасна в силу возможной негерметичности. Воздушные трубопроводы, связывающие ВГТУ с маршевыми двигателями, проходят по всей длине фюзеляжа и части крыльев самолета, имеют большую протяженность и обладают большим гидравлическим сопротивлением.
Например, в типичном региональном самолете АН-148 потери давления воздуха в системе воздушных трубопроводов составляют ˜150 кПа. Для запуска маршевых двигателей требуется давление воздуха порядка 250 кПа и, следовательно, с учетом потерь давления в трубопроводах, дополнительный компрессор ВГТУ должен создавать давление воздуха ˜400 кПа, т.е. иметь степень повышения давления не менее πк=4.0.
Таким образом, до 40% мощности турбины, идущей на привод дополнительного компрессора, расходуется на проталкивание воздуха повышенного давления в системе трубопроводов. И если при коэффициенте полезного действия непосредственно дополнительного компрессора в системе современной ВГТД 80...81%, то с учетом потерь давления в воздушных трубопроводах самолета КПД воздушной системы в целом от входа в воздухозаборник дополнительного компрессора до входа в маршевый двигатель составит 45...50%.
В больших магистральных самолетах, например, типа ИЛ-96, Боинг В787 и Эрбас А380, длина воздушных трубопроводов возрастает, и потери давления в них увеличиваются.
Это обстоятельство является существенным комплексным недостатком разработанных и применяемых в настоящее время вспомогательных ГТУ.
Технической задачей заявляемой модульной электроприводной вспомогательной газотурбинной установки (МЭВГТУ) является решение проблемы уменьшения потерь мощности, идущей на выработку воздуха повышенного давления, расширения диапазона эффективного регулирования дополнительного компрессора, обеспечивающего оптимальное согласование производительности компрессора с потребностью маршевых двигателей и самолетных систем.
Технический результат достигается тем, что заявляемая модульная электроприводная вспомогательная газотурбинная установка (МЭВГТУ), содержащая газотурбинный двигатель, дополнительный компрессор, электрогенератор и электродвигатель, при этом она состоит из:
модуля энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД), служащего для выработки электрической энергии и содержащего компрессор, камеру сгорания, турбину, электрогенератор, приводимый во вращение турбиной,
модуля дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК), служащего для выработки воздуха повышенного давления и содержащего дополнительный компрессор, электрический двигатель, приводящий во вращение дополнительный компрессор,
модуля электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ), служащего для оптимального согласования режимов работы модуля энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) и модуля дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК), соединенных между собой и с потребителями электроэнергии и потребителями воздуха повышенного давления, и содержащего блок управления модулем дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК), блок управления модулем (МЭГТД), блок оптимизации согласования режимов работы МДЭК и МЭГТД, блок всережимного управления электроприводной вспомогательной газотурбинной установкой (ЭВГТУ), интегрированный с компьютером системы автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолета,
причем модуль энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) установлен, например, в хвостовой части фюзеляжа самолета, модуль дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) установлен, например, в местах расположения маршевых двигателей, а модуль электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) соединен и установлен с центральной системой автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолетом,
при этом модуль энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) через модуль электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) соединен с модулем дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) электрической сетью с двухсторонней связью.
При этом в модуле 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) блок 11 управления модулем 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) и блок 12 управления модулем 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) связаны двухсторонней электрической сетью между собой через блок, а блок 13 имеет двухстороннюю связь электрической сетью с блоком 14 всережимного управления заявляемой электроприводной вспомогательной газотурбинной установкой (ЭВГТУ), интегрированный с компьютером системы автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолета.
Предлагаемое техническое решение делает возможным обеспечение режимов работы дополнительного компрессора в широком диапазоне от подачи максимального количества воздуха повышенного давления до полного прекращения подачи воздуха.
На фиг.1 приведена принципиальная схема заявляемой электроприводной вспомогательной газотурбинной установки (ЭВГТУ), где показаны модуль 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД), модуль 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК), модуль 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) и электрическая сеть 4 с двухсторонней связью.
Модуль 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) содержит компрессор 5, камеру сгорания 6, турбину 7 и электрогенератор 8, приводимый во вращение турбиной 7. Выделенный в отдельный модуль 1 газотурбинный двигатель с электрогенератором является высокоэффективной энергетической установкой, функционально предназначенной только для выработки электроэнергии.
Модуль 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) содержит дополнительный компрессор 9 и электрический двигатель 10, приводящий во вращение дополнительный компрессор 9. Модуль 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) предназначен только для выработки воздуха повышенного давления.
Питание электрического двигателя 10 модуля 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) осуществляется от электрогенератора 8 модуля 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) через модуль 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ).
Модуль 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) установлен в электрической сети 4, связывающей модуль 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) и модуль 2 дополнительного компрессора (МЭДК) с системой автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолета.
На фиг.2 приведена принципиальная схема модуля 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ), состоящего из блока 11 управления модулем 2 дополнительного компрессора (МЭДК), блока 12 управления модулем 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД), блока 13 оптимизации согласования режимов работы МДЭК и МЭГТД и блока 14 интеграции заявляемой электроприводной вспомогательной газотурбинной установки (ЭВГТУ) и системой автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолета.
Модуль 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) предназначен для всережимного управления заявляемой электроприводной вспомогательной газотурбинной установкой (ЭВГТУ) от центральной системы автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолетом.
Блок 11 управления модулем 2 МДЭК регулирует расход воздуха повышенного давления для запуска маршевых двигателей, обеспечивая последовательность их запуска в многомоторном самолете, дозирует распределение воздуха повышенного давления между другими самолетными потребителями (система кондиционирования, антиобледенительная система и др.)
Блок 12 управления модулем 1 МЭГТД поддерживает и контролирует работу газотурбинного двигателя в соответствии с программными потребностями электроэнергии самолета, маршевых двигателей и накопителей электроэнергии (аккумуляторами).
Блок 13 оптимизации согласования режимов работы модуля 2 МДЭК и модуля 1 МЭГТД ответственен за наиболее экономичное использование электроэнергии, вырабатываемой электрогенератором 8 модуля 1 МЭГТД, и воздуха повышенного давления, вырабатываемого дополнительным компрессором модуля 2 МДЭК.
Блок 14 интеграции заявляемой вспомогательной электроприводной газотурбинной установки (ЭВГТУ), ее модулей 1, 2, 3 соответственно МЭГТД, МДЭК и МЭУУ связаны между собой и с центральным компьютером управления и контроля самолетом.
На фиг.3 схематично показано расположение МДЭК у каждого маршевого двигателя 15 самолета.
На фиг.4 схематично показано расположение МДЭК у одного из маршевых двигателей 15 самолета.
Заявляемое техническое решение разделения модульной электроприводной вспомогательной газотурбинной установки (ЭВГТУ) на отдельные модули с электрической сетью с двухсторонней связью между ними существенно изменяет архитектуру использования внутреннего объема самолета в результате замены воздушных трубопроводов электрическими сетями. При сохранении места расположения модуля 1 МЭГТД в хвостовом отсеке фюзеляжа самолета модуль 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) монтируется непосредственно рядом с потребителем воздуха повышенного давления, в первую очередь, маршевым двигателем самолета.
На фиг.3 приведена схема компоновки на самолете заявляемой модульной электроприводной вспомогательной газотурбинной установки (МЭВГТУ).
Модуль 1 энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД), расположенный в хвостовой части фюзеляжа самолета, электрической сетью 4 соединен с модулем 3 электронно-цифровым управляющим устройством (МЭУУ), который далее электрической сетью 4 соединен с модулем 2 дополнительным электроприводным компрессором (МДЭК).
Модуль 2 дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) расположен, например, рядом с маршевым двигателем, в мотоотсеке, в пилоне подвески двигателя или в крыловых отсеках. Такое месторасположение модуля 2 (МДЭК) позволит повысить эффективность антиобледенительной системы крыльев, применить воздушную систему улучшения аэродинамики обтекания крыльев при повышенных углах атаки и обтекания крыловых систем управления самолетом (вдув и отсос в зонах отрыва потока).
Модуль 3 электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) установлен и интегрирован с центральной системой автоматического управления (САУ) самолетом и маршевыми двигателями (на фиг. не показаны).
Предлагаемое техническое решение разделения заявляемой модульной электроприводной вспомогательной газотурбинной установки (МЭВГТУ) на отдельные модули с электрической связью изменяет организацию аэродромного обслуживания самолетов.
Модуль электроприводного дополнительного компрессора (МЭДК) представляет собой мобильный агрегат выработки воздуха повышенного давления для наземной прокрутки и запуска двигателей самолета, а также проверки герметичности салона самолета.
Модуль энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД) кроме самолета и аэродромного применения может быть использован для индивидуального электроснабжения, например, в клубном и коттеджном домостроении, в удаленной местности, на судах и армейских частях.
1. Модульная электроприводная вспомогательная газотурбинная установка (МЭВГТУ), содержащая газотурбинный двигатель, дополнительный компрессор, электрогенератор и электродвигатель, отличающаяся тем, что она состоит из модуля энергетического газотурбинного двигателя (МЭГТД), служащего для выработки электрической энергии, содержащего компрессор, камеру сгорания, турбину, электрогенератор, приводимый во вращение турбиной, модуля дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК), служащего для выработки воздуха повышенного давления, и содержащего дополнительный компрессор, электрический двигатель, приводящий во вращение дополнительный компрессор, модуля электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ), служащего для оптимального согласования режимов работы модулей МЭГТД и МДЭК между собой и с потребителями электроэнергии и воздуха повышенного давления, и содержащего блок управления модулем (МДЭК), блок управления модулем (МЭГТД), блок оптимизации согласования режимов работы МДЭК и МЭГТД, блок всережимного управления модулем электроприводной вспомогательной газотурбинной установкой (МЭВГТУ), интегрированный с компьютером системы автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолета, при этом модуль энергетического газотурбинного двигателя (МЭГД) установлен, например, в хвостовой части фюзеляжа самолета, модуль дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) установлен, например, в местах расположения маршевых двигателей, а модуль электронно-цифрового управляющего устройства установлен с центральной системой автоматического управления маршевыми двигателями и самолетом, причем модуль энергетического газотурбинного двигателя (МЭГД) через модуль электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ) соединен с модулем дополнительного электроприводного компрессора (МДЭК) электрической сетью с двухсторонней связью.
2. Модульная электроприводная вспомогательная газотурбинная установка (МЭВГТУ) по п.1, отличающаяся тем, что в модуле электронно-цифрового управляющего устройства (МЭУУ), блок управления модулем МЭГТД и блок управления модулем МДЭК связаны двухсторонней электрической сетью через блок оптимизации согласования режимов работы МДЭК м МЭГТД, который через блок всережимного управления электроприводной вспомогательной установкой ЭВГТУ) интегрирован с компьютером системы автоматического управления (САУ) маршевыми двигателями и самолета.
