ОТБОР МОЩНОСТИ НА КАСКАДЕ НД И СИСТЕМА УДАЛЕНИЯ ОБЛОМКОВ Российский патент 2023 года по МПК F02C7/32 F02C9/16 F01D25/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к двухконтурным и многовальным газотурбинным двигателям, в частности, к двухвальным или трехвальным газотурбинным двигателям для летательного аппарата и, в частности, касается контроля запаса по помпажу (surge margin на английском языке) на уровне компрессоров.

Как показано на фиг. 1, в двухконтурном газотурбинном двигателе 10 вентилятор 11 захватывает воздушный поток, который делится на две части: поток FS второго контура, который ускоряется вентилятором 11 и дает основную часть тяги, и поток FP первого контура, который проходит через несколько компрессоров 12, 13, после чего попадает в камеру сгорания 14 и проходит через несколько турбин 15, 16, которые, в частности, приводят во вращение вентилятор 11. При этом говорят соответственно о проточном тракте второго контура и о проточном тракте первого контура.

Например, в двухконтурном и двухвальном газотурбинном двигателе 10 проточный тракт первого контура содержит по меньшей мере два каскада компрессоров 12, 13 и турбин 15, 16. Таким образом, по направлению потока текучей среды присутствуют: компрессор 12 низкого давления (называемый также бустером), компрессор 13 высокого давления, камера 14 сгорания, турбина 15 высокого давления, турбина 16 низкого давления. Так называемый вал 17 высокого давления соединяет элементы 13, 15 высокого давления, и так называемый вал 18 низкого давления соединяет элементы 12, 16 низкого давления. Валы 17, 18 являются концентричными.

Для низкого давления и высокого давления будут использоваться сокращения НД и ВД.

Как правило, эти два вала 17, 18 не вращаются с одинаковой скоростью. Кроме того, они не имеют одинаковую инерцию. Следовательно, в частности, во время фаз замедления компрессор НД 12 (при этом говорят о режиме работы N1) замедляется медленнее, чем компрессор ВД 13 (при этом говорят о режиме работы N2), частично по причине их разной инерции. При этом получают ситуацию, в которой компрессор НД 12 сжимает больше воздуха, чем может принять компрессор ВД 13. Эта ситуация создает риск помпажа в зоне бустера (компрессора НД 12). Это явление соответствует большим и быстрым колебаниям давления на выходе соответствующего компрессора. Начавшийся помпаж может привести к самогашению камеры сгорания. Кроме того, он создает серьезные перебои на лопаточных колесах компрессора и может привести к механическим повреждениям.

Запас по помпажу определяют как минимальное соблюдаемое отклонение давления между линией работы компрессора низкого давления (бустера) и линией помпажа, которая ограничивает поле риска помпажа.

Уровень техники

Чтобы устранить риск помпажа, в частности, в зоне компрессора НД 12, как известно, используют клапаны 20 перепуска, позволяющие убрать избыточное давление на выходе из компрессора. Они позволяют сдвигать линию работы компрессора НД 12. Эти клапаны обычно называют их английским сокращением VBV (от Variable Bleed Valves).

Они содержат отверстие 21, выходящее в проточный тракт первого контура, канал 22 перепуска для перемещения воздуха и выход 23, выходящий в проточный тракт второго контура. Отверстие 21 обычно имеет форму ковша или открываемого и закрываемого клапана. Клапаны VBV описаны, например, в документах WO2016156739 и FR2983911.

На фиг. 2 представлена блок-схема работы системы, содержащей по меньшей мере один клапан VBV, которую в данном случае мы называем «системой VBV» и которая активируется, когда генерируется команда СVBV.

Система VBV предусмотрена для активации в разных условиях.

Первое условие определено законом LVBVs устойчивости клапанов VBV, то есть для удаления постоянного избыточного давления в данной точке режима работы посредством открывания клапанов VBV. Правило LVBVs определяют как f(N1; N2; Давление; число Маха), где N1 является режимом работы вала НД, и N2 является режимом работы вала ВД.

Это условие комбинируют со сдвигом ОК команды на открывание/закрывание клапанов VBV в зависимости от поведения регулируемых лопаток статора VSV (Variable Stator Vanes), который применяют для команды в устойчивом режиме работы. Сдвиг команды определяют как f(градиент_VSV).

Это условие комбинируют также со сдвигом OD погрешности замедления вала НД, определяемым как f(dN1/dt).

При каждом замедлении появляется риск помпажа, и активируются клапаны VBV. Даже в фазе крейсерского полета наблюдается интенсивное использование клапанов VBV с учетом различных параметров (в том числе регулирование двигателя, динамика клапанов VBV и т.д.). Следовательно, учитывая свое многократное использование, клапаны VBV 20 быстро изнашиваются.

Кроме того, как правило, клапаны VBV позволяют удалять в проточный тракт второго контура обломки, то есть объекты, посторонние для газотурбинного двигателя, которые могут попадать в проточный тракт первого контура двигателя через вход компрессора низкого давления, что позволяет защитить камеру сгорания. В частности, их используют для обеспечения удаления града или воды, попадающих в проточный тракт первого контура двигателя.

Таким образом, второе условие открывания клапанов VBV определяется правилом LI попадания града/воды, которое управляет полным открыванием клапанов VBV на основе правила, связанного с условиями области полета, в частности, такими как давление, температура, режим работы двигателя.

Это двойное использование усложнило разработку клапанов VBV, и слишком частая активация системы VBV приводит к ее преждевременному износу, что заставляет увеличивать размерные параметры для ограничения этого износа.

Известен также французский документ FR2 659 690, который относится к двигателям внутреннего сгорания и, в частности, к газотурбинным двигателям, используемым для движения самолетов. В частном варианте осуществления в этом документе описаны способ и устройство, которые обеспечивают сбор и удаление посторонних объектов, таких как град и обломки, из проточного тракта первого контура или проточного тракта газогенератора двигателя.

Известен также документ WO2016/020618, в котором описаны различные решения резистивного соединения генератора для замедления компрессора НД.

Раскрытие сущности изобретения

Для решения вышеупомянутых проблем изобретением предложен двухконтурный газотурбинный двигатель с проточным трактом первого контура и проточным трактом второго контура, расположенным радиально снаружи проточного тракта первого контура, при этом указанный газотурбинный двигатель содержит:

- каскад низкого давления, содержащий компрессор низкого давления, соединенный с турбиной низкого давления через вал низкого давления;

- каскад высокого давления, содержащий компрессор высокого давления, соединенный с турбиной высокого давления через вал высокого давления;

- систему отбора мощности низкого давления, содержащую электрический генератор, выполненный с возможностью отбора мощности на каскаде низкого давления,

в котором

- газотурбинный двигатель содержит систему удаления обломков, находящуюся между двумя компрессорами,

- система отбора мощности низкого давления выполнена с возможностью отбирать мощность на валу низкого давления при помощи резистивного элемента электрического генератора по команде отбора вычислительного устройства, чтобы замедлить компрессор низкого давления и избежать риска помпажа между компрессором высокого давления и компрессором низкого давления.

Система удаления обломков содержит створку, находящуюся между двумя компрессорами.

В варианте осуществления система удаления обломков выполнена с возможностью своей активации во время попадания града или воды по команде вычислительного устройства.

В варианте осуществления газотурбинный двигатель дополнительно содержит устройство обнаружения обломков, выполненное с возможностью обнаруживать присутствие обломков между двумя компрессорами, при этом система удаления обломков выполнена с возможностью своей активации, только если устройство обнаружения обломков обнаруживает обломок, по команде активации вычислительного устройства.

В варианте осуществления отбор мощности предусмотрен с возможностью контроля в зависимости от режимов работы компрессора низкого давления и компрессора высокого давления, по команде вычислительного устройства.

В варианте осуществления вычислительное устройство контролирует отбор мощности в зависимости от мгновенных значений колебаний режимов работы компрессора низкого давления и компрессора высокого давления.

В варианте осуществления система удаления обломков содержит по меньшей мере одну створку, выполненную с возможностью открывания по принципу «все или ничего».

В варианте осуществления система удаления обломков выполнена с возможностью своего управления по принципу «все или ничего» по команде вычислительного устройства.

В варианте осуществления газотурбинный двигатель содержит специальное вычислительное устройство, отличное от главного вычислительного устройства газотурбинного двигателя, выполненное с возможностью контролировать отбор мощности в зависимости от мгновенных значений колебаний режимов работы компрессора низкого давления и компрессора высокого давления, по команде главного вычислительного устройства.

В варианте осуществления система удаления обломков выполнена с возможностью своего управления по принципу «все или ничего» по команде вычислительного устройства в случае неудачного сохранения запаса по помпажу через систему отбора мощности низкого давления, чтобы убрать избыточное давление между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления.

Изобретением предложена также силовая установка, содержащая описанный выше газотурбинный двигатель и вычислительное устройство. Вычислительное устройство может быть установлено на газотурбинном двигателе, как в случае устройства FADEC, например, установленного в отсеке гондолы газотурбинного двигателя, но может быть также расположено за пределами периметра газотурбинного двигателя, например, в пилоне или в фюзеляже летательного аппарата.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг. 1 показан газотурбинный двигатель;

на фиг. 2 представлена блок-схема работы клапана VBV в соответствии с известным решением;

на фиг. 3 схематично показан газотурбинный двигатель согласно варианту осуществления изобретения;

на фиг. 4 представлена блок-схема работы в варианте осуществления газотурбинного двигателя согласно варианту осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На фиг. 3 в целом представлен проточный тракт первого контура двухвального двухконтурного газотурбинного двигателя 100 с вентилятором, а также участок проточного тракта второго контура.

Классически, от входа к выходу по направлению прохождения газов он содержит вентилятор 110, компрессор 120 низкого давления, компрессор 130 высокого давления, камеру 140 сгорания, турбину 132 высокого давления, турбину 122 низкого давления и первичное выпускное сопло 140. Компрессор НД (или бустер) 120 и турбина низкого давления НД 122 соединены валом 124 низкого давления и образуют вместе каскад низкого давления НД. Компрессор ВД 130 и турбина 132 соединены валом 134 высокого давления и образуют вместе с камерой 140 сгорания каскад высокого давления ВД.

Вентилятор 110, который приводится во вращение либо напрямую, либо через редуктор валом НД 124, сжимает воздух, поступающий из воздухозаборника. Этот воздух делится на выходе вентилятора на воздушный поток FS второго контура, который направляется напрямую во вторичное сопло, через которое он выбрасывается, участвуя в тяге, производимой двигателем, и так называемый поток FP первого контура, который попадает в газогенератор, образованный каскадами НД и ВД, затем выбрасывается в первичное сопло 140. Изобретение охватывает также случай, когда оба потока, первого и второго контуров, смешиваются перед выбрасыванием.

На валах 124, 134 происходит отбор механической мощности, например, посредством прямого отбора, или через линии отбора мощности, или через редуктор, если он присутствует в двигателе.

Что касается каскада НД, то отбор мощности W12, то есть рекуперация мощности, производится системой НД 220 отбора мощности через линию 222 отбора мощности (или посредством прямого отбора), причем может происходить как на уровне компрессора НД 120, турбины НД 122, так и в любом другом месте на валу НД 124.

Эта линия 222 отбора мощности может соединяться с редуктором 224, который в свою очередь соединен с электрическим генератором 226, преобразующим получаемую энергию W12 в электрическую энергию.

Эта энергия может, как показано на фиг. 2, накапливаться в электрическом средстве 300 хранения или может направляться при помощи электрического двигателя подачи мощности напрямую на один из валов турбореактивного двигателя.

Электрическое средство 300 хранения классически может быть батареей, например, литий-ионного типа, или, например, суперконденсатором. Как правило, между генератором и электрическим средством 300 хранения расположена силовая электроника.

Точно так же, мощность W13 может отбираться на каскаде ВД при помощи системы ВД 230 отбора мощности либо на уровне турбины или в любом другом месте вала ВД 20. В данном случае отбор тоже происходит через линию ВД 232 отбора мощности (или напрямую). Эта линия 232 отбора мощности может быть также соединена с редуктором 234, который, в свою очередь, соединен с электрическим генератором 236, преобразующим получаемую энергию W13 в электрическую энергию.

Как и в предыдущем случае, редуктор 234 соединен с электрическим генератором 236, который преобразует получаемую механическую энергию W13 в электрическую энергию.

Эта энергия может, как показано на фиг. 3, накапливаться в электрическом средстве 300 хранения, которое может быть тем же, что и для энергии W12.

В варианте осуществления генераторы 226, 236 являются разными и предпочтительно расположены в разных местах в осевом направлении и/или в окружном направлении газотурбинного двигателя. Вместе с тем, можно, через дифференциал или муфту, использовать единый генератор, который может производить отбор на каскаде НД или на каскаде ВД.

Газотурбинный двигатель 100 содержит также вычислительное устройство 400, выполненное с возможностью получать данные от датчиков, инструкции пилота, заданные значения и т.д., чтобы их обрабатывать и выдавать команды, данные и т.д. Обычно вычислительное устройство является главным бортовым вычислительным устройством типа FADEC (Full Authority Digital Engine Control), которое образует интерфейс между кабиной экипажа летательного аппарата и газотурбинным двигателем 100. Главное вычислительное устройство типа FADEC установлено на силовой установке, которая содержит газотурбинный двигатель. Например, оно установлено в отсеке гондолы, окружающей газотурбинный двигатель, но может также находиться за пределами периметра газотурбинного двигателя, например, в пилоне или в фюзеляже летательного аппарата. Оно содержит один или несколько процессоров и память, необходимые для обработки данных. В альтернативном варианте вычислительное устройство 400 может быть отличным от главного вычислительного устройства типа FADEC. В альтернативном варианте предусмотрены несколько вычислительных устройств, одним из которых является бортовое вычислительное устройство FADEC, которые делят между собой действия.

Отбор мощности может быть активирован или деактивирован по команде вычислительного устройства 400. Для этого предполагается, что системы 220 и 230 отбора мощности имеют соответствующие технические средства, которые известны специалисту в данной области и описание которых опускается. Эти средства могут представлять собой сцепления, муфты, холостые колеса и т.д. или могут иметь генератор, постоянно соединенный с силовой электроникой, которая управляет отбором мощности. Отбор мощности может быть также активирован на разных уровнях: для этого система 220, 230 отбора мощности имеет соответствующую силовую электронику, известную специалисту в данной области.

Система НД 200 отбора мощности выполняют функцию замедления режима работы N1, то есть каскада низкого давления и, в частности, компрессора 120 низкого давления, чтобы избегать рисков помпажа. Для этого система НД 200 отбора мощности получает от вычислительного устройства 400 команду СР отбора, которая была генерирована с учетом режима работы N1 компрессора 120 низкого давления и режима работы N2 компрессора 130 высокого давления таким образом, чтобы получить CP=f(N1, N2, t), где f обозначает функцию, а t - время. Команда СР отбора учитывает также число Маха и давление, то есть CP = f(N1, N2, t, число Маха, Давление). Эта закономерность обозначена на фиг. 4 как LS.

Кроме того, можно всегда учитывать данные ОК и ОD, описанные во вступительной части.

Данные N1 и N2 могут быть получены посредством вычислений или оценки.

В частности, команда СР отбора зависит от колебаний режимов работы N1 и N2. При этом получают CP = f(dN1/dt, dN2/dt, t, число Маха, Давление), где f обозначает функцию.

В частном варианте осуществления при данных давлении и числе Маха генерирование команды СР отбора происходит, как только отклонение между dN1/dt и dN2/dt превышает определенный порог. При этом получают замедление вала НД, по существу адаптированное к замедлению вала ВД.

Данные dN1/dt и dN2/dt могут вычисляться вычислительным устройством 400 или, для обеспечения более быстрой реакции, специальным вычислительным устройством (не показано) на уровне генератора или генераторов.

Используют резистивный элемент генератора 226, чтобы замедлить компрессор НД 120. Электричество, производимое генератором 226, можно использовать по-разному (накапливание или подача на другой вал). В документе WO2016/020618 описаны различные решения.

Использование системы VBV для оперативного обеспечения работы газотурбинного двигателя больше не является необходимым. Вместе с тем, использование системы VBV может оставаться необходимым для удаления обломков.

С другой стороны, больше не обеспечивается контроль удаления обломков. Для этого газотурбинный двигатель 100 содержит систему 500 удаления обломков, содержащую створку 502 между двумя компрессорами НД 120 и ВД 130, канал 504 удаления и выход 506, который сообщается с проточным трактом второго контура. Насчитывают множество створок 502 и выходов 506 в окружном направлении вокруг оси газотурбинного двигателя. Система 500 удаления обломков может находиться в промежуточном корпусе.

Система может быть конструктивно подобна клапанам VBV. С другой стороны, она не активируется во время одинаковых фаз.

Эти различные фазы показаны на фиг. 4 в сравнении с фиг. 2, где показано известное решение.

Система 500 удаления обломков управляется по команде вычислительного устройства 400.

Предусмотрено также устройство 510 обнаружения обломков. Обнаружение может быть прямым, например, при помощи оптоэлектронной системы для обнаружения объектов, начиная с определенного размера, попадающих в компрессор НД и/или скапливающихся на входе компрессора ВД. Это устройство 510 обнаружения может также реагировать на риск присутствия обломков, например, учитывая давление между двумя компрессорами ВД или НД, или другие параметры, которые изменяются в присутствии обломков. Например, оно может обнаруживать условия, способствующие появлению помпажа, которые могут возникать в результате загромождения входа компрессора ВД. Устройство 510 обнаружения обломков генерирует сигнал SD, который передается в вычислительное устройство 400 при обнаружении обломка (или при подозрении на присутствие обломка).

Благодаря осуществляемому правилу LI попадания посторонних объектов, вычислительное устройство 400 генерирует команду СА активации системы удаления обломков, только когда система обнаружения обломков обнаруживает обломок. Это значит, что систему 500 удаления обломков используют лишь в относительной степени по сравнению с классической системой VBV. Ее использование является менее значительным, как и ее износ.

Иногда бывает, что команда СР оказывается не достаточной для достаточного замедления компрессора НД или что замедления компрессора НД не достаточно, чтобы удалиться от зоны помпажа. В этом случае применяют правило LPB защиты компрессора НД: генерируют команду СА активации системы удаления обломков, чтобы убрать избыточное давление. В варианте осуществления критерием является время задержки, составляющее от 2 с до 5 с, если применение резистивного элемента не дает ожидаемого эффекта для запаса по помпажу.

Система 500 удаления обломков может быть проще по конструкции, чем клапаны VBV. Можно, например, указать створки 502, которые могут быть выполнены с возможностью находиться только в двух состояниях: открытом или закрытом (все или ничего). Аналогично, команды, генерируемые вычислительным устройством 400, могут быть двоичными и, таким образом, соответствовать либо открытой створке, либо закрытой створке.

В частном варианте осуществления изобретение можно осуществлять при помощи существующего газотурбинного двигателя, содержащего систему отбора НД и систему VBV.

Изобретение можно также представить как способ, содержащий этап, на котором активируют систему VBV в условиях, упомянутых выше для системы 500 удаления обломков. Как правило, систему VBV не активируют для улучшения запаса по помпажу, так как эту функцию обеспечивают путем активации системы отбора мощности в вышеупомянутых условиях.

Группа изобретений относится к двухконтурным и многовальным газотурбинным двигателям, в частности, к двухвальным или трехвальным газотурбинным двигателям для летательного аппарата, и касается контроля запаса по помпажу на уровне компрессоров. Представлен двухконтурный газотурбинный двигатель (1) с проточным трактом первого контура и проточным трактом второго контура, который содержит каскад низкого давления, содержащий компрессор (120) низкого давления, соединенный с турбиной (122) низкого давления через вал (124) низкого давления, каскад высокого давления, содержащий компрессор (130) высокого давления, соединенный с турбиной (132) высокого давления через вал (134) высокого давления, систему (220) отбора мощности низкого давления, содержащую электрический генератор (226), выполненный с возможностью отбора мощности (W12) на каскаде низкого давления. При этом газотурбинный двигатель содержит систему (500) удаления обломков, находящуюся между двумя компрессорами (226, 236), а система (220) отбора мощности низкого давления в свою очередь выполнена с возможностью отбирать мощность (W12) на валу (124) низкого давления при помощи резистивного элемента электрического генератора (226), чтобы избежать риска помпажа. Также представлена силовая установка для летательного аппарата, содержащая газотурбинный двигатель и бортовое вычислительное устройство. Изобретение позволяет ограничить преждевременный износ системы удаления обломков. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двухконтурный газотурбинный двигатель (1) с проточным трактом первого контура и проточным трактом второго контура, расположенным радиально снаружи проточного тракта первого контура, при этом указанный газотурбинный двигатель (1) содержит:

- каскад низкого давления, содержащий компрессор (120) низкого давления, соединенный с турбиной (122) низкого давления через вал (124) низкого давления;

- каскад высокого давления, содержащий компрессор (130) высокого давления, соединенный с турбиной (132) высокого давления через вал (134) высокого давления;

- систему (220) отбора мощности низкого давления, содержащую электрический генератор (226), выполненный с возможностью отбора мощности (W12) на каскаде низкого давления,

отличающийся тем, что:

- он содержит систему (500) удаления обломков, находящуюся между двумя компрессорами (226, 236), а

- система (220) отбора мощности низкого давления выполнена с возможностью отбирать мощность (W12) на валу (124) низкого давления при помощи резистивного элемента электрического генератора (226) по команде (СР) отбора вычислительного устройства (400), чтобы замедлить компрессор (120) низкого давления и избежать риска помпажа между компрессором (130) высокого давления и компрессором (120) низкого давления.

2. Газотурбинный двигатель (100) по п. 1, в котором система (500) удаления обломков выполнена с возможностью своей активации во время попадания града или воды, по команде вычислительного устройства.

3. Газотурбинный двигатель (100) по п. 1 или 2, дополнительно содержащий устройство (510) обнаружения обломков, выполненное с возможностью обнаруживать присутствие обломков между двумя компрессорами (120, 130), при этом система (500) удаления обломков выполнена с возможностью своей активации, только если устройство (510) обнаружения обломков обнаруживает обломок, по команде вычислительного устройства (400).

4. Газотурбинный двигатель (100) по любому из пп. 1-3, в котором отбор мощности (W12) предусмотрен с возможностью контроля в зависимости от режимов работы (N1, N2) компрессора (120) низкого давления и компрессора (130) высокого давления, по команде вычислительного устройства (400).

5. Газотурбинный двигатель (100) по п. 4, в котором вычислительное устройство (400) контролирует отбор мощности (W12) в зависимости от мгновенных значений колебаний (dN1/dt, dN2/dt) режимов работы компрессора (120) низкого давления и компрессора (130) высокого давления.

6. Газотурбинный двигатель (100) по любому из пп. 1-5, в котором система (500) удаления обломков содержит по меньшей мере одну створку (502), выполненную с возможностью открывания по принципу «все или ничего».

7. Газотурбинный двигатель (100) по любому из пп. 1-6, в котором система (500) удаления обломков выполнена с возможностью своего управления по принципу «все или ничего» по команде вычислительного устройства (400).

8. Газотурбинный двигатель (100) по любому из пп. 1-7, содержащий специальное вычислительное устройство, отличное от главного вычислительного устройства (400) газотурбинного двигателя, выполненное с возможностью контролировать отбор мощности (W12) в зависимости от мгновенных значений колебаний (dN1/dt, dN2/dt) режимов работы компрессора (120) низкого давления и компрессора (130) высокого давления, по команде главного вычислительного устройства (400).

9. Газотурбинный двигатель (100) по любому из пп. 1-8, в котором система (500) удаления обломков выполнена с возможностью своего управления по принципу «все или ничего» по команде вычислительного устройства (400) в случае неудачной попытки сохранения запаса по помпажу через систему отбора мощности (W12) низкого давления, чтобы убрать избыточное давление между компрессором (120) низкого давления и компрессором (130) высокого давления.

10. Силовая установка для летательного аппарата, содержащая газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-9 и бортовое вычислительное устройство, выполненное с возможностью генерировать указанную команду (СР) отбора для замедления компрессора (120) низкого давления.