Электростартер для газотурбинных двигателей

Полезная модель относится к области двигателестроения и, в частности, к электростартерам для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах и электрических станциях, в частности для газотурбинных двигателей НК-16СТ, НК-36СТ, НК-38СТ и АЛ-31СТ.
Известно, что для запуска газотурбинного двигателя используют стартер, который передает вращающий момент к валу газотурбинного двигателя (ГТД). Вращающий момент подразумевает преодоление сопротивления вращению, которое обусловлено  аэродинамическим сопротивлением вращающихся частей, механическим трением контактирующих деталей и потерь, связанных с жидкостным трением между контактирующими деталями, погруженными в жидкую среду, по меньшей мере, одного гидравлического контура смазки и/или регулирования температуры, связанного с упомянутым газотурбинным двигателем. Стартер постепенно с ускорением раскручивает газотурбинный двигатель, и, когда достигается заданная скорость вращения, инициируется впрыскивание и зажигание топлива в камере сгорания газотурбинного двигателя. Затем при другой заданной скорости вращения действие стартера прекращается и газотурбинный двигатель продолжает ускоряться до скорости холостого вращения за счет мощности, появляющейся при сгорании топлива.
Известен электростартер для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах, которая содержит сцепную муфту, редуктор, асинхронный электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, снабженный измерителем частоты вращения электростартера, устройство включения электростартера, устройство управления крутящим моментом электростартера в соответствии с режимом раскрутки газотурбинной установки [аналог - см. Патент RU 2362031, МПК F02C 7/26].
Недостатком конструкции высокооборотного электростартера на базе частотно управляемого асинхронного электродвигателя является возможность перегрева обмотки статора электростартера в процессе запуска при обеспечении электростартером моментно-мощностных характеристик и режимов работы газотурбинных установок. С ростом мощности процесс отвода тепла замедляется, что может приводить к снижению надежности электростартера, повреждению изоляции обмоточных проводов статора, сокращению количества запусков двигателя и введению технологических перерывов на охлаждение электростартера.
Известен электростартер для запуска газотурбинных установок, используемых в газоперекачивающих агрегатах, содержащий редуктор, асинхронный электродвигатель, выполненный в виде коаксиально смонтированных ротора и статора. Электростартер соединен с сетью питания посредством преобразователя частоты с возможностью обеспечения получения плавно изменяющегося момента вращения электростартера в соответствии с потребным режимом раскрутки ротора газотурбинной установки. Электростартер оборудован системой охлаждения статора маслом, выполненной в виде стакана, внутри которого расположена статорная обмотка. На внешней относительно оси устройства стороне стакана выполнен в виде винтовой спирали канал, соединенный с нагнетающей частью системы подачи масла на смазку и охлаждение опор газотурбинного двигателя (ГТД) посредством входного штуцера и трубопровода. Последний относительно входа масла виток спирального канала соединен посредством выходного штуцера и трубопровода с магистралью слива масла в маслосистему ГТД.  На внешней стороне стакана, на свободных от спирального канала поверхностях, выполнены канавки под уплотнительные кольца, по две с каждой стороны (прототип – патент РФ №2484273, МПК F02C 7/26, (2006.01), 2013 г.).
Недостатком конструкции высокооборотного электростартера на базе частотно управляемого асинхронного электродвигателя является возможность перегрева обмотки статора электростартера в процессе запуска при обеспечении электростартером моментно-мощностных характеристик и режимов работы газотурбинных установок. Кроме того,наличие оболочки, заполненной горячим маслом от маслосистемы двигателя после проведения холодной прокрутки или горячего запуска, препятствует естественному охлаждению электродвигателя электростартера, что сказывается на том, что проведение повторных запусков или холодных прокруток может привести к перегреву обмоток статора и выходу статора из строя.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является увеличение количества запусков двигателя без технологических перерывов на охлаждение электростартера, повышение надежности работы электростартера и двигателя.
Поставленная проблема решается за счет того, что в электростартере для запуска газотурбинных двигателей, содержащем обгонную зубчатую муфту, редуктор, электродвигатель, подключенный к сети питания через преобразователь частоты, согласно полезной модели электродвигатель выполнен в виде синхронной электрической машины с ротором на постоянных магнитах инкорпорированного типа и капсулированных лобовых частей статорной обмотки составом с высоким коэффициентом теплопроводности  с целью отвода тепла на корпус электродвигателя.
Технический результат от использования всех существенных признаков полезной модели заключается в повышении надежности работы электростартера и за счет этого обеспечения возможности производить запуск двигателя и осуществлять прокрутку ротора двигателя без промежутков времени на охлаждение электростартера.
Выполнение электродвигателя в виде синхронной электрической машины с ротором на постоянных магнитах инкорпорированного типа и капсулированных лобовых частей статорной обмотки составом с высоким коэффициентом теплопроводности позволяет повысить надежность работы электростартера и за счет этого обеспечить возможность производить запуск двигателя и осуществлять прокрутку ротора двигателя без промежутков времени на охлаждение электростартера.
Как известно (см., например, патент РФ №2419954), синхронные электродвигатели с постоянными магнитами обладают более высоким КПД, чем асинхронные электродвигатели по следующим причинам:
синхронные электродвигатели с постоянными магнитами не нуждаются в токах возбуждения из-за того, что магнитный поток устанавливается постоянным магнитом;
в синхронных электродвигателях с постоянными магнитами не возникают вторичные потери в меди, так как в роторе не протекает электрический ток;
синхронные электродвигатели с постоянными магнитами способны эффективно получать крутящий момент, в дополнение к крутящему моменту, сформированному магнитным потоком, установленным постоянным магнитом, используя реактивный момент, который использует разницу между магнитными сопротивлениями в роторе.
Применение в электростартере высокоскоростного синхронного электродвигателя, выполненного в виде синхронной электрической машины с ротором на постоянных магнитах инкорпорированного типа позволяет:
исключить нагрев ротора, а следовательно, уменьшить нагрев электростартера;
обеспечить работоспособность электростартера при экстремально высоких температурах окружающей среды (от -50 до +120 град°С);
минимизировать габаритные размеры и вес;
получить большой стартовый момент, необходимый для раскрутки ГТД, при этом применен способ управления преобразователем частоты с поддержанием постоянного момента;
реализовать функции длительной прокрутки ГТД.
Конструкция ротора с инкорпорированными постоянными магнитами имеет меньший коэффициент рассеяния, т.е. большая часть потока магнита проходит через зазор между ротором и статором. Коэффициент использования постоянных магнитов выше, чем в классической конструкции индуктора с расположением постоянных магнитов на поверхности ротора.
Инкорпорированные постоянные магниты имеют широкий диапазон регулирования частоты вращения, который обеспечивается ослаблением магнитного потока машины за счет использования «мостиков насыщения», что актуально в режиме запуска ГТД, когда частота вращения изменяется в процессе пуска в широких пределах (https://engineering-solutions.ru/motorcontrol/pmsm/).
Фиг.1 - электростартер для газотурбинных двигателей.
Электростартер для запуска газотурбинных двигателей (ГТД) включает электродвигатель 1, выполненный в виде синхронной  электрической машины с ротором  2  на постоянных магнитах инкорпорированного типа. Электродвигатель 1 подключен к сети питания через преобразователь частоты 3, управляемый посредством системы автоматического управления 4.  Электростартер содержит редуктор 5,  обгонную зубчатую муфту 6,  установленные на выходном валу 7 электростартера, обеспечивающим его подключение к валу ротора высокого давления газотурбинного двигателя.
Устройство работает следующим образом.
На режиме горячего запуска или холодной прокрутки вал турбины газотурбинного двигателя не имеет скорости вращения. Для запуска и прокрутки вала ГТД системой автоматического управления (САУ) 4 подается команда на преобразователь частоты 3, который формирует по заданному закону частоты подающего напряжения на статорную обмотку электродвигателя 1. Ротор 2  на постоянных магнитах инкорпорированного типа электродвигателя 1 начинает вращаться и через обгонную зубчатую муфту 6, редуктор 5 и коробку приводов двигателя (условно не показана) передает вращение на ротор высокого давления газотурбинного двигателя. После достижения необходимой скорости вращения вала ротора высокого давления газотурбинного двигателя прекращается подача напряжения на обмотки статора электродвигателя 1. Ротор 2 на постоянных магнитах инкорпорированного типа начинает останавливаться. При этом вал ротора высокого давления газотурбинного двигателя продолжает вращение в режиме холодной прокрутки за счет своей большей инерции, а в режиме горячего запуска за счет работы самого газотурбинного двигателя, что приводит к отсоединению обгонной зубчатой муфты 6. Одновременно исключается механическая связь между выходным валом 7 электростартера и ГТУ. Электродвигатель 1 электростартера останавливается.
Применение в устройстве электростартера:
электродвигателя 1, выполненного в виде синхронной электрической машины с ротором 2 на постоянных магнитах инкорпорированного типа, которая позволяет передавать высокий крутящий момент на начальной скорости вращения и вращается с синхронной скоростью питающего напряжения, что позволяет получить реальную скорость вращения,
планетарного редуктора 5, который служит для увеличения передаваемого от электродвигателя момента,
муфты 6, которая предназначена для сочленения вала 7 электростартера с валом турбины высокого давления газотурбинного двигателя через коробки приводов,
позволяет расширить функции электростартера, который обеспечивает не только запуск газотурбинного двигателя, но  и его длительную холодную прокрутку.
Заявляемый электростартер может быть изготовлен с использованием существующих материалов на современном технологическом оборудовании.
Заявляемая полезная модель может быть использована в области двигателестроения.