УСТРОЙСТВО ПРИВОДА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
GAS TURBINE ENGINE AUXILIARY MECHANISM DRIVE

Настоящее изобретение относится к области многовальных газотурбинных двигателей, применяемых в авиации, и его объектом является средство отбора механической мощности на валах двигателя. В частности, это средство предназначено для выполнения функции привода вспомогательных механизмов.
Как правило, газотурбинный двигатель содержит воздушный компрессор, питающий, по меньшей мере, частично, воздухом камеру сгорания. Газы, выходящие из этой камеры сгорания, приводят в движение одну или несколько турбин, механически соединенных с компрессорами, и обеспечивают создание тяги. Двухвальный двигатель содержит компрессор, называемый компрессором низкого давления и соединенный первым валом с каскадом турбин низкого давления, при этом весь комплекс образует корпус низкого давления НД. Он содержит также второй корпус, называемый корпусом высокого давления ВД, связанный со вторым валом, выполненным концентрично с первым валом. Оба ротора свободно механически вращаются относительно друг друга. Вал ВД непосредственно сообщается с камерой сгорания. Турбореактивные двигатели, в частности, двигатели гражданских самолетов содержат ротор компрессора, приводимый в движение валом НД и обеспечивающий значительную часть тяги двигателя.
Часть мощности, вырабатываемой авиационными газотурбинными двигателями, используется для приведения в действие вспомогательных механизмов самих газотурбинных двигателей и самолета, движение которого обеспечивается этими двигателями.
В настоящее время в многовальном двигателе эту мощность отбирают, частично механически, на валу ступени высокого давления для приведения в движение входного приемного вала коробки приводов вспомогательных механизмов. Эту коробку называют коробкой AGB (от Accessory Gear Box). В турбореактивном двигателе с турбокомпрессором эту коробку устанавливают на картере компрессора. Как правило, ее входной вал приводится в движение трансмиссионным валом, установленным в одной из конструктивных стоек картера и соединенным через коробку угловой передачи с шестерней, неподвижно соединенной с валом высокого давления. Различные вспомогательные механизмы, такие как генераторы и гидравлические масляные насосы или топливные насосы, установлены на этой коробке приводов и приводятся в действие через систему зубчатых передач.
Другая часть отбора представляет собой воздух под давлением, отбираемый из компрессора высокого давления для обеспечения, в частности, наддува и кондиционирования кабины самолета или для борьбы с обледенением.
В настоящее время существует тенденция к увеличению доли отбора механической мощности в силу всевозрастающего количества электрических средств, которые считаются более гибкими в использовании. Эта все более проявляющаяся потребность в электрическом обеспечении оборудования самолета уже не позволяет, в силу условий работы и характеристик двигателя в основном в режимах малого газа, отбирать мощность только на валу ВД. Такой отбор мощности может привести к помпажу компрессора.
Средство увеличения отбора мощности для новых потребностей в газотурбинных двигателях соответственно требует наличия системы отбора механической мощности на валах ВД и НД двигателя.
Однако валы ВД и НД вращаются независимо друг от друга с разными скоростями и имеют разные рабочие диапазоны. Между режимом малого газа и режимом полных оборотов соотношение скоростей для вала ВД примерно равно двум; скорость вращения меняется, например, от 10.000 оборотов в минуту до 20.000 оборотов в минуту. Для вала НД соотношение скоростей примерно равно пяти; его скорость колеблется, например, от 900 оборотов в минуту в режиме малого газа до 4500 оборотов в минуту в режиме полных оборотов. Кроме того, вспомогательные механизмы, установленные на коробке приводов AGB, имеют определенный рабочий диапазон, совместимый с рабочим диапазоном вала ВД.
В качестве прототипа выбран патент Франции FR 2863312, в котором раскрыто средство увеличения смешанного отбора механической мощности на валах ВД и НД двигателя.
Задачей настоящего изобретения является создание средства смешанного отбора механической мощности на валах ВД и НД при сохранении для коробки AGB диапазона скоростей, совместимого с рабочим диапазоном вспомогательных механизмов, установленных в этой коробке.
В соответствии с настоящим изобретением устройство привода вспомогательных механизмов многовального, в частности, двухвального газотурбинного двигателя, содержащего вал НД и вал ВД, при этом упомянутые механизмы установлены в коробке приводов, при этом устройство содержит первую механическую трансмиссию между валом БД и упомянутой коробкой, отличается тем, что дополнительно содержит гидравлическую трансмиссию между валом ВД и упомянутой коробкой.
Термин «коробка» обозначает корпус для установки вспомогательных механизмов, оборудованный механическими средствами привода этих механизмов от одного или нескольких средств отбора мощности.
Благодаря устройству в соответствии с настоящим изобретением вал НД может участвовать в приводе механизмов коробки в зависимости от режима работы двигателя. За счет этого сокращается отбор мощности на валу БД во время фаз, когда возникает проблема, связанная с рабочими режимами двигателя. Кроме того, гидравлическая трансмиссия позволяет передавать мощность от вала НД, не задавая скорость вращения, пока вращение на коробку механически передается от вала БД через указанную первую механическую трансмиссию, при этом скорость на входе управляется скоростью вала ВД. Таким образом, сохраняют управление скоростью коробки, совместимой с работой вспомогательных механизмов, установленных на этой коробке.
Согласно первому варианту выполнения гидравлическая трансмиссия содержит гидростатический вариатор с гидравлическим насосом, соединенным с валом НД через вторую механическую трансмиссию и соединенным через гидравлический контур с гидравлическим приводом, который в свою очередь соединен с упомянутой коробкой через третью механическую трансмиссию.
В частности, первая и третья трансмиссии параллельно соединены с коробкой. В зависимости от используемого насоса вторая трансмиссия содержит редуктор скорости.
Этот вариант выполнения является предпочтительным, так как он обеспечивает большую гибкость реализации; в частности, можно располагать насос и привод в разных местах, в случае необходимости, удаленных друг от друга.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере насос или привод имели положительное перемещение и предпочтительно переменный рабочий объем.
Гидравлический контур содержит гидравлический аккумулятор на выходе насоса, что позволяет осуществлять управление его давлением. Узел управления пропускной способностью гидравлического привода позволяет регулировать дополнительную мощность, выдаваемую валом НД.
Согласно другому варианту выполнения третья механическая трансмиссия содержит дифференциальный механизм с эпициклической передачей.
Это решение позволяет снизить мощность, передаваемую гидравлической трансмиссией, и, следовательно, уменьшить размеры этой части.
Эпициклическая передача содержит три ступени: корпус, планетарную шестерню и водило сателлитов, для данного варианта применения эпициклическая передача содержит две входных ступени и одну выходную ступень, которые определяют в зависимости от передаточного числа выбранной передачи. Входная ступень, выполненная в виде планетарной шестерни эпициклической передачи, соединена при помощи четвертой механической трансмиссии с валом НД, а вал гидравлического привода механически соединен с другой входной ступенью - корпусом эпициклической передачи.
В частности, вал гидравлического привода соединен с входом через редуктор скорости, а выходная ступень - водило сателлитов - соединена с коробкой.
Согласно третьему варианту выполнения гидравлическая трансмиссия содержит гидравлическую муфту, соединенную, с одной стороны, второй механической трансмиссией с валом НД, с другой стороны, третьей трансмиссией с упомянутой коробкой. Управление передаваемой мощностью осуществляют при помощи средства управления нагнетанием жидкости.
Как и в предыдущих случаях, изобретение позволяет сохранять управление скоростью коробки при помощи вала ВД, совместимой с работой агрегатов двигателя и самолета. Оно позволяет также передавать мощность на вспомогательные механизмы от вала НД и сократить отбор мощности на валу ВД во время фазы, когда возникают проблемы, связанные с режимами работы двигателя.
Изобретение позволяет также ограничить потери, связанные с гидрокинетической трансмиссией, для режимов, позволяющих осуществлять 100%-ый отбор мощности на валу ВД.
Этот вариант выполнения является особенно предпочтительным, так как отличается простотой реализации, даже если муфта сама по себе занимает больше места, чем предыдущее гидравлическое техническое решение.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1 представляет схематичный вид первого варианта выполнения.
Фиг.2 - схематичный вид второго варианта выполнения.
Фиг.3 - схематичный вид третьего варианта выполнения.
Вариант выполнения, показанный на фиг.1, касается двухвального газотурбинного двигателя; на фигуре показаны только два вала 1 и 3 газотурбинного двигателя, из которых один является валом НД, а другой - валом ВД. Как известно из предшествующих технических решений, оба вала являются концентричными и свободно механически вращаются относительно друг друга. Во время работы они могут вращаться либо в одном и том же направлении, либо в противоположных направлениях. Вал НД установлен на соответствующих опорных подшипниках внутри вала ВД. В случае двухконтурного турбореактивного двигателя он приводит в движение компрессор, например, установленный на передней части.
Каждый из двух валов содержит шестерню, соответственно 1а и 3а, для вращения трансмиссионных валов. Первый вал 5, образующий первую механическую трансмиссию и содержащий на одном конце средство 5а отбора мощности, например, шестерню, на валу ВД, расположен радиально по отношению к оси двигателя, ограниченной двумя валами 1 и 3. Через шестерню 5b он передает на своем другом конце вращательное движение на входной вал 7а коробки 7 приводов. Подробное описание этой коробки тоже опускается, поскольку она не относится к настоящему изобретению. Она содержит раму, оборудованную шестернями, соединенными с одним или несколькими валами отбора мощности. Состав элементов, установленных на коробке, зависит от обслуживаемого ею двигателя. В частности, когда двигатель является газотурбинным двигателем с турбокомпрессором для гражданского самолета, коробку крепят на картере компрессора, а трансмиссионный вал 5 устанавливают радиально в стойке конструкции картера.
1
2
1
В соответствии с изобретением и согласно этому первому варианту выполнения входной вал 7а вращается гидравлическим трансмиссионным средством 10, которое является гидравлическим вариатором, от вала НД. Средство 10 механически соединено второй механической трансмиссией 10r с валом 1. В данном случае речь может идти о шестерне, входящей в зацепление с шестерней, неподвижно соединенной с валом 1. Речь может также идти о редукторе скорости, если требуется его наличие. При помощи вала 10b средство 10 механически соединено с входным валом 7а коробки, в данном случае через редуктор скорости, образующий третью механическую трансмиссию 10r. Гидростатическая трансмиссия содержит насос 11, механически вращаемый валом 10а. Редуктор 10r позволяет адаптировать скорость входного вала к скорости насоса. Предпочтительно речь идет о насосе с положительным перемещением и с переменным рабочим объемом цилиндра. В качестве варианта такой тип насоса содержит площадку с регулируемым наклоном. Изменение угла наклона площадки меняет ход поршней насоса и его рабочий объем. Рабочий объем регулируется узлом 13 управления. Насос питает гидравлической жидкостью гидравлический привод 15 с переменным рабочим объемом цилиндра через трубопровод 17. Гидравлический аккумулятор 19 установлен параллельно на этом трубопроводе 17 на выходе насоса. Следует отметить, что в этой системе гидравлический контур не зависит от других гидравлических контуров.
Управление отбором мощности на валу НД осуществляют путем управления насосом 11 и приводом 15 при помощи устройства 13 управления, в частности, в зависимости от скоростей валов 10а и 10b и от давления, обеспечиваемого насосом.
Скорость гидравлического двигателя зависит от скорости вращения вала 7а, кинематически связанного с валом ВД. Отсюда следует, что, каким бы ни был режим двигателя, коробка приводит в действие установленный на ней агрегаты и вращает их со скоростью, которая находится в том же рабочем диапазоне, что и вал ВД.
Во время фазы множественного отбора устройство работает следующим образом.
Согласно первому варианту рабочее давление насоса 11 поддерживают постоянным, например: ΔР=350 бар. Управление приводом 15 осуществляют путем изменения его рабочего объема. Действительно, мощность, передаваемую приводом, определяют отношением:
Приводная мощность = скорость привода × рабочий объем × ΔР
Поскольку скорость привода зависит от скорости вала ВД, а давление поддерживают постоянным при помощи насоса, мощность привода пропорциональна объему проходящей через него жидкости и, следовательно, рабочему объему цилиндра.
Согласно второму варианту рабочий объем привода поддерживают максимальным, и в этом случае передаваемая мощность пропорциональна ΔР. Управление гидравлическим контуром по давлению осуществляют путем изменения рабочего объема насоса.
Преимуществом предлагаемого решения является то, что эта система не предполагает никакой кинематической связи между двумя валами НД и ВД.
Кроме того, перейдя на определенный режим, вал ВД оказывается в рабочих условиях, позволяющих ему передавать всю мощность на коробку. В этом случае систему смешанного отбора мощности можно отключить. Для этого система 13 управления подает команду аннулирования давления и расхода на насос и на привод. При этом в насосе и приводе устанавливается разрежение для снижения потерь и усилий сопротивления.
Точно так же во время запуска, если он происходит при помощи коробки, мощность передают от стартера непосредственно на вал ВД, отключив гидростатическую трансмиссию. Площадки насоса и привода регулируют таким образом, чтобы получить минимальный рабочий объем. Действительно, запуск происходит путем вращения только одного вала ВД.
На фиг.2, относящейся ко второму варианту выполнения, показаны элементы, соответствующие элементам на фиг.1, с добавлением 200 к цифровым позициям. На этой фигуре также показаны вал 201 НД и вал 203 ВД двухвального газотурбинного двигателя, не показанного на чертеже. Вал 203 соединен с коробкой 207 AGB приводов вспомогательных механизмов при помощи первой механической трансмиссии 205, в данном случае при помощи трансмиссионного вала, шестерня 205а которого входит в зацепление с шестерней 203а вала ВД, при этом обе шестерни образуют угловую передачу.
В соответствии с изобретением между валом НД 201 и коробкой 207 выполнена гидравлическая трансмиссия. Эта трансмиссия является частью гидромеханической трансмиссии, которая будет описана ниже.
Как и в предыдущем решении, гидростатическая часть трансмиссии содержит гидростатический вариатор 210. Он содержит гидравлический насос 211 и гидравлический привод 215, соединенные между собой гидравлическим контуром 217. Оба агрегата 211 и 215 имеют переменный рабочий объем, что показано стрелками 211' и 215' соответственно. На контуре 217 параллельно установлен гидравлический аккумулятор, предназначенный для управления давлением насоса. Узел 213 управления получает параметры скорости каждого из валов 210а и 210b обоих агрегатов, давление контура, а также заданные значения и направляет сигнал управления на изменение рабочего объема привода 216 и/или насоса, как и в первом варианте выполнения.
1
Приводной вал 210а насоса 211 соединен второй механической трансмиссией 210r с валом НД. В частности, речь идет о редукторе скорости для приведения в соответствие двух скоростей.
Вал 210b, вращаемый приводом 215, соединен с коробкой 207 при помощи третьей механической трансмиссии 220.
2
Эта трансмиссия содержит дифференциал 221 с эпициклической передачей. Он содержит планетарную шестерню 222, сателлитные шестерни с водилом 223 и корпус 224. Планетарная шестерня 222 соединена четвертой механической трансмиссией 230 с валом НД, которая в данном случае является трансмиссионным валом, входящим в зацепление с валом 201. Между валом 210b гидравлического привода 215 и корпусом 224 дифференциала 221 третья трансмиссия 220 дополнительно содержит редуктор 210r. Водило 223 сателлитов соединено с входным валом коробки 207.
В этом варианте монтажа вал НД передает мощность непосредственно на вход, образованный планетарной шестерней 222 эпициклической передачи 221, и опосредованно на вход, образованный корпусом 224, через гидростатический вариатор. Выход эпициклической передачи 221, образованный водилом 223 сателлитов, соединен с коробкой AGB.
Скорости на входе и на выходе эпициклической передачи 221 задаются соответственно валом НД через четвертую механическую передачу 230 и коробкой 207, соединенной с валом ВД первой трансмиссией 205. Скорость гидравлического привода 215 устанавливается в этом случае передаточным отношением эпициклической передачи.
Передаточное отношение эпициклической передачи выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму мощность, проходящую через гидростатическую трансмиссию, и сократить потери на максимальном эксплуатационном режиме.
Устройство работает так же, как и в первом варианте выполнения.
Работа во время фазы множественного отбора
Согласно первому варианту рабочее давление насоса 211 поддерживают постоянным, например: ΔР=350 бар. Управление приводом 215 осуществляют путем изменения его рабочего объема.
Поскольку скорость привода задается скоростью вала ВД, а давление поддерживают постоянным при помощи насоса, мощность привода пропорциональна объему проходящей через него жидкости и, следовательно, рабочему объему цилиндра.
Согласно второму варианту рабочий объем цилиндра привода поддерживают максимальным, и в этом случае передаваемая мощность пропорциональна ΔР. Управление гидравлическим контуром по давлению осуществляют путем изменения рабочего объема насоса.
Перейдя на определенный режим, вал ВД оказывается в рабочих условиях, позволяющих ему передавать всю мощность на коробку. В этом случае систему смешанного отбора мощности можно отключить. Для этого система 213 управления подает команду аннулирования давления и расхода на насос и на привод. При этом в насосе и приводе устанавливается разрежение для снижения потерь и усилий сопротивления.
Точно так же во время запуска, если он происходит при помощи коробки, мощность передают от стартера непосредственно на вал ВД, отключив гидростатическую трансмиссию. Площадки насоса и привода регулируют таким образом, чтобы получить минимальный рабочий объем. Действительно, запуск происходит путем вращения только одного вала ВД.
На фиг.3, относящейся к третьему варианту выполнения, показаны элементы, соответствующие фиг.1, с добавлением 300 к цифровым позициям.
1
На фигуре показаны первый и второй валы 301 и 303 соответственно. Этими валами являются соответственно валы НД и ВД двухвального газотурбинного двигателя, не показанного на чертеже. Эти два вала оборудованы соответствующими шестернями 301а и 303а для отбора мощности. Первая шестерня позволяет осуществлять отбор мощности при помощи входного вала 310а трансмиссионного устройства 310, которое в данном случае является гидрокинетическим. Вторая шестерня 303а позволяет осуществлять отбор мощности при помощи шестерни 305а трансмиссионного вала 305, образующего первое трансмиссионное средство. Между шестерней 301а и входным валом 310а предусмотрена вторая механическая трансмиссия 310r, выполненная в виде редуктора скорости.
2
Как и в предыдущих случаях, коробка 307 приводов, вынесенная по отношению к приводу, приводится в действие этими двумя средствами. Первое средство 310 содержит вал 310b, вращающий вал 307а через редуктор 310r скорости, образующий третью механическую трансмиссию. Вал 307а также приводится во вращение валом 305 через соответствующую шестерню 305b.
2
Гидрокинетическая трансмиссия сама по себе известна; она содержит гидравлическую муфту 311, называемую также гидравлическим преобразователем момента, соединенную с системой 312 управления путем частичного нагнетания. Система 312 содержит насос нагнетания и откачки, управляемый узлом 313 управления. Как известно, гидравлическая муфта содержит первый ротор, оборудованный лопатками и образующий насос, установленный напротив второго ротора, образующего турбину. Когда ротор приводится во вращение, лопатки нагнетают гидравлическую жидкость на лопатки второго ротора, образующего турбину, и приводят его в движение. Меняя количество жидкости между двумя роторами, изменяют также мощность, передаваемую от одного ротора к другому, соответственно тому, как скорость второго ротора задается скоростью редуктора 301r. Как и в первом варианте, преимуществом этой системы является то, что в ней не используют никакой кинематической связи между валами НД и ВД.
Передаточные числа обоих редукторов выбирают таким образом, чтобы создать положительное смещение скорости между насосом и турбиной гидрокинетической трансмиссии в диапазоне работы обоих валов газотурбинного двигателя. Скорость вращения турбины системы задается скоростью вращения коробки, которая сама кинетически связана с валом ВД. При этом коробка приводит во вращение агрегаты со скоростью того же рабочего диапазона, что и диапазон вала ВД.
Мощность, передаваемая трансмиссией 310, пропорциональна скорости вращения насоса и расходу жидкости. Этот расход жидкости регулируется системой, осуществляющей частичное заполнение трансмиссии 310 и управляемой в зависимости от скоростей валов НД и ВД. Эта система управления позволяет осуществлять требуемый отбор мощности на валу НД.
Перейдя на определенный режим, вал ВД оказывается в рабочих условиях, позволяющих ему передавать всю мощность на коробку. В этом случае систему отбора мощности можно отключить. Для этого удаляют жидкость из системы 310 и создают в ней разрежение для снижения потерь и усилий сопротивления.