СИСТЕМА ПРИВЕДЕНИЯ В ДВИЖЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК F02C7/36 

Настоящее изобретение относится к области многоступенчатых газотурбинных двигателей, используемых в авиации, и касается средства отбора мощности механическим способом с валов ротора.

Турбинный двигатель, как правило, включает в себя силовую установку сжатия воздуха, по меньшей мере, определенная часть которого подается в камеру сгорания. Газы, истекающие из камеры сгорания, приводят в движение одну или несколько ступеней турбины, которые механически скреплены с компрессором, и обеспечивают образование, по меньшей мере, определенной части реактивной тяги. Двухступенчатый двигатель содержит два комплекта роторов с концентрическими валами, которые, с точки зрения механики, вращаются независимо друг от друга. При этом различают ступень низкого давления турбины и ступень высокого давления турбины. Турбореактивные или турбовинтовые двигатели самолетов гражданской авиации содержат ротор нагнетательного вентилятора или воздушного винта, приводимого в движение посредством корпуса низкого давления и формирующего большую часть тяги самолета.

Определенная часть мощности, которая образуется за счет работы двигателя, обеспечивает работу вспомогательного оборудования как самого двигателя, приводящего в движение самолет, так и летательного аппарата в целом.

В настоящее время эта мощность отбирается, частично механическим способом, на валу ступени высокого давления двигателя и используется для приведения в движение силового ведомого вала шестеренчатой коробки передач, приводящей в движение вспомогательные агрегаты. Эта коробка называется также AGB - Accessory Gear Box (коробка привода механизмов). В переднем турбореактивном двигателе, снабженном нагнетательным вентилятором, данная коробка размещается на корпусе последнего. Его силовой ведомый вал, как правило, приводится в движение посредством передаточного вала, устанавливаемого в одной из предусмотренных конструкцией консолей промежуточного картера и соединяемого через коробку углового контрпривода с конической шестерней устройства отбора мощности, которая в свою очередь жестко соединена с валом высокого давления. Различные вспомогательные механизмы, как, например, генераторы, гидравлические масляные и топливные насосы, монтируются на этой шестеренчатой коробке передач и приводятся в движение. Другая часть отбираемой энергии представлена сжатым воздухом, поступающим из компрессора высокого давления и предназначенным, в частности, для обеспечения герметичности кабины самолета и кондиционирования в ней воздуха, а также для устранения обледенения.

В соответствии с современными тенденциями развития преследуется цель повысить долю отбираемой мощности механическим способом в связи с увеличением количества электрооборудования, которое считается более гибким в эксплуатации. Такую возрастающую потребность электрооборудования самолета в электроэнергии, принимая во внимание режимы и эффективность работы двигателя, в основном на малых оборотах, больше не удается удовлетворить за счет отбора мощности только на корпусе высокого давления турбины.

Такое увеличение отбора мощности, обусловленное новыми нагрузками на газотурбинный двигатель, требует задействования системы отбора мощности механическим способом на корпусах высокого и низкого давления турбины. Изобретение имеет задачей разработать средство отбора мощности на двух роторах, при этом такой отбор в зависимости от рабочего режима мог бы осуществляться как на одном из роторов, так и на обоих одновременно.

Вместе с тем валы роторов ступеней высокого и низкого давления вращаются независимо друг от друга с различными скоростями и имеют различные рабочие диапазоны. В случае перехода с режима замедления на режим работы на полную мощность передаточное число для вала высокого давления составляет порядка двух единиц. Например, скорость вращения увеличивается с 10000 до 20000 оборотов в минуту. В то же время передаточное число для вала низкого давления составляет порядка пяти единиц. В этом случае его скорость, например, увеличивается с 900 оборотов в минуту в режиме замедления до 4500 оборотов в минуту в режиме работы на полную мощность. В связи с этим возникает проблема осуществления отбора, который бы соответствовал этим двум различным рабочим диапазонам. Решение данной проблемы приобретает особую важность, поскольку вспомогательные агрегаты, установленные на коробке, приспособлены для работы в пределах скоростного диапазона, соответствующего скоростям корпуса высокого давления. Как это можно было увидеть, она была явно меньше скорости корпуса низкого давления.

Объектом настоящего изобретения также является средство отбора мощности смешанным механическим способом как на ступени высокого давления, так и на ступени низкого давления, обеспечивая такой рабочий диапазон коробки AGB, который бы соответствовал работе оборудования или вспомогательных механизмов, установленных на коробке AGB.

Для решения поставленной задачи предусматривается наличие первых и вторых вспомогательных механизмов, а система приведения в движение вышеупомянутых механизмов отличается тем, что включает в себя первый силовой привод между валом ротора высокого давления и первыми механизмами, установленный с возможностью сообщения механического движения первым механизмам; она также содержит первое средство зацепления и второй силовой привод между валом ротора низкого давления и вторыми механизмами, которые установлены с возможностью приведения в движение вторых механизмов.

Система также включает в себя второе средство зацепления между первым и вторым силовыми приводами, обеспечивающее приведение в движение второго вспомогательного механизма посредством ротора высокого давления, в частности, когда двигатель работает на повышенных оборотах и особенно на полную мощность. Преимущественно первое средство зацепления устанавливается таким образом, чтобы обеспечивалось его расцепление, когда второе средство зацепления сцепляется.

Таким образом, благодаря устройствам зацепления имеется возможность просто распределять отбор мощности между двумя роторами в зависимости от режима работы двигателя.

Целесообразно, чтобы система включала в себя, по меньшей мере, двухступенчатую коробку передач, которая крепится на входе вала ротора низкого давления и на выходе во второй силовой привод, при этом первое средство зацепления должно соединяться с возможностью выборочного включения одного или другого передаточного числа или расцепления механической трансмиссии с ротором низкого давления.

Целесообразно также, чтобы средство зацепления было соединено с возможностью изменения под нагрузкой передаточного числа без нарушения передачи вращающего момента. Преимущественно первое средство зацепления является общеизвестной трансмиссией с двойным зацеплением. Изменение скорости осуществляется исключительно посредством управления процессом зацепления; в связи с этим необходимо предусмотреть наличие соответствующего передаточного числа.

Система приведения в движение включает в себя устройство управления, в котором входные параметры представлены сигналами о скорости двух корпусов низкого и высокого давления, а выходные параметры - сигналами на управление двумя средствами зацепления.

Настоящее изобретение основано на режиме функционирования системы, в соответствии с которым при работе двигателя на малых оборотах в коробке передач включается первое передаточное число, затем при повышении числа оборотов включается второе передаточное число. Предпочтительно, чтобы второе средство зацепления расцеплялось при зацеплении первого средства зацепления, а в режиме работы на повышенных оборотах, в частности на полную мощность, второе средство зацепления зацеплялось, а первое средство зацепления расцеплялось.

При запуске двигателя задействуются, в отдельности или вместе, первые и вторые механизмы, содержащие средства зацепления двигателя, при этом первое средство зацепления расцепляется, а второе средство зацепления зацепляется, обеспечивая тем самым приведение в движение ротора высокого давления.

Зацепление соответствует нагрузке, возникающей при запуске двигателя, а дополнительное использование третьего передаточного числа позволяет таким образом оптимизировать систему.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения вытекают из приводимого ниже описания варианта его осуществления, который не носит ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в числе которых:

фиг.1 представляет собой схематичное изображение системы приведения в движение вспомогательного механизма согласно настоящему изобретению;

фиг.2 иллюстрирует работу системы запуска двигателя;

фиг.3 и 4 - работу системы многороторного турбинного двигателя для каждого из двух передаточных чисел коробки передач;

фиг.5 - работу системы отбора с одного корпуса;

фиг.6 изображает изменение параметров скорости второго силового привода в зависимости от режима работы двигателя.

Элементы, изображенные на фиг.1, носят схематичный характер. Они представляют собой функциональные элементы и не изображают в точности детали, используемые в реальной конструкции. Специалист сам должен подобрать средства в соответствии с достигнутым уровнем техники.

На чертеже турбинный двигатель представлен только валом 2 ротора высокого давления и валом 3 ротора низкого давления. Эти два концентрических вала вращаются независимо друг от друга. Другие части двигателя не относятся к изобретению и могут иметь произвольную конфигурацию. Каждый вал жестко соединен с конической шестерней 21 и 31. Шестерня 21 приводит в движение передаточный вал 4 при помощи конической шестерни 41.

Вал 4 приводит в движение посредством первого силового привода 8 первые вспомогательные механизмы (в данном случае два), а именно А1 и А2. Этот силовой привод является неподвижным редуктором, а именно AGB.

Вал 3 ротора низкого давления приводит в движение вал 5 посредством конической шестерни 51. Этот вал 5 является первичным валом коробки передач 6. Вторичный вал 7 коробки передач приводит в движение вторые вспомогательные механизмы A3 и А4 при помощи второго силового привода 9, который преимущественно также является неподвижным редуктором.

Коробка 6 в соответствии с данным способом реализации через два передаточных числа 63 и 65 связана с первичным валом 5 посредством первого средства зацепления 61, при этом в данном случае двойного зацепления. Вместе с тем количество передаточных чисел может быть и большим.

Второе средство зацепления 10 соединяет силовой привод 8 с приводом 9. Может применяться известное и простое зацепление, снабженное гидравлической муфтой, обгонной муфтой и т.д.

Устройство управления 20 получает характерные сигналы Nhp и Nbp, содержащие информацию о скорости вращения соответствующих роторов, и согласно установленной программе выдает соответствующий командный импульс исполнительным органам первого и второго средств зацепления 61 и 10.

Далее приводится описание работы системы приведения в движение.

При запуске основной задачей является выделение максимальной мощности, которая обеспечивается одним или несколькими пусковыми устройствами, расположенными в корпусе высокого давления двигателя. С этой целью первое средство зацепления 61 расцепляется, а второе средство зацепления 10 включается. Два силовых привода соединяются. Стрелками F1 и F2, изображенными на фиг.2, показывается направление передачи мощности от средств зацепления первых и вторых механизмов. Также независимо от положения вспомогательных механизмов, которые используются для запуска, пусковая мощность полностью поступает на корпус высокого давления.

В режиме многороторного отбора, который соответствует режимам работы двигателя на малых оборотах, коробка передач, имеющая два передаточных числа скорости, позволяет привести в соответствие скоростной диапазон ротора низкого давления со скоростными диапазонами вспомогательных механизмов, установленных на втором силовом приводе.

В первом диапазоне режима работы двигателя устройство управления 20 выдает команду первому средству зацепления 61 соединить первое передаточное число 63 с валом 5. В фиг.3 стрелкой F3 показано направление передачи мощности от вала 3 ротора низкого давления к силовому приводу 9 с целью приведения в движение вторых вспомогательных механизмов.

Стрелкой F4 показано приведение в движение первого привода 8 валом высокого давления.

Второе средство зацепления 10 расцеплено.

На фиг.4 стрелками F5 и F4 (при этом последняя остается неизменной) показано перераспределение мощности между роторами и механизмами в режиме работы двигателя на повышенных оборотах. При этом используется второе передаточное число 65 коробки передач 6. Второе средство зацепления 10 остается расцепленным. Двухступенчатая коробка передач позволяет всегда иметь второе передаточное число, а также возможность ее задействовать путем простой подачи команды на двойное зацепление, не изменяя при этом зацепления.

В режиме однороторного отбора, который соответствует режимам работы двигателя на повышенных оборотах, первое средство зацепления 61 расцепляется, разъединяя тем самым систему с корпусом низкого давления. В результате включения второго средства зацепления 10 соединяются силовые приводы 8 и 9. Вся мощность вспомогательных механизмов забирается от корпуса высокого давления. Это показано на фиг.5 двойной стрелкой F6.

На фиг.6 изображена схема, иллюстрирующая изменение скорости вращения вторых механизмов на силовом приводе 9 в зависимости от режима работы двигателя.

Скорость увеличивается при первом передаточном числе 63 коробки передач, затем после достижения заданного режима задействуется второе передаточное число 65 и скорость увеличивается в соответствии с этими новыми установками. Наконец, средство зацепления 61 расцепляется, в то время как второе средство зацепления включается, при этом скорость вспомогательных механизмов изменяется согласно установкам корпуса высокого давления.

Следует отметить, что в результате использования соответствующих принципов управления переход от одного передаточного числа к другому осуществляется без нарушения передачи мощности.

Таким образом, предлагаемая в изобретении система позволяет получить средства приведения в движение двух силовых приводов, совместимых с оборудованием двигателя и самолета; направлять мощность, исходящую из корпуса низкого давления, во вспомогательные механизмы; обеспечить запуск двигателя, подавая мощность только на корпус высокого давления.

Система приведения в движение вспомогательных механизмов двухвального турбинного двигателя включает в себя первый и второй силовые приводы, а также первое и второе средства зацепления. Первый силовой привод размещен между валом ротора высокого давления и первыми механизмами с возможностью приведения их в действие. Первое средство зацепления и второй силовой привод расположены между валом ротора низкого давления и вторыми механизмами с возможностью приведения их в действие. Второе средство зацепления расположено между первым силовым приводом и вторым силовым приводом с возможностью приведения в движение вторых вспомогательных механизмов посредством вала ротора высокого давления с возможностью отбора мощности на двух роторах, производимого в зависимости от рабочего режима как на одном из роторов, так и на обоих одновременно. Другое изобретение группы относится к способу функционирования указанной выше системы, согласно которому второе средство зацепления расцепляется, когда включается первое средство зацепления. Еще одно изобретение группы относится к способу функционирования при запуске указанной системы, согласно которому первое средство зацепления расцепляется, а второе средство зацепления включается, причем первые или вторые механизмы содержат устройство запуска двигателя. Изобретения позволяют обеспечить привод вспомогательных механизмов от двух роторов с разными скоростями вращения на различных режимах работы двигателя. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система приведения в движение первых и вторых вспомогательных механизмов двухвального турбинного двигателя, содержащего вал ротора низкого давления и вал ротора высокого давления, отличающаяся тем, что включает в себя:
первый силовой привод, размещенный между валом ротора высокого давления и первыми механизмами таким образом, чтобы приводить их в действие механически с помощью неподвижного редуктора;
первое средство зацепления и второй силовой привод, расположенные между валом ротора низкого давления и вторыми механизмами таким образом, чтобы приводить в действие указанные вторые механизмы;
второе средство зацепления, расположенное между первым силовым приводом и вторым силовым приводом, позволяющее дополнительно приводить в движение вторые вспомогательные механизмы посредством вала ротора высокого давления с возможностью отбора мощности на двух роторах, производимого, в зависимости от рабочего режима, как на одном из роторов, так и на обоих одновременно.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первое средство зацепления соединено таким образом, что оно может расцепиться в случае, если зацепляется второе средство зацепления.

3. Система по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что включает в себя коробку передач, по меньшей мере, с двумя передаточными числами, которая соединена на входе с валом ротора низкого давления ВР, а на выходе со вторым силовым приводом, при этом первое средство зацепления установлено с возможностью избирательного включения первого или второго передаточного числа или отключения механической передачи от вала ротора низкого давления ВР.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что включает в себя устройство управления, использующее в качестве входных параметров сигналы, содержащие информацию о скорости двух валов роторов низкого и высокого давления, а в качестве выходных параметров сигналы управления двумя средствами зацепления.

5. Способ функционирования системы по п.1, согласно которому второе средство зацепления расцепляется, когда включается первое средство зацепления.

6. Способ функционирования при запуске системы по п.1, причем первые или вторые механизмы содержат устройство запуска двигателя, согласно которому первое средство зацепления расцепляется, а второе средство зацепления включается.