Турбомашина с встроенным пускателем-генератором (варианты) - RU2321755C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к авиационной турбомашине, более конкретно, к турбомашине, содержащей генератор электрического тока, встроенный коаксиально оси турбомашины.

Уровень техники

В обычном двигателе дополнительный корпус вспомогательного оборудования, внутри которого находятся топливные насосы, насосы для смазки подшипников, гидравлические насосы для управления различными органами, электрогенератор и пусковое устройство, размещают снаружи за пределами двигателя, и в него подается мощность от двигателя с помощью вертикального вала и передачи между валами с пересекающимися осями.

По мере развития данной области техники повышение степени сжатия, температур на входе турбины, а также улучшение материалов и повышение кпд ведут к постоянному уменьшению габаритов двигателей для достижения все более высокого соотношения между их тягой и весом как для гражданского, так и для военного использования.

В то же время совершенствование трансмиссии отбора мощности и корпуса вспомогательного оборудования происходило с большим отставанием; они все еще составляют значительную часть общей массы двигателей, особенно в случае двигателей малой тяги, имеющих соответственно малые габариты. В особенности это относится к тем случаям, когда дополнительный корпус вспомогательного оборудования, обычно размещенный под двигателем или на нем, а иногда и рядом с двигателем, несет раздельные пневматическое пусковое устройство или пускатель и генератор переменного тока.

Использование более простых и дешевых малых двигателей на учебных самолетах, а также на аппаратах-разведчиках и крылатых ракетах заставляет специалистов по двигателям уделять приоритетное внимание требованию скрытности. Она может быть достигнута путем резкого уменьшения лобовой поверхности, что дополнительно дает преимущество в снижении лобового сопротивления и позволяет повысить автономность или дальность полета летательных, в том числе беспилотных аппаратов, оснащенных этими двигателями. Таким образом, в целях уменьшения массы и лобовой поверхности двигателей желательно предусмотреть объединение в двигателе электрического генератора с пускателем и за счет этого устранить использование механических связей, заменив их электрической передачей между двигателем и вспомогательным оборудованием.

В самолетах большой грузоподъемности с электрическими или электрогидравлическими системами управления полетом, которые используются все в большем объеме, а также в оснащенных радарами самолетах дальнего обнаружения и электронного наблюдения потребность в электроэнергии весьма значительна. Двигатели этих самолетов оснащены резервными или вспомогательными генераторами, что увеличивает габариты дополнительных корпусов и их массу. Таким образом, представляет интерес решение, которое позволило бы встроить вспомогательный генератор и тем более пускатель-генератор в двигатель, а именно двигатель с высокой степенью двухконтурности, для уменьшения размеров и массы передачи между валами с пересекающимися осями вплоть до полного устранения этой передачи, а также для уменьшения поперечных размеров гондолы двигателя за счет размещения в пилоне некоторых частей электропривода.

Уровень техники в рассматриваемой области иллюстрируется, например, патентными документами США №№3859785, 5867979, 3264482 и Великобритании №1147730.

Решение по патенту США №3859785 относится к турбомашине с одним турбокомпрессором, в которой оснащенный постоянными магнитами колокол образует ротор генератора и служит гайкой для переднего подшипника вала компрессора. Этот колокол расположен во входном воздушном конусе компрессора. Недостаток данного решения заключается в том, что размеры генератора тока ограничены из-за небольших диаметров вала и входного конуса. Известный генератор должен вращаться с высокими скоростями, чтобы развить значительную мощность в таких стесненных условиях.

Решение по патенту США №5867979 относится к турбомашине с высокой степенью двухконтурности, содержащей три турбокомпрессора. На фиг.1 этого патента показан основной генератор тока, расположенный коаксиально в заднем конусе турбины низкого давления, то есть в горячей зоне, и вспомогательные генераторы, которые расположены в корпусе двигателя и приводятся во вращение с помощью передач между валами с пересекающимися осями и поперечными валами. Эти вспомогательные генераторы получают мощность соответственно от вала турбокомпрессора высокого давления и вала турбокомпрессора промежуточного давления. В данном документе описан также второй пример выполнения, показанный на фиг.2 и 3, в котором передний и задний подшипники валов являются подшипниками электромагнитного типа и интегрированы с электрогенераторами. За счет того, что эти интегрированные с подшипниками генераторы установлены на валах, они имеют ограниченные размеры и должны вращаться с высокими скоростями, чтобы развить значительную мощность в таких стесненных условиях. Кроме того, эти интегрированные генераторы на задних подшипниках находятся в горячих зонах.

В патенте США №3264482 показана двухконтурная турбомашина с двумя турбокомпрессорами, которая содержит пускатель-генератор, встроенный между неподвижным диском и опорным подшипником ротора компрессора на валу привода вентилятора.

Индуктор смонтирован на периферии диска ротора, охватывая втулку, предусмотренную перед ротором компрессора, и поддерживает ее посредством подшипника между валами, а якорь установлен внутри корпуса двигателя. Диск ротора пускателя-генератора имеет большие размеры и значительно увеличивает общую массу.

В патентном документе Великобритании №1147730 представлено известное решение, наиболее близкое к настоящему изобретению. На фиг.3 этого документа показан электрический пускатель, индуктор которого установлен в расточке лопаточного диска 32 ротора компрессора и окружает якорь, жестко соединенный со статором компрессора без значительного увеличения массы. Этот пускатель может использоваться также в качестве электрогенератора.

Раскрытие изобретения

С учетом рассмотренного уровня техники задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании турбомашины, содержащей, по меньшей мере, один встроенный генератор электрического тока, который может развивать значительную мощность на низкой скорости.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет того, что генератор встроен в холодной зоне, которая имеет диаметр намного больше диаметра вала или подшипниковой опоры вала данной турбомашины, и в той зоне, которая позволяет обеспечить большую осевую протяженность воздушного зазора.

Таким образом, изобретение относится к турбомашине, содержащей камеру сгорания и турбокомпрессор высокого давления. Данный турбокомпрессор содержит расположенный перед камерой сгорания осевой компрессор с осью X, предназначенный для подачи воздуха в камеру сгорания, и расположенную за камерой сгорания турбину для приема горячих газов от камеры сгорания и приведения во вращение ротора указанного компрессора. В свою очередь, осевой компрессор содержит ступени сжатия, у каждой из которых имеются венец неподвижных лопаток, жестко соединенных с корпусом, и венец рабочих лопаток, которые расположены радиально на периферии диска указанного ротора. Турбомашина по изобретению дополнительно содержит генератор электрического тока, коаксиальный турбокомпрессору, снабженный индуктором, который соединен с ротором для совместного вращения, и якорем, который жестко соединен с указанным корпусом. При этом индуктор установлен в расточке, по меньшей мере, одного диска осевого компрессора и охватывает якорь, а генератор выполнен с возможностью функционирования в качестве пускателя турбомашины по изобретению.

Согласно первому варианту осуществления изобретения турбомашина характеризуется тем, что осевой компрессор содержит, по меньшей мере, один диск, несущий рабочие лопатки с большой длиной хорды профиля, а индуктор установлен в расточке этого диска.

Согласно второму варианту осуществления изобретения индуктор установлен в расточках дисков двух последовательных ступеней осевого компрессора.

За счет этого увеличена осевая протяженность воздушного зазора.

Это решение применимо как в турбомашинах с одним турбокомпрессором, так и в турбомашинах с двумя или тремя турбокомпрессорами.

Для турбомашины, имеющей единственный турбокомпрессор с входным корпусом, генератор встраивается перед осевым компрессором, то есть в расточку диска, ближайшего к входному корпусу, который несет якорь, т.е. диска первой ступени осевого компрессора, предпочтительно в расточку моноблочного лопаточного диска.

Для турбомашины, имеющей единственный турбокомпрессор без входного корпуса, генератор встраивается за осевым компрессором, то есть в расточки дисков, ближайших к промежуточному корпусу, который несет якорь.

Для турбомашины с двумя или тремя турбокомпрессорами генератор всегда встраивается перед компрессором высокого давления, то есть в расточку диска или в расточки дисков, ближайших к промежуточному турбокомпрессору, предпочтительно в расточки моноблочных лопаточных дисков или кольцевых венцов.

Изобретение применимо и к турбомашине с двумя турбокомпрессорами, которая дополнительно содержит турбокомпрессор низкого давления, включающий компрессор низкого давления, расположенный перед турбокомпрессором высокого давления, и турбину низкого давления, расположенную за турбокомпрессором высокого давления и предназначенную для приведения во вращение ротора компрессора низкого давления, компрессор низкого давления, содержащий ступени сжатия, у каждой из которых имеется венец неподвижных лопаток и венец рабочих лопаток, которые расположены радиально на периферии диска соответствующего ротора. В данном варианте целесообразно дополнительно оснастить турбомашину по изобретению вспомогательным генератором, индуктор которого установлен в расточке, по меньшей мере, одного диска компрессора низкого давления.

В любом варианте выполнения турбомашины по изобретению якорь соответствующего генератора предпочтительно расположен по периферии цилиндрической обечайки, которая предусмотрена на опорной конструкции подшипника соответствующего компрессора и имеет диаметр больше диаметра наружной обоймы подшипника данного компрессора.

В вариантах, дополнительно содержащих вспомогательный генератор, его якорь предпочтительно расположен по периферии цилиндрической обечайки, которая предусмотрена на опорной конструкции подшипника компрессора низкого давления и имеет диаметр больше диаметра наружной обоймы подшипника данного компрессора.

Решения по изобретению позволяют создать авиационную турбомашину (газотурбинный двигатель), в которой вспомогательное оборудование приводится в действие электродвигателями, питаемыми током от генераторов тока, и за счет этого устранить механические связи и передачи между валами с пересекающимися осями, сделать двигатель более легким и уменьшить поперечные размеры гондолы двигателя в случае турбореактивного двигателя с высокой степенью двухконтурности.

Представляет большой интерес также снижение массы дополнительного корпуса с вспомогательным оборудованием на мощных двигателях, так как это позволяет уменьшить вертикальные нагрузки в случае сильного дисбаланса из-за потери лопасти вентилятора и получить более разгруженный промежуточный корпус.

Краткое описание чертежей

Примеры осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны далее со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает на виде в разрезе переднюю часть турбомашины с единственным турбокомпрессором с входным корпусом и показывает размещение встроенного пускателя-генератора в турбомашине по изобретению,

фиг.2 подобна фиг.1 и изображает размещение встроенного пускателя-генератора в турбомашине по изобретению с единственным турбокомпрессором без входного корпуса,

фиг.3 схематично изображает на виде в разрезе двухконтурную турбомашину по изобретению с двумя турбокомпрессорами, в которой компрессор высокого давления оснащен пускателем-генератором, а компрессор низкого давления оснащен вспомогательным генератором, выполненным в соответствии с изобретением,

фиг.4 изображает генератор тока в разрезе в плоскости, перпендикулярной оси двигателя,

фиг.5 иллюстрирует пример расположения вспомогательного оборудования в «полностью электрифицированном» турбореактивном двигателе,

фиг.6 схематично изображает компрессор низкого давления, оснащенный вспомогательным генератором.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показана передняя часть турбомашины с единственным турбокомпрессором 1 с входным корпусом. Турбокомпрессор содержит осевой компрессор 2 с осью X, расположенный перед камерой сгорания, не показанной на чертеже. Ротор 3 осевого компрессора приводится во вращение ротором турбины, которая преобразует часть энергии горячих газов, исходящих от камеры сгорания, в работу по сжатию воздуха, поступающего в осевой компрессор 2 спереди. Этот сжатый воздух подается в камеру сгорания, в которой осуществляется подача и сжигание топлива. Другая часть энергии горячих газов, исходящих от камеры сгорания, служит для обеспечения тяги летательного аппарата, оснащенного данной турбомашиной.

Осевой компрессор 2 содержит несколько ступеней сжатия. Каждая ступень содержит венец 5 неподвижных лопаток 6, которые ориентированы радиально внутрь от наружного корпуса 7 двигателя, и венец 8 рабочих лопаток 9, расположенный за венцом 5 неподвижных лопаток 6. При этом рабочие лопатки 9 ориентированы радиально наружу от периферии диска 10, образующего конструктивный элемент ротора 3.

Первая ступень осевого компрессора 2, показанная на фиг.1, содержит неподвижные лопатки 6, которые образованы спереди конструктивными спицами 11 и сзади поворотными лопатками 12, угол установки которых для улучшения кпд турбомашины регулируется в зависимости от скорости вращения ротора 3. Конструктивные спицы 11 ориентированы радиально наружу от опорной конструкции 13 переднего подшипника 14 осевого компрессора 2. Рабочие лопатки 9 первой ступени являются лопатками с большой длиной хорды профиля, так что соответствующий диск 10 имеет большой размер по оси. Этот диск 10 связан со ступицей 15, на переднем конце которой установлен передний подшипник 14.

Согласно изобретению генератор 20 электрического тока с осью X, выполненный с возможностью функционирования в качестве пускателя турбомашины, т.е. как пускатель-генератор, установлен в кольцевом пространстве 21, которое ограничено ступицей 15, опорной конструкцией 13 подшипника 14 и диском 10 первой ступени осевого компрессора 2.

Индуктор 22 этого пускателя-генератора 20 установлен во внутренней расточке 23 диска 10 и охватывает якорь 24, который установлен на цилиндрической обечайке 35, жестко соединенной с опорной конструкцией 13 подшипника 14.

Как показано на фиг.4, полюса индуктора 22 образованы магнитами 25 из редкоземельных материалов, например из самария-кобальта, характеристики которых лишь незначительно снижаются при температуре до 300°С и которые служат источником постоянного магнитного поля. Эти магниты 25 равномерно распределены по внутренней поверхности цилиндрической втулки 26 из высокопрочного магнитного материала, например, мартенситностареющего, для образования индуктора пускателя-генератора 20. Эти постоянные магниты 25 высокой энергии слабо подвержены размагничиванию и не генерируют токов Фуко. Они не требуют принудительного охлаждения в среде перед компрессором 2. Между магнитами 25 приклеены блоки 27 из смолы или алюминия для заполнения межполюсных пространств и обеспечения связности индуктора 22. Тонкая прокладка 28 из немагнитного материала, вставленная с натягом и зафиксированная приклеиванием, обеспечивает удержание постоянных магнитов 25 в цилиндрической втулке 26 и защищает активные части индуктора 22 на уровне воздушного зазора пускателя-генератора 20.

Полностью укомплектованная цилиндрическая втулка 26 помещена в расточке 23 диска 10 первой ступени компрессора 2. Она зафиксирована для совместного вращения с диском с помощью зубцов или шлицов 29 и удерживается в осевом направлении упругим кольцом 30, установленным в канавке, выполненной в диске 10, как это показано на фиг.1. Цилиндрическая втулка 26 исполняет роль обода и позволяет обеспечить надлежащее сопряжение при монтаже и демонтаже индуктора 22 в расточке 23 диска 10.

Толщина цилиндрической втулки 26, необходимая для замыкания магнитного потока, должна быть достаточной для того, чтобы она могла одна воспринимать центробежные усилия, развиваемые постоянными магнитами 25 и немагнитной прокладкой 28, в процессе вращения ротора 3. Таким образом, цилиндрическая втулка 26 обеспечивает выполнение как механических, так и магнитных функций. При этом диск 10, на котором установлена цилиндрическая втулка 26, позволяет распределить тангенциальные напряжения в индукторе 22 и уменьшить радиальное удлинение, вызываемое этими напряжениями, для поддержания постоянного и небольшого воздушного зазора.

Таким образом, диск 10 осевого компрессора 2 имеет такие размеры, чтобы он мог выдерживать аэродинамические и центробежные нагрузки со стороны рабочих лопаток, а также усилия, создаваемые за счет присутствия индуктора 22 в расточке 23 диска.

Магнитный контур якоря 24 сформирован известным образом посредством комплекта листов из ферросилиция очень малой толщины, для ограничения циркуляции токов Фуко, и обмотками 31, намотанными вокруг созданных таким путем полюсов 32 якоря.

Якорь 24 установлен снаружи на цилиндрической обечайке 35, которая проходит в осевом направлении назад от опорной конструкции 13 подшипника 14. Цилиндрическая обечайка 35 имеет диаметр больше диаметра наружной обоймы подшипника 14. Такое выполнение облегчает обслуживание и демонтаж якоря 24. Опорная конструкция 13 и цилиндрическая обечайка 35 могут быть снабжены каналами и полостями 36 для циркуляции охлаждающей текучей среды, отводящей генерируемое тепло известным в данной области техники образом.

Электрическая энергия, создаваемая генератором 20, соответствует переменному току с повышенной и варьируемой частотой, зависящей от режима работы двигателя. При этом вся энергия или ее часть преобразуется в выпрямленный ток. Другая часть может быть использована непосредственно, без электронного интерфейса в электрической системе двигателя или летательного аппарата, оснащенного турбомашиной по изобретению. Генератор 20 подает электроэнергию в комплексную бортовую электрическую систему летательного аппарата и двигателя.

Соответственно отпадает необходимость в использовании щеток на коллекторе или кольце, что улучшает надежность и упрощает обслуживание. Легкие и надежные предохранители, расположенные снаружи двигателя, могут ограничивать генерируемую электрическую мощность в случае короткого замыкания обмоток 31, вызванного постоянными магнитами 25, для того, чтобы избежать повреждения электрической системы.

Допускается, чтобы преобразования напряжения и частоты осуществлялись за пределами двигателя в соответствующих электронных блоках.

На фиг.2 показана турбомашина с единственным турбокомпрессором другого типа без входного корпуса, в которой осевой компрессор 2 отделен от камеры сгорания 40 промежуточным корпусом 41. Этот промежуточный корпус продолжен вперед наружным корпусом 7 осевого компрессора 2, от которого радиально внутрь отходят три венца 5а, 5b, 5с неподвижных лопаток 6а, 6b, 6с. Ротор 3 компрессора 2 содержит три венца 8а, 8b, 8с рабочих лопаток 9а, 9b, 9с. В этом варианте выполнения венец рабочих лопаток каждой ступени расположен перед венцом неподвижных лопаток этой ступени.

Ротор 3 связан с турбиной, расположенной за камерой сгорания 40, валом 42 с осью X, который соединен с ротором 3 за первым венцом 8а рабочих лопаток 9а с помощью конусной ступицы 15. Передний конец вала 42 поддерживается подшипником 14, который, в свою очередь, поддерживается опорной конструкцией 13. Эта конструкция также выполнена конусной и связана с промежуточным корпусом 41. Рабочие лопатки 9а первой ступени имеют большую длину хорды профиля, в то время как рабочие лопатки 9b и 9с имеют намного меньшие осевые размеры и установлены на периферии двух соседних дисков 10а, 10b, расположенных в кольцевом пространстве 21, ограниченном ступицей 15 и ротором 3.

Пускатель-генератор 20, подобный описанному в варианте выполнения по фиг.1 и 4, содержит индуктор 22, расположенный во внутренних расточках двух соседних дисков 10а, 10b, и якорь 24, установленный на цилиндрической обечайке 35, жестко соединенной с опорной конструкцией 13 подшипника 14.

На фиг.3 показана передняя часть турбомашины в виде двухконтурного турбореактивного двигателя с двумя турбокомпрессорами. Он содержит последовательно расположенные вентилятор 50, приводимый во вращение валом 51 низкого давления с осью X, компрессор 52 низкого давления, приводимый во вращение тем же валом 51 низкого давления, промежуточный корпус 53 и осевой компрессор 2 высокого давления, приводимый во вращение валом высокого давления. Подшипник 14 встроен между опорной конструкцией 13, связанной с промежуточным корпусом 53, и передним концом вала высокого давления.

Пускатель-генератор 20 с осью Х установлен в кольцевом пространстве 21, которое ограничено опорной конструкцией 13, ротором осевого компрессора 2 высокого давления и ступицей 15, жестко соединенной с валом высокого давления.

Этот пускатель-генератор подобен описанному выше и не требует подробных пояснений.

Передний конец вала 51 низкого давления связан с рабочим колесом вентилятора 50 конусной обечайкой 15а и поддерживается передним подшипником 60, который, в свою очередь, поддерживается конусной опорной конструкцией 61, связанной с промежуточным корпусом 53. Ротор 62 компрессора 52 низкого давления связан с рабочим колесом вентилятора 50 и образован дисками 63, на периферии которых расположены венцы рабочих лопаток, находящихся между венцами неподвижных лопаток, жестко соединенными с передним корпусом 64.

Согласно изобретению вспомогательный или резервный генератор 65 с осью Х встроен в кольцевое пространство 66, ограниченное обечайкой 15а, ротором 62 и конусной опорной конструкцией 61. Этот вспомогательный генератор 65, подробно показанный на фиг.6, имеет конструкцию, подобную конструкции описанного выше пускателя-генератора 20. Его индуктор 22 установлен в расточке диска 63 компрессора 52 низкого давления, а его якорь 24 установлен на цилиндрической обечайке 67, жестко соединенной с конусной опорной конструкцией 61.

На фиг.5 показан описанный выше двухконтурный турбореактивный двигатель с двумя турбокомпрессорами, установленный под крылом 70 самолета. Топливный насос 71 низкого давления расположен в пилоне, а топливный насос 72 высокого давления установлен в корпусе двигателя. Эти два насоса 71 и 72 приводятся в действие электродвигателями, которые питаются током от пускателя-генератора 20 и, при необходимости, от вспомогательного генератора 65. Этот так называемый «полностью электрифицированный» турбореактивный двигатель уже не содержит ни промежуточных передач, ни дополнительного корпуса с вспомогательным оборудованием, расположенных в гондоле 73 двигателя. На фиг.5 сплошными линиями показана новая гондола 73 с уменьшенными поперечными размерами по сравнению с гондолой известного турбореактивного двигателя, которая изображена штрихпунктирными линиями.

Следует отметить, что установка пускателя-генератора 20 или вспомогательного генератора 65 в двигателе не требует использования дополнительных подшипников для опоры индукторов и якорей.

За счет того, что якорь расположен внутри индуктора, обеспечивается более высокий крутящий момент при работе в функции пускателя для того же имеющегося конструктивного пространства. При работе в функции генератора отдаваемая мощность выше для того же имеющегося конструктивного пространства и того же режима за счет более высокой окружной скорости постоянных магнитов и большего числа магнитных полюсов.

И, наконец, технология с использованием постоянных магнитов может быть заменена технологией с переменным магнитным сопротивлением, в которой сочетаются надежный ротор без обмотки и магнитов, в виде простого зубчатого индуктора, образующего полюса, имеющего большую мощность на единицу массы и хорошо выдерживающего высокие температуры.

Реферат

Турбомашина содержит камеру сгорания и турбокомпрессор высокого давления, который содержит расположенный перед камерой сгорания осевой компрессор, предназначенный для подачи воздуха в камеру сгорания. За камерой сгорания расположена турбина для приема горячих газов от камеры сгорания и приведения во вращение ротора осевого компрессора. Компрессор содержит ступени сжатия, у каждой из которых имеются венец неподвижных лопаток, жестко соединенных с корпусом, и венец рабочих лопаток, которые расположены радиально на периферии диска указанного ротора. Турбомашина дополнительно содержит генератор электрического тока, коаксиальный указанному турбокомпрессору и выполненный с возможностью функционирования в качестве пускателя турбомашины. Генератор электрического тока снабжен индуктором, установленным в расточке, по меньшей мере, одного диска осевого компрессора и охватывающим якорь. Осевой компрессор содержит, по меньшей мере, один диск, несущий рабочие лопатки с большой длиной хорды профиля, а индуктор установлен в расточке этого диска. Индуктор может быть установлен в расточках дисков двух последовательных ступеней осевого компрессора. Изобретение направлено на создание встроенного генератора электрического тока, который может развивать значительную мощность на низкой скорости. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула