УСТРОЙСТВО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ДВУХВАЛЬНОМ ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ Российский патент 2013 года по МПК F01D15/10 

Настоящее изобретение относится к области многовальных газотурбинных двигателей, используемых в авиации. Оно касается приведения в действие вспомогательных электрических машин от валов двигателя.

В газотурбинных двигателях летательных аппаратов, часть произведенной энергии отводится для приведения в действие вспомогательных агрегатов, обеспечивающих работу, как самих двигателей, так и летательного аппарата в целом. Эти агрегаты содержат системы смазки, топливные системы, а также обеспечивают питание гидравлических и электрических систем.

Многовальный газотурбинный двигатель содержит, по меньшей мере, два вращающихся вала, большинство двигателей содержит два или три вала, хотя не исключается и большее число валов. Вал состоит из цельного узла, вращающегося вокруг оси, причем одна часть образует компрессор, а другая часть образует турбину, последняя приводит во вращение компрессор. В частности, многовальный двигатель может также быть многоконтурным, как правило, двухконтурным, и содержать вентилятор, создающий холодный поток, называемый вторичным, обходящий центральную рабочую зону, которая содержит камеру сгорания и через которую проходит горячий поток, называемый первичным. Двигатель может быть также турбовинтовым двигателем и вращать винт.

Как правило, вся механическая энергия, необходимая для приведения в движение вспомогательных агрегатов, отбирается на валу высокого давления ВД через картер редуктора, известный под аббревиатурой IGB (Inlet Gear Box), затем передается на агрегаты, находящиеся на картере вентилятора, через вал, расположенный радиально по отношению к ведущему валу и входящий в зацепление с системой зубчатых передач, образующей коробку приводов агрегатов и обозначаемую аббревиатурой AGB (Auxiliary Gear Box).

Современная тенденция состоит в увеличении питания электрической энергией вспомогательных агрегатов. Увеличение потребности в механической мощности при сохранении общей эффективности газотурбинного двигателя на всех фазах полета требует поиска другого решения. Решением является распределение отбора мощности от всех вращающихся валов, то есть от валов ВД (высокого давления) и НД (низкого давления) в двухвальном двигателе.

Кроме того, поскольку раньше запуск газотурбинных двигателей производился от ротора ВД при помощи воздушной турбины, то ставится задача заменить последнюю электрическим приводом. По сути, ставится задача использовать увеличение потребления мощности электрических генераторов, чтобы использовать их, в свою очередь, в качестве электрического привода. Это решение стало возможным за счет того, что мощности установленных электрических машин достаточно, чтобы привести во вращение вращающийся вал двигателя.

В частности, возникает потребность в реализации средства, позволяющего распределить отбор мощности на валах ВД и НД для генерирования электрической энергии. В этом случае применяют несколько электрических машин, причем одна машина вращается валом ВД, а другая - валом НД. Вместе с тем, такая технология требует обработки электрических сигналов, чтобы получить возможность суммировать их мощность. Машины могут находиться на осях двигателей или на уровне промежуточной коробки. Недостатком такого решения является определенная сложность конструкции и увеличение габаритов.

В решении, раскрытом в патентной заявке, поданной на имя заявителя, под номером FR 2863312, предусмотрено интегрировать одну или несколько электрических машин на уровне коробки AGB на картере снаружи двигателя и приводить ее в движение при помощи дифференциальной зубчатой передачи для распределения отбора мощности между двумя валами, с одной стороны, валом ВД и, с другой стороны, валом НД. Отмечается, что такое решение не позволяет осуществлять приведение в действие роторов при помощи одной из электрических машин во время запуска.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности осуществления отбора мощности таким образом, чтобы этот отбор можно было распределить в зависимости от потребностей между разными вращающимися валами многовального газотурбинного двигателя.

Другой задачей настоящего изобретения является обеспечение приведения во вращение, по меньшей мере, одного из вращающихся валов при помощи тех же средств во время запуска газотурбинного двигателя.

В связи с этим объектом настоящего изобретения является устройство производства электрической энергии в многовальном газотурбинном двигателе, содержащем, по меньшей мере, один первый вращающийся вал, например, вал низкого давления, и второй вращающийся вал, например, вал высокого давления, и вращающем электрическую машину, устройство характеризуется тем, что электрическая машина является двухроторной и содержит первый ротор и второй ротор, при этом первый ротор механически соединен с первым вращающимся валом, а второй ротор механически соединен со вторым вращающимся валом.

Преимуществом решения в соответствии с настоящим изобретением является возможность распределения отбора механической мощности между двумя вращающимися валами, не прибегая к системе сцепления или коробке передач, наличие которой могло бы сказаться на массе газотурбинного двигателя.

Кроме того, общая работа двигателя обеспечивается за счет согласованного распределения отбора мощности между двумя вращающимися валами. Это распределение регулируется соответствующими передаточными отношениями.

В случае двухвального двигателя было установлено, что преимущественный отбор мощности на валу НД позволяет снизить удельный расход топлива газотурбинного двигателя.

Таким образом, согласно другому отличительному признаку, электрическая машина является реверсивной и выполнена с возможностью работы в режиме электрического генератора, когда, по меньшей мере, один из ее двух роторов вращается вращающимся валом газотурбинного двигателя, с которым он соединен, или с возможностью работы в режиме привода для приведения во вращение, по меньшей мере, одного из вращающихся валов этого двигателя.

Согласно варианту выполнения, роторы соединены механически, каждый, с вращающимися валами посредством редукторов скорости. Согласно другому варианту выполнения, они установлены с возможностью приведения в движение непосредственно от двигателя.

Механическая трансмиссия между первым ротором электрической машины и первым вращающимся валом газотурбинного двигателя может содержать тормоз, например, храповое колесо одностороннего вращения, который может удерживать первый вращающийся вал в неподвижном положении. Предпочтительно тормоз можно использовать для блокирования первого вращающегося вала, когда двигатель находится в состоянии покоя. Например, в случае турбовинтового двигателя, чтобы избежать вращения винта под действием силы ветра, когда двигатель не работает, блокируют вращение вала НД, с которым соединен винт. Тормоз, описанный в рамках настоящего изобретения, позволяет реализовать эту дополнительную функцию.

Однако наличие такого тормоза не является необходимым в случае, когда соотношение значений инерции между валами ВД и НД является очень большим, как в случае больших двигателей.

Предпочтительно первый ротор электрической машины является концентричным и внутренним по отношению к ее второму ротору. Предпочтительно первый ротор содержит постоянные магниты, таким образом уменьшают контакты между неподвижными и вращающимися деталями.

Объектом настоящего изобретения является также двухвальный газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну вспомогательную электрическую машину. Предпочтительно газотурбинный двигатель является двухвальным, при этом первый вал является валом низкого давления, а второй вал является валом высокого давления.

В случае необходимости, вращающиеся валы могут вращаться в противоположных направлениях.

Такая конструкция позволяет применять способ запуска газотурбинного двигателя, согласно которому на вспомогательную электрическую машину подают электрическую энергию, удерживая тормоз заблокированным, чтобы во время фазы запуска приводить во вращение только второй вал.

Благодаря такому варианту работы можно исключить всю систему трансмиссии (AGB, раздаточную коробку, обозначаемую аббревиатурой TGB, радиальный вал и IGB), воздушную турбину и ограничить использование компонентов механической трансмиссии. Выигрыш в массе, полученный на этом уровне, позволяет обеспечить новую конструкцию.

Далее следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схематично осевой разрез двухвального турбореактивного двигателя, согласно изобретению.

Фиг.2 - схематично электрическую машину типа двухроторной, согласно изобретению.

Фиг.3 - пример расположения машин, согласно изобретению.

Фиг.4 - пример работы в режиме стартера, согласно изобретению.

На Фиг.1 схематично показан газотурбинный двигатель, выполненный в виде турбореактивного двигателя 1. Он является двухвальным двигателем с валом 24 высокого давления ВД, содержащим ротор 2 компрессора ВД, соединенный первым валом 3 с ротором 4 турбины ВД. Между двумя роторами ВД находится камера 5 сгорания. Вал 69 низкого давления содержит компрессорную группу 6 НД с вентилятором 7 и первыми ступенями 7' сжатия, расположенную на входе компрессора ВД. Компрессорная группа НД соединена валом 8, концентричным с первым валом, с ротором 9 турбины НД, находящимся на выходе ротора 4 турбины ВД. Вентилятор создает воздушный поток, который делится на два концентричных потока: первичный поток, который проходит через различные модули НД и ВД и затем выбрасывается в атмосферу, и вторичный поток, который огибает камеру сгорания и выбрасывается в атмосферу. В современных гражданских авиационных двигателях степень разбавления, которая является соотношением между первичным и вторичным потоками, является высокой: она равна, по меньшей мере, 4 и в будущем будет доведена до еще более высокого значения. Вместо приведения во вращение вентилятора двигатель может работать в качестве турбовинтового двигателя и вращать один или несколько винтов.

Электрическая машина классически состоит из индукционного ротора и статора, образующего якорь. Ротор содержит множество пар полюсов, например, 2, 3 или 4 пары полюсов, а статор, образующий якорь, содержит обмотки. Согласно изобретению, в рассматриваемом варианте используют электрическую машину с вращающимся статором, образующим второй ротор, при этом каждый из роторов электрической машины механически соединен с вращающимся валом многовального газотурбинного двигателя.

На Фиг.2 схематично показана электрическая машина двухроторного типа. Машина 10 установлена на неподвижной части 11 газотурбинного двигателя при помощи опорных подшипников 12. Последние поддерживают два концентричных ротора 13 и 14, вращающихся вокруг одной оси ХХ. Речь идет о первом индукционном роторе 13, предпочтительно содержащем постоянные магниты, чтобы максимально избегать вращающихся электрических связей между подвижной и неподвижной частями. Он установлен на опорных подшипниках (не показаны) и находится внутри второго ротора 14, содержащего обмотки и в данном случае оборудованного на своей наружной поверхности щеточными коллекторами U1, U2, U3 в случае трехфазного двигателя. Предпочтительно первый ротор 13 механически соединен с вращающимся валом 13 низкого давления НД. Второй ротор механически соединен с вращающимся валом высокого давления ВД. Следует отметить, что в газотурбинном двигателе, содержащем более двух вращающихся валов, один из роторов механически соединен с валом промежуточного уровня давления.

С учетом этих базовых признаков расположение машины относительно вращающихся валов двигателя может меняться.

Согласно варианту выполнения, электрическая машина расположена вдоль или вблизи оси газотурбинного двигателя. В этом случае предпочтительно первый ротор 13 соединен с валом 69 НД, а второй ротор соединен с валом 24 ВД. Чтобы обеспечить для этой электрической машины 10 вращение на соответствующих скоростях, ее два ротора соединены с двумя вращающимися валами через соответствующие редукторы скорости. На Фиг.3 показана принципиальная схема такого расположения. Электрическая машина 10 показана с двумя валами роторов 13 и 14. Эти два вала 13 и 14 соединены двумя редукторами 21 и 22, соответственно ВД и НД, с валами 31 и 32 валов 24 ВД и 69 НД соответственно. Согласно этому примеру, оба вала газотурбинного двигателя вращаются в противоположных направлениях вместе с соответствующими редукторами. Решение применимо также для случаев, когда вращающиеся валы вращаются в одном направлении вместе с соответствующими редукторами. Установленные редукторы предназначены, с одной стороны, для обеспечения распределения отбора мощности, позволяющего соблюдать условия нормальной работы, и, с другой стороны, чтобы электрическая машина имела скорость, согласно изобретению:

Ω = r_НД.Ω_НД + r_ВД.Ω_ВД

Преимуществом электрической машины является то, что она позволяет приводить во вращение вращающиеся валы в момент запуска газотурбинного двигателя.

С этой целью, в частности, для двигателей, не имеющих больших размеров, предусматривают тормоз 40, который позволяет распределять соответствующим образом приводную мощность между двумя вращающимися валами. Этот тормоз расположен таким образом, чтобы обеспечить блокировку вала НД. Необходимо отметить, что для больших двигателей, в которых вал низкого давления имеет очень большую инерцию по сравнению с валом высокого давления, например, примерно в 10 раз больше, использования тормоза можно избежать, так как вал ВД начинает вращаться раньше, чем вал НД. В двигателях меньших размеров разность инерции соответственно является меньшей, поэтому предпочтительно использовать тормоз.

На Фиг.4 настоящее изобретение показано в рабочей конфигурации, предусмотренной для режима запуска. На машину 10 подается электрическая энергия, и машину переключают на режим электрического привода. Тормоз 40 блокируют, чтобы застопорить вращающийся вал 69 ВД. В этом случае ротор 14, соединенный с вращающимся валом 24 ВД, приводится во вращение и вращает вал 24 ВД газотурбинного двигателя 1. Таким образом, вся мощность, развиваемая электрической машиной, поступает на вал 24 ВД.

Когда вал 24 ВД достигает определенной скорости, отпускают тормоз 40 вала 69 НД. В этом случае электрическая мощность, поступающая на машину 10, распределяется между двумя вращающимися валами, при этом вал НД тоже вращается. Зажигание происходит после того, как будут достигнуты термодинамические условия зажигания.

Когда газотурбинный двигатель начинает вращаться автономно, прекращают подачу электрического питания на электрическую машину 10. Роторы приводятся во вращение механически. Машина 10 работает в режиме электрического генератора.

Согласно варианту выполнения (не показан), электрическую машину устанавливают на картере вентилятора. Ее устанавливают на коробке AGB, как в известных решениях установки и приведения в действие вспомогательных агрегатов. Механическая энергия передается через два радиальных вала, установленных в стойке промежуточного картера двигателя. Эти два вала механически соединены соответственно с каждым из вращающихся валов.

Согласно другому варианту выполнения (не показан), электрическую машину располагают в главной оси двигателя, например, в промежуточном картере между компрессорами НД и ВД. Роторы приводятся во вращение непосредственно частями ВД и НД двигателя в случае, когда эти части ВД и НД вращаются в одном направлении, или через систему реверса направления вращения в случае, когда эти части ВД и НД вращаются в противоположных направлениях.

Устройство для генерирования электрической энергии в многовальном газотурбинном двигателе и для вращения вспомогательной электрической машины содержит, по меньшей мере, один первый вращающийся вал низкого давления, содержащий компрессор и турбину, и второй вращающийся вал высокого давления, содержащий компрессор и турбину. Вспомогательная электрическая машина является двухроторной и содержит первый и второй ротор. Первый ротор механически соединен с первым вращающимся валом, а второй ротор механически соединен со вторым вращающимся валом. Вспомогательная электрическая машина является реверсивной и выполнена с возможностью работы в режиме электрического генератора, когда, по меньшей мере, один из ее двух роторов приводится во вращение вращающимся валом одним или другим, соответственно, газотурбинного двигателя, с которым он соединен, или с возможностью работы в режиме привода для приведения во вращение, по меньшей мере, одного из вращающихся валов. Изобретение направлено на обеспечение отбора мощности, которую возможно распределять в зависимости от потребностей между разными вращающимися валами газотурбинного двигателя, а также на приведение во вращение, по меньшей мере, одного из вращающихся валов при помощи тех же средств во время запуска газотурбинного двигателя. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для генерирования электрической энергии в многовальном газотурбинном двигателе, содержащем, по меньшей мере, один первый вращающийся вал (69) низкого давления, содержащий компрессор и турбину, и второй вращающийся вал (24) высокого давления, содержащий компрессор и турбину, и для вращения вспомогательной электрической машины (10), отличающееся тем, что вспомогательная электрическая машина (10) является двухроторной и содержит первый ротор (13) и второй ротор (14), при этом первый ротор (13) механически соединен с первым вращающимся валом (69), а второй ротор (14) механически соединен со вторым вращающимся валом (24), при этом вспомогательная электрическая машина (10) является реверсивной и выполнена с возможностью работы в режиме электрического генератора, когда, по меньшей мере, один из ее двух роторов (13, 14) приводится во вращение вращающимся валом одним или другим (69 или 24), соответственно, газотурбинного двигателя, с которым он соединен, или с возможностью работы в режиме привода для приведения во вращение, по меньшей мере, одного из вращающихся валов (24, 69).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что роторы (13, 14) соединены механически с вращающимися валами (69, 24) посредством редукторов (коробок скоростей) (21, 22).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что роторы (13, 14) механически соединены напрямую с вращающимися валами (69, 24).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механическая трансмиссия между первым ротором (13) и первым вращающимся валом (69) содержит тормоз (40), который удерживает первый вращающийся вал (69) в неподвижном положении.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый ротор (13) является концентричным и внутренним по отношению ко второму ротору (14).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что тормоз выполнен в виде храпового колеса.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый ротор (13) содержит постоянные магниты.

8. Двухвальный газотурбинный двигатель, содержащий, по меньшей мере, одну вспомогательную электрическую машину по п.1, в котором первый вал является валом низкого давления, а второй вал является валом высокого давления, при этом вращающиеся валы предназначены для вращения в противоположных направлениях.

9. Способ запуска двухвального газотурбинного двигателя по п.8, заключающийся в том, что на вспомогательную электрическую машину подают электрическую энергию для приведения во вращение одного из первого или второго вращающихся валов.

10. Способ запуска двухвального газотурбинного двигателя по п.8, в котором используют тормоз (40) по п.4 устройства генерирования электрической энергии по п.1, заключающийся в том, что на вспомогательную электрическую машину (10) подают электрическую энергию, удерживая тормоз заблокированным, при этом во время фазы запуска приводят во вращение только второй вал (24) из первого или второго вращающихся валов до достижения определенной скорости вращения и после достижения заданной скорости тормоз отпускают.