ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР Российский патент 1996 года по МПК F04D19/00 

Изобретение относится к энергетике, а именно к газотурбинным электростанциям (ГТЭС), предназначенным для питания технологического оборудования, электрофизической аппаратуры, и к стартер-генератору авиационного или судового газотурбинного двигателя, который при запуске работает как стартер, а при работе двигателя используется как генератор переменного тока.

Известен осевой многоступенчатый компрессор преимущественно газотурбинного двигателя, в корпусе которого размещены на установленном в подшипниках валу диски первого и второго роторов, рабочие лопатки последнего из которого расположены между первой и последней ступенями первого ротора. На валу компрессора установлена электрическая машина со статорной обмоткой возбуждения и токосъемными устройствами, выполненными в виде контактирующих с крайними дисками второго ротора электрощеток с щеткодержателями. Вал снабжен изолирующей втулкой, второй ротор установлен на втулке, между рабочими лопатками расположены токопроводящие направляющие лопатки с внутренним кольцом, имеющим равномерно расположенные по окружности прямоугольные пазы для размещения щеткодержателей. Токосъемными устройствами может быть снабжен первый ротор [1]
Недостатками известного устройства являются: наличие электрических контактов, которые снижают надежность работы устройства и ресурс компрессора; на выходе электрической машины получают только постоянный ток, что снижает функциональные возможности устройства; для эксплуатации требуются существенные изменения конструкции штатного компрессора газотурбинного двигателя, а также сложность конструкции.

Наиболее близким к изобретению является двухконтурный газотурбинный двигатель (ГТД) у которого между компрессорами низкого и высокого давления расположен обод с направляющими лопатками, обеспечивающими силовую связь корпуса установки с компрессорной опорой, и который оснащен машиной переменного тока с радиально намагниченными магнитами на роторе, расположенной в цилиндрической полости под направляющими лопатками и жестко связанной с компрессором, причем питание статора обмоток электрической машины осуществляется через проводники, проходящие внутри направляющих лопаток компрессора высокого давления [2]
Данное устройство взято за прототип. Недостатками устройства-прототипа является сложность конструкции, малая мощность электрической машины, обусловленная ее малыми габаритами по сравнению с габаритами всего устройства.

В основе изобретения лежит задача упростить конструкцию и расширить функциональные возможности устройства.

Это решается за счет того, что в осевом компрессоре лопатки снабжены цилиндрическим бандажом, корпус выполнен в виде чередующихся в продольном направлении выступов с прямоугольными отверстиями и впадин, статор электрической машины имеет пакеты пластин с намотанными снаружи их обмотками, размещенные в прямоугольных отверстиях выступов. Это позволяет упростить конструкцию и создать электромеханический преобразователь для нового класса газотурбинных электростанций (ГТЭС) одноагрегатных (ГТЭС), где ГТД и электрический генератор совмещены в одном агрегате.

Бандаж выполнен из чередующихся в окружном направлении магнитомягких и немагнитных участков, диски на периферии имеют кольцевой магнитомягкий элемент, а лопатки выполнены в виде постоянных магнитов, радиально намагничены и примыкают своими наружными торцами к магнитомягким участкам бандажа, а внутренними торцами к кольцевому магнитомягкому элементу диска. При этом постоянные магниты тангенциально намагничены и установлены в промежутках между лопатками на немагнитных участках бандажа, а наружные торцы лопаток снабжены замками, расположенными в бандаже.

На фиг. 1 изображен общий вид компрессора ГТД, разрез; на фиг. 2 и 3 разрез А-А и Б-Б на фиг. 1 соответственно.

Штатный компрессор ГТД включает входную часть 1, осевой компрессор 2, опоры 3, корпус 4. Как показано на фиг. 1, ротор электромеханического преобразователя выполняет одновременно функции ротора лопаточной машины и ротора электрической машины.

В роторе с тангенциальным намагничиванием (фиг. 2) магниты 5 располагаются по радиусу и примыкают наружными торцами к немагнитным вставкам 6 наружного сварного цилиндра, содержащего также магнитомягкие участки 7 в межполюсных зонах. Примерный вид линий магнитной индукции для рабочего потока Ф и потока рассеяния Ф показан на фиг. 2 пунктирными линиями.

Такая конструкция особенно рациональна при использовании высокоэрцитивных магнитов на основе редкоземельных металлов типа SmCo₅, которые могут быть слабочувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи. Малая требуемая длина магнитов позволяет создавать компактные многополюсные конструкции роторов с тангенциальным намагничиванием для машин с повышенной частотой, что способствует снижению требуемого объема дорогостоящих магнитов. При использовании компрессора ГТД этот первичный источник дает на выходе ток высокой частоты, расширяя тем самым функциональные возможности устройства. Поэтому для получения тока промышленной частоты необходим источник вторичного электропитания с преобразователем частоты. При этом рекомендуется определять оптимальное число пар полюсов из условия минимума суммарной стоимости постоянных магнитов и преобразователя частоты.

Важная особенность конструкции с тангенциальным намагничиванием возможность получения с ее помощью рабочих индукций в зазоре B , превышающих индукцию B_m в магните. Поэтому в ряде случаев якорь для рассматриваемого ротора может выполняться беспазовым.

Ротор с радиальным намагничиванием (фиг. 3) содержит расположенные радиально постоянные магниты-лопатки 8, которые намагничены по радиусу и примыкают внутренними торцами к магнитомягкой втулке 9, а наружными торцами (концы типа "ласточкин хвост") к магнитомягким участкам 10 наружного сварного цилиндра, содержащего вставки 11 из немагнитного материала. В участках 10, выполняющих роль полюсных наконечников, может размещаться депьерная (успокоительная) обмотка 12, выполняющая несколько функций. Обмотка улучшает защиту магнита от нестационарных размагничивающих воздействий, предотвращает колебания ротора по отношению к синхронно вращающемуся полю якоря и гасит встречно вращающиеся составляющие поля (например, составлящие поля от высших гармоник МДС якоря и др.). С помощью обмотки обеспечивается асинхронный пуск машины в двигательном режиме.

В конструкциях, показанных на фиг. 2 и 3, наружный сварной цилиндр обеспечивает высокие окружные скорости ротора, а магнитомягкие полюсные элементы хорошую защиту от внешних размагничивающих воздействий. Дополнительная экранизация магнитов может быть обеспечена изоляцией их от воздуха немагнитными элементами 13 (фиг. 2).

Недостатком конструкции ротора со сварным наружным цилиндром являются значительные поверхностные потери от зубцовых гармоник поля, наводящих в цилиндре большие вихревые токи, отсутствующие при беспазовой конструкции якоря.

Вместо сварного цилиндра на фиг. 2 и 3 может применяться сплошная оболочка бандаж из прочного немагнитного материала, например титана. Перспективно также изготовление неоднородного бандажа и постоянных магнитов методом порошковой металлургии.

Статор предлагаемого компрессора отличается от статора штатного компрессора ГТД тем, что имеет форму сильфона для размещения в прямоугольных пазах выступающих кольцевых поясов шихтованного цилиндрического магнитопровода 14 с якорной обмоткой 15 (фиг. 1).

Компрессор в составе ГТД работает следующим образом.

Для запуска машины необходим источник электроэнергии: автономный или стационарный. Магнитный поток создается постоянными магнитами. При включении источника электроэнергии магнитоэлектрическая машина работает в двигательном режиме и раскручивает ротор ГТД до оборотов малого газа. После этого включается камера сгорания и ГТД самостоятельно выходит на рабочие обороты, а электрическая машина переводится в генераторный режим работы.

Предлагаемая конструкция осевого компрессора представляет собой новый класс компрессоров с точки зрения компоновки и выходных электрических параметров. Это одно из главных достоинств компрессора по сравнению с прототипом.

Более того данное техническое решение представляет собой новое научно-техническое направление в энергомашиностроении, так как предложен электромеханический преобразователь для нового класса ГТЭС одноагрегатных ГТЭС, где ГТД и электрический генератор совмещены в одном агрегате.

Использование: в компрессоростроении, а именно в газотурбинных электростанциях (ГТЭС), предназначенных для питания технологического оборудования, электрофизической аппаратуры и т. п. Сущность изобретения: лопатки снабжены цилиндрическим бандажом, корпус выполнен в виде чередующихся в продольном направлении выступов с прямоугольными отверстиями и впадин, статор электрической машины имеет пакеты пластин с намотанными снаружи их обмотками, размещенные в прямоугоных отверстиях выступов. Бандаж выполнен из чередующихся в окружном направлении магнитомягких и немагнитных участков, диски на периферии имеют кольцевой магнитомягкий элемент, а лопатки выполнены в виде постоянных магнитов, радиально намагничены и примыкают своими наружными торцами к магнитомягким участкам бандажа, а внутренними - к кольцевому магнитомягкому элементу диска. Постоянные магниты тангенциально намагничены и установлены в промежутках лопатками на немагнитных участках бандажа, а наружные торцы лопаток снабжены замками, расположенными в бандаже. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР преимущественно газотурбинного двигателя, содержащий корпус и установленные в нем диски ротора с лопатками и электрическую машину, имеющие ротор, постоянные магниты которого расположены на роторе компрессора, и статор со статорной обмоткой, отличающийся тем, что лопатки снабжены цилиндрическим бандажом, корпус выполнен в виде чередующихся в продольном направлении выступов с прямоугольными отверстиями и впадин, статор электрической машины имеет пакеты пластин с намотанной снаружи их статорными обмотками, размещенные в прямоугольных отверстиях выступов. 2. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что бандаж выполнен из чередующихся в окружном направлении магнитомягких и немагнитных участков, диски на периферии имеют кольцевой магнитомягкий элемент, а лопатки выполнены в виде постоянных магнитов, радиально намагничены и примыкают своими наружными торцами к магнитомягким участкам бандажа, а внутренними торцами к кольцевому магнитомягкому элементу диска. 3. Компрессор по п.1, отличающийся тем, что постоянные магниты тангенциально намагничены и установлены в промежутках между лопатками на немагнитных участках бандажа, а наружные торцы лопаток снабжены замками, расположенными в бандаже.