ГИБРИДНАЯ ПРОПУЛЬСИВНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СОДЕРЖАЩЕГО ДВИГАТЕЛЬ С РЕВЕРСИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНОЙ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА ДВУХ ВАЛАХ
HYBRID PROPULSIVE STRUCTURE FOR AN AIRCRAFT COMPRISING AN ENGINE WITH A REVERSIBLE ELECTRIC MACHINE MOUNTED ON TWO SHAFTS

Изобретение относится к гибридной пропульсивной конструкции для летательного аппарата, содержащего двигатель, соединенный с реверсивной электрической машиной на его валах.
Такие гибридные пропульсивные конструкции для современных летательных аппаратов включают двигатели, которые связаны с электрическими машинами, соединенными электрической распределительной сетью с устройствами накопления электроэнергии или другими устройствами накопления энергии. Двигатели могут снабжать, в дополнение к энергии, необходимой для приведения в движение, электроэнергией, эксплуатируемой или хранимой в других местах летательного аппарата; электрические машины также могут, в свою очередь, снабжать дополнительной энергией двигатели, используемые на определенных этапах наземных и летных заданий.
Однако, поскольку обычные турбомашины содержат вал низкого давления BP и вал высокого давления HP, вращающиеся с различными скоростями, и реверсивная передача энергии может преимущественно касаться любого из этих валов, мы вынуждены связывать каждую из турбомашин с конкретной электрической машиной, что может привести к сложной конструкции и которое окажется сложным для надежного контроля.
Выявленный известный уровень техники включает в себя большое количество гибридных пропульсивных конструкций, в которых валы и роторы авиационных двигателей связаны с реверсивными электрическими машинами: сначала будет упомянут EP 2119291 A2, который может быть наиболее близким документом к изобретению и содержит одну электрическую машину, соединенную соответствующими односторонними муфтами с двумя валами двигателя (здесь вал низкого давления и вал, связанный с концевой турбиной двигателя и предназначенный для приведения в движение воздушных винтов), в котором муфты расположены так, чтобы включать режим запуска, в котором электрическая машина работает как двигатель и приводит в движение первоначально холостой вал низкого давления, и нормальный режим после запуска, в котором вал для приведения в движение воздушных винтов достиг достаточной скорости, чтобы соединить другую одностороннюю муфту, чтобы использовать машину в качестве генератора электроэнергии и отсоединить первую муфту, соединяющую машину с валом низкого давления. Будет видно, что настоящее изобретение также использует, среди прочего, реверсивную электрическую машину, соединенную с двумя независимыми соосными валами авиационного двигателя односторонними муфтами; но эта конструкция содержит другие элементы, которые обеспечивают совершенно разные режимы работы.
Другими документами, заслуживающими упоминания, являются WO 95/02120 A1, в котором описаны три реверсивные электрические машины, соответственно связанные с валом низкого давления, валом высокого давления и валом вентилятора посредством трансмиссий, среди которых несколько содержат муфты и которые взаимодействуют для передачи энергии от одного вала к другому, что, однако, обязательно требует сложного управляющего устройства, особенно для муфт; US 2013/0038057 A1, в котором описывается реверсивная электрическая машина, которая может быть соединена либо с карданным валом, либо с валом низкого давления посредством соответствующих муфт; US 2011/154827 A1, в котором описано устройство, в котором два концентрических вала авиационного двигателя соединены с реверсивными электрическими машинами посредством зубчатых передач; EP1731735 A2, устройство, в котором вал высокого давления дополнительно соединен с реверсивной электрической машиной и также соединен, как и вал низкого давления, с узлом, содержащим гидравлический насос и гидравлический двигатель, а также муфту для передачи неограниченной мощности от вала низкого давления к валу высокого давления, тем не менее, это устройство нереверсивно для направления передачи энергии и отличается от электрической машины для реверсивного преобразования природы энергии; EP 1785614 A2, в котором описывается, находящееся в двигателе, содержащем два вала с противоположными направлениями вращения, устройство с электродвигателем для приведения в движение вала и вентилятора отдельно при рулении; и US 5867979 A, который дополнительно описывает устройство с тремя валами, каждый из которых связан с соответствующей реверсивной электрической машиной, для обеспечения передачи энергии от одного вала к другому.
Таким образом, такие пропульсивные конструкции обеспечивают множество улучшенных режимов работы авиационных двигателей с двумя–тремя валами через реверсивные электрические машины, позволяющие отводить энергию от валов или подводить ее к ним. Однако управление различными режимами, необходимыми для универсальной работы двигателя, включающим в себя множество различных режимов, подразумевает добавление муфт на трансмиссиях, соединяющих электрические машины с валами или машинами друг с другом, в результате чего получается значительно более тяжелое устройство и риск ненадежности из–за наличия системы управления.
Таким образом, задачей изобретения является обеспечение большого числа различных гибридных режимов работы авиационных двигателей посредством реверсивных электрических машин, связанных с двумя коаксиальными валами двигателя, работающих вместе, но с использованием максимально простого и легкого устройства, которое является абсолютно надежным в отношении управления муфтами. Основными средствами, используемыми для этого, являются обобщенное использование односторонних муфт для трансмиссий, соединение роторов электрических машин к каждому из обоих валов и использование возможности управления электрическими машинами в соответствии с четырьмя квадрантами, то есть в режиме двигателя и в режиме генератора в обоих направлениях вращения.
В общем виде изобретение относится к конструкции гибридной пропульсивной системы для летательного аппарата, содержащего двигатель, содержащий по меньшей мере два вала, вращающихся независимо друг от друга, причем эта конструкция дополнительно содержит две реверсивные электрические машины, соединенные с распределительной сетью, отличающаяся тем, что ротор каждой электрической машины соединен с каждым из валов двигателя соответствующей трансмиссией, причем каждая из трансмиссий содержит разъединяющую муфту, разъединяющие муфты являются пассивными односторонними муфтами, а односторонние муфты каждой электрической машины имеют противоположные направления разъединения вращения, при этом валы имеют либо обратные направления вращения, либо идентичные направления вращения, одна из трансмиссий имеет обратное направление вращения, тем, что она содержит систему управления электрическими машинами, обеспечивающую приведение в движение по меньшей мере одного из валов обеими электрическими машинами и обеспечивающую получение электричества от одного из двух валов первой электрической машиной одновременно с приведением в движение второго из двух валов второй электрической машиной.
Кроме того, в соответствии с существенным аспектом изобретения, позволяющим поддерживать как легкую, так и надежную систему, расцепляющие муфты представляют собой односторонние муфты и особенно пассивные односторонние муфты, такие как обгонные муфты.
За счет использования возможной работы электрической машины в соответствии с четырьмя рабочими квадрантами, трансмиссия достигается только одним из двух валов вдоль направления вращения ротора машины, если односторонние муфты разъединяются для противоположных направлений вращения ротора, поскольку сцепление одной из трансмиссий подразумевает разъединение другой. Поэтому не следует опасаться никаких повреждений, вызванных несчастным случаем. Этот результат достигается незамедлительно с валами двигателя, которые не вращаются в одном и том же направлении вращения, например с валами, вращающимися в противоположных направлениях. В противном случае необходимо добавить реверс вращения, например, шестерню или любое другое обычное устройство, к одной из трансмиссий. Поскольку односторонние муфты являются пассивными устройствами, устройство для управления муфтами не требуется.
Поскольку реализации изобретения предполагают наличие пары электрических машин на каждый двигатель, интерес состоит в том, чтобы обеспечить исходные рабочие режимы, особенно состоящие в передаче энергию от одного вала к другому, отвод на одном из них первой из электрических машин совпадает с подачей питания на другой вал другой электрической машиной.
Возможны другие режимы работы конструкции по изобретению, и их преимущества и условия использования будут подробно описаны позже. В соответствии с некоторыми улучшениями, которые могут быть внесены в общую конструкцию изобретения, система управления позволяет генерировать электричество от одного из валов одной или обеими электрическими машинами; трансмиссии содержат неравные передаточные отношения понижающие скорости вращения, между ротором по меньшей мере одной из машин и валами двигателя; электрические машины всех двигателей соединены с устройством подачи энергии.
Таким образом, различные варианты выполнения изобретения, содержащие две электрические машины, соединенные с обоими валами двигателя, дают различные преимущества. Становится возможным регулировать отвод механической энергии или, наоборот, дополнительный источник питания для двигателя с большой свободой и методом, намного более приспособленным к различным ситуациям, возникающим во время всего летного или наземного задания, с перспективой увеличения производительности двигателя при разных нагрузках или, наоборот, для отвода большей механической энергии, без ущерба для глобальных характеристик двигателя и его работоспособности. В частности, будут упомянуты возможности повышения переходных характеристик или оказания помощи двигателю на этапах полета и запуска с земли. Другим благоприятным последствием для глобальных характеристик летательного аппарата будет бóльшая свобода в определении размеров турбомашины, учитывая, что всегда будет, несомненно, доступная дополнительная энергия, поступающая от другого устройства подачи энергии, которое может быть назначено благодаря режиму работы двигателя электрических машин на валу, который в этом нуждается. Независимое соединение электрических машин на обоих валах дополнительно позволяет использовать инновационные режимы работы для современных самолетов с электрической раскруткой или усилением энергии за счет ускорения или торможения валов BP и/или HP при выключенном или работающем двигателе. Подача электроэнергии на электрические машины двигателя может осуществляться от другого двигателя или устройства накопления энергии, предусмотренного для этого или, например, связанного с турбогенератором.
Характерная конструкция изобретения в остальном проста, надежна и легка благодаря выбору односторонних муфт, которые не требуют средств управления.
И изобретение может быть реализовано на каждом из двигателей одного и того же летательного аппарата с общим устройством подачи энергии для различных электрических машин, также способных подавать питание на части оборудования и служебные составляющие летательного аппарата.
Различные аспекты, характеристики и преимущества изобретения будут теперь описаны со ссылкой на следующие фигуры, которые детально изображают его чисто иллюстративную реализацию:
– Фигуры 1–6 представляют собой реализацию изобретения и его различные режимы работы, и
– Фигура 7 представляет собой полную конструкцию летательного аппарата.
Сначала представлено описание Фигур 1 и 7. Авиационный двигатель содержит вал 1 низкого давления и вал 2 высокого давления, которые являются соосными и концентрическими, как обычно. Он связан с двумя реверсивными электрическими машинами 3 и 4, каждая из которых содержит статор 5, соединенный электрическими кабелями от распределительной сети 6 к системе 7 управления, а через последнюю – к аккумулятору или другому устройству 8 накопления электрической энергии. На Фигуре 7 показано, что система 7 управления подключена ко всем электрическим машинам, характеризующим изобретение, которое здесь преимущественно применяется к каждому из двигателей 21 и 22 летательного аппарата. Система 7 управления взаимодействует с силовой электроникой, необходимой для управления электрическими машинами 3 и 4. Конструкция также может иметь турбогенератор 9, который обеспечивает, помимо прочего, электрическую распределительную сеть 6 и/или устройство накопления энергии в качестве систем аккумуляторов.
Каждая из электрических машин 3 и 4 содержит ротор 10, который соединен с каждым из вала 1 низкого давления и вала 2 высокого давления посредством трансмиссии 11 и 12 соответственно для электрической машины 3 и трансмиссии 13 и 14 для электрической машины 4. Каждая из трансмиссий 11, 12, 13 и 14 содержит фактические элементы трансмиссии, такие как элементы ротора, промежуточные валы, шестерни и т.д., любых типов, а также одностороннюю муфту 15, 16, 17 и 18, соответственно, которая может преимущественно быть пассивным элементом в качестве соединения с обгонной муфтой. Односторонние муфты 15–18 могут быть установлены непосредственно на роторах 10, как показано здесь, или в других местах на трансмиссиях 11–14.
Важно отметить, что направления сцепления обгонных муфт 15 и 16 противоположны, так же, как и у обгонных муфт 17 и 18, в результате чего каждый из роторов 10 соединяется с любым из вала 1 низкого давления и вала 2 высокого давления через одну из трансмиссий 11 и 12 или 13 и 14 и только через одну из них в зависимости от направления вращения.
Далее будут подробно описаны различные возможные режимы работы, регулируемые системой 7 управления. Эти режимы работы выбираются и устанавливаются системой 7 управления, которая воздействует на управление электрическими машин 3 и 4 и проверку двигателя; односторонние муфты 15–18 не нуждаются в каком–либо механизме управления, если они пассивны, что является значительным преимуществом, повышающим надежность конструкции.
Вариант выполнения на Фигуре 1 представляет собой вариант выполнения, в котором роторы 10 обеих электрических машин 3 и 4 вращаются в направлении вращения, обозначаемым положительным (R3+ и R4+), которое вызывает сцепление обгонных муфт 15 и 17. Зацепление и роторов 10, и вала 1 низкого давления осуществляется трансмиссиями 11 и 13. Кроме того, устройство 8 накопления энергии подает необходимую электрическую энергию на электрические машины 3 и 4. Эта ситуация может соответствовать отключенному двигателю 21 или 22 и режиму руления или режиму наземного вождения посредством винта или вентилятора 23 (Фигура 7) на конце вала 1 низкого давления или переходному или непрерывному дополнительному источнику питания исключительно на валу 1 низкого давления, который может быть установлен во время различных фаз полета. В этом режиме работы, как и во всех тех, где электрические машины 3 и 4 (или только одна из них) работают в режиме двигателя, электрическая энергия, которая их снабжает, может также поступать от других частей оборудования, которые связаны с ними распределительной сетью 6, от турбогенератора 9 или другого двигателя 22 или 21, электрическими машинами 3 и 4 последних. Следовательно, изобретение может обеспечить рабочие режимы, когда один из двигателей запускает или ускоряет другой, что особенно важно в случае отказа, когда выключенный двигатель затем продолжает работать через вал 1 низкого давления, который дополнительно приводит в движение винт или вентилятор 23.
Вариант выполнения на Фигуре 2 аналогичен варианту выполнения на Фигуре 1 и, в частности, основан на вращении обоих роторов 10 в положительном направлении R3+ и R4+, за исключением того, что электрические машины 3 и 4 работают как генератор электроэнергии за счет их силовой электронике. Этот режим позволяет извлекать механическую энергию из вала 1 низкого давления для подачи непропульсивной энергии, зарядки устройство 8 накопления энергии 8 или торможения вала 1 низкого давления.
Вариант выполнения на Фигуре 3 отличается от предыдущих вариантов выполнения изменением направления вращения роторов 10, то есть они вращаются в так называемых отрицательных направлениях R3– и R4–. Трансмиссии 11 и 13, ведущие к валу 1 низкого давления, затем становятся неактивными, и, наоборот, трансмиссии 12 и 14, ведущие к валу 2 высокого давления, передают энергию. В этом варианте выполнения энергия подается устройством 8 накопления энергии или турбогенератором 9 или вторым двигателем 22 или 21 на вал 2 высокого давления обеими электрическими машинами 3 и 4. Это может использоваться для запуска двигателя 21 или 22 или для поддержки переходного или непрерывного режима мощности вала 2 высокого давления, который может быть установлен во время различных фаз полета. Здесь также наличие обеих электрических машин 3 и 4, которыми можно независимо управлять, предлагает бóльшую свободу проектирования.
В варианте выполнения на Фигуре 4 снова присутствуют те же отрицательные направления вращения R3– и R4– роторов 10, но направление передачи энергии меняется на противоположное, то есть электрические машины 3 и 4 работают в режиме генератора. Этот режим работы может быть обычным для подачи непропульсивной энергии, зарядки устройства 8 накопления энергии или торможения вала высокого давления 2.
В режиме работы на Фигуре 5 вращение в положительном направлении R3+ первой электрической машины 3 связано с отрицательным направлением вращения R4– второй электрической машины 4. Затем можно отвести механическую энергию от одного из валов и подать механическую энергию другому посредством баланса подачи или отвода электропитания в распределительной сети 6, который может быть нулевым. Здесь первая электрическая машина 3 помогает приводить в движение вал 1 низкого давления посредством трансмиссии 11, а вал 2 высокого давления приводит в действие вторую электрическую машину 4 в режиме генератора электроэнергии. Такой режим работы может представлять интерес, например, в переходных фазах двигателя 21 или 22, ускоряя вал 1 низкого давления и замедляя вал 2 высокого давления.
На Фигуре 6 показано, что возможна противоположная работа: первая электрическая машина 3 подает энергию на вал 2 высокого давления с отрицательным направлением вращения R3–, а вал 1 низкого давления работает на второй электрической машине 4 в качестве генератора посредством вращения его ротора 10 в положительном направлении R4+. Такой режим работы может представлять интерес, например, в переходных фазах двигателя 21 или 22, ускоряя вал 2 высокого давления и замедляя вал 1 низкого давления.
Переключение между различными режимами работы может быть упрощено, равно как и расчет размеров электрических машин 3 и 4, если передаточные отношения трансмиссий 11 и 12, и 13 и 14, ведущих к каждому из роторов 10, неравны, так что интервалы нагрузки вала 1 низкого давления и вала 2 высокого давления соответствуют интервалам скорости, близким на роторе 10 к каждой из электрических машин 3 и 4, которые могут быть получены усилителями или редукторами вращения (не показаны, которые могут состоять из зубчатых колес) на трансмиссиях 11–14 каждой из электрических машин 3 и 4.