RU2819815C1

RU2819815C1 - Liquid-cooled rotor for generator integrated into gas turbine engine

Info

Publication number: RU2819815C1
Application number: RU2023131358A
Authority: RU
Inventors: Флюр Рашитович Исмагилов; Вячеслав Евгеньевич Вавилов; Михаил Валерьевич Охотников; Оксана Алексеевна Юшкова; Игорь Георгиевич Лисовин
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2024-05-24

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used to cool the rotor of a generator integrated into the high-pressure chamber of a gas turbine engine. Liquid-cooled rotor for a generator integrated into a gas turbine engine comprises a shaft with a hole inside, wherein rotor back with hole is secured on shaft to support magnetic conductor with radial cooling channels on its inner surface and permanent magnets on outer surface pressed to magnetic conductor by band. Radial cooling channels are located in the centre of the magnetic conductor and have different directions made at acute angles α and -α from the centre of the magnetic conductor, on the back of the rotor there are also fixed a diffuser and a receiving cone with a unit of seals located inside it, forming with rotor back the space for coolant flow. End rings and catchers are tightly installed at the ends of the magnetic conductor.

EFFECT: increased energy efficiency and reliability of the generator due to reduction of heating temperature and losses of the rotor magnetic conductor and permanent magnets of the generator.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для охлаждения ротора, интегрированного в камеру высокого давления газотурбинного двигателя.The invention relates to electrical engineering and can be used for cooling a rotor integrated into the high-pressure chamber of a gas turbine engine.

Известно устройство охлаждения канала магнитогидродинамического генератора [заявка на изобретение RU 93027594 А, класс МПК Н02К 44/12, опубл. 27.06.1995], содержащее размещенные в корпусе взаимно изолированные электроды и систему охлаждения с подводом и отводом хладагента, за каждым из электродов выполнена зона охлаждения, при этом между передней стенкой корпуса и электродами образованы щели, а патрубки подвода хладагента выполнены в виде ряда горизонтально расположенных сопл с направлением струи вдоль тыльной стороны электродов и вертикальных сопл, струи которых направлены в промежутки между струями горизонтального ряда. Подача хладагента выполнена регулируемой по каждому ряду. В электродах выполнены сквозные поперечные отверстия.A device for cooling the channel of a magnetohydrodynamic generator is known [application for invention RU 93027594 A, class IPC N02K 44/12, publ. 06/27/1995], containing mutually insulated electrodes placed in the housing and a cooling system with refrigerant inlet and outlet; behind each of the electrodes there is a cooling zone, while gaps are formed between the front wall of the housing and the electrodes, and the refrigerant supply pipes are made in the form of a series of horizontally located nozzles with the jet directed along the back side of the electrodes and vertical nozzles, the jets of which are directed into the spaces between the jets of the horizontal row. The refrigerant supply is adjustable for each row. The electrodes have through transverse holes.

Недостатками аналога являются ограниченные функциональные возможности в связи с невозможностью интеграции конструкции в газотурбинный двигатель генератора.The disadvantages of the analogue are limited functionality due to the impossibility of integrating the design into the gas turbine engine of the generator.

Известна конструкция электрической машины c охлаждаемым ротором [патент RU 203387 U1, класс МПК H02K1/32, H02K1/27, H02K21/12, опубл. 27.03.2012 г.], содержащая пакет статора с обмотками и ротор, выполненный внешним с протяженными цельными прорезями в форме гидравлических конфузоров в зазорах между постоянными магнитами, при этом прорези выполнены чередующимися рядами - ряд прорезей выполнен с лопастями и большим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора с возможностью всасывания хладагента в полость электрической машины, следующий ряд выполнен без лопастей и меньшим диаметром, направленным к внешнему диаметру ротора с возможностью отвода хладагента из полости электрической машины.The design of an electric machine with a cooled rotor is known [patent RU 203387 U1, IPC class H02K1/32, H02K1/27, H02K21/12, publ. 03.27.2012], containing a stator package with windings and a rotor made external with extended solid slots in the form of hydraulic confusers in the gaps between the permanent magnets, while the slots are made in alternating rows - a row of slots is made with blades and a large diameter directed towards the external diameter of the rotor with the possibility of sucking coolant into the cavity of the electric machine, the next row is made without blades and has a smaller diameter directed towards the outer diameter of the rotor with the possibility of removing coolant from the cavity of the electric machine.

Известна конструкция электрической машины с жидкостным охлаждением [Авторское свидетельство № 900732 А1, класс МПК H02K 9/10, опубл. 23.01.1982 г.], в которой в валу с обеих сторон от магнитопровода ротора расположены радиальные отверстия, сообщающиеся с каналом вала, причем с одной стороны от магнитопровода ротора на вал насажена втулка, в которой выполнены сквозные отверстия, сообщающиеся посредством радиальных отверстий вала с его аксиальным каналом, а с другой стороны от магнитопровода ротора установлена неподвижная охватывающая вал выгородка.The design of an electric machine with liquid cooling is known [Copyright certificate No. 900732 A1, IPC class H02K 9/10, publ. 01/23/1982], in which radial holes are located in the shaft on both sides of the rotor magnetic circuit, communicating with the shaft channel, and on one side of the rotor magnetic circuit, a sleeve is mounted on the shaft, in which through holes are made, communicating through the radial holes of the shaft with its axial channel, and on the other side of the rotor magnetic circuit there is a fixed enclosure enclosing the shaft.

Недостатком аналога является невысокая надежность в связи с невозможностью реализации замкнутой автономной системы охлаждения.The disadvantage of the analogue is low reliability due to the impossibility of implementing a closed, autonomous cooling system.

Наиболее близкой к предлагаемой является конструкция ротора электрической машины с жидкостным охлаждением [патент RU 114566 U1, класс МПК H02K 9/10, опубл. 27.03.2012 г.], содержащая вал ротора с отверстиями внутри и трубы для протекания охлаждающей жидкости, подвод и отвод которой осуществляется по замкнутой автономной системе, при этом внутри вала проходят два осевых эксцентричных отверстия, причем одно осевое эксцентричное отверстие и радиальные отверстия для подвода охлаждающей жидкости расположены под одним углом в плоскости, перпендикулярной оси электрической машины, а другое осевое эксцентричное отверстие и радиальные отверстия для отвода охлаждающей жидкости расположены под другим углом в плоскости, перпендикулярной оси электрической машины, при этом подвод и отвод охлаждающей жидкости осуществляется с одного и того же конца вала ротора.The design of the rotor of an electric machine with liquid cooling is closest to the proposed one [patent RU 114566 U1, IPC class H02K 9/10, publ. 03.27.2012], containing a rotor shaft with holes inside and pipes for the flow of coolant, the supply and discharge of which is carried out through a closed autonomous system, while two axial eccentric holes pass inside the shaft, with one axial eccentric hole and radial holes for supply coolant are located at one angle in a plane perpendicular to the axis of the electric machine, and the other axial eccentric hole and radial holes for draining coolant are located at another angle in a plane perpendicular to the axis of the electric machine, while the supply and discharge of coolant is carried out from the same the same end of the rotor shaft.

Недостатком прототипа является невысокая надежность в связи с невозможностью реализации замкнутой автономной системы охлаждения.The disadvantage of the prototype is its low reliability due to the impossibility of implementing a closed, autonomous cooling system.

Задачами предлагаемого изобретения являются расширение функциональных возможностей и снижение массо-габаритных показателей.The objectives of the proposed invention are to expand functionality and reduce weight and dimensions.

Технический результат состоит в повышении энергетической эффективности и надежности генератора за счет снижения температуры нагрева и потерь магнитопровода ротора и постоянных магнитов генератора.The technical result is to increase the energy efficiency and reliability of the generator by reducing the heating temperature and losses of the rotor magnetic circuit and permanent magnets of the generator.

Технический результат достигается тем, что в роторе с жидкостным охлаждением для генератора, интегрированного в газотурбинный двигатель, содержащем вал с отверстием внутри, согласно изобретению, на валу закреплена спинка ротора с отверстием внутри, на которой установлен магнитопровод с радиальными каналами охлаждения на его внутренней поверхности и постоянными магнитами на внешней поверхности, прижимаемыми к магнитопроводу бандажом, при этом радиальные каналы охлаждения расположены в центре магнитопровода и имеют разные направления, выполненные под острыми углами α и -α от центра магнитопровода, на спинке ротора также закреплены диффузор и принимающий конус с расположенным внутри него блоком уплотнений, образующие со спинкой ротора пространство для протекания хладагента, а с торцов магнитопровода вплотную установлены торцевые кольца и ловители.The technical result is achieved by the fact that in a liquid-cooled rotor for a generator integrated into a gas turbine engine containing a shaft with a hole inside, according to the invention, a rotor back with a hole inside is fixed to the shaft, on which a magnetic circuit with radial cooling channels is installed on its inner surface and permanent magnets on the outer surface, pressed to the magnetic core by a bandage, while the radial cooling channels are located in the center of the magnetic core and have different directions, made at acute angles α and -α from the center of the magnetic core; a diffuser and a receiving cone with a diffuser located inside it are also attached to the back of the rotor a block of seals that form a space with the back of the rotor for the flow of refrigerant, and end rings and catchers are installed closely at the ends of the magnetic circuit.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид ротора с жидкостным охлаждением для генератора, интегрированного в газотурбинный двигатель.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows a general view of a liquid-cooled rotor for a generator integrated into a gas turbine engine.

Ротор с жидкостным охлаждением для генератора, интегрированного в газотурбинный двигатель, содержит вал 1 с отверстием внутри, спинку ротора 2 с отверстием 3 внутри, установленную на валу 1, на которой закреплены принимающий конус 4, с установленным внутри него блоком уплотнений (на фиг. не показан), и связанный с диффузором 5, образующие со спинкой ротора пространство для протекания хладагента, магнитопровод 6, с радиальными каналами охлаждения 7, и постоянными магнитами 8, прижимаемыми к магнитопроводу 6 бандажом 9, при этом вплотную к магнитопроводу 7 с торцов магнитопровода 6 вплотную установлены торцевые кольца 10 и ловители 11.A liquid-cooled rotor for a generator integrated into a gas turbine engine contains a shaft 1 with a hole inside, a rotor back 2 with a hole 3 inside, installed on the shaft 1, on which a receiving cone 4 is fixed, with a seal block installed inside it (not shown in Fig. shown), and connected to the diffuser 5, forming with the back of the rotor a space for the flow of coolant, a magnetic core 6, with radial cooling channels 7, and permanent magnets 8, pressed to the magnetic core 6 by a bandage 9, while close to the magnetic core 7 from the ends of the magnetic core 6 end rings 10 and catchers 11 are installed.

Расширение функциональных возможностей и снижение массо-габаритных показателей обеспечиваются интеграцией генератора в камеру высокого давления газотурбинного двигателя.Expansion of functionality and reduction of weight and dimensions are ensured by the integration of the generator into the high-pressure chamber of a gas turbine engine.

Повышение энергетической эффективности и надежности достигается снижением потерь и температуры нагрева магнитопровода ротора и постоянных магнитов генератора, интегрированного в газотурбинный двигатель, за счет реализации их принудительного охлаждения при высоких рабочих температурах путем прямого контакта хладагента, например, масла с магнитопроводом ротора.Increasing energy efficiency and reliability is achieved by reducing losses and heating temperatures of the rotor magnetic core and permanent magnets of the generator integrated into the gas turbine engine by implementing their forced cooling at high operating temperatures through direct contact of a coolant, for example, oil, with the rotor magnetic core.

Ротор с жидкостным охлаждением для генератора, интегрированного в газотурбинный двигатель, работает следующим образом. Жидкостноохлаждаемый ротор интегрированного генератора размещают внутри газотурбинного двигателя (на фиг. не показан) на штатном промежуточном валу камеры высокого давления газотурбинного двигателя (на фиг. не показан), после начала работы газотурбинного двигателя и раскрутки вала 1, а вместе с ним и спинки ротора 2 происходит подача хладагента, например, масла от штатной форсунки, находящейся в корпусе газотурбинного двигателя, в принимающий конус 4, закрепленный на спинке ротора 2, при этом блок уплотнений (на фиг. не показан) принимающего конуса 4 препятствует обратному движению хладагента из полости, образованной принимающим конусом 4 и спинкой ротора 2, который под действием центробежных сил движется дальше по каналу, образованному спинкой ротора 2 и диффузором 5, после чего хладагент поступает через отверстие 3 в спинке ротора 2 в радиальный канал охлаждения 7 магнитопровода 6, где под действием все тех же центробежных сил по радиальным каналам охлаждения 7 поступает к краям магнитопровода 6, постепенно охлаждая магнитопровод 6, далее уже нагретый хладагент попадает через отверстия в торцевых кольцах 10, в отверстия ловителей 11 и выбрасывается во внутреннюю полость газотурбинного двигателя (на фиг. не показан), при этом ловители 11 препятствуют попаданию в хладагент твердых взвешенных частиц и прочих масляных потоков, способных образоваться внутри полости газотурбинного двигателя. Для протекания хладагента по всей окружности радиальных каналов охлаждения 7 магнитопровода 6 при однонаправленном вращении ротора, радиальные каналы охлаждения 7, находящиеся в центре магнитопровода 6 имеют разные направления, под острыми углами α и -α от центра поверхности магнитопровода 6.A liquid-cooled rotor for a generator integrated into a gas turbine engine operates as follows. The liquid-cooled rotor of the integrated generator is placed inside the gas turbine engine (not shown in the figure) on the standard intermediate shaft of the high-pressure chamber of the gas turbine engine (not shown in the figure), after the start of operation of the gas turbine engine and the spin-up of shaft 1, and with it the back of the rotor 2 coolant is supplied, for example, oil from a standard nozzle located in the housing of a gas turbine engine, into the receiving cone 4, mounted on the back of the rotor 2, while the sealing block (not shown in the figure) of the receiving cone 4 prevents the reverse movement of the coolant from the cavity formed receiving cone 4 and the back of the rotor 2, which, under the action of centrifugal forces, moves further along the channel formed by the back of the rotor 2 and the diffuser 5, after which the coolant enters through the hole 3 in the back of the rotor 2 into the radial cooling channel 7 of the magnetic circuit 6, where under the influence of all those The same centrifugal forces through the radial cooling channels 7 flow to the edges of the magnetic core 6, gradually cooling the magnetic core 6, then the already heated coolant enters through the holes in the end rings 10, into the holes of the catchers 11 and is thrown into the internal cavity of the gas turbine engine (in Fig. not shown), while the catchers 11 prevent suspended solid particles and other oil flows that can form inside the cavity of the gas turbine engine from entering the coolant. For the coolant to flow around the entire circumference of the radial cooling channels 7 of the magnetic core 6 during unidirectional rotation of the rotor, the radial cooling channels 7 located in the center of the magnetic core 6 have different directions, at acute angles α and -α from the center of the surface of the magnetic core 6.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет повысить энергетическую эффективность и надежность генератора за счет обеспечения принудительного охлаждения ротора генератора.Thus, the claimed invention makes it possible to increase the energy efficiency and reliability of the generator by providing forced cooling of the generator rotor.

Кроме того, изобретение позволяет расширить функциональные возможности, снизить массо-габаритные показатели газотурбинного двигателя за счет обеспечения возможности интеграции генератора в камеру высокого давления газотурбинного двигателя.In addition, the invention makes it possible to expand the functionality and reduce the weight and dimensions of a gas turbine engine by providing the possibility of integrating a generator into the high-pressure chamber of a gas turbine engine.

Claims

A liquid-cooled rotor for a generator integrated into a gas turbine engine, containing a shaft with a hole inside, characterized in that a rotor back with a hole inside is attached to the shaft, on which a magnetic circuit with radial cooling channels is installed on its inner surface and permanent magnets on the outer surface, pressed to the magnetic core by a bandage, while the radial cooling channels are located in the center of the magnetic core and have different directions, made at acute angles α and -α from the center of the magnetic core; a diffuser and a receiving cone with a sealing block located inside it are also attached to the back of the rotor, forming with the back The rotor has space for the coolant to flow, and end rings and catchers are installed closely at the ends of the magnetic circuit.