RU2057970C1

RU2057970C1 - Axial compressor

Info

Publication number: RU2057970C1
Application number: RU93053321A
Authority: RU
Inventors: В.Р. Терровере
Original assignee: Индивидуальное частное предприятие Фирма "Винтер"
Priority date: 1993-11-25
Filing date: 1993-11-25
Publication date: 1996-04-10

Abstract

FIELD: compressor engineering. SUBSTANCE: blades are provided with a cylindrical tyre. The housing is made up as projections having rectangular openings and hollows which alternate in the longitudinal direction. The stator of an electric machine has stacks of plates provided with windings on outer side. The windings are positioned in the rectangular openings of the projections. The tyre is made up as magnetically soft and nonmagnetic parts which alternate over periphery. The disks have ring magnetically soft material over periphery. The blades are made up as permanent radially magnetized magnets. The outer faces of the blades abut against magnetically soft parts of the tyre. The inner faces of the blades abut against the ring magnetically soft disk member. Permanent magnets are magnetized tangentially and mounted in the spaces between the blades on nonmagnetic parts of the tyre. The outer faces of the blades are provided with locks positioned inside the tyre. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а именно к газотурбинным электростанциям (ГТЭС), предназначенным для питания технологического оборудования, электрофизической аппаратуры, и к стартер-генератору авиационного или судового газотурбинного двигателя, который при запуске работает как стартер, а при работе двигателя используется как генератор переменного тока. The invention relates to energy, and in particular to gas turbine power plants (GTES), intended for powering technological equipment, electrophysical equipment, and to the starter-generator of an aircraft or marine gas turbine engine, which, when started, acts as a starter, and when the engine is used, it is used as an alternator .

Известен осевой многоступенчатый компрессор преимущественно газотурбинного двигателя, в корпусе которого размещены на установленном в подшипниках валу диски первого и второго роторов, рабочие лопатки последнего из которого расположены между первой и последней ступенями первого ротора. На валу компрессора установлена электрическая машина со статорной обмоткой возбуждения и токосъемными устройствами, выполненными в виде контактирующих с крайними дисками второго ротора электрощеток с щеткодержателями. Вал снабжен изолирующей втулкой, второй ротор установлен на втулке, между рабочими лопатками расположены токопроводящие направляющие лопатки с внутренним кольцом, имеющим равномерно расположенные по окружности прямоугольные пазы для размещения щеткодержателей. Токосъемными устройствами может быть снабжен первый ротор [1]
Недостатками известного устройства являются: наличие электрических контактов, которые снижают надежность работы устройства и ресурс компрессора; на выходе электрической машины получают только постоянный ток, что снижает функциональные возможности устройства; для эксплуатации требуются существенные изменения конструкции штатного компрессора газотурбинного двигателя, а также сложность конструкции.Known axial multistage compressor of a predominantly gas turbine engine, in the housing of which the disks of the first and second rotors are mounted on the shaft mounted in the bearings, the working blades of the latter of which are located between the first and last stages of the first rotor. An electric machine is installed on the compressor shaft with a stator field winding and current collector devices made in the form of electric brushes in contact with the extreme disks of the second rotor with brush holders. The shaft is equipped with an insulating sleeve, the second rotor is mounted on the sleeve, conductive guide vanes are located between the working blades with an inner ring having rectangular grooves evenly spaced around the circumference for accommodating brush holders. The first rotor can be equipped with current collection devices [1]
The disadvantages of the known device are: the presence of electrical contacts, which reduce the reliability of the device and the compressor resource; at the output of the electric machine they receive only direct current, which reduces the functionality of the device; operation requires significant changes in the design of the standard compressor of a gas turbine engine, as well as the complexity of the design.

Наиболее близким к изобретению является двухконтурный газотурбинный двигатель (ГТД) у которого между компрессорами низкого и высокого давления расположен обод с направляющими лопатками, обеспечивающими силовую связь корпуса установки с компрессорной опорой, и который оснащен машиной переменного тока с радиально намагниченными магнитами на роторе, расположенной в цилиндрической полости под направляющими лопатками и жестко связанной с компрессором, причем питание статора обмоток электрической машины осуществляется через проводники, проходящие внутри направляющих лопаток компрессора высокого давления [2]
Данное устройство взято за прототип. Недостатками устройства-прототипа является сложность конструкции, малая мощность электрической машины, обусловленная ее малыми габаритами по сравнению с габаритами всего устройства.Closest to the invention is a double-circuit gas turbine engine (GTE) in which between the low and high pressure compressors there is a rim with guide vanes that provide power connection of the unit casing with the compressor support, and which is equipped with an alternating current machine with radially magnetized magnets on the rotor located in a cylindrical the cavity under the guide vanes and rigidly connected to the compressor, and the stator of the windings of the electric machine is powered through conductors passing inside the guide vanes of the high pressure compressor [2]
This device is taken as a prototype. The disadvantages of the prototype device is the design complexity, low power of the electric machine, due to its small dimensions compared with the dimensions of the entire device.

В основе изобретения лежит задача упростить конструкцию и расширить функциональные возможности устройства. The basis of the invention is to simplify the design and expand the functionality of the device.

Это решается за счет того, что в осевом компрессоре лопатки снабжены цилиндрическим бандажом, корпус выполнен в виде чередующихся в продольном направлении выступов с прямоугольными отверстиями и впадин, статор электрической машины имеет пакеты пластин с намотанными снаружи их обмотками, размещенные в прямоугольных отверстиях выступов. Это позволяет упростить конструкцию и создать электромеханический преобразователь для нового класса газотурбинных электростанций (ГТЭС) одноагрегатных (ГТЭС), где ГТД и электрический генератор совмещены в одном агрегате. This is solved due to the fact that the blades are equipped with a cylindrical bandage in the axial compressor, the casing is made in the form of protrusions alternating in the longitudinal direction with rectangular holes and depressions, the stator of the electric machine has packs of plates with their windings wound outside, located in the rectangular openings of the protrusions. This allows us to simplify the design and create an electromechanical converter for a new class of gas turbine power plants (GTES) single-unit (GTES), where the gas turbine engine and the electric generator are combined in one unit.

Бандаж выполнен из чередующихся в окружном направлении магнитомягких и немагнитных участков, диски на периферии имеют кольцевой магнитомягкий элемент, а лопатки выполнены в виде постоянных магнитов, радиально намагничены и примыкают своими наружными торцами к магнитомягким участкам бандажа, а внутренними торцами к кольцевому магнитомягкому элементу диска. При этом постоянные магниты тангенциально намагничены и установлены в промежутках между лопатками на немагнитных участках бандажа, а наружные торцы лопаток снабжены замками, расположенными в бандаже. The bandage is made of alternating magnetically soft and non-magnetic sections in the circumferential direction, the discs on the periphery have an annular magnetically soft element, and the blades are made in the form of permanent magnets, are radially magnetized and are adjacent with their outer ends to the magnetically soft sections of the bandage, and the inner ends of the ring magnetically soft element of the disk. In this case, the permanent magnets are tangentially magnetized and installed in the spaces between the blades on the non-magnetic sections of the brace, and the outer ends of the blades are equipped with locks located in the brace.

На фиг. 1 изображен общий вид компрессора ГТД, разрез; на фиг. 2 и 3 разрез А-А и Б-Б на фиг. 1 соответственно. In FIG. 1 shows a General view of the compressor GTE, section; in FIG. 2 and 3, section AA and BB in FIG. 1 respectively.

Штатный компрессор ГТД включает входную часть 1, осевой компрессор 2, опоры 3, корпус 4. Как показано на фиг. 1, ротор электромеханического преобразователя выполняет одновременно функции ротора лопаточной машины и ротора электрической машины. A regular gas turbine compressor includes an inlet 1, an axial compressor 2, bearings 3, housing 4. As shown in FIG. 1, the rotor of the electromechanical converter simultaneously performs the functions of a rotor of a blade machine and a rotor of an electric machine.

В роторе с тангенциальным намагничиванием (фиг. 2) магниты 5 располагаются по радиусу и примыкают наружными торцами к немагнитным вставкам 6 наружного сварного цилиндра, содержащего также магнитомягкие участки 7 в межполюсных зонах. Примерный вид линий магнитной индукции для рабочего потока Ф

и потока рассеяния Ф

показан на фиг. 2 пунктирными линиями.In the rotor with tangential magnetization (Fig. 2), the magnets 5 are located along the radius and are adjacent by the outer ends to the non-magnetic inserts 6 of the outer welded cylinder, which also contains soft magnetic sections 7 in the interpolar zones. An approximate view of the lines of magnetic induction for the working stream f

and scattering flux Ф

shown in FIG. 2 dashed lines.

Такая конструкция особенно рациональна при использовании высокоэрцитивных магнитов на основе редкоземельных металлов типа SmCo₅, которые могут быть слабочувствительны к величине немагнитного зазора в магнитной цепи. Малая требуемая длина магнитов позволяет создавать компактные многополюсные конструкции роторов с тангенциальным намагничиванием для машин с повышенной частотой, что способствует снижению требуемого объема дорогостоящих магнитов. При использовании компрессора ГТД этот первичный источник дает на выходе ток высокой частоты, расширяя тем самым функциональные возможности устройства. Поэтому для получения тока промышленной частоты необходим источник вторичного электропитания с преобразователем частоты. При этом рекомендуется определять оптимальное число пар полюсов из условия минимума суммарной стоимости постоянных магнитов и преобразователя частоты.Such a design is especially rational when using highly coercive rare-earth magnets such as SmCo ₅ , which may be weakly sensitive to the magnitude of the non-magnetic gap in the magnetic circuit. The small required length of the magnets allows you to create compact multi-pole rotor designs with tangential magnetization for machines with high frequency, which helps to reduce the required volume of expensive magnets. When using a gas turbine compressor, this primary source gives a high-frequency current to the output, thereby expanding the functionality of the device. Therefore, to obtain a current of industrial frequency, a secondary power source with a frequency converter is required. It is recommended to determine the optimal number of pole pairs from the minimum condition of the total cost of permanent magnets and a frequency converter.

Важная особенность конструкции с тангенциальным намагничиванием возможность получения с ее помощью рабочих индукций в зазоре B

, превышающих индукцию B_m в магните. Поэтому в ряде случаев якорь для рассматриваемого ротора может выполняться беспазовым.An important feature of the design with tangential magnetization is the possibility of obtaining with its help working inductions in the gap B

exceeding the induction B _m in the magnet. Therefore, in some cases, the anchor for the rotor in question can be non-basic.

Ротор с радиальным намагничиванием (фиг. 3) содержит расположенные радиально постоянные магниты-лопатки 8, которые намагничены по радиусу и примыкают внутренними торцами к магнитомягкой втулке 9, а наружными торцами (концы типа "ласточкин хвост") к магнитомягким участкам 10 наружного сварного цилиндра, содержащего вставки 11 из немагнитного материала. В участках 10, выполняющих роль полюсных наконечников, может размещаться депьерная (успокоительная) обмотка 12, выполняющая несколько функций. Обмотка улучшает защиту магнита от нестационарных размагничивающих воздействий, предотвращает колебания ротора по отношению к синхронно вращающемуся полю якоря и гасит встречно вращающиеся составляющие поля (например, составлящие поля от высших гармоник МДС якоря и др.). С помощью обмотки обеспечивается асинхронный пуск машины в двигательном режиме. The rotor with radial magnetization (Fig. 3) contains radially-located permanent magnet blades 8, which are magnetized along the radius and abut with the internal ends to the magnetically soft sleeve 9, and the outer ends (dovetail ends) to the magnetically soft sections 10 of the outer welded cylinder, containing insert 11 of non-magnetic material. In sections 10, performing the role of the pole pieces, a depyernal (soothing) winding 12 can be placed that performs several functions. The winding improves the protection of the magnet from unsteady demagnetizing effects, prevents the rotor from oscillating with respect to the synchronously rotating armature field and dampens counter-rotating field components (for example, component fields from the higher harmonics of the MDS armature, etc.). By means of a winding, asynchronous start-up of the machine in motor mode is provided.

В конструкциях, показанных на фиг. 2 и 3, наружный сварной цилиндр обеспечивает высокие окружные скорости ротора, а магнитомягкие полюсные элементы хорошую защиту от внешних размагничивающих воздействий. Дополнительная экранизация магнитов может быть обеспечена изоляцией их от воздуха немагнитными элементами 13 (фиг. 2). In the designs shown in FIG. 2 and 3, the outer welded cylinder provides high circumferential rotor speeds, and magnetically soft pole elements provide good protection against external demagnetizing effects. Additional screening of the magnets can be provided by their isolation from the air by non-magnetic elements 13 (Fig. 2).

Недостатком конструкции ротора со сварным наружным цилиндром являются значительные поверхностные потери от зубцовых гармоник поля, наводящих в цилиндре большие вихревые токи, отсутствующие при беспазовой конструкции якоря. A disadvantage of the design of the rotor with a welded outer cylinder is significant surface losses from the tooth harmonics of the field, which induce large eddy currents in the cylinder, which are absent in the case of an armless construction of the armature.

Вместо сварного цилиндра на фиг. 2 и 3 может применяться сплошная оболочка бандаж из прочного немагнитного материала, например титана. Перспективно также изготовление неоднородного бандажа и постоянных магнитов методом порошковой металлургии. Instead of the welded cylinder in FIG. 2 and 3, a continuous sheath of bandages made of a strong non-magnetic material, for example titanium, can be used. It is also promising to manufacture an inhomogeneous bandage and permanent magnets using powder metallurgy.

Статор предлагаемого компрессора отличается от статора штатного компрессора ГТД тем, что имеет форму сильфона для размещения в прямоугольных пазах выступающих кольцевых поясов шихтованного цилиндрического магнитопровода 14 с якорной обмоткой 15 (фиг. 1). The stator of the proposed compressor differs from the stator of a standard gas turbine compressor in that it has the shape of a bellows for placement in rectangular grooves of the protruding ring belts of a charged cylindrical magnetic circuit 14 with an anchor winding 15 (Fig. 1).

Компрессор в составе ГТД работает следующим образом. The compressor in the gas turbine engine operates as follows.

Для запуска машины необходим источник электроэнергии: автономный или стационарный. Магнитный поток создается постоянными магнитами. При включении источника электроэнергии магнитоэлектрическая машина работает в двигательном режиме и раскручивает ротор ГТД до оборотов малого газа. После этого включается камера сгорания и ГТД самостоятельно выходит на рабочие обороты, а электрическая машина переводится в генераторный режим работы. To start the machine you need a source of electricity: autonomous or stationary. Magnetic flux is created by permanent magnets. When the electric power source is turned on, the magnetoelectric machine operates in a motor mode and spins the gas turbine rotor to revolutions of small gas. After that, the combustion chamber is turned on and the gas turbine engine independently reaches the operating speed, and the electric machine is transferred to the generator operating mode.

Предлагаемая конструкция осевого компрессора представляет собой новый класс компрессоров с точки зрения компоновки и выходных электрических параметров. Это одно из главных достоинств компрессора по сравнению с прототипом. The proposed axial compressor design represents a new class of compressors in terms of layout and electrical output. This is one of the main advantages of the compressor compared to the prototype.

Более того данное техническое решение представляет собой новое научно-техническое направление в энергомашиностроении, так как предложен электромеханический преобразователь для нового класса ГТЭС одноагрегатных ГТЭС, где ГТД и электрический генератор совмещены в одном агрегате. Moreover, this technical solution represents a new scientific and technical direction in power engineering, as an electromechanical converter is proposed for a new class of single-unit gas turbine power plants, where gas turbine engines and an electric generator are combined in one unit.

Claims

1. AXIAL COMPRESSOR of a predominantly gas turbine engine, comprising a housing and rotor disks with blades installed therein and an electric machine having a rotor whose permanent magnets are located on the compressor rotor and a stator with stator winding, characterized in that the blades are equipped with a cylindrical bandage, the housing is made in the form of protrusions alternating in the longitudinal direction with rectangular holes and depressions, the stator of the electric machine has plate packs with their stator windings wound from the outside, placed s in the rectangular holes of the projections.

2. The compressor according to claim 1, characterized in that the bandage is made of alternating in the circumferential direction of soft and non-magnetic sections, the disks on the periphery have an annular magnetically soft element, and the blades are made in the form of permanent magnets, are radially magnetized and adjoin their magnetically soft sections with their outer ends bandage, and the inner ends to the ring magnetically soft element of the disk.

3. The compressor according to claim 1, characterized in that the permanent magnets are tangentially magnetized and installed in the spaces between the blades on the non-magnetic sections of the bandage, and the outer ends of the blades are equipped with locks located in the bandage.