ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к системам автономного электроснабжения и запуска газотурбинных двигателей (ГТД).
Известна конструкция ГТД авиационного назначения (Иностранные авиационные двигатели, 2000: Справочник. М.: Изд. дом "Авиамир", 2000, стр.106), содержащая статор, роторы, опоры роторов, устройство с зубчатым приводом (коробку приводов) для передачи механической мощности от одного из роторов для привода агрегатов ГТД. На коробке приводов, помимо прочих агрегатов, в частности, установлены пусковое устройство двигателя (стартер) и электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию для обслуживания вспомогательных систем двигателя и нужд самолета.
Недостатком известного технического решения является конструктивная сложность, значительная трудоемкость изготовления, большая масса и габариты зубчатого привода. Кроме этого, следует отметить неизбежные потери мощности в его узлах трения и необходимость обеспечения подачи масла для смазки данных узлов.
Известна также конструкция газотурбинного двигателя ТРДЦ-50, разработанного АО "Омское моторостроительное конструкторское бюро" ("Двигатели 1944-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные". - М.: ООО "АКС - Конверсалт", 2000).
В этой конструкции ГТД для запуска и выработки на рабочем режиме электроэнергии применена электрическая машина обратимого действия, совмещающая функции пускового устройства и генератора электрического тока (стартер-генератор). Электрическая машина размещена непосредственно в масляной полости опоры ротора ГТД. При этом постоянные магниты, входящие в состав электрической машины, расположены на поверхности вала ротора, а статор с обмотками, охватывающий систему постоянных магнитов, закреплен на внутренней поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора ГТД.
В приведенной конструкции отсутствует необходимость в механическом зубчатом приводе от ротора ГТД к электрической машине, что существенно упрощает конструкцию двигателя и уменьшает его массу. При этом привод остальных агрегатов ГТД осуществляется при помощи электродвигателей.
Недостатком конструкции является малая мощность электрической машины, что связано с ограничением ее размеров габаритами компактной конструкции масляной полости опоры ротора ГТД, в которой она установлена. Кроме того, мощность машины ограничивает способ крепления системы постоянных магнитов на наружной поверхности вала ротора. Материал магнитов, представляющий собой магнитотвердый спеченный материал, кроме приклеивания не допускает иного более прочного способа неразъемного соединения (сварки, пайки и др.). Значительные центробежные нагрузки, действующие на указанные магниты, требуют использования бандажа (как правило, из композитного материала) для дополнительного закрепления этих элементов.
Известен газотурбинный двигатель по патенту РФ на изобретение №2252316, прототип. В этом двигателе, содержащем по меньшей мере один ротор турбокомпрессора, установленный в подшипниковых опорах, и по меньшей мере, одну встроенную в турбокомпрессор электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и установленный на корпусе подшипниковой опоре статор электрической машины с обмоткой, в соответствии с изобретением статор электрической машины укреплен на наружной поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессора. При этом система постоянных магнитов электрической машины может быть установлена на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора таким образом, чтобы данная система охватывала наружную поверхность статора электрической машины.
Недостатком двигателя является то, что при его эксплуатации значительно изменяются радиальные и осевые зазоры между статором и ротором газотурбинного двигателя. Для обеспечения максимального КПД и мощности электрической машины необходим минимально возможный радиальный зазор между ротором и статором газотурбинного двигателя, например 0,1…0,2 мм. Но если при сборке двигателя обеспечить такой зазор, то на некоторых режимах этот зазор превысит 2 мм, а при переходных режимах, например выключении двигателя, из-за того что лопатки турбокомпрессора остывают быстрее, чем ротора, возможно заклинивание. Использование центробежных сил, действующих на магниты для регулирования радиального зазора, упоминаемое в описании к этому патенту, конструктивно не проработано и нельзя считать удачным, потому что центробежные усилия достигают огромных величин и зависят от частоты вращения ротора и увеличивают радиальный зазор. Радиальные зазоры на максимальных режимах имеют максимальное значение, т.к. диски и лопатки ротора турбокомпрессора значительно больше вытягиваются от действия центробежных усилий, чем увеличивается диаметр статора турбокомпрессора от нагрева, кроме того, действие центробежных сил на магниты дополнительно увеличивает этот зазор, что ухудшает КПД электрической машины и уменьшает ее мощность. Например, при радиальном зазоре в 2 мм мощность электрической машины может снизиться в 2…4 раза, что в некоторых случаях не допустимо.
Задача создания изобретения: обеспечение максимальной мощности и КПД электрической машины на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
Решение указанных задач достигнуто в газотурбинном двигателе, содержащем, по меньшей мере, один ротор турбокомпрессора, установленный в подшипниковых опорах, и, по меньшей мере, одну встроенную в турбокомпрессор электрическую машину, содержащую систему постоянных магнитов, закрепленную на роторе турбокомпрессора, и статор электрической машины с обмоткой, установленный на корпусе подшипниковой опоры, отличающийся тем, что статор электрической машины укреплен на торцевой поверхности корпуса подшипниковой опоры ротора турбокомпрессора, а система постоянных магнитов электрической машины установлена с возможностью осевого перемещения в гнездах обоймы, закрепленной на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора против статора. Обойма подпружинена в сторону статора электрической машины. Магниты выполнены с возможностью контакта со статором электрической машины. На контактирующих поверхностях постоянных магнитов и статора электрической машины нанесены слои антифрикционного покрытия. Под обоймой установлено уплотнение.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
на фиг.1 приведена схема газотурбинного двигателя со встроенной электрической машиной,
на фиг.2 приведен разрез А-А.
В приведенном примере газотурбинный двигатель (фиг.1) содержит турбокомпрессор (показана лишь часть компрессора в месте расположения встроенной электрической машины), имеющий полый ротор турбокомпрессора 1. Вал 2 ротора 1 установлен в подшипниковой опоре 3. Внутри турбокомпрессора встроена электрическая машина 4, содержащая статор 5 электрической машины 4 с обмотками 6 и ее ротор 7 с постоянными магнитами 8. Статор 5 электрической машины 4 с обмотками 6 закреплен на торце «Т» корпуса 9 подшипниковой опоры 3. Внутри корпуса 9 выполнена масляная полость «Б» для смазки подшипниковой опоры 3. Крепление статора 5 можно осуществить, например, с помощью болтового или другого разъемного соединения. Постоянные магниты 8 электрической машины 4 представляют собой набор цилиндрических ступенчатой формы магнитных элементов, установленных в обойме 10 с возможностью осевого перемещения, например, при помощи пружин 11. Под обоймой 10 выполнено уплотнение 12, разделяющее полости «В» и «Г» турбокомпрессора. Постоянные магниты 8 могут находиться в постоянном контакте со статором 5 электрической машины 4. В этом случае зазор между статором и ротором электрической машины на всех режимах равен нулю. Для исключения перегрева от трения ротора 7 о статор 5 электрической машины 4 на их контактирующих поверхностях предусмотрено антифрикционное покрытие 13. От обмотки 6 отведены электрические провода 14 для подвода или съема электроэнергии.
Так как электрическая машина 4 установлена вне масляной полости «Б» подшипниковой опоры 3, а объем внутренней полости ротора заведомо больше масляной полости, то и располагаемый объем для размещения машины больше. Также значителен диаметр расположения электрической машины, а следовательно, скорости вращения магнитных полей. Это позволяет установить электрическую машину большей мощности. Встроенная электрическая машина на постоянных магнитах является машиной обратимого действия и может совмещать функции пускового устройства и генератора электрического тока.
Работа устройства осуществляется следующим образом. На режиме запуска газотурбинного двигателя в обмотку статора 6 электрической машины от постороннего источника, например аккумулятора, через преобразователь переменной частоты (фиг.1 и 2 не показаны) подается электрическое напряжение. В результате взаимодействия магнитных полей обмотки статора 6 и постоянных магнитов 8 последние, будучи жестко связаны с ротором турбокомпрессора 1 двигателя через обойму 10, приводят его во вращение. После запуска и выхода ротора турбокомпрессора газотурбинного двигателя на заданную частоту вращения автоматическая система управления переключает электрическую машину в генераторный режим. Магнитное поле постоянных магнитов 8 индуцирует в обмотке статора 6 электрическое напряжение. Возникающий при этом ток подается по проводам 14 в электрическую сеть стационарной установки или транспортного средства через традиционно применяемый в подобных схемах электропитания преобразователь-регулятор (на чертеже не показан). Следует отметить, что при вращении постоянных магнитов 8 электрической машины, установленных на внутренней поверхности ротора турбокомпрессора, действующие в процессе работы на постоянные магниты центробежные силы никак на влияют на электрические характеристики.
Указанное техническое решение может быть также использовано в конструкции многовального ГТД. При этом электрические машины могут быть аналогичным образом размещены в полости каждого ротора.
Технический результат может быть достигнут как для ГТД транспортного средства, так и для ГТД стационарного применения.