ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ДЛЯ УСТРОЙСТВ, ПОДДЕРЖИВАЕМЫХ РОТОРОМ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
POWER SUPPLY FOR DEVICES SUPPORTED BY AIRCRAFT ENGINE ROTOR

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к подаче электроэнергии к электрическим устройствам, несомым ротором авиационного двигателя.
Область применения изобретения более точно является областью применения авиационных двигателей, особенно газотурбинных двигателей. В частности, изобретение относится к двигателю с вентилятором без обтекателя, содержащему два вращающихся в противоположных направлениях ротора, каждый из которых имеет регулируемые лопасти.
Существуют двигатели, в которых ротор имеет регулируемые лопасти. Ориентация лопастей может быть изменена во время полета для обеспечения оптимизированной работы двигателя. Это особенно касается двигателей турбовинтовентиляторного без внешнего обтекателя винтовентилятора (открытый ротор), содержащих два вращающихся в противоположных направлениях ротора, каждый из которых имеет регулируемые лопасти. Например, ориентация лопастей может быть изменена электромеханическим приводом, поддерживаемым ротором.
Электроэнергия должна передаваться к ротору для питания такого привода. Для этого обычно используется щеточное устройство. Однако щеточные устройства обычно являются менее надежными и подвержены быстрому износу. Следовательно, они нуждаются в регулярном обслуживании. Также они обычно являются тяжелыми и громоздкими и могут поднять вопрос совместимости с окружающими маслами.
Для решения этих проблем документ FR 2 712 250 предлагает использование электродвигателя, статор которого неподвижен, а ротор которого не имеет электрической связи со статором и прикреплен к зубчатому колесу, соединенному механически с лопастями, которые должны ориентироваться. Это решение, таким образом, задает механическую связь между электродвигателем и лопастями. Неподвижная часть электродвигателя, следовательно, не может быть расположена свободно, что влечет за собой ограничения проектирования. Также на уровне ротора недоступна электроэнергия для питания электрических устройств. Этот же документ, таким образом, предлагает использование вращающегося трансформатора для питания замка.
Когда мощность, которая должна быть передана, высокая, вращающийся трансформатор обычно является тяжелым и громоздким устройством. Также необходимо питать его из источника, имеющего мощность, которая соответствует мощности, требуемой на уровне ротора. Необходимы преобразователь мощности и источник энергии, рассчитанные на высокую мощность.
ЦЕЛЬ И СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является предоставление авиационного двигателя с регулируемыми лопастями, который освобожден от, по меньшей мере, некоторых недостатков вышеупомянутого предшествующего уровня техники. В частности, целью изобретения является передача электроэнергии к роторам двигателя с вращающимися в противоположных направлениях роторами надежно и без необходимости в тяжелом и громоздком устройстве.
Для этой цели изобретение предлагает авиационный двигатель, содержащий:
- статор,
- основной вал, первый ротор и второй ротор,
- передаточный механизм, способный преобразовывать вращение основного вала во вращение первого ротора в первом направлении и во вращение второго ротора во втором направлении, противоположном упомянутому первому направлению,
- по меньшей мере, одно первое электрическое устройство, несомое первым ротором, и, по меньшей мере, одно второе электрическое устройство, несомое вторым ротором,
согласно изобретению он содержит:
- по меньшей мере, одну первую обмотку возбуждения, несомую статором,
- блок управления, способный вызывать течение постоянного электрического тока в упомянутой первой обмотке возбуждения,
- по меньшей мере, одну первую обмотку якоря, несомую первым ротором и соединенную с упомянутым первым электрическим устройством, и, по меньшей мере, одну вторую обмотку якоря, несомую вторым ротором и соединенную с упомянутым вторым электрическим устройством.
Из-за этих особенностей нет необходимости использовать щеточное устройство для передачи энергии ротору. Действительно, вместе с первой обмоткой якоря и/или со второй обмоткой якоря первая обмотка возбуждения формирует синхронный генератор, производящий электроэнергию, доступную на уровне ротора.
Согласно варианту осуществления в одном положении основного вала упомянутая первая обмотка возбуждения расположена между первой обмоткой якоря и второй обмоткой якоря.
В этом случае первая обмотка возбуждения является общей для обмоток якоря, ограничивая габариты.
Первая обмотка возбуждения может представить ось, ориентированную параллельно оси вращения основного вала.
Согласно другому варианту осуществления двигатель содержит, по меньшей мере, одну вторую обмотку возбуждения, несомую статором, и в которой для одного положения основного вала первая обмотка возбуждения обращена к первой обмотке якоря, а вторая обмотка возбуждения обращена ко второй обмотке якоря.
В этом случае первая обмотка возбуждения и первая обмотка якоря формируют синхронный генератор, производящий электроэнергию, доступную на уровне первого ротора. Соответственно, вторая обмотка возбуждения и вторая обмотка якоря формируют синхронный генератор, производящий электроэнергию, доступную на уровне второго ротора. Блок управления может регулировать постоянный ток каждого генератора независимо, как функцию электроэнергии, которая должна генерироваться для каждого ротора.
Первая обмотка возбуждения и вторая обмотка возбуждения могут быть расположены рядом в осевом направлении. Первая обмотка возбуждения и вторая обмотка возбуждения могут также быть расположены на одинаковом расстоянии от основного вала в радиальном направлении.
Это ограничивает пространство, занимаемое обмотками в радиальном направлении.
Согласно варианту первая обмотка возбуждения и вторая обмотка возбуждения расположены в одном и том же месте в осевом направлении и на различных расстояниях от основного вала в радиальном направлении.
Такое расположение ограничивает пространство, занимаемое в осевом направлении.
Блок управления может питаться от генератора с постоянными магнитами и/или от бортовой сети.
Генератор с постоянными магнитами обеспечивает автономность функционирования.
Согласно варианту осуществления блок управления способен вызывать течение переменного электрического тока в упомянутой первой обмотке возбуждения.
Таким образом, даже когда основной вал на холостом ходу или вращается на малой скорости, электроэнергия может передаваться к роторам благодаря обмоткам, работающим в режиме трансформатора.
В режиме работы синхронного генератора обмотка возбуждения или обмотки возбуждения только генерируют магнитный поток генератора. Следовательно, электроэнергия, доступная на уровне обмоток якоря, отбирается механически из основного вала и роторов. Энергия, необходимая для питания обмотки возбуждения, соответствует только незначительной части электроэнергии, доступной на уровне роторов, что является благоприятным для размеров блока управления.
В режиме работы трансформатора энергия, доступная на уровне обмоток якоря ротора, происходит почти исключительно от энергии, введенной в обмотку возбуждения статора или обмотки возбуждения статора. Если мощность, требуемая на малой скорости, должна поддерживаться на том же уровне, вместе с этим режимом работы трансформатора, это будет касаться определения мощности блока управления. Однако в большинстве случаев роторные устройства (удаление инея и привод регулировки лопастей) будут требовать значительно меньшую мощность на малых скоростях вращения, поскольку это далеко от их номинального эксплуатационного режима. Следовательно, этот режим работы трансформатора машин не приведет к превышению размеров блока управления. В случае, где питание блока управления может быть достигнуто из альтернативной сети, такой как электрическая сеть 3×115 В (переменного тока) 400-800 Гц, последняя может непосредственно питать обмотки возбуждения статора переменным током, упрощая блок управления, которому больше не надо включать в себя инверторный каскад.
Согласно варианту осуществления, по меньшей мере, одно упомянутое электрическое устройство содержит первый электромеханический привод, способный изменять ориентацию лопасти, несомой первым ротором, и, по меньшей мере, одно второе электрическое устройство содержит второй электромеханический привод, способный изменять ориентацию лопасти, несомой вторым ротором.
По меньшей мере, одно упомянутое первое электрическое устройство может содержать первое устройство антиобледенения, и, по меньшей мере, одно второе упомянутое электрическое устройство может содержать второе устройство антиобледенения.
Согласно варианту осуществления двигатель содержит, по меньшей мере, одну вторую обмотку возбуждения, несомую первым ротором и соединенную с упомянутой первой обмоткой якоря. Для одного положения основного вала вторая обмотка возбуждения обращена ко второй обмотке якоря.
В этом варианте осуществления вторая обмотка возбуждения и вторая обмотка якоря формируют электрический генератор, производящий энергию на уровне второго ротора без статора, нуждающегося в дополнительной обмотке возбуждения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понято из следующего описания, посредством указания, хотя и неограничивающего, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 представляет собой вид в перспективе авиационного двигателя согласно варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 представляет собой частичный вид в разрезе двигателя на фиг. 1.
Фиг. 3-7 представляют собой виды, подобные фиг. 2, показывающие другие варианты осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 иллюстрирует вид в перспективе авиационного двигателя 1, показанного очень схематически. Двигатель 1 является двигателем с вентилятором без обтекателя, имеющим два вращающихся в противоположных направлениях ротора. Каждый ротор несет регулируемые лопасти. Фиг. 2 схематически иллюстрирует часть двигателя 1 на уровне передаточного механизма (силовой редуктор) для преобразования вращения основного вала во вращение роторов в двух противоположных направлениях.
Двигатель 1 содержит корпус 2, на котором закреплен статор, и основной вал 3, приводимый во вращение, например, газовой турбиной (не показана). Двигатель 1 также содержит ротор 4 и ротор 5. Подшипники 7 обеспечивают возможность вращения основного вала 3 и роторов 4 и 5 по отношению к корпусу 2.
Передаточный механизм 6 соединяет основной вал 3 с ротором 4 и с ротором 5. Более точно, когда основной вал 3 поворачивается в первом направлении, передаточный механизм 6 приводит в движение ротор 5 в том же первом направлении, а ротор 4 - во втором, противоположном, направлении. Передаточный механизм 6 также уменьшает скорость вращения. Следовательно, например, для типичной скорости вращения основного вала 3, составляющей +6000 об/мин ротор 5 вращается со скоростью +900 об/мин, а ротор 4 вращается со скоростью -900 об/мин.
Ротор 4 несет регулируемые лопасти (не показаны). Электромеханический привод (не показан), несомый ротором 4, позволяет изменять ориентацию этих лопастей. Ротор 4 также несет устройство антиобледенения (не показано), содержащее электрические сопротивления, встроенные в лопасти. Ротор 5 соответственно несет регулируемые лопасти, электромеханический привод и устройство антиобледенения. В качестве варианта роторы 4 и 5 несут нерегулируемые лопасти.
Теперь будут описаны элементы, обеспечивающие возможность подачи электроэнергии к электрическим устройствам, несомым роторами 4 и 5, а именно электромеханическим приводам и вышеупомянутым устройствам антиобледенения.
Фиг. 2 иллюстрирует обмотку 8 возбуждения, несомую статором корпуса 2, и обмотку 10 якоря, несомую ротором 5. В проиллюстрированном положении основного вала 3 обмотка 8 возбуждения и обмотка 10 якоря обращены друг к другу. Обмотка 8 якоря соединена с электрическими устройствами, несомыми ротором 5. Соответственно статор корпуса 2 несет обмотку 9 возбуждения, обращенную к обмотке 11 якоря, несомой ротором 4. Обмотка 11 якоря соединена с электрическими устройствами, поддерживаемыми ротором 4.
На практике каждая одна из обмоток 8 и 9 возбуждения и обмоток 10 и 11 якоря формируют часть множества соответствующих обмоток, распределенных по окружности. Когда ниже делается ссылка на обмотку, должно быть понятно, что это обозначает набор обмоток, часть которых она формирует.
Блок 12 управления соединен с обмотками 8 и 9 возбуждения. Блок 12 управления питается от генератора 13 с постоянными магнитами, установленного на основном валу 3 и на корпусе 2. В дополнение или вместо питания от генератора 13 блок 12 управления может питаться от бортовой сети летательного аппарата.
Теперь будет описана работа двигателя 1.
Когда основной вал 3 двигателя 1 вращается, он приводит во вращение роторы 4 и 5. Таким образом, обмотки 10 и 11 якоря вращаются и проходят перед обмотками 8 и 9 возбуждения. Блок 12 управления питается от генератора 13 и/или бортовой сети и питает обмотки 8 и 9 возбуждения постоянным током.
Благодаря магнитным полям, генерируемым обмотками 8 и 9 возбуждения, и вращению роторов 4 и 5, генерируется электрическое напряжение в обмотках якоря 10 и 11. Другими словами, обмотка 8 возбуждения и обмотка 10 якоря формируют синхронный генератор, производящий переменное напряжение, доступное на уровне ротора 5. Обмотка 9 возбуждения и обмотка 11 якоря соответственно формируют синхронный генератор, производящий переменное напряжение, доступное на уровне ротора 4. Блок 12 управления может регулировать напряжение и величины постоянного тока в обмотках 8 и 9 возбуждения, так что мощность, доступная у роторов 4 и 5, соответствует требуемым уровням мощности.
Результирующие переменные напряжения питают электрические устройства, несомые роторами 4 и 5. Более точно, для каждого ротора устройство антиобледенения может иметь простую конструкцию, содержащую провода, соединяющие элементы, и резистивные нагревательные элементы. Оно может питаться непосредственно от обмоток якоря, без необходимости в силовой электронике, несомой ротором. Электромеханический привод, регулирующий лопасти, может питаться от обмоток якоря через преобразователь мощности, несомый ротором.
Таким образом, отсутствует необходимость в использовании щеточных устройств для питания электрических устройств, поддерживаемых роторами 4 и 5. Также согласно конструкции двигателя 1 обмотки могут быть расположены независимо от электрических устройств, которые должны питаться, и лопастей, поскольку электрическая энергия может быть легко передана к роторам 4 и 5 по проводам.
Также возможно питать электрические устройства, несомые роторами 4 и 5, когда двигатель 1 не работает, то есть, когда основной вал 3 и роторы 4 и 5 не вращаются относительно корпуса 2. Для этого блок 12 управления питает обмотки 8 и 9 возбуждения переменным напряжением. Обмотка 8 возбуждения и обмотка 10 якоря затем формируют трансформатор, передающий переменное напряжение, доступное на уровне ротора 5. Обмотка 9 возбуждения и обмотка 11 якоря соответственно формируют трансформатор, который передает переменное напряжение, доступное на уровне ротора 4. Режим работы трансформатора может также использоваться на малых скоростях вращения, когда вращение роторов 4 и 5 не производит достаточное напряжение в режиме работы синхронного генератора.
В режиме работы синхронного генератора требуемые уровни электроэнергии в роторах 4 и 5, по существу, основываются на вращении основного вала 3. Электроэнергия, которая должна быть предоставлена блоком 12 управления для питания обмоток 8 и 9 возбуждения постоянным током, не очень высока.
Также режим работы трансформатора может использоваться, по существу, во время фаз технического обслуживания, когда самолет находится на земле, например, для проверки правильной работы электромеханических приводов регулировки лопастей и связанной силовой электроники. В этом случае аэродинамические силы, действующие на лопасти, не очень высоки. Также в этих ситуациях антиобледенение не используется или используется на низкой мощности. Электроэнергия, которая должна быть предоставлена блоком 12 управления для питания обмоток 8 и 9 возбуждения переменным напряжением, соответственно не очень высока.
Можно увидеть, что в обоих режимах работы от блока 12 управления не требуется подача высокой электрической мощности. Блок 12 управления, следовательно, может быть рассчитан на небольшую электрическую мощность, что приводит к уменьшенной массе и габаритам. Блок 12 управления, следовательно, не создает больших тепловых потерь и может быть помещен в зоне летательного аппарата, предлагающей хорошие условия работы, известной как "контролируемая зона".
Фиг. 3-5 представляют собой фигуры, подобные фиг. 2, и иллюстрируют другие варианты осуществления. На этих фигурах элементы, идентичные или подобные элементам на фиг. 2, обозначены теми же номерами позиций и не описаны более подробно.
Вариант осуществления на фиг. 3 почти идентичен варианту осуществления на фиг. 2. На фиг. 3 обмотки 8 и 9 возбуждения расположены рядом в осевом направлении, то есть в направлении, параллельном оси вращения основного вала 3 и роторов 4 и 5. Обмотки 8 и 9 возбуждения также расположены на одинаковом расстоянии от основного вала 3 в радиальном направлении. Подобным образом обмотки 10 и 11 якоря расположены рядом в осевом направлении и на одинаковом расстоянии от основного вала 3 в радиальном направлении. Для сравнения на фиг. 2 обмотка 9 возбуждения и обмотка 11 якоря находятся немного дальше от основного вала 3, чем обмотка 8 возбуждения и обмотка 10 якоря соответственно. Компоновки на фиг. 2 и 3 ограничивают пространство, занимаемое обмотками в радиальном направлении.
В варианте осуществления на фиг. 4 в осевом направлении обмотки 8 и 9 возбуждения и обмотки 10 и 11 якоря расположены в одном и том же местоположении. В радиальном направлении обмотка 9 возбуждения и обмотка 11 якоря находятся еще дальше от вала, чем обмотка 8 возбуждения и обмотка 10 якоря. Такое расположение ограничивает пространство, занимаемое обмотками в осевом направлении.
В варианте осуществления на фиг. 5 двигатель 1 содержит обмотку 8 возбуждения, которая в проиллюстрированном положении основного вала 3 обращена к обмоткам 10 и 11 якоря. Другими словами, вместе с обмоткой 10 якоря обмотка 8 возбуждения формирует первый синхронный генератор, а с обмоткой 11 якоря формирует второй синхронный генератор. Обмотка 8 возбуждения является общей для двух генераторов. Путем ограничения количества используемых обмоток компоновка на фиг. 5 уменьшает вес и габариты обмоток.
В дополнение ориентация обмоток на фиг. 5 отличается от ориентации на фиг. 2-4. Магнитный поток генерируется в осевом и нерадиальном направлении. Эта отличающаяся ориентация позволяет по-разному занимать пространство. Выбор ориентации позволяет учитывать доступное пространство во время проектирования двигателя 1.
Работа варианта осуществления на фиг. 5, по существу, идентична работе варианта осуществления на фиг. 2. Однако невозможно генерировать различные электрические мощности для каждого ротора, как в случае с предшествующими вариантами осуществления, где блок 12 управления может вызывать течение токов различных величин в обмотке 8 возбуждения и обмотке 9 возбуждения.
В варианте осуществления на фиг. 6 обмотки с 8 по 11 ориентированы ни радиально, ни продольно относительно основного вала 3. Такая компановка делает возможной специфическую интеграцию, ограничивая габариты и принимая во внимание ограничения проектирования.
В варианте осуществления на фиг. 7 ротор 5 поддерживает обмотку 20 возбуждения, соединенную с обмоткой 10 якоря соединением 21. В проиллюстрированном положении обмотка 20 возбуждения обращена к обмотке 11 якоря ротора 4.
Согласно первому варианту соединение 21 может содержать мостовой выпрямитель, образованный диодами. В этом случае обмотка 20 возбуждения питается постоянным током. Относительное вращение роторов 4 и 5 делает возможным генерирование электроэнергии в обмотке 11 якоря.
Согласно другому варианту соединение 21 может напрямую соединять обмотку 10 якоря с обмоткой 20 возбуждения. В этом случае обмотка 20 возбуждения питается переменным током и генерирует вращающееся магнитное поле. Вращающееся поле и относительное вращение роторов 4 и 5 делают возможным генерирование электроэнергии в обмотке 11 якоря согласно удвоенной скорости воздушного зазора относительно первого варианта описанного выше.