ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ГЕНЕРАТОР ТОКА, УСТАНОВЛЕННЫЙ В ВЕНТИЛЯТОРЕ, И СПОСОБ УСТАНОВКИ УПОМЯНУТОГО ГЕНЕРАТОРА В ВЕНТИЛЯТОРЕ Российский патент 2013 года по МПК F01D15/10 

Настоящее изобретение относится к газотурбинному реактивному двигателю с расположенным в передней части вентилятором и способу установки генератора электрического тока в турбореактивном двигателе.

Часть мощности, вырабатываемой авиационным турбореактивным двигателем, используется для питания различных устройств как турбореактивного двигателя, так и летательного аппарата, в перемещении которого участвует турбореактивный двигатель.

В настоящее время часть этой мощности отбирается на уровне компрессора высокого давления (НР), сжатый воздух которого используется, в частности, для обеспечения наддува и кондиционирования в кабине летательного аппарата или для устранения обледенения. Другая часть этой мощности отбирается механически с вала ступени высокого давления турбореактивного двигателя для приведения в движение ведущего вала коробки приводов агрегатов, установленной на картере турбореактивного двигателя. Данный ведущий вал приводится во вращение посредством располагаемого в конструктивной стойке картера передаточного вала, который в свою очередь приводится в движение посредством зубчатого колеса, жестко соединенного с валом высокого давления.

Современные тенденции развития направлены на повышение производства электрической мощности и на отбор механической мощности с двигателя.

Однако очень большой отбор механической мощности имеет негативное влияние на работу каскада высокого давления, поскольку он способен воздействовать на работоспособность двигателя, в частности когда двигатель работает на малых оборотах.

В заявке на патент FR 2882096 сообщается об отборе части механической мощности с каскада низкого давления турбины (ВР) для приведения во вращение ведущего вала коробки приводов агрегатов. Такое решение требует усовершенствования конструкции вала низкого давления (ВР) 2 за счет присоединения к нему зубчатого колеса, предназначенного для передачи мощности. Установка такой системы носит сложный характер, поскольку требует перемещения громоздких и тяжелых металлических деталей элементов.

В заявке на патент WO 2007/036202 также сообщается об установке генератора электрического тока в корпусе турбореактивного двигателя. Генератор состоит из статорного элемента, располагаемого по окружности в корпусе компрессора турбореактивного двигателя, и роторных элементов, которые крепятся на концах лопаток, жестко соединенных с валом высокого давления и приводимых во вращение в корпусе компрессора турбореактивного двигателя.

Вращение роторных элементов приводит к наведению в статорном элементе тока, который передается к различному оборудованию для питания. Такой генератор тока является труднодоступным и требует выполнения частичной разборки турбореактивного двигателя в случае его замены или во время обслуживания. Корпус компрессора имеет ограниченные габариты, что усложняет задачу подачи вырабатываемого тока к различному оборудованию.

Для устранения, по меньшей мере, некоторых из этих недостатков заявителем предлагается двухвальный газотурбинный реактивный двигатель, содержащий ротор высокого давления и ротор низкого давления, при этом вал ротора низкого давления соединен своим передним концом с вентилятором, располагаемым в корпусе вентилятора, отличающийся тем, что он содержит перед вентилятором неподвижный элемент обтекателя, сцентрированный по оси двигателя, на котором монтируется генератор электрического тока, установленный для отбора механической мощности вала ротора низкого давления и ее преобразования в электрическую мощность.

Турбореактивный двигатель позволяет преимущественно не отбирать мощность с вала ротора высокого давления. Генератор тока легко доступен, что обеспечивает производство его замены в ограниченное время путем демонтажа минимального количества деталей турбореактивного двигателя.

Генератор тока располагается перед вентилятором, в холодной зоне турбореактивного двигателя, что позволяет сократить необходимость охлаждения и, следовательно, уменьшить его вес.

Генератор тока содержит статорный элемент, соединенный с неподвижным элементом обтекателя, и роторный элемент, приводимый в движение передним по потоку концом вала ротора низкого давления.

Согласно одному варианту осуществления изобретения, турбореактивный двигатель содержит диск вентилятора, на котором устанавливаются лопатки вентилятора. Роторный элемент генератора тока приводится во вращение посредством цапфы, жестко соединенной с упомянутым диском вентилятора.

Элемент обтекателя, преимущественно, соединен с корпусом вентилятора посредством радиальных удерживающих стоек.

Радиальные стойки позволяют неподвижно удерживать статорный элемент генератора без внесения при этом существенных изменений в конструкцию турбореактивного двигателя.

Трубопроводы системы смазки генератора тока и электрические кабели располагаются в радиальных удерживающих стойках.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, зубчатые колеса передачи мощности выполнены, соответственно, на роторном элементе генератора тока и на переднем по потоку конце вала ротора низкого давления, при этом зубчатые колеса входят в зацепление друг с другом для передачи вращательного движения вала ротора низкого давления роторному элементу генератора тока.

Предлагаемое изобретение также относится к способу установки генератора тока в вентиляторе газотурбинного реактивного двигателя, согласно которому:

- генератор тока монтируют на неподвижном элементе обтекателя;

- неподвижный элемент обтекателя располагают на вентиляторе таким образом, чтобы роторный элемент генератора сходился с передним по потоку концом вала ротора низкого давления;

- неподвижный элемент обтекателя закрепляют на корпусе вентилятора посредством радиальных удерживающих стоек.

Установка генератора тока представляет собой простой процесс и выполняется в передней по потоку части турбореактивного двигателя. Используемые детали имеют небольшие размеры и небольшой вес, что позволяет производить быструю замену генератора тока.

Другие отличительные признаки и преимущества станут понятны после изучения описания турбореактивного двигателя согласно предлагаемому изобретению со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:

- фиг.1 изображает вид в разрезе передней по потоку части турбореактивного двигателя, согласно изобретению, содержащей генератор тока, который располагается в вентиляторе турбореактивного двигателя;

- фиг.2 - увеличенный вид генератора тока, представленного на фиг.1;

- фиг.3 - другой вариант осуществления изобретения;

- фиг.4 - общий вид турбореактивного двигателя согласно изобретению.

Как это показано на фиг.1, турбореактивный двигатель согласно изобретению представляет собой двухвальный газотурбинный реактивный двигатель 100, содержащий ротор низкого давления (ВР) и ротор высокого давления (НР) 1, которые устанавливаются с возможностью вращения вокруг оси Х3 турбореактивного двигателя. Данный тип турбореактивного двигателя хорошо известен специалистам в данной области. В приводимом описании под понятиями «внутренне» или «внешне», а также «внутренний» или «внешний» следует понимать в турбореактивном двигателе радиально «внутренне» или «внешне» располагаемый, а также «внутренний» или «внешний» относительно оси Х3.

Если быть более точным, то, как это показано на фиг.4, турбореактивный двигатель функционально содержит, если следовать согласно направлению движения потока газа из передней части назад, вентилятор 10, компрессор, камеру сгорания, турбину и реактивное сопло. Поскольку речь идет о двухвальном двигателе, то он содержит компрессор низкого давления, располагаемый перед компрессором высокого давления, и турбину высокого давления, располагаемую перед турбиной низкого давления.

Вентилятор (фиг.1) содержит диск вентилятора 19, который при помощи фланца крепится к цапфе 15, которая в свою очередь удерживается подшипником, жестко соединенным с переходным корпусом, при этом в данном случае цапфа 15 жестко соединена с валом низкого давления 2.

Вентилятор 10 дополнительно содержит подвижный элемент 11 обтекателя, который крепится на диске вентилятора 19. Подвижный элемент 11 обтекателя имеет вид усеченного конуса и позволяет направлять поток поступающего воздуха. Неподвижный элемент 12 обтекателя располагается перед подвижным элементом 11 обтекателя.

Вентилятор 10 приводится во вращение в корпусе вентилятора 14 посредством вала ротора низкого давления 2, находящегося при вращении в жестком соединении с подвижным элементом 11 обтекателя. В подвижном элементе 11 обтекателя выполняется полость 13.

Как это показано на фиг.1 и особенно на фиг.2, генератор электрического тока 20 монтируется на неподвижном элементе 12 обтекателя, при этом генератор 20 содержит статорный элемент 21, жестко соединенный с неподвижным элементом 12 обтекателя, и роторный элемент 22, вращающийся независимо от неподвижного элемента 12 обтекателя.

Роторный элемент 22 в данном случае представлен электромагнитом, расположенным соосно относительно оси Х3. Статорный элемент 21 состоит из обмоток, которые располагаются коаксиально и с внешней стороны роторного элемента 22. Подшипник 23 при вращении удерживает роторный элемент внутри статорного элемента 21.

Во время вращения электромагнита 22 вокруг оси Х3 образуется магнитное поле, которое наводит электрический ток в обмотках 21.

Радиальные удерживающие стойки 16 обеспечивают конструктивное соединение неподвижного элемента 12 обтекателя с корпусом вентилятора 14, при этом статорный элемент 21 генератора тока 20 остается таким образом неподвижным во время вращения лопаток вентилятора 18. Удерживающие стойки 16 крепятся при помощи фланца на корпусе вентилятора 14.

Удерживающие стойки 16 предпочтительно являются полыми и позволяют размещать маслопроводы 41 генератора тока 20 и электрические кабели 42, показанные на фиг.2. Часть длины верхней удерживающей стойки 16 показана прозрачной, что позволяет увидеть маслопроводы 41 генератора тока 20 и электрические кабели 42.

Маслопроводы 41 генератора тока 20 обеспечивают подачу смазки, например, масла из резервуара с маслом, расположенного за вентилятором, в генератор тока 20 для обеспечения охлаждения и смазки генератора тока 20.

После охлаждения генератора тока 20 горячее масло циркулирует в удерживающей стойке 16, позволяя тем самым устранить обледенение со стоек и охладить масло. Такие маслопроводы 41 позволяют уменьшать габариты теплообменников, предназначенных для охлаждения упомянутого масла.

Электрические кабели 42 позволяют подводить вырабатываемый в обмотках 21 ток к электрооборудованию, которое располагается в задней по потоку части двигателя.

Удерживающие стойки 16 неподвижного элемента обтекателя 12 в данном случае профилированы таким образом, чтобы направлять поток поступающего воздуха на лопатки вентилятора 18. Всего в данном случае имеется три удерживающих стойки 16, которые установлены под углом 120°. Понятно, что количество стоек может меняться в зависимости от конфигурации двигателя.

В данном варианте осуществления изобретения роторный элемент 22 непосредственно соединен с передним по потоку концом вала ротора низкого давления 2. Конические зубчатые колеса передачи мощности 25, 26 выполнены, соответственно, на роторном элементе 22 генератора тока 20 и на переднем по потоку конце вала ротора низкого давления 2, при этом зубчатые колеса 25, 26 входят в зацепление друг с другом для передачи вращательного движения вала низкого давления 2 роторному элементу 22 генератора тока 20.

Во время работы турбореактивного двигателя 100 вал ротора низкого давления 2 приводится во вращение посредством турбины низкого давления турбореактивного двигателя 100.

Вал ротора низкого давления 2 приводит электромагнит 22 во вращение вокруг оси Х3, в результате чего в обмотках 21 генератора тока 20 наводится электрический ток. Ток подается через удерживающие стойки 16 неподвижного элемента 12 обтекателя по электрическим кабелям 42, размещенным в стойках 16, таким образом, обеспечивается снабжение электрическим током оборудования, расположенного в основном за вентилятором.

В другом варианте осуществления изобретения со ссылкой на фиг.3 вспомогательная цапфа 17 устанавливается между диском вентилятора 19 и роторным элементом 22 генератора тока 20, при этом диск вентилятора 19 удерживает лопатки вентилятора 18. Цапфа 17, связанная во вращении с валом ротора низкого давления 2, приводит во вращение роторный элемент 22.

Цапфа 17 посредством соединения винт-гайка соединена как с диском вентилятора 19, так и с роторным элементом 22. Прикрепление генератора тока 20 к неподвижному элементу обтекателя 12 остается аналогичным, по сравнению с предыдущим вариантом осуществления изобретения, отличается только средство приведения в движение роторного элемента 22.

Изобретение относится также к способу установки генератора тока 20 в турбореактивном двигателе 100.

Генератор тока 20 монтируют на неподвижном элементе обтекателя 12. В данном случае генератор тока 20 крепится к обтекателю винтами.

Неподвижный элемент обтекателя 12 располагают на вентиляторе 10 таким образом, чтобы роторный элемент 22 генератора 20 вступал в сообщение с передним по потоку концом вала ротора низкого давления 2.

Имеющее коническую форму зубчатое колесо 25 передачи мощности статорного элемента 22 приводится в зацепление с зубчатым колесом 26 конической формы передачи мощности вала ротора низкого давления 2.

Неподвижный элемент обтекателя 12 закрепляют на корпусе вентилятора 14 посредством радиальных удерживающих стоек 16.

Маслопроводы 41 генератора тока 20 соединены с генератором тока 20 для обеспечения генератора тока 20 маслом, при этом электрические кабели 42 соединены с обмотками статорного элемента 21 генератора тока 20 с целью подвода тока к различному оборудованию летательного аппарата.

Двухвальный газотурбинный реактивный двигатель содержит ротор высокого давления и ротор низкого давления. Вал ротора низкого давления соединен своим переднем концом с вентилятором, расположенным в корпусе вентилятора. Перед вентилятором расположен неподвижный элемент обтекателя, сцентрированный по оси двигателя, на котором устанавливается генератор электрического тока, установленный для отбора механической мощности вала ротора низкого давления и ее преобразования в электрическую мощность. Генератор тока содержит статорный элемент, соединенный с неподвижным элементом обтекателя, и роторный элемент, приводимый в движение передним концом вала ротора низкого давления. Турбореактивный двигатель также содержит зубчатые колеса передачи мощности, выполненные, соответственно, на роторном элементе генератора тока и на переднем конце вала ротора низкого давления. Зубчатые колеса вступают в зацепление друг с другом для передачи вращательного движения вала ротора низкого давления роторному элементу генератора тока. Изобретение направлено на облегчение доступа к генератору тока в ограниченное время путем демонтажа минимального количества деталей турбореактивного двигателя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухвальный газотурбинный реактивный двигатель, содержащий ротор высокого давления и ротор низкого давления, при этом вал ротора низкого давления соединен своим передним концом с вентилятором, расположенным в корпусе вентилятора, отличающийся тем, что перед вентилятором он содержит неподвижный элемент обтекателя, сцентрированный по оси двигателя, на котором устанавливается генератор электрического тока, установленный для отбора механической мощности вала ротора низкого давления и ее преобразования в электрическую мощность, генератор тока содержит статорный элемент, соединенный с неподвижным элементом обтекателя, и роторный элемент, приводимый в движение передним концом вала ротора низкого давления, при этом турбореактивный двигатель содержит зубчатые колеса передачи мощности, выполненные соответственно на роторном элементе генератора тока и на переднем конце вала ротора низкого давления, причем упомянутые зубчатые колеса вступают в зацепление друг с другом для передачи вращательного движения вала ротора низкого давления роторному элементу генератора тока.

2. Турбореактивный двигатель по п.1, содержащий диск вентилятора, на котором установлены лопатки вентилятора, в котором роторный элемент генератора тока приводится во вращение посредством цапфы, жестко соединенной с упомянутым диском вентилятора.

3. Турбореактивный двигатель по п.1, в котором неподвижный элемент обтекателя соединен с корпусом вентилятора посредством радиальных удерживающих стоек.

4. Турбореактивный двигатель по п.2, в котором неподвижный элемент обтекателя соединен с корпусом вентилятора посредством радиальных удерживающих стоек.

5. Турбореактивный двигатель по п.3, в котором маслопроводы генератора тока размещены в радиальных удерживающих стойках.

6. Турбореактивный двигатель по п.4, в котором маслопроводы генератора тока размещены в радиальных удерживающих стойках.

7. Турбореактивный двигатель по любому из пп.3-6, в котором электрические кабели размещены в радиальных удерживающих стойках.

8. Способ установки генератора тока в вентиляторе газотурбинного реактивного двигателя по п.1, в котором генератор тока устанавливают на неподвижном элементе обтекателя; неподвижный элемент обтекателя располагают на вентиляторе таким образом, чтобы роторный элемент генератора сходился с передним концом вала ротора низкого давления; элемент обтекателя закрепляют на корпусе вентилятора посредством радиальных удерживающих стоек.