СПОСОБ И КОНФИГУРАЦИЯ ПОДВОДА ДВИЖУЩЕЙ И/ИЛИ НЕДВИЖУЩЕЙ ЭНЕРГИИ В КОНСТРУКЦИИ ВЕРТОЛЕТА ПОСРЕДСТВОМ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО СИЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК B64D41/00 B64D35/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение касается способа и конфигурации конструкции подвода движущей и/или недвижущей энергии в конструкции вертолета посредством вспомогательного силового двигателя, например вспомогательной силовой установки, известной под сокращенным названием APU (начальные буквы “Auxiliary Power Unit” в английской терминологии), а также конструкции, применяемой для этого способа. Подвод энергии - так называемый прямой, в том смысле, что он не проходит через основные двигатели вертолета. Под вспомогательным двигателем подразумевают любую тепловую систему, которая позволяет подводить мощность, как установка APU, а также вообще газотурбинный двигатель со свободной или связанной турбиной, типа «основного двигателя», или же тепловой двигатель, например дизельный двигатель, или же топливный элемент.

Современные вертолеты постоянно оборудуются основными двигателями, служащими для приведения в движение, а иногда установкой APU, функция которой заключается в подаче недвижущей энергии на земле (зажигание двигателей, переходный электрический и пневматический режим) или в полете, когда основные двигатели не могут это сделать (например, в случае неисправности или отказа одного двигателя).

Вертолеты оборудуются основными двигателями, которые служат для приведения в движение и иногда вспомогательным двигателем. В настоящее время вспомогательные двигатели являются установками APU: это небольшие газотурбинные двигатели, способные подавать недвижущую мощность - электрическую, механическую, гидравлическую и/или пневматическую - на земле или на различных фазах полета, когда основные двигатели не в состоянии сделать это: промежуточная фаза (взлет, посадка) или фаза поиска, отказ одного двигателя, неисправность электрической машины и т.д. Например, в режиме отказа одного двигателя (сокращенно режим OEI, начальные буквы “One Engine Inoperative” в английской терминологии), запускается установка APU, чтобы она подавала недвижущую энергию с целью облегчения или устранения подачи электроэнергии от оставшегося двигателя.

Когда основные двигатели находятся в рабочем состоянии, установки APU остаются выключенными в полете, что представляет собой ненужную нагрузку. Изобретение относится к оптимизации применения установок APU с целью сделать рентабельным их наличие.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Газотурбинный двигатель содержит в классическом варианте главным образом газогенератор, образованный узлом компрессор - камера сгорания - турбина, расположенный между воздухозаборником и реактивным соплом. При работе топливо впрыскивается в камеру, а сгорание смеси топливо/воздух дает энергетические газы. Эти горячие газы расширяются в турбине, которая механически приводит в действие компрессор посредством вала высокого давления (сокращенно НР). Такой тип конструкции и работы подходит как для основных вертолетных двигателей, так и для установок APU.

Для основных двигателей приводной вал передает также располагаемую мощность для подачи движущей энергии винтам вертолета - несущему винту и рулевому винту, а также недвижущей энергии (электрической, пневматической, гидравлической). Мощность передается через главный редуктор, называемый BTP. В современных двигателях газы сгорания подвергаются повторному расширению в свободной турбине перед приведением в действие главного редуктора. Главный редуктор передает мощность винтам, электрической системе, которая питает бортовую электрическую сеть вертолета, а также прочему оборудованию, потребляющему энергию (насос, напорный компрессор и т.д.), в частности системе кондиционирования воздуха ECS (начальные буквы “Environmental Conditioning System” в английской терминологии).

Для установок APU их турбина приводит в действие лишь вспомогательные устройства, потребляющие недвижущую энергию, через редуктор, установленный на их валу. Современные вертолетные конструкции, содержащие APU, не используют всю располагаемую мощность для подачи при полете недвижущей и движущей энергии. В частности, когда основные двигатели находятся в рабочем состоянии, установка APU выключена и является, таким образом, ненужной нагрузкой.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение имеет целью оптимизировать комплекс двигательной группы, имеющейся на вертолете, снабженном вспомогательным двигателем, позволяя последнему подавать недвижущую и/или движущую энергию в полете. Для обеспечения этого, этот вспомогательный двигатель подключается так, чтобы иметь возможность участвовать в подаче движущей энергии, т.е. механической или электрической, и недвижущей электрической летательного аппарата, в фазах полета, когда дополнительный подвод энергии позволяет повысить рабочие характеристики вертолета и/или удовлетворять требованиям оптимального распределения источников энергии.

Точнее, предметом настоящего изобретения является способ подвода движущей и/или недвижущей энергии в конструкции вертолета, содержащей бортовую электрическую сеть, основную двигательную группу, связанную с системой механической трансмиссии, которая в полете приводит в действие органы приведения в движение. Преобразование механической энергии в электрическую, связанное с системой механической трансмиссии и/или основной двигательной группой, подает недвижущую энергию в бортовую электрическую сеть. Способ заключается в соединении посредством преобразования энергии дополнительного вспомогательного двигателя с бортовой сетью, чтобы иметь возможность подавать в нее на земле недвижущую энергию, а также в основную двигательную группу для ее запуска, и чтобы иметь возможность в полете подавать недвижущую энергию в бортовую сеть, дополнительно и до замены отбора, осуществляемого в системе механической трансмиссии и/или основной двигательной группе.

Преимущественно, вспомогательный двигатель также подает электрическую энергию в двигательную группу, предусмотренную в системе механической трансмиссии для увеличения или частичной подачи движущей мощности.

Предпочтительно, так как система механической трансмиссии содержит систему понижения частоты вращения, вспомогательный двигатель может быть также или альтернативно подключен непосредственно к этой системе понижения частоты вращения для подачи движущей энергии, по меньшей мере, к одному органу приведения в движение вертолета, затем подключен через реверсивное преобразование энергии к бортовой сети для подачи недвижущей энергии, а также к основной двигательной группе для ее запуска. Вспомогательный двигатель может также подавать движущую энергию к рулевому винту, называемому RAC, и/или к несущему винту.

В этих условиях вспомогательный двигатель подает движущую и/или недвижущую энергию в зависимости от потребностей на различных фазах полета, при нормальной или асимметричной работе основных двигателей. Асимметричная работа может быть непроизвольной (случай повреждения или отказа) или намеренной (переходные стадии, ускорения и т.д.).

Согласно предпочтительным способам осуществления:

- электрическая энергия бортовой сети происходит от модуляции между энергией, отбираемой из системы механической трансмиссии и основной двигательной группы через преобразование энергии;

- преобразование энергии связано только с системой понижения, так что электрическая энергия бортовой сети происходит лишь от вспомогательного двигателя через систему понижения, когда основная двигательная группа выключена;

- вспомогательный двигатель встроен в главный редуктор системы механической трансмиссии, так что он подает электрическую энергию в бортовую сеть посредством преобразования энергии с генераторами в главном редукторе и движущую энергию, по меньшей мере, в один орган приведения в движение через главный редуктор.

Изобретение относится также к конфигурации подвода движущей и/или недвижущей энергии в вертолете. Эта конфигурация содержит в основном бортовую электрическую сеть, два основных двигателя и систему преобразования механической энергии в электрическую между главным редуктором системы механической трансмиссии к органам приведения в движение и средствами приема электрической энергии, содержащими бортовую сеть и силовую электронику в соединении со стартерами основных двигателей, при этом конфигурация отличается тем, что она содержит также силовой вспомогательный двигатель для подачи электрической энергии к средствам приема электрической энергии через систему преобразования энергии и средства механической связи между вспомогательным двигателем и, по меньшей мере, одним органом приведения в движение.

Система преобразования энергии может содержать генераторы или реверсивные мотогенераторные агрегаты в соединении с главным редуктором, и/или основными двигателями, и/или вспомогательным двигателем для подачи электрической энергии в бортовую сеть и в силовую электронику.

Согласно частным вариантам осуществления:

- соединение между вспомогательным двигателем и, по меньшей мере, одним из органов приведения в движение осуществлено посредством двигателя, предусмотренного на этом органе и/или двигателей мотогенераторов на главном редукторе через силовую электронику, активируемую системой преобразования энергии, связанной со вспомогательным двигателем;

- вспомогательный двигатель встроен на главном редукторе в соединении с генераторами для подачи недвижущей энергии, вспомогательный двигатель выполнен с возможностью подачи недвижущей энергии в бортовую сеть и силовую электронику через генераторы на главном редукторе и движущую энергию через главный редуктор, по меньшей мере, в один орган приведения в движение, а именно несущий винт и/или в рулевой винт;

- cоединение между вспомогательным двигателем и системой преобразования энергии осуществлено через редукторный узел, относящийся к системе механической трансмиссии;

- так как система механической трансмиссии содержит редукторный узел, этот редукторный узел соединяет непосредственно вспомогательный двигатель с главным редуктором и/или с приводным валом рулевого винта, а вспомогательный двигатель с мотогенератором и/или, по меньшей мере, одним генератором образует частично или полностью систему преобразования энергии для подачи электрической энергии в бортовую сеть и в силовую электронику;

- редукторный узел содержит, по меньшей мере, два ряда зубчатых колес понижения частоты вращения, связанных, по меньшей мере, одним связующим валом между вспомогательным двигателем, установленным на первом ряду, и механизмом отбора мощности на главном редукторе или рулевом винте, установленных на втором ряду, и в котором, по меньшей мере, один связующий вал оборудован реверсивным средством расцепления и колесом свободного хода, для того чтобы соответственно вспомогательный двигатель не приводил в действие несущий винт на земле и несущий винт не приводил в действие вспомогательный двигатель на земле или в полете;

- в том случае когда генератор(ы) системы преобразования энергии соединен(ы) непосредственно с редукторным узлом, связующий вал, оборудованный реверсивным средством расцепления и колесом свободного хода, приводит в действие механизм отбора мощности и генератор(ы), установленные через другое колесо свободного хода на втором ряду зубчатых колес и/или, по меньшей мере, на втором связующем валу, оборудованном колесом свободного хода между генератором и вспомогательным двигателем;

- в том случае когда вспомогательный двигатель имеет свободную турбину, свободная турбина приводит в действие генератор(ы) на втором ряду зубчатых колес редуктора через связующий вал, оборудованный колесом свободного хода и тормозом, или на третьем ряду зубчатых колес, установленном с колесом свободного хода на связующем валу, оборудованном реверсивным средством расцепления и колесом свободного хода, а также, по меньшей мере, на втором связующем валу, установленном с колесом свободного хода между свободной турбиной и генератором;

- реверсивное средство расцепления выбирают из гидравлической муфты, кулачковой муфты и сцепной муфты.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Прочие характеристики, признаки и преимущества изобретения появятся из нижеследующего неограничивающего описания, касающегося отдельных способов осуществления со ссылкой на прилагаемые рисунки, представляющие собой соответственно:

- на фиг. 1а и 1b - пример схематической конфигурации подвода энергии, поставляемой вспомогательным двигателем типа установки APU, к бортовой сети и к электродвигателю, установленному на валу рулевого винта, в том случае когда генераторы системы преобразования энергии установлены непосредственно на главном редукторе (фиг. 1а) или в реверсивных двигатель-генераторных агрегатах (фиг. 1b), установленных на главном редукторе;

- на фиг. 2 - пример схематической конфигурации подвода энергии посредством установки APU, в которой установка APU встроена в главный редуктор и связана с электрогенераторами системы преобразования энергии или главным редуктором;

- на фиг. 3а и 3b - схематические примеры конфигурации и редуктора такой конфигурации, в том случае когда установка APU связана с главным редуктором/рулевым винтом через редукторный узел понижения скорости вращения, с которым связан реверсивный двигатель/генератор системы преобразования энергии, и когда генераторы этой системы преобразования установлены на главном редукторе;

- на фиг. 4а и 4b - схематические примеры конфигурации и редуктора такой конфигурации, в том случае когда установка APU связана с главным редуктором/рулевым винтом через редукторный узел понижения скорости вращения по фиг. 3а и 3b и когда генераторы системы преобразования энергии установлены на редукторном узле;

- на фиг. 5а-5d - схемы редуктора по фиг. 4а и 4b в четырех рабочих стадиях, соответственно: пуск основных двигателей посредством установки APU на земле со связующим валом отцепленного редуктора, запущенные в полете установка APU и основные двигатели, выключенная установка APU и запущенные в полете основные двигатели и запущенная установка APU и основной двигатель, отказавший или частично поврежденный;

- на фиг. 6а и 6b - схематические примеры конфигурации и редуктора по фиг. 4а и 4b, в том случае когда система преобразования энергии содержит лишь генераторы, связанные с редукторным узлом;

- на фиг. 7а-7d - схемы редуктора по фиг. 6а и 6b, в четырех рабочих стадиях, соответствующих фиг. 5а-5d;

и

- фиг. 8а и 8b - две схемы редукторных узлов, в том случае когда вспомогательный двигатель представляет собой газотурбинный двигатель со свободной турбиной, соответственно без реверсивного устройства связи свободной турбины и с ним.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На всех рисунках идентичные или эквивалентные элементы, выполняющие одну и ту же функцию, имеют одинаковые или производные обозначения. В том случае когда на нескольких рисунках представлен элемент, обозначенный одним и тем же условным знаком, это обозначение отсылает к тому месту, в котором описывается элемент, соответствующий данному условному знаку.

Со ссылкой на фиг. 1а и 1b, схематичная конфигурация конструкции изображает подвод энергии или мощности (в данный момент), поставляемой вспомогательным двигателем 3 типа установки APU в бортовую сеть 2, а также в рулевой винт (так называемый RAC) 4 или в главный редуктор (так называемый ВТР) 40 вертолета. Базовая конструкция 1 содержит два основных двигателя 5а и 5b, которые приводят в действие через главный редуктор 40 вал 4В несущего винта 41 вертолета и вал 4А рулевого винта 4. Основные двигатели 5а и 5b также подают в полете электроэнергию в бортовую сеть 2 через главный редуктор 40.

Эта базовая конструкция 1 дополняется вспомогательным двигателем, установкой APU 3 в изображенном примере. Система преобразования механической энергии в электрическую позволяет подавать электроэнергию в бортовую сеть 2 от механических узлов, а именно: установка APU 3, главный редуктор 40 и/или основные двигатели 5а и 5b. Эта система преобразования содержит, будучи связанной с каждым узлом и в зависимости от конфигураций: по меньшей мере, один электрический генератор, обозначенный 6, например генератор переменного тока, по меньшей мере, одну реверсивную электрическую машину 7: мотогенератор, или двигатель/генератор, или стартер/генератор, и/или приводной электродвигатель 8 или 8а, например стартер или соответствующий электродвигатель.

Точнее, установка APU3 связана со стартером 8, приводимым в действие от батареи 8b, и электрическим генератором 6. После запуска установки APU генератор 6 подает электроэнергию в бортовую электрическую сеть 2 вертолета по линии электропередачи «В», а также к стартерам 8 основных двигателей 5а и 5b на линии электропередачи «А» через силовую электронику 9.

Главный редуктор 40 подает также электроэнергию в бортовую сеть 2 через генераторы 6 (фиг. 1а) или мотогенераторы 7 (фиг. 1B) на линиях «С». Использование в полете мощности, вырабатываемой генератором 6 установки APU 3 для питания электрической сети 2 вертолета, позволяет при этом модулировать вплоть до гашения отбор электроэнергии на генераторах 6 или мотогенераторах 7, подключенных к главному редуктору 40.

Кроме того, генератор 6, соединенный с установкой APU, питает через силовую электронику 9 либо электрический двигатель 8а, предусмотренный для приведения в действие вала 4А рулевого винта 4, или несущий винт 41 через главный редуктор 40 (фиг. 1а), либо, по меньшей мере, один из мотогенераторов 7, заменяемым на генераторы 6 (фиг. 1b). Электрический двигатель, обозначенный 8а, установлен в примере на валу 4А рулевого винта 4, но он может быть установлен на главном редукторе или на валу 4В несущего винта 41 в прочих примерах установки.

Альтернативно, основные двигатели 5а и 5b могут соединяться с реверсивной электрической машиной или с электрическим генератором - с раздельным стартером - для осуществления генерирования электроэнергии. Модуляция электропитания, управляемая подачей мощности, поступающей от вспомогательного двигателя, позволяет еще в данном случае снизить до гашения отбор электроэнергии, производимый на основных двигателях.

На примере работы установки APU 3 в ходе одного вылета, вначале на земле, затем в полете, различные стадии системы преобразования энергии могут сменять друг друга во времени следующим образом:

- на земле:

- запуск (батарея 8b, стартер 8) установки APU 3,

- питание бортовой сети 2 и запуск основных двигателей 5а и 5b от установки APU 3,

- питание бортовой сети 2 от основных двигателей 5а и 5b через генераторы 6 (фиг. 1а) или реверсивные электрические машины 7 (фиг. 1b), установленные на главном редукторе 40,

- выключение установки APU 3;

- в полете:

- повторный запуск установки APU 3 и питание бортовой сети 2 для облегчения отбора на главном редукторе 40 (фиг. 1b), что дает дополнительную энергию на несущий винт,

- питание электродвигателя 8 на главном редукторе 40 и/или на рулевом винте 4 от установки APU 3, что позволяет увеличить мощность на несущем винте 41.

Схема конфигурации конструкции типа, представленного на фиг. 2, позволяет оптимизировать встраивание вспомогательного двигателя, в данном случае установки APU 30. Редуктор понижения скорости вращения описанного ниже типа со свободным(и) колесом(ами) и кулачковой муфтой или подобного типа (см., например, описание со ссылкой на фиг. 6b) преимущественно встраивается для осуществления такой оптимизации, позволяя подать движущую и недвижущую энергию. В этом примере установки APU 30 оборудован известными средствами подсоединения для обеспечения его непосредственного встраивания на главном редукторе 40, соединенной с электрическими генераторами 6 системы преобразования энергии. Установка APU 30 способна при этом подавать:

- электроэнергию в бортовую сеть 2 и силовую электронику 9 через генераторы 6 на главном редукторе 40, и

- механическую энергию приведения в движение на несущий винт 41 через главный редуктор 40 и/или непосредственно приводному валу 4А рулевого винта 4.

Кроме того, встраивание установки APU 30 или вообще любого вспомогательного двигателя позволяет преимущественно совместить некоторые функции или оборудование (понижение частоты вращения, система жидкой смазки и т.д.) и ограничить согласующие устройства.

Альтернативно или совместно с решениями по электропередаче подвода энергии к вспомогательному двигателю, такими как вышеописанные решения, теперь будут описаны решения по передаче механической энергии между вспомогательным двигателем и приводом узла главного редуктора/рулевого винта через редукторный узел понижения скорости вращения. Такие механические конфигурации конструкции позволяют удовлетворять такие же потребности.

Со ссылкой на фиг. 3а и 3b, представлены примеры схем конфигурации конструкции и редуктора этой конструкции. В этой конфигурации система преобразования энергии образована генераторами 6а и 6b, связанными с главным редуктором 40 и мотогенератором 7, связанным с редукторным узлом 11а понижения скорости вращения для подачи электроэнергии к бортовой сети 2 и силовой электронике 9. Батарея 8а здесь непосредственно подключена к силовой электронике 9 только лишь для питания и пуска мотогенератора 7 установки APU 3. Вспомогательная установка APU 3 cвязана с валом 4А рулевого винта 4 через редукторный узел 11а понижения скорости вращения, с которым связан мотогенератор 7 системы преобразования энергии. Альтернативно, установка APU может быть связана с главным редуктором, а генераторы 6а и 6b могут быть заменены реверсивными машинами или предусмотрены для встраивания в основные двигатели (альтернативный вариант не изображен).

Редукторный узел 11а образует с главным редуктором 40 систему механической трансмиссии. В представленном неограничивающем примере редукторный узел 11а подключает непосредственно установку APU 3 к валу 4А и реверсивному мотогенератору 7.

Как показано на фиг. 3b, редукторный узел 11а содержит два параллельных ряда зубчатых колес для понижения скорости вращения, 111 и 112, связанные, по меньшей мере, с одним связующим валом 11L между установкой APU 3 и механизмом отбора мощности 11М на главном редукторе 40 или рулевом винте 4. Главный редуктор 40 подает продолжительно механическую мощность к несущему винту 41.

В ряду 111 зубчатых колес установка APU 3 подает механическую мощность к оборудованию 15 (насос, напорный компрессор и т.д.) и мотогенератору 7. Механизм отбора мощности 11М на узле главный редуктор 40/рулевой винт 4 сцепляется с рядом 112.

Связующий вал 11L оборудован реверсивным средством расцепления, в данном случае кулачковая муфта 12, и колесом свободного хода 13а. Кулачковая муфта 12 позволяет отключать установку APU 3, для того чтобы эта установка 3 не приводила в действие на земле (во время рабочих стадий, когда установка APU 3 используется в классическом варианте) главный редуктор 40 и/или рулевой винт 4 (ниже узел главный редуктор/рулевой винт) и, в частности, несущий винт 41. Колесо свободного хода 13а позволяет препятствовать во время полета и непрерывно (т.е. без риска сбоя в штатных условиях) тому, чтобы несущий винт 41, приводимый в действие основными двигателями, не приводил в действие в свою очередь установку APU 3. Кроме того, колесо свободного хода 13а обеспечивает также на земле возможность переключать кулачковую муфту 12 на нулевой вращающий момент.

В этих условиях редукторный узел 11а позволяет преимущественно понизить скорость вращения между установкой APU 3 и механизмом отбора мощности 11М на узле главный редуктор 40/рулевой винт 4, чтобы иметь возможность подавать механическую мощность. Мощность установки APU в полете на узле главный редуктор/рулевой винт подается при этом в зависимости от потребностей.

Повышение технических характеристик вертолета в полете достигается, в частности, в следующих случаях:

- питанием бортовой электрической сети 2 через мотогенератор 7 для обеспечения снижения, даже гашения отбора электрической энергии на генераторах 6а и 6b, подключенных к главному редуктору 40;

- за счет использования колеса свободного хода 13а для запуска лишь генератора мотогенератора 7 через вспомогательный двигатель (установка APU 3), когда несущий винт 41 вращается (при этом скорость вращения вспомогательного двигателя всегда остается ниже скорости вращения несущего винта);

- за счет попеременной или совокупной подачи механической мощности в узел главный редуктор 40/рулевой винт 4 от редуктора.

По одному варианту, генераторы системы преобразования встроены в редуктор, а не в главном редукторе. Этот вариант представлен на фиг. 4а и 4b с примерами схем конфигурации конструкции и редуктора, в которых установка APU 3 связана с узлом главный редуктор 40/рулевой винт 4 через редукторный узел 11а понижения скорости вращения и в которых генераторы 6а и 6b системы преобразования энергии установлены на редукторном узле 11а.

Редукторный узел 11а (фиг. 4b) включает в себя элементы фиг. 3b c рядами зубчатых колес 111 и 112, связующим валом 11L, кулачковой муфтой 12 и колесом свободного хода 13а с такой же компановкой. Генератор 6а при этом установлен непосредственно на связующем валу 11L, а генератор 6b приводится в действие дополнительной шестерней 11Р. Альтернативно, кулачковая муфта 12 может помещаться на ряду связи, отличной от связи 11L, с тем чтобы на земле приводить в действие лишь одну электрическую машину.

На фиг. 5а-5d представлены четыре рабочих стадии редуктора 11а: когда установка APU 3 запускается на земле, в то время как основные двигатели 5а/5b выключены (фиг. 5а), когда установка APU 3 и основные двигатели 5а/5b запущены на земле или в полете (фиг. 5b), когда установка APU 3 выключена, а основные двигатели 5а/5b запущены в полете (фиг. 5с), и когда установка APU 3 запущена, а основной двигатель поврежден или частично поврежден (фиг. 5d).

Cо ссылкой на фиг. 5а, связующий вал 11L отключен, а установка APU 3 подает механическую мощность (стрелка F1) оборудованию 15, а также мотогенератору 7, питающему бортовую электрическую сеть 2 и силовую электронику 9 (фиг. 4а).

Со ссылкой на фиг. 5b, установка APU 3 по-прежнему подает механическую мощность (стрелка F1) к оборудованию 15 и генератору мотогенератора 7 (если имеется дополнительная потребность в мощности, например, для бортовой сети) через ряд зубчатых колес 112. Так как кулачковая муфта 12 включена (стрелка F2), установка APU 3 может также подавать движущую механическую мощность через ряд зубчатых колес 111 к механизму отбора мощности 11М узла главный редуктор 40/рулевой винт 4 (стрелка F3) для подачи движущей мощности, в частности к рулевому винту 4, а также к генераторам 6а и 6b (стрелки F4) для подачи электрической мощности в бортовую сеть. Так как основные двигатели 5а/5b запущены, главный редуктор 40, также включенный посредством этих двигателей 5а/5b, может также передавать мощность генераторам 6а/6b.

Cо ссылкой на фиг. 5с, так как установка APU 3 выключена, а двигатели 5а/5b запущены, рулевой винт 4 приводится в действие (стрелка f3) посредством главного редуктора 40, который сам приведен в действие от двигателей 5а/5b и передает, таким образом, мощность генераторам 6а и 6b (стрелки F4) для подачи недвижущей мощности бортовой сети 2, но не передает мощность установке APU 3, поскольку колесо свободного хода 13а отключено.

Со ссылкой на фиг. 5d, так как основной двигатель находится в режиме замедления или остановки (произвольно или непроизвольно), а кулачковая муфта 12 включена (стрелка F2), установка APU 3 подает на ряд зубчатых колес 112 через связующий вал 11L всю недвижущую мощность и часть движущей мощности (стрелка F5 пунктирной линией указывает на то, что отбор на главном редукторе 40 при этом снижается с увеличением, таким образом, мощности на несущем винте 41), а именно:

- механическая мощность (стрелка F1) к оборудованию 15 и генератору мотогенератора 7 (в случае необходимости),

- движущая мощность к механизму отбора мощности 11М узла главный редуктор 40/рулевой винт 4(cтрелка F3), в частности к рулевому винту 4 и возможно несущему винту 41, а также:

- недвижущая мощность к генераторам 6а и 6b (стрелки F4) для подачи электрической мощности.

Вариант предыдущей конфигурации, представленный на фиг. 6а и 6b, выбирает те же схемы, что на фиг. 4а и 4b. Однако конфигурация конструкции по фиг. 6а имеет систему преобразования энергии, образованную лишь генераторами 6а и 6b, связанными с одним редукторным узлом 11b, т.е. без мотогенератора 7 по фиг. 3а/3b и 4а/4b. Используется, таким образом, специальный стартер 8a, содержащий колесо свободного хода (неизображенное), приводимое в действие от батареи 8b. Альтернативно, этот стартер 8а может заменяться реверсивной машиной постоянного или переменного тока для удовлетворения дополнительной потребности (безопасность, надежность, уровень мощности и т.д.). Эта электрическая машина будет приводиться в действие лишь от установки APU.

Со ссылкой на фиг. 6b, связующий вал 11L оборудован реверсивной кулачковой муфтой 12 и колесом свободного хода 13а для приведения в действие механизма отбора мощности 11М узла главный редуктор 40/рулевой винт 4 по образцу связующего вала 11L (фиг. 3b и 4b). Связующий вал 11N также приводит в действие на третьем ряду зубчатых колес 113 генераторы 6а и 6b через шестерни 11Р. Третий ряд зубчатых колес 113 устанавливается через колеса свободного хода 13b и 13с соответственно на связующем валу 11L и на втором связующем валу 11N между генератором 6b и установкой APU 3.

Генераторы 6а и 6b установки APU 3 используются на земле в варианте классической APU, что позволяет при этой конфигурации совмещать в себе функции генерирования электроэнергии.

Редукторный узел 11b обладает теми же преимуществами, что и узел 11а, такими, как представленные выше, в частности несущий винт не может приводиться в действие на земле, а вспомогательный двигатель (установка APU 3) не может приводиться в действие от несущего винта в полете. Кроме того, генераторы 6а и 6b системы преобразования энергии приводятся в действие от вспомогательного двигателя на земле, когда двигатели выключены, и от главного редуктора на земле или в полете, когда вспомогательный двигатель выключен (или же когда скорость его вращения ниже скорости вращения вала 11L, так как при этом колеса свободного хода 13а и 13с отключены).

В частности, схемы фиг. 7а-7d представляют те же самые четыре рабочих стадии фиг. 5а-5d, когда редукторный узел относится к типу 11b, представленному на фиг. 6b.

Со ссылкой на фиг. 7а, связующий вал 11L расцеплен, а установка APU 3 подает механическую мощность (стрелки F1) оборудованию 15 и реверсивной машине 8 с целью подачи электроэнергии в случае необходимости, а также электрической мощности через генераторы 6а и 6b посредством второго связующего вала 11N (стрелки F6). Если машина 8 является простым стартером, колесо свободного хода преимущественно встраивается для предотвращения его непродуктивного запуска.

Со ссылкой на фиг. 7b, установка APU 3 по-прежнему подает механическую мощность (стрелки F1) на cвое оборудование 15 и реверсивной машине 8 (в случае необходимости) через ряд зубчатых колес 111. Так как кулачковая муфта 12 включена (стрелка F2), установка APU 3 также может подавать движущую механическую мощность через ряд зубчатых колес 112 к механизму отбора мощности 11М узла главный редуктор 40/рулевой винт 4 (стрелка F3) для подачи движущей мощности, в частности к рулевому винту 4. Установка APU 3 также может подавать механическую мощность генераторам 6а и 6b (стрелки F4) через ряд зубчатых колес 113 для поставки электрической мощности в бортовую сеть 2. Установка APU 3 также может подавать непосредственно мощность генераторам 6а и 6b через связующий вал 11N, в частности, когда кулачковая муфта 12 отключена. Но так как основные двигатели 5а/5b запущены, главный редуктор 40, приводимый в действие от этих двигателей 5а/5b, также может передавать мощность генераторам 6а и 6b (стрелка F7).

Cо ссылкой на фиг. 7с, так как установка APU 3 выключена, а двигатели 5а/5b запущены, главный редуктор 40, приведенный в действие от двигателей 5а/5b, передает при этом мощность генераторам 6а и 6b (стрелки F7) для подачи недвижущей мощности бортовой сети 2, но не передает мощность установке APU 3, так как колеса свободного хода 13а и 13b отключены.

Со ссылкой на фиг. 7d, так как основной двигатель 5а находится в режиме малого газа (стрелка F5 в виде пунктирной линии) или остановлен (произвольно или непроизвольно), а кулачковая муфта 12 включена, установка APU 3 подает механическую мощность (стрелка F1) оборудованию 15 и реверсивной машине 8 (в случае необходимости), движущую мощность механизму отбора мощности 11М узла главный редуктор 40/рулевой винт 4 (стрелки F3), в частности рулевому винту 4 и, возможно, несущему винту 41, а также генераторам 6а и 6b (стрелки F4) для подачи электрической мощности в бортовую сеть 2. Таким образом, установка APU 3 подает на рядах зубчатых колес 112 и 113 всю недвижущую мощность и часть движущей мощности. Установка APU 3 может также подавать непосредственно мощность генераторам 6а и 6b через связующий вал 11N (стрелка F8), в частности, когда кулачковая муфта 12 отключена.

Предыдущие конструкции имеют вспомогательный двигатель типа установки APU, располагающей единственным силовым валом (например, дизельный двигатель или связанная турбина). Для вспомогательного двигателя, имеющего свободную силовую турбину типа основного двигателя, имеется два силовых вала: вал свободной турбины и вал газогенератора. Ниже описываются две конструкции редукторных узлов 11с и 11d со ссылкой на фиг. 8а и 8b для иллюстрации механизма отбора мощности от двух валов газотурбинного двигателя со свободной турбиной 10 в качестве вспомогательного двигателя.

На этих фиг. 8а и 8b - редукторные узлы 11с и 11d соответственно с и без кулачковой муфты 12, в качестве реверсивного средства связи вала 10L свободной турбины 100. На схеме редуктора по фиг. 8а взята схема редуктора по фиг. 4b с двумя рядами зубчатых колес 111 и 112, а на схеме редуктора по фиг. 8b взята схема редуктора 6b c тремя рядами зубчатых колес 111-113.

Со ссылкой на фиг. 8а, редукторный узел 11с - с двойным рядом зубчатых колес 111 и 112. Вал 10L свободной турбины 100 приводит в действие генераторы 6а и 6b на втором ряду зубчатых колес 112 через связующий вал 11L, установленный с колесом свободного хода 13а. Связующий вал 11L имеет не систему разъединения, а колесо свободного хода 13а для предотвращения приведения в действие свободной турбины 100 посредством главного редуктора 40. Вал 10L установлен на участке 111а первого ряда зубчатых колес 111 через тормоз 17. Вал 10G газогенератора 101 газовой турбины 10 установлен на участке 111b первого ряда зубчатых колес 111, который не зависит от участка 111а. Вал 10G на этого ряда 111b приводит в действие оборудование 15 и генератор мотогенератора 7, независимо от свободной турбины 100.

Тормоз 17 позволяет блокировать вал 10L свободной турбины на земле с тем, чтобы использовать газовую турбину 10 при классическом функционировании установки APU (режим APU: генерирование электроэнергии посредством мотогенератора 7 и генерирование пневматической энергии посредством напорного компрессора на валу 10G газогенератора и т.д.). Этот тормоз 17 может быть преимущественно совмещен с тормозом вала рулевого винта 4. Такая конструкция близка конструкции трехдвигательного вертолета, у которого третий двигатель, образованный вспомогательным двигателем, мог бы быть асимметричным по мощности по сравнению с двумя другими.

В конструкции редуктора 11d, показанного на фиг. 8b, взяты все элементы редукторного узла 11b по фиг. 6b c такими же функциями. Разность структур заключается в независимости связей вала 10L свободной турбины 100 газотурбинного двигателя 10, установленного на участке 111а, и вала 10G газогенератора 101 этого газотурбинного двигателя 10, установленного на участке 111b. Газотурбинный двигатель 10 заменяет в этой конструкции установку APU 3 по фиг. 6b в качестве вспомогательного двигателя. В частности, третий ряд зубчатых колес 113 установлен с колесом свободного хода на связующем валу 11L, оборудованном реверсивной кулачковой муфтой 12 или подобной и колесом свободного хода 13а, а также на втором связующем валу 11N c колесом свободного хода 13с, между валом 10L свободной турбины 100 и генератором 6а питания электроэнергией.

Таким образом, вспомогательное оборудование (оборудование 15: насос, напорный компрессор и т.д. и стартер 8а), подключенное к газогенератору 101, отделено от вспомогательного оборудования (генераторы 6а и 6b и оборудование вертолета: главный редуктор 40, рулевой винт 4 и т.д.), подключенного к свободной турбине 100.

Регулирование вспомогательного двигателя со свободной турбиной будет отличным от регулирования двигателя со связанной турбиной, когда вспомогательный двигатель подключен к узлу отбора главный редуктор/рулевой винт, так как этот рулевой винт связан при этом со свободной турбиной 10, а не с газогенератором 101.

Изобретение не ограничивается описанными и изображенными примерами, в частности колеса свободного хода могут быть заменены эквивалентными средствами (муфта расцепления, вязкая связь, эпициклическая зубчатая передача и т.д.), или же различные компоненты (колесо свободного хода, кулачковая муфта…) могут быть заменены по-другому на различных рядах шестерней. Значение термина «вспомогательный двигатель» распространяется на двигатели с технологией, отличной от технологии газотурбинного двигателя (например, дизельный двигатель, топливный элемент и т.д.). Таким образом, этот вспомогательный двигатель может быть двигателем трехтурбинного вертолета с габаритами и техническими параметрами, ниже, чем у двух других основных двигателей.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям силовых установок вертолетов. Вертолет содержит вспомогательный двигатель, подключенный с возможностью непосредственного участия в подаче механической или электрической движущей и электрической недвижущей энергии летальному аппарату. Конструкция подвода энергии содержит бортовую электрическую сеть (2), два главных двигателя (5а, 5b) и систему преобразования механической энергии в электрическую (6, 6а, 6b, 7) между главным редуктором ВТР (40) к органам приведения в движение (4, 41) и средствами приема электрической энергии, содержащими бортовую сеть (2) и силовую электронику (9) в соединении с стартерами (8) основных двигателей (5а, 5b). Конструкция содержит также силовой вспомогательный двигатель (3) для подачи электрической энергии средствам приема электрической энергии (2, 9) через систему преобразования энергии (6, 6а, 6b, 7) и средства механической связи (8а, 11а-11d) между вспомогательным двигателем (3, 0, 30) и по меньшей мере одним органом приведения в движение (4, 41). Достигается возможность подавать движущую и недвижущую энергию от вспомогательного двигателя в полете. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ подвода движущей и/или недвижущей энергии в конструкции вертолета, содержащей бортовую электрическую сеть (2), основную двигательную группу (5а, 5b), связанную с системой механической трансмиссии (40), которая в полете приводит в действие органы приведения в движение (41, 4), при котором преобразование механической энергии в электрическую (6, 6а, 6b, 7), связанное с системой механической трансмиссии (40) и/или основной двигательной группой (5а, 5b), подает недвижущую энергию в бортовую электрическую сеть (2), причем способ отличается тем, что он заключается в соединении посредством преобразования энергии дополнительного вспомогательного двигателя (3, 10, 30) с бортовой сетью (2), чтобы иметь возможность подавать в нее на земле недвижущую энергию, а также в основную двигательную группу (5а, 5b) для ее запуска (8, 9), и чтобы иметь возможность подавать в полете недвижущую энергию в бортовую сеть (2), дополнительно и до замены отбора, осуществляемого в системе механической трансмиссии (40) и/или основной двигательной группе (5а, 5b), причем вспомогательный двигатель (3, 10, 30), кроме того, выполнен с возможностью подачи электрической энергии в двигательную группу (7, 8а), предусмотренную в системе механической трансмиссии (40) для увеличения или частичной подачи движущей мощности.

2. Способ подвода энергии по п. 1, при котором вспомогательный двигатель (3, 10) может быть также или альтернативно подключен непосредственно к системе понижения частоты вращения (11a-11d) для подачи движущей энергии в систему механической трансмиссии (40), затем подключен через реверсивное преобразование энергии (6, 6а, 6b, 7) к бортовой сети (2) для подачи недвижущей энергии, а также к основной двигательной группе (5а, 5b) для ее запуска (8), причем вспомогательный двигатель (3, 10, 30) может при этом подавать движущую энергию в по меньшей мере один орган приведения в движение (41, 4).

3. Способ подвода энергии по предыдущему пункту, при котором электрическая энергия бортовой сети (2) происходит от модуляции между энергией, отбираемой из системы механической трансмиссии (40, 11a-11d) и основной двигательной группы (5а, 5b) через преобразование энергии (6, 7, 8).

4. Способ подвода энергии по п. 3, при котором преобразование энергии (6а, 6b) связано только с системой понижения (11а), так что электрическая энергия бортовой сети (2) происходит лишь от вспомогательного двигателя (3, 10) через систему понижения (11а), когда основная двигательная группа (5а, 5b) выключена.

5. Способ подачи энергии по п. 3, при котором вспомогательный двигатель (30) встроен непосредственно в главный редуктор (40), так что он подает электрическую энергию в бортовую сеть (2) посредством преобразования энергии с генераторами (б) в главном редукторе (40) и движущую энергию в по меньшей мере один орган приведения в движение (4, 41) через главный редуктор (40).

6. Конструкция подвода движущей и/или недвижущей энергии в вертолете, выполненная с возможностью осуществления способа по одному из предыдущих пунктов, содержащая, в основном, бортовую электрическую сеть (2), два основных двигателя (5а, 5b) и систему преобразования механической энергии в электрическую (6, 6а, 6b, 7) между главным редуктором ВТР (40) системы механической трансмиссии (40, 11a-11d) к органам приведения в движение (4, 41) и средствами приема электрической энергии, содержащими бортовую сеть (2) и силовую электронику (9) в соединении со стартерами (8) основных двигателей (5а, 5b), причем конструкция отличается тем, что она содержит также силовой вспомогательный двигатель (3, 10, 30) для подачи электрической энергии к средствам приема электрической энергии (2, 9) через систему преобразования энергии (6, 6а, 6b, 7), и средства механической связи (8а, 11a-11d) между вспомогательным двигателем (3, 10, 30) и по меньшей мере одним органом приведения в движение (4, 41).

7. Конструкция подвода энергии по предыдущему пункту, в которой вспомогательный двигатель (3, 10, 30) выбран среди: установки APU, газотурбинного двигателя со свободной или связанной турбиной, дизельного двигателя.

8. Конструкция подвода энергии по п. 7, в которой система преобразования энергии содержит генераторы (6, 6а, 6b) или реверсивные мотогенераторы (7) в соединении с главным редуктором (40), и/или основными двигателями (5а, 5b), и/или вспомогательным двигателем (3, 10, 30) для подачи электрической энергии в бортовую сеть (2) и в силовую электронику (9).

9. Конструкция подвода энергии по п. 7, в которой соединение между вспомогательным двигателем (3, 10) и по меньшей мере одним из органов приведения в движение (4, 41) осуществлено посредством двигателя (8а), предусмотренного на этом органе (4, 41), и/или двигателей мотогенераторов (7), предусмотренных на главном редукторе (40), через силовую электронику (9), активируемую системой преобразования энергии (6, 6а, 6b, 7), связанной со вспомогательным двигателем (3, 10).

10. Конструкция подвода энергии по п. 8, в которой вспомогательный двигатель (30) встроен на главном редукторе (40) в соединении с генераторами (6) для подачи недвижущей энергии, причем вспомогательный двигатель (30) выполнен с возможностью подачи недвижущей энергии в бортовую сеть (2) и силовую электронику (9) через генераторы (6) на главном редукторе (40), и движущую энергию через главный редуктор (40) к по меньшей мере одному органу приведения в движение (4, 41).

11. Конструкция подвода энергии по п. 8, в которой соединение между вспомогательным двигателем (3, 10) и системой преобразования энергии (6а, 6b, 7) осуществлено через редукторный узел (11a-11d), относящийся к системе механической трансмиссии.

12. Конструкция подвода энергии по предыдущему пункту, в которой система механической трансмиссии содержит редукторный узел (11a-11d), причем этот редукторный узел (11a-11d) соединяет непосредственно вспомогательный двигатель (3, 10) с главным редуктором (40) и/или приводным валом (4А) рулевого винта (4), и вспомогательный двигатель (3, 10) с мотогенератором (7) и/или по меньшей мере одним генератором (6, 6а, 6b) образует частично или полностью систему преобразования электрической энергии для подачи электрической энергии в бортовую сеть (2) и силовую электронику (9).

13. Конструкция подвода энергии по п. 12, в которой редукторный узел (11a-11d) содержит по меньшей мере два ряда зубчатых колес (111-113) понижения частоты вращения, связанных по меньшей мере одним связующим валом (11L, 11N) между вспомогательным двигателем (3, 10), установленным на первом ряду (111), и механизмом отбора мощности (11М) на главном редукторе (40) или рулевом винте (4), установленных на втором ряду (112), и в котором по меньшей мере один связующий вал (11L) оборудован реверсивным средством расцепления (12) и колесом свободного хода (13а), для того чтобы соответственно вспомогательный двигатель (3, 10) не приводил в действие несущий винт (41) на земле, а несущий винт (41) не приводил в действие вспомогательный двигатель (3, 10) на земле или в полете.

14. Конструкция подвода энергии по предыдущему пункту, в которой, в том случае когда генератор(ы) (6а, 6b) системы преобразования энергии соединен(ы) непосредственно с редукторным узлом (11а, 11b), связующий вал (11L), оборудованный реверсивным средством расцепления (12) и колесом свободного хода (13а), приводит в действие механизм отбора мощности (11М) и генератор(ы) (6а, 6b), установленные через колесо свободного хода (13b) на втором ряду зубчатых колес (113) и/или на по меньшей мере втором связующем валу (11N), оборудованном колесом свободного хода (13с) между генератором (6а) и вспомогательным двигателем (3, 10).

15. Конструкция подвода энергии по п. 13, в которой, в том случае когда вспомогательный двигатель (10) имеет свободную турбину (100), свободная турбина (100) приводит в действие генератор(ы) (6а, 6b) на втором ряду зубчатых колес (112) редуктора (11с, 11d) через связующий вал, оборудованный колесом свободного хода (13а) и тормозом (17), или на третьем ряду зубчатых колес (113), установленном с колесом свободного хода (13b) на связующем валу (11L), оборудованном реверсивным средством расцепления (12) и колесом свободного хода (13а), а также по меньшей мере на втором связующем валу (11N), установленном с колесом свободного хода (13с) между свободной турбиной (100) и генератором (6а).