СИСТЕМА СМАЗКИ ТУРБОМАШИНЫ С ПРОТИВОСИФОННЫМ КЛАПАНОМ ДЛЯ АВТОРОТАЦИИ
TURBOMACHINE LUBRICATION SYSTEM WITH ANTISIPHON VALVE FOR AUTOROTATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к контуру распределения масла турбомашины воздушного судна. Точнее, настоящее изобретение относится к одному или нескольким гидравлическим контурам для приведения в действие, охлаждения и/или смазывания устройств в турбинном двигателе воздушного судна. Изобретение также относится к осевой турбомашине согласно изобретению.
Уровень техники
В турбомашине используется масло для различных целей. Масло можно применять как для смазки подвижных деталей, так и для их охлаждения. Масло также можно применять для приведения в действие устройств или для подачи к ним питания посредством его давления. Например, его можно применять для регулировки шага лопаток вентилятора турбовинтового двигателя или для амортизации движения, передаваемого подшипниками (слой под давлением). Масло можно применять для нагревания или охлаждения определенных деталей турбореактивного двигателя или даже воздушного судна.
Для выполнения этих функций масло закачивают в контур посредством насоса для его перекачивания. Поскольку в этот контур обычно включены различные устройства, в контуре обычно используется несколько насосов. Каждый может подавать и откачивать масло с различной скоростью и/или давлением, чтобы таким образом обеспечивать подачу к отдельным устройствам или группам устройств. Преимущественно эти насосы приводятся в действие механизмом отбора мощности на валу турбомашины для упрощения приводного механизма.
Этот приводной механизм обеспечивает циркуляцию масла в турбореактивном двигателе воздушного судна, даже когда она прервана, но ротор все еще вращается. В полете воздушное судно может выполнить свою задачу за счет прекращения подачи топлива к одному из его двигателей. Поток воздуха, создаваемый скоростью воздушного судна, способен вращать вентилятор и таким образом приводить в действие соединенные с ним насосы.
Кроме того, воздушное судно может подчиняться правилам безопасности, относящимся к предупреждению пожара в двигателе. Контур должен быть способен прерывать поток масла там, где он может содействовать горению, и позволять осуществлять циркуляцию в устройствах, требующих смазки или механической энергии. Циркулирующее масло остается целесообразно использовать в некоторых устройствах, которые оно может охлаждать до определенной степени.
Для обеспечения таких режимов с различными насосами соединены управляющие клапаны. Однако для ряда устройств, требующих управления, и различных режимов, которые должны быть учтены, необходимо большое количество управляющих клапанов и ряд средств управления и датчиков. Их количество увеличивает стоимость такого масляного контура, а его надежность снижается.
В патенте GB 2042649A раскрыта система подачи масла к подшипникам турбомашины. Подшипники запитаны напрямую или посредством распределителя, к которому подключены параллельные линии. Масло для подшипников откачивается посредством насосов, а затем отправляется в дополнительный редуктор. Система содержит несколько невозвратных клапанов, один из которых расположен перед распределителем. Различные насосы откачивают масло из подшипников или впрыскивают его в них. Обводной клапан с программируемым распределителем позволяет осуществлять прямую подачу из дополнительного редуктора, когда турбомашина работает в режиме холостого хода и невозвратный клапан закрыт. Система позволяет осуществлять очень точный контроль потока масла. Однако она требует сложных механизмов управления.
В патенте US 2008/0178833 A1 раскрыта система смазки турбомашины. Она содержит насос для подачи к устройствам турбомашины и откачивающий насос для возврата масла от указанных устройств, при этом привод обоих насосов осуществляется валом ротора. Из соображений безопасности контур оснащен калиброванными клапанами, расположенными на выходе каждого насоса. Они сконфигурированы с возможностью прерывания потока масла при авторотации. Система также содержит обводную линию, подключенную на выходе насоса для подачи масла. Безопасность такой системы при авторотации основана на калиброванных клапанах, которые подвергаются воздействию пламени в случае загорания турбомашины. Кроме того, такая система не соответствует специальным требованиям безопасности определенных устройств, поскольку к этим устройством должно подаваться масло в случае авторотации.
Краткое описание изобретения
Техническая задача
Изобретение нацелено на решение по меньшей мере одной из технических задач, представленных в уровне техники. Изобретение также нацелено на повышение безопасности функционирования системы подачи масла турбомашины. Изобретение также нацелено на упрощение работы системы подачи масла в турбомашине при сохранении надлежащего уровня безопасности.
Техническое решение
Изобретение относится к системе подачи масла турбомашины, содержащей бак, предусмотренный для вмещения объема масла; питающий насос по меньшей мере для одного устройства в турбомашине, при этом указанный насос соединен с баком и указанным одним или несколькими устройствами; запорные средства для запирания потока от питающего насоса к одному или нескольким устройствам, когда скорость насоса меньше скорости R1, при этом запорные средства расположены в гидролинии перед насосом, между указанным насосом и баком.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения запорное средство содержит противосифонный клапан, предусмотренный для закрытия, когда уровень всасывающего давления питающего насоса ниже установленного порога.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения система содержит теплообменник, такой как охладитель, предусматривающий вмещение объема масла; предпочтительно охладитель образует главным образом замкнутую камеру.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения запорные средства размещены в баке. Бак может быть выполнен таким образом, чтобы клапан мог быть погруженным в масло, находящееся в баке.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения запорные средства механически регулируются уровнем всасывающего давления насоса и предпочтительно также давлением в баке.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения насос является первым насосом, запорные средства являются первыми запорными средствами; система дополнительно содержит второй питающий насос, механический привод которого подключен к механическому приводу первого насоса, соединенного с баком и одним или несколькими другими устройствами в турбомашине, вторые запорные средства, перекрывающие поток от второго насоса, когда скорость первого питающего насоса опускается ниже скорости R2, при этом указанные средства расположены перед указанным насосом, а скорость R2 отличается от скорости R1.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения скорости R1 и R2 имеют заранее установленные значения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения скорости R1 и R2 отличаются более чем на 5%, предпочтительнее более чем на 10%, предпочтительнее более чем на 30%, и даже еще предпочтительнее более чем на 100%.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения один или несколько питающих насосов содержат внутренние обводные линии, предусмотренные для снижения в них уровня всасывающего давления, когда соответствующие запорные средства прерывают поток.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения система содержит регулировочный контур, соединяющий один или несколько выходов одного или нескольких питающих насосов с соответствующими запорными средствами, пропускающими поток масла, когда давление на выходе указанного одного или нескольких насосов превышает давление P1.
Изобретение также относится к турбореактивному двигателю, содержащему устройства и систему подачи масла, при этом система подачи является системой согласно изобретению.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения турбореактивный двигатель содержит вентилятор, привод которого соединен с приводом одного или нескольких питающих насосов, вращающийся вентилятор приводит в действие указанный питающий насос со скоростью R3, когда турбореактивный двигатель находится в процессе полета и к нему не осуществляется подача топлива, в соответствии с режимом полета при авторотации, при этом скорость R3 меньше скорости R1, и, таким образом, когда турбореактивный двигатель находится в режиме полета при авторотации, один или несколько питающих насосов не работают.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения насос является первым насосом, запорные средства являются первыми запорными средствами; система дополнительно содержит второй питающий насос, механический привод которого соединен с приводом первого насоса, соединенного с баком и одним или несколькими другими устройствами в турбомашине, вторые запорные средства от второго питающего насоса, перекрывающие поток, когда скорость первого питающего насоса опускается ниже порога R2, при этом указанные средства установлены перед указанным насосом, скорость R2 отличается от скорости R1, при этом турбореактивный двигатель содержит вентилятор, подключенный для приведения в действие первого и второго питающих насосов, при этом вращающийся вентилятор приводит в действие первый питающий насос со скоростью R3, когда турбореактивный двигатель находится в процессе полета и к нему не осуществляется подача топлива, в соответствии с режимом полета при авторотации, при этом скорость R3 находится между скоростью R1 и R2, и таким образом один из первого и второго питающих насосов осуществляет подачу к своим соответствующим устройствам, а другой из указанных насосов не осуществляет подачу, когда турбореактивный двигатель находится в режиме авторотации.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения скорость привода R3 составляет менее 50%, предпочтительно 30%, предпочтительнее 10% скорости привода при работе турбореактивного двигателя на его нормированной эксплуатационной скорости.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения скорость R3 охватывает ряд значений.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройства, запитанные одним или несколькими питающими насосами, содержат по меньшей мере одну смазочную камеру для подшипников ротора.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения система подачи масла дополнительно содержит маслооткачивающий контур по меньшей мере для одного из устройств, при этом контур оснащен откачивающим насосом, привод которого предпочтительно соединен с приводом одного или нескольких питающих насосов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения система подачи масла содержит регулировочный контур, соединяющий возвратную линию, расположенную после возвратного насоса, с соответствующими запорными средствами, при этом указанные средства выполнены с возможностью пропускать поток масла, когда давление в регулировочном канале выше давления P2.
Изобретение также относится к воздушному судну, содержащему систему подачи масла и/или турбореактивный двигатель, при этом система подачи масла выполнена согласно изобретению, и/или турбореактивный двигатель соответствуют изобретению.
Заявленные преимущества
Система подачи является независимой и работает автоматически. Исполнительные механизмы являются быстродействующими и особенно безопасными.
Изобретение позволяет прерывать или возобновлять поток масла в системе подачи посредством простых запорных средств. Отверстие подачи в запорных средствах выполнено пропорционально отверстию насоса, а следовательно, и скорости вращения вентилятора, позволяющей просто регулировать отверстие в соответствии со скоростью в реальном времени работающего турбореактивного двигателя.
Изобретение позволяет легко управлять несколькими запорными средствами. В случае авторотации и пожара система подачи имеет несколько режимов работы в зависимости от скорости вращения вентилятора. Это позволяет осуществлять смазывание подшипников и в то же время прерывать циркуляцию там, где может произойти утечка.
Это достигается без применения каких-либо средств внешнего контроля. Это позволяет полностью прерывать поток, когда турбореактивный двигатель находится в состоянии покоя, и пропускает поток в полном объеме, когда реактивный двигатель работает со стандартной скоростью. Система прерывает подачу, когда она становится опасной, и поддерживает ее на необходимом уровне.
Краткое описание графических материалов
Фиг. 1 показывает осевую турбомашину согласно изобретению.
Фиг. 2 показывает вид системы подачи турбомашины согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 3 показывает систему подачи турбомашины согласно второму варианту осуществления изобретения.
Описание вариантов осуществления
Фиг. 1 показывает осевую турбомашину. В данном случае это двухконтурный турбореактивный двигатель 2, устанавливаемый на транспортное средство, такое как воздушное судно. Турбомашина также может быть турбовинтовым двигателем. Турбореактивный двигатель 2 содержит первую ступень компрессии, также именуемую компрессором 4 низкого давления, вторую ступень компрессии, также именуемую компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней турбины 10. В процессе работы механическая энергия турбины 10 передается через центральный вал 12 на ротор и приводит в действие два компрессора 4 и 6. Редукторные механизмы могут повышать или понижать скорость вращения, передаваемую компрессорам. Альтернативно каждая из различных ступеней турбины может быть соединена со ступенями компрессора через центральные соосные валы.
Центральный вал 12 установлен с возможностью вращения относительно корпуса турбомашины 2 посредством групп подшипников. Последние могут содержать механические подшипники, требующие смазки. Это требование также относится к редукторным механизмам. Для соответствия этому требованию турбореактивный двигатель 2 содержит систему подачи масла, доставляющую масло к различным группам подшипников и редукторным механизмам.
Система подачи может содержать теплообменник для охлаждения масса в процессе эксплуатации. Некоторое количество масла хранится в баке 16. Это масло затем может быть использовано для охлаждения устройств турбореактивного двигателя 2.
Впускной вентилятор 18, в целом именуемый как вентилятор, соединен с ротором 14 и генерирует поток воздуха, разделяемый на первичный поток 20 и вторичный поток 22. Первичный поток 20 проходит через термодинамический цикл сжатия/расширения. Вторичный поток 22 посредством вентилятора 18 обеспечивает большую часть осевого усилия реактивного двигателя. Вентилятор 18 может быть соединен с центральным валом через коробку передач, смазываемую посредством системы подачи. Его скорость можно выставлять. Выставление скорости можно регулировать посредством механической энергии системы подачи масла.
Вентилятор 18 также способен действовать как амортизатор механической энергии. Во время полета на маршевой скорости турбореактивный двигатель 2 может быть отключен таким образом, чтобы он больше не генерировал движущую силу. За счет скорости воздушного судна поток воздуха может вращать вентилятор 18. Он также может приводить в действие устройства и оборудование, подключенное к нему. Этот режим обычно называется «самовращение» или авторотация. В общем, скорость вращения вентилятора 18 составляет меньше половины его скорости вращения при работе турбореактивного двигателя 2 на номинальной скорости, предпочтительно меньше четверти, еще предпочтительнее меньше одной десятой.
Фиг. 2 является изображением турбореактивного двигателя 2 с системой подачи масла согласно первому варианту осуществления изобретения.
Масло подается из бака 16 к различным устройствам турбореактивного двигателя 2 через основную питающую линию 24. Устройства могут содержать камеру для смазки подшипника и теплообменник. Система содержит первый питающий насос 26, расположенный на первичной питающей линии 24 и забирающий масло из бака 16. Скорости впуска и выпуска насоса могут быть установлены с учетом его скорости. Это может быть скорость вращения в случае роторного насоса, или это может быть частота в случае вибронасоса. Эти давления также зависят от вязкости масла при данной температуре.
Система подачи дополнительно содержит первые запорные средства, такие как противосифонный клапан 28, предусмотренный для остановки или пуска потока масла из бака 16 к устройствам. Он может быть расположен в самой низкой точке бака 16. Клапан 28 установлен перед первым насосом 26 и предпочтительно перед любым оборудованием или устройством, подключенным к первичной питающей линии 24.
Противосифонный клапан 28 откалиброван таким образом, чтобы оставаться закрытым при наличии в баке столба масла. А при полной остановке он предотвращает опустошение бака в турбореактивном двигателе 2.
Клапан 28 может содержать уплотнительную крышку и соответствующее посадочное место. Когда уплотнительная крышка находится на своем посадочном месте, клапан закрыт. Запорные средства могут включать средства смещения или регулировки для возвращения уплотнительной крышки на место в закрытое положение. Средства калибровки могут включать предварительно нагруженную пружину, которая поддерживает уплотнительную крышку на своем посадочном месте таким образом, чтобы на нее действовала заранее определенная сила. Эта сила может быть превращена в давление, прилагаемое к уплотнительной крышке, соответствующее давлению открытия клапана 28.
Работа клапана 28 таким образом зависит от разницы давлений, которым он подвергается. Эта разница давлений зависит главным образом от давления в баке 16, геометрии первичной питающей линии 24 и/или низкого давления первого насоса 26. Последнее зависит от его скорости. Таким образом, возможно регулировать открывание клапана в зависимости от скорости вращения вентилятора.
После поступления в устройства масло может оставаться там или проходить в корпус турбореактивного двигателя 2. Оно втягивается или отводится, как в случае откачивающего контура 30. Последний может содержать откачивающий насос 32 для откачивания масла и его последующего выпуска в бак 16. Теплообменник 34 может быть расположен после откачивающего насоса 32. Таким образом, содержащееся в баке 16 масло сохраняет температуру, низкую относительно температуры турбореактивного двигателя 2. Откачивающий контур 30 может содержать несколько контуров, каждый из которых оснащен откачивающим насосом для откачивания масла из различных мест с различной скоростью.
Питающий насос 26 и откачивающий насос 32 соединены механически, непосредственно или через редукторы. Они также соединены с вентилятором 18, непосредственно или через редукторы. Вал может быть соединен с центральным валом 12 для управления насосами. Такой способ приведения в действие упрощает систему, поскольку для него не требуется ни дополнительной энергии для функционирования, ни дополнительных средств для управления. Вращение вентилятора 18 и, следовательно, вращение центрального вала 12 приводит в действие питающий насос и откачивающий насос(26, 32) во время нормальн6ой работы турбореактивного двигателя 2. Если последний отключить, может происходить авторотация, в результате которой вентилятор 18 может приводить в действие насосы (26, 32) и различные устройства, требующие смазки. Отключение турбореактивного двигателя 2 означает прерывание подачи к нему топлива.
Противосифонный клапан 28 выполнен таким образом, чтобы открывать и пропускать поток масла в случае авторотации. Таким образом, масло может подаваться к тем устройствам, которые требуют смазки вследствие своего движения. Клапан 28 выполняет двойную функцию, поскольку он прерывает поток масла, когда турбореактивный двигатель 2 полностью останавливается, и снова открывается в случае авторотации, когда скорость вращения насоса достигает скорости R1. В случае авторотации скорость вращения вентилятора 18 значительно меньше номинальной рабочей скорости.
Изобретение может исключать сложные средства управления, которые являются и дорогостоящими, и довольно хрупкими.
Для повышения надежности системы подачи или для более эффективной эксплуатации она может содержать регулировочный контур 36, соединенный с выпускным отверстием питающего насоса 26 и клапана 28. Его запорные средства могут быть настроены таким образом, чтобы пропускать поток, когда давление подачи питающего насоса 26 превышает давление P1. Таким образом, когда скорость вращения вентилятора 18 довольно высока, клапан 28 открывается, разрешая подачу масла.
Таким же образом система подачи может содержать регулировочный контур 38, соединяющий откачивающий контур 30 с клапаном 28. Контур 38 преимущественно расположен на выпускной стороне откачивающего насоса 32 для использования полезного действия давления выпуска. Последнее будет пропорционально скорости вращения вентилятора 18. Запорные средства клапана 28 могут быть выполнены с возможностью пропускания потока масла, когда давление на выходе откачивающего насоса 32 превышает давление P2. Таким образом, когда скорость вращения вентилятора 18 довольно высока, клапан 28 открывается, позволяя осуществлять подачу масла. Давления P1 и P2 могут отличаться.
Фиг. 3 показывает турбореактивный двигатель 2 с системой подачи масла согласно второму варианту осуществления изобретения. Фиг. 3 имеет такую же систему нумерации ссылок, как на предыдущих чертеж для одних и тех же или подобных элементов, но их номера ссылок увеличены на 100. Особые номера использованы для позиций, характерных только для этого варианта осуществления.
Система подачи содержит бак 116, первичную питающую линию 124 и вторичную питающую линию 125. Они обе соединены с баком 116. Первичная питающая линия 124 содержит первый клапан 128 и расположенный после него первый питающий насос 126. Вторичная питающая линия 124 содержит второй клапан 128 и второй расположенный после него питающий насос 126. Эти питающие линии преимущественно параллельны. Каждая из них питает определенные устройства. Например, одна из них может осуществлять подачу к подшипникам, а другая к теплообменнику.
Система подачи содержит откачивающий контур 130 с откачивающим насосом 132. Указанный откачивающий контур может разделяться вверх по потоку и позволяет собирать масло от различных устройств на различных скоростях и давлениях. Насосы (126, 127, 132) механически соединены с вентилятором 118 и таким образом способны перекачивать масло в случае авторотации.
Клапаны (128, 129) являются независимыми друг от друга. Они предусмотрены для прерывания потока масла от бака 116, когда турбореактивный двигатель 102 полностью останавливается. Первый клапан 128 предусмотрен для открывания, когда приводная скорость первого питающего насоса 126 превышает скорость R1, второй клапан129 предусмотрен для открывания, когда приводная скорость первого питающего насоса 126 превышает скорость R2, то есть для разных скоростей вращения вентилятора 118. Приводные скорости R1 и R2 могут отличаться более чем на 5%, предпочтительно более чем на 50%, предпочтительнее более чем на 100%, еще предпочтительнее более чем на 300%.
Система подачи обеспечивает автономное питание различных устройств благодаря вращению вентилятора 118. Питание одного из них может быть прекращено, тогда как другой запитан. Такая конфигурация особенно предпочтительна в случае пожара в двигателе или авторотации, поскольку система подачи позволяет, например, осуществлять подачу к подшипнику, одновременно прерывая подачу к теплообменнику. Фактически в таком режиме вращаются и требуют смазки несколько устройств. Со своей стороны, теплообменник может быть поврежден пожаром и может высвобождать значительное количество масла. Оно является горючим и может усугубить пожар и еще больше повредить воздушное судно. Возможность перекрыть поток масла к устройству означает контроль над опасностью.
Клапаны расположены в баке 116 или на его выходе. Они расположены перед любым оборудованием или устройством. Таким образом, они могут прерывать поток в линиях, которые могут подвергаться возгоранию. То есть они не пропускают масло в случае повреждения этих линий. Изобретение также позволяет прерывать поток масла, когда в линиях находится недостаточно масла для их охлаждения, позволяя таким образом противостоять огню.