ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ОСНАЩЕННЫЙ ВСТРОЕННЫМ ГЕНЕРАТОРОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
JET TURBINE ENGINE EQUIPPED WITH BUILT-IN ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к турбинной установке, в частности к турбореактивному двигателю, включающему в себя встроенный генератор электрического тока, расположенный соосно с турбинной установкой.
В стандартных двигателях блок вспомогательного оборудования, в который входят топливный насос, смазочные насосы подшипников, гидронасосы систем управления различными органами, электрогенераторы и стартеры, расположен с внешней стороны двигателя и получает вырабатываемую им энергию через радиальный вал и угловой контрпривод.
Повышение степеней сжатия и температур на входе в турбину, а также улучшение качества материалов и повышение коэффициента полезного действия имело результатом уменьшение размеров двигателя с получением улучшенного соотношения тяги к весу независимо от того, использовалось ли данное устройство в гражданских или военных целях.
Соответственно, цель отбора энергии, а также блок вспомогательного оборудования с большим трудом удовлетворяют вышеуказанным тенденциям развития и занимают значительную часть объема или веса двигателей, в частности двигателей, имеющих небольшие тягу или размеры, особенно в случае, когда коробка со вспомогательным оборудованием, которая, как правило, располагается на картере двигателя, поддерживает отделенные друг от друга устройство воздушного запуска и электрогенератор.
Использование небольших моторов, имеющих более простую конструкцию и невысокую стоимость, на тренировочных самолетах, разведывательных и ударных беспилотных летательных аппаратах и крылатых ракетах обязывают механиков уделять приоритетное внимание данному типу двигателей. Этого можно достичь за счет уменьшения площади их фронтальной поверхности, что позволяет обеспечить значительное снижение лобового сопротивления и увеличить в свою очередь автономность или дальность полета летательных аппаратов, управляемых ракет, оснащенных данными типами двигателей. Представляется желательным с целью уменьшения массы и фронтальной поверхности двигателей устанавливать на нем генератор-стартер, и вместо механических соединений использовать электрические устройства сопряжения двигателя и вспомогательного оборудования.
На большегрузных самолетах, на которых имеется значительное количество электрических и гидроэлектрических механизмов управления, а также на самолетах дальнего радиолокационного обнаружения и самолетах ведения радиоэлектронной разведки имеет место значительное потребление электроэнергии. Установленные на них двигатели имеют резервные или вспомогательные генераторы, что ведет к увеличению габаритов, а также массы коробок. В связи с этим представляет интерес возможность включения в конструкцию двигателя с высокой степенью двухконтурности, в дополнение к уже имеющемуся генератору-стартеру, вспомогательного генератора в целях уменьшения размеров и массы угловых контрприводов и даже отказа от их применения и утончения капота путем размещения некоторого вспомогательного оборудования, имеющего электрический привод, в пилонах.
С технической точки зрения, размещение генератора в двигателе влечет за собой необходимость применения системы масляного охлаждения непосредственно генератора для охлаждения его катушек, в том числе и его магнитов.
Такая ситуация ведет в увеличению количества оборудования (насосов и масляных трубопроводов) внутри двигателя, что дополнительно затрудняет доступ к генератору в процессе его техобслуживания.
Настоящее изобретение имеет задачей предложить такую компоновку турбинной установки, которая позволила бы устранить имевшиеся ранее недостатки и обеспечивала бы, в частности, возможность оптимизировать процесс прохождения масла между смазкой подшипников и охлаждением генератора.
В связи с этим изобретение относится к турбинной установке, включающей в себя корпус высокого давления, осевой компрессор по оси X, установленный на роторе и состоящий из картера, и, по меньшей мере, одного заднего подшипника, размещенного между картером и ротором компрессора; причем вышеуказанная турбинная установка включает в себя генератор электрического тока, соосно расположенный относительно данного корпуса, при этом его катушка индуктивности (или ротор) жестко соединена с вышеуказанным ротором в процессе вращения, а якорь (или статор) жестко соединен с вышеназванным картером.
Согласно данному изобретению турбинная установка отличается тем, что вышеуказанный генератор электрического тока расположен выше заднего подшипника и включает в себя, по меньшей мере, первый контур охлаждения, который проходит вокруг якоря, имеющего в качестве продолжения смазочный жиклер заднего подшипника.
Таким образом, представляется очевидным, что посредством установки первого контура охлаждения генератора электрического тока в систему смазки турбинной установки обеспечивается возможность интеграции электрогенератора без существенного усложнения масляного оборудования.
Как правило, турбинная установка также имеет камеру сгорания. В этом случае вышеуказанный корпус представляет собой сверху вышеуказанной камеры сгорания компрессор, установленный вдоль оси X, предназначенный для подачи воздуха в камеру, а снизу вышеуказанной камеры - турбину, в которую поступают горячие газы из камеры сгорания, предназначенную для вращения ротора компрессора; при этом компрессор включает в себя большое количество ступеней сжатия, каждая из которых представляет собой кольцо с фиксированными лопатками, жестко соединенными с картером, и кольцо с мобильными лопатками, которые выступают радиально - от центра в сторону периферии диска ротора.
Согласно другому варианту компоновки по настоящему изобретению представляется также возможным включить электрогенератор в случае турбинной установки второго типа, которая дополнительно содержит ступень низкого давления, включающую в себя компрессор низкого давления, который размещен сверху ступени высокого давления, и турбину низкого давления, размещенную снизу ступени высокого давления и предназначенную для приведения во вращение ротора компрессора низкого давления, причем компрессор включает в себя несколько ступеней сжатия, каждая из которых представляет собой кольцо с фиксированными лопатками и кольцо с мобильными лопатками, которые расположены радиально - от центра в сторону периферии диска вышеназванного ротора. В этом случае вышеуказанная турбинная установка второго типа дополнительно включает в себя промежуточный картер, размещенный между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления; при этом якорь электрогенератора жестко соединен с промежуточным картером, а задний подшипник установлен на данном промежуточном картере.
В рамках настоящего изобретения либо генератор электрического тока может иметь конструктивное исполнение, позволяющее использовать его в качестве стартера, либо обеспечивать его применение в качестве вспомогательного генератора, либо газотурбинный двигатель включает в себя два генератора электрического тока, один из которых применяется в качестве стартера, а другой - в качестве вспомогательного генератора.
Если речь идет о турбинной установке второго типа, то согласно другому предпочтительному варианту компоновки турбинная установка дополнительно включает в себя, по меньшей мере, один передний подшипник, расположенный между промежуточным картером и ротором компрессора низкого давления, сверху генератора электрического тока; при этом первый контур охлаждения связан с системой масляной смазки переднего подшипника.
Вышеуказанная турбинная установка второго типа, как правило, дополнительно включает в себя второй контур охлаждения, который проходит вокруг катушки индуктивности и запитывается средствами подачи, связанными с первым контуром охлаждения; при этом вышеуказанный второй контур охлаждения имеет выход вблизи переднего подшипника. Предпочтительно, чтобы средства подачи, используемые во втором контуре охлаждения, включали в себя смазочный жиклер, который вместе с упомянутым ранее смазочным жиклером заднего подшипника образовывали жиклер с двойной головкой.
В соответствии со вторым предпочтительным вариантом компоновки вышеназванный якорь смонтирован на цилиндрической опоре, при этом упомянутая выше катушка индуктивности установлена на цилиндрической опоре, а кольцеобразные средства уплотнения размещаются между краями вышеназванных цилиндрических опор, что обеспечивает изоляцию электрогенератора от окружающей его среды масляной смазки.
Предпочтительно, чтобы вышеупомянутый первый контур охлаждения включал в себя первый ряд спиралевидных трубопроводов.
Предпочтительно также, чтобы второй вышеназванный контур охлаждения также включал в себя второй ряд спиралевидных трубопроводов.
Варианты компоновки согласно изобретению позволяют рассматривать авиационные турбореактивные двигатели, в которых вспомогательное оборудование приводится в действие посредством электромоторов, на которые электрический ток поступает от встроенных электрогенераторов, а также отказаться от использования устройств механического сопряжения и угловых контрприводов, уменьшить вес двигателя и сделать более узким капот турбореактивных двигателей с высокой степенью двухконтурности.
Представляет также интерес снижение массы блока вспомогательного оборудования на больших двигателях, поскольку это позволяет сократить радиальные нагрузки впоследствии сильного дисбаланса в случае потери лопастями нагнетающих возможностей, а также получить облегченный промежуточный картер.
Другие преимущества и характерные особенности данного изобретения будут более понятны из приводимого ниже описания, сопровождаемого фигурами чертежей, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный разрез половины двухроторного двухпоточного турбореактивного двигателя;
Фиг.2 - частично увеличенный вид детали II фиг.1 и размещение генератора в соответствии с изобретением на валу ротора высокого давления.
На фиг.1 показан двухроторный двухпоточный турбореактивный двигатель 10, в передней части которого в соответствии с настоящим изобретением установлен генератор электрического тока.
Более конкретно, турбореактивный двигатель 10, размещенный по оси X, как правило, включает в себя периферийный капот 12 (изображен частично), в котором последовательно располагаются слева направо, как это показано на фиг.1 (или сверху вниз в зависимости от направления потока воздуха, или из передней в заднюю часть), всасывающий патрубок 14, компрессор низкого давления 16, компрессор высокого давления 18, камера сгорания 20, турбина высокого давления 22, турбина низкого давления 24.
Турбореактивный двигатель 10 согласно настоящему изобретению также содержит генератор электрического тока 60, который располагается в его передней части (слева, как это показано на фиг.1) в холодной зоне.
Если обратиться к фиг.2, можно увидеть, что генератор электрического тока 60 размещен между компрессором низкого давления 16 и компрессором высокого давления 18 на уровне промежуточного картера 17, который разделяет компрессор низкого давления 16 и компрессор высокого давления 18.
Данный промежуточный картер 17 вытянут в направлении передней части за счет внешнего картера компрессора низкого давления 16, а в направлении задней части - за счет внешнего картера компрессора высокого давления 18 (см. фиг.1).
Ротор 15 компрессора низкого давления 16 сопряжен с турбиной низкого давления 24, расположенной ниже турбины высокого давления 22, посредством вала низкого давления 26 относительно оси X. Ротор 15 и вал низкого давления 26 сопряжены с промежуточным картером 17 посредством соответственно переднего подшипника 28 и промежуточного подшипника 30.
Передний подшипник 28 установлен на роторе 15 и на структурных элементах опорной конструкции, которые преимущественно сформированы на основе переднего кольца 34, смонтированного в свою очередь на промежуточном картере 17. Шланги 32 обеспечивают герметичность соединения выше подшипника 28.
Промежуточный подшипник 30 расположен между валом нижнего давления 26 и промежуточным кольцом 36, которое жестко соединено с передним кольцом 34 и промежуточным картером 17.
Задний подшипник 42 расположен между валом высокого давления 38 и опорной конструкцией 44, которая закреплена в задней части промежуточного картера 17.
Вал высокого давления 38 компрессора высокого давления 18, который вытянут в направлении нижней части (в правую сторону, как это показано на фиг.2) промежуточного картера 17, проходит в виде цилиндрической втулки 40, расположенной в осевой плоскости промежуточного картера 17 в направлении передней части турбореактивного двигателя. Цилиндрическая втулка 40 будет использоваться при монтаже генератора 60 между передним 28 и задним подшипником 42.
Представляется очевидным, что описанная выше компоновка устанавливает границы полости 46, образованной кольцевым пространством между промежуточным картером 17, его опорной конструкцией 44, промежуточным кольцом 36 и валом высокого давления 38.
Как правило, смазка подшипников 28, 30, 42 осуществляется при помощи одного или нескольких жиклеров (соответственно жиклеров 48, 50, 52), которые могут быть включены в единую масляную систему через сеть трубопроводов.
В соответствии с настоящим изобретением полость 46, находящаяся между промежуточным подшипником 30 и задним подшипником 42, снабжена электрогенератором 60, имеющим ротор 2 (катушку индуктивности) и статор 64 (якорь).
Ротор 62, как правило, выполнен из магнитов и вращается вокруг оси Х в жестком соединении с валом высокого давления 38. С этой целью ротор 62 монтируется на цилиндрической опоре 41, которая жестко соединена с цилиндрическим кольцом 40.
Статор 64, который в основном состоит из ряда катушек, расположен соосно ротору и монтируется посредством сменного соединения 66 в опорной конструкции 44. Точнее, статор 64 непосредственно монтируется на цилиндрической опоре 45, которая в свою очередь жестко соединена с опорной конструкцией 44. Данная цилиндрическая опора 45 имеет соосное расположение относительно цилиндрической опоры 41 ротора 62 и содержит передний 45а и задний 45b край.
Представляется очевидным, что электрогенератор 60 располагается в полости 46, в которой сосредотачивается определенное количество масла, вытекающего из жиклера 52, через который струя масла выбрасывается в направлении заднего подшипника 42.
Таким образом представляется очевидным, что в полости 46 скапливается взвесь смазывающего масла, от которой электрогенератор 60 должен быть изолирован.
С этой целью обеспечивают герметичность блока, образованного посредством цилиндрических опор 41 и 45, в котором размещается электрогенератор 60. При этом герметичность между статором 64 и ротором 62 достигается в результате использования двух щеточных уплотнителей 68, которые изготавливаются преимущественно из угля: данные уплотнители устанавливаются на передней и задней поверхностях статора 64 (а именно на свободном краю передней 45а и задней 45b поверхностей цилиндрической опоры 45) и упираются в переднюю и заднюю поверхности цилиндрической опоры 41 ротора 62 (данная установка может выполняться и в обратном порядке). Кроме того, создают повышенное давление внутри корпуса, в котором расположен электрогенератор 60 (границы пространства определяются цилиндрической опорой 41 и цилиндрической опорой 45), при помощи трубки 70 подачи дополнительного питания на уровне внутренней стенки цилиндрической опоры 45.
В этих условиях необходимо также осуществить охлаждение катушек статора 64. Такое охлаждение обеспечивается за счет поступления масла 74 в первый ряд спиралевидных трубопроводов 72, которые проходят внутри цилиндрических опор 45 из их передней части в заднюю часть. Этот первый ряд спиралевидных трубопроводов 72 соединяется через жидкую среду с жиклером 52, обеспечивая тем самым смазку заднего подшипника 42.
Спиралевидные трубопроводы 72 выходят с задней стороны (справа, как это показано на фиг.2) в двойной входной жиклер, включающий в себя жиклер 52, а также жиклер 76, который направлен в противоположную от жиклера 52 сторону, т.е. в направлении вала 38 высокого давления в целях обеспечения охлаждения ротора 62.
Предусматривается, что поступление масла 74 из первого ряда спиралевидных трубопроводов 72 может быть обеспечено с использованием общей масляной системы с поступлением масла 49, питающего смазочные жиклеры 48 и 50 переднего 28 и промежуточного 30 подшипников.
В связи с этим следует отметить, что после прохода масла через первый ряд спиралевидных трубопроводов 72 его температура остается достаточно низкой, чтобы обеспечить охлаждение заднего подшипника 42 через жиклер 52.
В качестве вспомогательного варианта изыскивается возможность охлаждения магнитов ротора 62 посредством циркуляции охлаждающего масла через второй ряд спиралевидного трубопровода 78, расположенного между цилиндрическим кольцом 40 и цилиндрической опорой 41.
С этой целью жиклер 76 охлаждения ротора 62 расположен напротив отверстия 80, которое проходит через цилиндрическое кольцо 40 до второго ряда спиралевидного трубопровода 78, начиная от его задней части (справа, как это показано на фиг.2).
Таким образом, масло, вытекающее из жиклера 76, в полном объеме или частично проникает через отверстие 80 (см. направление стрелки) в заднюю часть второго ряда спиралевидного трубопровода 78 (справа, как это показано на фиг.2).
Передняя часть второго ряда спиралевидного трубопровода 78 соединяется с отверстием 82, обеспечивающим выброс масла в полость 46, которая расположена на краю промежуточного подшипника 30 (см. направление стрелки).
Исходя из вышеизложенного становится ясным, что имеется возможность в рамках заявленной компоновки, предусматривающей наличие электрогенератора 60, обеспечить герметичность электрогенератора в случае его размещения в полости 46, в которой образуется «масляная взвесь», одновременное смазывание подшипников и использование системы смазки для охлаждения различных элементов электрогенератора.
Таким образом осуществляется охлаждение катушек электрогенератора и, возможно, его магнитов за счет задействования той же масляной системы, которая используется для смазывания подшипников, что позволяет не допустить усложнения схемы прокладки сети масляных трубопроводов внутри полости за счет питающих, магистральных, рекуперационных и дренажных трубок.
Электрогенератор 60 может также представлять собой как генератор-стартер, так и вспомогательный генератор.
Следует отметить, что подсоединение в двигателе электрогенератора 60 в качестве генератора-стартера или вспомогательного генератора не требует использования дополнительных подшипников для поддержки катушки индуктивности и якоря.
Способ осуществления, который был описан выше с использованием в качестве иллюстрационных материалов фиг.1 и 2, не носит окончательного характера в плане применения данного изобретения.
В случае, когда турбинная установка имеет только один корпус высокого давления, электрогенератор устанавливается в картере единого осевого компрессора выше подшипника, расположенного между картером и ротором компрессора высокого давления, при этом первый ряд спиралеобразного трубопровода 72 в качестве своего продолжения имеет систему смазки маслом, которая соединяется с жиклером, смазывающим данный подшипник.