ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ГЕНЕРАТОРОМ, РАСПОЛОЖЕННЫМ В ВЕНТИЛЯТОРЕ
JET-TURBINE ENGINE WITH ELECTRIC GENERATOR LOCATED IN FAN

Настоящее изобретение касается двухкорпусного турбореактивного двигателя, содержащего корпус высокого давления и корпус низкого давления, в частности, изобретение касается усовершенствования, позволяющего улучшить отбор механической мощности для получения электрического тока, предназначенного для остальной части самолета.
Как известно, двухкорпусной турбореактивный двигатель содержит гондолу, в которой находятся корпус высокого давления, содержащий компрессор высокого давления, и корпус низкого давления, содержащий компрессор низкого давления и турбину, приводящую во вращение вентилятор.
Функцией такого турбореактивного двигателя является не только создание тяги для обеспечения полета самолета, но и производство электрического тока для самолета для различных целей, например, для питания вычислительных устройств, освещения кабины и т.д.
В настоящее время существует тенденция повысить долю отбора механической мощности, преобразуемой в электрическую мощность, учитывая все возрастающую роль электрических средств, которые считаются более гибкими в применении на борту самолета.
Для преобразования части механической мощности, создаваемой турбореактивным двигателем, в электрический ток используют электрический генератор.
Обычно этот генератор не находится в турбореактивном двигателе. При помощи зубчатой передачи вторичный вал соединен с одним из валов турбореактивного двигателя, который его вращает во время работы двигателя и передает ему, таким образом, механическую мощность, необходимую для работы электрического генератора. Генератор может быть расположен вблизи конца этого вала снаружи турбореактивного двигателя.
Согласно другому известному варианту выполнения, раскрытому в публикации РСТ заявки WO 2007/036202, электрический генератор можно размещать внутри самого турбореактивного двигателя, в частности, внутри корпуса высокого давления. Предпочтительно этот генератор работает реверсивно, выполняя также функцию стартера.
Действительно, во время запуска турбореактивного двигателя корпус высокого давления приводится во вращение при помощи электрического генератора, используемого в качестве электрического привода. Компрессор высокого давления в этом случае подает в камеру сгорания воздух, что обеспечивает горение, и запускается ступень высокого давления турбореактивного двигателя. Выходящий первичный воздушный поток заставляет вращаться турбину низкого давления, которая вращает, таким образом, корпус низкого давления и вентилятор. После запуска турбореактивного двигателя отключается питание электрического генератора, который прекращает работу в режиме привода компрессора высокого давления.
Основным преимуществом размещения электрического генератора на уровне корпуса высокого давления является то, что этот генератор можно использовать, с одной стороны в качестве электрического привода для запуска турбореактивного двигателя, как было указано выше, и, с другой стороны, в качестве электрического генератора для генерирования тока для остальной части самолета.
Вместе с тем, это решение имеет некоторые недостатки. Основным из них является низкий общий КПД преобразования механической мощности в электрическую мощность при таком расположении электрического генератора. Действительно, расход топлива, необходимого для производства данной электрической мощности, намного выше, когда электрический генератор отбирает мощность в корпусе высокого давления, чем если бы он отбирал мощность от корпуса низкого давления.
С другой стороны, размещение электрического генератора на уровне корпуса высокого давления создает определенные проблемы. Действительно, эта зона имеет небольшой диаметр и содержит множество трубопроводов. Поэтому затрудняется установка генератора на место и его техническое обслуживание.
Кроме того, поскольку лопатки компрессора высокого давления являются, как правило, лопатками с регулируемым углом поворота, то сложно уменьшить расстояние или пространство между ротором и статором. Поэтому обычно выполненный таким образом электрический генератор имеет относительно невысокий коэффициент полезного действия.
Наконец, установка электрического генератора, отбирающего мощность от корпуса высокого давления, создает проблему для работы самого турбореактивного двигателя. Слишком большой отбор механической мощности отрицательно влияет на работу корпуса ВД и может привести к помпажу (качанию) компрессора ВД, в частности, при работе двигателя в режиме малого газа.
Другой известный вариант выполнения, предназначенный для отбора механической мощности в турбореактивном двигателе с целью производства электрического тока, раскрыт в публикации международной заявке РСТ WO 2005/073519.
Чтобы генерировать ток, в этом документе предложено добавить дополнительную турбину, предназначенную для производства электрического тока, на выходе вентилятора во вторичном потоке турбореактивного двигателя, причем эта турбина вращается независимо от корпусов турбореактивного двигателя.
Однако добавление этой турбины намного усложняет конструкцию турбореактивного двигателя и увеличивает его массу и объем. Кроме того, КПД преобразования механической мощности в электрическую мощность остается относительно невысоким.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков путем разработки турбореактивного двигателя, содержащего корпус высокого давления, корпус низкого давления, вращающий вентилятор, расположенный в неподвижном картере, и электрический генератор, расположенный в вентиляторе и отбирающий от него мощность и содержащий ротор, встроенный в вентилятор.
Эта задача решена путем того, что электрический генератор дополнительно содержит статор, встроенный в картер вентилятора.
Размещение электрического генератора в вентиляторе, точнее, на подвижных частях вентилятора и на неподвижных частях, таких как картер вентилятора, обеспечивает много преимуществ.
Первым преимуществом является то, что обеспечивается больше места для электрического генератора. Картер вентилятора, который является частью гондолы, имеет достаточно большие размеры для размещения обмоток, обеспечивающих производство электрического тока, и электрических проводов, обеспечивающих транспортировку этого тока в направлении стойки крепления турбореактивного двигателя. В результате установка и техническое обслуживание нисколько не зависят или зависят лишь в незначительной степени от габаритов.
С другой стороны вентилятор является холодной зоной, что позволяет избежать проблем, связанных с повышением температуры. Таким образом, в электрическом генераторе в соответствии с настоящим изобретением магниты не охлаждаются, так как температура внутри вентилятора никогда не достигает температуры Кюри, сверх которой они могут потерять свои магнитные свойства.
По этой же причине, поскольку обмотки электрического генератора находятся в холодной зоне турбореактивного двигателя, они не требуют мощных средств охлаждения. Поэтому эти средства могут иметь небольшие габариты и массу.
Отметим также, что в состав электрического генератора частично входят элементы турбореактивного двигателя (лопатки, картер вентилятора), присутствие которых в турбореактивном двигателе необходимо независимо от наличия электрического генератора. Поэтому увеличение массы, непосредственно связанное с присутствием электрического генератора, является незначительным.
Кроме того, учитывая большие размеры вентилятора, можно выполнить электрический генератор относительно большой мощности, который может питать током одновременно различные электрические приборы летательного аппарата, на котором установлен турбореактивный двигатель. Эта возможность имеет большое значение, поскольку число электрических приборов, устанавливаемых на борту самолетов, все больше возрастает.
Наконец, как было указано выше, предпочтительнее отбирать мощность на корпусе низкого давления, чем на корпусе высокого давления. Размещая электрический генератор внутри вентилятора, можно удовлетворить это предпочтительное условие и добиться, таким образом, более высокой эффективности, более высокого КПД преобразования механической мощности в электрическую мощность и, что самое главное, избежать проблем работы турбореактивного двигателя в режиме малого газа, которые возникают в случае чрезмерного отбора мощности на корпусе высокого давления.
Кроме того, в турбореактивном двигателе можно также предусмотреть другой электрический генератор, соединенный с корпусом высокого давления и отбирающий на нем мощность.
Наличие такого второго электрического генератора в дополнение к электрическому генератору, расположенному в вентиляторе, позволяет распределить отбор мощности между двумя электрическими генераторами, что еще больше способствует нормальной работе двигателя, в частности, в режиме малого газа.
Кроме того, электрический генератор, расположенный в вентиляторе, уже не может быть использован для запуска турбореактивного двигателя.
Дополнительным преимуществом этого второго электрического генератора, отбирающего мощность на корпусе высокого давления, является как раз то, что он может быть смешанным, то есть может работать также в режиме электрического привода, таким образом, его можно использовать для запуска турбореактивного двигателя. Таким образом, кроме генератора, находящегося в вентиляторе, турбореактивный двигатель содержит также другой генератор и/или стартер, соответственно отбирающий и/или подающий мощность на корпус высокого давления.
Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов выполнения, представленных в качестве неограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему двухконтурного турбореактивного двигателя, в котором применяется заявленное изобретение.
Фиг.2 - детальный схематичный вид средств, согласно изобретению.
Фиг.3 - фронтальный вид турбореактивного двигателя, показывающий положения обмоток электрического генератора, согласно изобретению
Турбореактивный двигатель 10 является двухкорпусным двигателем с корпусом 30 высокого давления, содержащим компрессор 34 высокого давления и турбину 32 высокого давления, и корпусом 20 низкого давления, содержащим компрессор 24 низкого давления и турбину 22 низкого давления. Корпус 20 низкого давления приводит во вращение вентилятор 40, находящийся в картере 14 вентилятора. Картер 14 вентилятора является частью гондолы 12 турбореактивного двигателя 10.
На фиг.2 показана зона турбореактивного двигателя, в которой размещен электрический генератор 60 в соответствии с настоящим изобретением, то есть зона вентилятора.
Электрический генератор 60 расположен по периферии вентилятора и содержит ротор 62, интегрированный в радиально наружные концы лопаток вентилятора, и статор 64, интегрированный в картер вентилятора.
Ротор 62 содержит постоянные магниты 68, которые закреплены на концах лопаток 42 вентилятора и которые создают поле ротора. Таким образом, ротор 62 расположен внутри картера вентилятора и не приводит к увеличению диаметра последнего, что позволяет встроить генератор в вентилятор (и в его картер) без увеличения диаметра картера вентилятора и гондолы.
Таким образом, предпочтительно ротор 62 содержит только простые массивные детали, а не обмотки или сложные детали, которые к тому же могли бы подвергаться повреждению по причине больших центробежных сил, действующих на концах лопаток вентилятора.
Если число лопаток вентилятора принять за N , то генератор будет состоять из N/2 пар полюсов. Можно также предусмотреть выполнение магнитов не на всех лопатках, а, например, только на каждой второй лопатке.
Магниты 68 могут быть выполнены из самария-кобальта, то есть из материала, обычно используемого для этого типа электрического генератора.
Они закреплены на концах лопаток 42 вентилятора, например, при помощи клея. Их располагают таким образом, чтобы максимально уменьшить промежуточное пространство А, отделяющее магниты 68 от обмотки 66. Предпочтительно, когда это пространство А уменьшается, одновременно повышается КПД электрического генератора 60 и КПД вентилятора 40.
Статорная часть содержит обмотки 66, интегрированные в картер вентилятора. Эти обмотки 66 или статорные обмотки могут быть выполнены из меди. Их располагают напротив места прохождения магнитов 68 во время вращения лопаток 42 вентилятора 40. Предпочтительно, чтобы получить трехфазный ток статор 64 (фиг.3) содержит три обмотки. В другом варианте выполнения он может содержать три идентичные группы обмоток, отстоящие друг от друга соответственно на 120° вокруг оси турбореактивного двигателя.
Таким образом, статорная часть и является собственно источником тока. Предпочтительно статорная часть является неподвижной, что обеспечивает простую доставку тока к другим приборам самолета, потребляющим этот ток.
Для охлаждения статора 64 электрического генератора (и, в частности, обмоток 66) для каждой из обмоток 66 имеется колпак или отражатель 80, установленный внутри картера вентилятора для отбора части воздушного потока, заходящего в гондолу. Этот колпак или отражатель отбирает холодный воздух, поступающий в картер гондолы, направляет его в канал 82 охлаждения вблизи обмотки 66 для обеспечения ее охлаждения.
Естественно, изменение режима двигателя приводит к изменению электрического тока, производимого электрическим генератором, в частности, по напряжению и частоте. Для регулирования этого тока и получения постоянного напряжения электрический генератор дополнительно содержит преобразователь 72 переменного тока в постоянный, находящийся на выходе обмоток 66, то есть в цепи электрического тока между обмотками и частями самолета, питаемыми током.
Электрические провода 70 обеспечивают передачу генерируемого электрического тока от статора 64 электрического генератора 60 в самолет. Провода 70 проходят через картер гондолы и соединены с электрической сетью самолета через стойку крепления двигателя.
Следует отметить, что поскольку скорости на концах лопаток являются относительно высокими (оставаясь при этом дозвуковыми), мощность, выдаваемая электрическим генератором, может быть относительно большой, хотя при этом нет необходимости использовать магниты и/или обмотки больших размеров, что обеспечивает преимущества заявленного изобретения.