ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С УСТАНОВЛЕННЫМ НА НЕМ СЪЕМНЫМ ОБРАЗОМ УЗЛОМ ГЕНЕРАТОРА
GAS TURBINE ENGINE WITH GENERATOR ASSEMBLY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, прежде всего для летательного аппарата, содержащему по меньшей мере один вал ротора, на котором установлены по меньшей мере один компрессор и турбина, а также корпус.
Уровень техники
Газотурбинные двигатели рассматриваемого типа имеют генераторы, которые устанавливаются по меньшей мере на одном из валов ротора таким образом, чтобы за счет подключения к валу снимать механическую мощность, преобразуемую в электрическую энергию. При этом газотурбинный двигатель может эксплуатироваться на летательном аппарате, но вместе с тем речь может идти также о стационарном газотурбинном двигателе. Электрическая энергия нужна для работы различных электрических устройств газотурбинного двигателя и летательного аппарата, причем последние исследования показывают, что потребность двигателя и летательного аппарата в электрической энергии продолжает возрастать вследствие возрастающей степени электрификации различных агрегатов. К таким различным электрическим агрегатам относятся устройства, которые раньше работали только с механическим приводом, например топливные насосы и гидронасосы, которые часто приводятся в действие посредством так называемой коробки агрегатов, а в будущем могут/должны получить электрический привод. Потребность в электроэнергии постоянно растет и на борту летательного аппарата.
Предлагаемый в изобретении газотурбинный двигатель представляет собой, в частности, турбовентиляторный двигатель, выполненный по двухвальной схеме, а вентилятор представляет собой лопаточную машину, обеспечивающую предварительное сжатие поступающего в двигатель воздуха и создающую во втором контуре проточного тракта поток воздуха, окружающий горячую реактивную струю. Известны также одновальные двигатели, имеющие расположенный в передней части многоступенчатый компрессор и расположенную в задней части одно- или многоступенчатую турбину.
Из публикации US 2002/0122723 А1 известен газотурбинный двигатель такого типа, имеющий генератор, встроенный в компрессор высокого давления газотурбинного двигателя. Газотурбинный двигатель имеет компрессорные ступени компрессора, окруженные корпусом, причем за пределами корпуса расположен генератор. Генератор состоит из статора с электрической обмоткой и ротора, связанного с валом двигателя таким образом, чтобы вместе с ним совершать вращательное движение. Ротор вращается внутри статора и наводит в обмотке статора электрическое напряжение. При этом элементы ротора расположены снаружи на лопатках компрессора высокого давления и выступают радиально наружу в статор генератора.
Другая схема выполнения генератора, встроенного в газотурбинный двигатель известна из патента US 6378293 В1. При этом газотурбинный двигатель имеет несколько валов, связывающих компрессоры с соответствующими турбинами газотурбинного двигателя. Генератор для выработки электроэнергии, питающей электромагнитные подшипники и частично используемой для питания электрооборудования летательного аппарата, при этом расположен в торце двигателя на удалении от электромагнитных опор и выполнен как отдельный агрегат. Привод генератора обеспечивается его соединением с валом низкого давления газотурбинного двигателя. Недостатком такой системы является сложность технического обслуживания и монтажа, обусловливающая значительные затраты. При этом соединения жидкостных/газовых линий приходится, как правило, устанавливать посредством сложных соединительных устройств, присоединяемых к кабелям и трубопроводам, которые при снятии генератора снова отсоединяются.
Из RU 2168024 С2 известен газотурбинный двигатель, прежде всего для летательного аппарата, содержащий по меньшей мере один вал ротора, на котором установлены по меньшей мере один компрессор и турбина, а также корпус, причем по меньшей мере на одном валу ротора установлен по меньшей мере один узел генератора для выработки электроэнергии, узел генератора включает в себя монтажную плиту и генератор и установлен съемным образом на монтажной плите, расположенной со стороны двигателя.
В известных из уровня техники решениях по установке узла генератора на валу газотурбинного двигателя возникает проблема, заключающаяся в том, что место монтажа генераторов труднодоступно из-за стесненных условий, в частности при монтаже в зоне компрессора высокого давления. Даже при установке генератора на конце вала компрессора низкого давления возможности монтажа, технического обслуживания и выполнения соответствующих пневматических/гидравлических, механических и электрических соединений генератора с газотурбинным двигателем или с летательным аппаратом крайне затруднены. Вследствие этого значительно увеличивается объем работ по техническому обслуживанию и монтажу, причем очень сложна, в частности, замена генератора. При монтаже или демонтаже генератора его необходимо сначала механически отсоединить от вала компрессора низкого давления, так как приходится разобщать электрические провода и трубопроводы, выполненные, как правило, посредством сложных соединительных устройств, таких как кабели и напорные трубопроводы. Механическое соединение между валом двигателя и генератором включает в себя при этом в большинстве случаев механическую муфту, монтаж и демонтаж которой также является трудоемким.
Раскрытие изобретения
Поэтому в основу настоящего изобретения была положена задача создания газотурбинного двигателя с узлом генератора, который был бы прост в установке на газотурбинный двигатель и снятии с него. Целью изобретения является также сокращение объема работ по техническому обслуживанию до минимума.
Эта задача решается предлагаемым в изобретении газотурбинным двигателем, прежде всего для летательного аппарата, содержащим по меньшей мере один вал ротора, на котором установлены по меньшей мере один компрессор и турбина, а также корпус, причем по меньшей мере на одном валу ротора установлен по меньшей мере один узел генератора для выработки электроэнергии, узел генератора включает в себя монтажную плиту и генератор и установлен съемным образом на монтажной плите, расположенной со стороны двигателя.
При этом монтажная плита, расположенная со стороны двигателя, имеет соединительные элементы для разъемного подключения узла генератора, причем эта монтажная плита содержит по меньшей мере один механический установочный элемент, устройство передачи движения генератору, а также электрические контакты и/или выводы для присоединения трубопроводов.
В основу изобретения положена идея, что узел генератора для выработки электроэнергии должен иметь устройство сопряжения, или стыковочное устройство (интерфейс), которое, во-первых, жестко связывает узел генератора с монтажной плитой, расположенной со стороны двигателя и образующей вторую половину многофункционального соединительного устройства и, во-вторых, непосредственно или опосредованно (через промежуточную механическую передачу), соединяет вал генератора с валом ротора. Для этого монтажная плита, расположенная со стороны двигателя, должна быть снабжена отверстием, диаметр которого больше диаметра вала генератора. Для упрощения установки узла генератора на монтажной плите и снятия его с монтажной плиты необходим по меньшей мере один центрирующий штифт, который входит между двумя соединяемыми узлами, прежде чем какие-либо другие их элементы войдут в соединение друг с другом.
Узел генератора может быть расположен со стороны компрессора в передней части и/или со стороны турбины в задней части газотурбинного двигателя и установлен на валу компрессора/турбины. Оба варианта реализуемы в рамках настоящего изобретения, причем, разумеется, в обоих этих местах можно также установить по одному генератору. В передней части двигателя со стороны компрессора узел генератора может быть встроен в носовой обтекатель и входной направляющий аппарат, а место установки в задней части, со стороны турбины, может быть предусмотрено в так называемом выходном конусе и выходном направляющем аппарате. Решающее значение для этого имеют условия размещения и монтажа, причем установка со стороны компрессора имеет то преимущество, что с этой стороны двигателя преобладают более низкие температуры.
Вместе с тем, механическое соединение, обеспечивающее привод, может связывать также другой вал ротора двигателя с генератором, причем это соединение может включать в себя дополнительную редукторную ступень. При монтаже узла генератора один раз неподвижно устанавливают монтажную плиту, расположенную со стороны двигателя, во входном и/или выходном направляющем аппарате газотурбинного двигателя и в многофункциональном соединительном устройстве создают электрические, пневматические/гидравлические и механические соединения. Половина многофункционального соединительного устройства, расположенная со стороны генератора, включает в себя в зеркальном изображении те же самые функциональные детали, что и вторая половина, чтобы в присоединенном состоянии встроенного генератора обеспечить беспрепятственное прохождение электрического тока и потоков текучих сред. Половина соединительного устройства со стороны генератора может быть его фланцеобразной неотъемлемой составной частью или может устанавливаться на нем как отдельная деталь конструкции. При этом соединительные элементы представляют собой имеющиеся в обеих половинах многофункционального соединительного устройства электрические контакты и самозамыкающиеся выводы для присоединения трубопроводов, причем соответствующие провода и трубопроводы выведены с тыльной стороны соединительного устройства.
Если генератор демонтируют из узла генератора или заменяют другим генератором, то достаточно отсоединить генератор от монтажной плиты, причем отдельные соединения могут быть выполнены просто и не требуют трудоемкого монтажа или демонтажа. Это значительно упрощает техническое обслуживание, так как генератор может быть выполнен по модульному принципу и его для технического обслуживания можно просто снимать с монтажной плиты, находящейся со стороны генератора.
Чтобы проложить электрические провода и трубопроводы между монтажной плитой, расположенной со стороны двигателя, и невращающимися деталями в двигателе, предусмотрена установка монтажной плиты на статоре газотурбинного двигателя, причем статор имеет полые стойки, в которых могут быть проложены электрические провода и/или трубопроводы. В частности, теплочувствительные электрические провода удобно прокладывать в полостях (при необходимости с дополнительной теплоизоляцией) стоек статора, причем возможно также механическое крепление монтажной плиты в двигателе посредством механических соединений, предусмотренных внутри полостей статора.
Предпочтительно, чтобы выводы для присоединения трубопроводов были выполнены самозамыкающимися, чтобы при разъединении препятствовать выходу текучих сред. Таким путем обеспечивается свободный от потерь и аккуратный демонтаж, поэтому, в частности с учетом стесненных условий, для автоматического замыкания соединений используются соединительные элементы соответствующей конструкции. После выполнения соединений возможно свободное движение текучей среды, причем при разобщении соединения как со стороны монтажной плиты, так и со стороны генератора клапанное запорное устройство предупреждает утечки жидкости и попадание загрязнений в трубопроводы. При этом в качестве текучей среды может выступать главным образом охлаждающая жидкость контура охлаждения, к которому подключен генератор. Электрическими соединениями могут быть контакты (выводы), также не требующие отдельного разъединения или повторного соединения.
Еще один предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает, что соединительные элементы могут иметь уплотнения, образованные уплотнительными кольцами круглого сечения. Это вариант уплотнения, в котором при использовании штекерных соединений соответствующей конструкции могут использоваться и другие виды уплотнений.
Предпочтительно, чтобы соединительные элементы имели размыкаемые многоамперные контакты, обеспечивающие электрическое соединение генератора с двигателем или летательным аппаратом. Нагрузочная способность по току многоамперных контактов может составлять до 500 А, причем электрические соединения отличаются особенно высокой надежностью.
Наряду с силовыми электрическими контактами соединительные элементы могут включать в себя управляющие контакты для управления генератором и/или контакты шинной системы для управления генератором/обеспечения обратной связи по его параметрам. Таким образом, электрические контакты включают в себя в целом также сигнальные соединения, выполняемые отдельными элементами подключения между монтажной плитой и генератором.
В качестве особенно предпочтительного варианта, в частности для достижения высокой гибкости, предлагается выполнить стыковочный интерфейс монтажной плиты модульным, что обеспечивает возможность установки генераторов различной конструкции. При этом генераторы также выполнены в виде генераторных модулей, имеющих одинаковый стыковочный интерфейс, чтобы устанавливать или крепить их на стандартной монтажной плите. При этом различные конструкции генераторов могут быть синхронными, асинхронными или реактивными, т.е. подходящими, в частности, для рассматриваемого случая применения.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство передачи движения между приводным валом, расположенным со стороны двигателя, и валом генератора включает в себя зубчатое (шлицевое) соединение. При этом вал генератора выполнен как полый вал и проходит через отверстие в монтажных плитах. Его можно соединять с концом вала ротора (турбины) двигателя, причем вал ротора (турбины) установлен в подшипниках статора турбины. В этом случае осевая фиксация сопряжения обоих валов осуществляется путем присоединения фланца генератора к монтажной плите, расположенной со стороны двигателя.
Сопряжение валов может включать в себя, например, зубчатый вал с дугообразными зубьями, что обеспечивает как осевые, так и небольшие радиальные движения вала ротора (турбины). Это позволяет просто, без дополнительных вспомогательных средств устанавливать и снимать или монтировать и демонтировать узел генератора с монтажной плиты, расположенной со стороны двигателя.
Чтобы обеспечить надежное крепление всего узла генератора, предлагается, чтобы монтажное пространство генератора представляло собой цилиндрическую полость, диаметр которой лишь незначительно превышает наружный диаметр монтажной плиты. Так, образуется полый цилиндр стаканного типа, вмещающий в себя монтажную плиту, поэтому генератор расположен внутри полого цилиндра. Тем самым создается своего рода корпус, защищающий генератор, в частности от струи горячих газов на выходе газотурбинного двигателя. Для этого можно предусмотреть высокотемпературную изоляцию цилиндрической полости, образующей монтажное пространство, для защиты узла генератора от высоких температур горячих газов в расположенном сзади выходном устройстве двигателя. Таким образом, предусмотренная высокотемпературная изоляция опоясывает генератор, причем предпочтительно использовать негорючие или трудно воспламеняющиеся материалы.
Краткое описание чертежей
Другие варианты осуществления изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения или поясняются в описании предпочтительного примера осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид сбоку узла генератора с монтажной плитой и установленным на ней генератором;
на фиг.2 - вид в перспективе газотурбинного двигателя с электрическим узлом генератора в установленном состоянии;
на фиг.3 - вид в перспективе газотурбинного двигателя с электрическим узлом генератора, причем генератор показан снятым с монтажной плиты, расположенной со стороны двигателя;
на фиг.4 - схема узла генератора, установленного на монтажной плите, расположенной со стороны двигателя, причем можно видеть соединительные трубопроводы на переходе через многофункциональное соединительное устройство;
на фиг.5 - схема многофункционального соединительного устройства в плоскости поперечного сечения V-V согласно фиг.4.
На чертежах техническое осуществление настоящего изобретения показано только в качестве примера.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан вид сбоку узла 10 генератора (состоящего из монтажной плиты 11b и генератора 12). Слева на схеме изображена монтажная плита 11а многофункционального соединительного устройства 17, расположенной со стороны двигателя, справа - монтажная плита 11b многофункционального соединительного устройства 17 со стороны генератора. Обе монтажные плиты имеют круглую форму и на них крепятся не показанные здесь соответствующие съемные электрические модули и самозамыкающиеся соединения трубопроводов. Справа от многофункционального соединительного устройства установлен генератор 12, имеющий цилиндрическую форму и на средней оси 19 концентрически переходящий в половину многофункционального соединительного устройства 17 со стороны генератора. Между генератором 12 и монтажной плитой 11b имеются соединительные линии 13а, 13b, 13с и 13d, в том числе провода питания, сигнальные провода для датчиков, шины, а также трубопроводы, по которым подается, например, охлаждающая жидкость для охлаждения генератора 12. Указанные провода и трубопроводы соединяются в многофункциональном соединительном устройстве и выводятся наружу с тыльной стороны монтажной плиты 11а (на чертеже выводы не показаны) через полые стойки статора и двигатель. Через отверстие в многофункциональном соединительном устройстве 17, концентрическое средней оси 19, проходит вал 14 генератора для присоединения к валу турбины.
На фиг.2 и 3 показан вид в перспективе предлагаемого в изобретении газотурбинного двигателя 1. Газотурбинный двигатель 1 включает в себя переднюю входную часть 15 и заднее выходное устройство 16. Диаметр корпуса газотурбинного двигателя 1 в передней части 15 больше, так как здесь встроен вентилятор. В заднем выходном устройстве 16 двигатель имеет меньший диаметр, причем внутри выходного устройства 16 предусмотрено монтажное пространство, в которое встроен узел 10 генератора в соответствии с данным примером осуществления изобретения. На фиг.2 узел генератора представлен в установленном состоянии, тогда как на фиг.3 он показан в перспективе перед местом собственно монтажа внутри задней зоны 16 выпуска воздуха газотурбинного двигателя 1. Таким образом, на фиг.3 видна монтажная плита 11а, расположенная со стороны двигателя, на которой установлены соединения 20 и 20а трубопроводов, штекер 21 разъема кабеля от датчика и контакт 22 разъема кабеля питания. Кроме того, виден вал 14 генератора, установленный напротив вала 18 турбины и присоединенный к нему посредством муфты или иного приспособления для соединения валов.
На фиг.4 схематически показано соединение узла 10 генератора (12 и 11b) с монтажной плитой 11а, установленной со стороны двигателя. В плоскости раздела между монтажной плитой 11а, показанной с выделением штриховкой на чертеже, и фланцеобразной соединительной частью 11b генератора 12 находятся собственно соединительные элементы, посредством которых подключены соединительные линии 13а, 13b и 13с. Соединительными линиями являются как электрические провода, в частности сигнальные провода, шины и провода питания, так и трубопроводы для подачи охлаждающей жидкости.
Вид сверху на половину многофункционального соединительного устройства 17 схематически показан на фиг.5. Соединительное устройство 17 включает в себя соединения 20 и 20а трубопроводов, обеспечивающие подачу и отвод охлаждающей жидкости между двигателем и генератором. Далее предусмотрены контакты штепсельного разъема кабеля датчика и шины 21, по которому передаются сигналы, а также контакты разъема 22 питания для подвода тока к двигателю или летательному аппарату. Деталям многофункционального соединительного устройства 17 во фланце 11b генератора соответствуют по типу зеркального изображения детали в монтажной плите 11а, поэтому контакты и выводы 21 и 22 разъемов и соединения 20 и 20а трубопроводов фиксируются в соответствующих сопряженных деталях.
Настоящее изобретение не ограничивается приведенным выше, предпочтительным примером осуществления. Возможен также целый ряд вариантов, в которых используется описанное решение даже при принципиально различных видах исполнения.