RU2614421C1

RU2614421C1 - Birotating compressor

Info

Publication number: RU2614421C1
Application number: RU2016105561A
Authority: RU
Inventors: Антон Александрович Минаев; Максим Владимирович Жук
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-03-28

Abstract

FIELD: machine engineering.

SUBSTANCE: birotating compressor comprises a compressor stage mounted with individual supports rotating impellers, comprising wheels with rim and blade rows formed with a twist of the pen blades adjacent crowns in opposite directions, the means of rotation adjacent rotor wheels in opposite directions, the body with a fixed therein stable axis. Means of rotating impellers are made independent of each other and consisting of a stator assembly of the motor, placed on the fixed axis, and a rotary motor unit housed on the rim and/or drive the impeller, wherein at least the stator and/or rotor assembly motor are capable of connecting to a separate power source and arranged relative to each other with the possibility of magnetic interaction between them.

EFFECT: provision of opportunities independent control of frequency of rotation of each impeller to increase reserves dynamic stability of the compressor.

6 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области газотурбостроения, в частности к биротативным осевым компрессорам авиационных и наземных газотурбинных установок.The invention relates to the field of gas turbine construction, in particular to biirotational axial compressors of aircraft and ground gas turbine plants.

Известен двухкаскадный (двухроторный) компрессор, в котором роторы располагаются последовательно и приводятся во вращение благодаря газовым турбинам (см. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. С.А. Вьюнов и др. Под общ. ред. Д.В. Хронина. - М.: Машиностроение, 1989, с. 55, рис. 3.4.б). В таком компрессоре наблюдается эффект саморегулирования, в результате которого рассогласование его ступеней существенно уменьшается по сравнению с однокаскадным (однороторным) компрессором, что приводит к значительному возрастанию КПД и запаса устойчивости, что в ряде случаев позволяет обойтись без других средств регулирования. Наличие двух роторов в двухкаскадном компрессоре увеличивает число опор ротора, из-за чего конструкция компрессора усложняется и исключается возможность независимого регулирования частоты вращения каждого рабочего колеса (или части колес) с целью увеличения запасов газодинамической устойчивости компрессора в целом.Known two-stage (two-rotor) compressor, in which the rotors are arranged sequentially and driven into rotation by gas turbines (see. Design and engineering of aircraft gas turbine engines. S. A. Vyunov and others. Under the general editorship of D. V. Chronin. - M .: Engineering, 1989, p. 55, Fig. 3.4.b). In such a compressor, the effect of self-regulation is observed, as a result of which the mismatch of its stages is significantly reduced compared with a single-stage (single-rotor) compressor, which leads to a significant increase in efficiency and stability margin, which in some cases allows to do without other means of regulation. The presence of two rotors in a two-stage compressor increases the number of rotor bearings, which makes the compressor design more complicated and excludes the possibility of independent control of the rotational speed of each impeller (or part of the wheels) in order to increase the gas-dynamic stability of the compressor as a whole.

Известен биротативный компрессор, в котором роторы располагаются концентрично и вращаются в противоположных направлениях, при этом рабочие лопатки одного из них являются направляющими лопатками для другого (см. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. С.А. Вьюнов и др. Под общ. ред. Д.В. Хронина. - М.: Машиностроение, 1989, с. 55, рис. 3.4.в). Такое конструктивное решение позволяет использовать меньшее количество ступеней для получения заданной степени сжатия (по сравнению с компрессорами традиционной схемы). Это позволяет сократить длину и вес осевого компрессора, что особенно актуально для авиационных газотурбинных двигателей. Однако описанную конструкцию сложно реализовать. Конструкцию усложняют большая вращающаяся масса наружного ротора, охватывающего второй, внутренний для первого, ротор, и необходимость установки редуктора либо дополнительной турбины для привода первого из упомянутых роторов. Подобная схема еще в начале 1940-х годов прорабатывалась на фирме Даймлер-Бенц (см. История разработки и создания реактивных двигателей и газовых турбин в Германии 1930-1945. Энтони Л. Кей. Изд. РГАТА им. П.А. Соловьева, 2006, с. 160, рис. 2.110.), но в связи с большими трудностями, возникшими при разработке, в начале 1942 года данный проект был закрыт.A bi-rotational compressor is known in which the rotors are concentric and rotate in opposite directions, while the working blades of one of them are guide vanes for the other (see Design and Design of Aircraft Gas Turbine Engines. S. A. Vyunov et al. Ed. D.V. Chronina. - M.: Mechanical Engineering, 1989, p. 55, Fig. 3.4.c). This design solution allows you to use a smaller number of stages to obtain a given compression ratio (compared with traditional compressors). This allows to reduce the length and weight of the axial compressor, which is especially important for aircraft gas turbine engines. However, the described construction is difficult to implement. The design is complicated by the large rotating mass of the outer rotor, covering the second, inner for the first, rotor, and the need to install a gearbox or additional turbine to drive the first of the mentioned rotors. A similar scheme was already worked out at the Daimler-Benz company in the early 1940s (see. History of the development and creation of jet engines and gas turbines in Germany 1930-1945. Anthony L. Kay. Publishing House of the Russian Academy of Arts named after P.A. Soloviev, 2006 , p. 160, Fig. 2.110.), but due to great difficulties that arose during development, at the beginning of 1942 this project was closed.

Наиболее близким к заявленному является биротативный компрессор, содержащий ступени компрессора с установленными на индивидуальных опорах вращения рабочими колесами, включающими диски с ободьями и лопаточные венцы, выполненные с закруткой лопаток соседних венцов в противоположных направлениях, средства вращения соседних рабочих колес в противоположных направлениях, корпус с закрепленной в нем неподвижной осью (Патент РФ №2212567, кл. F04D 17/12, оп. 20.09.2003).Closest to the claimed one is a biotic compressor containing compressor stages with impellers mounted on individual rotation bearings, including disks with rims and vanes, twisting the vanes of adjacent crowns in opposite directions, means of rotation of adjacent impellers in opposite directions, housing with fixed it has a fixed axis (RF Patent No. 2212567, CL F04D 17/12, op. September 20, 2003).

Недостаток известного компрессора состоит в том, что в известном биротативном компрессоре отсутствует возможность независимого регулирования скорости вращения каждой ступени компрессора в отдельности, что снижает запасы газодинамической устойчивости компрессора в целом. Это обусловлено тем, что все рабочие диски компрессора связаны между собой через механические передачи с неизменным передаточным отношением.A disadvantage of the known compressor is that in the known birotational compressor there is no possibility of independent regulation of the rotation speed of each compressor stage separately, which reduces the reserves of gas-dynamic stability of the compressor as a whole. This is due to the fact that all working disks of the compressor are interconnected via mechanical gears with an unchanged gear ratio.

Технический результат, получаемый при использовании предложенного изобретения, заключается в обеспечении возможности независимого регулирования частоты вращения каждого рабочего колеса с целью увеличения запасов газодинамической устойчивости компрессора.The technical result obtained by using the proposed invention is to enable independent control of the rotational speed of each impeller in order to increase the reserves of gas-dynamic stability of the compressor.

Указанный технический результат достигается тем, что в биротативном компрессоре, содержащем ступени компрессора с установленными на индивидуальных опорах вращения рабочими колесами, включающими диски с ободьями и лопаточные венцы, выполненные с закруткой пера лопаток соседних венцов в противоположных направлениях, средства вращения соседних рабочих колес в противоположных направлениях, корпус с закрепленной в нем неподвижной осью, упомянутые средства вращения рабочих колес выполнены независимыми друг от друга и состоящими из статорного узла электродвигателя, размещенного на неподвижной оси, и роторного узла электродвигателя, размещенного на ободе и/или на диске рабочего колеса, при этом, по меньшей мере, статорный и/или роторный узел электродвигателя обладают возможностью подключения к отдельному источнику электроэнергии и размещены относительно друг друга с возможностью магнитного взаимодействия между ними.The specified technical result is achieved by the fact that in the biotational compressor containing compressor stages with impellers mounted on individual rotation bearings, including disks with rims and vanes, twisted feathers of the blades of adjacent crowns in opposite directions, rotation means of adjacent impellers in opposite directions , a housing with a fixed axis fixed in it, the said means of rotation of the impellers are made independent of each other and consisting of stato a rotary motor assembly located on a fixed axis, and a rotary motor assembly located on the rim and / or on the disk of the impeller, while at least the stator and / or rotor motor assembly have the ability to connect to a separate source of electricity and are placed relative to each other friend with the possibility of magnetic interaction between them.

Указанный результат достигается в большей степени, если, по меньшей мере, один источник электроэнергии выполнен регулируемым.The specified result is achieved to a greater extent, if at least one source of electricity is made adjustable.

Указанный результат, в частности, достигается тем, что роторный узел электродвигателя включает токопроводящий короткозамкнутый элемент, а статорный узел электродвигателя выполнен в виде размещенной на магнитопроводе токопроводящей обмотки, обеспечивающей возможность создания вращающегося магнитного поля и подключенной к источнику двухфазного переменного тока или трехфазного переменного тока или источнику импульсного тока.This result, in particular, is achieved by the fact that the rotor assembly of the electric motor includes a conductive short-circuited element, and the stator assembly of the electric motor is made in the form of a conductive winding located on the magnetic circuit, which provides the possibility of creating a rotating magnetic field and is connected to a two-phase alternating current or three-phase alternating current source or source pulse current.

Указанный результат, в частности, достигается тем, что токопроводящий короткозамкнутый элемент выполнен в виде размещенной на магнитопроводе короткозамкнутой обмотки.This result, in particular, is achieved by the fact that the conductive short-circuited element is made in the form of a short-circuited winding located on the magnetic circuit.

Указанный результат, в частности, достигается тем, что токопроводящий короткозамкнутый элемент выполнен в виде сплошного металлического стакана, или чаши, или диска.The specified result, in particular, is achieved by the fact that the conductive short-circuited element is made in the form of a continuous metal cup, or bowl, or disk.

Указанный результат, в частности, может быть достигнут и тем, что роторный узел электродвигателя выполнен в виде группы расположенных по окружности рабочего колеса постоянных магнитов, а статорный узел - в виде группы обмоток, подключенных к выходам коммутируемого источника постоянного тока и расположенных по окружности неподвижной оси компрессора.This result, in particular, can be achieved by the fact that the rotor assembly of the electric motor is made in the form of a group of permanent magnets located around the circumference of the impeller, and the stator assembly is in the form of a group of windings connected to the outputs of a switched DC source and located around the stationary axis compressor.

На чертежах показан биротативный компрессор в соответствии с настоящим изобретением.The drawings show a biotic compressor in accordance with the present invention.

На фиг. 1 показана конструктивная схема биротативного компрессора в продольном сечении.In FIG. 1 shows a structural diagram of a biirotic compressor in longitudinal section.

На фиг. 2 показано поперечное сечение рабочего колеса биротативного компрессора по А-А на фиг. 1 с выполнением роторного узла электродвигателя в виде токопроводящего короткозамкнутого элемента, а статорного узла - в виде токопроводящей обмотки для создания вращающегося магнитного поля.In FIG. 2 shows a cross-section of the impeller of the birotative compressor along AA in FIG. 1 with the implementation of the rotor assembly of the electric motor in the form of a conductive squirrel-cage element, and the stator assembly - in the form of a conductive winding to create a rotating magnetic field.

На фиг. 3 показано поперечное сечение рабочего колеса биротативного компрессора с выполнением роторного узла электродвигателя в виде группы расположенных по окружности рабочего колеса постоянных магнитов, а статорного узла - в виде группы обмоток, подключенных к выходам коммутируемого источника постоянного тока и расположенных по окружности неподвижной оси компрессора.In FIG. Figure 3 shows a cross section of the impeller of a biotational compressor with a rotor assembly of an electric motor in the form of a group of permanent magnets located around the circumference of the impeller, and a stator assembly in the form of a group of windings connected to the outputs of a switched DC source and located around the stationary axis of the compressor.

На фиг. 4 показана схема, иллюстрирующая возможность использования предложенного биротативного компрессора в составе газотурбинной установки.In FIG. 4 is a diagram illustrating the possibility of using the proposed birotative compressor as part of a gas turbine installation.

Предложенную конструктивную схему биротативного компрессора рассмотрим на примере трехступенчатого компрессора (фиг. 1). Однако число ступеней биротативного компрессора не ограничено тремя и определяется исходя из заданных его параметров с использованием известных формул.We will consider the proposed constructive scheme of the birotational compressor using the example of a three-stage compressor (Fig. 1). However, the number of steps of a biotational compressor is not limited to three and is determined based on its specified parameters using well-known formulas.

Биротативный компрессор содержит ступени компрессора с установленными на индивидуальных опорах Г вращения (выполненных, например, в виде подшипников качения или скольжения) рабочими колесами 2, 3, 4, включающими диски 5, 6, 7 с ободьями 8, 9, 10 и венцы 11, 12, 13 рабочих лопаток (на фиг. 1 в каждом из венцов показана только одна рабочая лопатка). Соседние лопаточные венцы 11, 12 и 13 выполнены с закруткой пера лопаток в противоположных направлениях. Ободья 8, 9, 10 имеют ширину, достаточную для размещения и крепления на них рабочих лопаток венцов 11, 12, 13.The biirotic compressor contains compressor stages with rotational bearings mounted on individual bearings Г (made, for example, in the form of rolling or sliding bearings) with impellers 2, 3, 4, including disks 5, 6, 7 with rims 8, 9, 10 and crowns 11, 12, 13 of the working blades (in Fig. 1 in each of the crowns only one working blade is shown). The adjacent blade crowns 11, 12 and 13 are made with a twist of the feather blades in opposite directions. The rims 8, 9, 10 have a width sufficient to accommodate and attach to them the working blades of the crowns 11, 12, 13.

Рабочие колеса 2, 3, 4 снабжены средствами 14, 15, 16 их вращения, выполненными независимыми друг от друга. Под независимым в рамках настоящей заявки понимается такое средство вращения рабочего колеса компрессора, которое обладает возможностью обеспечивать вращение соответствующего рабочего колеса с заданными параметрами (например, с заданной частотой вращения) независимо от средств вращения других колес.The impellers 2, 3, 4 are equipped with means 14, 15, 16 of their rotation, made independent of each other. Independent in the framework of this application is understood to mean a means of rotating the impeller of the compressor, which has the ability to provide rotation of the corresponding impeller with predetermined parameters (for example, with a given speed) regardless of the means of rotation of the other wheels.

Средства 14, 15, 16 вращения обладают возможностью обеспечения вращения соседних рабочих колес 2, 3, 4 в противоположных направлениях. Индивидуальные опоры 1 установлены на неподвижной оси 17, закрепленной в корпусе 18 компрессора, например, с помощью пилонов 19, размещенных равномерно по окружности корпуса 18. Пилоны 19 могут одновременно использоваться в качестве элементов направляющего аппарата компрессора.Means 14, 15, 16 of rotation have the ability to ensure the rotation of adjacent impellers 2, 3, 4 in opposite directions. The individual bearings 1 are mounted on a fixed axis 17 fixed in the compressor housing 18, for example, by means of pylons 19 arranged uniformly around the circumference of the housing 18. The pylons 19 can simultaneously be used as elements of the compressor guide apparatus.

Каждое из средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес включает статорный узел 20 электродвигателя, размещенный на неподвижной оси 17, и роторный узел 21 электродвигателя, размещенный на рабочем колесе, в частности на внутренней стороне обода или непосредственно на диске (т.е. на той его части, которую принято называть «полотно» диска) или одновременно и на внутренней стороне обода, и на диске (как показано на фиг. 1). С целью исключения загромождения чертежа (фиг. 1) статорный и роторный узлы электродвигателя снабжены цифровыми обозначениями 20 и 21 только для рабочего колеса 4. Идентичные узлы имеются на рабочих колесах 2 и 3.Each of the impeller rotation means 14, 15, 16 includes a stator electric motor assembly 20 located on the fixed axis 17 and a rotary electric motor assembly 21 located on the impeller, in particular on the inner side of the rim or directly on the disk (i.e. that part of it, which is usually called the "canvas" of the disk) or at the same time on the inner side of the rim and on the disk (as shown in Fig. 1). In order to avoid cluttering the drawing (Fig. 1), the stator and rotor units of the electric motor are provided with digital designations 20 and 21 only for the impeller 4. Identical nodes are on the impellers 2 and 3.

Статорный узел 20 электродвигателя каждого из средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес размещают относительно роторного узла 21 электродвигателя таким образом, чтобы была обеспечена возможность магнитного взаимодействия между ними. Для усиления такого взаимодействия один их узлов 20 или 21 или оба указанных узла снабжают наборным магнитопроводом 22 в виде пакета пластин из магнитомягкого материала.The stator assembly 20 of the electric motor of each of the means of rotation of the impellers 14, 15, 16 is placed relative to the rotor assembly 21 of the electric motor in such a way as to allow magnetic interaction between them. To enhance this interaction, one of the nodes 20 or 21 or both of these nodes is equipped with a stacked magnetic circuit 22 in the form of a package of plates of soft magnetic material.

Такие пары «статорный узел электродвигателя - роторный узел электродвигателя» на рабочих колесах 2, 3 или 4 образуют независимые электродвигатели привода вращения рабочих колес.Such pairs of "stator assembly of the electric motor - rotor assembly of the electric motor" on the impellers 2, 3 or 4 form independent electric motors for driving the rotation of the impellers.

По меньшей мере, статорный узел 20 или роторный узел 21 электродвигателя привода вращения каждого рабочего колеса обладают возможностью подключения к отдельному источнику электроэнергии (на фиг. 1 не показан). В частном случае такой источник может быть выполнен регулируемым, т.е. обеспечивающим возможность точного задания (и регулирования) частоты вращения и/или крутящего момента упомянутого электродвигателя. Регулируемыми могут быть выполнены как все источники электроэнергии, подключенные к электродвигателям привода вращения рабочих колес 2, 3, 4 компрессора, так и только часть источников электроэнергии электродвигателей привода вращения рабочих колес, а остальные источники электроэнергии привода вращения рабочих колес компрессора могут быть выполнены нерегулируемыми с фиксированным (заданным) значением частоты тока или частоты выходных импульсов.At least the stator assembly 20 or the rotor assembly 21 of the electric drive of rotation of each impeller have the ability to connect to a separate source of electricity (not shown in FIG. 1). In the particular case, such a source can be made adjustable, i.e. providing the ability to accurately set (and control) the speed and / or torque of the aforementioned electric motor. Adjustable can be performed as all sources of electricity connected to the electric motors of the rotor drive of the impellers 2, 3, 4 of the compressor, and only part of the electric energy sources of the electric motors of the rotor drive of the impellers, and the rest of the electric power sources of the rotor drive of the compressor can be made unregulated with a fixed (set) value of the current frequency or the frequency of the output pulses.

В качестве примера выполнения статорного и роторного узлов электродвигателя привода вращения рабочих колес может быть приведен следующий (см. фиг. 1 и 2): роторный узел 21 электродвигателя включает распределенный по окружности обода и/или диска рабочего колеса токопроводящий короткозамкнутый элемент 23, а статорный узел 20 электродвигателя выполнен в виде токопроводящей обмотки 24, размещенной на магнитопроводе 22 статорного узла и распределенной по окружности неподвижной оси 17. Токопроводящая обмотка 24 обеспечивает возможность создания вращающегося магнитного поля и обладает возможностью подключенной к отдельному источнику электроэнергии, например источнику двухфазного переменного тока или трехфазного переменного тока или источнику импульсного тока (клеммы для подключения токопроводящих обмоток к указанным источникам и сами источники электроэнергии на фиг. 1 и 2 не показаны). Токопроводящий короткозамкнутый элемент 23 может быть выполнен в виде размещенной на магнитопроводе 22 роторного узла короткозамкнутой обмотки, например медной обмотки типа «беличье колесо». Для снижения массы роторного узла 21 электродвигателя токопроводящий короткозамкнутый элемент 23 может быть выполнен в виде сплошного стакана, или чаши, или диска, или кольца, например, из алюминия. Указанное сочетание распределенной по окружности статорного узла 20 токопроводящей обмотки 24 и распределенного по окружности обода и/или диска рабочего колеса токопроводящего короткозамкнутого элемента 23 соответствует конструктивной схеме асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.As an example of the stator and rotor assemblies of the impeller rotation drive electric motor, the following can be given (see Figs. 1 and 2): the rotor motor assembly 21 includes a short-circuited conductive element 23 distributed around the circumference of the rim and / or the impeller disk, and the stator assembly 20 of the electric motor is made in the form of a conductive winding 24, located on the magnetic circuit 22 of the stator assembly and distributed around the stationary axis 17. The conductive winding 24 provides the possibility of creating a magnetic field and has the ability to be connected to a separate source of electricity, for example, a source of two-phase alternating current or three-phase alternating current or a source of pulsed current (terminals for connecting conductive windings to these sources and the sources of electricity in Figs. 1 and 2 are not shown). The conductive short-circuited element 23 can be made in the form of a short-circuited rotor assembly located on the magnetic circuit 22, for example, a squirrel-wheel type copper winding. To reduce the mass of the rotor assembly 21 of the electric motor, the conductive short-circuited element 23 can be made in the form of a continuous glass, or bowl, or disk, or ring, for example, from aluminum. The specified combination of the circumferentially distributed stator assembly 20 of the conductive winding 24 and the circumferentially distributed rim and / or disk of the impeller of the conductive squirrel-cage element 23 corresponds to the design of an asynchronous squirrel-cage electric motor.

Роторный узел электродвигателя любого из средств вращения рабочих колес может быть через коллектор также подключен к источнику электроэнергии (в частном случае это может быть тот же источник, к которому подключен и статорный узел электродвигателя), что соответствует конструктивной схеме универсального коллекторного электродвигателя. В этом случае в качестве источника электроэнергии может использоваться как источник постоянного, так и источник переменного тока.The rotor assembly of the electric motor of any of the means of rotation of the impellers can also be connected to a source of electricity through the collector (in the particular case, it can be the same source to which the stator assembly of the electric motor is connected), which corresponds to the design of the universal collector electric motor. In this case, both a constant source and an alternating current source can be used as an electric power source.

В частной форме выполнения при оснащении рабочих колес токосъемными кольцами токопроводящая обмотка, обеспечивающая возможность создания вращающегося магнитного поля и подключенная к источнику двухфазного или трехфазного переменного тока или к источнику импульсного тока, может быть размещена на магнитопроводе по окружности обода или диска рабочего колеса (в таком случае она будет выступать в качестве роторного узла электродвигателя). Короткозамкнутый элемент в таком случае размещается на магнитопроводе по окружности неподвижной оси.In a particular embodiment, when equipping the impellers with current-collecting rings, a conductive winding that provides the possibility of creating a rotating magnetic field and is connected to a two-phase or three-phase alternating current source or to a pulse current source can be placed on the magnetic circuit around the circumference of the rim or impeller disk (in this case it will act as the rotor assembly of the electric motor). In this case, the short-circuited element is placed on the magnetic circuit along the circumference of the fixed axis.

Еще в одной частной форме выполнения роторный узел 21 электродвигателя может быть выполнен в виде группы расположенных по окружности рабочего колеса постоянных магнитов 49 (фиг. 3), в частности, намагниченных в радиальном направлении, а статорный узел 20 - в виде группы расположенных по окружности неподвижной оси 17 токопроводящих обмоток 24, обладающих возможностью их подключения к выходам коммутируемого источника постоянного тока (на фиг. 1 и 3 не показан). Токопроводящие обмотки 24 размещены в пазах магнитопровода 22 статорного узла. Такое сочетание коммутируемых обмоток и расположенных по окружности постоянных магнитов 49 соответствует схеме бесколлекторного двигателя постоянного тока, аналогичного описанному в патенте РФ №2072614, кл. Н02К 23/54, оп. 27.01.1997.In another particular embodiment, the rotor assembly 21 of the electric motor can be made in the form of a group of permanent magnets 49 arranged around the circumference of the impeller (Fig. 3), in particular, magnetized in the radial direction, and the stator assembly 20 — in the form of a group of stationary around the circumference stationary axis 17 of the conductive windings 24, having the ability to connect them to the outputs of a switched DC source (not shown in Fig. 1 and 3). Conductive windings 24 are placed in the grooves of the magnetic circuit 22 of the stator assembly. This combination of switched windings and permanent magnets 49 arranged in a circle corresponds to a brushless DC motor circuitry similar to that described in RF patent No. 2072614, cl. Н02К 23/54, op. 01/27/1997.

Возможность подключения статорного узла 20 или роторного узла 21 электродвигателя привода вращения рабочих колес 2, 3, 4 биротативного компрессора к отдельному источнику электроэнергии позволяет выбрать для каждого колеса источник электроэнергии с такими заданными параметрами (например, с такой частотой переменного тока для асинхронного электродвигателя или с такой частотой коммутации управляющих импульсов постоянного тока для бесколлекторного электродвигателя постоянного тока), которые обеспечат оптимальное (с точки зрения аэродинамики) соотношение частот вращения рабочих колес.The ability to connect the stator assembly 20 or the rotor assembly 21 of the rotational compressor rotor drive motor 2, 3, 4 of the biotic compressor to a separate source of electricity allows you to choose an electric power source for each wheel with such specified parameters (for example, with such an alternating current frequency for an induction motor or with such switching frequency of direct current control pulses for a brushless DC motor), which will provide optimal (from the point of view of the aerodynamic iki) the ratio of the impeller rotation speed.

При использовании регулируемых источников электроэнергии такая оптимизация может быть достигнута еще легче в процессе работы и непрерывного регулирования биротативного компрессора.When using regulated sources of electricity, such optimization can be achieved even more easily during operation and continuous regulation of the biotic compressor.

Рассмотрим пример использования предложенного биротативного компрессора с независимыми электроприводами его рабочих в составе газотурбинной установки (далее ГТУ) (фиг. 4).Let us consider an example of using the proposed birotational compressor with independent electric drives of its workers as part of a gas turbine installation (hereinafter GTU) (Fig. 4).

Вход биротативного компрессора связан с атмосферой, а его выход через воздушный тракт 25 ГТУ подсоединен к первому входу камеры сгорания 26, выходом связанной с газовой турбиной 27, на валу которой установлен электрогенератор 28. В качестве электрогенератора 28 могут быть использованы генератор переменного тока или генератор постоянного тока. Ко второму входу камеры сгорания 26 подключен выход топливного насоса 29, вход которого связан топливной магистралью, например, с топливным баком ГТУ (не показан). На выходе топливного насоса 29 установлен датчик 30 расхода топлива, а на выходе газовой турбины 27 - датчик 31 температуры газа за турбиной. Электрогенератор 28 снабжен датчиком 32 частоты вращения его вала. На входе компрессора установлен датчик 33 полного давления газа и датчик 34 температуры газа, а на выходе компрессора установлен датчик 35 полного давления газа и датчик 36 температуры газа. Компрессор оснащен датчиками частоты вращения 37, 38 и 39 соответственно рабочих колес 2, 3 и 4. Выходы датчиков 33, 34, 35, 36, 37, 38 и 39 подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому, пятому, шестому и седьмому входам системы 40 управления газотурбинной установкой. Выходы датчиков 30, 31 и 32 подключены соответственно к восьмому, девятому и десятому входам системы 40 управления ГТУ, к одиннадцатому входу которой подключен электрический выход рычага 42 управления ГТУ. Выход электрогенератора 28 силовым питающим кабелем 41 связан с силовыми входами первого 43, второго 44 и третьего 45 контроллеров электродвигателей, входы управления которых связаны соответственно с первым, вторым и третьим выходами системы 40 управления ГТУ. Силовые выходы контроллеров 43, 44 и 45 электродвигателей подсоединены к токопроводящим обмоткам 24 статорных узлов 20 электродвигателя соответственно первого 2, второго 3 и третьего 4 рабочих колес компрессора. Силовой питающий кабель 41 снабжен датчиком напряжения 46 (преобразователем напряжения в измерительный сигнал), связанным с двенадцатым входом системы 40 управления ГТУ. Четвертый выход системы 40 управления ГТУ связан с входом управления топливного насоса 29.The inlet of the biotational compressor is connected to the atmosphere, and its outlet through the air path 25 of the gas turbine unit is connected to the first input of the combustion chamber 26, the output is connected to a gas turbine 27, on the shaft of which an electric generator 28 is installed. As an electric generator 28, an alternating current generator or a constant generator can be used current. The output of the fuel pump 29 is connected to the second input of the combustion chamber 26, the input of which is connected to the fuel line, for example, to a gas turbine tank (not shown). At the exit of the fuel pump 29, a fuel consumption sensor 30 is installed, and at the exit of the gas turbine 27, a gas temperature sensor 31 behind the turbine is installed. The generator 28 is equipped with a sensor 32 of the rotational speed of its shaft. At the compressor inlet, a gas pressure sensor 33 and a gas temperature sensor 34 are installed, and a gas pressure sensor 35 and a gas temperature sensor 36 are installed at the compressor outlet. The compressor is equipped with speed sensors 37, 38 and 39, respectively, of the impellers 2, 3 and 4. The outputs of the sensors 33, 34, 35, 36, 37, 38 and 39 are connected respectively to the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh the inputs of the control system 40 of the gas turbine installation. The outputs of the sensors 30, 31 and 32 are connected respectively to the eighth, ninth and tenth inputs of the gas turbine control system 40, to the eleventh input of which the electric output of the gas turbine control lever 42 is connected. The output of the generator 28 by a power supply cable 41 is connected to the power inputs of the first 43, second 44 and third 45 motor controllers, the control inputs of which are connected respectively with the first, second and third outputs of the gas turbine control system 40. The power outputs of the controllers 43, 44 and 45 of the electric motors are connected to the conductive windings 24 of the stator assemblies 20 of the electric motor, respectively, of the first 2, second 3 and third 4 impellers of the compressor. The power supply cable 41 is equipped with a voltage sensor 46 (voltage to measuring signal) connected to the twelfth input of the gas turbine control system 40. The fourth output of the gas turbine control system 40 is connected to the control input of the fuel pump 29.

В частном случае выполнения биротативного компрессора вал электрогенератора 28 (который одновременно является валом турбины 27) через муфту сцепления 47 может быть связан со стартером (автономным пусковым агрегатом) 48 (например, бензиновым или газотурбинным, работающим на авиационном керосине), имеющим вход для подачи топлива. В альтернативе в качестве стартера может быть использована турбина, раскручиваемая сжатым воздухом от внешнего источника (пневмостартер).In the particular case of a biotic compressor, the shaft of the generator 28 (which is also the shaft of the turbine 27) through the clutch 47 can be connected to a starter (autonomous starting unit) 48 (for example, gasoline or gas turbine operating on aviation kerosene) with an input for fuel supply . Alternatively, a turbine unwound with compressed air from an external source (pneumatic starter) can be used as a starter.

В другом частном случае выполнения в случае отсутствия стартера 48 с муфтой сцепления 47 ГТУ может быть оснащена аккумуляторной батареей, обладающей возможностью в период запуска ГТУ подключения к силовым входам контроллеров электродвигателей 43, 44 и 45 с одновременным отключением этих входов от генератора 28 (упомянутые средства подключения или отключения, а также аккумуляторная батарея не показаны в силу их общеизвестности).In another particular case of execution in the absence of a starter 48 with a clutch 47, the gas turbine may be equipped with a rechargeable battery capable of connecting to the power inputs of the motor controllers 43, 44 and 45 while disconnecting these inputs from the generator 28 (the mentioned connection means or disconnection, as well as the battery are not shown due to their well-known).

Работу биротативного компрессора с независимым электроприводом его ступеней рассмотрим на следующих примерах.We will consider the operation of a biotational compressor with an independent electric drive of its stages using the following examples.

Биротативный компрессор может использоваться как автономно, так и в составе описанной выше газотурбинной установки. Рассмотрим примеры автономной работы компрессора при различных формах выполнения средств вращения рабочих колес.The biirotic compressor can be used both independently and as part of the gas turbine unit described above. Consider examples of compressor autonomous operation with various forms of execution of the means of rotation of the impellers.

Пример 1. При автономной работе компрессора, выполненного по конструктивной схеме, показанной на фиг. 2, токопроводящие обмотки статорных узлов электродвигателей рабочих колес компрессора подключают к независимым источникам двухфазного или трехфазного переменного тока, по меньшей мере, часть из которых выполнена регулируемыми (например, с регулируемой частотой). Роторные узлы электродвигателей рабочих колес компрессора, как было указано выше, представляет собой токопроводящие короткозамкнутые элементы (короткозамкнутые обмотки). Запуск электродвигателей производится с помощью пусковых устройств общеизвестной конструкции (не показаны). Необходимое направление вращения каждого рабочего колеса (в соответствии с направлением закрутки лопаток колеса) задают соответствующим направлением вращения магнитного поля, которое определяется последовательностью подключения обмоток статора к источнику тока. Независимо изменяя частоту каждого источника переменного тока (не показаны), выводят рабочие колеса 2, 3 и 4 на заданный для каждого из них (в соответствии с заранее выполненным газодинамическим расчетом) режим работы.Example 1. In autonomous operation of a compressor made in accordance with the structural scheme shown in FIG. 2, the conductive windings of the stator assemblies of the compressor impeller electric motors are connected to independent sources of two-phase or three-phase alternating current, at least some of which are made adjustable (for example, with an adjustable frequency). The rotor assemblies of the compressor impeller electric motors, as indicated above, are conductive short-circuited elements (short-circuited windings). Electric motors are started using starting devices of a well-known design (not shown). The necessary direction of rotation of each impeller (in accordance with the direction of rotation of the blades of the wheel) is set by the corresponding direction of rotation of the magnetic field, which is determined by the sequence of connection of the stator windings to the current source. Independently changing the frequency of each alternating current source (not shown), the impellers 2, 3, and 4 are output to the operating mode specified for each of them (in accordance with a previously performed gas-dynamic calculation).

Пример 2. При автономной работе компрессора, выполненного по конструктивной схеме, показанной на фиг. 3, токопроводящие обмотки каждого из статорных узлов электродвигателей рабочих колес компрессора подключают к системе коммутации обмоток, обычно используемой для управления бесколлекторными двигателями постоянного ток, и выполненной, например, в соответствии с публикацией http://www.avislab.com/blog/brushless04/. Регулируя частоту коммутации обмоток статорного узла электродвигателя рабочего колеса, оператор выводит его за заданный режим работы. Направление вращения рабочих колес 2, 3, 4 определяется порядком коммутации обмоток статорных узлов электродвигателей биротативного компрессора.Example 2. In autonomous operation of a compressor made according to the structural scheme shown in FIG. 3, the conductive windings of each of the stator assemblies of the compressor impeller electric motors are connected to a switching system of windings commonly used to control brushless DC motors and, for example, made in accordance with the publication http://www.avislab.com/blog/brushless04/ . By adjusting the switching frequency of the windings of the stator assembly of the impeller electric motor, the operator displays it for a given operating mode. The direction of rotation of the impellers 2, 3, 4 is determined by the order of switching of the windings of the stator assemblies of the motors of the birotative compressor.

Пример 3. Рассмотрим работу компрессора в составе описанной выше газотурбинной установки (ГТУ).Example 3. Consider the operation of the compressor as part of the gas turbine unit (GTU) described above.

Процедура запуска ГТУ в наземных условияхProcedure for starting a gas turbine in ground conditions

До начала работы установки рычаг 42 управления ГТУ (далее - РУД) находится в положении «Выключено». Рабочие колеса 2, 3 и 4 компрессора, турбина 31 с установленным на ее валу электрогенератором 28 и стартер 48 остановлены. После перевода РУД в положение "Малый газ" и включения питания (например, автономного) системы 40 управления газотурбинной установкой осуществляется раскрутка генератора 28 с установленной на том же валу газовой турбиной 27 с помощью стартера 48. При этом электрический ток подается от электрогенератора 28 через силовой питающий кабель 41 на силовые входы первого 43, второго 44 и третьего 45 контроллеров электродвигателей 43, 44, 45. На входы управления контроллеров 43, 44, 45 от системы 40 поступают сигналы, обеспечивающие как пуск каждого из средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес (для варианта конструкции, показанной на фиг. 4, упомянутые средства вращения представляют собой асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором), так и вращение рабочих колес 2, 3, 4 с расчетной скоростью, заданной для режима «малого газа». При этом обеспечивается необходимое для правильной работы биротативного компрессора вращение соседних рабочих колес в противоположных направлениях. Например, если рабочее колесо 2 вращается в направлении по часовой стрелке (если смотреть со стороны входа компрессора), то рабочее колесо 3 должно вращаться в направлении против часовой стрелки, а рабочее колесо 4 - в направлении по часовой стрелке. Воздух, сжатый биротативным компрессором, по воздушному тракту 25 ГТУ поступает на вход камеры 26 сгорания.Before the installation starts, the control lever 42 of the gas turbine (hereinafter - the ore) is in the "off" position. The impellers 2, 3 and 4 of the compressor, the turbine 31 with the electric generator 28 mounted on its shaft and the starter 48 are stopped. After the throttle is turned to the Small gas position and the power supply (for example, autonomous) of the gas turbine control system 40 is turned on, the generator 28 is unwound with the gas turbine 27 installed on the same shaft using the starter 48. In this case, electric current is supplied from the generator 28 through the power the supply cable 41 to the power inputs of the first 43, second 44 and third 45 of the motor controllers 43, 44, 45. The control inputs of the controllers 43, 44, 45 from the system 40 receive signals that provide as a start for each of the means 14, 15, 16 the rotation of the impellers (for the design shown in Fig. 4, the said means of rotation are asynchronous motors with a squirrel-cage rotor), as well as the rotation of the impellers 2, 3, 4 with the design speed set for the "low gas" mode. This ensures that the rotation of adjacent impellers in opposite directions is necessary for the correct operation of the biotational compressor. For example, if the impeller 2 rotates in a clockwise direction (when viewed from the compressor inlet side), then the impeller 3 should rotate in a counterclockwise direction, and the impeller 4 in a clockwise direction. The air compressed by the biotic compressor through the air path 25 of the gas turbine enters the input of the combustion chamber 26.

При получении от датчиков давления, температуры и частоты вращения 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 информации о том, что все ступени компрессора выведены на режим "малого газа", система 40 управления газотурбинной установкой включает топливный насос 29 и дает команду на розжиг камеры 26 сгорания и вывод турбины 27 на рабочий режим. При достижении заданной температуры за турбиной 27, о которой судят по сигналу датчика 31 температуры за турбиной, система управления газотурбинной установкой 40 отключает стартер 48 с помощью муфты сцепления 47 и выводит ГТУ на режим "холостого хода". Вырабатываемая на валу турбины 27 мощность используется для вращения электрогенератора 28, а электрическая энергия, вырабатываемая электрогенератором 28, расходуется только на собственные нужды ГТУ.Upon receipt of information from the sensors of pressure, temperature and speed 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 that all stages of the compressor are in the "low gas" mode, the gas turbine installation control system 40 includes a fuel pump 29 and gives a command to ignite the combustion chamber 26 and the output of the turbine 27 to the operating mode. Upon reaching a predetermined temperature behind the turbine 27, which is judged by the signal of the temperature sensor 31 behind the turbine, the control system of the gas turbine installation 40 disables the starter 48 using the clutch 47 and puts the gas turbine into idle mode. The power generated on the shaft of the turbine 27 is used to rotate the electric generator 28, and the electric energy generated by the electric generator 28 is consumed only for the GTU’s own needs.

Как указывалось выше, может быть осуществлен запуск газотурбинной установки альтернативным способом, в частности путем непосредственной раскрутки рабочих колес 2, 3, 4 компрессора с помощью средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес с последующим розжигом камеры 26 сгорания и выводом турбины с 27 с электрогенератором 28 на номинальный режим работы ГТУ. В этом случае необходимо подключение дополнительного внешнего источника тока (например, аккумуляторной или конденсаторной батареи достаточной мощности) к силовым входам контроллеров 43, 44, 45, генерирующих на своих силовых выходах переменные токи и напряжения, требующиеся для запуска и работы средств 14, 15, 16 вращения рабочих колес биротативного компрессора, выполненных, в данном случае, в виде асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором.As indicated above, the gas turbine unit can be launched in an alternative way, in particular by directly spinning the impellers 2, 3, 4 of the compressor using means of rotation of the impellers 14, 15, 16, followed by ignition of the combustion chamber 26 and the output of the turbine 27 with an electric generator 28 to the nominal operating mode of the gas turbine. In this case, it is necessary to connect an additional external current source (for example, a rechargeable or capacitor bank of sufficient power) to the power inputs of the controllers 43, 44, 45, generating at their power outputs the alternating currents and voltages required to start and operate the means 14, 15, 16 rotation of the impellers of the biotational compressor, made, in this case, in the form of asynchronous squirrel-cage electric motors.

На следующем этапе ГТУ с биротативным компрессором выводят на рабочий режим. Для этого рычаг 42 РУД переводят в положение «Номинал». В соответствии с этим система 40 управления ГТУ посредством контроллеров 43, 44, 45 электродвигателей увеличивает частоту вращения ступеней 2, 3, 4 биротативного компрессора, повышая тем самым подачу сжатого воздуха на вход камеры 26 сгорания. Одновременно система 40 управления ГТУ посредством топливного насоса 29 увеличивает расход топлива, подаваемого в камеру 26 сгорания. Соответственно, возрастает механическая мощность на валу турбины и электрическая мощность, вырабатываемая электрогенератором 28.At the next stage, gas turbines with a biotational compressor are put into operation. For this, the lever 42 ORE is transferred to the position "Denomination". In accordance with this, the gas turbine engine control system 40, by means of electric motor controllers 43, 44, 45, increases the rotational speed of the stages 2, 3, 4 of the biotic compressor, thereby increasing the supply of compressed air to the input of the combustion chamber 26. At the same time, the gas turbine engine control system 40 through the fuel pump 29 increases the consumption of fuel supplied to the combustion chamber 26. Accordingly, increases the mechanical power on the turbine shaft and the electric power generated by the electric generator 28.

С учетом выбранного оператором положения рычага 41 РУД, текущих показаний датчиков 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 и 39 давления, температуры, частот вращения рабочих колес биротативного компрессора и электрогенератора 32, расхода топлива система 40 управления газотурбинной установкой выдает соответствующие сигналы на увеличение либо уменьшение подачи топлива в камеру сгорания с целью поддержания заданной для режима частоты вращения электрогенератора 28.Таким образом, система 40 компенсирует возникающие в процессе работы ГТУ изменения параметров внешней среды на входе в компрессор, а также изменения электрической нагрузки электрогенератора 28 путем регулировки оборотов каждого рабочего колеса по заранее разработанному алгоритму. Отработавшие в турбине 27 газы через систему газоочистки и удаления (не показана) выбрасываются в атмосферу.Taking into account the position of the lever 41 ORE chosen by the operator, the current readings of the sensors 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 and 39 pressure, temperature, rotational speeds of the impellers of the biotic compressor and electric generator 32, fuel consumption, the control system 40 the gas turbine installation gives the appropriate signals to increase or decrease the fuel supply to the combustion chamber in order to maintain the speed of the electric generator 28 set for the mode. Thus, the system 40 compensates for changes in the parameters outside the gas turbine operation It medium at the compressor inlet, and changes in electrical load electrical generator 28 by adjusting the revolutions of each of the impeller according to a predetermined algorithm. The exhaust gases in the turbine 27 through the gas cleaning and removal system (not shown) are released into the atmosphere.

Выключение ГТУShutdown GTU

При переводе РУД в положение "Выключено" система 40 управления газотурбинной установкой плавно уменьшает производительность топливного насоса 29. При этом уменьшается температура газов в камере сгорания, соответственно уменьшается энергия газов, вращающих турбину 27, генератор 28 снижает вырабатываемую мощность. Одновременно система 40 ведет управление контроллерами 43, 44, 45 электродвигателей рабочих колес биротативного компрессора в сторону плавного и согласованного уменьшения частот их вращения.When the throttle is turned to the off position, the control system of the gas turbine unit 40 smoothly reduces the performance of the fuel pump 29. In this case, the temperature of the gases in the combustion chamber decreases, the energy of the gases rotating the turbine 27 decreases, the generator 28 reduces the generated power. At the same time, the system 40 controls the controllers 43, 44, 45 of the impeller electric motors of the biotational compressor in the direction of a smooth and coordinated reduction of their rotation frequencies.

Claims

1. A rotational compressor containing compressor stages with impellers mounted on individual bearings of rotation, including rims and blade rims, twisting the feathers of the blades of adjacent rims in opposite directions, means of rotation of the adjacent impellers in opposite directions, a housing with fixed in it fixed axis, characterized in that the means of rotation of the impellers are made independent of each other and consisting of a stator assembly of an electric motor located on the fixed axis and the rotor assembly of the electric motor located on the rim and / or on the disk of the impeller, while at least the stator and / or rotor assembly of the motor have the ability to connect to a separate source of electricity and are placed relative to each other with the possibility of magnetic interaction between them.

2. Biirotational compressor according to claim 1, characterized in that at least one source of electricity is adjustable.

3. The biirotic compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the rotor assembly of the electric motor includes a conductive short-circuited element, and the stator assembly of the electric motor is made in the form of a conductive winding located on the magnetic circuit, providing the possibility of creating a rotating magnetic field and connected to a two-phase alternating current source or three-phase alternating current or a source of pulse current.

4. Biirotational compressor according to claim 3, characterized in that the conductive short-circuited element is made in the form of a short-circuited winding located on the magnetic circuit.

5. The biirotational compressor according to claim 3, characterized in that the conductive short-circuited element is made in the form of a continuous metal cup, or bowl, or disk.

6. The biirotic compressor according to claim 1 or 2, characterized in that the rotor assembly of the electric motor is made in the form of a group of permanent magnets located around the circumference of the impeller, and the stator assembly is in the form of a group of windings connected to the outputs of a switched DC source and located around the circumference stationary axis of the compressor.