НЕСМАЗЫВАЕМАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ТУРБОВАЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
NON-LUBRICATED STRUCTURE FOR TURBO SHAFT ENGINE

Настоящее изобретение относится к области газовых турбин, а в частности к турбовальным двигателям для летательных аппаратов, таких как вертолеты.
Более точно, настоящее изобретение относится к турбовальному двигателю, в частности для вертолета, имеющего газогенератор и свободную турбину, приводимую во вращение потоком газа, создаваемым газогенератором.
Традиционно газогенератор содержит по меньшей мере компрессор и турбину, которые соединены для совместного вращения. Принцип работы является следующим: свежий воздух, входящий в двигатель, сжимается в результате вращения компрессора перед доставкой в камеру сгорания, где он смешивается с топливом. Затем вследствие сгорания отработанный газ выпускается с высокой скоростью.
Далее в турбине газогенератора происходит первое расширение, в течение этого расширения турбина извлекает энергию, необходимую для привода компрессора и оборудования, которое является неотъемлемым для надлежащей работы газогенератора. Оборудование обычно размещается в коробке приводов агрегатов газовой турбины, причем эта коробка приводов агрегатов обычно содержит редуктор.
Турбина газогенератора поглощает не всю кинетическую энергию от отработанного газа, при этом избыток кинетической энергии соответствует газовому потоку, который создается газогенератором.
Таким образом, генератор доставляет кинетическую энергию к свободной турбине, так что в свободной турбине происходит второе расширение, при этом турбина преобразует эту кинетическую энергию в механическую энергию для того, чтобы привести в действие принимающий орган либо непосредственно, либо через средство понижения частоты вращения, причем такой принимающий орган может представлять собой главный редуктор (ГР) вертолета.
Традиционно газогенератор, свободная турбина, коробка приводов агрегатов и иногда механизм понижения частоты вращения в целом образуют части единого узла, именуемого турбовальным двигателем, который предназначен для крепления к площадке вертолета.
Назначение главного редуктора вертолета, во-первых, состоит в передаче подъемных сил от винта ко всей конструкции вертолета, а во-вторых, в уменьшении частоты вращения между двигателем и винтом посредством зубчатого механизма с одновременной поддержкой различных единиц оборудования. Главный редуктор имеет свою собственную систему смазки, которая включает в себя такие же компоненты масляного контура, как у двигателя.
Масляным контуром постоянно смазываются механизм понижения частоты вращения, встроенный в двигатель, включенный в часть понижения мощности для понижения частоты вращения между свободной турбиной и главным редуктором (ГР) вертолета, и зубчатый механизм в коробке приводов агрегатов.
Такая система смазки обычно содержит насос, фильтрующий узел, систему трубопроводов, бак, датчики для контроля давления и температуры, систему охлаждения и систему дегазации.
Может быть понятно, что такая система смазки является чрезвычайно обременительной. В частности,ю она представляет собой источник утечек, который может вызвать затруднения для операторов и который требует от пилота проверки уровня масла. Более того, двигатель сертифицирован, как способный выдержать перерыв в смазке в течение заданного периода времени. И наконец, система смазки является тяжелой, дорогой и обычно загрязняющей.
Задача настоящего изобретения - обеспечить конструкцию газотурбинного двигателя для вертолета, которая предоставляет возможность уменьшить размер системы смазки.
Таким образом, изобретение относится к газотурбому двигателю вертолета, причем вертолет содержит главный редуктор, винт и устройство понижения частоты вращения, полностью размещенное в главном редукторе вертолета, при этом также соединенное с упомянутым винтом, причем газотурбинный двигатель содержит корпус, газогенератор с валом газогенератора и свободную турбину, приводимую во вращение потоком газа, создаваемым газогенератором, при этом упомянутая свободная турбина имеет вал свободной турбины, причем в газотурбинном двигателе, когда газотурбинный двигатель прикреплен к главному редуктору вертолета, вал свободной турбины проходит аксиально в главный редуктор вертолета для того, чтобы быть соединенным непосредственно с устройством понижения частоты вращения вертолета.
Таким образом, понятно, что газотурбинный двигатель согласно изобретению не имеет узла понижения частоты вращения и предпочтительно не имеет коробки привода агрегатов, в отличие от описанного выше предшествующего уровня техники. Частота вращения свободной турбины уменьшается исключительно устройством понижения частоты вращения, которое размещено в главном редукторе (ГР) вертолета. Следовательно, зубчатый механизм механизма понижения частоты вращения смазывается в ГР посредством и его собственного масляного контура, а не в двигателе, как осуществлялось в предшествующем уровне техники. Таким образом, посредством изобретения смазка в двигателе значительно уменьшается.
В предшествующем уровне техники вал свободной турбины и газогенератора приводятся во вращение роликовыми подшипниками. Эти подшипники также служат для восприятия радиальных и/или осевых сил, под воздействием которых находятся валы. В предшествующем уровне техники эти подшипники подобным образом смазываются системой смазки.
Преимущественно, газотурбинный двигатель изобретения включает в себя по меньшей мере один несмазываемый подшипник, размещенный радиально между корпусом двигателя и валом свободной турбины. В качестве примера возможно использовать воздушный подшипник. Следовательно, направление вращения вала свободной турбины больше не требует смазки маслом.
Преимущественно, по меньшей мере один несмазываемый подшипник размещен между валом газогенератора и корпусом двигателя. В качестве примера возможно использовать воздушный подшипник. Следовательно, вращательное направление вала газогенератора больше не требует смазывания маслом.
В предшествующем уровне техники коробка приводов агрегатов, укомплектованная зубчатым механизмом, образует часть механизма понижения частоты вращения газотурбинного двигателя. Коробка приводов агрегатов служит для приведения в действие служебного оборудования, которое необходимо для работы газогенератора и, возможно, также оборудования, специфичного для вертолета, например, блоков кондиционирования воздуха или любого другого вспомогательного агрегата. Подобным образом зубчатый механизм коробки приводов агрегатов предшествующего уровня техники смазывается системой смазки.
В изобретении коробка приводов агрегатов преимущественно может быть включена в состав ГР и может быть механически соединена с газогенератором.
В варианте осуществления зубчатый механизм может быть преимущественно заменен электрическими двигателями, связанными с соответствующими частями оборудования, причем упомянутые двигатели преимущественно соединены с генератором электричества, который сам непосредственно соединен с валом газогенератора. Возможно использовать высокоскоростной генератор бесщеточного типа. Такой генератор предоставляет возможность генерирования электричества для снабжения питанием электрических двигателей различных частей оборудования. Кроме того, он не требует смазки маслом.
В газотурбинном двигателе предшествующего уровня техники осевые силы, под воздействием которых находится вал свободной турбины и вал газогенератора, также воспринимаются подшипниками, которые смазываются маслом.
В изобретении осевые силы, под воздействием которых находится вал газогенератора, воспринимаются несмазываемым осевым упорным устройством, размещенным аксиально между валом газогенератора и корпусом. Упорное устройство может представлять собой осевой воздушный подшипник или может представлять собой осевой магнитный подшипник, которые являются общеизвестными.
В варианте осуществления осевые силы, под воздействием которых находится вал газогенератора, воспринимаются устройством для восприятия осевых сил вала газогенератора, причем устройство размещено между главным редуктором и валом газогенератора, или размещено радиально между валом свободной турбины и валом газогенератора. Такое устройство для восприятия осевых сил предпочтительно представляет собой смазываемое осевое упорное устройство, например смазываемый роликовый подшипник, который остается в составе главного редуктора вертолета. В данных обстоятельствах также предусматривается уплотнительная прокладка, причем прокладка размещается радиально между валом свободной турбины и валом газогенератора, посредством чего предотвращает проникание смазочного масла в двигатель.
Также предусматривается, что осевые силы, под воздействием которых находится вал свободной турбины, преимущественно воспринимаются главным редуктором вертолета, в результате того, что свободная турбина выполнена с возможностью прочного соединения с механизмом понижения частоты вращения.
Таким образом, может быть понятно, что настоящее изобретение позволяет обеспечить конструкцию без масла для турбовального двигателя, т.е. конструкцию, которая полностью лишена какой-либо системы смазки, посредством чего ликвидирует упомянутые выше недостатки.
Настоящее изобретение также обеспечивает вертолет, содержащий:
- главный редуктор,
- винт,
- устройство понижения частоты вращения, полностью размещенное в главном редукторе, при этом соединенное с упомянутым винтом, и
- газотурбинный двигатель, причем корпус двигателя прикреплен к главному редуктору вертолета, при этом вал свободной турбины проходит аксиально внутрь главного редуктора и соединен непосредственно с устройством понижения частоты вращения.
Преимущественно газотурбинный двигатель дополнительно включает в себя устройство для восприятия аксиальных сил от вала свободной турбины, причем устройство размещено в главном редукторе вертолета, при этом прикреплено к валу свободной турбины.
Предпочтительно устройство для восприятия осевых сил от вала свободной турбины содержит роликовый подшипник, установленный между устройством понижения частоты вращения и главным редуктором, причем роликовый подшипник взаимодействует с осевым упором главного редуктора. Кроме того, вал свободной турбины жестко прикреплен к устройству понижения частоты вращения. Упора позиционируется таким образом, чтобы аксиально удерживать вал свободной турбины, в частности в случае сил, под воздействием которых находится вал свободной турбины, имеющих тенденцию к тому, чтобы тянуть его аксиально в направлении к соплу газотурбинного двигателя.
Для того чтобы обеспечить уплотнение между главным редуктором вертолета и корпусом двигателя, предусматривается один или несколько уплотнительных элементов, которые могут быть размещены радиально между валом свободной турбины и/или валом газогенератора, корпусом главного редуктора и/или корпусом двигателя для того, чтобы избежать утечки смазочного масла из главного редуктора.
И наконец, газотурбинный двигатель предпочтительно включает в себя генератор электричества, непосредственно соединенный с валом газогенератора, при этом вертолет дополнительно включает электрическое оборудование, снабжаемое электричеством от упомянутого генератора.
Изобретение может быть более понятным, и его преимущества станут более очевидными после прочтения последующего описания двух вариантов осуществления в качестве неограничивающего примера. Описание ссылается к прилагаемым чертежам, на которых:
- Фиг.1 показывает турбовальный двигатель предшествующего уровня техники;
- Фиг.2 - вид в продольном сечении газотурбинного двигателя изобретения, прикрепленного к главному редуктору вертолета;
- Фиг.3 - детализированный вид соединения между концом вала свободной турбины газотурбинного двигателя Фиг.2 и уменьшающего частоту вращения зубчатого механизма, размещенного в главном редукторе вертолета; и
- Фиг.4 - детализированный вид варианта газотурбинного двигателя Фиг.2, в котором осевое усилие от вала газогенератора газотурбинного двигателя воспринимается валом свободной турбины.
Фиг.1 представляет собой вид продольного сечения турбовального двигателя 10 вертолета предшествующего уровня техники. Турбовальный двигатель 10 содержит корпус 12, в котором размещен газогенератор 14. Газогенератор имеет вал 15 газогенератора, несущий колесо 16 центробежного компрессора и турбину 18 высокого давления. Свежий воздух проникает в турбовальный двигатель через воздухозаборник 20. Затем он сжимается компрессором 16 перед отправкой в камеру 22 сгорания, где он смешивается с топливом. Сгорание смеси сжатого воздуха и топлива создает поток F газа, который приводит во вращение турбину 18 высокого давления, которая, в свою очередь, приводит компрессор 16. Газогенератор опирается на подшипники P1 и P2, которые обеспечивают вращательное направление, а также воспринимают силы, под воздействием которых находится газогенератор 15. Эти подшипники смазываются маслом посредством системы смазки (не показана). Более того, турбовальный двигатель также имеет свободную турбину 24 с колесом 26 турбины низкого давления, прикрепленным к валу 28 свободной турбины. Как можно видеть на Фиг.1, колесо 26 турбины низкого давления расположено ниже по потоку от колеса 18 турбины высокого давления. Соответственно, поток отработанного газа, покидающий газогенератор 14, приводит во вращение вал 28 свободной турбины.
Конец вала 28 свободной турбины снабжен зубчатым колесом 30, которое зацепляется с зубчатыми колесами 32. Такой зубчатый механизм, расположенный в механизме понижения частоты вращения турбовального двигателя, служит для уменьшения частоты вращения вала свободной турбины. Выходное отверстие S этого механизма понижения частоты вращения предназначено для соединения с ГР вертолета (не показан).
Как можно видеть на этой фигуре, шестерни 30 или 32 опираются на роликовые подшипники P3-P9, причем эти подшипники подобным образом смазываются системой смазки.
Коробка приводов агрегатов, указанная ссылкой 40, также размещена в механизме понижения частоты вращения турбовального двигателя 10. Она имеет зубчатый механизм для передачи приводного вращения на элементы оборудования, которые неотъемлемы для надлежащей работы двигателя, а также для обеспечения вспомогательного оборудования, которые необходимы для вертолета. Такая коробка приводов агрегатов подобным образом смазывается маслом из системы смазки.
Как уже обсуждалось выше, турбовальный двигатель предшествующего уровня техники не может работать без системы смазки.
GG
GG
Далее, обращаясь к Фиг.2-4, следует описание конструкции 100 газотурбинного двигателя изобретения, который не имеет смазки маслом. Согласно изобретению газотурбинный двигатель 100, а более точно турбовальный двигатель 100 вертолета, содержит корпус 102, в котором размещен газогенератор 114, содержащий вал 115 газогенератора, несущий центробежный компрессор 116 и колесо 118 турбины высокого давления. Турбовальный двигатель 100 также имеет камеру 120 сгорания. Газогенератор 115 приводится во вращение двумя несмазываемыми подшипниками, а именно воздушными подшипниками 150, которые расположены радиально между валом газогенератора и корпусом 102 двигателя. Эти подшипники также служат для того, чтобы воспринимать радиальные силы, под воздействием которых находится газогенератор 115. В примере Фиг.2, осевые силы F, под воздействием которых находится газогенератор 115, воспринимаются несмазываемым осевым упорным устройством 152, которое размещено аксиально между плечом 115а вала 115 газогенератора и частью 102а корпуса 102. Более точно, осевое упорное устройство 152 представляет собой воздушный или магнитный осевой упор. Направление осевых сил F противоположно направлению, в котором свежий воздух вводится в двигатель.
Более того, с газогенератором 115 непосредственно соединен высокоскоростной генератор электричества 154. Этот генератор электричества принадлежит к бесщеточному типу генераторов. Он служит для генерирования электричества, снабжающего питанием электрическое оборудование, размещенное в вертолете.
Двигатель 100 также имеет свободную турбину 124, имеющую колесо 126 турбины низкого давления, прикрепленное к валу 128 свободной турбины.
Восприятие радиальной силы и направление вращения вала 128 свободной турбины выполняется по меньшей мере одним несмазываемым подшипником 156, расположенным в корпусе двигателя между корпусом 102 и валом 128 свободной турбины. Этот подшипник 156 предпочтительно расположен рядом с колесом 126 свободной турбины. Более точно, он представляет собой воздушный подшипник.
Как можно видеть на Фиг.2, двигатель 100 предназначен для прикрепления к главному редуктору 202 вертолета таким образом, чтобы вал 128 свободной турбины проходил внутрь главного редуктора 202, как можно более подробно видеть на Фиг.3.
Вертолет 200, который также представляет собой объект настоящего изобретения, имеет винт 204, соединенный с лопастями (не показаны), и устройство 206 понижения частоты вращения, которое полностью размещено внутри главного редуктора 202. Двигатель 100 не имеет своего собственного механизма понижения частоты вращения для уменьшения частоты вращения свободной турбины 128 в отличие от предыдущего уровня техники.
TL
Такое устройство 206 понижения частоты вращения в первую очередь соединено с винтом 204 посредством зубчатого механизма 208, 210, а во-вторых, непосредственно с валом 128 свободной турбины через соединительную муфту 212, прикрепленную к ведущему зубчатому колесу 208. Осевые силы F, под воздействием которых находится вал 128 свободной турбины, преимущественно воспринимаются устройством восприятия осевых сил, которое в этом примере представляет собой роликовый подшипник 214, установленный на муфту 212 и взаимодействующий с осевым упором 216 главного редуктора 202. Этот упор воспринимает осевые силы, имеющие тенденцию к тому, чтобы вызывать выход вала 128 свободной турбины из корпуса двигателя. Этот роликовый подшипник 214 также служит для восприятия части радиальных сил, под воздействием которых находится вал свободной турбины и ведущее зубчатое колесо 208.
Этот роликовый подшипник 214 смазывается средствами смазки вертолета. Для того чтобы избежать утечки масла в корпус двигателя, между валом 128 свободной турбины и главным редуктором 202 радиально размещена уплотнительная прокладка 218. Другая прокладка также может быть размещена между валом 128 свободной турбины и корпусом двигателя.
Далее, обращаясь к Фиг.4, следует описание варианта осуществления турбовального двигателя Фиг.2, а более точно варианта осуществления устройства для восприятия осевых сил от вала 115 газогенератора. В этом варианте осуществления между одним концом вала 115 газогенератора и валом 128 свободной турбины радиально установлен роликовый подшипник 170. Посредством такой конфигурации силы, под воздействием которых находится вал 115 газогенератора, воспринимаются валом 128 свободной турбины. Поскольку этот подшипник 170 смазывается, между валом 115 газогенератора и валом 128 свободной турбины предусмотрена уплотнительная прокладка 172 с тем, чтобы избежать утечки масла. Этот вариант осуществления обеспечивает возможность исключения несмазываемого упорного устройства 152, и, следовательно, уменьшения стоимости двигателя.
В свете вышесказанного, очевидно, что описанная выше конструкция турбовального двигателя позволяет обойтись без системы смазки маслом.