ГАЗОТУРБИНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ОСНАЩЕННЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИ АКТИВИРУЕМЫМ ЦЕНТРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ
GAS TURBINE ENGINE FOR AIRCRAFT, EQUIPPED WITH AUTOMATICALLY ACTIVATED CENTRING ELEMENT

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям, в частности, к газотурбинным двигателям, содержащим свободную турбину, один из опорных подшипников которой вынесен в редуктор.
2. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, газотурбинный двигатель содержит газогенератор и свободную турбину, установленную на валу, называемому силовым валом. Этот силовой вал выполнен с возможностью механического соединения с редуктором. Этот редуктор представляет собой, например, в случае вертолета коробку передачи мощности, соединенную с несущим(и) винтом(ами) вертолета. Когда силовой вал свободной турбины и редуктор механически соединены, мощность от силового вала передается на коробку передачи мощности, что обеспечивает приведение во вращение несущего(их) винта(ов) вертолета.
Силовой вал свободной турбины, в свою очередь, приводится во вращение свободной турбиной, в которую поступают газы, производимые газогенератором, и которая их расширяет, что позволяет преобразовать кинетическую энергию поступающих газов в механическую энергию, отбираемую силовым валом.
Силовой вал содержит, таким образом, два конца: один конец, называемый силовым концом, выполненный с возможностью соединения с редуктором, и противоположный конец, называемый свободным концом, на котором обычно установлены лопатки свободной турбины.
Кроме того, в настоящее время наблюдается тенденция к проектированию газотурбинных двигателей, жестко закрепляемых непосредственно в редукторах. Такой жестко закрепляемый газотурбинный двигатель выполнен с возможностью установки на редукторе и с возможностью его удержания этим редуктором. Механическое соединение между силовым валом и редуктором является в этом случае жестким закреплением. Это жесткое закрепление может быть вертикальным, горизонтальным или наклонным жестким закреплением. Эта функция обеспечивает большой выигрыш в массе на общей силовой цепи летательного аппарата. Кроме того, преимуществом жестко закрепляемого газотурбинного двигателя является возможность легкого демонтажа редуктора, например, при операциях обслуживания на газотурбинном двигателе.
В этой связи, предусмотрено вынесение опорных подшипников силового конца силового вала непосредственно в редуктор. Это особое расположение позволяет ограничить осевую длину силовой цепи, образованной газотурбинным двигателем и редуктором. Кроме того, это соединение между двигателем и редуктором упрощено за счет исключения системы трансмиссии: кардана и системы типа ʺflectorsʺ или ʺbendixʺ.
Одной из технических проблем при таком расположении опорного подшипника силового конца силового вала в редукторе является то, что силовой вал не поддерживается своим силовым подшипником, когда он не закреплен в редукторе. При этом во всех ситуациях, когда газотурбинный двигатель жестко не закреплен в редукторе, например, во время транспортировки газотурбинного двигателя от места изготовления или обслуживания до места монтажа газотурбинного двигателя на летательном аппарате, во время хранения газотурбинного двигателя на складе и т.д., существует риск повреждения системы уплотнения или подшипников качения газотурбинного двигателя по причине радиального биения вала. Например, радиальное биение вала может привести к повреждению системы уплотнения типа динамической прокладки с карбоновым кольцом или типа профильной прокладки. Это отсутствие удержания может также привести к контакту между ротором и статором в случае лабиринтного уплотнения, питаемого от воздушной системы, например, при радиальном контакте между зубцом лабиринта и не поддерживаемым силовым валом.
3. ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить газотурбинный двигатель, который позволяет преодолеть по меньшей мере некоторые из технических проблем, встречающихся в известных газотурбинных двигателях.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить жестко закрепляемый в редукторе газотурбинный двигатель, который не подвержен повреждениям систем уплотнения и/или подшипников качения газотурбинного двигателя, в том числе когда газотурбинный двигатель механически отсоединен от редуктора.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить жестко закрепляемый газотурбинный двигатель, который обеспечивает удержание опорного подшипника силового конца силового вала, в том числе когда газотурбинный двигатель механически отсоединен от редуктора.
По меньшей мере в варианте выполнения изобретение призвано предложить летательный аппарат, в частности, вертолет, оснащенный по меньшей мере одним газотурбинным двигателем в соответствии с изобретением.
4. РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В связи с этим объектом изобретения является газотурбинный двигатель, содержащий картер, в котором расположены газогенератор и свободная турбина, установленная на силовом валу, выполненном с возможностью механического соединения/разъединения с редуктором.
Заявленный газотурбинный двигатель отличается тем, что содержит по меньшей мере один центрующий элемент, подвижный между положением, называемым активным положением, в котором он образует опорный подшипник упомянутого силового вала и которое соответствует механическому разъединению между упомянутым силовым валом и упомянутым редуктором, и положением, называемым пассивным положением, в котором он отведен от упомянутого силового вала и которое соответствует механическому соединению между упомянутым силовым валом и упомянутым редуктором.
Таким образом, заявленный газотурбинный двигатель оснащен подвижным центрующим элементом, выполненным с возможностью находиться в активном положении, в котором он образует опорный подшипник силового вала, что позволяет газотурбинному двигателю автоматически поддерживать силовой вал, когда он отделен от редуктора. Кроме того, когда силовой вал механически соединен с редуктором, подвижный центрующий элемент находится в пассивном положении, в котором он радиально отходит от силового вала, освобождая этот силовой вал от любого механического напряжения.
Таким образом, заявленный газотурбинный двигатель может образовать жестко закрепляемый в редукторе газотурбинный двигатель.
Такой жестко закрепляемый газотурбинный двигатель содержит, таким образом, по меньшей мере один центрующий элемент, подвижный между активным положением, в котором центрующий элемент образует опорный подшипник упомянутого силового вала, когда упомянутый газотурбинный двигатель отделен от упомянутого редуктора, и которое соответствует механическому разъединению между упомянутым силовым валом и упомянутым редуктором, и пассивным положением, в котором центрующий элемент отходит от упомянутого силового вала и которое соответствует механическому соединению между упомянутым силовым валом и упомянутым редуктором.
Таким образом, во всех ситуациях, когда газотурбинный двигатель не закреплен в редукторе, таких как хранение газотурбинного двигателя на складе, демонтаж/монтаж газотурбинного двигателя, транспортировка газотурбинного двигателя, силовой вал свободной турбины удерживается в положении подвижным центрующим элементом, который в этом случае находится в активном положении и образует опорный подшипник силового вала.
На практике, силовой вал содержит по меньшей мере один опорный подшипник вблизи каждого из своих концов. Конец вблизи редуктора называют силовым концом, а другой конец называют свободным концом. Опорный подшипник свободного конца образован корпусом подшипника на картере газотурбинного двигателя. Опорный подшипник силового конца образован подвижным центрующим элементом в активном положении. После жесткого закрепления в редукторе опорный подшипник образован непосредственно редуктором, который в этом случае заменяет собой подвижный центрующий элемент в активном положении.
Предпочтительно, согласно изобретению, по меньшей мере один центрующий элемент и предпочтительно каждый центрующий элемент выполнен с возможностью автоматического перехода из упомянутого активного положения в упомянутое пассивное положение во время соединения упомянутого силового вала с упомянутым редуктором и с возможностью автоматического перехода из упомянутого пассивного положения в упомянутое активное положение во время отсоединения упомянутого силового вала от упомянутого редуктора.
Согласно предпочтительному варианту, переход из пассивного положения в активное положение является автоматическим и происходит одновременно с механическим разъединением между редуктором и силовым валом, и переход из активного положения в пассивное положение является автоматическим и происходит одновременно с закреплением газотурбинного двигателя в редукторе.
Поскольку этот переход из активного положения в пассивное и наоборот является автоматическим, монтаж/демонтаж газотурбинного двигателя на редукторе требует меньшей бдительности по сравнению с газотурбинным двигателем, не оборудованным подвижным центрующим элементом. Действительно, подвижный центрующий элемент, образующий опорный подшипник силового вала, автоматически встает на место во время демонтажа газотурбинного двигателя, и автоматически освобождает силовой вал во время установки газотурбинного двигателя на редуктор. Таким образом, согласно этому варианту изобретения, удержание газотурбинного двигателя является исключительно легким для оператора во время операций монтажа/демонтажа газотурбинного двигателя.
Предпочтительно, согласно изобретению, по меньшей мере один подвижный центрующий элемент и предпочтительно каждый подвижный центрующий элемент содержит коническую направляющую рампу с осью, параллельной оси упомянутого силового вала, соответствующую по форме коническому участку упомянутого картера таким образом, чтобы перемещение скольжением упомянутой направляющей рампы по упомянутому коническому участку упомянутого картера обеспечивало быстрое перемещение упомянутого центрующего элемента относительно упомянутого силового вала.
Согласно этому варианту, подвижный центрующий элемент содержит коническую направляющую рампу, соответствующую по форме коническому участку картера газотурбинного двигателя. Поскольку эта направляющая рампа имеет ось, параллельную оси упомянутого силового вала, наклон рампы находится под углом к оси силового вала. По этой причине перемещение скольжением центрующего элемента на коническом участке картера приводит к перемещению центрующего элемента относительно силового вала из активного положения в пассивное положение и наоборот в зависимости от направления перемещения центрующего элемента относительно конического участка картера.
Предпочтительно заявленный газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере одну пружину, установленную перпендикулярно к упомянутому силовому валу между упомянутым картером и подвижным центрующим элементом, и по меньшей мере одну осевую пружину, расположенную между упомянутым картером и подвижным центрующим элементом, при этом упомянутые пружины установлены неподвижно от относительно картера и перемещаются скольжением относительно подвижного центрующего элемента и выполнены с возможностью действовать результирующей силой, которая препятствует спонтанному перемещению скольжением упомянутой направляющей рампы на упомянутом коническом участке упомянутого картера в направлении упомянутого картера.
Согласно другому варианту, эти пружины заменены другими эквивалентными упругими средствами.
Согласно еще одному варианту, пружины или упругие средства имеют наклон относительно оси силового вала.
Согласно этим различным вариантам, пружины (или эквивалентные упругие средства) препятствуют спонтанному перемещению скольжением направляющей рампы на коническом участке в направлении картера. Иначе говоря, в отсутствие внешнего воздействия коническая рампа центрующего элемента не входит в контакт с коническим участком картера. В отсутствие внешнего воздействия пружины толкают подвижный центрующий элемент к силовому валу, поэтому он может образовать опорный подшипник силового вала. Поскольку пружины установлены с возможностью перемещения скольжением вдоль подвижного центрующего элемента и являются неподвижными относительно картера, каждая пружина обеспечивает перемещение подвижного центрующего элемента в приоритетном направлении, не приводя к перемещению подвижного центрующего элемента в перпендикулярном направлении. Комбинация перемещений образует перемещение вдоль направляющей рампы.
Если же внешняя сила действует на центрующий элемент в направлении картера, направляющая рампа скользит по коническому участку картера и, следовательно, отходит в радиальном направлении от силового вала.
Для этого предпочтительно, согласно изобретению, подвижный центрующий элемент имеет упор, расположенный в плоскости перпендикулярно к оси упомянутого силового вала напротив опорной поверхности редуктора таким образом, что механическое соединение между упомянутым силовым валом и упомянутым редуктором создает механический контакт между упомянутой опорной поверхностью и упомянутым упором, что за счет сжатия упомянутых пружин приводит к скольжению упомянутого центрующего элемента по упомянутому коническому участку упомянутого картера из упомянутого активного положения в котором он образует опорный подшипник силового вала, в упомянутое пассивное положение, в котором он отходит от вала.
Согласно этому варианту, контакт между опорной поверхностью редуктора и упором подвижного центрующего элемента, появляющийся в результате жесткого закрепления газотурбинного двигателя на редукторе, автоматически приводит к перемещению скольжением центрующего элемента на коническом участке картера и, следовательно, к удалению подвижного центрующего элемента от силового вала. Таким образом, подвижный центрующий элемент автоматически переходит в пассивное положение. Как только газотурбинный двигатель отсоединяют от редуктора, редуктор перестает действовать напряжением на упор центрующего элемента, и пружины толкают центрующий элемент в сторону силового вала, образуя таким образом опорный подшипник вала.
Предпочтительно, согласно изобретению, по меньшей мере один подвижный центрующий элемент и предпочтительно каждый подвижный центрующий элемент имеет вогнутую поверхность контакта с упомянутым силовым валом, поэтому он по меньшей мере частично охватывает упомянутый силовой вал в активном положении.
Согласно другому варианту, по меньшей мере один подвижный центрующий элемент имеет выпуклую поверхность контакта с упомянутым силовым валом.
Предпочтительно заявленный газотурбинный двигатель содержит по меньшей мере два подвижных центрующих элемента, расположенные вокруг упомянутого силового вала.
Объектом изобретения является также летательный аппарат, в частности, вертолет, содержащий по меньшей мере один заявленный газотурбинный двигатель.
Объектами изобретения являются также газотурбинный двигатель и летательный аппарат, оснащенный газотурбинным двигателем, отличающиеся в комбинации всеми или частью вышеупомянутых и описанных ниже признаков.
5. СПИСОК ФИГУР
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 в разрезе газотурбинного двигателя, жестко закрепленного в редукторе.
Фиг. 2 - схематичный вид в разрезе детали газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, где подвижный центрующий элемент находится в пассивном положении.
Фиг. 3 - схематичный вид в разрезе детали газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, где подвижный центрующий элемент находится в активном положении.
Фиг. 4 - схематичный вид в разрезе детали газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, оснащенного двумя подвижными центрующими элементами.
Фиг. 5 - схематичный вид в разрезе детали газотурбинного двигателя согласно варианту выполнения изобретения, оснащенного тремя подвижными центрующими элементами.
6. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для большей ясности и наглядности масштабы и пропорции на фигурах не соблюдены. Во всем тексте нижеследующего подробного описания со ссылками на фигуры, если только не указано иное. каждый элемент газотурбинного двигателя описан таким, как он расположен, когда газотурбинный двигатель находится в положении горизонтальной установки на корпусе редуктора. Именно это расположение показано на фиг. 1. Кроме того, термин «осевой» относится к расположению вдоль центральной оси X'X газотурбинного двигателя. Термин «радиальный» относится к расположению перпендикулярно к этой центральной оси. Наконец, элементы, имеющие одинаковые обозначения на различных фигурах, относятся к идентичным элементам.
Как показано на фиг. 1, заявленный газотурбинный двигатель содержит картер 5, в котором установлены газогенератор 6 и свободная турбина 7. Свободная турбина 7 неподвижно соединена с силовым валом 8. Согласно варианту выполнения, представленному на фигурах, силовой вал 8, на котором установлена свободная турбина 7 и который позволяет соединить газотурбинный двигатель с редуктором 10, заходит внутрь вала газогенератора, поэтому силовой конец 9 силового вала находится со стороны газогенератора. Газогенератор 6 и его работа хорошо известны специалисту в данной области, и их подробное описание опускается. Разумеется, изобретение можно также применить для газотурбинного двигателя, силовой вал которого не проходит через газогенератор и силовой конец которого находится, следовательно, противоположно относительно газогенератора.
Силовой вал 8 проходит в направлении X'X газотурбинного двигателя. Кроме того, силовой вал 8 выполнен с возможностью соединения с редуктором 10, таким как коробка передачи мощности вертолета. Механическое соединение между силовым валом 8 и редуктором на фигурах детально не показано. Например, редуктор 10 содержит первую ступень, оснащенную ведущей шестерней 20, выполненной с возможностью зацепления с шестерней, неподвижно соединенной с силовым валом 8 вблизи его силового конца 9.
Заявленный газотурбинный двигатель дополнительно содержит подвижный центрующий элемент 12. Центрующий элемент 12 установлен на картере 5 и может перемещаться между положением, называемым активным положением, в котором он образует опорный подшипник силового вала 8, и положением, называемым пассивным положением, в котором он отходит от силового вала 8.
На фиг. 2 центрующий элемент 12 показан в пассивном положении, а на фиг. 3 центрующий элемент 12 показан в активном положении.
Центрующий элемент 12 выполнен и установлен на картере 5 таким образом, чтобы активное положение соответствовало разъединению между силовым валом 8 и редуктором 10 и чтобы пассивное положение соответствовало механическому соединению между силовым валом 8 и редуктором.
Для этого подвижный центрующий элемент 12 содержит коническую направляющую рампу 13 с осью, параллельной оси X'X силового вала 8. Эта рампа 13 соответствует по форме коническому участку 14 картера 5 таким образом, чтобы сила F с осью, параллельной оси X'X, действующая на подвижный центрующий элемент в направлении картера 5, приводила к перемещению подвижного центрующего элемента 12, который отходит в радиальном направлении от силового вала 8. Это радиальное перемещение происходит при скольжении направляющей рампы 13 по коническому участку 14 картера 5.
Эта сила F с осью, параллельной оси X'X, возникает при контакте между элементом редуктора 10, например, таким как статор 21 ведущей шестерни 20 редуктора 10, и упором 15 подвижного центрующего элемента, расположенным в плоскости перпендикулярно к оси X'X. Этот контакт между статором 21 ведущей шестерни редуктора 10 и упором 15 подвижного центрующего элемента 12 является результатом жесткого закрепления газотурбинного двигателя в редукторе. Иначе говоря, во время установки газотурбинного двигателя на редукторе контакт между статором 21 и упором 15 происходит автоматически, что позволяет получить силу F с осью X'X и, следовательно, перемещение подвижного центрующего элемента 12 в пассивное положение, в котором он отходит в радиальном направлении от силового вала 8.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, представленному на фиг. 2 и 3, газотурбинный двигатель содержит также радиальную пружину 16, установленную между осевым участком 51 картера 5 и подвижным центрующим элементом 12, и осевую пружину 17, установленную между радиальным участком 52 картера 5 и подвижным центрующим элементом 12. Согласно варианту выполнения, показанному на фигурах, радиальный участок 52 картера 5 является продолжением конического участка 14 картера 5. Каждая пружина имеет один конец, неподвижный относительно картера, и другой конец, перемещающийся скольжением относительно подвижного центрующего элемента.
Эти пружины позволяют получить результирующую силу, которая препятствует спонтанному перемещению скольжением подвижного центрующего элемента 12 на коническом участке 13 картера 5 в направлении конического участка 13 картера.
Показанные на фиг. 2 пружины 16, 17 сжаты под действием силы F. Таким образом, подвижный центрующий элемент 12 переместился в свое пассивное положение, в котором он отходит в радиальном направлении от силового вала 8 и больше не взаимодействует механически с силовым валом 8. В этом положении опорный подшипник силового кона 9 силового вала 8 образован непосредственно редуктором 10. В частности, центровка силового вала 8 происходит непосредственно за счет контакта между ведущей шестерней 20 редуктора 10 и концом 9 силового вала. Контакт между шестерней 20 и силовым валом 8 схематично показан на фиг.2 позицией 22.
Показанный на фиг. 3 газотурбинный двигатель отсоединен от редуктора 10. В этой ситуации сила F исчезла, поэтому пружины 16, 17 смогли разжаться, толкая подвижный центрующий элемент 12 в сторону от картера 5. Таким образом, подвижный центрующий элемент 12 находится в своем активном положении, в котором он входит в контакт с силовым валом 8. Этот контакт происходит на уровне контактной поверхности 18 подвижного центрующего элемента 12 и опорной центровочной поверхности 11 силового вала 8. Когда контактная поверхность 18 подвижного центрующего элемента 12 входит в контакт с опорной центровочной поверхностью 11 силового вала 8, подвижный центрующий элемент 12 образует опорный подшипник силового вала 8. Как показано на фиг. 3, подвижный центрующий элемент 12 находится в положении принудительной опоры на опорную центровочную поверхность 11, что позволяет ему образовать опорный подшипник силового вала 8. Следовательно, происходит автоматическое удержание силового вала 8. Речь идет об активном положении подвижного центрующего элемента 12.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, контактная поверхность 18 подвижного центрующего элемента 12 является вогнутой, поэтому центрующий элемент по меньшей мере частично охватывает упомянутый силовой вал 8 в активном положении. Это позволяет улучшить удержание силового вала 8 подвижным центрующим элементом 12 в активном положении.
Согласно предпочтительному варианту выполнения, представленному на фиг. 4, газотурбинный двигатель содержит два подвижных центрующих элемента 42, 43, расположенных вокруг силового вала 8 и диаметрально противоположных друг другу. Каждый подвижный центрующий элемент 42, 43 является, например, центрующим элементом, описанным со ссылками на фиг. 2 и 3.
Согласно другому варианту выполнения, представленному на фиг. 5, газотурбинный двигатель содержит три подвижных центрующих элемента 44, 45, 46, распределенных вокруг силового вала 8 свободной турбины газотурбинного двигателя. Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 5, каждый центрующий элемент является идентичным центрующему элементу, описанному со ссылками на фиг. 2 и 3, если не считать контактной поверхности 18 каждого центрующего элемента, которая является не вогнутой, а выпуклой в этом варианте выполнения.
Согласно другим, не показанным на фигурах вариантам выполнения, газотурбинный двигатель может содержать одновременно вогнутые центрующие элементы и выпуклые центрующие элементы.
Согласно другим, не показанным на фигурах вариантам выполнения, газотурбинный двигатель может содержать более трех подвижных центрующих элементов, распределенных вокруг силового вала.
Объектом изобретения является также вертолет, содержащий по меньшей мере один заявленный газотурбинный двигатель.
Следует отметить, что подвижный центрующий элемент заявленного газотурбинного двигателя можно применять также для силового вала двигателя внутреннего сгорания (поршневого или роторного).
Его можно также использовать для соединения газовой турбины с редуктором винта турбовинтового двигателя самолета (с неподвижными несущими плоскостями).