ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ СО СВОБОДНОЙ ТУРБИНОЙ ВОЗДУШНОГО СУДНА Российский патент 2019 года по МПК F02C3/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей со свободной турбиной для воздушных судов, содержащих несколько газотурбинных двигателей. В частности, воздушное судно может быть вертолетом. Напомним, что газотурбинный двигатель со свободной турбиной содержит силовую турбину или «свободную» турбину, которая, в вертолете, приводит в действие роторы вертолета с помощью обгонной муфты (муфты свободного хода) и главного редуктора (MGB).

Двигатель также включает в себя газогенератор, содержащий, в частности, компрессор, камеру сгорания и турбину высокого давления (HP).

Уменьшающий скорость промежуточный редуктор служит для соединения вала газогенератора с электрической машиной, образованной статором и ротором и способной одинаково хорошо работать и в качестве двигателя (стартера) и в качестве генератора.

В режиме двигателя электрическая машина питается от источника электричества и развивает приводящий крутящий момент с целью вращения газогенератора двигателя, в частности для его запуска, таким образом обеспечивая помощь при запуске.

В режиме генератора, электрическая машина приводится во вращение газогенератором, который передает механическую энергию, которая далее преобразуется в электрическую энергию.

Для воздушного судна, содержащего два газотурбинных двигателя, в ситуации полета в крейсерском режиме в документе US 2013/219905 предложено держать один из двух двигателей в режиме ожидания. Благодаря муфте свободного хода, свободная турбина и главный редуктор десинхронизированы. Параллельно другой двигатель (или другие двигатели) работает/работают при повышенной номинальной нагрузке, тем самым позволяя поддерживать нормальные условия полета. Общее потребление топлива системой уменьшается, так как в этом случае меньше удельное потребление газотурбинного двигателя, поддерживаемого в рабочем режиме.

Предложено несколько вариантов такого режима ожидания.

В первом варианте газогенератор десинхронизированной газовой турбины можно регулировать на номинальной мощности на холостом ходу при малом числе оборотов путем непрерывной подачи к нему топлива. Это может быть сделано с дополнительным использованием или без дополнительного использования электрической машины и промежуточного редуктора для подачи на газогенератор длительного вспомогательного приводящего крутящего момента (помощь для вращения с постоянной скоростью).

Во втором варианте, в отличие от приведенного выше, предложено полностью гасить камеру сгорания газотурбинного двигателя с одновременным использованием вращающейся машины для поддержания вращения газогенератора со скоростью, подходящей для облегчения повторного зажигания в конце этапа полета в крейсерском режиме. Это аналогично обеспечивает длительную помощь (помощь для вращения с постоянной скоростью).

Эти режимы работы потенциально поддерживаются в течение полета в крейсерском режиме.

В терминах характеристик, которые требуются для вращающейся машины, приводящей в действие газогенератор, обычный повторный запуск десинхронизированного двигателя аналогичен обычной функции запуска на земле. Такой обычный повторный запуск в целом длится несколько сотен секунд от начала запуска до момента, когда двигатель достигает скорости достаточной для выработки полезной мощности на свободной турбине. В качестве примера, такой запуск предпринимают с целью выполнения маневра, такого как приземление, о котором известно немного заранее и для исполнения которого требуется одновременная работа обоих двигателей.

Такой повторный запуск требует ускорения вращения газогенератора двигателя. Такого ускорения добиваются путем увеличения расхода топлива.

Тем не менее, иногда необходимо иметь возможность быстро привести в действие десинхронизованный двигатель, в частности, в экстренной ситуации, например, в случае неисправности какого-то другого двигателя, если общее количество двигателей равно трем или более, или в случае неисправности другого двигателя, если имеется только два двигателя. Для удовлетворения требованиям по безопасности, максимальное время между запросом на экстренный запуск и моментом, в который двигатель повторно запущен, так что способен обеспечивать полезную мощность, обычно составляет менее 10 секунд.

В частности, эта необходимость быстрого повторного запуска выключенного двигателя является причиной того, что поддерживают вращение газогенератора со скоростью, которая облегчает повторное зажигание в режимах работы, в которых погашена камера сгорания.

Независимо от того, находится ли газогенератор в ситуации холостого хода или его камера сгорания погашена, предпочтительно, в частности, для экстренного повторного запуска, приложить к валу газогенератора большую мощность из-за большой инерции вращающихся узлов и из-за противоположно направленного крутящего момента компрессора двигателя. Эту мощность нужно доставить в течение короткого промежутка времени, порядка нескольких секунд. По оценкам, во время этого короткого промежутка времени мощность, развиваемая системой экстренного запуска, должна быть примерно в пять - десять раз больше мощности, требуемой для обычного запуска.

Помимо других решений, в документе US 2013/219905 предложено использовать электрическую энергию, в частности, из конденсатора большой емкости, для обеспечения всплеска помощи для ускорения вращения газогенератора. В общем, так как требуется большая мощность, предпочтительно иметь элемент аккумулирования электрической энергии, который способен доставлять большое количество электроэнергии за короткий промежуток времени. Электрическая энергия может быть применена с помощью стартерной вращающейся машины.

Также в документе US 2013/086919 предложено использовать два конденсатора большой емкости, каждый из которых заряжается соответствующим электрическим генератором, приводимым в действие газогенератором соответствующего двигателя, и каждый из которых служит для обеспечения всплеска мощности для запуска другого двигателя, находящегося в выключенном состоянии.

В документе US 2010/058731 импульс поддержки ускорения доставляется на газогенератор турбовального двигателя, в частности, путем подачи механической энергии на газогенератор с помощью электрической машины, приводимой во вращательное движение свободной турбиной.

В документе US 2013/219905 также описано вспомогательное устройство для газотурбинного двигателя.

Таким образом, предложены решения для подачи большой мощности, требуемой для экстренного повторного запуска газотурбинного двигателя.

Тем не менее, в этом контексте, с точки зрения безопасности, надо понимать, что системы экстренного запуска должны быть способны гарантировать высокий уровень доступности. Более конкретно, в ситуации прекращения подачи мощности из газотурбинного двигателя, который является единственным двигателем, обеспечивающим движение вертолета, любая неспособность в экстренной ситуации повторно запустить газотурбинный двигатель, который изначально был в режиме ожидания, может привести к общей потере приводящей мощности.

Такое требование высокого уровня доступности также может быть применено к функции обычного повторного запуска двигателя, находящегося в режиме ожидания.

Более конкретно, когда второй двигатель работает в штатном режиме, невозможность повторного запуска газотурбинного двигателя, который изначально находился в режиме ожидания, обычно при возвращении к условию полета с двумя двигателями, в частности, при подготовке к приземлению, может привести к необходимости использовать для работающего двигателя чрезвычайный режим работы с одним неработающим двигателем (OEI).

Этой ситуации необходимо избегать, так как она увеличивает нагрузку на экипаж и так как использование чрезвычайного режима работы OEI наносит большой ущерб двигателю.

Раскрытие изобретения

Для решения этих задач предложено вспомогательное устройство для газотурбинного двигателя со свободной турбиной воздушного судна, это устройство содержит первое средство подачи электроэнергии для электрического питания первой обмотки стартерной вращающейся машины с целью приведения в действие газогенератора двигателя, устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит средство контроля для контроля первого средства подачи электроэнергии и первой обмотки, и второе средство подачи электроэнергии, указанное средство контроля побуждает второе средство подачи электроэнергии подавать электрическую энергию на вторую обмотку вращающейся машины для приведения в действие указанного газогенератора в случае, когда средство контроля устанавливает недостаток мощности в первом средстве подачи электроэнергии или первой обмотке.

Как упомянуто выше, установлено, что первая помощь является помощью вращательному движению путем механического приведения в действие газогенератора с использованием ротора стартерной вращающейся машины, а вторая помощь также является помощью вращательному движения путем механического приведения в действие газогенератора ротором стартерной вращающейся машины, которая может быть упомянутой выше стартерной вращающейся машиной или другой стартерной вращающейся машиной.

Благодаря этим характеристикам, если схема, содержащая первую обмотку и ее источник электроэнергии, отказывает (или, в более общем случае, обеспечивает недостаточную мощность), тем самым полностью или частично теряется способность первой обмотки помогать газогенератору, то далее возможно уменьшить сложности благодаря использованию второй обмотки и ее схемы подачи электроэнергии.

Стартерная вращающаяся машина (машины) может быть машиной переменного тока (АС) или машиной постоянного тока (DC). Обмотки могут быть роторными обмотками или статорными обмотками, в зависимости от структуры используемой вращающейся машины.

Вторая обмотка может питаться с использованием элементов, которые также используют для питания первой обмотки, но, в качестве альтернативы, схема подачи электроэнергии может быть полностью другой и отдельной, что является целесообразным. Этот момент объясняется ниже.

Для обнаружения того, что первой помощи недостаточно, используют средство контроля, которое контролирует один или несколько элементов силовой цепи, питающей электричеством стартерную вращающуюся машину, управляющую систему газотурбинного двигателя и/или сам двигатель.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения вспомогательное устройство содержит стартерную вращающуюся машину и также другую стартерную вращающуюся машину для обеспечения помощи в ускорении газогенератора второго газотурбинного двигателя воздушного судна, вторая обмотка электрически параллельно соединена с указанной другой вращающейся машиной относительно общего пути подачи электрической энергии.

Это позволяет совместно использовать источники энергии и средства подачи электроэнергии и, таким образом, уменьшить вес необходимых элементов. В частности, рассматриваемый источник энергии может быть источником для приоритетного использования при повторном запуске второго двигателя и, таким образом, который используют в экстренной ситуации для повторного запуска первого двигателя, если неисправна его стартерная схема, использующая первую обмотку. Источник может быть элементом аккумулирования энергии, подходящим для использования, в частности, для экстренного повторного запуска.

Вспомогательное устройство может содержать преобразователь электроэнергии и предпочтительно выполнено так, чтобы преобразователь электроэнергии передавал электрическую энергию на вторую обмотку стартерной вращающейся машины или только на другую стартерную вращающуюся машину. Эта конфигурация может быть реализована с использованием пары замыкателей, содержащихся во вспомогательном устройстве и не способных одновременно быть в замкнутом положении, чтобы обеспечить передачу электрической энергии только второй обмотке или только другой стартерной вращающейся машине.

В одном варианте осуществления изобретения указанная стартерная вращающаяся машина, содержащаяся во вспомогательном устройстве, является отказоустойчивой вращающейся машиной переменного тока с двойной обмоткой или машиной звезда-звезда, при этом упомянутая вторая обмотка является второй обмоткой указанной вращающейся машины.

Известно, что такая вращающаяся машина переменного тока синхронного или асинхронного типа отличается наличием двух независимых наборов трехфазных обмоток на статоре, намотанных на общую магнитную схему, при этом каждая обмотка питается собственным преобразователем DC/AC электроэнергии. Хотя возможно большое количество вариантов архитектуры, конструкция таких машин опирается на общий принцип, который заключается в гарантировании высокого уровня электрической изоляции и физического, теплового и магнитного отделения каждой из двух обмоток. Это отделение позволяет обеспечить то, что электрическая неисправность, такая как, например, короткое замыкание или обрыв в цепи, случившаяся в первой обмотке или ее преобразователе DC/AC подачи электроэнергии, не оказывает функционального воздействия на вторую обмотку и, таким образом, на способность стартера подавать вспомогательный крутящий момент на газогенератор. Благодаря совместному использованию статорной магнитной схемы и механических элементов, таких как ротор, щетки и структура (корпус), вращающаяся машина такого типа, по существу, может быть компактной и более легкой по сравнению с набором из двух полностью независимых машины с эквивалентными общими характеристиками, при одновременном обеспечении высокого уровня устойчивости к внутренним электрическим неисправностям или неисправностям в преобразователе подачи электроэнергии.

Использование двухобмоточной машины также позволяет установить только одну вращающуюся машину, тем самым упрощая сборку на промежуточном редукторе газотурбинного двигателя.

В одном варианте осуществления изобретения первая обмотка обладает размерами, позволяющими ей обеспечивать помощь в ускорении с характеристиками, лучшими по сравнению с характеристиками, обеспечиваемыми второй обмоткой.

Таким образом, стартерная вращающаяся машина может обладать размерами, позволяющими осуществить экстренный запуск (быстрый запуск) газотурбинного двигателя с подачей электрической энергии только на указанную первую обмотку, при одновременном сохранении разумных общих размеров и обеспечении резервирования для возможности запуска в не экстренной ситуации (обычный запуск).

В одном варианте осуществления изобретения вторая обмотка обладает размерами, позволяющими ей обеспечивать помощь в ускорении с характеристиками, аналогичными характеристикам, обеспечиваемым первой обмоткой.

Это обеспечивает полное резервирование для способности повторного запуска и обеспечивает обмотки и магнитную схему соответствующих размеров, это подразумевает способность осуществить экстренный повторный запуск.

В одном варианте осуществления изобретения вспомогательное устройство содержит два преобразователя электроэнергии, каждый из которых служит для управляемой передачи электрической энергии, соответственно, на указанные первую и вторую обмотки.

Это позволяет добиться точной передачи между двумя вспомогательными элементами в случае обнаружения неисправности в первой схеме. Это также позволяет управлять помощью в ускорении при использовании двух обмоток, что полезно, в частности, в экстренной ситуации, так как позволяет для указанного ускорения одновременно воспользоваться мощностью, полученной в каждой из этих обмоток.

В одном варианте осуществления изобретения вспомогательное устройство содержит первый источник электрической энергии для питания одной обмотки из первой и второй обмоток и вспомогательное устройство также выполнено так, что другая обмотка из первой и второй обмоток может питаться вторым источником энергии, который не совпадает с первым источником энергии, тем самым обеспечивают большую безопасность в случае неисправности одного из источников энергии или его электрических соединений.

В одном варианте осуществления изобретения устройство дополнительно содержит другую стартерную вращающуюся машину для обеспечения помощи в ускорении газогенератора второго газотурбинного двигателя воздушного судна, указанная другая вращающаяся машина содержит обмотку, называемую «третьей» обмоткой, вспомогательное устройство дополнительно содержит источник электрической энергии, выполненный в зависимости от необходимости питания первой или другой обмотки.

Таким образом, на воздушном судне с двумя двигателями помощь в ускорении получают для каждого из двигателей, при этом не увеличивают количество источников энергии, так как источник энергии для первого двигателя также используют для второго двигателя.

В одном варианте осуществления изобретения стартерная вращающаяся машина, содержащаяся во вспомогательном устройстве, также является генератором, приводимым в действие двигателем, когда он работает, вторая обмотка является обмоткой второй вращающейся машины, содержащейся во вспомогательном устройстве, при этом указанная вторая машина является только стартером.

Генератор может быть использован для зарядки элемента аккумулирования энергии, содержащегося во вспомогательном устройстве или являющегося внешним устройством по отношению к вспомогательному устройству.

Элемент аккумулирования энергии может быть использован для подачи электрической энергии для помощи в ускорении газогенератора. Как упомянуто выше, это полезно, в частности, на этапе полета воздушного судна, когда второй двигатель подает мощность на несущий винт воздушного судна для осуществления полета, и в экстренной ситуации, в любой момент, когда нужно повторно запустить (повторно привести в действие) первый двигатель.

Благодаря наличию двух отдельных вращающихся машин, из которых только одна служит для выработки электричества, возможно лучше выбрать размеры двух обмоток и магнитопроводов вращающейся машины, при установке устройства аккумулирования энергии для экстренного повторного запуска двигателя в полете и при обеспечении физического и функционального разделения, которое улучшает доступность функции обычного или экстренного запуска двигателя, между двумя вращающимися машинами и их преобразователями подачи электроэнергии, в вариантах осуществления изобретения, в которых указанные машины соединены с такими преобразователями.

В одном варианте осуществления изобретения вторая обмотка является обмоткой второй вращающейся машины, содержащейся во вспомогательном устройстве, вторая вращающаяся машина является машиной постоянного тока, а первая вращающаяся машина, также содержащаяся во вспомогательном устройстве, является машиной переменного тока.

Благодаря этому возможно обеспечить управление крутящим моментом/скоростью первой вращающейся машины, работающей с переменным током, который используется на приоритетной основе, и возможно обладать экстренной вращающейся машиной, которая питается непосредственно от бортовой сети постоянного тока воздушного судна, при этом указанная машина в настоящий момент является стартерным устройством на большинстве вертолетов малой или средней мощности, которые снабжены газотурбинными двигателями и электрическим стартером.

В одном варианте осуществления изобретения первая обмотка питается от элемента аккумулирования электричества, а вторая обмотка питается от бортовой сети воздушного судна. Таким образом, предложено воздушное судно, например, вертолет с двумя двигателями, содержащее вспомогательное устройство, соответствующее изобретению, при этом вторая обмотка питается от бортовой сети воздушного судна.

Это позволяет сохранять электроэнергию для экстренного повторного запуска или просто запуска при одновременном смягчении последствий неисправности элемента аккумулирования электричества, без его дублирования, которое можно рассматривать как нежелательную ситуацию с точки зрения размера и веса.

В одном варианте осуществления изобретения средство питания второй обмотки содержит замыкатель, который замкнут, если средство контроля устанавливает трудность или неспособность ускорения указанного газогенератора, например, для запуска указанного двигателя с использованием первой обмотки.

Замыкатель представляет собой электромеханическое устройство, которое является простым и характеризуется малым риском неисправности.

Также предложен способ поддержки работы газотурбинного двигателя со свободной турбиной воздушного судна, этот способ включает в себя этап подачи электрического питания на первую обмотку стартерной вращающейся машины с помощью первого средства подачи электрической энергии с целью приведения в действие газогенератора двигателя, способ отличается тем, что он дополнительно включает в себя этап контроля первого средства подачи электроэнергии и первой обмотки и этап подачи электрического питания на вторую обмотку вращающейся машины, осуществляемый вторым средством подачи электрической энергии для приведения в действие указанного газогенератора в случае, если на этапе контроля наблюдают недостаток мощности в первом средстве подачи электроэнергии или в первой обмотке.

Краткое описание чертежей

фиг. 1 - вид, показывающий положение для вариантов осуществления изобретения;

фиг. 2 - вид, показывающий первый вариант осуществления изобретения;

фиг. 3 - вид, показывающий второй вариант осуществления изобретения;

фиг. 4 - вид, показывающий еще один вариант осуществления изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Со ссылкой на фиг. 1, общая электрическая архитектура варианта осуществления предложенной системы является следующей. Она описана для случая вертолета с двумя газотурбинными двигателями.

Главный редуктор MGB приводится в действие газотурбинными двигателями GT1 и GT2. В этом примере они являются турбовальными двигателями со свободной турбиной. Каждый содержит газогенератор и тяговую турбину (свободную турбину), приводящую в движение главный редуктор (MGB) через муфту свободного хода.

Электричество вырабатывают на борту воздушного судна, по меньшей мере, два генератора ALT1 и ALT2 переменного тока, приводимые в действие MGB. Хотя эта архитектура, которая обычно используется в тяжелых вертолетах, не является критичной для использования настоящего изобретения и не содержит существенных характеристик, она технически предпочтительнее обычного решения для тяжелых воздушных судов, которая состоит в приведение в действие генераторов электричества от газогенераторов турбовальных двигателей. Более конкретно, так как экономия топлива при полете в крейсерском режиме достигается путем перевода одного из двигателей в режим ожидания, как было упомянуто выше, при этом режим ожидания представляет собой режим работы, который несовместим с забором какой-либо мощности с газогенератора, кажется уместным, в частности, с точки зрения безопасности, разделить функциональные возможности по выработке электричества на борту воздушного судна от режима работы двигателей.

Генераторы ALT1 и ALT2 питают электрическую сеть воздушного судна, при этом возможно, чтобы это делали другие источники энергии, способные питать эту сеть и образованные бортовой дополнительной силовой установкой (APU), одной или несколькими аккумуляторными батареями или наземным источником питания (на земле).

Каждый из двигателей GT1 и GT2 обладает соответствующей вращающейся машиной GS1 и GS2, которая подходит для работы в качестве стартера и в качестве генератора и которая механически соединена с газогенератором соответствующего двигателя с помощью промежуточного редуктора.

Для оптимизации размера и веса устройства, предпочтительно, чтобы GS1 и GS2 представляли архитектуру машины, которая может приводиться в действие газогенератором и вращаться с большой скоростью и, таким образом, без роторной обмотки, например, может представлять собой без ограничения: бесщеточную синхронную машину с постоянными магнитами; машину с переменным магнитным сопротивлением; или бесщеточную асинхронную машину с короткозамкнутым ротором.

Две машины GS1 и GS2 содержатся во вспомогательном устройстве 100, работающем независимо от электрической сети воздушного судна.

На фиг. 2 показан первый вариант осуществления вспомогательного устройства 100. Электрические машины GS1 и GS2 являются двухобмоточными электрическими машинами или устойчивыми к отказам вращающимися машинами переменного тока.

Эти машины образованы одной магнитной цепью или магнитопроводом и двумя разными многофазными статорными обмотками или катушками, обозначенными S11 и S12 для GS1 и S21 и S22 для GS2.

В качестве примера, GS1 и GS2 являются машинами синхронного или асинхронного типа.

Обмотки S11 и S12 соединены соответственно с обратимыми DC/AC преобразователями CVS1 и CVS2 электроэнергии. Каждая из них образует интерфейс между многофазной цепью переменного тока обмотки и цепью постоянного тока, образованной шиной постоянного тока, соединяющей преобразователь с элементом аккумулирования электричества. Элементы аккумулирования электричества обозначены соответственно через S1 и S2, а соединяющие их шины постоянного тока обозначены как шина №1 и шина №2.

В этом примере элементы аккумулирования электричества являются элементами постоянного тока, например, являются суперконденсаторами, гибридными конденсаторами, аккумуляторными батареями или маховиками, содержащими соответствующие DC/AC преобразователи.

Обмотки S12 и S21 соединены с противоположными преобразователями электроэнергии, то есть с CVS2 и CVS1 соответственно. Таким образом, на выходе из преобразователя CVS2 обмотки S12 и S22 соединены параллельно друг относительно друга, а обмотки S11 и S21 соединены параллельно друг относительно друга на выходе из преобразователя CVS1.

Замыкатели K11, K21, K12 и K22 предусмотрены для электрической изоляции или соединения соответствующих обмоток S11, S21, S12 и S22 и они работают или приводятся в действие скоординированным образом, так что каждый из преобразователей CVS1 и CVS2 может быть использован для управления, самое большее, одной вращающейся машиной в любой заданный момент времени. Таким образом, замыкание замыкателя K11 или K21 приводит к размыканию замыкателя K21 или K11, а замыкание замыкателя K12 или K22 приводит к размыканию замыкателя K22 или K12.

При условии, что в любой ситуации нужно только запустить один двигатель за один раз, этот набор замыкателей и соответствующая управляющая логическая схема целесообразно позволяет совместно использовать преобразователи электроэнергии для двух вращающихся машин, тем самым уменьшая количество требующихся машин с четырех до двух, при одновременном сохранении уровня резервирования, требующегося для обеспечения доступности функций обычного и экстренного запуска, тем самым обеспечивая видимое улучшение с точки зрения веса и размера.

Замыкатель KС служит для электрического соединения двух шин постоянного тока №1 и №2 и, наоборот, для изолирования их друг от друга.

В этом примере вращающиеся машины GS1 и GS2 являются как генераторами, так и стартерами. При работе в качестве генераторов, они приводятся в действие газогенератором соответствующего двигателя, и они способны с помощью одной или другой из их статорных обмоток передавать электрическую энергию на элементы S1 и/или S2 аккумулирования или на единственный элемент аккумулирования, если присутствует только один элемент аккумулирования.

Когда элементы аккумулирования электрической энергии заряжены, возможно выполнить этап полета с одним двигателем. В описанном в настоящем документе сценарии, двигатель GT1 подает приводящую мощность, а двигатель GT2 поддерживается в одном из режимов ожидания, описанных выше. Для повторного запуска двигателя GT2, например, до приземления или в случае потери мощности двигателя GT1, предложено начать с электрического изолирования друг от друга шин №1 и №2 с использованием замыкателя КС, чтобы обеспечить нераспространение поломки от одной части системы к другой. Далее замыкают замыкатель K21 при одновременном открывании замыкателя K11 и блокируют преобразователь CVS1, готовый для работы, но фактически не питающий обмотку S21.

Одновременно замыкают замыкатель K22, открывают K12 и преобразователь CVS2 работает в качестве инвертора для управления вращающейся машиной GS2, работающей в режиме двигателя, и для регулирования прикладываемого им крутящего момента при применении соотношения, оптимизированного для обычного или экстренного запуска двигателя, в зависимости от обстоятельств. Таким образом, активируют газогенератор двигателя GT2 с целью предоставления возможности запуска двигателя.

Если недостаточную мощность или ее отсутствие в силовой цепи S2-CVS2-K22-S22 и существенную угрозу возможности ускорить газогенератор двигателя GT2 идентифицирует средство 120 контроля, тогда средство 120 контроля вызывает приведение в действие преобразователя CVS1.

В первом варианте преобразователь CVS1 отсоединяют от обмотки S22 с использованием замыкателя K22 или переводят в режим ожидания, и только преобразователь CVS1 электроэнергии действует для питания обмотки S21 при приложении соотношения управления крутящим моментом, идентичного реализованному преобразователем CVS1. Таким образом, последовательность запуска продолжается. Хотя энергия изначально взята из элемента S2 аккумулирования, далее ее берут из элемента S1 аккумулирования.

Во втором варианте и в случае частичного или постепенного отказа в силовой цепи S2-CVS2-K22-S22, последовательно реализуют стратегию управления, при которой крутящий момент полностью или частично передают от одной ветви к другой непрерывным образом.

Таким образом, возможна поддержка при использовании двух обмоток, которые являются или взаимно исключающими или, наоборот, одновременно действующими.

Указано, что недостаточная мощность или неисправность в силовой цепи S2-CVS2-K22-S22 может быть обнаружена средством 120 контроля в каждом элементе силовой цепи S2-CVS2-K22-S22 (в том числе шине постоянного тока) или в системе управления двигателя GT1, например, путем сравнения ускорения газогенератора с заранее заданной схемой.

Силовую цепь S1-CVS1-K11-S11 и поддержку в ускорении газогенератора двигателя GT1 аналогичным образом контролирует средство 110 контроля, которое выполняет роль, аналогичную средству 120 контроля.

В одном варианте каждая из обмоток S11, S12, S21 и S22 обладает размерами, достаточными, при работе двигателя, для обеспечения характеристик, необходимых для экстренного запуска соответствующего двигателя и тем более для обычного запуска. Таким образом, в случае неисправности или недостаточной мощности в одной из силовых цепей, обычный запуск и экстренный запуск могут быть полностью осуществлены с использованием замены силовой цепи.

В другом варианте только обмотки S11 и S21 обладают размерами, позволяющими им отдельно обеспечивать характеристики, нужные для экстренного запуска. Тем не менее, все четыре обмотки S11, S21, S12 и S22 обладают размерами, подходящими для обеспечения характеристик, требующихся для обычного запуска. Таким образом, в случае неисправности или недостаточности мощности в одной из силовых цепей, содержащих S11 или S2, обычный запуск может быть полностью осуществлен с заменой силовой цепи, при этом экстренный запуск осуществляют с использованием характеристик, аналогичных требуемым для обычного запуска, с использованием одной из обмоток S12 или S22.

Наконец, в другом варианте обмотки S11 и S12 (соответственно S22 и S21) обладают размерами, которые позволяют им вместе, при одновременном питании, обеспечивать характеристики крутящего момента и мощности, необходимые для экстренного запуска двигателя GT1 (или соответственно GT2). Для такого экстренного запуска одновременно приводят в действие оба преобразователя CVS1 и CVS2, один как ведущий, а другой как ведомый, с целью скоординированного питания обоих обмоток. В этом варианте также предложено, чтобы обмотки S11 и S12 (соответственно S22 и S21) должны обладать размерами, подходящими для обеспечения обычного запуска с использованием только одной обмотки, таким образом, обеспечивая возможность обычного запуска в случае неисправности или недостаточной мощности в одной из используемых силовых цепей, с целью обеспечения того, что обычный запуск двигателя может быть полностью осуществлен в любом случае.

На фиг. 3 показан другой вариант осуществления вспомогательного устройства, обозначенного ссылочной позицией 101. Машины с двойной обмоткой заменены наборами из двух однообмоточных вращающихся машин.

Таким образом, GS1 заменена на АС вращающуюся машину M1А, имеющую одну статорную обмотку, и другую вращающуюся машину M1В переменного тока, аналогично имеющую одну статорную обмотку и расположенную на другом выходе промежуточного редуктора двигателя GT1. В этом варианте осуществления изобретения обмотка S11 представляет собой обмотку машины M1А, а обмотка S12 представляет собой обмотку машины M1В. Обмотки являются многофазными обмотками.

Машина M1А является как генератором, так и стартером, а машина M1В является только стартером. M1В может быть механически соединена с газогенератором двигателя с помощью муфты свободного хода, таким образом, предоставляя возможность спроектировать стартер только для максимальной скорости привода в режиме стартера, то есть в диапазоне от 50% до 60% от NG, вместо максимальной скорости газогенератора, то есть 100% от NG. Таким образом, во время этапов полета, когда двигатель работает, элемент S1 аккумулирования электрической энергии заряжают с помощью машины M1А и преобразователя CVS1, в чем не участвует вращающаяся машина M1В.

Также определено, что одна из двух машины M1А или M1В обладает размерами, позволяющими ей выдавать требуемые характеристики в случае экстренного запуска, а другая машина должна обладать только такими размерами, чтобы выдавать характеристики, требуемые для обычного запуска.

Аналогичные элементы установлены на промежуточном редукторе двигателя GT2, при этом электрические машины обозначены ссылочными позициями М2А и М2В.

Средства 111 и 121 контроля контролируют помощь в ускорении газогенераторов двигателей, как на фиг. 2, с целью приведения в действие преобразователей CVS 1 и CVS2 мощности.

На фиг. 4 показан еще один вариант осуществления вспомогательного устройства, обозначенного ссылочной позицией 102. Машины M1В и М2В заменены машинами постоянного тока со щетками и коллекторами, которые обозначены ссылочными позициями D1 и D2. Их соответствующие роторные обмотки S12 и S21 соединены с бортовой сетью постоянного тока вертолета, которая является сетью, работающей при напряжении 28 вольт постоянного тока (VDC) и содержащей, в частности, по меньшей мере, одну аккумуляторную батарею В. Замыкатели КВ1 и КВ2 (которые, в общем, не скоординированы друг с другом) служат для изолирования этих машин от бортовой сети или, наоборот, для их соединения.

Один элемент S аккумулирования электрической энергии также может служить в показанном варианте для замены элементов S1 и S2 аккумулирования из описанных выше вариантов осуществления изобретения. Замыкатели КS1 и КS2 позволяют соединять этот элемент S с преобразователем CVS1 или с преобразователем CVS2. Тем не менее, возможно использовать два элемента аккумулирования, как показано на фиг. 2 и 3.

Средства 112 и 122 контроля контролируют помощь в ускорении газогенераторов двигателей, как на фиг. 2 и 3, в этот раз с целью переключения переключателей КВ1 и КВ2.

В случае неисправности или недостаточной мощности, предотвращающей запуск двигателя, например, двигателя GT1, с использованием соответствующей вращающейся машины переменного тока, то есть машины M1А для двигателя GT1, замыкатель КВ1 замыкают и вступает в действие двигатель D1 постоянного тока, позволяя осуществить обычный запуск двигателя GT1, даже когда вспомогательным крутящим моментом больше не управляют специальным образом.

Машины D1 и D2 постоянного тока могут быть генераторами, а также стартерами. Если они не являются генераторами, они могут быть соединены с промежуточным редуктором соответствующего двигателя с помощью соответствующих муфт свободного хода.

Изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления изобретения, а распространяется на любой вариант, находящийся в пределах объема изобретения, определенного формулой изобретения.

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей. Вспомогательное устройство для газотурбинного двигателя со свободной турбиной для воздушного судна содержит первое средство подачи электрической энергии для питания обмотки стартерной вращающейся машины, называемой «первой» обмоткой с тем, чтобы обеспечить первую помощь, способствующую ускорению газогенератора двигателя. Устройство дополнительно содержит средство контроля для контроля указанной первой помощи и средство подачи электроэнергии для подачи электропитания на вторую обмотку вращающейся машины с тем, чтобы обеспечить вторую помощь, способствующую ускорению указанного газогенератора, если средство контроля устанавливает, что первой помощи недостаточно. Изобретение позволяет повысить эффективность работы газотурбинного двигателя. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вспомогательное устройство (100; 101; 102) для газотурбинного двигателя (GT1) со свободной турбиной для воздушного судна, содержащее:

стартерную вращающуюся машину (GS1, M1A), содержащую первую обмотку (S11); и

первое средство (K11, CVS1) подачи электроэнергии для электрического питания первой обмотки (S11) для приведения в действие газогенератора двигателя (GT1); отличающееся тем, что дополнительно содержит:

вторую обмотку (S12), отличающуюся от первой обмотки (S11) и содержащуюся в указанной вращающейся машине (GS1), причем указанная вращающаяся машина (GS1) является двухобмоточной вращающейся машиной, или вторая обмотка содержится в другой вращающейся машине (М2А), причем указанная вращающаяся машина (M1A) и указанная другая вращающаяся машина (М2А) являются однообмоточными вращающимися машинами;

средство (110; 111; 112) контроля, предназначенное для контроля первого средства (K11, CVS1) подачи электроэнергии и первой обмотки (S11); и

второе средство (K12, CVS2, KB1) подачи электроэнергии для осуществления электрического питания второй обмотки (S12) с тем, чтобы приводить в действие газогенератор газотурбинного двигателя (GT1);

указанное средство контроля выполнено с возможностью идентификации недостаточной мощности в первом средстве (K11, CVS1) подачи электроэнергии или в первой обмотке (S11) и с возможностью подачи электропитания на вторую обмотку (S12) с помощью второго средства (K12, GVS2, KB1) подачи электроэнергии, если идентифицирована такая недостаточная мощность.

2. Вспомогательное устройство по п. 1, содержащее стартерную вращающуюся машину (GS1, M1A) и также другую стартерную вращающуюся машину (GS2; М2А) для обеспечения помощи в ускорении газогенератора второго газотурбинного двигателя (GT2) воздушного судна, при этом вторая обмотка (S12) электрически параллельно соединена с указанной другой вращающейся машиной GS2; М2А) относительно общего пути (CVS2) подачи электрической энергии.

3. Вспомогательное устройство по п. 2, содержащее преобразователь (CVS2) электроэнергии и выполненное таким образом, что указанный преобразователь (CVS2) электроэнергии передает электрическую энергию на вторую обмотку (S12) стартерной вращающейся машины (GS1, M1A) или исключительно на указанную другую стартерную вращающуюся машину (GS2, М2А).

4. Вспомогательное устройство по п. 3, содержащее пару замыкателей (K12, K22), выполненных без возможности одновременного перехода в замкнутое положение так, чтобы обеспечить передачу электрической энергии только второй обмотке (S12) или только указанной другой стартерной вращающейся машине (GS2, М2А).

5. Вспомогательное устройство по п. 1, в котором средство (110; 111; 112) контроля выполнено с возможностью контроля одного или нескольких элементов (S1, CVS1, K11, S11) силовой цепи, которая электрически питает указанную стартерную вращающуюся машину (GS1; M1A).

6. Вспомогательное устройство по п. 1, в котором средство (110; 111; 112) контроля выполнено с возможностью контроля системы управления газотурбинного двигателя (GT1).

7. Вспомогательное устройство по п. 1, в котором указанная стартерная вращающаяся машина (GS1) является отказоустойчивой вращающейся машиной переменного тока с двойной обмоткой или машиной звезда-звезда, при этом указанная вторая обмотка (S12) является второй обмоткой указанной вращающейся машины.

8. Вспомогательное устройство по п. 7, в котором вторая обмотка (S12) имеет размеры, позволяющие ей обеспечивать помощь в ускорении с тем, чтобы получить характеристики, аналогичные характеристикам, обеспечиваемым первой обмоткой (S11).

9. Вспомогательное устройство по п. 1, содержащее два преобразователя (CVS1, CVS2) электроэнергии, каждый из которых служит для управляемой передачи электрической энергии на указанные первую и вторую обмотки (S11, S12) соответственно.

10. Вспомогательное устройство по п. 1, содержащее первый источник (S1, S) электрической энергии для питания одной обмотки из первой и второй обмоток (S11, S12), при этом указанное вспомогательное устройство выполнено таким образом, что указанная другая обмотка из второй и первой обмоток (S12, S11) получает питание от второго источника (S2; В) электрической энергии, который отличается от первого источника электрической энергии.

11. Вспомогательное устройство по п. 1, дополнительно содержащее другую стартерную вращающуюся машину (М2А) для обеспечения помощи в ускорении газогенератора второго газотурбинного двигателя (GT2) воздушного судна, при этом указанная другая вращающаяся машина (М2А) содержит обмотку (S22), называемую «другой» обмоткой, вспомогательное устройство также содержит источник (S1, S2, KC; S, KS1, KS2) электрической энергии, выполненный в зависимости от потребности в питании указанной первой или указанной другой обмотки (S11, S22).

12. Вспомогательное устройство по п. 1, в котором указанная стартерная вращающаяся машина (M1A) также является генератором, выполненным с возможностью приведения в действие газотурбинного двигателя (GT1), при этом вторая обмотка (S12) является обмоткой второй вращающейся машины (M1B; D1), содержащейся в указанном вспомогательном устройстве и образующей только стартер.

13. Вспомогательное устройство по п. 1, в котором вторая обмотка (S12) является обмоткой второй вращающейся машины (D1), содержащейся во вспомогательном устройстве, при этом вторая вращающаяся машина является машиной постоянного тока, а указанная первая вращающаяся машина (M1A), содержащаяся во вспомогательном устройстве, является машиной переменного тока.

14. Вспомогательное устройство по п. 1, в котором указанное средство питания второй обмотки содержит замыкатель (КВ1), который замкнут, если установлено, что невозможно ускорить указанный газогенератор с использованием первой обмотки.

15. Вспомогательное устройство (100; 101; 102) для газотурбинного двигателя (GT1) со свободной турбиной для воздушного судна, содержащее:

стартерную вращающуюся машину (GS1, M1A), содержащую первую обмотку (S11); и

первое средство (K11, CVS1) подачи электроэнергии для электрического питания первой обмотки (S11) с тем, чтобы приводить в действие газогенератор двигателя (GT1);

вторую обмотку (S12), отличающуюся от первой обмотки (S11) и содержащуюся в указанной вращающейся машине (GS1), при этом указанная вращающаяся машина (GS1) является двухобмоточной вращающейся машиной, или указанная вторая обмотка содержится в другой вращающейся машине (М2А), причем указанная вращающаяся машина (M1A) и указанная другая вращающаяся машина (М2А) являются однообмоточными вращающимися машинами;

средство (110; 111; 112) контроля, предназначенное для контроля первого средства (K11, CVS1) подачи электроэнергии и первой обмотки (S11); и

второе средство (K12, CVS2, KB1) подачи электроэнергии для осуществления электрического питания второй обмотки (S12) с тем, чтобы приводить в действие газогенератор газотурбинного двигателя (GT1);

при этом указанное средство контроля выполнено с возможностью идентификации недостаточной мощности в первом средстве (K11, CVS1) подачи электроэнергии или первой обмотке (S11) и с возможностью подачи электропитания на вторую обмотку (S12) с помощью второго средства (K12, CVS2, KB1) подачи электроэнергии, если идентифицирована такая недостаточная мощность, причем первая обмотка (S11) питается от элемента (S) аккумулирования электричества, а вторая обмотка питается от бортовой сети воздушного судна.

16. Способ поддержки работы газотурбинного двигателя (GT1) со свободной турбиной для воздушного судна, включающий этап подачи электрического питания на первую обмотку (S11) стартерной вращающейся машины (GS1, M1A) с помощью первого средства (K11, CVS1) подачи электрической энергии, для приведения в действие газогенератора двигателя (GT1), отличающийся тем, что дополнительно включает:

этап контроля первого средства (K11, CVS1) подачи электроэнергии и первой обмотки (S11); и

этап подачи электрического питания на вторую обмотку (S12), выполняемый вторым средством (K12, CVS2, KB1) подачи электрической энергии для приведения в действие указанного газогенератора в случае, если на этапе контроля установлено, что в первом средстве (K11, CVS1) подачи электроэнергии или в первой обмотке (S11) недостаточная мощность, при этом вторая обмотка (S12) отличается от первой обмотки (S11) и содержится в указанной вращающейся машине (GS1), причем указанная вращающаяся машина (GS1) является двухобмоточной вращающейся машиной, или вторая обмотка содержится в другой вращающейся машине (М2А), причем указанная вращающаяся машина (M1A) и указанная другая вращающаяся машина (М2А) являются однообмоточными вращающимися машинами.