ПИЛОН ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ В СБОРЕ И СИСТЕМА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2014 года по МПК B64D27/10 

Область техники

Изобретение относится к пилонной конструкции для газотурбинного двигателя. Уровень техники

Самолеты, использующие газотурбинные двигатели, часто содержат дополнительную коробку передач с механическим приводом, служащую для приведения в действие различных вспомогательных систем, таких как топливные насосы, насосы откачки, электрогенераторы, гидронасосы и т.д. Требования к дополнительной коробке передач в отношении ее мощности продолжают возрастать по мере роста количества электрических систем в самолете.

Известные дополнительные коробки передач газотурбинных двигателей размещают в отдельном корпусе, устанавливаемом под двигателем, в осевом направлении вблизи кожуха диффузора. Дополнительная коробка передач приводится в действие от углового редуктора, установленного в осевом направлении перед дополнительной коробкой передач и связанного с ней передаточным валом. Угловой редуктор приводится во вращение радиальным валом, связанным с валом высокого давления.

Хотя эта традиционная схема является эффективной, ее недостатками являются относительно большой объем, занимаемый ею во внутренней мотогондоле двигателя, а также необходимость использования нескольких валов и зубчатых передач, чтобы обеспечить подачу мощности от радиального вала к независимой дополнительной коробке передач. Необходимость выполнения указанных конструктивных требований может приводить к неоптимальности конструкции мотогондолы применительно к режиму крейсерского полета.

Раскрытие изобретения

Соответственно, представляется желательным создать дополнительную коробку передач для газотурбинного двигателя, способную передавать мощность более крупным генераторам, чем это возможно с обычными двигателями, и одновременно облегчать компоновку компонентов мотогондолы.

Согласно одному аспекту изобретения создана пилонная конструкция для газотурбинного двигателя, которая содержит: внутреннюю мотогондолу, установленную вдоль центральной оси двигателя; внешнюю мотогондолу, по меньшей мере частично охватывающую внутреннюю мотогондолу с формированием вентиляторного контура для внешнего потока воздуха, нагнетаемого вентилятором; пилон, несущий внутреннюю и внешнюю мотогондолы, и дополнительную коробку передач, установленную внутри пилона, в осевом направлении позади внешней мотогондолы.

В неограничивающем варианте данной конструкции дополнительная коробка передач может быть установлена в осевом направлении перед зоной выхлопа газа, образующегося в двигателе, установленном во внутренней мотогондоле.

Другой вариант данной конструкции может содержать вентиляторное сопло с изменяемым сечением, выполненное перестраиваемым для изменения выходного отверстия указанного сопла во время функционирования двигателя.

Еще в одном неограничивающем варианте вентиляторное сопло с изменяемым сечением может быть сконфигурировано с возможностью регулировать перепад давления в вентиляторном контуре во время функционирования двигателя.

Следующий вариант данной конструкции может содержать редуктор, приводимый в действие двигателем внутреннего контура, установленным во внутренней мотогондоле, для приведения во вращение вентилятора, установленного во внешней мотогондоле. Редуктор может иметь коэффициент редукции около или более 2,3. Альтернативно, редуктор, приводимый в действие двигателем внутреннего контура для приведения во вращение вентилятора, установленного во внешней мотогондоле, может иметь коэффициент редукции около или более 2,5. Альтернативно, данный редуктор может иметь коэффициент редукции, больший или равный 2,5.

В другом варианте данной конструкции двигатель внутреннего контура может содержать турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления около или более 5. Альтернативно, этот двигатель может содержать турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления более 5.

В следующем неограничивающем варианте вентиляторный контур может обеспечивать перепад давления около или более 6. Альтернативно, данный контур может обеспечивать перепад давления около или более 10. Альтернативно, перепад давления в вентиляторном контуре может быть выбран превышающим 10.

В другом варианте данной конструкции дополнительная коробка передач может содержать зубчатую передачу.

Еще в одном неограничивающем варианте конструкция может содержать по меньшей мере один радиальный вал, выведенный из дополнительной коробки передач и проведенный через пилон.

В следующем варианте данной конструкции дополнительная коробка передач может быть установлена рядом с крылом. Дополнительно или альтернативно, она может быть установлена под крылом.

Система газотурбинного двигателя, выполненная в соответствии с другим аспектом изобретения, содержит: внутреннюю мотогондолу, установленную вдоль центральной оси двигателя; внешнюю мотогондолу, по меньшей мере частично охватывающую внутреннюю мотогондолу с формированием вентиляторного контура для внешнего потока воздуха, нагнетаемого вентилятором; пилон, несущий внутреннюю и внешнюю мотогондолы; радиальный вал, приводимый во вращение от вала двигателя, установленного во внутренней мотогондоле, и дополнительную коробку передач, по меньшей мере частично установленную внутри пилона, в осевом направлении позади внешней мотогондолы, и приводимую в действие указанным радиальным валом.

В одном неограничивающем варианте данной системы дополнительная коробка передач может быть выполнена с возможностью передачи мощности группе вспомогательных компонентов.

В другом варианте данной системы дополнительная коробка передач может быть установлена рядом с крылом. Дополнительно или альтернативно, она может быть установлена под крылом.

Еще в одном неограничивающем варианте вентиляторное сопло с изменяемым сечением может быть выполнено перестраиваемым для изменения выходного отверстия указанного сопла во время функционирования двигателя.

В следующем варианте системы вентиляторное сопло с изменяемым сечением может быть сконфигурировано с возможностью регулировать перепад давления в вентиляторном контуре во время функционирования двигателя.

В другом неограничивающем варианте вал двигателя является низкоскоростным валом. Дополнительно или альтернативно, этот вал может являться высокоскоростным валом.

Еще в одном варианте данной системы дополнительная коробка передач может быть установлена в осевом направлении перед зоной выхлопа газа, образующегося в двигателе.

Краткое описание чертежей

Различные особенности и преимущества изобретения станут понятны специалистам из нижеследующего подробного описания его варианта.

На фиг.1 в частичном продольном сечении схематично показан газотурбинный двигатель согласно изобретению.

На фиг.2 схематично показаны вспомогательные системы, размещенные внутри пилона.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично, в частичном продольном сечении представлен газотурбинный двигатель 10, подвешенный в блоке N мотогондол на пилоне P в соответствии со схемой, типичной для самолетов, рассчитанных на дозвуковые режимы полета. Пилон P двигателя или другая несущая конструкция в типичном случае крепится к самолетному крылу W (фиг.2); альтернативно, пилон Р может отходить от другой части самолета, например от хвостовой части фюзеляжа.

Турбовентиляторный двигатель 10 содержит двигатель C внутреннего контура, установленный во внутренней мотогондоле 12, в которой находятся, в частности, низкоскоростной вал 14 и высокоскоростной вал 24. Низкоскоростной вал 14, связывающий компрессор 16 низкого давления и турбину 18 низкого давления, может через редуктор 22 приводить во вращение вентилятор вентиляторной секции 20. Высокоскоростной вал 24 связывает компрессор 26 высокого давления и турбину 28 высокого давления. Камера 30 сгорания расположена между компрессором 26 высокого давления и турбиной 28 высокого давления. Низкоскоростной и высокоскоростной валы 14, 24 вращаются вокруг оси A вращения двигателя.

В представленном варианте двигатель 10 является авиационным двигателем с высокой степенью двухконтурности, использующим редуктор. В одном неограничивающем варианте степень двухконтурности двигателя 10 составляет примерно 6-10. Редуктор 22 выполнен на основе эпициклической (например, планетарной) или иной зубчатой передачи с коэффициентом редукции, большим или равным 2,3, а турбина 18 низкого давления обеспечивает перепад давления, составляющий около или более 5. В одном из вариантов степень двухконтурности двигателя 10 выбрана большей 10, а диаметр вентилятора значительно большим, чем у компрессора 16 низкого давления. Турбина 18 низкого давления обеспечивает перепад давления более 5. Редуктор 22 может быть выполнен на основе эпициклической (например, планетарной) или иной зубчатой передачи с коэффициентом редукции, большим 2,5. Однако должно быть понятно, что приведенные параметры характеризуют только один вариант архитектуры двигателя, использующий редуктор, и что изобретение применимо и к газотурбинным двигателям с прямым приводом турбовентилятора.

Поток воздуха поступает внутрь внешней мотогондолы 34, которая по меньшей мере частично окружает внутреннюю мотогондолу 12. Вентиляторная секция 20 нагнетает поток воздуха, поступившего во внутреннюю мотогондолу 12, для приведения в действие компрессора 16 низкого давления и компрессора 26 высокого давления. Воздух в осевом контуре подвергается сжатию компрессором 16 низкого давления и компрессором 26 высокого давления, смешивается с топливом в камере 30 сгорания и расширяется, проходя через турбину 28 высокого давления и турбину 18 низкого давления, которые связаны для совместного вращения с валами 24, 14 соответственно с целью приведения во вращение компрессоров 26, 16, и через используемый в качестве опции редуктор 22 вентиляторной секции 20. Выхлопные газы Е от двигателя внутреннего контура выходят из внутренней мотогондолы 12 через сопло 41 внутреннего контура, образованное в зазоре между внутренней мотогондолой 12 и хвостовым обтекателем 32.

Внутренняя мотогондола 12 по меньшей мере частично поддерживается во внешней мотогондоле 34 посредством конструкции 36, часто именуемой выходными вентиляторными направляющими лопатками или верхними (нижними) бифуркациями. Вентиляторный контур 40 сформирован между внутренней мотогондолой 12 и внешней мотогондолой 34. Двигатель 10 генерирует значительный воздушный поток в вентиляторном контуре при степени двухконтурности, соответствующей подаче во внешний воздушный поток B примерно 80% потока воздуха, входящего во внешнюю мотогондолу 34. Внешний воздушный поток B проходит через вентиляторный контур 40, имеющий, по существу, кольцеобразный профиль.

Создаваемый двигателем 10 внешний воздушный поток B, в который поступает около 80% потока воздуха, входящего во внешнюю мотогондолу 34, и который проходит через, по существу, кольцевой вентиляторный контур 40, выходит из двигателя 10 через вентиляторное сопло 42 с изменяемым сечением (ВСИС), задающее площадь выходного отверстия 44 вентиляторного сопла, образованного между внешней и внутренней мотогондолами 34, 12 у выходного конца 34S внешней мотогондолы 34, т.е. у выходного конца вентиляторной секции 20.

Тяга является функцией плотности, скорости и сечения. Один из этих параметров можно регулировать, чтобы варьировать уровень и направление тяги, создаваемой потоком B воздуха в вентиляторном контуре. ВСИС 42 эффективно варьирует площадь своего выходного отверстия 44, чтобы селективно регулировать, по командам контроллера М, перепад давления, обеспечиваемого в вентиляторном контуре. Турбовентиляторы, обеспечивающие малый перепад давления, представляются желательными в связи с их высокой пропульсивной эффективностью. Однако такие турбовентиляторы оказываются чувствительными к проблемам нестабильности/флаттера в режимах малой мощности и малых скоростей полета. ВСИС обеспечивает двигателю возможность переходить на более благоприятный режим работы вентилятора в случае малой мощности, что позволяет избежать попадания в зону нестабильности и использовать относительно малое сечение сопла с целью обеспечить высокую эффективность вентилятора в крейсерском режиме.

Благодаря высокой степени двухконтурности значительная доля тяги может создаваться внешним потоком B. Вентиляторная секция 20 двигателя 10 предпочтительно проектируется для определенных полетных условий - в типичном случае для крейсерского полета при скорости 0,8 M и на высоте около 11000 м. В том случае, если лопасти вентилятора вентиляторной секции 20 эффективно сконструированы для конкретного фиксированного угла установки лопастей, соответствующего эффективной работе в крейсерском режиме, ВСИС 42 функционирует таким образом, чтобы эффективно варьировать выходное отверстие 44 вентиляторного сопла с целью регулирования потока воздуха в вентиляторном контуре для поддержания угла атаки (угла падения воздуха на лопасти вентилятора) на уровне, близком к расчетному углу, обеспечивающему эффективную работу двигателя при других полетных условиях, таких как приземление и взлет. В результате достигается оптимизация функционирования двигателя в широком интервале полетных условий в отношении главных показателей работы и других функциональных параметров, например уровня шума.

Дополнительная коробка 60 передач, установленная внутри пилона Р, содержит зубчатую передачу 62, приводимую в действие по меньшей мере от одного узла 64 радиального вала, который получает энергию от двигателя C внутреннего контура. Узел 64 радиального вала проходит сквозь внутреннюю мотогондолу 12 или сквозь обе мотогондолы 12, 34 в пилон Р. Этот узел 64 может содержать единственный радиальный вал, который связан посредством зубчатой передачи с низкоскоростным валом 14 или с высокоскоростным валом 24. Альтернативно, узел 64 радиального вала может содержать два радиальных вала, один из которых связан с низкоскоростным валом 14, а другой - с высокоскоростным валом 24.

Зубчатая передача 62 в составе дополнительной коробки 60 передач используется, чтобы обеспечить прямой привод по меньшей мере одного вспомогательного компонента 66 и тем самым облегчить оптимизацию внутренней мотогондолы 12. Зубчатая передача 62 обеспечивает работу каждого вспомогательного компонента двигателя на требуемой для него скорости. Зубчатая передача 62 обеспечивает подачу мощности на насосы, электрогенераторы и различные другие системы. В число вспомогательных компонентов 66, установленных внутри пилона P, могут входить такие компоненты, как стартер/генератор SG, маслоотделитель D, гидронасос HP, масляный насос ОР, топливный насос FP, генератор G и др. (см. фиг.2). Такое выполнение обеспечивает уменьшение веса и объема компонентов во внутренней мотогондоле 12. Кроме того, размещение вспомогательных компонентов 66 внутри пилона позволяет обеспечить для них рабочую среду с относительно низкой температурой, что способствует увеличению срока службы зубчатой передачи 62 и вспомогательных компонентов.

Должно быть понятно, что изобретение применимо при любом количестве вспомогательных компонентов 66. При этом вспомогательные компоненты могут, альтернативно или дополнительно, находиться и в других зонах, таких как крыло W, внутренняя мотогондола, фюзеляж и др. Оптимизация внутренней мотогондолы 12 повышает суммарную пропульсивную эффективность системы, что компенсирует, например, дополнительный вес и значительную длину радиального вала. Предложенное расположение обеспечивает также наличие дополнительного пространства во внутренней мотогондоле ниже капота двигателя для размещения других наружных деталей и вспомогательных компонентов.

Должно быть понятно, что такие термины, характеризующие положение, как, например, "перед", "позади", "верхний", "нижний", "ниже" и "под", используются применительно к нормальной ориентации самолета в полете и не должны трактоваться более широко.

В данном описании рассмотрены только примеры осуществления изобретения, т.е. оно не носит ограничительного характера, причем в рамках изобретения возможны многие различные модификации и усовершенствования. Таким образом, хотя выше был описан предпочтительный вариант изобретения, специалисту в соответствующей области будет понятно, что изобретение охватывает и различные модификации этого варианта. Поэтому, чтобы оценить объем и содержание изобретения, необходимо рассмотреть прилагаемую формулу изобретения.

Изобретение относится к области авиации, более конкретно к пилону газотурбинного двигателя. Пилонная конструкция для газотурбинного двигателя содержит внутреннюю мотогондолу, установленную вдоль центральной оси двигателя, внешнюю мотогондолу, охватывающую внутреннюю мотогондолу с формированием вентиляторного контура для внешнего потока воздуха, нагнетаемого вентилятором, пилон, несущий внутреннюю и внешнюю мотогондолы, и дополнительную коробку передач, установленную внутри пилона, в осевом направлении позади внешней мотогондолы. Технический результат заключается в снижении веса конструкции и обеспечении охлаждения двигателя.

1. Пилонная конструкция для газотурбинного двигателя, содержащая, внутреннюю мотогондолу, установленную вдоль центральной оси двигателя, внешнюю мотогондолу, по меньшей мере частично охватывающую внутреннюю мотогондолу с формированием вентиляторного контура для внешнего потока воздуха, нагнетаемого вентилятором, пилон, несущий внутреннюю и внешнюю мотогондолы, и дополнительную коробку передач, установленную внутри пилона, в осевом направлении позади внешней мотогондолы.

2. Конструкция по п.1, в которой дополнительная коробка передач установлена в осевом направлении перед зоной выхлопа газа, образующегося в двигателе, установленном во внутренней мотогондоле.

3. Конструкция по п.1, дополнительно содержащая вентиляторное сопло с изменяемым сечением, выполненное перестраиваемым для изменения выходного отверстия указанного сопла во время функционирования двигателя.

4. Конструкция по п.2, в которой вентиляторное сопло с изменяемым сечением сконфигурировано с возможностью регулировать перепад давления в вентиляторном контуре во время функционирования двигателя.

5. Конструкция по п.1, дополнительно содержащая редуктор, приводимый в действие двигателем внутреннего контура, установленным во внутренней мотогондоле, для приведения во вращение вентилятора, установленного во внешней мотогондоле, при этом редуктор имеет коэффициент редукции около или более 2,3.

6. Конструкция по п.1, дополнительно содержащая редуктор, приводимый в действие двигателем внутреннего контура, установленным во внутренней мотогондоле для приведения во вращение вентилятора, установленного во внешней мотогондоле, при этом редуктор имеет коэффициент редукции около или более 2,5.

7. Конструкция по п.1, дополнительно содержащая редуктор, приводимый в действие двигателем внутреннего контура, установленным во внутренней мотогондоле для приведения во вращение вентилятора, установленного во внешней мотогондоле, при этом редуктор имеет коэффициент редукции, больший или равный 2,5.

8. Конструкция по п.1, в которой двигатель внутреннего контура содержит турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления около или более 5.

9. Конструкция по п.1, в которой двигатель внутреннего контура содержит турбину низкого давления, обеспечивающую перепад давления более 5.

10. Конструкция по п.1, в которой вентиляторный контур обеспечивает перепад давления около или более 6.

11. Конструкция по п.1, в которой вентиляторный контур обеспечивает перепад давления около или более 10.

12. Конструкция по п.1, в которой вентиляторный контур обеспечивает перепад давления более 10.

13. Конструкция по п.1, в которой дополнительная коробка передач содержит зубчатую передачу.

14. Конструкция по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один радиальный вал, выведенный из дополнительной коробки передач и проведенный через пилон.

15. Конструкция по п.1, в которой дополнительная коробка передач установлена рядом с крылом.

16. Конструкция по п.1, в которой дополнительная коробка передач установлена под крылом.

17. Система газотурбинного двигателя, содержащая:
внутреннюю мотогондолу, установленную вдоль центральной оси двигателя;
внешнюю мотогондолу, по меньшей мере частично охватывающую внутреннюю мотогондолу с формированием вентиляторного контура для внешнего потока воздуха, нагнетаемого вентилятором, пилон, несущий внутреннюю и внешнюю мотогондолы, радиальный вал, приводимый во вращение от вала двигателя, установленного во внутренней мотогондоле, и дополнительную коробку передач, по меньшей мере частично установленную внутри пилона, в осевом направлении позади внешней мотогондолы, и приводимую в действие указанным радиальным валом.

18. Система по п.17, в которой дополнительная коробка выполнена с возможностью передачи мощности группе вспомогательных компонентов.

19. Система по п.18, в которой дополнительная коробка передач установлена рядом с крылом.

20. Система по п.18, в которой дополнительная коробка передач установлена под крылом.

21. Система по п.18, дополнительно содержащая вентиляторное сопло с изменяемым сечением, выполненное перестраиваемым для изменения выходного отверстия указанного сопла во время функционирования двигателя.

22. Система по п.21, в которой вентиляторное сопло с изменяемым сечением сконфигурировано с возможностью регулировать перепад давления в вентиляторном контуре во время функционирования двигателя.

23. Система по п.17, в которой вал двигателя является низкоскоростным валом.

24. Система по п.17, в которой вал двигателя является высокоскоростным валом.

25. Система по п.17, в которой дополнительная коробка передач установлена в осевом направлении перед зоной выхлопа газа, образующегося в двигателе.