СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОЙ СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ, ДВИГАТЕЛЬ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ УКАЗАННОЕ УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОЙ СМАЗКИ
METHOD AND DEVICE FOR EMERGENCY LUBRICATION OF ENGINE, ENGINE AND TRANSPORT VEHICLE CONTAINING SUCH EMERGENCY LUBRICATION DEVICE

Настоящее изобретение относится к устройству и способу аварийной смазки двигателя, в частности газотурбинного типа, а именно турбореактивного двигателя.
Под термином «двигатель» понимается любое устройство, производящее движение предпочтительно путем сжигания жидкого горючего вещества, например поршневой двигатель обычного действия, карбюраторный или дизельный двигатель; двигатель с катящимся поршнем, например двигатель типа Ванкеля; турбинные двигатели, например турбовинтовой двигатель или турбореактивный двигатель с односторонним истечением воздуха или с истечением первичного и вторичного воздуха; электродвигатель, питание которого обеспечивается за счет топливного элемента и т.д. Такие двигатели могут применяться для приведения в движение транспортного средства или иных целей, в том числе для выработки электроэнергии, обеспечения работы механизмов, например насосов или компрессоров и т.д.
Двигатели, созданные на базе достигнутого уровня техники, обычно включают в себя систему смазки, предназначенную для смазки и, в случае необходимости, охлаждения подшипников и шестерен двигателя, включая шестеренчатую коробку передач, которая приводит оборудование в движение.
Такая традиционная система смазки, как правило, включает в себя емкость со смазывающим жидким веществом, например маслом, подающий и отводящий трубопровод, а также насос для жидкого смазывающего вещества, обеспечивающий принудительную циркуляцию смазки от емкости к смазываемым деталям и ее возврат в емкость по вышеуказанному подающему и отводящему трубопроводу. Кроме того, общеизвестно, что система также содержит фильтр, не допускающий, чтобы примеси, способные повредить смазываемые детали, циркулировали вместе с жидким смазывающим веществом к смазываемым деталям; теплообменник, предназначенный для охлаждения жидкого смазывающего вещества; диффузор или жиклер жидкого смазывающего вещества для распределения жидкого смазывающего вещества между смазываемыми деталями; датчики температуры и давления для осуществления контроля над работой системы.
В случае поломки системы смазки существует опасность повреждения двигателя, вплоть до его остановки. Датчики температуры и давления контролируют, хорошо ли функционирует система и можно ли остановить двигатель с целью его защиты от неблагоприятных последствий работы без смазки.
В некоторых случаях такая аварийная остановка может представлять особую опасность, в связи с чем принимаются специальные меры для того, чтобы избежать этого. Например, в летательном аппарате, оснащенном только одним обеспечивающим движение двигателем, обычно в дополнение к главной системе смазки устанавливается устройство аварийной смазки, которое должно обеспечить дополнительную автономию летательного аппарата, позволяющую ему вернуться на аэродром в случае выхода из строя главной системы смазки.
В соответствии с известным уровнем техники, описанным, например, в патенте US 4888947, такое устройство аварийной смазки содержит накопительную емкость для масла, отбираемого из главной системы смазки, которое предназначено для обеспечения минимально необходимой смазки и работы двигателя в течение определенного времени, как правило, 20 минут после выхода из строя главной системы смазки. Данное устройство аварийной смазки увеличивает объем масла главной системы смазки и в такой же мере массу двигателя, при этом его полезность проявляется только в случае возможной поломки главной системы смазки. Кроме того, его применение носит временный характер.
В летательном аппарате, оснащенном несколькими двигателями, остановка только одного из двигателей в результате выхода из строя его системы смазки представляет меньшую опасность, поскольку, как правило, имеется возможность за счет одного или других двигателей возвратиться на аэродром. Однако одновременная поломка всей совокупности систем смазки может привести к поломке летательного аппарата. Случаи такого вида одновременной поломки ранее уже встречались, в частности, в результате неправильных операций по техническому обслуживанию систем смазки. Применение описанного выше устройства аварийной смазки с накопительной емкостью для масла не способно гарантировать ни от ряда поломок, ни от остановки двигателей после израсходования масла, содержащегося в накопительной емкости; тем не менее двигатели могут еще оставаться в хорошем рабочем состоянии.
Задачей настоящего изобретения является разработка аварийной системы смазки, независимой от двигателя, содержащего основную систему смазки, посредством масла, которая применяется в случае поломки этой основной системы смазки. При производстве данной аварийной смазки должен быть нанесен минимальный ущерб по массе, ее применение по времени ограничено только наличием используемого жидкого вещества, она должна легко адаптироваться к существующим двигателям.
Кроме того, настоящее изобретение должно обеспечить устранение опасности в случае одновременной поломки систем смазки нескольких двигателей. Результатом этого должно стать значительное повышение уровня безопасности.
В соответствии с изобретением производится определение неисправности системы смазки, а после обнаружения такой неисправности по меньшей мере часть жидкого горючего вещества отбирается для обеспечения смазки по меньшей мере одной детали двигателя.
В патенте US 5568984 предложены системы смазки, предусматривающие смазку и, в случае необходимости, охлаждение двигателя посредством содержащегося в нем жидкого горючего вещества. Однако системы смазки такого типа, используемые, в частности, в реактивных двигателях, обеспечивающих приведение в движение ракет, предназначены для смазки двигателя в штатной обстановке, а не в случае поломки другой системы смазки. На основе этих публикаций для специалистов не было бы очевидным применять данное решение для разрешения проблемы аварийной смазки в случае поломки главной системы смазки. Кроме того, такие системы смазки жидким горючим веществом в нормальной обстановке позволяют обеспечить только незначительную смазку, сравнимую со смазкой, достигаемой при помощи системы смазки жидким маслом.
Предпочтительно, чтобы часть жидкого горючего вещества двигателя, отбираемого для аварийной смазки, подавалась по меньшей мере в одну имеющуюся в двигателе камеру; при этом производится дренирование камеры двигателя с целью предотвращения ее переполнения, когда жидкое горючее вещество добавляется к содержащемуся в данной камере маслу главной системы смазки.
Предпочтительно, чтобы после обнаружения поломки двигатель также переводился в безопасный режим работы, ограничивающий масштабы его применения. Это позволяет ограничить количество деталей двигателя, требующих аварийной смазки в случае поломки главной системы смазки, а также количество жидкого горючего вещества, используемого для производства данной аварийной смазки, и средств, необходимых для его отбора.
Устройство для производства аварийной смазки согласно изобретению содержит средства обнаружения поломки главной системы смазки, средства отбора, по меньшей мере, части жидкого горючего вещества двигателя с целью его направления, по меньшей мере, к одной смазываемой детали двигателя, а также средства управления, которые могли бы быть присоединены к данным средствам обнаружения и отбора для приведения в действие данных средств отбора в случае поломки главной системы смазки.
Предпочтительно, чтобы данные средства обнаружения содержали по меньшей мере один датчик низкого давления масла, который представляет собой очень простое средство для обнаружения поломки главной системы смазки.
Для обеспечения более высокого качества смазывания деталей, предпочтительно, чтобы данные средства отбора подавались по меньшей мере в один жиклер. Если в тоже время данный жиклер содержит, по меньшей мере, один жиклер главной системы смазки, то удается избежать дублирования деталей, что, соответственно, дает значительный выигрыш по массе.
Предпочтительно, чтобы данные средства отбора содержали трубопровод отбора по меньшей мере с первым затвором. Преимуществом такого первого затвора является легкость присоединения и отсоединения устройства для производства аварийной смазки к питательному трубопроводу, обеспечивающему снабжение жидким горючим веществом двигателя, с целью отбора по меньшей мере его определенной части.
Предпочтительно, чтобы устройство для производства аварийной смазки также содержало средства дренирования по меньшей мере одной установленной в двигателе камеры; при этом указанные средства управления также могут присоединяться к этим средствам дренирования для приведения их в действие в случае поломки главной системы смазки. Указанные средства дренирования позволяют избежать переполнения камеры, когда жидкое горючее вещество добавляется к содержащемуся в камере маслу главной системы смазки.
Предпочтительно, чтобы указанные средства дренирования содержали трубопровод отвода смазки по меньшей мере с одним вторым затвором. Преимуществом такого второго затвора является простота дренирования данной камеры в соответствии с командами данных средств управления.
Предпочтительно, чтобы указанные первый и второй затворы функционально были соединены таким образом, чтобы отбор жидкого горючего вещества для смазки всегда сочетался с дренированием данных камер. Предпочтительно также, чтобы первый и второй затворы были объединены в сдвоенный затвор с единым управлением, что позволяет упростить устройство аварийной смазки, обеспечивая при этом постоянное сочетание отбора жидкого горючего вещества для производства смазки с дренированием данных камер.
В частности, данные средства дренирования могут содержать по меньшей мере один отводящий канал, выходящий, например, в проходящий через двигатель воздушный поток или удаленную зону двигателя, что позволяет произвести дренирование масла и жидкого горючего вещества из камеры в зону, не представляющую собой опасность.
Изобретение также относится к двигателю, содержащему главную систему смазки жидким маслом и устройство аварийной смазки согласно изобретению. В частности, данный двигатель представляет собой двигатель газотурбинного типа, в котором особенно важно производить смазку.
Изобретение также относится к транспортному средству с двигателем согласно изобретению. Для транспортных средств, в частности для летательных аппаратов, особенно актуальной является надежность двигателей, и особенно двигателей, обеспечивающих движение транспортных средств.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуру, на которой схематично изображен вариант осуществления двигателя согласно изобретению с главной системой смазки и устройством для производства аварийной смазки.
При применении изображенного на фиг. двигателя 1, представляющего собой, например, авиационную силовую установку, основное внимание уделяется его надежности. Вместе с тем изобретение может применяться в двигателях для приведения в движение других типов транспортных средств или даже в других целях, например, для выработки электроэнергии в генераторах (мобильных или стационарных). Двигатель 1 является двигателем газотурбинного, в частности турбореактивного типа. Настоящее изобретение может найти применение и в двигателях других типов.
Двигатель 1 содержит главную систему смазки 2; систему 3 питания, предназначенную для подачи в камеру сгорания 4 горючего жидкого вещества; камеру 5, включающую в себя детали двигателя 1, которые подлежат смазке и охлаждению, такие как подшипники и (или) шестерни; аварийную систему смазки 6.
Главная система смазки 2 в процессе функционирования обеспечивает подачу жидкого масла для смазки элементов камеры 5. С этой целью главная система смазки 2 содержит емкость 7, подающий и отводящий трубопровод 8 и насос 9, содержащий (согласно представленному варианту осуществления) питательный насос 9а и откачивающий насос 9b. В представленном варианте осуществления смазывающим веществом является масло.
При нормальном функционировании главной системы смазки 2 насос 9 обеспечивает циркуляцию масла по трубопроводу 8 от емкости 7 к камере 5 и обратно к емкости 7. В дополнение к изображенным деталям главная система смазки 2 может также содержать фильтр, который исключает возможность попадания примесей, способных повредить смазываемые детали, вместе со смазывающим веществом на смазываемые детали; теплообменник, предназначенный для охлаждения смазывающей жидкости в камере 5; диффузор или жиклер смазывающего вещества для распределения смазывающего вещества в камере; датчики температуры и давления 14 для контроля давления и температуры смазывающего жидкого вещества, что позволяет обнаружить плохое функционирование сети 8 и затворов в трубопроводе 8 в процессе контролирования циркуляции смазывающего жидкого вещества в зависимости от ее температуры и давления.
Питательная система 3 содержит, в частности, трубопровод жидкого горючего вещества 10 и насос 11 для жидкого горючего вещества. Данная питательная система 3, работа которой регулируется системой контроля функционирования двигателя 1, обеспечивает давление и расход жидкого горючего вещества для функционирования двигателя 1.
Устройство аварийной смазки 6 содержит средства отбора 12 жидкого горючего вещества, средства откачивания 13, датчик низкого давления 14, устанавливаемый в трубопроводе 8 главной системы смазки 2, и средства управления 15, сопряженные с датчиком низкого давления 14.
Средства отбора 12 содержат трубопровод отбора 16, соединенный с трубопроводом жидкого горючего вещества 10 и попадающий в камеру 5, в случае необходимости, в жиклеры, которые могут быть жиклерами главной системы смазки 2 и (или) самостоятельными жиклерами, приспособленными с учетом вязкости жидкого горючего вещества, давления и расхода для аварийной смазки. Устройство аварийной смазки 6 не должно в обязательном порядке подавать жидкое горючее вещество на все детали двигателя 1, смазка которых в нормальной ситуации обеспечивается за счет главной системы смазки 2, а может ограничиваться подачей жидкого горючего вещества для смазки деталей двигателя 1, требующих такой смазки с целью недопущения остановки двигателя 1, вращающегося в аварийном режиме.
Средства отбора 12 дополнительно содержат на трубопроводе отбора 16 первый затвор 17а с электрическим или механическим управлением, сопряженный со средствами управления 15 и осуществляющий открытие или закрытие подачи жидкого горючего вещества по трубопроводу отбора 16 в соответствии с командами средств управления 15.
Средства дренирования 13 содержат трубопровод дренирования 18, связанный с камерой 5 и выходящий наружу по меньшей мере через один трубопровод отвода 19. Данный трубопровод отвода 19 размещается в зоне, где отвод смазывающего и (или) жидкого горючего вещества не представляет опасности. Например, в турбореактивном двигателе с истечением первичного и вторичного воздуха с расположенным вокруг него кожухом такой трубопровод отвода 19 может располагаться в воздушном потоке двигателя или за пределами кожуха, или в системе регенерации, которая обычно называется «экологическим модулем».
Средства дренирования 13 дополнительно содержат второй затвор 17b с электрическим или механическим управлением, сопряженный со средствами управления 15 и осуществляющий открытие или закрытие подачи удаляемого жидкого вещества через трубопровод дренирования 18 в соответствии с командами средств управления 15.
Согласно варианту осуществления первый затвор 17а и второй затвор 17b могут быть интегрированы в сдвоенный затвор 17 с единым управлением, контролируемым посредством средств управления 15.
В случае поломки главной системы смазки 2 датчик низкого давления 14 передает информацию об обнаружении поломки средствам управления 15. В ответ на поступивший сигнал средства управления 15 дают команду на открытие сдвоенного затвора 17 для осуществления отбора на трубопроводе жидкого горючего вещества по меньшей мере части жидкого горючего вещества для смазки деталей двигателя 1 и дренирования камеры 5 с целью предотвращения ее переполнения. Дренирование приводит сначала к удалению смеси масла с жидким горючим веществом, а затем исключительно жидкого горючего вещества.
В соответствии с сигналом датчика низкого давления 14 средства управления могут также включить аварийную сигнализацию пилота 20 и (или) перевести работу двигателя 1 в аварийный режим. В таком аварийном режиме скорость, крутящий момент или усилия, или мощность двигателя могут, например, быть ограничены с целью ограничить степень нагревания в результате трения и учитываться при определении габаритов устройства аварийной смазки. Это позволяет ограничить количество деталей двигателя 1, подвергаемых смазке при помощи устройства аварийной смазки 6 в случае поломки главной системы смазки 2. В таком аварийном режиме и с применением аварийной смазки, в которой используется жидкое горючее вещество, летательный аппарат, приводимый в движение двигателем 1, будет иметь больше возможностей для маневрирования, необходимого для принятия решения о возвращении на запасной аэродром.
Согласно другому варианту осуществления изобретения первый и (или) второй затвор 17а, 17b могут управляться при помощи автоматической системы затворов, реагирующей на анормальные изменения давления, которые характерны при поломке главной системы смазки, что позволяет обойтись без датчика низкого давления 14 и отдельных средств управления 15.
Устройство аварийной смазки 6 фактически не зависит от главной системы смазки 2, при этом его габариты могут быть приведены в соответствие с требованиями, предъявляемыми к хорошему функционированию. Кроме возможности ограничения количества деталей, которые смазываются при помощи устройства аварийной смазки 6 с учетом ограничений, обусловленных работой в аварийном режиме, и приведения жиклеров в соответствие с вязкостью жидкого горючего вещества, давлением и расходом устройства аварийной смазки 4, представляется также возможным установить в трубопроводе отбора 16 самостоятельные средства регулирования давления, например мембрану и (или) ограничитель давления.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на специальные примеры осуществления, очевидно, что в эти примеры, не выходя при этом за общие рамки изобретения, которые определены в формуле изобретения, могут быть внесены изменения. Следовательно, описание должно рассматриваться в большей степени как иллюстративное, чем описательное.
ЦИФРОВЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ФИГ. ЧЕРТЕЖА
1
Двигатель
2
Главная система смазки
3
Питательная система
4
Камера сгорания
5
Кожух
6
Устройство аварийной смазки
7
Емкость
8
Трубопровод
9
Насос
9а
Подкачивающий насос
9b
Откачивающий насос
10
Трубопровод жидкого горючего вещества
11
Насос для жидкого горючего вещества
12
Средства отбора
13
Средства дренирования
14
Датчик низкого давления
15
Средства управления
16
Трубопровод отбора
17
Сдвоенный затвор
17а
Первый затвор
17b
Второй затвор
18
Трубопровод дренирования
19
Трубопровод отвода
20
Аварийная сигнализация пилота