ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2018 года по МПК F01D15/10 

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам автономного электроснабжения и запуска газотурбинных двигателей (ГТД), имеющих центробежный или осецентробежный тип компрессора.

Известен авиационный газотурбинный двигатель PW206 (HIS Jane's Aero-Engines, 2013, стр. 84), в конструкции которого запуск двигателя и выработка электроэнергии для систем двигателя и нужд летательного аппарата осуществляется электрической машиной, совмещающей функции стартера и электрогенератора - стартер-генератором (СТГ), который размещен на коробке приводов, вынесенной от оси двигателя. Подвод мощности для запуска двигателя и отвод мощности для нужд агрегатов осуществляется через ротор компрессора посредством механической трансмиссии.

Двигатель PW206 имеет ряд недостатков. Наличие трансмиссии увеличивает число деталей и массу двигателя, а также ведет к потерям мощности в связи с трением между деталями трансмиссии. Вынос стартера-генератора от оси двигателя увеличивает габариты двигателя.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, принятым за прототип, является газотурбинный двигатель (RU №2325539), содержащий турбокомпрессор с компрессором, камерой сгорания, выход из которой соединен газовым трактом с турбиной, и не менее двух электрических машин, встроенных в турбокомпрессор. В компрессор встроен электродвигатель, а в турбину - электрогенератор. Турбина выполнена свободной. Электрогенератор соединен с электродвигателем посредством силового кабеля. Обмотки электродвигателя выполнены на статоре компрессора. Система постоянных магнитов электродвигателя закреплена на рабочих лопатках компрессора. Система постоянных магнитов электрогенератора закреплена на рабочих лопатках турбины, Обмотки электродвигателя и электрогенератора заключены в кожуха, к которым подведена система воздушного охлаждения.

Недостатками прототипа являются конструктивная сложность, трудоемкость изготовления, а также невысокая мощность и надежность электрической машины.

Внедрение магнитов в рабочие лопатки, количество которых в ГТД, может доходить до нескольких сотен - процесс трудоемкий. Ограничение размеров рабочих лопаток компрессора и турбины, большие центробежные силы, действующие на конструктивные элементы рабочих лопаток, не позволяют использовать постоянные магниты размеров, необходимых для создания магнитного поля, обеспечивающего достаточную мощность электрической машины. Размещение постоянных магнитов в горячей части двигателя (температура лопаток турбины может достигать величины более 1000°С), приводящее к их скорому размагничиванию, снижает надежность электрической машины.

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков прототипа.

Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, снижении габаритов и массы малоразмерного авиационного газотурбинного двигателя, достигается тем, что согласно предлагаемому изобретению в газотурбинном двигателе, содержащем хотя бы один ротор турбокомпрессора, центробежный компрессор которого содержит хотя бы одно рабочее колесо и хотя бы одну электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, ротор электрической машины интегрирован в ротор турбокомпрессора, т.е. выполнен за единое целое с рабочим колесом, постоянные магниты размещены в покрывающем кольце рабочего колеса центробежного компрессора, а статор электрической машины с обмоткой размещен на корпусе компрессора.

Сущность изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - фрагмент общего вида малоразмерного газотурбинного двигателя со встроенной в турбокомпрессор электрической машиной, где

1 - ротор турбокомпрессора,

2 - рабочее колесо,

3 - покрывающее кольцо,

4 - двухполюсные постоянные магниты,

5 - силовое кольцо,

6 - статор электрической машины,

7 - обмотка статора,

8 - корпус компрессора,

9 - входной корпус двигателя,

10 - надроторное кольцо центробежного компрессора.

Фиг. 2 - разрез А-А Фиг. 1.

На Фиг. 1 показана часть компрессора газотурбинного двигателя (в месте расположения встроенной электрической машины) с ротором турбокомпрессора 1, через центральное отверстие которого проходит ротор свободной турбины. На роторе турбокомпрессора 1 расположено рабочее колесо центробежного компрессора 2, которое для снижения напряжений от действия центробежных сил может быть выполнено из полимерного композиционного материала. В покрывающее кольцо 3 рабочего колеса центробежного компрессора 2 установлены постоянные магниты 4, образующие двухполюсную магнитную систему. Постоянные магниты 4 удерживаются в покрывающем кольце 3 рабочего колеса центробежного компрессора 2 силовым кольцом 5, которое также может быть выполнено из полимерного композиционного материала и является после сборки частью рабочего колеса центробежного компрессора (см. Фиг. 2).

На наружной поверхности корпуса компрессора 8 крепится статор электрической машины 6 с обмотками 7 и входной корпус двигателя 9. Статор электрической машины 6 выполнен съемным, обеспечивая при этом возможность простого демонтажа, но возможен вариант интегрирования статора электрической машины в статор компрессора. Надроторное кольцо центробежного компрессора 10 предназначено для уменьшения перетечек воздуха высокого давления, выполнено разъемным в продольном направлении для упрощения сборки газогенератора.

Изобретение осуществляется следующим образом. В режиме запуска двигателя (электрическая машина работает в режиме стартера) в обмотку статора 7 от аккумуляторов или любого другого источника питания через преобразователь переменной частоты (на чертеже не показан) подается электрический ток. В результате взаимодействия магнитных полей обмотки статора 7 и постоянных магнитов 4 последние, будучи жестко связаны с ротором турбокомпрессора 1, приводят двигатель во вращение. После выхода двигателя на режим малого газа (электрическая машина работает в режиме генератора) магнитное поле постоянных магнитов 4 индуцирует в обмотке статора 7 электрическое напряжение. Возникающий при этом ток подается в электрическую сеть стационарной установки или транспортного средства через преобразователь-регулятор (на чертеже не показаны).

В предлагаемом изобретении СТГ установлен соосно с ГТД, что не требует увеличения осевого размера двигателя. Для снижения напряжений от действия центробежных сил рабочее колесо центробежного турбокомпрессора может быть выполнено из полимерного композиционного материала.

Расположение постоянных магнитов в покрывающем кольце рабочего колеса центробежного компрессора позволяет обеспечить достаточную мощность и надежность СТГ.

Газотурбинный двигатель содержит хотя бы один ротор турбокомпрессора, центробежный компрессор которого содержит хотя бы одно рабочее колесо и хотя бы одну электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов. Ротор электрической машины выполнен за единое целое с рабочим колесом центробежного компрессора. Постоянные магниты размещены в покрывающее кольцо и удерживаются силовым кольцом, образуя при этом часть рабочего колеса компрессора. Рабочее колесо центробежного компрессора, покрывающее и силовое кольца выполнены из полимерного композиционного материала. Изобретение направлено на упрощение конструкции, снижение габаритов и массы малоразмерного авиационного газотурбинного двигателя. 2 ил.

Газотурбинный двигатель, содержащий хотя бы один ротор турбокомпрессора, центробежный компрессор которого содержит хотя бы одно рабочее колесо и хотя бы одну электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, отличающийся тем, что ротор электрической машины выполнен за единое целое с рабочим колесом центробежного компрессора, постоянные магниты размещены в покрывающем кольце и удерживаются силовым кольцом, образуя при этом часть рабочего колеса компрессора, при этом рабочее колесо центробежного компрессора, покрывающее и силовое кольца выполнены из полимерного композиционного материала.