АВИАЦИОННЫЙ ТУРБОВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, ОСНАЩЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ Российский патент 2020 года по МПК H02K16/02 H02K7/18 H02K21/48 B64D15/12 

Изобретение относится к авиационному турбовинтовому двигателю, оснащенному электрической машиной.

Турбовинтовой двигатель содержит воздушный винт, вал воздушного винта и газовую турбину, которая обычно соединена с валом воздушного винта для приведения его во вращение. В ходе стандартного полета летательный аппарат совершает пять режимов: движение на земле или «руление», взлет, полет, приземление, затем опять «руление». Во время полета летательный аппарат перемещается под действием воздушного винта, который приводится во вращение газовой турбиной. Однако существуют и другие способы приведения во вращение воздушного винта, один из которых осуществляют, когда газовая турбина не работает и, в частности, во время «руления». Этот способ перемещения с выключенной турбиной считается предпочтительным, так как способствует значительной экономии топлива. При этом для движения летательного аппарата используют электрический двигатель. Летательный аппарат требует также постоянного вырабатывания электричества для обеспечения различных функций, среди которых следует упомянуть борьбу с обледенением воздушного винта, которую можно осуществлять независимо от работы электрического двигателя. Известное решение (GB 584 563 A) относится к турбовинтовым двигателям, оснащенным электрическими машинами, расположенными вокруг вала воздушного винта либо для борьбы с обледенением, либо чтобы изменять угол установки лопастей воздушного винта, работая в качестве реверсивных генераторов электричества, которые в случае необходимости могут приводить во вращение воздушный винт. Распространенная конструкция (US 2 488 392 А) включает в себя две электрические машины, расположенные друг за другом вдоль вала воздушного винта, которые могут, таким образом, обеспечивать независимо эти две функции, но при этом отмечается, что конструкция является очень сложной и влечет за собой значительное увеличение массы и габаритного размера. Известные устройства борьбы с обледенением, основанные на применении щёточно-коллекторных узлов для передачи, как правило, постоянного тока на устройство, которое вращается, поскольку встроено в воздушный винт или в вал воздушного винта, сами по себе являются сложными и подвержены износу.

Основной задачей изобретения является создание электрической машины, которую можно легко интегрировать в конструкцию турбовинтового двигателя и которая может выполнять несколько функций производства энергии, среди которых можно указать борьбу с обледенением, имея при этом небольшие массу и габариты.

Изобретение относится к турбовинтовому двигателю, оснащенному электрической машиной, которая отвечает этим требованиям, и, в частности, объектом изобретения является турбовинтовой двигатель, содержащий воздушный винт, вал воздушного винта и электрическую машину вокруг вала воздушного винта, согласно изобретению, электрическая машина включает в себя первую машину, выполненную на статоре и первом роторе, и вторую машину, выполненную на статоре и втором роторе, который соответствует валу воздушного винта, при этом статор, первый ротор и второй ротор являются концентричными, при этом первой машиной и второй машиной управляют разные электрические цепи, причем первая машина является реверсивной, а вторая электрическая машина принадлежит к системе борьбы с обледенением воздушного винта, при этом на втором роторе установлена обмотка индуктивности, и первый ротор соединен со вторым ротором через механическую трансмиссию.

Таким образом, получают две электрические машины, работающие независимо друг от друга, но которые встроены одна в другую в виде простой и компактной конструкции, которая может занимать меньший объем и иметь меньшую массу в турбовинтовом двигателе и летательном аппарате: в частности, они имеют незначительный осевой габарит и содержат очень мало средств механического соединения между элементами машины и другими частями турбовинтового двигателя. Электрические соединения тоже могут быть несложными.

Таким образом, машина в соответствии с изобретением хорошо интегрирована в пространство турбовинтового двигателя. Обе машины работают независимо и при любом состоянии, вращения или покоя, вала воздушного винта.

Другим объектом изобретения является летательный аппарат, оснащенный таким турбовинтовым двигателем.

Другие аспекты, отличительные признаки и преимущества изобретения будут описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 схематично показан турбовинтовой двигатель, снабженный заявленным изобретением;

на фиг. 2 показан вариант выполнения электрической машины;

на фиг. 3 показан другой вариант выполнения электрической машины.

На фиг. 1 показан заявленный турбовинтовой двигатель, содержащий газовую турбину 1, воздушный винт 2, вал 3 воздушного винта, который проходит к газовой турбине 1 и может быть соединен с валом 4 турбины, который расположен параллельно и на небольшом расстоянии от него, при помощи не показанной на фигуре известной трансмиссии. Вал 3 воздушного винта окружен защитным картером 5. Он поддерживается в картере 5 при помощи подшипников 6 и 7. Один из подшипников 6 расположен ближе к воздушному винту 2, а другой из подшипников 7 расположен смежно с зубчатым колесом 8 привода вала 3 воздушного винта, которое зацепляется с вышеупомянутой трансмиссией. Электрическая машина 9 в соответствии с изобретением расположена вокруг вала 3 воздушного винта между первым подшипником 6 и зубчатым колесом 8, будучи, в свою очередь, окружена картером 5. В рамках изобретения летательный аппарат остается без изменений и поэтому на фигурах не показан.

На фиг. 2 представлена электрическая машина 9.

В этом варианте осуществления вал 3 воздушного винта окружен концентричным ротором 10, который, в свою очередь, окружен венцом 11 статора, принадлежащим к картеру 5. Венец 11 статора оснащен главной обмоткой 13, которая может быть трехфазной, но обычно является многофазной. Ротор 10 оснащен венцом 14 магнитных полюсов. Наконец, вал 3 воздушного винта оснащен приемной обмоткой 15, слегка смещенной в осевом направлении от ротора 10 и венца 11 статора. Другими устройствами, показанными на фиг.2, являются зубчатый венец 12, который расположен на конце ротора 10 внутри и который соединяют с механической трансмиссией для передачи механической энергии на ротор 10 или, наоборот, для отбора этой энергии в зависимости от режима работы машины; магнитный мост 16, содержащий часть 17, соединенную со статором 11 и имеющую осевое цилиндрическое удлинение, и часть 18 с радиальным удлинением, проходящим от предыдущей части до ближнего конца вала 3 воздушного винта либо перед приемной обмоткой 15, либо сбоку таким образом, чтобы приемная обмотка 15 располагалась между этой частью 18 и ротором 10; и электрическое устройство 19, соединяющее главную обмотку 13 с шиной 20 постоянного тока и содержащее, в частности, начиная от этой шины, фильтры 21, главный преобразователь 22, главную цепь 23, состоящую из трех проводов, ведущих к фазам главной обмотки 13, и вспомогательную цепь 24, включающую в себя вспомогательный преобразователь 25 и проходящую к нейтрали главной обмотки 13.

Устройство работает следующим образом. Главная обмотка 13 и ротор 10, оснащенный венцом 14 магнитных полюсов, образуют первую электрическую машину, которая в зависимости от требования момента может обеспечивать летательный аппарат электрической энергией или, наоборот, выдавать механическую энергию для его движения, когда газовая турбина 1 выключена. Трансмиссия, через которую можно использовать механическую энергию ротора 10, может представлять собой планетарную зубчатую передачу 40, соединяющую зубчатый венец 12 с зубчатым венцом 41 вала 3 воздушного винта для его приведения во вращение через сателлиты 42, ось которых неподвижно соединена со статором (соединенным с картером 5). Трансмиссии этого типа обеспечивают реверсивную передачу мощности между ротором 10 и валом 3 воздушного винта.

Приемная обмотка 15 является обмоткой индуктивности, которая вместе с главной обмоткой 13 образует вторую электрическую машину, работающую только как генератор и предназначенную для использования в рамках борьбы с обледенением лопастей воздушного винта 2: для этого электрическая цепь 26, неподвижно соединенная с валом 3 воздушного винта, соединяет приемную обмотку 15 с термоэлектрическим нагревательным устройством 27, содержащемся в воздушном винте 2; оно может быть очень простым и состоять, в частности, из проводников. В целом, изобретение позволяет не прибегать к вращающимся с трением электрическим соединителям, поскольку связанные со статором обмотки зависят от устройств управления, неподвижно соединенных со статором, а обмотка, связанная с валом воздушного винта, обслуживает устройство, расположенное на этом валу или на соединенном с ним воздушном винте.

Можно отметить, что комбинированную электрическую машину можно легко интегрировать в турбовинтовой двигатель, и на практике она занимает полость картера 5, которая до этого была пустой, при этом ее выполнение требует небольшого количества деталей и незначительных изменений в существующей конструкции, поэтому ее масса и габариты являются небольшими. В частности, она позволяет избежать необходимости передачи электричества от неподвижного генератора на вал 2 воздушного винта через щёточно-коллекторный узел; размещение участка каждой машины на статоре 11 (и в данном случае в одной и той же главной обмотке 13) является очень экономичным; использование реверсивной машины предпочтительно позволяет комбинировать борьбу с обледенением и «руление» при помощи второй электрической машины.

Независимую работу двух электрических машин получают следующим образом. Первая электрическая машина работает классически, и ее работа основана на электромагнитном взаимодействии между главной обмоткой 13 и концентричными с ней магнитными полюсами 14. Электрическая энергия проходит через главную цепь 23. Вторая электрическая машина работает за счет индукции приемной обмотки 15 при помощи однополярного магнитного потока, производимого главной обмоткой 13. Однополярный поток имеет форму петли, проходящей через магнитный мост 16, вал 3 воздушного винта, внутренний ротор 10 и статор 11 и, следовательно, через приемную обмотку 15. Таким образом, приемная обмотка 15, которая находится на расстоянии от главного потока, возбуждается только в том случае, когда на главную обмотку 13 поступает эта однополярная составляющая, независимо от работы первой электрической машины в режиме двигателя или генератора. Ток, подаваемый на нагревательное устройство 27, может быть переменным или может быть постоянным после прохождения через выпрямитель. Наконец, скорость вращения (или состояние покоя) вала 3 воздушного винта не имеет никакого значения.

Однополярную составляющую потока может создавать независимый генератор переменного тока, подключенный между отрицательным полюсом первичного источника питания главного преобразователя 22 и нейтральной точкой главной обмотки 13, чтобы наложить на главные токи высокочастотную однополярную составляющую, создавая сдвиг фаз возбуждающей главной обмотки 13 путем изменения напряжения нейтрали через цепь 24 при монтаже фаз главной обмотки 13 звездочкой. Для получения этого дополнительного тока можно использовать вспомогательный преобразователь 25 или сам главный преобразователь 22, используя частоту срыва колебаний на его высокой частоте таким образом, чтобы намеренно разбалансировать моментальные токи обмотки 13, и их не равная нулю сумма образует таким образом однополярный ток; в этом случае можно отказаться от вспомогательного преобразователя 25.

Управление двумя электрическими машинами при помощи двух разных электрических цепей 23 и 24 обеспечивает независимость их работы. Для удобства говорят, что цепь «управляет» электрической машиной, даже если она работает в режиме двигателя.

Далее со ссылками на фиг. 3 следует описание другого варианта осуществления изобретения. Электрическая машина обозначена позицией 29. Вал 3 воздушного винта тоже содержит приемную обмотку 30 и окружен венцом статора 31 и ротором 32. Ротор 32 оснащен венцом 33 магнитных полюсов, как и в предыдущем варианте; однако в данном случае он окружает венец статора 31, который расположен, таким образом, между ним и валом 3 воздушного винта. На венце статора 31 находятся главная обмотка 34 и концентричная вспомогательная обмотка 35, при этом главная обмотка 34 расположена снаружи. Кроме того, приемная обмотка 30 расположена концентрично с вспомогательной обмоткой 35.

Трехфазной вспомогательной обмоткой 35 управляет вспомогательный преобразователь 36, с которым соединена трехпроводная электрическая цепь 37. Кроме того, вспомогательный преобразователь 36 соединен с шиной 20 постоянного тока через фильтры 21 аналогично главному преобразователю 22 в предыдущем варианте осуществления. Главной обмоткой 34 управляют аналогичные и независимые преобразователь 38 и электрическая цепь 39.

Первая электрическая машина этого устройства образована магнитными полюсами 33 ротора 32 и главной обмоткой 34; речь идет о реверсивной машине, которая работает так же, как и в предыдущем варианте.

Вторая электрическая машина образована вспомогательной обмоткой 35, которая является индуктором, и приемной обмоткой 30, в которой ток наводится предыдущей обмоткой. Индукция в данном случае не обязательно происходит при помощи однополярной составляющей, обеспечивающей магнитный поток специальной формы, и, как в предыдущем варианте, приемная обмотка 30 предназначена для борьбы с обледенением воздушного винта 2 при помощи нагревательного устройства.

Механическая трансмиссия 43, общее описание которой идентично вышеупомянутой механической трансмиссии 40, в данном случае тоже соединяет ротор 32 с картером 5 и позволяет им обмениваться механической мощностью в одном или другом направлении, используя, таким образом, реверсивность первой электрической машины.

Преимущества этого варианта осуществления идентичны преимуществам предыдущего варианта в плане интеграции комбинированной электрической машины в картер 5, ее компактности и ее простоты.

Согласно некоторым отличительным признакам:

- на статоре установлена по меньшей мере одна обмотка 13, 34, 35 машины;

- обмотка 13 на статоре соединена с каждой из электрических цепей;

- вторая машина расположена на втором роторе (вал 3 воздушного винта) либо напротив конца магнитного моста, смежного со вторым ротором, либо между указанным концом и участком второго ротора, окружающим статор;

- вторая электрическая машина соединена с термоэлектрическим нагревательным устройством.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – повышение эффективности и технологичности конструкции. Турбовинтовой двигатель содержит воздушный винт (2), вал (3) воздушного винта и электрическую машину (9, 29) вокруг вала воздушного винта. Электрическая машина включает в себя первую машину, выполненную на статоре (11, 31) и первом роторе (10, 32), и вторую машину, выполненную на статоре и втором роторе (3), который соответствует валу воздушного винта. При этом статор, первый ротор и второй ротор являются концентричными, а первой машиной и второй машиной управляют разные электрические цепи (23, 24, 37, 39). Первая машина является реверсивной. Вторая электрическая машина содержит обмотку (15, 30) индуктивности, установленную на втором роторе (3), работает за счет индукции между двумя обмотками и принадлежит к системе борьбы с обледенением воздушного винта. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Турбовинтовой двигатель, содержащий воздушный винт (2), вал (3) воздушного винта и электрическую машину (9, 29) вокруг вала воздушного винта, отличающийся тем, что электрическая машина включает в себя первую машину, выполненную на статоре (11, 31) и первом роторе (10, 32), и вторую машину, выполненную на статоре и втором роторе (3), который соответствует валу воздушного винта, при этом статор, первый ротор и второй ротор являются концентричными, при этом первой машиной и второй машиной управляют разные электрические цепи (23, 24, 37, 39), при этом первая машина является реверсивной, а вторая электрическая машина принадлежит к системе борьбы с обледенением воздушного винта, при этом на втором роторе (3) установлена обмотка (15, 30) индуктивности и первый ротор соединен со вторым ротором через механическую трансмиссию.

2. Турбовинтовой двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на статоре установлена по меньшей мере одна обмотка (13, 34, 35), при этом первый ротор содержит магнитные полюсы (14, 33).

3. Турбовинтовой двигатель по п. 2, отличающийся тем, что обмотка (13) на статоре является единственной и общей для первой и второй машин и соединена с каждой из электрических цепей.

4. Турбовинтовой двигатель по п. 3, отличающийся тем, что обмотка является многофазной, электрическая цепь (23) первой машины соединена с фазами обмотки (13) на статоре и электрическая цепь (24) второй машины соединена с нейтралью указанной обмотки (13).

5. Турбовинтовой двигатель по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что содержит магнитный мост (16) между статором (11) и вторым ротором (3), при этом вторая машина расположена на втором роторе, либо напротив конца магнитного моста, смежного со вторым ротором, либо между указанным концом и окружающим статор участком второго ротора.

6. Турбовинтовой двигатель по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что первый ротор (32) окружает статор (31) и первая машина и вторая машина содержат расположенные на статоре концентричные обмотки (34, 35).

7. Турбовинтовой двигатель по п. 6, отличающийся тем, что расположенная на статоре обмотка (35) второй машины является концентричной с расположенной на втором роторе обмоткой (30) индуктивности второй машины.

8. Турбовинтовой двигатель по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что вторая электрическая машина соединена с термоэлектрическим нагревательным устройством (27).

9. Летательный аппарат, отличающийся тем, что содержит турбовинтовой двигатель по любому из пп. 1-8.