СЪЕМНЫЙ БЛОК РЕАКТИВАЦИИ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, АРХИТЕКТУРА СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ МНОГОМОТОРНОГО ВЕРТОЛЕТА, ОСНАЩЕННОЙ ТАКИМ БЛОКОМ, И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ВЕРТОЛЕТ
DETACHABLE GAS TURBINE ENGINE REACTIVATION UNIT, POWER PLANT ARCHITECTURE OF MULTIMOTOR HELICOPTER EQUIPPED WITH SUCH UNIT AND CORRESPONDING HELICOPTER

1. Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Изобретение относится к блоку реактивации газотурбинного двигателя вертолета, выполненного с возможностью работать по меньшей мере в одном дежурном режиме во время устоявшегося полета вертолета и называемого гибридным газотурбинным двигателем.
[0002] Изобретение относится также к архитектуре силовой установки многомоторного, в частности, двухмоторного или трехмоторного вертолета, оснащенной по меньшей мере одним таким блоком реактивации. Изобретение относится также к вертолету, содержащему силовую установку, имеющую такую архитектуру.
2. Уровень техники
[0003] Как известно, двухмоторный или трехмоторный вертолет содержит силовую установку, включающую в себя два или три газотурбинных двигателя, при этом каждый газотурбинный двигатель содержит газогенератор и свободную турбину, вращаемую газогенератором и неподвижно соединенную с выходным валом. Выходной вал каждой свободной турбины выполнен с возможностью приведения в действие коробки передачи мощности, которая, в свою очередь, вращает несущий винт вертолета.
[0004] Известно, что газотурбинные двигатели вертолета работают в режимах, которые зависят от условий полета вертолета. В дальнейшем тексте описания вертолет будет считаться в ситуации полета на крейсерской скорости, если он летит в нормальных условиях в течение всех фаз полета, кроме переходных фаз взлета, набора высоты, посадки или полета в режиме висения. В дальнейшем тексте вертолет будет считаться в критической ситуации полета, если ему необходима полная имеющаяся в наличии мощность, то есть в переходных фазах взлета, набора высоты, посадки и в режиме, в котором один из газотурбинных двигателей вышел из строя и который обозначают английским сокращением OEI (One Engine Inoperative).
Известно, что, когда вертолет находится в ситуации полета на крейсерской скорости, газотурбинные двигатели работают на низких уровнях мощности ниже их постоянной максимальной мощности. Эти низкие уровни мощности характеризуются удельным расходом (далее Cs), определяемым как соотношение между часовым расходом топлива на камеру сгорания газотурбинного двигателя и механической мощностью, выдаваемой этим газотурбинным двигателем, и превышающим примерно на 30% Cs максимальной мощности взлета, то есть характеризуются перерасходом топлива в полете на крейсерской скорости.
Кроме того, газотурбинные двигатели вертолета спроектированы с превышением параметров для обеспечения поддержания вертолета в полете в случае неисправности одного из двигателей. Эта ситуация полета соответствует вышеупомянутому режиму OEI. Эта ситуация полета возникает в результате потери двигателя и характеризуется тем, что каждый работающий двигатель выдает мощность гораздо выше своей номинальной мощности, чтобы вертолет смог преодолеть опасную ситуацию и затем продолжить свой полет.
С другой стороны, газотурбинные двигатели выполнены также с превышением параметров для обеспечения полета во всей области полета, предусмотренной владельцем компании, и в частности, полета на больших высотах и в жаркую погоду. Эти очень критические точки полета, в частности, когда вертолет имеет массу, близкую к максимальной взлетной массе, встречаются только в некоторых случаях эксплуатации.
Недостатком этих газотурбинных двигателей с превышением параметров являются большая масса и большой расход топлива. Чтобы уменьшить этот расход во время полета на крейсерской скорости, предусмотрен перевод одного из газотурбинных двигателей во время полета в так называемый дежурный режим. При этом активный двигатель или активные двигатели работают на более высоких уровнях мощности, чтобы обеспечивать всю необходимую мощность, и, следовательно, на более благоприятных уровнях Cs.
[0009] В заявке FR1151717 заявители предложили способы оптимизации удельного расхода газотурбинных двигателей вертолета за счет возможности перевода по меньшей мере одного газотурбинного двигателя в режим стабилизированной мощности, называемый постоянным режимом, и по меньшей мере одного газотурбинного двигателя в специальный дежурный режим, из которого он может выйти в экстренном порядке или в нормальном порядке в зависимости от необходимости. Выход из дежурного режима называют нормальным, когда изменение ситуации полета требует активации газотурбинного двигателя, находящегося в дежурном режиме, например, когда вертолет должен перейти из ситуации полета на крейсерской скорости к фазе посадки. Такой нормальный выход из дежурного режима происходит в течение времени от 10 с до 1 мин. Выход из дежурного режима называют быстрым, когда происходит поломка или возникает нехватка мощности активного двигателя или когда условия полета внезапно становятся сложными. Такой быстрый выход из дежурного режима длится менее 10 с.
[0010] Выход из дежурного режима газотурбинного двигателя осуществляют, например, при помощи блока реактивации газотурбинного двигателя.
[0011] Заявитель уже ранее предложил несколько блоков реактивации гибридного газотурбинного двигателя. Например, этот блок реактивации может содержать устройство хранения энергии, такое как электрохимическое устройство хранения типа литий-ионной батареи или электростатическое устройство хранения типа суперконденсатора, которое позволяет выдать на газотурбинный двигатель энергию, необходимую для реактивации и быстрого достижения номинального режима работы. Согласно другому предложению заявителя, этот блок содержит газогенератор на твердом проперголе, выполненный с возможностью активации турбины привода вала газотурбинного двигателя.
[0012] Все решения, предложенные для реактивации находящегося в дежурном режиме газотурбинного двигателя, утяжеляют газотурбинный двигатель. Таким образом, выигрыш в расходе топлива, получаемый за счет перевода газотурбинного двигателя в дежурный режим, частично теряется по причине увеличения веса из-за присутствия блока реактивации.
[0013] Кроме того, в ходе своей эксплуатации вертолет может выполнять самые разные задачи, некоторые из которых могут не позволять переводить гибридный газотурбинный двигатель в дежурный режим. Гибридизация такого газотурбинного двигателя, то есть возможность переводить этот газотурбинный двигатель в дежурный режим и реактивировать его путем применения блока реактивации, может в некоторых полетах привести к ухудшению характеристик вертолета.
[0014] Кроме того, вертолет, в котором в дежурный режим можно переводить только один газотурбинный двигатель, может характеризоваться разным старением других газотурбинных двигателей, что приводит к разбалансировке.
[0015] Авторы изобретения поставили перед собой задачу найти средство для сохранения характеристик вертолета, независимо от осуществляемых им полетов. В частности, авторы изобретения попытались найти возможность адаптировать без особых трудностей вертолет к полетам, которые он должен осуществлять. Авторы изобретения попытались также найти средство для обеспечения сбалансированного старения газотурбинных двигателей на вертолете.
3. Задачи изобретения
[0016] Изобретение призвано предложить блок реактивации газотурбинного двигателя вертолета, который можно установить на газотурбинном двигателе или снять с газотурбинного двигателя в зависимости от нужд полета.
[0017] Изобретение призвано также предложить блок реактивации газотурбинного двигателя, который позволяет осуществлять гибридизацию газотурбинного двигателя в зависимости от потребностей.
[0018] Изобретение призвано также предложить блок реактивации, который позволяет сбалансировать старение газотурбинных двигателей вертолета.
[0019] Изобретение призвано также предложить, по меньшей мере в варианте выполнения, архитектуру силовой установки вертолета, оснащенной заявленным блоком реактивации.
4. Раскрытие изобретения
[0020] В связи с вышеизложенным объектом изобретения является съемный блок для реактивации газотурбинного двигателя вертолета, содержащего газогенератор, оснащенный валом, при этом упомянутый газотурбинный двигатель выполнен с возможностью работать по меньшей мере в одном дежурном режиме в ходе устоявшегося полета вертолета, при этом упомянутый съемный блок содержит:
- съемный корпус, содержащий выходной вал корпуса,
- управляемые средства приведения во вращение упомянутого выходного вала корпуса, называемые средствами реактивации упомянутого газотурбинного двигателя,
- механические средства, выполненные с возможностью соединения реверсивным образом упомянутого выходного вала корпуса с упомянутым приводным валом упомянутого газогенератора.
[0021] Кроме того, согласно изобретению, упомянутые средства реактивации упомянутого газотурбинного двигателя содержит по меньшей мере:
- первое устройство реактивации, установленное на упомянутом корпусе и содержащее вал, называемый первым входным валом корпуса, механически соединенный с упомянутым выходным валом корпуса, и управляемые средства приведения во вращение упомянутого первого входного вала корпуса таким образом, чтобы приводить во вращение упомянутый выходной вал,
- второе устройство реактивации, установленное на упомянутом корпусе и содержащее вал, называемый вторым входным валом корпуса, механически соединенный с упомянутым выходным валом корпуса, и управляемые средства приведения во вращение упомянутого второго входного вала корпуса таким образом, чтобы приводить во вращение упомянутый выходной вал.
[0022] Таким образом, изобретение позволяет делать газотурбинный двигатель гибридным по запросу, то есть обеспечивать перевод газотурбинного двигателя в дежурный режим за счет применения, блока реактивации газотурбинного двигателя в случае необходимости, причем этот блок является съемным. Блок содержит съемный корпус, выходной вал которого связан с валом газогенератора при помощи средств реверсивного соединения. Следовательно, вал корпуса можно соединить с валом газогенератора газотурбинного двигателя, когда возникает необходимость в гибридизации этого газотурбинного двигателя. Заявленный съемный блок реактивации позволяет, таким образом, устанавливать блок на газотурбинном двигателе, только если полет вертолета, оборудованного этим газотурбинным двигателем, может предусматривать фазу полета, во время которой этот газотурбинный двигатель можно перевести в дежурный режим. Кроме того, во время такого полета можно выбирать, на каком газотурбинном двигателе устанавливать блок реактивации, чтобы старение различных газотурбинных двигателей вертолета можно было сбалансировать. Сбалансированность старения позволяет, например, совмещать даты технического обслуживания различных газотурбинных двигателей вертолета, чтобы ограничивать вывод из эксплуатации вертолета. Для всех полетов, в которых перевод в дежурный режим является априорно невозможным, съемный блок реактивации снимают с газотурбинного двигателя, что позволяет избежать бесполезного увеличения веса вертолета. Блок реактивации газотурбинного двигателя можно также устанавливать на разные газотурбинные двигатели и, следовательно, на разные вертолеты. Таким образом, один и тот же блок может участвовать в гибридизации разных газотурбинных двигателей разных вертолетов.
plug and play
[0023] Кроме того, средства реактивации газотурбинного двигателя содержат два устройства реактивации, при этом каждое устройство установлено и закреплено на съемном корпусе. Таким образом, монтаж/демонтаж съемного корпуса на газотурбинном двигателе при помощи средств реверсивного соединения влечет за собой монтаж/демонтаж устройств реактивации газотурбинного двигателя. Заявленный блок реактивации образует готовый к применению блок (более известный под английским названием ʺʺ). Каждое устройство реактивации дополнительно содержит средства приведения во вращение входного вала в съемном корпусе, механически связанного с выходным валом корпуса. Таким образом, эта архитектура образует два независимых узла, при этом каждый узел образован одним устройством реактивации и может быть заменен независимо от другого.
[0024] Предпочтительно, согласно изобретению, упомянутые средства реверсивного соединения упомянутого выходного вала корпуса с упомянутым приводным валом упомянутого газогенератора образованы коробкой приводов агрегатов упомянутого газотурбинного двигателя.
[0025] Согласно этому варианту, соединение съемного блока с приводным валом газогенератора упомянутого газотурбинного двигателя производят через коробку приводов агрегатов газотурбинного двигателя. Коробка приводов агрегатов газотурбинного двигателя содержит, например, набор шестерен, который обеспечивает приведение в действие агрегатов, необходимых для работы газогенератора газотурбинного двигателя, и, возможно, специального оборудования вертолета, такого как установки кондиционирования или любое другое устройство. Согласно этому варианту, выходной вал съемного корпуса реверсивно зацепляется с шестерней коробки приводов агрегатов.
[0026] Предпочтительно, согласно изобретению, упомянутые управляемые средства приведения во вращение упомянутого первого входного вала корпуса упомянутого первого устройства реактивации выполнены с возможностью приведения во вращение упомянутого первого входного вала с заранее определенной скоростью за время, меньшее времени, необходимого для того, чтобы упомянутые средства приведения во вращение упомянутого второго входного вала упомянутого второго устройства реактивации привели во вращение упомянутый второй входной вал с заранее определенной скоростью, при этом упомянутое первое устройство реактивации образует устройство быстрой реактивации упомянутого газотурбинного двигателя, и упомянутое второе устройство реактивации образует устройство нормальной реактивации упомянутого газотурбинного двигателя.
[0027] Согласно этому варианту, два устройства реактивации имеют разные характеристики. В частности, первое устройство реактивации обеспечивает быструю реактивацию газотурбинного двигателя, например, когда возникает необходимость в быстром получении полной мощности от находящегося в дежурном режиме газотурбинного двигателя в случае поломки другого газотурбинного двигателя. Второе устройство реактивации обеспечивает нормальную реактивацию газотурбинного двигателя, например, когда вертолет должен перейти от ситуации полета на крейсерской скорости или экономичного полета к фазе посадки, требующей полной мощности двигателей.
[0028] Предпочтительно, согласно изобретению, упомянутые средства приведения во вращение упомянутого устройства быстрой реактивации содержат генератор на твердом проперголе, пневматическую турбину, связанную с пневматическим аккумулятором, гидравлическую турбину, связанную с гидропневматическим аккумулятором, или электрическую машину, связанную с аккумулятором электрической энергии.
[0029] Предпочтительно, согласно изобретению, съемный корпус соединения содержит промежуточный вал, на котором установлена промежуточная шестерня, зацепляющаяся с зубчатым венцом, выполненным на упомянутом первом входном валу корпуса, и вторая промежуточная шестерня, зацепляющаяся с зубчатым венцом, выполненным на упомянутом втором входном валу корпуса, при этом упомянутый выходной вал корпуса соединен с упомянутым вторым входным валом корпуса.
[0030] Эта архитектура съемного корпуса позволяет, например, снизить или увеличить скорость цепи быстрой реактивации за счет выбора соответствующих передаточных отношений. Предпочтительно первый входной вал и второй входной вал являются параллельными и образуют, каждый, вместе с соответствующим устройством реактивации независимый узел, который, в случае необходимости, можно заменить независимо от другого.
[0031] Предпочтительно, согласно этому варианту, первая промежуточная шестерня установлена на упомянутом промежуточном валу через муфту свободного хода, выполненную и ориентированную таким образом, чтобы приводить во вращение упомянутый промежуточный вал в случае вращения упомянутого первого входного вала.
[0032] Муфта свободного хода позволяет передавать на промежуточный вал механическую мощность от первого входного вала, передаваемую устройством быстрой реактивации. Затем промежуточный вал передает полученную механическую мощность на выходной вал через первый входной вал, механически связанный с этим промежуточным валом. С другой стороны, мощность, передаваемая на промежуточный вал через второй входной вал, не передается на первый входной вал через муфту свободного хода, так как она проскальзывает. Это позволяет предохранять цепь быстрой реактивации. Кроме того, такая архитектура гарантирует, что во время запроса быстрой реактивации мощность передается на газотурбинный двигатель, даже если устройство нормальной реактивации тоже является активным. Иначе говоря, цепь быстрой реактивации обгоняет цепь нормальной реактивации.
[0033] Согласно другому варианту, корпус может содержать два промежуточных вала, при этом на первом промежуточном валу установлена первая промежуточная шестерня, зацепляющаяся с шестерней, установленной на упомянутом первом входном валу корпуса, и на втором промежуточном валу установлена вторая промежуточная шестерня, зацепляющаяся с шестерней, установленной на упомянутом втором входном валу корпуса, при этом оба промежуточных вала механически связаны друг с другом, например, через муфту свободного хода.
[0034] Предпочтительно, согласно изобретению, съемный корпус содержит герметичный картер, имеющий смазочное отверстие для обеспечения смазки механизмов упомянутого съемного корпуса.
[0035] Объектом изобретения является также архитектура силовой установки многомоторного вертолета, содержащей газотурбинные двигатели, соединенные с коробкой передачи мощности, отличающаяся тем, что содержит:
- по меньшей мере один газотурбинный двигатель среди упомянутых газотурбинных двигателей, называемый гибридным газотурбинным двигателем, выполненный с возможностью работать по меньшей мере в одном дежурном режиме во время устоявшегося полета вертолета, при этом другие газотурбинные двигателя работают самостоятельно во время этого устоявшегося полета,
- заявленный съемный блок реактивации газотурбинного двигателя, установленный на упомянутом гибридном газотурбинном двигателе таким образом, чтобы по команде выводить упомянутый гибридный газотурбинный двигатель из дежурного режима.
[0036] Объектом изобретения является также вертолет, содержащий силовую установку, отличающийся тем, что упомянутая силовая установка имеет заявленную архитектуру.
[0037] Объектами изобретения являются также съемный блок реактивации газотурбинного двигателя, архитектура силовой установки многомоторного вертолета и вертолет, оборудованный силовой установкой, имеющей такую архитектуру, отличающиеся в комбинации всеми или частью вышеупомянутых или описанных ниже отличительных признаков.
5. Список фигур
[0038] Другие задачи, отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид съемного блока реактивации газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, установленного на газотурбинном двигателе.
Фиг. 2 - другой схематичный вид съемного блока реактивации газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения.
Фиг. 3 - схематичный вид вертолета, содержащего газотурбинный двигатель, оснащенный блоком реактивации согласно варианту выполнения изобретения.
6. Подробное описание варианта выполнения изобретения
[0039] На фигурах для лучшей иллюстрации и для большей ясности масштабы и пропорции не соблюдены.
[0040] На фиг. 1 представлен схематичный вид съемного блока 5 реактивации газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, установленного на газотурбинном двигателе 6 вертолета.
[0041] Этот газотурбинный двигатель 6 содержит газогенератор 7 и свободную турбину 8, приводимую во вращение газами, производимыми газогенератором 7. Для этого газогенератор 7 содержит воздушный компрессор 9, питаемый воздухом через воздухозаборник, не показанный на фигурах. Компрессор 9 питает камеру 10 сгорания топлива в сжатом воздухе, которая производит газообразные продукты сгорания, обеспечивающие кинетическую энергию. Кроме того, с компрессором 10 связана турбина 11 частичного расширения газообразных продуктов сгорания через приводной вал 12, чтобы приводить во вращение компрессор 10 и агрегаты, необходимые для работы газогенератора или для вертолета. Результирующая часть газообразных продуктов сгорания вращает свободную турбину 8 передачи мощности, которая механически соединена с коробкой 22 передачи мощности через муфту 21 свободного хода.
[0042] Съемный блок 5 реактивации газотурбинного двигателя 6 содержит съемный корпус 30, содержащий выходной вал 31 корпуса, устройство 32 быстрой реактивации газотурбинного двигателя 6, установленное на корпусе 30, и устройство 33 нормальной реактивации газотурбинного двигателя 6, установленное на корпусе 30. Кроме того, устройство 32 быстрой реактивации содержит входной вал корпуса, называемый первым входным валом 34 корпуса, механически соединенный с выходным валом 31 через систему зубчатых передач, подробно описанную со ссылками на фиг. 2. Устройство 33 нормальной реактивации тоже содержит входной вал корпуса, называемый вторым входным валом 35 корпуса, тоже соединенный с выходным валом 31 через систему зубчатых передач, подробно описанную со ссылками на фиг. 2.
[0043] Блок реактивации дополнительно содержит средства соединения выходного вала 31 корпуса с приводным валом 12 газогенератора 7. Эти средства представляют собой коробку 14 приводов агрегатов газотурбинного двигателя 6. Иначе говоря, выходной вал 31 можно соединить/отсоединить относительно шестерни 15 коробки 14 приводов агрегатов газотурбинного двигателя 6.
[0044] Таким образом, заявленный блок реактивации можно легко установить/снять на газотурбинном двигателе 6 в зависимости от нужд полета вертолета, на котором установлен газотурбинный двигатель 6. Кроме того, газотурбинный двигатель 6 и устройства 32, 33 реактивации газотурбинного двигателя управляются собственным устройством контроля-управления, не показанным на фигурах для упрощения.
[0045] На фиг. 2 детально представлена конструкция корпуса 30 и, в частности, системы зубчатых передач, механически соединяющей входной вал 34 устройства 32 быстрой реактивации и входной вал 35 устройства 33 нормальной реактивации с выходным валом 31 корпуса. Корпус 30 содержит картер 50, в котором находится система зубчатых передач. Каждое устройство реактивации содержит площадку 62, 63, закрепленную на картере 50 при помощи средств типа винтов/гаек, не показанных на фигурах для упрощения.
[0046] Эта система зубчатых передач содержит вал 34, установленный в опорных подшипниках 44, закрепленных в картере 50, и вал 35, установленный в опорных подшипниках 45, закрепленных в картере 50. Валы 34 и 31 являются параллельными и имеют расстояние между осями, например, менее 200 мм, образуя компактный корпус, которым может легко манипулировать оператор во время операций монтажа/демонтажа блока. Кроме того, вал 34 содержит зубчатый венец 54, зацепляющихся с шестерней 57, установленной на промежуточном валу 37. Этот промежуточный вал 37 установлен в опорных подшипниках 47 картера 50. Согласно варианту выполнения, представленному на фигурах, шестерня 57 установлена на промежуточном валу 37 через муфту 25 свободного хода. Кроме того, промежуточный вал 37 содержит шестерню 58, зацепляющуюся с венцом 55 вала 35, соединенного с устройством 33 нормальной реактивации. Муфта 25 свободного хода ориентирована таким образом, чтобы вращение вала 34 приводило во вращение промежуточный вал 37, который, в свою очередь, приводит во вращение вал 35. С другой стороны, вращение промежуточного вала 37 через вал 35 не приводит к вращению вала 34. В этой конфигурации муфта 25 свободного хода проскальзывает.
[0047] Картер 50 содержит также отверстие 51 для смазки системы зубчатых передач. Это позволяет смазывать одновременно шестерни, венцы и муфту свободного хода системы зубчатых передач.
[0048] Каждое устройство реактивации содержит также управляемые средства приведения во вращение входного вала корпуса, с которым оно соединено.
[0049] Например, управляемые средства 32 приведения во вращение первого входного вала 34 устройства быстрой реактивации содержит генератор на твердом проперголе, или пневматическую турбину, связанную с пневматическим аккумулятором, или гидравлическую турбину, связанную с гидропневматическим аккумулятором, или электрическую машину, связанную с аккумулятором электрической энергии. В целом, речь идет о средствах, выполненных с возможностью быстрого приведения в движение упомянутого первого входного вала 34 корпуса с высокой скоростью вращения, например, превышающей 30 000 оборотов в минуту, чтобы можно было быстро привести в движение выходной вал 31 корпуса и, следовательно, быстро реактивировать газотурбинный двигатель 6, с которым связан блок реактивации.
[0050] Управляемые средства 33 приведения во вращение второго входного вала 35 корпуса устройства быстрой реактивации содержат, например, генератор/стартер, выполненный с возможностью приведения во вращение вала со скоростью примерно 10 000-20 000 оборотов в минуту.
[0051] Объектом изобретения является также архитектура силовой установки многомоторного вертолета, содержащей газотурбинные двигатели 6, 16, соединенные с коробкой 22 передачи мощности, как показано на фиг. 3. Согласно этой архитектуре, газотурбинный двигатель 6 оснащен через коробку приводов агрегатов съемным блоком реактивации, описанным со ссылками на фиг. 1 и 2.