ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С НЕЗАКАПОТИРОВАННЫМИ ВОЗДУШНЫМИ ВИНТАМИ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ Российский патент 2023 года по МПК F02K3/72 B60L50/13 B64C11/30 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, относится к газотурбинным двигателям незакапотированного типа («open rotor» на английском языке).

Уровень техники

Газотурбинные двигатели незакапотированного типа вписываются в контекст архитектур, предназначенных для максимального увеличения энергетической эффективности и одновременно имеющих возможность правильного интегрирования (с точки зрения геометрии и аэродинамики) в летательный аппарат.

В этом контексте известны многие решения.

Первым решением является газотурбинный двигатель со сдвоенными воздушными винтами противоположного вращения (на английском языке “counter rotating open rotor” (CROR)), описанный, например, в документе FR 2 941 492. Такой газотурбинный двигатель содержит воздухозаборник и проточный тракт прохождения потока газа, ограниченный наружным корпусом и внутренней центральной частью. Проточный тракт проходит через газогенератор, в данном случае двухвальный газогенератор, который питает турбину, вращающую два воздушных винта противоположного вращения. Согласно этому документу, эти два воздушных винта противоположного вращения соединены во вращении с турбиной газогенератора. Преимуществом раскрытого в этом документе газотурбинного двигателя является отличный тяговый КПД, связанный с генерированием тяги через воздушные винты с очень низкой степенью сжатия, а также наружные размеры, меньшие наружных размеров газотурбинного двигателя с единственным воздушным винтом при такой же тяге, что облегчает его физическое интегрирование на летательном аппарате. Однако эта архитектура на основе сдвоенных воздушных винтов противоположного вращения имеет некоторые ограничения, в частности, по причине сложности подсистем, необходимых для ее применения (двойная система установки шага воздушных винтов, вращающиеся корпусы под каждым ротором винта, …).

Другим решением, представляющим собой версию с архитектурой сдвоенных воздушных винтов противоположного вращения, является архитектура USF (на английском языке “Unducted Single Fan”), содержащая ротор винта и расположенный в его вихревом следе статор с изменяемым углом установки лопастей, предназначенный для спрямления остаточного вращения ротора винта. Эту версию можно рассматривать как архитектуру типа CROR, в которой вращение выходного воздушного винта остановлено. Хотя это решение отличается большей архитектурной простотой, все же оно страдает более низким КПД модуля низкого давления, чем решение CROR, и требует более значительных диаметров, чтобы выдерживать нагрузку ротора, эквивалентную с решением CROR (эта нагрузка ротора в первую очередь обуславливает ощущаемые уровни шума).

Наконец, как одно, так и другое из вышеупомянутых архитектурных решений имеют следующие недостатки:

1. Почти биективная работа газогенератора и тяговых частей: при снижении потребности в тяге для летательного аппарата (во время фаз завершения полета на крейсерской скорости и в режиме малого газа) все вращающиеся части работают с низкими уровнями энергии (низкая степень сжатия, низкие режимы вращения), что отрицательно сказывается на собственном КПД каждого компонента, в частности, внутри газогенератора, и приводит к снижению общей эффективности силовой установки.

2. Трудность в отборе значительной механической мощности на валах газотурбинного двигателя без существенного влияния на управляемость компрессоров. Действительно, в контексте увеличения потребности в отборе механической мощности для секций летательных аппаратов, которые потребляют все больше электричества, необходимо адаптировать архитектуру газотурбинного двигателя таким образом, чтобы вращать электрические генераторы все большей мощности. Это приводит к увеличению напряжений на компрессорах и заставляет увеличивать их необходимые параметры, что сказывается на их абсолютной производительности.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретение призвано предложить архитектуру газотурбинного двигателя с двумя незакапотированными воздушными винтами, которая позволяет преодолеть вышеупомянутые недостатки.

Для этого первым объектом изобретения является газотурбинный двигатель летательного аппарата, содержащий наружный корпус, ограничивающий вместе с внутренней центральной частью проточный тракт прохождения газового потока, в котором расположена турбина низкого давления, выполненная с возможностью приводить во вращение вал низкого давления; при этом указанный газотурбинный двигатель содержит по направлению прохождения газового потока первый воздушный винт и второй воздушный винт на выходе первого воздушного винта, при этом первый воздушный винт приводится во вращение указанным валом низкого давления, а второй воздушный винт приводится во вращение электрическим двигателем, при этом второй воздушный винт расположен на расстоянии, составляющем от 1,5 до 4 длин хорд первого воздушного винта и определяемом между соответствующими осями установки угла каждого из первого и второго воздушных винтов.

Предпочтительно изобретение согласно первому своему объекту дополнено следующими отличительными признаками, рассматриваемыми отдельно или в любой технически возможной комбинации:

- Второй воздушный винт имеет наружный диаметр, составляющий от 0,8 до 1 наружного диаметра первого воздушного винта.

- Газотурбинный двигатель содержит внутреннюю центральную часть, от которой отходят лопасти второго воздушного винта, при этом второй воздушный винт имеет отношение радиус центральной части / наружный радиус лопасти, составляющее от 0,22 до 0,40.

- Второй воздушный винт имеет длину хорды, составляющую от 0,8 до 1,2 длины хорды первого воздушного винта.

- Газотурбинный двигатель содержит первый электрический двигатель/генератор, выполненный с возможностью участвовать в приведении во вращение вала низкого давления, при этом первый воздушный винт приводится во вращение указанным валом низкого давления через редуктор.

Силовая установка содержит или связана с устройством накопления энергии, соединенным с первым и/или вторым электрическим двигателем/генератором, при этом устройство накопления энергии предпочтительно имеет емкость, составляющую от 200 до 500кВт⋅ч.

Первый и второй воздушные винты расположены перед входом проточного тракта прохождения газового потока.

Первый и второй воздушные винты расположены на выходе проточного тракта и снаружи проточного тракта прохождения газового потока.

Газотурбинный двигатель содержит газогенератор, блок управления вторым электрическим двигателем/генератором, блок управления углом установки второго воздушного винта, при этом указанные блоки управления выполнены с возможностью управлять вторым двигателем и углом установки второго воздушного винта в зависимости от следующих режимов работы:

- первого режима работы, требующего первой заданной тяговой мощности, при этом в первом режиме работы второй двигатель/генератор приводит во вращение второй воздушный винт в направлении, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта, и угол установки второго воздушного винта задают таким образом, чтобы второй воздушный винт обеспечивал от 20% до 40% указанной заданной тяговой мощности;

- второго режима работы, требующего второй заданной тяговой мощности, при этом во втором режиме работы второй двигатель/генератор не приводит во вращение второй воздушный винт, и угол установки второго воздушного винта задают таким образом, чтобы максимизировать эффективность аэродинамической связи с первым воздушным винтом;

- третьего режима работы, требующего третьей заданной тяговой мощности, при этом в третьем режиме газогенератор и первый воздушный винт регулируют таким образом, чтобы обеспечивать тяговую мощность, превышающую третью заданную тяговую мощность;

- четвертого режима работы, в котором угол установки первого воздушного винта 31 устанавливают в отрицательном значении и в котором второму воздушному винту задают нейтральную установку, при этом газогенератор работает в диапазоне режима высокого давления, составляющем от 90% до 100%, при этом в четвертом режиме первый воздушный винт находится в положении реверса тяги, а второй воздушный винт выполнен с возможностью разворачивать воздушный поток, чтобы питать первый воздушный винт;

- пятого режима работы, в котором общий уровень мощности поддерживают за счет исключительно электрического энергетического питания второго воздушного винта в течение заданного времени;

- шестого режима работы, в котором второй воздушный винт проявляет нарушение в работе:

- если привод угла установки второго воздушного винта неисправен, и в этом случае угол установки второго воздушного винта блокируется;

- если второй двигатель/генератор второго воздушного винта неисправен, и в этом случае второй воздушный винт переходит по команде в состояние свободного колеса.

В третьем режиме работы угол установки второго воздушного винта можно задавать таким образом, чтобы получить угол атаки лопастей менее 0°, чтобы вращать второй воздушный винт в направлении вращения, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта. Вторым воздушным винтом можно также управлять таким образом, чтобы получить угол атаки лопастей, превышающий 0°, чтобы вращать второй воздушный винт в направлении вращения, идентичном направлению вращения первого воздушного винта.

Благодаря этой конфигурации переменных взаимодействий между двумя воздушными винтами, улучшаются характеристики газотурбинного двигателя.

Кроме того, можно по-разному управлять первым и вторым воздушными винтами в зависимости от режимов работы газотурбинного двигателя.

Краткое описание чертежей

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

на фиг. 1 схематично показан заявленный газотурбинный двигатель в первой конфигурации;

на фиг. 2 схематично показан альтернативный вариант заявленного газотурбинного двигателя;

на фиг. 3 схематично показан заявленный газотурбинный двигатель во второй конфигурации;

на фиг. 4 показано расположение воздушных винтов газотурбинного двигателя;

на фиг. 5 представлены режимы работы заявленного газотурбинного двигателя;

на фиг. 6 схематично представлен первый режим работы заявленного газотурбинного двигателя, соответствующий взлету летательного аппарата;

на фиг. 7 схематично представлен второй режим работы заявленного газотурбинного двигателя, соответствующий полету на крейсерской скорости летательного аппарата;

на фиг. 8 схематично представлен третий режим работы заявленного газотурбинного двигателя согласно первому варианту осуществления, соответствующий режиму малого газа при снижении летательного аппарата;

на фиг. 9 схематично показан профиль прогиба пера воздушного винта заявленного газотурбинного двигателя;

на фиг. 10 схематично показана передняя кромка воздушного винта заявленного газотурбинного двигателя;

на фиг. 11 схематично показан третий режим работы заявленного газотурбинного двигателя согласно второму варианту осуществления, соответствующий режиму малого газа при снижении летательного аппарата.

На всех фигурах подобные элементы имеют одинаковые обозначения.

Раскрытие сущности изобретения

Как показано на фиг. 1, 2 и 3, газотурбинный двигатель летательного аппарата содержит кольцевое пространство 1 для прохождения газового потока, ограниченное наружным корпусом 2 и внутренней центральной частью 3. В дальнейшем такое кольцевое пространство 1 будет называться проточным трактом прохождения газового потока.

Проточный тракт 1 прохождения газового потока содержит от входа к выходу по направлению прохождения газового потока (вдоль оси АА’, показано стрелкой F) компрессор 11 низкого давления, компрессор 12 высокого давления, камеру 13 сгорания, турбину 14 высокого давления и турбину 15 низкого давления.

Турбина 15 низкого давления выполнена с возможностью приведения во вращение вала 25 низкого давления, тогда как турбина 14 высокого давления выполнена с возможностью приводить во вращение вал 24 высокого давления.

По направлению прохождения газов газотурбинный двигатель содержит первый воздушный винт 31 и второй воздушный винт 32, расположенный за первым воздушным винтом 31. Первый и второй воздушные винты являются незакапотированными (согласно английской терминологии такая архитектура называется “open rotor”).

Первый и второй воздушные винты 31, 32 отходят от внутренней центральной части 3 и содержат несколько лопастей, отходящих от этой внутренней центральной части 3.

Ниже следует описание двух конфигураций, а именно первой конфигурации со ссылками на фиг. 1 и 2 и второй конфигурации со ссылками на фиг. 3.

Согласно первой конфигурации, первый и второй воздушные винты 31, 32 расположены перед входом в проточный тракт 1 прохождения газового потока.

Альтернативно, согласно второй конфигурации, первый и второй воздушные винты 31, 32 расположены на выходе из проточного тракта прохождения газового потока. В частности, первый и второй воздушные винты 31, 32 расположены на выходе и снаружи сзади и над проточным трактом 1 прохождения газового потока.

Эти две конфигурации отличаются друг от друга положением первого и второго воздушных винтов по отношению ко входу и выходу проточного тракта 1 прохождения газового потока (вход и выход определены по направлению прохождения газового потока).

Предпочтительно, согласно одной или другой из двух вышеупомянутых конфигураций, второй воздушный винт 32 расположен на расстоянии, составляющем от 1,5 до 4 длин хорды первого воздушного винта, определяемом между соответствующими осями установки каждого из первого и второго воздушных винтов 31, 32, что будет описано ниже со ссылками на фиг. 4.

На фиг. 4 показано расположение первого 31 и второго 32 воздушных винтов вдоль продольной оси АА’ газотурбинного двигателя. В соответствии с этой фигурой можно уточнить, что под длиной хорды LCi (i=1 для первого воздушного винта, i=2 для второго воздушного винта) следует понимать длину хорды 42, то есть длину сегмента (или хорды) между передней кромкой 41 и задней кромкой 43 воздушного винта. Кроме того, промежуток между двумя воздушными винтами 31, 32 измеряют между соответствующими осями установки А31, А32 каждого из воздушных винтов 31, 32. На этой фигуре воздушные винты отстоят друг от друга на три длины хорды LC.

Такой промежуток между двумя воздушными винтами 31, 32 обеспечивает аэродинамическую связь, которая может эффективно участвовать в тяге газотурбинного двигателя.

Этот промежуток является также результатом аэро-акустического компромисса между:

- расстоянием между двумя воздушными винтами, достаточно большим, чтобы ограничивать интенсивность полос акустических взаимодействий между воздушными винтами;

- расстоянием между двумя воздушными винтами, достаточно малым, чтобы минимизировать рассеяние профилей скорости на выходе из первого воздушного винта (входного воздушного винта) и способствовать их немедленному использованию посредством отклонения второго воздушного винта (выходного воздушного винта).

Кроме того, этот промежуток учитывает потребность в интегрировании механизмов изменения шага каждого воздушного винта, для размещения которых необходим определенный осевой объем.

Предпочтительно второй воздушный винт 32 имеет следующие геометрические характеристики:

- наружный диаметр, составляющий от 0,8 до 1 наружного диаметра первого, входного воздушного винта 31;

- относительный диаметр втулки (отношение внутренний радиус/наружный радиус лопасти), составляющий от 0,22 до 0,40;

- средняя хорда, составляющая от 0,8 до 1,2 средней хорды первого, входного воздушного винта 31.

Предпочтительно первый воздушный винт 31 приводится во вращение турбиной 15 низкого давления только через вал 25 низкого давления и первый редуктор 50 или при помощи комбинации первого электрического двигателя/генератора 60 и турбины 15 низкого давления через тот же первый редуктор 50. Таким образом, первый двигатель/генератор 60 позволяет компенсировать возможные неисправности вала 25 низкого давления.

В этом варианте в случае нарушения в работе турбины низкого давления, участвующей в энергетическом питании первого воздушного винта 31, двигатель/генератор 60 обеспечивает подачу части энергии, необходимой для первого воздушного винта 31.

Эту конфигурацию, показанную на фиг. 2, можно также применить для конфигурации, показанной на фиг. 3, где воздушные винты находятся на выходе кольцевого пространства прохождения газового потока.

Второй воздушный винт 32 приводится во вращение только вторым электрическим двигателем/генератором 70 через второй редуктор 80.

Предпочтительно первый редуктор 50 и второй редуктор 80 являются:

- механическими (эпициклического или планетарного типа) с передаточным числом в режиме вращения, составляющим от 8 до 12; или

- электромагнитными.

В зависимости от конфигураций газотурбинный двигатель может содержать первый электрический двигатель/генератор 60 и второй электрический двигатель/генератор 70, которые могут работать как «двигатель», а также как «генератор электричества».

В связи с этим следует отметить, что силовая установка содержит устройство 90 накопления энергии, соединенное с первым и/или вторым электрическим двигателем/генератором, при этом устройство накопления энергии предпочтительно имеет емкость от 200 до 500 кВт⋅ч.

Когда электрический двигатель/генератор 60, 70 работает в режиме двигателя, устройство 90 накопления энергии является источником питания для электрического двигателя/генератора 60, 70, тогда как, кода воздушные винты 31, 32 не вращаются электрическим двигателем/генератором 60, 70, электрический двигатель/генератор обеспечивает подзарядку устройства 90 накопления энергии.

Действительно, электрический двигатель/генератор 60, 70 может иметь режимы работы, в ходе которых он не работает в качестве «двигателя», для подзарядки устройства 90 накопления.

Независимо от конфигурации, газотурбинный двигатель может содержать связанный с каждым воздушным винтом блок управления углом установки воздушного винта (блоки UC1 и UC’1 на фигурах), который характеризуется:

- для первого воздушного винта - отклонением, предпочтительно составляющим от -30° до +30°;

- для второго воздушного винта - отклонением, предпочтительно ограниченным положительными углами установки, как правило от 0° до +90° / максимально от 0° до 110°.

В данном случае термин «угол установки воздушного винта» используют для угла установки каждой лопасти воздушного винта.

Предпочтительно второй воздушный винт 32 используют по-разному в зависимости от нескольких режимов работы силовой установки летательного аппарата. Как будет описано ниже (со ссылками на фиг. 5) второй воздушный винт 32 может иметь несколько функций, чтобы участвовать в работе летательного аппарата в соответствии с этими разными конфигурациями.

Так, газотурбинный двигатель содержит блок UC2 управления вторым двигателем/генератором, связанным со вторым воздушным винтом 32, при этом блок UC2 управления вторым двигателем/генератором 70 позволяет непрерывно управлять подачей электрической мощности для этого второго двигателя/генератора между крайними случаями нулевой подачи и подачи, соответствующей максимальной мощности второго двигателя/генератора 70, которую от способен выдавать, исходя из своих размеров.

Первый режим работы М1 соответствует взлету/набору высоты летательного аппарата, когда газотурбинный двигатель нуждается в большой тяговой мощности, называемой заданной тяговой мощностью:

- второй двигатель/генератор 70 находится в режиме «двигателя» и использует энергию устройства 90 накопления в качестве источника питания с целью приведения во вращение второго воздушного винта 32;

- угол установки второго воздушного винта регулируют таким образом, чтобы второй воздушный винт 32 обеспечивал тягу на уровне примерно 20-40% заданной тяговой мощности (то есть ~5 МВт максимум для класса летательного аппарата короткой/средней дальности) и чтобы угол атаки лопастей Ai превышал 0° (как показано на фиг. 6);

- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления (N2K), составляющем от 90 до 100% в зависимости от расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания.

В ходе этого первого режима работы М1 приведение во вращение второго воздушного винта 32 позволяет снизить уровень энергии, необходимый для первого воздушного винта 31, чтобы обеспечивать общую тягу, ожидаемую от силовой установки, что позволяет ограничить диаметр первого воздушного винта 31 значением, меньшим, чем требовалось в известном решении в отсутствие подачи дополнительной тяги через воздушный винт 32. Такое уменьшение диаметра позволяет выполнить первый воздушный винт 31, который можно легко интегрировать, одновременно сохраняя высокий энергетический КПД общей силовой установки.

Кроме того, требуемый уровень энергии на валу низкого давления стал ниже, как и уровень энергии, ожидаемый от газогенератора, вследствие чего кольцевое пространство прохождения газов можно ограничить меньшим значением, адаптированным к этому меньшему ожидаемому уровню энергии. Получают выигрыш в массе газотурбинного двигателя вместе с более высокими характеристиками, а также снижение звукового влияния, связанного с выпуском газов на выходе газогенератора.

Второй режим работы М2 соответствует полету на крейсерской скорости летательного аппарата, когда газотурбинный двигатель нуждается в промежуточной тяговой мощности:

- второй двигатель/генератор 70 не используется, второй воздушный винт 32 не получает механической мощности и находится в состоянии «свободного колеса»;

- угол установки второго воздушного винта 32 задают в соответствии с углом установки первого воздушного винта 31 с целью максимизации тяговой эффективности его комбинации с первым, входным воздушным винтом 31 опять же таким образом, чтобы угол атаки лопастей Аi превышал 0° (как показано на фиг. 7). Таким образом, второй воздушный винт 32 работает как спрямляющий аппарат. Его режим вращения является свободным и зависит от аэродинамической связи с первым воздушным винтом 31: он либо не вращается, либо вращается очень медленно. Газогенератор и первый воздушный винт 31 отрегулированы таким образом, чтобы они точно отвечали ожидаемой энергетической потребности. Углы установки получают в результате предварительного аэродинамического проектирования.

- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления, составляющем от 80 до 90%.

В ходе этого второго рабочего режима М2 тяговую эффективность первого воздушного винта 31 доводят до максимума за счет использования его остаточного вращения. Вращение потока (нежелательное, так как не способствует повышению скорости потока вдоль тяговой оси), исходящего от первого воздушного винта, рекуперируют за счет взаимодействия с лопастями второго воздушного винта (в данном случае почти неподвижного) и используют в виде вектора скорости потока, ориентированного вдоль главной тяговой оси.

Третий режим работы М3 соответствует режиму малого газа при снижении летательного аппарата, когда газотурбинный двигатель нуждается в небольшой мощности:

- газогенератор и первый воздушный винт 31 регулируют по рабочей точке, превышающей реальную тяговую потребность;

- избыточно генерируемая энергия проявляется в виде избытка энтальпии и вращательного движения на выходе первого воздушного винта 31. Эту избыточную энергию рекуперируют на втором воздушном винте 32, который в этом случае приводится во вращение и работает в режиме ветрового генератора через соответствующий выбор угла установки. Механическая энергия, рекуперируемая таким образом на втором воздушном винте 32, питает второй двигатель/генератор 70, который работает при этом в режиме генератора, подзаряжая устройство 90 накопления.

- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления, составляющем 90-100% в зависимости от расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания.

В ходе этого третьего рабочего режима М3 энергетическое разъединение тяговой потребности и рабочей точки газогенератора и первого воздушного винта 31 позволяет поместить последние в зоны производительности, намного более благоприятные, чем в классической конфигурации в режиме малого газа. Это позволяет также отойти от критических зон работы компрессора через регулирование газогенератора на средних/высоких уровнях мощности, при которых работа является менее критической, чем в условиях малого газа.

Этот рабочий режим М3 можно получить в соответствии с двумя вариантами осуществления:

- в первом варианте осуществления (показанном на фиг. 8) угол установки второго воздушного винта 32 изменяют таким образом, чтобы угол атаки лопастей Ai был меньше 0°. Это изменение угла атаки Ai лопастей позволяет получить коэффициент подъемной силы менее 0° и позволяет приводить во вращение второй воздушный винт 32 в направлении, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта 31. Этот вариант осуществления позволяет сохранить такое же направление вращения второго воздушного винта 32, что и на других рабочих режимах, и позволяет избежать усложнения коробки скоростей. С другой стороны, он вынуждает изменить геометрию воздушного винта путем уменьшения прогиба Fl профиля пера, соответсвующего максимальному расстоянию между хордой и линией изгиба (показано на фиг. 9). Кроме того, чтобы избежать срыва потока, необходимо предусмотреть лопасти с широкой передней кромкой Ва (показано на фиг. 10);

- Во втором варианте осуществления (показанном на фиг. 11) угол установки второго воздушного винта 32 изменяют таким образом, чтобы угол атаки лопастей Ai превышал 0°. Это изменение угла атаки Ai лопастей позволяет приводить во вращение второй воздушный винт 32 в том же направлении, что и первый воздушный винт 31. Этот вариант осуществления предполагает проектирование коробки скоростей, позволяющей второму воздушному винту 32 вращаться в обоих направлениях, но, с другой стороны, он не предполагает изменения геометрии воздушного винта, учитывая, что его аэродинамическая работа остается такой же, как и на других режимах работы.

Четвертый режим работы М4 соответствует торможению летательного аппарата:

- первый воздушный винт 31 регулируют с отрицательным значением угла установки;

- второй воздушный винт 32 оставляют в положении нейтральной установки (на английском языке “windmilling”), которое позволяет не генерировать никакой механической мощности на воздушном винте;

- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления, составляющем от 90 до 100%.

В ходе этого четвертого рабочего режима М4 происходит реверс тяги на первом воздушном винте 31, и второй воздушный винт 32 имеет угол установки, выбираемый таким образом, чтобы обеспечивать разворот воздушного потока, питающего первый воздушный винт 31.

Пятый режим работы соответствует нарушению в работе первого воздушного винта 31 или нарушению в работе газогенератора:

- угол установки первого воздушного винта 31 устанавливают в нейтральное положение установки (“windmilling”), если нарушение в работе этого первого воздушного винта это позволяет, или сохраняют в его значении угла установки в момент наступления нарушения в работе;

- угол установки второго воздушного винта 32 устанавливают в положении полной тяги, то есть в соответствии с углом установки, аналогичным углу установки первого воздушного винта 31, когда он работает в условиях обеспечения максимальной мощности;

- на второй двигатель/генератор 70 подают команду для подачи максимальной мощности на второй воздушный винт 32.

В ходе этого пятого режима работы М5 минимальный общий уровень тяги сохраняют в течение некоторого времени (через питание второго воздушного винта 32, чтобы поддерживать его тяговую мощность, при этом тягу генерирует исключительно второй воздушный винт 32), при этом указанное время обусловлено мощностью второго электрического двигателя/генератора 70 и имеющейся в наличии мощностью в связанном с ним устройстве 90 накопления. Этот пятый рабочий режим позволяет минимизировать влияние потери тяги первого воздушного винта 31 или потери поступления первичной энергии от газогенератора.

Шестой режим работы М6 тоже соответствует нарушению в работе, но на этот раз второго воздушного винта 32:

- если нарушение в работе связано с тем, что невозможно задать угол установки второго воздушного винта 32, то угол установки второго воздушного винта 32 сохраняют заблокированным в его последнем занимаемом положении;

- если нарушение в работе возникло во втором двигателе/генераторе 70, то второй воздушный винт 32 оставляют в состоянии свободного колеса, пока диапазон угла установки позволяет обеспечивать тягу.

Такой шестой режим работы М6 позволяет предусмотреть архитектуру газотурбинного двигателя, стойкую к отказу второго воздушного винта.

Как было указано выше, первый двигатель/генератор 60, связанный с первым воздушным винтом 31, может быть использован в дополнение к приведению во вращение турбиной 15 низкого давления (см. фиг. 2).

Эта конфигурация обеспечивает:

- усиление вала низкого давления (первого входного воздушного винта 31) со стороны первого электрического двигателя/генератора 60;

- в случае первого рабочего режима: усиление при взлете одновременно с работой, уже производимой вторым воздушным винтом 32;

- в случае неисправности газогенератора в ходе пятого рабочего режима: возможность вращать первый воздушный винт в течение времени, ограниченного емкостью энергетического накопителя;

- передачу энергии в реальном времени между вторым воздушным винтом 32 и валом низкого давления: даже если накопитель, связанный с первым двигателем/генератором, в режиме «генератора» является пустым, второй воздушный винт 32 может получать механическую энергию в соответствии с потребностями;

- более эффективный профиль подзарядки первого двигателя/генератора в режиме «двигателя», поскольку он напрямую связан с турбиной низкого давления.

Изобретение относится к газотурбинному двигателю летательного аппарата, содержащему наружный корпус (2), ограничивающий вместе с внутренней центральной частью (3) проточный тракт (1) прохождения газового потока, в котором расположена турбина низкого давления, выполненная с возможностью приводить во вращение вал низкого давления. Указанный газотурбинный двигатель содержит по направлению прохождения газового потока первый воздушный винт (31) и второй воздушный винт (32), расположенный за первым воздушным винтом, при этом первый воздушный винт (31) приводится во вращение указанным валом низкого давления, а второй воздушный винт приводится во вращение электрическим двигателем (70). Второй воздушный винт (32) расположен на расстоянии, составляющем от 1,5 до 4 длин хорд (LC1) первого воздушного винта (31) и определяемом между соответствующими осями установки угла (А31, А32) каждого из первого и второго воздушных винтов. Такой промежуток между двумя воздушными винтами (31, 32) обеспечивает аэродинамическую связь, которая может эффективно участвовать в тяге газотурбинного двигателя. Этот промежуток является также результатом аэро-акустического компромисса между: расстоянием между двумя воздушными винтами, достаточно большим, чтобы ограничивать интенсивность полос акустических взаимодействий между воздушными винтами; расстоянием между двумя воздушными винтами, достаточно малым, чтобы минимизировать рассеяние профилей скорости на выходе из первого воздушного винта (входного воздушного винта) и способствовать их немедленному использованию посредством отклонения второго воздушного винта (выходного воздушного винта). Благодаря конфигурации переменных взаимодействий между двумя воздушными винтами, улучшаются характеристики газотурбинного двигателя. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Газотурбинный двигатель летательного аппарата, содержащий наружный корпус (2), ограничивающий вместе с внутренней центральной частью (3) проточный тракт (1) прохождения газового потока, в котором расположена турбина низкого давления, выполненная с возможностью приведения во вращение вала низкого давления; при этом указанный газотурбинный двигатель содержит по направлению прохождения газового потока первый воздушный винт (31) и второй воздушный винт (32), расположенный за первым воздушным винтом, причем первый воздушный винт (31) приводится во вращение указанным валом низкого давления, а второй воздушный винт приводится во вращение электрическим двигателем (70), при этом второй воздушный винт (32) расположен на расстоянии от первого воздушного винта, составляющем от 1,5 до 4 длин хорд (LC1) первого воздушного винта (31), при этом указанное расстояние определяется между соответствующими осями установки угла (А31, А32) каждого из первого и второго воздушных винтов.

2. Газотурбинный двигатель по п. 1, в котором второй воздушный винт (32) имеет наружный диаметр, составляющий от 0,8 до 1 наружного диаметра первого воздушного винта (31).

3. Газотурбинный двигатель по п. 1 или 2, содержащий внутреннюю центральную часть (3), от которой отходят лопасти второго воздушного винта (32), при этом для второго воздушного винта (32) отношение радиуса центральной части к наружному радиусу лопасти составляет от 0,22 до 0,40.

4. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-3, в котором второй воздушный винт (32) имеет длину хорды (LC2), составляющую от 0,8 до 1,2 длины хорды (LC1) первого воздушного винта (31).

5. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-4, содержащий первый электрический двигатель/генератор (60), выполненный с возможностью принимать участие в приведении во вращение вала низкого давления, при этом первый воздушный винт (31) приводится во вращение указанным валом (25) низкого давления посредством редуктора (50).

6. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-5, содержащий устройство (90) накопления энергии, соединенное с первым и/или вторым электрическим двигателем/генератором (60, 70), при этом устройство накопления энергии предпочтительно имеет емкость, составляющую от 200 до 500 кВт·ч.

7. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-6, в котором первый и второй воздушные винты (31, 32) расположены на входе в проточный тракт (1) прохождения газового потока.

8. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-6, в котором первый и второй воздушные винты (31, 32) расположены на выходе из проточного тракта (1) и снаружи проточного тракта (1) прохождения газового потока.

9. Газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-8, содержащий газогенератор, блок (uc2) управления вторым электрическим двигателем/генератором (70), блок (uc2’) управления углом установки второго воздушного винта (32), при этом указанные блоки управления выполнены с возможностью управлять вторым двигателем и углом установки второго воздушного винта в зависимости от следующих режимов работы:

- первого режима работы (М1), требующего первой заданной тяговой мощности, при этом в первом режиме работы второй двигатель/генератор приводит во вращение второй воздушный винт в направлении, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта, при этом угол установки второго воздушного винта задан так, чтобы второй воздушный винт обеспечивал от 20% до 40% указанной заданной тяговой мощности;

- второго режима работы (М2), требующего второй заданной тяговой мощности, при этом во втором режиме работы второй двигатель/генератор не приводит во вращение второй воздушный винт, а угол установки второго воздушного винта задан так, чтобы максимизировать эффективность аэродинамической связи с первым воздушным винтом;

- третьего режима работы (М3), требующего третьей заданной тяговой мощности, при этом в третьем режиме газогенератор и первый воздушный винт отрегулированы так, чтобы обеспечивать тяговую мощность, превышающую третью заданную тяговую мощность;

- четвертого режима работы (М4), в котором угол установки первого воздушного винта (31) установлен в отрицательном значении, а второй воздушный винт установлен в нейтральном положении, при этом газогенератор работает в диапазоне режима высокого давления, составляющем от 90% до 100%, при этом в четвертом режиме первый воздушный винт находится в положении реверса тяги, а второй воздушный винт выполнен с возможностью разворачивать воздушный поток, питая первый воздушный винт;

- пятого режима работы (М5), в котором общий уровень мощности поддерживается исключительно за счет электрического энергетического питания второго воздушного винта в течение заданного времени;

- шестого режима работы (М6), в котором второй воздушный винт имеет нарушение в работе:

- если привод угла установки второго воздушного винта неисправен, и в этом случае угол установки второго воздушного винта блокируется;

- если второй двигатель/генератор второго воздушного винта неисправен, и в этом случае второй воздушный винт переходит по команде в состояние свободного колеса.

10. Газотурбинный двигатель по п. 9, в котором в третьем режиме работы (М3) угол установки второго воздушного винта задан так, чтобы получить угол атаки лопастей менее 0°, чтобы приводить во вращение второй воздушный винт в направлении вращения, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта.

11. Газотурбинный двигатель по п. 9, в котором в третьем режиме работы (М3) угол установки второго воздушного винта задан так, чтобы получить угол атаки лопастей, превышающий 0°, чтобы приводить во вращение второй воздушный винт в направлении вращения, идентичном направлению вращения первого воздушного винта.

12. Силовая установка, содержащая газотурбинный двигатель по любому из пп. 1-5 и дополнительно содержащая устройство (90) накопления энергии, соединенное с первым и/или вторым электрическим двигателем/генератором (60, 70), при этом устройство накопления энергии предпочтительно имеет емкость, составляющую от 200 до 500 кВт·ч.