КОРОБКА ДЛЯ УСТАНОВКИ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩАЯ МАГНИТНЫЙ РЕДУКТОР
BOX FOR INSTALLATION OF AUXILIARY EQUIPMENT ON GAS TURBINE ENGINE CONTAINING MAGNETIC REDUCTION GEAR

Область техники
Изобретение относится к области газотурбинных двигателей. В частности, оно касается установки вспомогательного оборудования и механической передачи между валом турбореактивного или турбовинтового двигателя и этим оборудованием посредством коробки приводов агрегатов или AGB (от английского «Accessory Gearbox») или между двигателем и винтом турбовинтового двигателя посредством редуктора воздушного винта типа PGB (от английского «Propeller Gearbox»).
Предшествующий уровень техники
Коробка приводов агрегатов, хорошо известная специалисту в данной области под своим английским названием «Accessory Gear Box» (AGB), поддерживает различное вспомогательное оборудование или агрегаты, установленные на двигателе и необходимые для работы этого двигателя или летательного аппарата. В частности, эти различные устройства могут включать в себя генератор постоянного тока, стартер, генератор переменного тока, гидравлические топливные или масляные насосы и приводятся в действие механически от вала двигателя через передаточные валы. Мощность, необходимую для приведения в действие устройств, обычно отбирают механически от компрессора газотурбинного двигателя.
Обычно коробка AGB содержит зубчатые передачи с параллельными валами для механического приведения в действие вспомогательных устройств. Следовательно, расстояние между вспомогательными устройствами определено межосевыми промежутками зубчатых передач, а не их соответствующим габаритом. Чтобы увеличить это расстояние, необходимо добавить одну или несколько промежуточных зубчатых колес, что вынуждает одновременно увеличивать габарит коробки AGB и ее массу. Кроме того, поскольку валы всех зубчатых передач коробки AGB являются параллельными, устройства должны обязательно иметь одинаковую ориентацию относительно коробки AGB и двигателя.
Кроме того, в случае турбовентиляторного двигателя газогенератор соединен с вентилятором, который размещен в кожухе вентилятора. Таким образом, гондола имеет в основном круглое поперечное сечение. Следовательно, пространство для размещения коробки AGB ограничено кольцевой частью, находящейся в гондоле, вокруг газотурбинного двигателя и имеет в основном криволинейную форму (см. фиг. 1).
Для улучшения характеристик двигателя одним из решений является уменьшение габарита гондолы на уровне вентилятора, чтобы увеличить размер вентилятора, не увеличивая при этом настолько же наружный диаметр газотурбинного двигателя. Таким образом, свободное пространство в гондоле под вентилятором значительно уменьшается: следовательно, необходимо либо уменьшить габарит коробки AGB, чтобы ее все же можно было поместить под вентилятором в гондоле, либо переместить коробку AGB за вентилятор в центральный отсек газотурбинного двигателя (то есть в «рабочую» зону), в котором свободное пространство еще больше ограничено.
Таким образом, известные коробки AGB турбореактивных двигателей не приспособлены с конструктивной, размерной и функциональной точек зрения к новым конфигурациям вентилятора и рабочей зоны газотурбинного двигателя.
Коробка AGB содержит:
– первичную угловую передачу, образованную ведущим органом зацепления, который приводится во вращение валом турбовинтового двигателя, и первичным органом зацепления,
– по меньшей мере один механический узел привода передаточного вала устройства, который приводится во вращение первичным средством зацепления через вторичную угловую передачу, содержащую два взаимодействующих органа зацепления с непараллельными осями.
Такую коробку AGB с зубчатыми передачами с непараллельными осями можно легко модулировать, что облегчает установку различных устройств, не беспокоясь об их габарите и не изменяя их скорость вращения.
Однако доводка спецификаций на коробке AGB может привести к изменениям устройств или скоростей вращения на существующих линиях, что вынуждает пересматривать кинематическую цепь коробки AGB и связано с вытекающими отсюда рисками.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание коробки, такой как коробка приводов агрегатов или коробка привода типа PGB, которую можно использовать в газотурбинном двигателе, которая является модулируемой и облегчает установку различных вспомогательных устройств без учета их габарита и без изменения их скорости вращения и которая, кроме того, умеет умеренный вес и позволяет распределить вспомогательные устройства на большей периферии газотурбинного двигателя.
В связи с этим изобретением предложена коробка для установки вспомогательного оборудования на двигатель, содержащий вал двигателя, включающая в себя: по меньшей мере одно вспомогательное устройство, содержащее выходной вал; входное зубчатое колесо, с одной стороны, приводимое во вращение валом двигателя со скоростью вала двигателя и, с другой стороны, соединенное с выходным валом вспомогательного устройства для его приведения во вращение с заданной выходной скоростью; входной вал, приводимый во вращение входным зубчатым колесом с заданной входной скоростью; и редуктор с магнитным зубчатыми передачами, установленный между входным валом и выходным валом таким образом, чтобы входная скорость отличалась от выходной скорости.
Вышеупомянутая коробка имеет также следующие предпочтительные, но не ограничительные особенности:
– входное зубчатое колесо представляет собой коническое зубчатое колесо со спиральными зубьями;
– коробка содержит также второе вспомогательное устройство, содержащее выходной вал, приводимый во вращение входным зубчатым колесом со скоростью, равной входной скорости;
– коробка содержит также корпус коробки, при этом редуктор с магнитными зубчатыми передачами содержит внутренний ротор, закрепленный на входном валу; наружный ротор, закрепленный на выходном валу; и статор, неподвижный относительно корпуса коробки и установленный между внутренним ротором и наружным ротором; при этом внутренний ротор, наружный ротор и статор являются коаксиальными с входным валом и выходным валом;
– редуктор с магнитными зубчатыми передачами содержит также систему охлаждения;
–коробка содержит также корпус редуктора, неподвижный относительно корпуса коробки; причем корпус редуктора содержит внутренний корпус в виде тела вращения и наружный корпус в виде тела вращения, коаксиальные с входным валом и выходным валом; при этом указанный внутренний корпус расположен внутри наружного корпуса; и система охлаждения содержит пространство охлаждения, предназначенное для заполнения охладителем; при этом указанное пространство охлаждения находится между внутренним корпусом и наружным корпусом;
– вспомогательное устройство установлено в корпусе вспомогательного устройства, неподвижном относительно корпуса коробки, при этом один из внутреннего корпуса и наружного корпуса закреплен на корпусе коробки при помощи внутреннего фланца, тогда как другой из наружного корпуса и внутреннего корпуса закреплен на корпусе вспомогательного устройства при помощи наружного фланца;
–коробка содержит также, по существу, кольцевые динамические уплотнения, расположенные между внутренним ротором и корпусом редуктора, с одной стороны, и между наружным ротором и корпусом редуктора, с другой стороны;
–коробка содержит также статическое уплотнение, по существу, кольцевой формы с двух сторон от пространства охлаждения между внутренним корпусом и наружным корпусом, выполненное с возможностью обеспечения герметичности указанного пространства охлаждения;
– пространство охлаждения содержит по меньшей мере один кольцевой паз, по существу, коаксиальный с внутренним корпусом и с наружным корпусом, и ряд кольцевых канавок, выполненных во внутреннем корпусе и проходящих радиально от кольцевого паза.
Изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему описанную выше коробку.
Объектом изобретения является также летательный аппарат, содержащий такой двигатель.
Краткое описание чертежей
Другие особенности, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из последующего подробного описания со ссылками на чертежи, представленные в качестве неограничительных примеров.
На фиг. 1 показан пример известной коробки типа коробки приводов агрегатов с параллельными осями, где вспомогательные устройства не показаны, вид в перспективе;
на фиг. 2 схематично показан пример известной коробки типа коробки приводов агрегатов с непараллельными валами, вид в перспективе;
на фиг. 3 схематично показана часть примера структуры коробки согласно изобретению;
на фиг. 4а – редуктор с магнитными зубчатыми передачами согласно варианту осуществления, вид в осевом разрезе;
на фиг. 4b – редуктор с магнитными зубчатыми передачами, показанный на фиг. 4а, вид спереди;
на фиг. 5 – часть редуктора с магнитными зубчатыми передачами с показанным пространством охлаждения, вид в разрезе.
Варианты осуществления изобретения
Изобретение будет описано конкретно для летательного аппарата, содержащего турбореактивный двигатель и коробку 1 приводов агрегатов, выполненную с возможностью механического приведения в действие вспомогательных устройств или агрегатов 3, необходимых для работы двигателя или для работы летательного аппарата. Однако это не является ограничением, поскольку изобретение можно применять для любой другого типа коробки, такой как коробка привода типа PGB, причем коробку 1 приводов агрегатов можно использовать в любом другом газотурбинном двигателе для поддержания и приведения в действие вспомогательных устройств 3, и число описанных далее вспомогательных устройств 3 может различаться в зависимости от потребностей газотурбинного двигателя.
Как правило, турбореактивный двигатель содержит гондолу, которая образует отверстие для впуска определенного воздушного потока собственно в двигатель. Как правило, турбореактивный двигатель содержит одну или более секций сжатия воздуха, поступающего в двигатель. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания и смешивается с топливом, после чего там сгорает. Горячие отработавшие газы, получаемые в результате этого сгорания, расширяются в различных турбинных ступенях. При этом турбина подает мощность вращения к вентилятору.
Коробка 1 приводов агрегатов или коробка AGB 1 может быть закреплена на корпусе двигателя, например, ниже вентилятора или в центральном отсеке и механически приводит во вращение ряд вспомогательных устройств 3, отбирая необходимую приводную мощность на валу 2 двигателя, как правило, на валу компрессора.
Для этого вал 2 двигателя находится в корпусе двигателя и определяет ось вращения. Кроме того, каждое из вспомогательных устройств 3 содержит выходной вал 30, предназначенный для механического приведения в действие соответствующего вспомогательного устройства 3.
Коробка AGB 1 соединена с валом 2 двигателя через радиальный передаточный вал 4, который, в свою очередь, приводится во вращение приводным валом 2.
Кроме того, коробка AGB 1 содержит входное зубчатое колесо 12, которое приводится во вращение валом 2 двигателя со скоростью вала двигателя и связано с выходным валом 30 вспомогательного устройства 3 для его приведения во вращение с заданной выходной скоростью. В частности, выходную скорость определяют по типу вспомогательного устройства 3, с которым соединен выходной вал 30. Определение выходных скоростей в зависимости от вспомогательных устройств 3 известно, и его описание опущено.
Коробка AGB 1 содержит также входной вал 14, приводимый во вращение входным зубчатым колесом 12 с заданной входной скоростью, и редуктор 20 с магнитными зубчатыми передачами, установленный между входным валом 14 и выходным валом 30 таким образом, чтобы входная скорость отличалась от выходной скорости.
Таким образом, редуктор 20 с магнитными зубчатыми передачами или магнитный редуктор 20 позволяет просто, недорого и надежно изменять скорость вращения выходного вала 30 при ограниченном осевом габарите (вдоль выходной оси вспомогательного устройства 3) и ограниченном весе.
Изобретение будет описано для случая коробки AGB 1 с зубчатыми передачами с непараллельными осями. Однако это не является ограничением, так как изобретение можно применять без внесения существенных изменений для коробки AGB 1, содержащей зубчатые передачи с параллельными осями (как показано на фиг. 1), поскольку достаточно установить магнитный редуктор 20 между выходным валом 30 вспомогательного устройства 3 и входным зубчатым колесом 12 коробки AGB 1.
Коробка 1 с зубчатыми передачами с непараллельными осями содержит:
– первичный вал 10, вращаемый через первичную угловую передачу 11 посредством радиального передаточного вала 4,
– ряд узлов для механического привода выходных валов 30 вспомогательных устройств 3, каждый из которых включает в себя угловую передачу 16, что позволяет распределить вспомогательные устройства 3 на более значительном угловом секторе периферии турбореактивного двигателя 8, учитывая его размеры и его геометрию. Каждая угловая передача 16 может содержать ведущее коронное зубчатое колесо 16а, вращаемое первичным валом 10 коробки AGB 1, и выходное зубчатое колесо 16b, зацепляющееся с ведущим коронным зубчатым колесом и выполненное с возможностью приведения во вращение выходного вала 30, с которым оно соединено. Ведущее коронное зубчатое колесо 16а и выходное зубчатое колесо 16b могут быть зубчатыми колесами с пересекающимися осями (типа конических зубчатых колес) или с не пересекающимися осями (типа червячной передачи).
Первичный вал 10 и узлы механического привода вспомогательных устройств 3 находятся в корпусе 18 коробки AGB.
В данном случае входное зубчатое колесо 12 закреплено на первичном валу 10 коробки AGB 1 и приводится во вращение валом 2 двигателя через первичную угловую передачу 11 и радиальный передаточный вал 4. Таким образом, скорость вращения входного зубчатого колеса 12 зависит от скорости вращения вала 2 двигателя, от передаточного числа между валом 2 двигателя и радиальным передаточным валом 4 и от передаточного числа между радиальным передаточным валом 4 и первичным валом 10 коробки AGB 1.
Входное зубчатое колесо 12 приводит во вращение соответствующую входное зубчатое 13, неподвижно закрепленное на входном валу 14 для его приведения во вращение. Для обеспечения зацепления входного зубчатого колеса 13 и входного зубчатого колеса 12 входное зубчатое колесо 13 выбирают таким образом, чтобы она имела зубья такого же типа и с таким же модулем, что и входное зубчатое колесо 12. Например, входное зубчатое колесо 12 может быть коническим зубчатым колесом со спиральными зубьями. В этом случае входное зубчатое колесо 13 тоже является коническим зубчатым колесом со спиральными зубьями и имеет такой же модуль. Передаточное число между входным зубчатым колесом 13 и входным зубчатым колесом 12 определяет скорость вращения входного вала 14.
Предпочтительно входное зубчатое колесо 12 может приводить во вращение второе зубчатое колесо 16b с таким же модулем и такого же типа, что и входное зубчатое колесо 12. При этом второе зубчатое колесо 16b закреплено на выходном валу 30 вспомогательного устройства 3 для его приведения во вращение. Как известно, скорость вращения второго зубчатого колеса 16b зависит от передаточного числа между вторым зубчатым колесом 16b и входным зубчатым колесом 12: в данном случае скорость, по существу, равна скорости вращения входного вала 14.
Магнитный редуктор 20 содержит:
– внутренний ротор 22, закрепленный на входном валу 14, например, посредством шлицевого соединения и содержащий первое число магнитных полюсов,
– наружный ротор 23, закрепленный на выходном валу 30 и содержащий второе число магнитных полюсов, и
– статор 26, неподвижный относительно корпуса 18 коробки AGB 1, при этом указанный статор 26 установлен между внутренним ротором 22 и наружным ротором 23 и содержит третье число магнитных полюсов.
Внутренний ротор 22 и наружный ротор 23 являются коаксиальными с входным валом 14 и выходным валом 30 и образуют таким образом ось Х, показанную на фиг. 4а и 4b. Как известно, число магнитных полюсов внутреннего ротора 22 и наружного ротора 23 определяет передаточное число магнитного редуктора 20. Кроме того, тип магнитных полюсов (их материал) и геометрия магнитных полюсов позволяют регулировать связь между внутренним ротором 22 и наружным ротором 23 и, следовательно, связь между входным валом 14 и выходным валом 30.
В примере выполнения внутренний ротор 22 содержит меньше магнитных полюсов, чем наружный ротор 23, чтобы получить передаточное число, превышающее 1. Кроме того, магнитные полюсы внутреннего ротора 22 и статора 26 могут содержать самариево-кобальтовые магниты, тогда как магнитные полюсы наружного ротора 23 могут содержать ферромагнитные бруски.
Следует отметить, что применение магнитного редуктора 20 позволяет, в случае необходимости, отказаться от добавления предохранительных средств в случае, когда скорость вращения является слишком высокой для вспомогательного устройства 3. Действительно, выбор разных магнитных полюсов позволяет определить максимальную скорость соединения, начиная от которой выходной вал 30 отсоединяется. Действительно, когда соединение становится слишком большим между входным валом 14 и выходным валом 30, электромагнитное взаимодействие между магнитными полюсами внутреннего ротора 22 и магнитными полюсами наружного ротора 23 становится недостаточным для приведения во вращение выходного вала 30: в этом случае происходит разъединение, которое и обеспечивает роль предохранителя, позволяя механически изолировать входной вал 14 и выходной вал 30.
Кроме того, применение магнитного редуктора 20 обеспечивает передачу крутящего момента без контакта и, следовательно, без износа различных органов 22, 23 зацепления.
Магнитный редуктор 20 установлен в корпусе 26, выполненном с возможностью изолировать магнитный редуктор 20 от его окружающей среды. В частности, корпус 26 позволяет избегать попадания масла от органов зацепления коробки AGB 1 (предназначенного для смазки различных органов), которое могло бы повредить магнитный редуктор 20 и ухудшить его характеристики по причине появления сдвига из-за присутствия жидкости между роторами 22, 23. Действительно, можно отметить, что во время работы корпус 18 коробки AGB практически постоянно содержит масляный туман в результате движения ее различных органов зацепления.
Вспомогательные устройства 3 могут также находиться в корпусах 32 вспомогательных устройств.
Корпус 28 магнитного редуктора 20 и корпусы 32 вспомогательных устройств являются неподвижными относительно корпуса 18 коробки AGB.
Поскольку магнитный редуктор 20 может нагреваться во время различных полетных фаз двигателя, он может содержать систему охлаждения. Система охлаждения должна эффективно охлаждать активные детали магнитного редуктора 20, то есть внутренний ротор 22, наружный ротор 23 и статор 24, но без их погружения в охладитель F.
Например, корпус 26 магнитного редуктора 20 может содержать внутренний корпус 27 в виде тела вращения и наружный корпус 28 в виде тела вращения, коаксиальные с входным валом 14 и выходным валом 30, при этом внутренний корпус 27 находится внутри наружного корпуса 28. При этом между внутренним корпусом 27 и наружным корпусом 28 может быть оставлен зазор, образующий изолированное пространство 40 охлаждения, в котором может циркулировать охладитель F. В варианте пространство 40 охлаждения можно получить путем механической обработки находящихся друг против друга сторон внутреннего корпуса 27 и наружного корпуса 28.
В примере выполнения, представленном на фигурах, внутренний корпус 27 закреплен на корпусе коробки AGB 1 при помощи внутреннего фланца 27а, тогда как наружный корпус 28 закреплен на корпусе вспомогательного устройства 3 при помощи наружного фланца 28а. В варианте внутренний корпус 27 можно закрепить на корпусе 30 вспомогательного устройства посредством наружного фланца 28а, тогда как внутренний корпус 27 закреплен на корпусе коробки AGB 1 при помощи внутреннего фланца 27а. Таким образом, внутренний корпус 27 и наружный корпус 28 являются неподвижными относительно корпуса коробки AGB 1 и корпуса вспомогательного устройства 3.
В частности, пространство 40 охлаждения может иметь форму кольцевого паза 42, выполненного путем механической обработки в находящихся друг против друга стенках внутреннего корпуса 27 и наружного корпуса 28, сечение которого можно определить в зависимости от выбранного охладителя F и от конвективных теплообменов, необходимых для достаточного охлаждения магнитного редуктора 20. При этом магнитный редуктор 20 может содержать с двух сторон от пространства 40 охлаждения (в осевом направлении магнитного редуктора 20) статическое уплотнение 41а типа кольцевого уплотнения, обеспечивающее герметичность пространства 40 охлаждения и не пропускающую охладитель F в сторону внутреннего ротора 22, наружного ротора 23 или статора 24.
Дополнительно к статическим уплотнениям 41а или вместо них магнитный редуктор 20 может содержать динамические уплотнения 41b типа лабиринтной уплотнения, расположенные между корпусом 26 редуктора и внутренним корпусом 22, с одной стороны, и наружным ротором 23, с другой стороны. В примере, представленном на фигурах, первое лабиринтное уплотнение 41b выполнено между радиальной стенкой внутреннего корпуса 27 и внутренним ротором 22 на уровне внутреннего фланца 27а, и вторая лабиринтная прокладка 41b выполнена между радиальной стенкой наружного корпуса 28 и наружным ротором 23 на наружном фланце 28а. В варианте динамические уплотнения 41b могут включать в себя воздушные уплотнения (нагнетание воздуха в лабиринты для герметизации пространства).
Например, пространство 40 охлаждения может иметь кольцевую форму, коаксиальную с выходным валом 30 и с входным валом 14, с, по существу, круглым или прямоугольным сечением и может содержать ряд кольцевых канавок 44, выполненных во внутреннем корпусе 27 и проходящих радиально от кольцевого паза 42. Канавки 44 позволяют максимизировать конвективные теплообмены с внутренним корпусом 27 при ограниченном радиальном и осевом габарите.
В частности, пространство 40 охлаждения может питаться охладителем F из отдельного резервуара. Кроме того, пространство 40 охлаждения может сообщаться по текучей среде с внутренней зоной корпуса коробки AGB 1: в этом случае охлаждающая охладитель F является маслом, предназначенным для циркуляции в корпусе 18 коробки AGB 1 в виде тумана, чтобы смазывать органы зацепления. Например, между источником смазочного масла и корпусом 26 магнитного редуктора 20 можно выполнить канал 46 для подачи масла в пространство 40 охлаждения. При этом масло циркулирует в кольцевом пространстве 40 охлаждения, где оно охлаждает за счет принудительной конвекции магнитный редуктор 20, затем выходит из пространства 40 охлаждения с более высокой температурой через выход 48 и заходит через канал 48 в корпус коробки AGB 1.
Так, в примере, представленном на фиг. 4b, охладитель F поступает в кольцевое пространство 40 охлаждения через канал 46, проходит в корпусе коробки AGB 1 и охлаждает магнитный редуктор 20, затем выходит на его противоположном конце через канал 48. При этом охладитель F можно направить в корпус 18 коробки AGB.