Биротативный компрессор
BIROTATING COMPRESSOR

Изобретение относится к области газотурбостроения, в частности к биротативным осевым компрессорам авиационных и наземных газотурбинных установок.
Известен двухкаскадный (двухроторный) компрессор, в котором роторы располагаются последовательно и приводятся во вращение благодаря газовым турбинам (см. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. С.А. Вьюнов и др. Под общ. ред. Д.В. Хронина. - М.: Машиностроение, 1989, с. 55, рис. 3.4.б). В таком компрессоре наблюдается эффект саморегулирования, в результате которого рассогласование его ступеней существенно уменьшается по сравнению с однокаскадным (однороторным) компрессором, что приводит к значительному возрастанию КПД и запаса устойчивости, что в ряде случаев позволяет обойтись без других средств регулирования. Наличие двух роторов в двухкаскадном компрессоре увеличивает число опор ротора, из-за чего конструкция компрессора усложняется и исключается возможность независимого регулирования частоты вращения каждого рабочего колеса (или части колес) с целью увеличения запасов газодинамической устойчивости компрессора в целом.
Известен биротативный компрессор, в котором роторы располагаются концентрично и вращаются в противоположных направлениях, при этом рабочие лопатки одного из них являются направляющими лопатками для другого (см. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. С.А. Вьюнов и др. Под общ. ред. Д.В. Хронина. - М.: Машиностроение, 1989, с. 55, рис. 3.4.в). Такое конструктивное решение позволяет использовать меньшее количество ступеней для получения заданной степени сжатия (по сравнению с компрессорами традиционной схемы). Это позволяет сократить длину и вес осевого компрессора, что особенно актуально для авиационных газотурбинных двигателей. Однако описанную конструкцию сложно реализовать. Конструкцию усложняют большая вращающаяся масса наружного ротора, охватывающего второй, внутренний для первого, ротор, и необходимость установки редуктора либо дополнительной турбины для привода первого из упомянутых роторов. Подобная схема еще в начале 1940-х годов прорабатывалась на фирме Даймлер-Бенц (см. История разработки и создания реактивных двигателей и газовых турбин в Германии 1930-1945. Энтони Л. Кей. Изд. РГАТА им. П.А. Соловьева, 2006, с. 160, рис. 2.110.), но в связи с большими трудностями, возникшими при разработке, в начале 1942 года данный проект был закрыт.
Наиболее близким к заявленному является биротативный компрессор, содержащий ступени компрессора с установленными на индивидуальных опорах вращения рабочими колесами, включающими диски с ободьями и лопаточные венцы, выполненные с закруткой лопаток соседних венцов в противоположных направлениях, средства вращения соседних рабочих колес в противоположных направлениях, корпус с закрепленной в нем неподвижной осью (Патент РФ №2212567, кл. F04D 17/12, оп. 20.09.2003).
Недостаток известного компрессора состоит в том, что в известном биротативном компрессоре отсутствует возможность независимого регулирования скорости вращения каждой ступени компрессора в отдельности, что снижает запасы газодинамической устойчивости компрессора в целом. Это обусловлено тем, что все рабочие диски компрессора связаны между собой через механические передачи с неизменным передаточным отношением.
Технический результат, получаемый при использовании предложенного изобретения, заключается в обеспечении возможности независимого регулирования частоты вращения каждого рабочего колеса с целью увеличения запасов газодинамической устойчивости компрессора.
Указанный технический результат достигается тем, что в биротативном компрессоре, содержащем ступени компрессора с установленными на индивидуальных опорах вращения рабочими колесами, включающими диски с ободьями и лопаточные венцы, выполненные с закруткой пера лопаток соседних венцов в противоположных направлениях, средства вращения соседних рабочих колес в противоположных направлениях, корпус с закрепленной в нем неподвижной осью, упомянутые средства вращения рабочих колес выполнены независимыми друг от друга и состоящими из статорного узла электродвигателя, размещенного на неподвижной оси, и роторного узла электродвигателя, размещенного на ободе и/или на диске рабочего колеса, при этом, по меньшей мере, статорный и/или роторный узел электродвигателя обладают возможностью подключения к отдельному источнику электроэнергии и размещены относительно друг друга с возможностью магнитного взаимодействия между ними.
Указанный результат достигается в большей степени, если, по меньшей мере, один источник электроэнергии выполнен регулируемым.
Указанный результат, в частности, достигается тем, что роторный узел электродвигателя включает токопроводящий короткозамкнутый элемент, а статорный узел электродвигателя выполнен в виде размещенной на магнитопроводе токопроводящей обмотки, обеспечивающей возможность создания вращающегося магнитного поля и подключенной к источнику двухфазного переменного тока или трехфазного переменного тока или источнику импульсного тока.
Указанный результат, в частности, достигается тем, что токопроводящий короткозамкнутый элемент выполнен в виде размещенной на магнитопроводе короткозамкнутой обмотки.
Указанный результат, в частности, достигается тем, что токопроводящий короткозамкнутый элемент выполнен в виде сплошного металлического стакана, или чаши, или диска.
Указанный результат, в частности, может быть достигнут и тем, что роторный узел электродвигателя выполнен в виде группы расположенных по окружности рабочего колеса постоянных магнитов, а статорный узел - в виде группы обмоток, подключенных к выходам коммутируемого источника постоянного тока и расположенных по окружности неподвижной оси компрессора.
На чертежах показан биротативный компрессор в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 1 показана конструктивная схема биротативного компрессора в продольном сечении.
На фиг. 2 показано поперечное сечение рабочего колеса биротативного компрессора по А-А на фиг. 1 с выполнением роторного узла электродвигателя в виде токопроводящего короткозамкнутого элемента, а статорного узла - в виде токопроводящей обмотки для создания вращающегося магнитного поля.
На фиг. 3 показано поперечное сечение рабочего колеса биротативного компрессора с выполнением роторного узла электродвигателя в виде группы расположенных по окружности рабочего колеса постоянных магнитов, а статорного узла - в виде группы обмоток, подключенных к выходам коммутируемого источника постоянного тока и расположенных по окружности неподвижной оси компрессора.
На фиг. 4 показана схема, иллюстрирующая возможность использования предложенного биротативного компрессора в составе газотурбинной установки.
Предложенную конструктивную схему биротативного компрессора рассмотрим на примере трехступенчатого компрессора (фиг. 1). Однако число ступеней биротативного компрессора не ограничено тремя и определяется исходя из заданных его параметров с использованием известных формул.
Биротативный компрессор содержит ступени компрессора с установленными на индивидуальных опорах Г вращения (выполненных, например, в виде подшипников качения или скольжения) рабочими колесами 2, 3, 4, включающими диски 5, 6, 7 с ободьями 8, 9, 10 и венцы 11, 12, 13 рабочих лопаток (на фиг. 1 в каждом из венцов показана только одна рабочая лопатка). Соседние лопаточные венцы 11, 12 и 13 выполнены с закруткой пера лопаток в противоположных направлениях. Ободья 8, 9, 10 имеют ширину, достаточную для размещения и крепления на них рабочих лопаток венцов 11, 12, 13.
Рабочие колеса 2, 3, 4 снабжены средствами 14, 15, 16 их вращения, выполненными независимыми друг от друга. Под независимым в рамках настоящей заявки понимается такое средство вращения рабочего колеса компрессора, которое обладает возможностью обеспечивать вращение соответствующего рабочего колеса с заданными параметрами (например, с заданной частотой вращения) независимо от средств вращения других колес.
Средства 14, 15, 16 вращения обладают возможностью обеспечения вращения соседних рабочих колес 2, 3, 4 в противоположных направлениях. Индивидуальные опоры 1 установлены на неподвижной оси 17, закрепленной в корпусе 18 компрессора, например, с помощью пилонов 19, размещенных равномерно по окружности корпуса 18. Пилоны 19 могут одновременно использоваться в качестве элементов направляющего аппарата компрессора.
Каждое из средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес включает статорный узел 20 электродвигателя, размещенный на неподвижной оси 17, и роторный узел 21 электродвигателя, размещенный на рабочем колесе, в частности на внутренней стороне обода или непосредственно на диске (т.е. на той его части, которую принято называть «полотно» диска) или одновременно и на внутренней стороне обода, и на диске (как показано на фиг. 1). С целью исключения загромождения чертежа (фиг. 1) статорный и роторный узлы электродвигателя снабжены цифровыми обозначениями 20 и 21 только для рабочего колеса 4. Идентичные узлы имеются на рабочих колесах 2 и 3.
Статорный узел 20 электродвигателя каждого из средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес размещают относительно роторного узла 21 электродвигателя таким образом, чтобы была обеспечена возможность магнитного взаимодействия между ними. Для усиления такого взаимодействия один их узлов 20 или 21 или оба указанных узла снабжают наборным магнитопроводом 22 в виде пакета пластин из магнитомягкого материала.
Такие пары «статорный узел электродвигателя - роторный узел электродвигателя» на рабочих колесах 2, 3 или 4 образуют независимые электродвигатели привода вращения рабочих колес.
По меньшей мере, статорный узел 20 или роторный узел 21 электродвигателя привода вращения каждого рабочего колеса обладают возможностью подключения к отдельному источнику электроэнергии (на фиг. 1 не показан). В частном случае такой источник может быть выполнен регулируемым, т.е. обеспечивающим возможность точного задания (и регулирования) частоты вращения и/или крутящего момента упомянутого электродвигателя. Регулируемыми могут быть выполнены как все источники электроэнергии, подключенные к электродвигателям привода вращения рабочих колес 2, 3, 4 компрессора, так и только часть источников электроэнергии электродвигателей привода вращения рабочих колес, а остальные источники электроэнергии привода вращения рабочих колес компрессора могут быть выполнены нерегулируемыми с фиксированным (заданным) значением частоты тока или частоты выходных импульсов.
В качестве примера выполнения статорного и роторного узлов электродвигателя привода вращения рабочих колес может быть приведен следующий (см. фиг. 1 и 2): роторный узел 21 электродвигателя включает распределенный по окружности обода и/или диска рабочего колеса токопроводящий короткозамкнутый элемент 23, а статорный узел 20 электродвигателя выполнен в виде токопроводящей обмотки 24, размещенной на магнитопроводе 22 статорного узла и распределенной по окружности неподвижной оси 17. Токопроводящая обмотка 24 обеспечивает возможность создания вращающегося магнитного поля и обладает возможностью подключенной к отдельному источнику электроэнергии, например источнику двухфазного переменного тока или трехфазного переменного тока или источнику импульсного тока (клеммы для подключения токопроводящих обмоток к указанным источникам и сами источники электроэнергии на фиг. 1 и 2 не показаны). Токопроводящий короткозамкнутый элемент 23 может быть выполнен в виде размещенной на магнитопроводе 22 роторного узла короткозамкнутой обмотки, например медной обмотки типа «беличье колесо». Для снижения массы роторного узла 21 электродвигателя токопроводящий короткозамкнутый элемент 23 может быть выполнен в виде сплошного стакана, или чаши, или диска, или кольца, например, из алюминия. Указанное сочетание распределенной по окружности статорного узла 20 токопроводящей обмотки 24 и распределенного по окружности обода и/или диска рабочего колеса токопроводящего короткозамкнутого элемента 23 соответствует конструктивной схеме асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
Роторный узел электродвигателя любого из средств вращения рабочих колес может быть через коллектор также подключен к источнику электроэнергии (в частном случае это может быть тот же источник, к которому подключен и статорный узел электродвигателя), что соответствует конструктивной схеме универсального коллекторного электродвигателя. В этом случае в качестве источника электроэнергии может использоваться как источник постоянного, так и источник переменного тока.
В частной форме выполнения при оснащении рабочих колес токосъемными кольцами токопроводящая обмотка, обеспечивающая возможность создания вращающегося магнитного поля и подключенная к источнику двухфазного или трехфазного переменного тока или к источнику импульсного тока, может быть размещена на магнитопроводе по окружности обода или диска рабочего колеса (в таком случае она будет выступать в качестве роторного узла электродвигателя). Короткозамкнутый элемент в таком случае размещается на магнитопроводе по окружности неподвижной оси.
Еще в одной частной форме выполнения роторный узел 21 электродвигателя может быть выполнен в виде группы расположенных по окружности рабочего колеса постоянных магнитов 49 (фиг. 3), в частности, намагниченных в радиальном направлении, а статорный узел 20 - в виде группы расположенных по окружности неподвижной оси 17 токопроводящих обмоток 24, обладающих возможностью их подключения к выходам коммутируемого источника постоянного тока (на фиг. 1 и 3 не показан). Токопроводящие обмотки 24 размещены в пазах магнитопровода 22 статорного узла. Такое сочетание коммутируемых обмоток и расположенных по окружности постоянных магнитов 49 соответствует схеме бесколлекторного двигателя постоянного тока, аналогичного описанному в патенте РФ №2072614, кл. Н02К 23/54, оп. 27.01.1997.
Возможность подключения статорного узла 20 или роторного узла 21 электродвигателя привода вращения рабочих колес 2, 3, 4 биротативного компрессора к отдельному источнику электроэнергии позволяет выбрать для каждого колеса источник электроэнергии с такими заданными параметрами (например, с такой частотой переменного тока для асинхронного электродвигателя или с такой частотой коммутации управляющих импульсов постоянного тока для бесколлекторного электродвигателя постоянного тока), которые обеспечат оптимальное (с точки зрения аэродинамики) соотношение частот вращения рабочих колес.
При использовании регулируемых источников электроэнергии такая оптимизация может быть достигнута еще легче в процессе работы и непрерывного регулирования биротативного компрессора.
Рассмотрим пример использования предложенного биротативного компрессора с независимыми электроприводами его рабочих в составе газотурбинной установки (далее ГТУ) (фиг. 4).
Вход биротативного компрессора связан с атмосферой, а его выход через воздушный тракт 25 ГТУ подсоединен к первому входу камеры сгорания 26, выходом связанной с газовой турбиной 27, на валу которой установлен электрогенератор 28. В качестве электрогенератора 28 могут быть использованы генератор переменного тока или генератор постоянного тока. Ко второму входу камеры сгорания 26 подключен выход топливного насоса 29, вход которого связан топливной магистралью, например, с топливным баком ГТУ (не показан). На выходе топливного насоса 29 установлен датчик 30 расхода топлива, а на выходе газовой турбины 27 - датчик 31 температуры газа за турбиной. Электрогенератор 28 снабжен датчиком 32 частоты вращения его вала. На входе компрессора установлен датчик 33 полного давления газа и датчик 34 температуры газа, а на выходе компрессора установлен датчик 35 полного давления газа и датчик 36 температуры газа. Компрессор оснащен датчиками частоты вращения 37, 38 и 39 соответственно рабочих колес 2, 3 и 4. Выходы датчиков 33, 34, 35, 36, 37, 38 и 39 подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и седьмому входам системы 40 управления газотурбинной установкой. Выходы датчиков 30, 31 и 32 подключены соответственно к восьмому, девятому и десятому входам системы 40 управления ГТУ, к одиннадцатому входу которой подключен электрический выход рычага 42 управления ГТУ. Выход электрогенератора 28 силовым питающим кабелем 41 связан с силовыми входами первого 43, второго 44 и третьего 45 контроллеров электродвигателей, входы управления которых связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами системы 40 управления ГТУ. Силовые выходы контроллеров 43, 44 и 45 электродвигателей подсоединены к токопроводящим обмоткам 24 статорных узлов 20 электродвигателя соответственно первого 2, второго 3 и третьего 4 рабочих колес компрессора. Силовой питающий кабель 41 снабжен датчиком напряжения 46 (преобразователем напряжения в измерительный сигнал), связанным с двенадцатым входом системы 40 управления ГТУ. Четвертый выход системы 40 управления ГТУ связан с входом управления топливного насоса 29.
В частном случае выполнения биротативного компрессора вал электрогенератора 28 (который одновременно является валом турбины 27) через муфту сцепления 47 может быть связан со стартером (автономным пусковым агрегатом) 48 (например, бензиновым или газотурбинным, работающим на авиационном керосине), имеющим вход для подачи топлива. В альтернативе в качестве стартера может быть использована турбина, раскручиваемая сжатым воздухом от внешнего источника (пневмостартер).
В другом частном случае выполнения в случае отсутствия стартера 48 с муфтой сцепления 47 ГТУ может быть оснащена аккумуляторной батареей, обладающей возможностью в период запуска ГТУ подключения к силовым входам контроллеров электродвигателей 43, 44 и 45 с одновременным отключением этих входов от генератора 28 (упомянутые средства подключения или отключения, а также аккумуляторная батарея не показаны в силу их общеизвестности).
Работу биротативного компрессора с независимым электроприводом его ступеней рассмотрим на следующих примерах.
Биротативный компрессор может использоваться как автономно, так и в составе описанной выше газотурбинной установки. Рассмотрим примеры автономной работы компрессора при различных формах выполнения средств вращения рабочих колес.
Пример 1. При автономной работе компрессора, выполненного по конструктивной схеме, показанной на фиг. 2, токопроводящие обмотки статорных узлов электродвигателей рабочих колес компрессора подключают к независимым источникам двухфазного или трехфазного переменного тока, по меньшей мере, часть из которых выполнена регулируемыми (например, с регулируемой частотой). Роторные узлы электродвигателей рабочих колес компрессора, как было указано выше, представляет собой токопроводящие короткозамкнутые элементы (короткозамкнутые обмотки). Запуск электродвигателей производится с помощью пусковых устройств общеизвестной конструкции (не показаны). Необходимое направление вращения каждого рабочего колеса (в соответствии с направлением закрутки лопаток колеса) задают соответствующим направлением вращения магнитного поля, которое определяется последовательностью подключения обмоток статора к источнику тока. Независимо изменяя частоту каждого источника переменного тока (не показаны), выводят рабочие колеса 2, 3 и 4 на заданный для каждого из них (в соответствии с заранее выполненным газодинамическим расчетом) режим работы.
Пример 2. При автономной работе компрессора, выполненного по конструктивной схеме, показанной на фиг. 3, токопроводящие обмотки каждого из статорных узлов электродвигателей рабочих колес компрессора подключают к системе коммутации обмоток, обычно используемой для управления бесколлекторными двигателями постоянного ток, и выполненной, например, в соответствии с публикацией http://www.avislab.com/blog/brushless04/. Регулируя частоту коммутации обмоток статорного узла электродвигателя рабочего колеса, оператор выводит его за заданный режим работы. Направление вращения рабочих колес 2, 3, 4 определяется порядком коммутации обмоток статорных узлов электродвигателей биротативного компрессора.
Пример 3. Рассмотрим работу компрессора в составе описанной выше газотурбинной установки (ГТУ).
Процедура запуска ГТУ в наземных условиях
До начала работы установки рычаг 42 управления ГТУ (далее - РУД) находится в положении «Выключено». Рабочие колеса 2, 3 и 4 компрессора, турбина 31 с установленным на ее валу электрогенератором 28 и стартер 48 остановлены. После перевода РУД в положение "Малый газ" и включения питания (например, автономного) системы 40 управления газотурбинной установкой осуществляется раскрутка генератора 28 с установленной на том же валу газовой турбиной 27 с помощью стартера 48. При этом электрический ток подается от электрогенератора 28 через силовой питающий кабель 41 на силовые входы первого 43, второго 44 и третьего 45 контроллеров электродвигателей 43, 44, 45. На входы управления контроллеров 43, 44, 45 от системы 40 поступают сигналы, обеспечивающие как пуск каждого из средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес (для варианта конструкции, показанной на фиг. 4, упомянутые средства вращения представляют собой асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором), так и вращение рабочих колес 2, 3, 4 с расчетной скоростью, заданной для режима «малого газа». При этом обеспечивается необходимое для правильной работы биротативного компрессора вращение соседних рабочих колес в противоположных направлениях. Например, если рабочее колесо 2 вращается в направлении по часовой стрелке (если смотреть со стороны входа компрессора), то рабочее колесо 3 должно вращаться в направлении против часовой стрелки, а рабочее колесо 4 - в направлении по часовой стрелке. Воздух, сжатый биротативным компрессором, по воздушному тракту 25 ГТУ поступает на вход камеры 26 сгорания.
При получении от датчиков давления, температуры и частоты вращения 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 информации о том, что все ступени компрессора выведены на режим "малого газа", система 40 управления газотурбинной установкой включает топливный насос 29 и дает команду на розжиг камеры 26 сгорания и вывод турбины 27 на рабочий режим. При достижении заданной температуры за турбиной 27, о которой судят по сигналу датчика 31 температуры за турбиной, система управления газотурбинной установкой 40 отключает стартер 48 с помощью муфты сцепления 47 и выводит ГТУ на режим "холостого хода". Вырабатываемая на валу турбины 27 мощность используется для вращения электрогенератора 28, а электрическая энергия, вырабатываемая электрогенератором 28, расходуется только на собственные нужды ГТУ.
Как указывалось выше, может быть осуществлен запуск газотурбинной установки альтернативным способом, в частности путем непосредственной раскрутки рабочих колес 2, 3, 4 компрессора с помощью средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес с последующим розжигом камеры 26 сгорания и выводом турбины с 27 с электрогенератором 28 на номинальный режим работы ГТУ. В этом случае необходимо подключение дополнительного внешнего источника тока (например, аккумуляторной или конденсаторной батареи достаточной мощности) к силовым входам контроллеров 43, 44, 45, генерирующих на своих силовых выходах переменные токи и напряжения, требующиеся для запуска и работы средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес биротативного компрессора, выполненных, в данном случае, в виде асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.
На следующем этапе ГТУ с биротативным компрессором выводят на рабочий режим. Для этого рычаг 42 РУД переводят в положение «Номинал». В соответствии с этим система 40 управления ГТУ посредством контроллеров 43, 44, 45 электродвигателей увеличивает частоту вращения ступеней 2, 3, 4 биротативного компрессора, повышая тем самым подачу сжатого воздуха на вход камеры 26 сгорания. Одновременно система 40 управления ГТУ посредством топливного насоса 29 увеличивает расход топлива, подаваемого в камеру 26 сгорания. Соответственно, возрастает механическая мощность на валу турбины и электрическая мощность, вырабатываемая электрогенератором 28.
С учетом выбранного оператором положения рычага 41 РУД, текущих показаний датчиков 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 и 39 давления, температуры, частот вращения рабочих колес биротативного компрессора и электрогенератора 32, расхода топлива система 40 управления газотурбинной установкой выдает соответствующие сигналы на увеличение либо уменьшение подачи топлива в камеру сгорания с целью поддержания заданной для режима частоты вращения электрогенератора 28.Таким образом, система 40 компенсирует возникающие в процессе работы ГТУ изменения параметров внешней среды на входе в компрессор, а также изменения электрической нагрузки электрогенератора 28 путем регулировки оборотов каждого рабочего колеса по заранее разработанному алгоритму. Отработавшие в турбине 27 газы через систему газоочистки и удаления (не показана) выбрасываются в атмосферу.
Выключение ГТУ
При переводе РУД в положение "Выключено" система 40 управления газотурбинной установкой плавно уменьшает производительность топливного насоса 29. При этом уменьшается температура газов в камере сгорания, соответственно уменьшается энергия газов, вращающих турбину 27, генератор 28 снижает вырабатываемую мощность. Одновременно система 40 ведет управление контроллерами 43, 44, 45 электродвигателей рабочих колес биротативного компрессора в сторону плавного и согласованного уменьшения частот их вращения.