Газотурбинный двигатель

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам автономного электроснабжения и запуска газотурбинных двигателей. Газотурбинный двигатель содержит, по меньшей мере, один ротор турбокомпрессора, установленный в подшипниковых опорах, и, по меньшей мере, одну встроенную в турбокомпрессор электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и статор электрической машины с обмоткой, установленный на корпусе подшипниковой опоры. Статор электрической машины укреплен на наружной поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессор. Система постоянных магнитов электрической машины установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора таким образом, что данная система охватывает наружную поверхность статора электрической машины. Изобретение позволяет увеличить мощность встроенной электрической машины в первоначальных габаритах газотурбинного двигателя. 1 ил.

 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам автономного электроснабжения и запуска газотурбинных двигателей (ГТД).

Известна конструкция ГТД авиационного назначения (Иностранные авиационные двигатели, 2000: Справочник. М, Изд. дом “Авиамир”, 2000, стр.106), содержащая статор, роторы, опоры роторов, устройство с зубчатым приводом (коробку приводов) для передачи механической мощности от одного из роторов для привода агрегатов ГТД. На коробке приводов, помимо прочих агрегатов, в частности, установлено пусковое устройство двигателя (стартер) и электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для обслуживания вспомогательных систем двигателя и нужд самолета.

Недостатком известного технического решения является конструктивная сложность, значительная трудоемкость изготовления, большая масса и габариты зубчатого привода. Кроме этого, следует отметить неизбежные потери мощности в его узлах трения и необходимость обеспечения подачи масла для смазки данных узлов.

Известна также конструкция газотурбинного двигателя ТРДД-50, разработанного АО “Омское моторостроительное конструкторское бюро” (“Двигатели 1944-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные”. - М.: ООО “АКС - Конверсалт”, 2000).

В этой конструкции ГТД для запуска и выработки на рабочем режиме электроэнергии применена электрическая машина обратимого действия, совмещающая функции пускового устройства и генератора электрического тока (стартер-генератор). Электрическая машина размещена непосредственно в масляной полости опоры ротора ГТД. При этом постоянные магниты, входящие в состав электрической машины, расположены на поверхности вала ротора, а статор с обмотками, охватывающий систему постоянных магнитов, закреплен на внутренней поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора ГТД.

В приведенной конструкции отсутствует необходимость в механическом зубчатом приводе от ротора ГТД к электрической машине, что существенно упрощает конструкцию двигателя и уменьшает его массу. При этом привод остальных агрегатов ГТД осуществляется при помощи электродвигателей.

Недостатком конструкции является малая мощность электрической машины, что связано с ограничением ее размеров габаритами компактной конструкции масляной полости опоры ротора ГТД, в которой она установлена. Кроме того, мощность машины ограничивает способ крепления системы постоянных магнитов на наружной поверхности вала ротора. Материал магнитов, представляющий собой магнитотвердый спеченный материал, кроме приклеивания не допускает иного более прочного способа неразъемного соединения (сварки, пайки и др.). Значительные центробежные нагрузки, действующие на указанные магниты, требуют использования бандажа (как правило, из композитного материала) для дополнительного закрепления этих элементов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения - увеличение мощности встроенной электрической машины в первоначальных габаритах ГТД.

Указанный технический результат достигается тем, что в газотурбинном двигателе, содержащем по меньшей мере один ротор турбокомпрессора, установленный в подшипниковых опорах, и по меньшей мере, одну встроенную в турбокомпрессор электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и установленный на корпусе подшипниковой опоре статор электрической машины с обмоткой, в соответствии с изобретением, статор электрической машины укреплен на наружной поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессора.

При этом система постоянных магнитов электрической машины может быть установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора таким образом, чтобы данная система охватывала наружную поверхность статора электрической машины.

Изобретение поясняется чертежом, где показано размещение основных узлов электрической машины, встроенной в конструкцию газотурбинного двигателя.

В приведенном примере газотурбинный двигатель (см. чертеж) содержит турбокомпрессор (показана лишь часть компрессора в месте расположения встроенной электрической машины), имеющий полый ротор 1. Вал 2 ротора 1 установлен в подшипниковой опоре 3. На наружной поверхности корпуса 4 подшипниковой опоры 3 (вне масляной полости 5) установлен статор 6 электрической машины с обмотками. Крепление статора 6 можно осуществить, например, с помощью болтового или другого разъемного соединения. Система 7 постоянных магнитов электрической машины представляет собой набор магнитных элементов, зафиксированных во втулке, например, при помощи клея. В приведенном примере система 7 постоянных магнитов установлена на внутренней поверхности ротора 1 посредством разъемного соединения таким образом, что внутренняя поверхность системы 7 постоянных магнитов с необходимым минимальным свободным зазором охватывает наружную поверхность статора 6 электрической машины.

Так как электрическая машина установлена вне масляной полости опорного подшипника, а объем внутренней полости ротора заведомо больше масляной полости, то и располагаемый объем для размещения машины больше. Это позволяет установить электрическую машину большей мощности.

Встроенная электрическая машина на постоянных магнитах является машиной обратимого действия и может совмещать функции пускового устройства и генератора электрического тока.

Работа устройства осуществляется следующим образом. На режиме запуска газотурбинного двигателя в обмотку статора 6 электрической машины от постороннего источника, например аккумулятора, через преобразователь переменной частоты (на чертеже не показаны) подается электрическое напряжение. В результате взаимодействия магнитных полей обмотки статора 6 и системы 7 постоянных магнитов последняя, будучи жестко связана с ротором 1 двигателя, приводит его во вращение. После запуска и выхода ротора 1 газотурбинного двигателя на заданную частоту вращения автоматическая система управления переключает электрическую машину в генераторный режим. Магнитное поле системы 7 постоянных магнитов индуцирует в обмотке статора 6 электрическое напряжение. Возникающий при этом ток подается в электрическую сеть стационарной установки или транспортного средства через традиционно применяемый в подобных схемах электропитания преобразователь-регулятор (на чертеже не показан).

Следует отметить, что в том случае, когда вращающаяся система магнитов электрической машины установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, действующие в процессе работы на постоянные магниты системы 7 центробежные усилия направлены в сторону опорной поверхности ротора 1 турбокомпрессора, прижимая к ней магниты. Очевидно, что в такой компоновке технология крепления не накладывает ограничения на величину центробежных сил и в результате позволяет дополнительно увеличивать мощность электрической машины за счет выполнения ее большего диаметра и использования более высокой частоты вращения ротора. Кроме того, исключение бандажа, удерживающего постоянные магниты (в случае крепления их на валу ротора), упрощает конструкцию электрической машины.

Указанное техническое решение может быть также использовано в конструкции многовального ГТД. При этом электрические машины могут быть аналогичным образом размещены в полости каждого ротора.

Технический результат может быть достигнут как для ГТД транспортного средства, так и для ГТД стационарного применения.

Газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один ротор турбокомпрессора, установленный в подшипниковых опорах, и, по меньшей мере, одну встроенную в турбокомпрессор электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и статор электрической машины с обмоткой, установленный на корпусе подшипниковой опоры, отличающийся тем, что статор электрической машины укреплен на наружной поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессора, а система постоянных магнитов электрической машины установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора таким образом, что данная система охватывает наружную поверхность статора электрической машины.