ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В МАСЛЯНОЙ КАМЕРЕ Российский патент 2010 года по МПК G01M15/14 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей, оборудованных устройствами автоматического обнаружения ферромагнитных частиц в масляной камере. В частности, оно касается авиационного газотурбинного двигателя, электрический генератор которого состоит из якоря, жестко соединенного с одним из его статоров, и индуктора, жестко соединенного и вращающегося с одним из его роторов.

Предшествующий уровень техники

В области авиационных газотурбинных двигателей, как правило, используют приводы (например, силовые цилиндры), в большинстве своем являющиеся гидравлическими. Из соображений надежности, безопасности и экономии пространства все чаще гидравлические приводы заменяют электрическими.

Для этого в газотурбинном двигателе с электрическими приводами необходимо установить генератор электрического тока. Такой генератор позволяет одновременно питать электрическим током различное электрооборудование газотурбинного двигателя (насосы, силовые цилиндры и т.д.) и осуществлять запуск газотурбинного двигателя.

Чтобы иметь возможность использовать стойки (или поперечные балки) картера газотурбинного двигателя для прокладки электрических кабелей, такой генератор электрического тока, как правило, устанавливают в одной из масляных камер турбины высокого давления газотурбинного двигателя. Такая масляная камера предназначена для охлаждения и смазки подшипников опор между валами. Обычно генератор электрического тока содержит катушку (образующую якорь) и магниты (образующие индуктор), жестко соединенные соответственно со статором и с ротором турбины высокого давления газотурбинного двигателя.

Кроме того, как известно, масляные камеры газотурбинного двигателя оборудуют сигнализаторами износа подшипников промежуточных опор, находящихся в этих камерах. Как правило, такие сигнализаторы выполняют в виде наружных магнитных пробок. Эти пробки содержат магниты, которые улавливают внутри масляной камеры ферромагнитные частицы, появляющиеся в результате износа подшипников. Во время операций наземного обслуживания газотурбинного двигателя магнитные пробки снимают с двигателя и при помощи спектрографического анализа определяют происхождение и количество собранных частиц и на основании этих данных вычисляют степень износа опорных подшипников.

В случае, когда газотурбинный двигатель оборудован описанным выше генератором электрического тока, возникает проблема обнаружения износа опорных подшипников. Действительно, наличие магнитов, образующих индуктор генератора электрического тока, внутри масляной камеры приводит к ошибкам при определении износа опорных подшипников при помощи магнитных пробок.

В целом обнаружение износа опорных подшипников при помощи магнитных пробок оказывается сложной и неполной операцией. Указанная операция требует проведения спектрографического анализа, при этом проверка магнитных пробок может быть осуществлена только точечно (только во время операций наземного обслуживания газотурбинного двигателя). Поэтому иногда степень износа опорных подшипников определяют с запозданием, что может сказаться на безопасности работы газотурбинного двигателя.

Раскрытие изобретения

Таким образом, основной задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков путем разработки газотурбинного двигателя, в котором наличие генератора электрического тока не влияет на определение износа опорных подшипников.

Для решения поставленной задачи предложен газотурбинный двигатель, содержащий кольцевой ротор, центрированный по продольной оси газотурбинного двигателя, кольцевой статор, установленный коаксиально вокруг ротора, по меньшей мере, одну опору с подшипниками качения, установленную на роторе и поддерживающую упомянутый статор, при этом внутренний объем ротора частично образует масляную камеру, предназначенную для охлаждения и смазки подшипников опоры, и генератор электрического тока, якорь которого жестко соединен со статором, а индуктор жестко соединен и вращается с ротором, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство автоматического обнаружения ферромагнитных частиц в масляной камере, при этом упомянутое устройство обнаружения питается электрическим током за счет электромагнитной индукции.

Согласно отличительному признаку настоящего изобретения устройство обнаружения содержит пару электродов, находящихся на внутренней кольцевой стороне ротора, при этом каждый электрод содержит металлическую пленку и множество, по существу, параллельных металлических дорожек, при этом дорожки одного из электродов чередуются с дорожками другого электрода, якорь, жестко соединенный с ротором и возбуждаемый магнитным полем, создаваемым якорем генератора электрического тока газотурбинного двигателя, для подведения напряжения между электродами таким образом, чтобы при осаждении ферромагнитных частиц между дорожками электродов между упомянутыми электродами возникал электрический сигнал, и датчик для определения интенсивности электрического сигнала, появляющегося между электродами, при этом интенсивность упомянутого электрического сигнала зависит от плотности ферромагнитных частиц, присутствующих в масляной камере.

Таким образом, индуктор генератора электрического тока используют для магнитного притяжения ферромагнитных частиц, образующихся при износе подшипников опоры, к металлическим дорожкам устройства обнаружения. За счет этого обеспечивают точное определение износа подшипника опоры.

Кроме того, преимуществом такого устройства обнаружения износа опорных подшипников является автономность питания, так как оно питается электрическим током благодаря простой электромагнитной индукции. Таким образом, якорь устройства обнаружения может быть выполнен в виде простой катушки из электрического проводника.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения устройство обнаружения дополнительно содержит радиопередатчик, соединенный с датчиком, для передачи на электронно-вычислительное устройство (типа FADEC) газотурбинного двигателя радиосигнала, который зависит от плотности ферромагнитных частиц, присутствующих в масляной камере.

Радиопередатчик передает в непрерывном режиме и в реальном времени на ЭВМ FADEC сигнал, зависящий от плотности ферромагнитных частиц в масляной камере. Таким образом, на FADEC постоянно подается информация о реальной степени износа опорных подшипников. В этом случае нет необходимости в операции контроля на земле.

Металлическая пленка каждого электрода устройства обнаружения может быть расположена, по существу, вдоль продольной оси газотурбинного двигателя, а металлические дорожки каждого электрода могут быть выполнены, по существу, в поперечном направлении относительно упомянутой продольной оси газотурбинного двигателя.

В альтернативном варианте металлические дорожки каждого электрода устройства обнаружения могут быть выполнены, по существу, вдоль продольной оси газотурбинного двигателя, а металлическую пленку можно расположить, по существу, в поперечном направлении относительно упомянутой продольной оси газотурбинного двигателя.

Якорь генератора электрического тока предпочтительно выполняют в виде катушки из электрического проводника, намотанного на внутренней кольцевой стороне статора, а индуктор генератора электрического тока представляет собой, по меньшей мере, один магнит, установленный на наружной кольцевой стороне ротора.

В этом случае катушку и магнит или магниты генератора электрического тока предпочтительно изолируют от масляной камеры при помощи уплотнительных кольцевых устройств, закрепленных на статоре.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример выполнения, не носящий ограничительного характера, и в числе которых:

фиг.1 изображает частичный вид в продольном разрезе газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 и 3 изображают схемы, иллюстрирующие два варианта выполнения устройства обнаружения для газотурбинного двигателя, показанного на фиг.1;

фиг.4 изображает кривую изменения интенсивности сигнала, измеренного устройством обнаружения, в зависимости от плотности собранных ферромагнитных частиц.

Подробное описание варианта осуществления изобретения

На фиг.1 частично в продольном разрезе показан авиационный газотурбинный двигатель с продольной осью Х-Х и, в частности, его турбина 10 высокого давления.

Турбина 10 высокого давления газотурбинного двигателя, в частности, содержит кольцевой ротор 12, установленный вокруг продольной оси Х-Х, и кольцевой статор 14, установленный коаксиально вокруг ротора 12. Ротор 12 приводится во вращение валом 16 турбины 10 высокого давления газотурбинного двигателя, установленным коаксиально относительно ротора. На роторе 12 установлена опора 18 с подшипниками качения, поддерживающая статор 14.

Как известно, контур циркуляции масла (не показан) обеспечивает подачу масла к опоре 18 с подшипниками качения для смазки и охлаждения этих подшипников. После смазки и охлаждения подшипников опоры 18 масло содержится в масляной камере 20, частично ограниченной в радиальном направлении ротором 12.

Газотурбинный двигатель дополнительно содержит генератор электрического тока, предназначенный для питания электрическим током его различных электрических агрегатов (насосов, силовых цилиндров и т.д.) и для осуществления запуска газотурбинного двигателя.

Работа генератора электрического тока основана на принципе электромагнитной индукции. Он состоит из якоря, жестко соединенного со статором 14, и индуктора, жестко соединенного во вращении с ротором 12. Например, якорь может быть выполнен в виде катушки 22 из электрического проводника, намотанного на внутренней стороне 14а статора 14. Что касается индуктора, то он может быть выполнен в виде одного или нескольких магнитов 24, установленных на наружной стороне 12b ротора 12.

Во время работы газотурбинного двигателя вращение ротора 12 приводит к вращению магнита или магнитов 24 генератора электрического тока внутри неподвижной катушки 22. В результате в обмотке катушки 22 индуцируется ток, который подается к различным агрегатам генератора электрического тока по электрическим кабелям (не показаны), проложенным в стойке 23 (или поперечной балке) корпуса турбины высокого давления.

Из фиг.1 видно, что катушка 22 и магнит или магниты 24 генератора электрического тока газотурбинного двигателя изолированы от масляной камеры 20 при помощи кольцевых уплотнительных устройств 25 типа манжетных прокладок, закрепленных на статоре 14.

Такой газотурбинный двигатель дополнительно содержит устройство автоматического обнаружения ферромагнитных частиц в масляной камере 20, при этом данное устройство обнаружения питается электрическим током при помощи электромагнитной индукции.

В частности, как показано на фиг.2 и 3, устройство обнаружения состоит из пары электродов 26а, 26b, установленных на внутренней кольцевой стороне 12а ротора 12.

Каждый электрод 26а, 26b содержит металлическую пленку соответственно 28а, 28b и множество, по существу, параллельных металлических дорожек 30а, 30b, при этом дорожки одного из электродов чередуются с дорожками другого электрода. Таким образом, каждый из электродов 26а, 26b имеет форму гребенки.

Дорожки 30а, 30b электродов распределены на внутренней стороне 12а ротора 12 таким образом, чтобы покрывать максимально возможную площадь. В качестве металла пленок 28а, 28b и дорожек 30а, 30b можно использовать, например, медь.

Как показано на фиг.2, металлические пленки 28а, 28b каждого электрода 26а, 26b устройства обнаружения могут быть выполнены, по существу, вдоль продольной оси Х-Х газотурбинного двигателя, а металлические дорожки 30а, 30b могут быть выполнены, по существу, в поперечном направлении относительно этой оси Х-Х.

В альтернативном варианте металлические дорожки 30а, 30b каждого электрода 26а, 26b устройства обнаружения могут быть выполнены, по существу, вдоль продольной оси Х-Х, а металлические дорожки 28а, 28b могут быть выполнены, по существу, в поперечном направлении относительно этой оси Х-Х (фиг.3).

Катушка 32 из электрического проводника, образующая якорь и жестко соединенная с ротором 12, соединена с электродами 26а, 26b устройства обнаружения. Она намотана на внутренней стороне 12а ротора 12. Эта катушка 32, возбуждаемая магнитным полем, создаваемым катушкой 22 генератора электрического тока газотурбинного двигателя, позволяет подводить напряжение между электродами 26а, 26b.

Таким образом, устройство обнаружения имеет автономное питание. Действительно, во время работы газотурбинного двигателя ротор 12 вращает катушку 32 устройства обнаружения относительно неподвижной катушки 22 генератора электрического тока. В результате этого в обмотке катушки 32 индуцируется ток, который создает напряжение между электродами 26а, 26b при помощи выпрямителя 33.

Согласно варианту питания электродов 26а, 26b, не показанному на чертежах, можно установить один или несколько магнитов, образующих индуктор, на внутренней стороне 14а статора 14 напротив катушки 32. Таким образом, во время работы газотурбинного двигателя вращение ротора 12 приводит к вращению катушки 32 устройства обнаружения по отношению к этим магнитам, которые являются неподвижными, что приводит к появлению тока, индуцируемого в катушке устройства обнаружения.

Наличие одного или нескольких магнитов 24 генератора электрического тока на наружной стороне 12b ротора 12 приводит к магнитному притяжению к его внутренней стороне 12а ферромагнитных частиц 34, присутствующих в масле в камере 20. Эти частицы 34 появляются в результате износа подшипников опоры 18 (в частности, в результате осыпания).

Когда ферромагнитные частицы 34 притягиваются к внутренней стороне 12а ротора 12, они оседают между дорожками 30а, 30b электродов 26а, 26b устройства обнаружения, замыкая таким образом цепь. Вследствие этого между электродами 26а, 26b возникает электрический сигнал.

Таким образом, устройство обнаружения работает аналогично выключателю: как только ферромагнитные частицы 34 откладываются между его дорожками 30а, 30b, контакт замыкается и возникает сигнал.

Датчик 36, соединенный с электродами 26а, 26b, позволяет обнаружить и измерить интенсивность электрического сигнала, появляющегося между электродами. Интенсивность обнаруженного электрического сигнала зависит от плотности ферромагнитных частиц 34, находящихся в контакте с дорожками 30а, 30b устройства обнаружения, то есть от плотности частиц, присутствующих в масляной камере 20.

На фиг.4 изображена кривая, показывающая изменение интенсивности обнаруженного электрического сигнала (на оси ординат) по отношению к плотности ферромагнитных частиц, находящихся в контакте с дорожками устройства обнаружения (на оси абсцисс). Из этой кривой видно, что интенсивность электрического сигнала увеличивается по мере увеличения плотности частиц, пока не достигнет потолочного значения.

Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения устройство обнаружения дополнительно содержит радиопередатчик 38, соединенный с датчиком 36. Этот радиопередатчик 38 позволяет передавать на электронно-вычислительное устройство газотурбинного двигателя, называемое FADEC (не показано), радиосигнал, являющийся функцией плотности ферромагнитных частиц 34, присутствующих в масляной камере 20.

Таким образом, на ЭВМ FADEC непрерывно в режиме реального времени поступает информация о плотности ферромагнитных частиц 34, присутствующих в масляной камере 20, и, следовательно, об износе подшипников опоры 18 (высокой плотности частиц соответствует большой износ подшипников).

Таким образом, благодаря настоящему изобретению нет необходимости ждать наземного технического обслуживания газотурбинного двигателя, чтобы узнать о степени износа подшипников опоры между валами. Например, в случае критического порогового значения износа подшипников опоры ЭВМ FADEC информирует пилота самолета о необходимости осуществления обслуживания этих подшипников во время ближайшей стоянки самолета.

Газотурбинный двигатель с продольной осью (Х-Х) содержит кольцевой ротор, центрированный по продольной оси газотурбинного двигателя, кольцевой статор, установленный коаксиально вокруг ротора, по меньшей мере, одну опору с подшипниками качения, установленную на роторе и поддерживающую упомянутый статор, при этом внутренний объем ротора частично образует масляную камеру, предназначенную для охлаждения и смазки подшипников опоры, генератор электрического тока, якорь которого жестко соединен со статором, а индуктор жестко соединен и вращается с ротором, и устройство автоматического обнаружения ферромагнитных частиц в масляной камере, при этом упомянутое устройство обнаружения питается электрическим током при помощи электромагнитной индукции. Технический результат изобретения - повышение безопасности работы газотурбинного двигателя, в котором наличие генератора электрического тока не влияет на определение износа опорных подшипников. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газотурбинный двигатель с продольной осью (Х-Х), содержащий кольцевой ротор (12), центрированный по продольной оси газотурбинного двигателя, кольцевой статор (14), установленный коаксиально вокруг ротора, по меньшей мере, одну опору (18) с подшипниками качения, установленную на роторе (12) и поддерживающую кольцевой статор (14), при этом внутренний объем ротора частично образует масляную камеру (20), предназначенную для охлаждения и смазки подшипников опоры (18), и генератор электрического тока, якорь (22) которого жестко соединен с кольцевым статором (14), а индуктор (24) жестко соединен с возможностью вращения с ротором (12), отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство автоматического обнаружения ферромагнитных частиц в масляной камере (20), питаемое электрическим током, получаемым за счет электромагнитной индукции.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство обнаружения содержит:
два электрода (26а, 26b), выполненные на внутренней кольцевой стороне (12а) ротора (12), при этом каждый электрод (26а, 26b) содержит металлическую пленку (28а, 28b) и множество, по существу, параллельных металлических дорожек (30а, 30b), при этом дорожки (30а, 30b) одного из электродов (26а, 26b) чередуются с дорожками другого электрода; якорь (32), жестко соединенный с ротором (12) и возбуждаемый магнитным полем, создаваемым якорем (22) генератора электрического тока газотурбинного двигателя, для подведения напряжения между электродами с возможностью генерирования между электродами электрического сигнала при осаждении ферромагнитных частиц (34) между дорожками (30а, 30b) электродов (26а, 26b); и датчик (36) для определения интенсивности электрического сигнала, возникающего между электродами (26а, 26b), при этом интенсивность электрического сигнала зависит от плотности ферромагнитных частиц (34), присутствующих в масляной камере (20).

3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что устройство обнаружения дополнительно содержит радиопередатчик (38), соединенный с датчиком (36), для передачи на электронно-вычислительное устройство (FADEC) газотурбинного двигателя радиосигнала, являющегося функцией плотности ферромагнитных частиц (34), присутствующих в масляной камере (20).

4. Газотурбинный двигатель по одному из пп.2 или 3, отличающийся тем, что якорь устройства обнаружения выполнен в виде катушки из электрического проводника.

5. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что металлическая пленка (28а, 28b) каждого электрода (26а, 26b) устройства обнаружения выполнена, по существу, вдоль продольной оси (Х-Х) газотурбинного двигателя, а металлические дорожки (30а, 30b) каждого электрода выполнены, по существу, в поперечном направлении относительно упомянутой продольной оси (Х-Х) газотурбинного двигателя.

6. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что металлические дорожки (30а, 30b) каждого электрода (26а, 26b) устройства обнаружения выполнены, по существу, вдоль продольной оси (Х-Х) газотурбинного двигателя, а металлическая пленка (28а, 28b) каждого электрода выполнена, по существу, в поперечном направлении относительно упомянутой продольной оси (Х-Х) газотурбинного двигателя.

7. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что якорь генератора электрического тока выполнен в виде катушки (22), намотанной на внутренней кольцевой стороне (14а) статора (14), а индуктор генератора электрического тока представляет собой, по меньшей мере, один магнит (24), установленный на наружной кольцевой стороне (12b) ротора (12).

8. Газотурбинный двигатель по п.7, отличающийся тем, что катушку (22) и магнит или магниты (24) генератора электрического тока изолируют от масляной камеры (20) при помощи кольцевых уплотнительных устройств (25), закрепленных на статоре (14).

9. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что ротор (12) и статор (14) являются частью турбины высокого давления газотурбинного двигателя.