Турбогенератор
TURBOGENERATOR

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, преимущественно к малоразмерным турбогенераторам авиационного, автомобильного назначения, также к автономной энергетике в труднодоступных местах.
Турбогенератор в генераторном режиме предназначен для преобразования внутренней энергии горючего, сжигаемого в камере сгорания газогенератора, в механическую энергию вращения турбины с последующей выработкой электрического тока в электрическом стартер-генераторе.
Турбогенератор в стартерном режиме предназначен для преобразования электрического тока в электрическом стартер-генераторе в механическую энергию вращения компрессора газогенератора, сжимающего окислитель (воздух) с последующим сжиганием топливовоздушной смеси в камере сгорания газогенератора с целью обеспечения запуска турбогенератора.
Известны турбогенераторы, включающие газогенератор, состоящий из последовательно взаимосвязанных узлов: воздухозаборного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины, выходного устройства и электрического стартер-генератора, состоящего из ротора, снабженного постоянным магнитом, и статора, снабженного электрической обмоткой. Вал ротора газогенератора соединен с валом ротора электрического стартер-генератора при помощи муфты, каждый из роторов опирается на индивидуальные подшипники. Патенты № US 4669263 от 02.06.1987, № ЕР 0742634 от 12.05.1995, № US 20050284150 от 29.12.2005.
Недостатком всех указанных изобретений является длинный ротор газогенератора и электрического стартер-генератора, сопровождаемый пониженной их жесткостью и увеличенным количества опор подшипников, что в совокупности увеличивает длину, массу, количество деталей и стоимость изготовления турбогенератора, увеличивает потери на трение в опорах подшипника с увеличением удельного расхода топлива газогенератора, снижает ресурс ротора и надежность его работы.
В изобретениях по патентам № US 4669263, № US 20050284150 недостаток охлаждения электрического стартер-генератора в области постоянного магнита ротора и электрической обмотки статора увеличивает электрическое сопротивление обмотки статора и снижает коэффициент полезного действия выработки электричества. Дополнительно, увеличивает тепловыделение в окружающую область, с необходимостью интенсивного охлаждения подшипников, и снижает топливную экономичность газогенератора. В изобретении № US 20050284150 на наружной стороне статора электрического стартер-генератора установлены ребра радиатора охлаждения, увеличивающие массу конструкции и коэффициент гидравлического сопротивления.
Известен турбогенератор, включающий в себя электрический стартер-генератор, турбину и компрессор, размещенный между ними. Турбина, компрессор, электрический стартер-генератор воедино стянуты спицей с гайкой. Патент № US 6198174 от 06.03.2001.
Недостатком указанного изобретения являются массивные лепестковые газодинамические подшипники, увеличивающие длину ротора, а также наличие длиной, нагруженной спицы, необходимой для стяжки пакета деталей ротора и затяжки ее гайкой. Герметизация охлаждения электрической обмотки статора от постоянного магнита ротора увеличивает радиальный зазор между ними, что снижает удельную мощность магнитного поля, и снижает коэффициент полезного действия выработки электричества.
Известен турбогенератор, включающий вал ротора электрического стартер-генератора, компрессорное и турбинное колесо, установленное на нем. Вал вращается в единой обойме подшипников, установленных между ротором электрического стартер-генератора и колесом компрессора. Патент № WO 2018051080 от 13.09.2016.
Недостатком указанного изобретения является малое расстояние между подшипниками, что при незначительном дисбалансе или внешнем динамическом воздействии вызовет перекос вала ротора турбогенератора и касание элементов ротора об элементы статора.
Известна система и способ охлаждения ротора турбогенератора, включающая цилиндрическую втулку ротора с расположенным в ней постоянным магнитом, установленную на пару подшипников скольжения, и цилиндрическую втулку статора с расположенными в ней радиальными ребрами охлаждения, образующую кольцевой канал воздушного потока, поступающего на вход в компрессор. Патент № US 6239520 от 29.05.2001.
Недостатком указанной системы охлаждения статора турбогенератора является высокая масса и габариты ребер охлаждения, расположенных в цилиндрической втулке, а также увеличенная на величину входного устройства длина турбогенератора.
Известна многоярусная камера сгорания, включающая в себя кольцевую камеру сгорания с множеством тангенциальных топливных форсунок, расположенных в двух разнесенных плоскостях. Топливная форсунка содержит инжекторную трубку, снабженную множеством отверстий подвода воздуха, с расположенным внутри нее и выше отверстий подвода воздуха центрирующим кольцом, имеющим множество отверстий прохода топлива (горючего). Патент № US 6684642 от 03.02.2004.
Недостатком указанной камеры сгорания с многоярусной системой сгорания является короткая топливная форсунка, препятствующая качественной подготовке топливовоздушной смеси и множество мелких отверстий прохода топлива в центрирующем кольце топливной форсунки, забивающихся в эксплуатации и требующих насоса топливной системы повышенной производительности.
Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции турбогенератора, снижение стоимости его изготовления и эксплуатации с увеличением ресурса и надежности работы.
Техническим результатом является создание конструкции турбогенератора с уменьшенной габаритной длиной и массой, уменьшенным количеством деталей, надежной системой смазки и охлаждения опор подшипника, с интенсивным охлаждением электрического стартер-генератора и многотопливной камерой сгорания газогенератора с высокой полнотой сгорания топливовоздушной смеси.
Указанный технический результат достигается тем, что турбогенератор, включает в себя газогенератор, состоящий из последовательно соединенных воздухозаборного устройства, снабженного защитной сеткой, центробежного компрессора, противоточной камеры сгорания, центростремительной турбины, выходного устройства; электрический стартер-генератор, состоящий из ротора, снабженного постоянным магнитом закрытым снаружи бандажом, и статора, снабженного электрической обмоткой; систему автоматического управления, топливную систему, систему жидкой смазки. Ротор электрического стартер-генератора установлен на две подшипниковые опоры, охлажденные жидкой смазкой. Колесо компрессора выходным фланцем разъемно присоединено к входному фланцу колеса турбины, и расположено консольно относительно опоры ротора электрического стартер-генератора. При этом согласно изобретению внутренняя обойма подшипника одной из опор упирается о входной фланец колеса компрессора, колесо турбины и ротор электрического стартер-генератора оснащены шлицевым соединением, расположенным на расстоянии не более одного диаметра внутренней обоймы подшипника от входного фланца колеса компрессора, а ротор электрического стартер-генератора, подшипник опоры, колесо компрессора и турбина соединены разъемным крепежом, расположенным на расстоянии не более пяти диаметров внутренней обоймы подшипника от входного фланца колеса компрессора.
Турбогенератор, в котором опоры качения выполнены с использованием одинаковых шариковых подшипников, причем наружная обойма подшипника опоры со стороны противоположной компрессору снабжена упругим элементом в осевом направлении.
Турбогенератор, в котором в корпусе статора электрического стартер-генератора со стороны противоположной компрессору выполнено отверстие, снабженное защитной сеткой, а со стороны компрессора отверстие, сообщающее внутреннюю полость электрического стартер-генератора с полостью воздухозаборного устройства газогенератора, и на внутренней поверхности корпуса статора электрического стартер-генератора выполнены каналы охлаждения.
Турбогенератор, в котором в диске компрессора выполнены отверстия, сообщающие проточную часть с полостью наддува опоры подшипника со стороны компрессора, а на роторе электрического стартер-генератора выполнен маслосъемный элемент.
Турбогенератор в котором колесо компрессора соединено с турбиной зубчатым соединением, над которым расположено лабиринтное уплотнение.
Турбогенератор в котором на задней стенке противоточной камеры сгорания установлена пневматическая топливная форсунка с соотношением длины форсунки к длине жаровой трубы камеры сгорания равной 0,6…0,9.
Турбогенератор, включающий в себя газогенератор, электрический стартер-генератор, систему автоматического управления, топливную систему, систему жидкой смазки позволяет в одном устройстве преобразовать внутреннюю энергию горючего в электрический ток. При достигнутом уровне техники дает возможность применять, например, в авиационной технике на «полностью электрических» летательных аппаратах, то есть таких, где ранее применяемые системы: механические, гидравлические, пневматические заменены на электрические системы, создавая единообразие, и, в том числе, позволяя гибко их регулировать, например, на летательных аппаратах с электрическим приводом воздушных винтов и/или вентиляторов.
Ротор электрического стартер-генератора установлен на две одинаковые шариковые подшипниковые опоры, охлажденные жидкой смазкой. Использование минимального количества одинаковых, серийных, компактных подшипников, позволяет снизить стоимость создания и эксплуатации турбогенератора, уменьшает длину подшипниковых опор, при этом для гарантированного охлаждения опор применена жидкая смазка, что увеличивает ресурс и надежность работы конструкции. В качестве охлаждающей жидкости в основном варианте применяется традиционное масло. Как вариант, в качестве охлаждающей жидкости возможно применение топлива (горючего). В этом случае, оно подается в камеру сгорания, забирая тепло от опор подшипников и возвращая его в термодинамический цикл газогенератора, увеличивая топливную экономичность.
Для уменьшения возможного перекоса ротора, в том числе, при внешнем динамическом воздействии подшипники разнесены по разные стороны ротора электрического стартер-генератора, что позволяет уменьшить радиальные зазоры в компрессоре и турбине, положительно влияет на коэффициенты полезного действия этих узлов и увеличивает топливную экономичность турбогенератора с последующим снижением стоимости эксплуатации. При этом компрессор и турбина расположены консольно относительно подшипниковой опоры, что уменьшает количества опор и упрощает систему их смазки, упрощая конструкцию, снижает массу турбогенератора.
Наружная обойма подшипника опоры со стороны противоположной компрессору соединена с корпусом статора электрического стартер-генератора при помощи упругого элемента в осевом направлении, например, пружины. Предварительное нагружение наружной обоймы подшипника позволяет выбрать радиальный зазор между телом качения (шариками) и наружной и внутренней обоймой подшипника, позволяя равномерно распределить нагрузку между телами качения, увеличивая ресурс и надежность работы турбогенератора. А также точно позиционировать ротор электрического стартер-генератора, снижая неравномерность работы при его высокоскоростном вращении и уменьшая радиальные зазоры в компрессоре и турбине, что положительно влияет на коэффициенты полезного действия этих узлов, увеличивает топливную экономичность и снижает стоимость эксплуатации турбогенератора.
Колесо компрессора соединенное с турбиной зубчатым соединением над которым расположено лабиринтное уплотнение позволяет снизить потери на перетечки воздуха из-за компрессора в турбину, с сохранением топливной экономичности. При этом лабиринтное уплотнение выполнено с несколькими гребешками, что повышает его эффективность. Теплопередача через контактные поверхности зубчатого соединения минимальна, благодаря чему нагрев диска компрессора от турбины незначителен, что позволяет изготавливать его из бюджетных материалов, снижая стоимости изготовления газогенератора, и снижает нагрев сжимаемого воздуха, сохраняя достигнутый уровень коэффициента полезного действия компрессора.
В диске компрессора выполнены отверстия, сообщающие проточную часть с полостью наддува опоры подшипника со стороны компрессора, а на роторе электрического стартер-генератора выполнен маслосъемный элемент. Конструкция позволяет предотвратить утечки охлаждающей жидкости в проточную часть, снижает затраты на эксплуатацию, не препятствуя расчетной, устойчивой работе узлов газогенератора.
Колесо турбины и ротор электрического стартер-генератора оснащены шлицевым соединением, расположенным на расстоянии не более одного диаметра внутренней обоймы подшипника от входного фланца колеса компрессора. Конструкция обеспечивает надежную передачу крутящего момента от газогенератора электрическому стартер-генератору и обратно, создает жесткое соединение между ротором электрического стартер-генератора и консольно расположенным компрессором и турбиной.
Ротор электрического стартер-генератора, подшипник опоры, колесо компрессора и турбина соединены разъемным крепежом, расположенным на расстоянии не более пяти диаметров внутренней обоймы подшипника от входного фланца колеса компрессора. Конструкция обеспечивает короткий жесткий ротор газогенератора и электрического стартер-генератора, снижая массу и количество деталей, уменьшая длину и стоимость изготовления турбогенератора, увеличивая ресурс и надежность работы.
В корпусе статора электрического стартер-генератора со стороны противоположной компрессору выполнено отверстие, снабженное защитной сеткой, а со стороны компрессора отверстие, сообщающее внутреннюю полость электрического стартер-генератора с полостью воздухозаборного устройства газогенератора, и на внутренней поверхности корпуса статора электрического стартер-генератора выполнен канал охлаждения. Конструкция позволяет охладить электрические элементы турбогенератора, уменьшая электрическое сопротивление обмотки статора и повышая коэффициент полезного действия выработки электричества. По каналу охлаждения подается, например, топливо (горючее). В этом случае, тепло, отбираемое от корпуса статора электрического стартер-генератора, возвращается в термодинамический цикл газогенератора при подаче топлива в камеру сгорания, увеличивая топливную экономичность.
На задней стенке противоточной камеры сгорания установлена пневматическая топливная форсунка с соотношением длины форсунки к длине жаровой трубы камеры сгорания равной 0,6…0,9. Длинная пневматическая топливная форсунка позволяет качественно подготовить топливовоздушную смесь к сжиганию в камере сгорания с высокой полнотой сгорания, в том числе, подготовить к сжиганию жидкие виды топлива (горючего), при низком уровне перепада давления на топливной форсунке и увеличенном диаметре отверстия подачи топлива, что позволяет применять насос топливной системы пониженной мощности, увеличивая топливную экономичность и уменьшить вероятность засора топливной форсунки, увеличивая ресурс и надежность работы турбогенератора.
Изобретение проиллюстрировано фигурами.
На фигуре 1 показан продольный разрез турбогенератора.
На фигуре 2 показан продольный разрез турбогенератора в месте подшипниковой опоры со стороны компрессора.
1 - газогенератор;
2 - воздухозаборное устройство;
3 - защитная сетка воздухозаборного устройства;
4 - центробежный компрессор;
5 - противоточная камера сгорания;
6 - центростремительная турбина;
7 - выходное устройство;
8 - электрический стартер-генератор;
9 - ротор электрического стартер-генератора;
10 - постоянный магнит;
11 - бандаж ротора электрического стартер-генератора;
12 - статор электрического стартер-генератора;
13 - электрическая обмотка статора электрического стартер-генератора;
14 - подшипниковые опоры ротора электрического стартер- генератора;
15 - подвод жидкой смазки к подшипниковым опорам;
16 - наружная обойма подшипника опоры со стороны противоположной компрессору;
17 - корпус статора электрического стартер-генератора;
18 - упругий элемент в осевом направлении наружной опоры подшипника;
19 - внутренняя обойма подшипника;
20 - входной фланец колеса компрессора;
21 - выходной фланец колеса компрессора;
22 - входной фланец колеса турбины;
23 - зубчатое соединение колеса компрессора и турбины;
24 - лабиринтное уплотнение колеса компрессора;
25 - диск компрессора;
26 - отверстия в диске компрессора;
27 - полость наддува опоры подшипника расположенного со стороны компрессора;
28 - маслосъемный элемент ротора электрического стартер-генератора;
29 - шлицевое соединение колеса турбины и ротора электрического стартер-генератора;
30 - разъемный крепеж;
31 - отверстие на корпусе статора электрического стартер-генератора, снабженное защитной сеткой;
32 - отверстие на корпусе статора электрического стартер-генератора со стороны компрессора;
33 - внутренняя полость электрического стартер-генератора;
34 - внутренняя поверхность корпуса электрического стартер-генератора;
35 - каналы охлаждения на внутренней поверхности корпуса электрического стартер-генератора;
36 - задняя стенка противоточной камеры сгорания;
37 - пневматическая топливная форсунка.
Турбогенератор включает в себя газогенератор 1, состоящий из последовательно соединенных воздухозаборного устройства 2, снабженного защитной сеткой 3, центробежного компрессора 4, противоточной камеры сгорания 5, центростремительной турбины 6, выходного устройства 7; электрический стартер-генератор 8, состоящий из ротора 9, снабженного постоянным магнитом 10 закрытым снаружи бандажом 11, и статора 12, снабженного электрической обмоткой 13; систему автоматического управления; топливную систему; систему жидкой смазки.
Ротор электрического стартер-генератора 9 установлен на две подшипниковые опоры 14, охлажденные жидкой смазкой 15, выполненные с использованием одинаковых шариковых подшипников, причем наружная обойма 16 подшипника опоры со стороны противоположной компрессору соединена с корпусом 17 статора электрического стартер-генератора при помощи упругого элемента 18 в осевом направлении, например, пружиной. Внутренняя обойма подшипника 19 упирается о входной фланец 20 колеса компрессора 4, присоединенного выходным фланцем 21 к входному фланцу 22 колеса турбины 6 зубчатым соединением 23, над которым расположено лабиринтное уплотнение 24. В диске компрессора 25 выполнены отверстия 26, сообщающие проточную часть с полостью наддува 27 опоры подшипника 14 со стороны компрессора, а на роторе электрического стартер-генератора 9 выполнен маслосъемный элемент 28. Колесо компрессора 4 расположено консольно относительно опоры 14 ротора электрического стартер-генератора 9. Колесо турбины 6 и ротор электрического стартер-генератора 9 оснащены шлицевым соединением 29. Вместе ротор электрического стартер-генератора 9, подшипник опоры 14, колесо компрессора 4 и турбина 6 соединены разъемным крепежом 30, например, гайкой.
В корпусе 17 статора электрического стартер-генератора 12 со стороны противоположной компрессору выполнено отверстие, снабженное защитной сеткой 31, а со стороны компрессора отверстие 32, сообщающее внутреннюю полость электрического стартер-генератора 33 с полостью воздухозаборного устройства 2 газогенератора 1. На внутренней поверхности 34 корпуса 17 статора электрического стартер-генератора 12 выполнен канал охлаждения 35, например, при помощи установки внутри корпуса статора электрического стартер-генератора съемной втулки с нарезанной на наружной поверхности резьбой и снабженной с обоих концов уплотнением.
На задней стенке 36 противоточной камеры сгорания 5 установлена пневматическая топливная форсунка 37.
Принцип действия устройства заключается в следующем.
Во время начала работы турбогенератора по команде системы автоматического регулирования от внешнего источника питания, например, аккумуляторной батареи на электрическую обмотку 13 статора электрического стартер-генератора 12 подается электрический ток. Под действием электрического тока, протекающего через электрическую обмотку статора 13, возникает электромагнитная сила, воздействующая на магнит 10 ротора электрического стартер-генератора 9 и приводящая ротор во вращение. Ротор электрического стартер-генератора 9 через шлицевое соединение 29 приводит во вращение турбину 6, соединенную с компрессором 4. Компрессор 4 вращаясь, сжимает воздух, поступающий из воздухозаборного устройства 2, и направляет его в камеру сгорания 5. По команде системы автоматического регулирования насос топливной системы подает в пневматическую топливную форсунку 37 потребное количество топлива и подается искровой разряд на свечу зажигания для поджога подготовленной топливовоздушной смеси. Сгоревшая топливовоздушная смесь дополнительно раскручивает турбину 6 и через выходное устройство 7 покидает турбогенератор. По мере раскрутки турбины 6 электрический ток, подаваемый по команде системы автоматического регулирования от внешнего источника питания, уменьшается до полного прекращения.
Одновременно с раскруткой турбины 6 насос системы жидкой смазки подает жидкость на подшипниковые опоры 14. По отверстиям 26, выполненным в диске компрессора 25, сжатый воздух наддувает полость опоры 27 подшипника со стороны компрессора, препятствуя попаданию охлаждающей жидкости в проточную часть, чему также способствует установка на роторе электрического стартер-генератора 9 маслосъемного элемента 28. В воздухозаборное устройство 2 воздух дополнительно засасывается компрессором 4 через отверстие 31 на корпусе статора, проходя внутреннюю полость 33 электрического стартер-генератора и охлаждая электрическую обмотку 13 и корпус 17 статора, выходя в полость воздухозаборного устройства через отверстие 32 на корпусе статора. Перед поступлением в топливную форсунку 37 насос топливной системы прокачивает топливо (горючее) по каналу охлаждения 35, выполненному на внутренней поверхности 34 корпуса 17 статора.
Во время выхода газогенератора 1 на рабочий режим на турбине 6 вырабатывается избыточная механическая энергия вращения, которая через шлицевое соединение 29 приводит во вращение ротор электрического стартер-генератора 9. Вращающийся магнит 10 вызывает возникновение электродвижущей силы в электрической обмотке 13 статора электрического стартер-генератора. По команде системы автоматического регулирования электрический ток, вырабатываемый электрическим стартер-генератором 8, запасается во внешнем источнике питания или идет на потребление полезной нагрузки.