ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРИВОДА ВАЛА ПРОПУЛЬСИВНОЙ СИСТЕМЫ ВЕРТОЛЕТА Российский патент 2020 года по МПК B64C27/04 B64D41/00 F02C7/272 

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к вспомогательной системе привода вала пропульсивной системы вертолета. Такая вспомогательная система предназначена, например, для точечной подачи механической мощности с целью реактивации находящегося в дежурном режиме газотурбинного двигателя или с целью обеспечения дополнительной точечной пропульсивной мощности, или для обеспечения полета многомоторного вертолета, один из двигателей которого вышел из строя (ситуация, известная под английским сокращенным названием OEI от One Engine Inoperative). Изобретение относится также к вертолету, оснащенному такой вспомогательной системой механического привода.

2. Уровень техники

В ходе полета вертолета (одномоторного или многомоторного) возникает множество ситуаций, когда требуется точечная механическая мощность для обеспечения безопасного полета.

Например, в заявке FR3019588 заявитель уже предложил устройство механического усиления пропульсивной системы одномоторного вертолета, позволяющее при помощи газогенератора, работающего на твердом проперголе, точечно выдавать пропульсивную мощность непосредственно на несущий винт вертолета во время полета в режиме авторотации. Такое решение позволяет противостоять отказу газотурбинного двигателя за счет подачи на вертолет дополнительной механической мощности, что повышает надежность маневра авторотации в случае неисправности газотурбинного двигателя.

Это решение выглядит многообещающим, но требует большого количества проперголя на борту в зоне двигателя. Кроме того, поскольку пиротехническая система не является замкнутой, она участвует в выбросе газов наружу системы. Это большое количество проперголя может создать проблемы, в частности, с точки зрения регламентации транспортировки.

Заявитель предложил также в заявке FR 3019221 гидравлическое устройство экстренного запуска газотурбинного двигателя, позволяющее получать через гидравлические средства механическую мощность для запуска газотурбинного двигателя.

Это решение является удовлетворительным, но габариты системы могут создать определенные трудности при внедрении на некоторых вертолетах.

В связи с этим авторы изобретения попробовали найти решение, позволяющее точечно выдавать механическую мощность по меньшей мере на один вал пропульсивной системы вертолета, при этом вал может быть валом коробки передачи мощности или валом газотурбинного двигателя или, в целом, любым валом, напрямую или опосредованно связанным с несущим винтом вертолета.

В частности, авторы изобретения поставили перед собой задачу предложить новое решение для точечной подачи механической мощности на пропульсивную систему вертолета, которое отвечает критериям небольшого веса и небольшого габарита.

3. Задачи изобретения

Изобретение призвано предложить вспомогательную систему приведения во вращение вала пропульсивной системы вертолета.

Изобретение призвано также, по меньшей мере в варианте выполнения, предложить вспомогательную систему приведения во вращение вала пропульсивной системы вертолета, которая имеет небольшой габарит.

Изобретение призвано также, по меньшей мере в варианте выполнения, предложить легкую по весу вспомогательную систему приведения во вращение вала пропульсивной системы вертолета.

Изобретение призвано также, по меньшей мере в варианте выполнения, предложить вспомогательную систему приведения во вращение вала пропульсивной системы вертолета, которую можно сертифицировать для разных типов вертолетов (в частности, одномоторных, двухмоторных, трехмоторных) и применять для решения проблем механических поломок.

Изобретение призвано также, по меньшей мере в варианте выполнения, предложить вспомогательную систему приведения во вращение вала пропульсивной системы вертолета, стоимость изготовления которой может быть совместима с задачами рентабельности и оптимизации расходов. Изобретение призвано также предложить вертолет, оснащенный заявленной вспомогательной системой.

4. Раскрытие изобретения

В связи с вышеизложенным, объектом изобретения является вспомогательная система приведения во вращение вала, называемого соединительным валом, пропульсивной системы вертолета, содержащей по меньшей мере один газотурбинный двигатель, соединенный с коробкой передачи мощности для приведения во вращение несущего винта вертолета, при этом упомянутая система содержит:

- гидравлический двигатель, механически соединенный с упомянутым соединительным валом и выполненный с возможностью его приведения во вращение,

- гидравлический контур питания жидкостью под давлением упомянутого гидравлического двигателя,

- гидравлический вентиль быстрого открывания по команде, установленный на гидравлическом контуре и выполненный с возможностью перехода по команде по меньшей мере в одно открытое положение, в котором жидкость может питать упомянутый гидравлический двигатель для обеспечения приведения во вращение упомянутого соединительного вала, или в закрытое положение, в котором упомянутый гидравлический двигатель перестает получать питание жидкостью под давлением.

Заявленная вспомогательная система отличается тем, что упомянутая система дополнительно содержит пирогидравлический аккумулятор, управляемый блоком управления и соединенный с упомянутым гидравлическим вентилем упомянутого гидравлического контура при помощи линии питания жидкостью, при этом упомянутый пирогидравлический аккумулятор содержит:

- камеру, содержащую поршень, ограничивающий два герметичных отсека: главный отсек, содержащий по меньшей мере один твердотопливный патрон, и отсек для резерва жидкости, сообщающийся с упомянутой линией питания жидкостью,

- воспламеняющий заряд, соединенный с упомянутым главным отсеком и выполненный с возможностью инициирования воспламенения по меньшей мере одного твердотопливного патрона по команде упомянутого блока управления.

Таким образом, заявленная система содержит пирогидравлический аккумулятор, гидравлическая часть которого предпочтительно является полностью независимой от гидравлической сети вертолета и позволяет создать давление в жидкости гидравлического контура, соединенного с гидравлическим двигателем, приводящим во вращение соединительный вал пропульсивной системы вертолета.

Пирогидравлический аккумулятор заявленной системы содержит малоразмерный газогенератор, который состоит по меньшей мере из одного твердотопливного патрона. После воспламенения газ, производимый патроном, действует давлением на поршень камеры, что позволяет создать давление в резерве жидкости. Эта жидкость выталкивается в сторону гидравлического двигателя через линию питания гидравлического контура и через гидравлический контур, что обеспечивает приведение во вращение соединительного вала, механически соединенного с гидравлическим двигателем.

Питание гидравлического двигателя жидкостью происходит за счет взаимодействия пирогидравлического аккумулятора и вентиля быстрого открывания по команде.

Пирогидравлический аккумулятор заявленной системы сочетает в себе преимущества пиротехнического решения и преимущества гидравлического решения, будучи при этом избавленным от их недостатков.

В частности, заявленная система использует одновременно плотность энергии пиротехнического решения (через главный отсек, в котором находятся твердотопливные патроны) и плотность мощности гидравлического решения (через резерв жидкости второго отсека).

Заявленная система может быть независимой одновременно от электрической сети вертолета и от гидравлической сети. В частности, нет необходимости в какой-либо батарее для накопления электрической энергии. Кроме того, одного или нескольких твердотопливных патронов достаточно для обеспечения приведения во вращение соединительного вала. Предложенное решение позволяет обеспечивать дополнительную механическую мощность, не создавая при этом проблем габарита, массы и стоимости.

Небольшой габарит системы обеспечивает возможность ее размещения в моторном отсеке.

Кроме того, заявленная система позволяет также выдавать постоянный крутящий момент, что облегчает ее включение в архитектуру вертолета.

Заявленная система не имеет элементов, постоянно находящихся под давлением. Кроме того, после воспламенения заряда и активации системы высвобожденный газ остается в замкнутом объеме, что облегчает классификацию при транспортировке, применение и сертификацию объекта.

Предпочтительно и в соответствии с изобретением упомянутый главный отсек упомянутой камеры упомянутого пирогидравлического аккумулятора содержит по меньшей мере два твердотопливных патрона.

Согласно этому варианту, в главном отсеке используют по меньшей мере два твердотопливных патрона для создания дополнительного давления во время активации воспламеняющего заряда. Это позволяет, например, вращать соединительные валы, требующие большого крутящего момента при запуске.

Предпочтительно и в соответствии с изобретением упомянутая камера содержит герметичную диафрагму, расположенную между твердотопливными патронами и упомянутым поршнем.

Эта герметичная диафрагма обеспечивает герметичность между двумя отсеками камеры.

Предпочтительно и в соответствии с изобретением упомянутый поршень является поршнем с дифференциальными сечениями, выполненным с возможностью сжимать жидкость упомянутого отсека с резервом жидкости до давления, отличного от давления газа в главном отсеке.

Согласно этому варианту, давление, сообщаемое жидкости резерва жидкости, отличается от давления газа, высвобождаемого при воспламенении твердотопливного патрона. Это позволяет адаптировать крутящий момент, передаваемый на соединительный вал.

Предпочтительно заявленная система содержит резервуар для сбора жидкости, соединенный с упомянутым гидравлическим двигателем через продувочный клапан.

Узел, образованный сборным резервуаром и продувочным клапаном, обеспечивает удаление жидкости из гидравлического контура, как только давление жидкости в этом контуре превышает заранее определенный порог, и сбор этой удаленной жидкости в сборный резервуар. Продувочный клапан определяет заранее определенный порог, начиная с которого жидкость удаляется из гидравлического контура.

Предпочтительно заявленная система содержит по меньшей мере одно колесо свободного хода, установленное на упомянутом соединительном валу.

Присутствие колеса свободного хода позволяет избегать непредвиденного приведения во вращение гидравлического двигателя соединительным валом.

Согласно варианту, соединительный вал с установленным на нем колесом свободного хода является валом коробки приводов газотурбинного двигателя.

Коробка приводов газотурбинного двигателя обеспечивает привод агрегатов, необходимых для работы газогенератора газотурбинного двигателя и оборудования вертолета, например, устройств кондиционирования воздуха. Согласно этому варианту, гидравлический двигатель установлен непосредственно на этой коробке приводов, что, с одной стороны, облегчает его установку и, с другой стороны, обеспечивает в случае необходимости часть мощности, необходимой для привода агрегатов и/или для питания оборудования вертолета.

Предпочтительно и в соответствии с изобретением упомянутый соединительный вал является валом упомянутой коробки передачи мощности, поэтому система может выполнять роль системы обеспечения полета в режиме авторотации одномоторного вертолета.

Согласно этому варианту, вспомогательную систему используют для передачи механической мощности напрямую на коробку передачи мощности, когда в этом возникает необходимость. Следовательно, такая система может обеспечивать механическое содействие для вертолета во время полета в режиме авторотации, в частности, во время последних фаз полета.

Использование системы согласно этому варианту позволяет повысить надежность полетов вертолета в режиме авторотации и, следовательно, существенно повысить процент безаварийных посадок, чтобы избегать длительного вывода вертолета из эксплуатации.

Предпочтительно и в соответствии с изобретением упомянутый соединительный вал является валом газотурбинного двигателя пропульсивной системы, поэтому система может выполнять роль системы реактивации этого газотурбинного двигателя.

Согласно этому варианту, вспомогательная система предназначена для оснащения многомоторного вертолета, содержащего газотурбинные двигатели, соединенные с коробкой передачи мощности, при этом по меньшей мере один газотурбинный двигатель среди упомянутых газотурбинных двигателей, называемый гибридным газотурбинным двигателем, выполнен с возможностью находиться по меньшей мере в одном дежурном режиме в ходе стабилизированного полета вертолета, в то время как другие газотурбинные двигатели работают в ходе этого стабилизированного полета.

Гибридный газотурбинный двигатель является газотурбинным двигателем, выполненным с возможностью управляемого перевода по команде по меньшей мере в один заранее определенный дежурный режим, из которого он может выйти нормально или быстро (или экстренно). Газотурбинный двигатель может находиться в дежурном режиме только во время стабилизированного полета вертолета, то есть при отсутствии неисправности газотурбинного двигателя в ситуации крейсерского полета, когда он летит в нормальных условиях. Выход из дежурного режима состоит в переводе газотурбинного двигателя в режим ускорения газогенератора от привода, совместимый с вариантом выхода, задаваемым условиями (нормальный выход из дежурного режима или быстрый (экстренный) выход из дежурного режима).

Заявленная вспомогательная система обеспечивает, в случае необходимости, быструю реактивацию находящегося в дежурном режиме газотурбинного двигателя.

Объектом изобретения является также вертолет, содержащий пропульсивную систему, отличающийся тем, что дополнительно содержит вспомогательную систему механического привода вала упомянутой пропульсивной системы в соответствии с изобретением.

Объектом изобретения являются также вспомогательная система и вертолет, оснащенный такой системой, характеризующиеся в комбинации всеми или частью упомянутых выше или указанных ниже отличительных признаков.

5. Список фигур

Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид вспомогательной системы согласно варианту выполнения изобретения, используемой в качестве устройства быстрой реактивации газотурбинного двигателя.

Фиг. 2 - схематичный вид пирогидравлического аккумулятора системы согласно другому варианту выполнения изобретения.

Фиг. 3 - схематичный вид поршня пирогидравлического аккумулятора системы согласно еще одному варианту выполнения изобретения.

6. Подробное описание варианта выполнения изобретения

Для большей ясности и в целях иллюстрации масштабы и пропорции на фигурах не соблюдены.

На фиг. 1 представлен схематичный вид заявленной вспомогательной системы приведения во вращение соединительного вала 8, образованного валом газотурбинного двигателя 6.

Вспомогательная система согласно этому варианту выполнения предназначена для обеспечения быстрой реактивации газотурбинного двигателя 6.

Система согласно этому варианту выполнения, представленная на фиг. 1, содержит гидравлический двигатель 7, механически соединенный с газотурбинным двигателем 6 через колесо свободного хода. Этот гидравлический двигатель 7 может быть двигателем с осевыми или радиальными поршнями. Его функцией является преобразование получаемой гидравлической мощности в механическую мощность, позволяющую производить запуск или реактивацию газотурбинного двигателя 6.

Предпочтительно этот гидравлический двигатель 7 установлен на газотурбинном двигателе 6 через коробку приводов, не показанную на фиг. 1.

Заявленная вспомогательная система содержит также пирогидравлический аккумулятор 9, соединенный с гидравлическим двигателем 7 через гидравлический контур 10 питания жидкостью под давлением этого гидравлического двигателя. В свою очередь, гидравлический контур 10 получает питание жидкостью через линию 13 питания, которая соединяет гидравлический контур 10 и пирогидравлический аккумулятор 9.

Питание гидравлического двигателя 7 зависит от гидравлического вентиля 11 быстрого открывания по команде, который установлен на гидравлическом контуре 10 между аккумулятором 9 и гидравлическим двигателем 7.

Этим гидравлическим вентилем 11 управляет устройство 12 управления, которым предпочтительно является вычислительное устройство управления газотурбинным двигателем 6, позволяющее также определять рабочий режим газотурбинного двигателя.

Когда вентиль 11 получает команду на открывание, выталкиваемая из аккумулятора 9 жидкость нагнетается в гидравлический двигатель 7, чтобы он преобразовал гидравлическую мощность поступающей жидкости в механическую мощность на выходе.

Вспомогательная система содержит также резервуар 14 для сбора жидкости, соединенный с гидравлическим двигателем 7 через продувочный клапан 15. Этот клапан калиброван таким образом, чтобы удалять жидкость из контура 10, как только давление превышает заранее определенный порог.

Согласно варианту выполнения, представленному на фиг. 1, пирогидравлический аккумулятор 9 содержит камеру 20, моноблочный поршень 16, установленный в камере и ограничивающий два герметичных отсека 17, 18 переменного объема. В отсеке 17 находится твердотопливный патрон, а отсек 18 является резервом текучей среды переменного объема. В дальнейшем тексте описания будет считаться, что жидкость отсека 18 и гидравлического контура является маслом.

Аккумулятор 9 содержит также воспламеняющий заряд 25, выполненный с возможностью инициировать воспламенение твердотопливного патрона 19 по команде блока 12 управления. После воспламенения газ, производимый патроном 19, распространяется в отсеке 17 и действует давлением на поршень 16 камеры, что позволяет создать давление масла в отсеке 18 резерва масла. При этом масло выталкивается в сторону гидравлического двигателя 7 через линию 13 питания гидравлического контура 10 и через сам гидравлический контур 10.

Таким образом, заявленная система обеспечивает точечную дополнительную мощность и может быть использована либо для реактивации находящегося в дежурном режиме газотурбинного двигателя, либо для содействия маневру авторотации, либо для обеспечения моментальной дополнительной пропульсивной мощности, либо для содействия вертолету, один из двигателей которого отказал, например, в случае двухмоторного или трехмоторного вертолета.

Согласно другому варианту выполнения, не показанному на фигурах, пирогидравлический аккумулятор 9 содержит несколько твердотопливных патронов 19, находящихся в отсеке 17 камеры 20.

В варианте или в комбинации, как показано на фиг. 2, аккумулятор может содержать герметичную диафрагму 23, установленную между твердотопливным патроном 19 и поршнем 16. Герметичная диафрагма 23 предназначена для обеспечения герметичности между двумя отсеками камеры. Эта диафрагма может быть выполнена из любого герметичного материала.

В дополнительном варианте роль поршня может выполнять расширительная емкость, которая должна обеспечивать две основные необходимые функции: перемещение объема и герметичность между двумя камерами.

Согласно еще одному варианту выполнения, показанному на фиг. 3, поршень 16 является поршнем с дифференциальными сечениями, выполненным с возможностью сжимать жидкость отсека резерва жидкости до давления, отличного от давления газа в главном отсеке. Это позволяет адаптировать крутящий момент, передаваемый на соединительный вал.

Система, описанная со ссылками на фиг. 1, предназначена для обеспечения быстрой реактивации газотурбинного двигателя. При этом заявленную систему можно использовать для приведения во вращение любого вала пропульсивной системы вертолета, такого как вал коробки передачи мощности вертолета, вал коробки приводов, вал газогенератора газотурбинного двигателя или вал свободной турбины газотурбинного двигателя. В целом, заявленная система может участвовать в приведении во вращении по запросу и в случае необходимости любого типа вала пропульсивной системы. Специалист в данной области может легко вносить необходимые изменения в представленное выше описание, относящееся к газотурбинному двигателю, для обеспечения использования системы в других вариантах применения, охватываемых изобретением.

Изобретение относится к области авиации, в частности к вспомогательным системам привода воздушного винта. Вспомогательная система механического привода соединительного вала (8) пропульсивной системы вертолета содержит гидравлический двигатель (7), механически соединенный с упомянутым соединительным валом (8), гидравлический контур (10) питания жидкостью под давлением упомянутого гидравлического двигателя (7), гидравлический вентиль (11) быстрого открывания по команде, установленный на гидравлическом контуре, пирогидравлический аккумулятор (9), управляемый блоком (12) управления и соединенный с упомянутым гидравлическим вентилем (11). Пирогидравлический аккумулятор (9) содержит камеру (20), содержащую поршень (16), ограничивающий главный отсек (17), содержащий по меньшей мере один твердотопливный патрон (19), и отсек (18) для резерва жидкости. Воспламеняющий заряд (25), соединен с главным отсеком (17) и выполнен с возможностью инициирования воспламенения по меньшей мере одного твердотопливного патрона (19) по команде упомянутого блока (12) управления. Обеспечивается подача на вертолет дополнительной механической мощности, что повышает надежность маневра авторотации в случае неисправности газотурбинного двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вспомогательная система приведения во вращение вала, называемого соединительным валом (8), пропульсивной системы вертолета, содержащей по меньшей мере один газотурбинный двигатель, соединенный с коробкой передачи мощности, выполненной с возможностью приведения во вращение несущего винта вертолета, при этом система содержит:

- гидравлический двигатель (7), механически соединенный с соединительным валом (8) и выполненный с возможностью его приведения во вращение,

- гидравлический контур (10) питания жидкостью под давлением гидравлического двигателя (7),

- гидравлический вентиль (11) быстрого открывания по команде, установленный на гидравлическом контуре (10) и выполненный с возможностью перехода по команде по меньшей мере в одно открытое положение, в котором жидкость питает гидравлический двигатель (7) для обеспечения приведения во вращение соединительного вала (8), или в закрытое положение, в котором гидравлический двигатель (7) перестает получать питание жидкостью под давлением,

отличающаяся тем, что система дополнительно содержит пирогидравлический аккумулятор (9), управляемый блоком (12) управления и соединенный с гидравлическим вентилем (11) гидравлического контура (10) при помощи линии (13) питания жидкостью, при этом пирогидравлический аккумулятор (9) содержит:

- камеру (20), содержащую поршень (16), ограничивающий два герметичных отсека: главный отсек (17), содержащий по меньшей мере один твердотопливный патрон (19), и отсек (18) для резерва жидкости, сообщающийся с линией (13) питания жидкостью,

- воспламеняющий заряд (25), соединенный с главным отсеком (17) и выполненный с возможностью инициирования воспламенения по меньшей мере одного твердотопливного патрона (19) по команде блока (12) управления.

2. Вспомогательная система по п. 1, отличающаяся тем, что главный отсек (17) камеры (20) пирогидравлического аккумулятора (9) содержит по меньшей мере два твердотопливных патрона (19).

3. Вспомогательная система по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что камера (20) содержит герметичную диафрагму (23), расположенную между твердотопливными патронами (19) и поршнем (16).

4. Вспомогательная система по одному из пп. 1-3, отличающаяся тем, что поршень (16) является поршнем с дифференциальными сечениями, выполненным с возможностью сжимать жидкость отсека резерва жидкости до давления, отличного от давления газа в главном отсеке.

5. Вспомогательная система по одному из пп. 1-4, отличающаяся тем, что содержит резервуар (14) для сбора жидкости, соединенный с гидравлическим двигателем (7) через продувочный клапан (15).

6. Вспомогательная система по одному из пп. 1-5, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере одно колесо свободного хода, установленное на упомянутом соединительном валу.

7. Вспомогательная система по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что соединительный вал является валом коробки передачи мощности, поэтому система может выполнять роль системы обеспечения полета в режиме авторотации одномоторного вертолета.

8. Вспомогательная система по одному из пп. 1-6, отличающаяся тем, что соединительный вал является валом газотурбинного двигателя пропульсивной системы, поэтому система может выполнять роль системы реактивации этого газотурбинного двигателя.

9. Вертолет, содержащий пропульсивную систему, отличающийся тем, что дополнительно содержит вспомогательную систему механического привода вала пропульсивной системы по одному из пп. 1-8.