Интегрированный стартер-генератор модульного исполнения Российский патент 2024 года по МПК F02C7/12 H02K9/197 

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к устройствам, обеспечивающим запуск авиационного двигателя и электроснабжение бортовой системы самолета.

Известен модуль [Патент РФ № 2406846, МПК F02C 7/275, F02C 7/32, опубликовано 20.12.2010 г.], содержащий трансмиссионную коробку газовой турбины и, по меньшей мере, один стартер/генератор, механически соединенный с трансмиссионной коробкой, в котором трансмиссионная коробка содержит зубчатую передачу с несколькими шестернями, стартер/генератор, состоящий из генерирующего блока и возбуждающего блока, роторы которых установлены на общем валу с шестерней, зацепляющейся с зубчатой передачей трансмиссионной коробки.

Недостатком технического решения является сложность конструкции, состоящей из двух электрических машин, высокие массо-габаритные показатели.

Известен интегрированный стартер-генератор газотурбинного двигателя [Патент RU 2252316, МПК F01D 15/10, опубликовано 20.05.2005 г.], содержащий систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и статор электрической машины с обмоткой, установленный на корпусе подшипниковой опоры, причем статор электрической машины укреплен на наружной поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессора, а система постоянных магнитов электрической машины установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора таким образом, что данная система охватывает наружную поверхность статора электрической машины.

Недостатком технического решения является невысокая надежность, а также отсутствие системы охлаждения обмоток статора. Сложность технического обслуживания ввиду крепления статора и ротора на разных поверхностях ротора турбокомпрессора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является стартер-генератор газотурбинной силовой установки летательного аппарата [Патент РФ № 2659426, МПК F02C 7/047, F02C 7/12, F02C 7/268, опубликовано 02.07.2018 г.], расположенный в полости центрального обтекателя и выполненный в виде обратимой электрической машины, статор которой закреплен на корпусе, а ротор - через планетарный редуктор подключен к выходному валу двигателя, при этом обратимая электрическая машина снабжена системой охлаждения с каналами подвода и отвода охлаждающего воздуха.

Недостатком аналога является невысокая надежность ввиду отсутствия принудительного охлаждения воздушного зазора, высокие массогабаритные показатели, сложность технического обслуживания.

Технический результат состоит в повышении надежности, энергетической эффективности и упрощении технического обслуживания.

Технический результат достигается тем, что интегрированный стартер-генератор газотурбинного двигателя содержит статор, ротор, подключенный к выходному валу газотурбинного двигателя, систему охлаждения с каналами подвода и отвода охлаждающего воздуха, согласно изобретению, выполнен модульным и содержит корпус, в котором закреплен статор с обмоткой и герметичной цилиндрической вставкой, ротор с постоянными магнитами, прижимаемыми к нему бандажом, закрепленный на ступице с помощью муфты, и установленный с возможностью вращения относительно статора в переднем и заднем подшипниковых щитах, прикрепленных к корпусу, при этом задний подшипниковый щит выполнен в виде фланца, а система охлаждения выполнена комбинированной с каналами подвода и отвода воздуха и жидкого хладагента.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен общий вид интегрированного стартер-генератора модульного исполнения. На фиг. 2 показано движение жидкого хладагента в интегрированном стартер-генераторе модульного исполнения. На фиг. 3 показано движение воздуха в интегрированном стартер-генераторе модульного исполнения.

Интегрированный стартер-генератор модульного исполнения содержит корпус 1 (фиг. 1), в котором закреплен статор 2 с обмоткой 3, ротор 4 с постоянными магнитами 5, прижимаемыми к нему бандажом 6, закрепленный на ступице 7 с помощью муфты 8, передний подшипниковый щит 9, задний подшипниковый щит 10, выполненный в виде фланца, прикрепленные к корпусу 1, а система охлаждения выполнена комбинированной с каналами подвода и отвода воздуха и жидкого хладагента. При этом на переднем подшипниковом щите 9 установлены штуцер 11 для подачи воздуха в канал охлаждения 12 переднего подшипникового щита 9 и три штуцера 13 для подачи жидкого хладагента, а на заднем подшипниковом щите 10 установлены штуцер 14 для выведения воздуха через канал охлаждения 15 заднего подшипникового щита 10 и три штуцера 16 для выведения жидкого хладагента из канала охлаждения 17 заднего подшипникового щита 10. Для исключения утечки жидкого хладагента в воздушный зазор на внутренней поверхности статора 2 установлена герметичная цилиндрическая вставка 18 и уплотнение 19. Для исключения утечки воздуха во внешнюю среду установлено уплотнение 20.

Повышение надежности обеспечивается интеграцией стартер-генератора в области повышенных температур газотурбинного двигателя, за счет реализации комбинированной системы охлаждения при высоких рабочих температурах за счет прямого контакта жидкого хладагента со статором с обмоткой и воздуха с воздушным зазором. При этом также достигается снижение массо-габаритных показателей газотурбинного двигателя. Также при возникновении нештатной ситуации, вызванной разрушением ГТД или интегрированного стартер-генератора модульного исполнения в процессе работы в режимах стартера или генератора, повышение надежности обеспечивается путем механического рассоединения ротора и ступицы путем расцепления муфты. В результате этого ротор останавливается и интегрированный стартер-генератор отключается.

Кроме того, выполнение интегрированного стартер-генератора модульным в отдельном корпусе позволяет защитить активные части интегрированного стартер-генератора от масляного тумана и механических частиц, возникающих во внутренней полости ГТД, в зонах установки интегрированного стартер-генератора.

Повышение энергетической эффективности достигается путем уменьшения потерь в обмотке статора и постоянных магнитах интегрированного стартер-генератора модульного исполнения за счет снижения их температуры.

Упрощение технического обслуживания достигается за счет выполнения интегрированного стартер-генератора модульным, то есть устанавливаемым и снимаемым с двигателя единым изделием.

Интегрированный стартер-генератор модульного исполнения работает следующим образом. Интегрированный стартер-генератор модульного исполнения устанавливают во внутреннюю полость газотурбинного двигателя (ГТД) (на фиг. не показан) путем соединения заднего подшипникового щита 10 (фиг. 1), выполненного в виде фланца с корпусом газотурбинного двигателя (на фиг. не показан) и ступицы 7 (фиг. 1) с приводным валом ГТД (на фиг. не показан).

Для запуска стартерного режима работы интегрированного стартер генератора модульного исполнения на обмотку 3 статора 2 подается питание, и, за счет взаимодействия вращающегося электромагнитного поля, создаваемого в обмоткой 3 статора 2 и магнитного поля постоянных магнитов 5, ротор 4, закрепленный на ступице 7, начинает вращаться, и передавать крутящий момент на приводной вал ГТД (на фиг. не показан).

При достижении частоты вращения ГТД соответствующей стартерному режиму работы происходит отключение питания с обмотки 3 статора 2, и интегрированный стартер-генератор переходит в генераторный режим работы, при этом, вал ГТД (на фиг. не показан) вращает ротор 4 с постоянными магнитами 5, закрепленный на ступице 7, и, за счет взаимодействия вращающегося поля, создаваемого постоянными магнитами 5 ротора 4 и электромагнитного поля обмотки 3 статора 2, на выходах обмотки 3 статора 2 возникает переменный электрический ток.

Перед запуском ГТД и началом работы стартерного режима интегрированного стартер-генератора, через три одинаковых штуцера 13 (фиг. 2), установленных на переднем подшипниковом щите 9, из штатной системы охлаждения ГТД (на фиг. 2 не показана) подают жидкий хладагент в зону лобовых частей обмотки 3 статора 2, ограниченную передним подшипниковым щитом 9, где создается зона высокого давления «p1», благодаря чему потоки жидкого хладагента разделяются и омывают всю поверхность лобовых частей обмотки 3 статора 2. Далее жидкий хладагент протекает по пазам статора 2 с обмоткой 3, охлаждая ее, и попадает в зону лобовых частей обмотки 3, ограниченную задним подшипниковым щитом 10, где аналогичным образом разделяется, создавая область высокого давления «р2» и охлаждает поверхность лобовых частей обмотки 3 статора 2. Далее жидкий хладагент выводится через канал 17 в заднем подшипниковом щите 10 через закрепленные на нем штуцера 16. Процесс циркуляции жидкого хладагента возможен при соблюдении требований сохранения неравности давлений жидкого хладагента в областях «р1» и «р2» (фиг. 2) в зонах лобовых частей обмотки 3 статора 2.

Одновременно с этим запускается процесс принудительного охлаждения (продувки) воздушного зазора интегрированного стартер-генератора модульного исполнения воздухом (фиг. 3) через штуцер 11 закрепленный на переднем щите 9, проходящим по каналу охлаждения 12 в переднем подшипниковом щите 9, который поступает в зону ограниченную передним подшипниковым щитом 9, ротором 4 с постоянными магнитами 5, прижимаемыми к нему бандажом 6, где создается зона повышенного давления «р3», благодаря чему потоки воздуха разделяются и обдувают всю торцевую поверхность ротора 4 с постоянными магнитами 5 и бандажа 6. Далее воздух проходит по воздушному зазору образованному внутренней поверхностью герметичной цилиндрической вставки 18 и внешней поверхностью бандажа 6, по пути охлаждая их, затем воздух попадает в зону ограниченную задним подшипниковым щитом 10, где аналогичным образом разделяется, создавая область высокого давления «р4», и охлаждает торцевую поверхность ротора 4 со стороны заднего подшипникового щита 10. Далее уже теплый воздух выводиться через канал охлаждения 15 в заднем подшипниковом щите 10 через закрепленный на нем штуцер 14. Процесс циркуляции воздуха возможен при соблюдении требований сохранения равенства создаваемых давлений «р3» и «р4» в торцевых зонах ротора 4. Утечка воздуха через соединения подшипниковых щитов 9, 10 и герметичной цилиндрической вставки 18 предотвращается за счет герметичных соединений между подшипниковыми щитами 9, 10 и герметичной цилиндрической вставкой 18 обеспечиваемым уплотнением 19. В то же время предотвращение утечки воздуха с торцевых зон ротора 4 через соединение подшипниковых щитов 9, 10 и ротора 4 обеспечивается уплотнением 20.

Все это, учитывая сбалансированную подачу и отвод воздуха через штуцера 11, 14 в подшипниковых щитах 9 и 10, куда воздух подается и откачивается по трубопроводам, проведенным через шахту, оставшуюся от привода редуктора утратившего свою актуальность в следствии применения интегрированной конструкции стартер генератора, создает возможность выполнять активное комбинированное охлаждение интегрированного стартер-генератора модульного исполнения.

Таким образом, предлагаемая конструкция интегрированного стартер-генератора модульного исполнения позволяет повысить надежность, энергетическую эффективность и упростить техническое обслуживание газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к устройствам, обеспечивающим запуск авиационного двигателя и электроснабжение бортовой системы самолета. Технический результат – повышение надежности, энергетической эффективности и упрощение технического обслуживания. Интегрированный стартер-генератор газотурбинного двигателя содержит статор, ротор, подключенный к выходному валу газотурбинного двигателя, систему охлаждения с каналами подвода и отвода охлаждающего воздуха. Интегрированный стартер-генератор выполнен модульным и содержит корпус, в котором закреплен статор с обмоткой и герметичной цилиндрической вставкой, ротор с постоянными магнитами, прижимаемыми к нему бандажом, закрепленный на ступице с помощью муфты, и установленный с возможностью вращения относительно статора в переднем и заднем подшипниковых щитах, прикрепленных к корпусу. При этом задний подшипниковый щит выполнен в виде фланца, а система охлаждения выполнена комбинированной с каналами подвода и отвода воздуха и жидкого хладагента. 3 ил.

Интегрированный стартер-генератор газотурбинного двигателя, содержащий статор, ротор, подключенный к выходному валу газотурбинного двигателя, систему охлаждения с каналами подвода и отвода охлаждающего воздуха, отличающийся тем, что выполнен модульным и содержит корпус, в котором закреплен статор с обмоткой и герметичной цилиндрической вставкой, ротор с постоянными магнитами, прижимаемыми к нему бандажом, закрепленный на ступице с помощью муфты, и установленный с возможностью вращения относительно статора в переднем и заднем подшипниковых щитах, прикрепленных к корпусу, при этом задний подшипниковый щит выполнен в виде фланца, а система охлаждения выполнена комбинированной с каналами подвода и отвода воздуха и жидкого хладагента.