УСТРОЙСТВО ИЗМЕНЕНИЯ ПЕРЕДАТОЧНОГО ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ВАЛОМ ТУРБИНЫ И ВАЛОМ СТАРТЕРА-ГЕНЕРАТОРА АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
VARIATOR GEAR RATIO BETWEEN TURBINE SHAFT AND AIRCRAFT ENGINE STARTER-GENERATOR

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к общей области газовых турбин, а более конкретно к управлению стартером-генератором.
Областью применения изобретения являются газовые турбины для двигателей самолетов и вертолетов, а также для вспомогательных силовых установок (ВСУ).
В газовой турбине некоторое количество частей оборудования или вспомогательных агрегатов приводится в движение механической передачей от механической мощности, отбираемой от вала турбины. Эта механическая передача называется коробкой приводов агрегатов (КПА), содержит набор зубчатых колес, размещенных в корпусе и механически связанных со вспомогательными агрегатами. Эти вспомогательные агрегаты содержат, в частности, различные насосы для производства гидравлической энергии, подачи топлива, а также обеспечения смазки, а в некоторых применениях - один или несколько электрических стартеров-генераторов (СГ). Посредством КПА скорость СГ, в частности, пропорциональна рабочей скорости двигателя, при этом коэффициент пропорциональности соответствует передаточному отношению линии зубчатых передач в КПА.
В рабочем режиме газовой турбины единственный или каждый из нескольких СГ работает как генератор электричества и вырабатывает напряжение, которое питает один или более электрораспределительных центров самолета и его двигателя (двигателей).
Когда газовая турбина неподвижна или медленно вращается, СГ может работать как стартер, при этом он питается от внешнего источника энергии для приведения газовой турбины в рабочий режим, посредством вращения вала турбины, к которому подсоединена КПА.
Оптимальные механические условия для работы СГ противоречивы в зависимости от того, работает ли он как стартер или генератор.
Когда СГ работает как стартер, для данной механической мощности желательно отдавать приоритет высокой скорости вращения, с тем чтобы свести к минимуму момент вращения СГ, при этом также предоставляя достаточный момент вращения для запуска двигателя. При отсутствии изменения передаточного отношения использование передаточного отношения, которое дает приоритет высоким скоростям в режиме стартера, приводит к широкому диапазону изменений скорости в режиме генератора, тем самым увеличивая диапазон частот СГ таким образом, что наносит ущерб его интеграции в электросеть воздушного судна. В частности, неприемлемым может быть верхний предел (более 800 герц (Гц), являющийся в целом приемлемым на определенных коммерческих самолетах).
Поэтому передаточное отношение между валом турбины и СГ выбирают так, чтобы предоставить полезный компромисс между работой СГ в качестве стартера и в качестве генератора. В некоторых коммерческих самолетах именно режим генератора определяет передаточное отношение в ущерб режиму стартера.
Чтобы решить эту проблему, коробку передач устанавливают между валом турбины и СГ, при этом передаточное отношение упомянутой коробки передач изменяется в зависимости от режима работы СГ. Тем не менее такая система имеет тот недостаток, что требуется добавление устройства для управления изменениями передаточного отношения коробки передач.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной целью настоящего изобретения является, таким образом, уменьшение этих недостатков посредством предложения устройства для изменения передаточного отношения между валом турбины и валом стартера-генератора, без необходимости иметь ресурсы управляющих устройств такого рода.
Эта цель достигается посредством устройства для изменения передаточного отношения между валом турбины и валом стартера-генератора авиационного двигателя, при этом устройство содержит:
- первое и второе жестко закрепленные зубчатые колеса, установленные на валу стартера-генератора;
- первое и второе промежуточные зубчатые колеса, установленные на валу турбины и находящиеся в зацеплении соответственно с первым и вторым жестко закрепленными зубчатыми колесами, для того чтобы устанавливать различные передаточные отношения; и
- переключающую муфту, вставленную между промежуточными зубчатыми колесами и механически соединенную с валом турбины, при этом переключающая муфта подвижна в поступательном перемещении на упомянутом валу турбины между двумя соединительными положениями: положением, в котором она входит в зацепление с первым промежуточным зубчатым колесом, и противоположным положением, в котором она входит в зацепление со вторым промежуточным зубчатым колесом;
причем устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит средство, вызывающее автоматическое перемещение в пределах сдвига переключающей муфты из любого одного из ее соединительных положений в другое положение, когда сумма моментов вращения между валом турбины и валом стартера-генератора меняет знак.
Чтобы заставить переключающую муфту двигаться в поступательном перемещении из одного из своих положений в другое положение, изобретением предусмотрено преимущественное использование рабочих точек двигателя, в которых сумма моментов вращения между валом турбины и валом стартера-генератора меняет знак. Эти рабочие точки соответствуют моментам, когда вал стартера-генератора меняет режим от ведущего к ведомому (по отношению к валу турбины), и наоборот, то есть во время переключений между двумя режимами работы стартера-генератора при запуске или остановке двигателя. Кроме того, изменения в передаточном отношении устройства согласно изобретению происходит автоматически, т.е. нет необходимости в специальном управляющем устройстве (например, электрическом или гидравлическом приводе) для выполнения данной операции (точкой, в которой передаточное отношение изменяется, можно управлять посредством уровня момента вращения стартера-генератора). Это приводит к созданию надежного устройства с низким весом и низкой стоимостью.
Преимущественно, что каждая из боковых сторон переключающей муфты несет на себе упоры, при этом каждый упор имеет:
- первую плоскую поверхность для сцепления с плоской поверхностью передачи момента вращения зуба на одном из промежуточных зубчатых колес, когда муфта находится в одном из своих соединительных положений; и
- вторую плоскую поверхность, противоположную первой поверхности и предназначенную, когда сумма моментов вращения между валом турбины и валом стартера-генератора меняет знак, для скольжения по плоской разъединяющей поверхности зуба одного из промежуточных зубчатых колес, противоположной поверхности передачи вращающего момента.
Вторые поверхности упоров переключающей муфты могут быть, по существу, параллельны оси вращения переключающей муфты, тогда как разъединяющие поверхности зубьев промежуточных зубчатых колес могут быть наклонены относительно указанной оси вращения в направлении вращения упомянутой муфты.
Альтернативно, разъединяющие поверхности зубьев промежуточных зубчатых колес могут быть, по существу, параллельны оси вращения переключающей муфты, а вторые поверхности упоров переключающей муфты могут быть наклонены относительно этой оси вращения в направлении вращения упомянутой муфты.
Кроме того, в конкретном варианте осуществления первые поверхности упоров переключающей муфты и поверхности передачи момента вращения зубьев промежуточных зубчатых колес, по существу, наклонены по отношению к оси вращения переключающей муфты в направлении вращения упомянутой муфты. Этот угол наклона улучшает удерживающую способность муфты с промежуточными зубчатыми колесами.
Преимущественно, что устройство дополнительно включает в себя средство стабилизации переключающей муфты в ее соединительных положениях.
Изобретение также предоставляет авиационный двигатель, включающий в себя вал турбины, стартер-генератор, а также устройство изменения передаточного отношения между валом турбины и валом стартера-генератора, как определено выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения становятся понятны из следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны варианты осуществления, не имеющие ограничительного характера. На фигурах:
- Фиг.1 - функциональная схема устройства изменения передаточного отношения между валом турбины и валом стартера-генератора согласно изобретению,
- Фиг.2А-2D - схемы, на которых показан принцип работы устройства изменения передаточного отношения согласно изобретению,
- Фиг.3 - местный вид в перспективе устройства изменения передаточного отношения из фиг.1 и
- Фиг.4 - схематическое изображение устройства изменения передаточного отношения в другом варианте осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Изобретение применяется к любому типу газотурбинного двигателя для летательных аппаратов, таких как, например, самолеты или вертолеты.
В примере, описанном здесь со ссылкой на фиг.1, более конкретно внимание уделяется газотурбинному двигателю самолета, который включает в себя коробку приводов агрегатов (КПА), которая используется для управления вспомогательными агрегатами турбины или дополнительным оборудованием, такими как различные насосы для производства гидравлической энергии, подачи топлива, обеспечения смазки и т.д., и, в частности, приведение в действие стартера-генератора 20 (или СГ).
Известным образом, коробка приводов агрегатов (КПА) 10 содержит множество зубчатых колес (не показаны), которые приводятся во вращение валом 11 передачи мощности, который механически соединен с валом турбины, тем самым делая возможным запуск турбины (типично, валом высокого давления турбины двигателя).
Сам СГ 20, то, как его приводят в действие и регулируют известно, и потому это не описано здесь. К примеру, можно сослаться на описание в публикации FR 2897895.
Газотурбинный двигатель также включает в себя устройство 30 согласно изобретению, делающее возможным изменение передаточного отношения между валом турбины и валом 22 СГ 20.
Это устройство содержит, в частности, коробку 40 передач, имеющую два вала, несущих зубчатые колеса: вал 22 СГ, который несет первое и второе жестко закрепленные зубчатые колеса 23, 24, которые жестко прикреплены к нему, и вал 12 КПА, который несет первое и второе промежуточные зубчатые колеса 13, 14, которые являются промежуточными и которые зацепляются с первым и вторым жестко закрепленными зубчатыми колесами соответственно.
Первые зубчатые колеса 13, 23 определяют передаточное отношение k1, которое отличается от передаточного отношения k2, определенного вторыми зубчатыми колесами 14, 24.
Переключающая муфта 50 вставлена между промежуточными зубчатыми колесами 13, 14 и механически соединена с валом 12 КПА. Эта переключающая муфта выполнена с возможностью движения в поступательном перемещении на этом валу 12 (например, посредством канавки, которая не показана на фигурах) между двумя соединительными положениями: положением, в котором она входит в зацепление с первым промежуточным зубчатым колесом 13 (фиг.2A), и противоположным положением, в котором она входит в зацепление со вторым промежуточным зубчатым колесом 14 (фиг.2D).
Для этого каждая из боковых сторон переключающей муфты 50 включает в себя множество упоров 502, равномерно распределенных вокруг ее оси вращения X-X. Аналогичным образом, на своих соответствующих внутренних боковых поверхностях каждое из промежуточных колес 13, 14 имеет множество зубьев 132, 142 для ввода в зацепление с упорами 502 переключающей муфты, когда она находится в своих соединительных положениях.
Точнее, каждый упор 502 переключающей муфты 50 обладает первой и второй плоскими поверхностями, которые противоположны друг другу.
Первые плоские поверхности 504 упоров предназначены для сцепления с плоскими поверхностями 134, 144 передачи момента вращения соответствующих зубьев 132, 142 промежуточных зубчатых колес 13, 14, когда переключающая муфта находится в своих соединительных положениях.
Первые поверхности 504 упоров и поверхности 134, 144 передачи момента вращения зубьев могут быть параллельны оси вращения Х-Х переключающей муфты (как показано на фиг.1-3), либо они могут быть существенно наклонены по отношению к упомянутой оси (как показано на фиг.4). В этой второй конфигурации, угол наклона поверхностей 504, 134, 144, как показано схематически углом α на фиг.4, направлен в сторону вращения S переключающей муфты и может составлять около 5°. Такой угол наклона служит для содействия удерживающей способности муфты с промежуточными зубчатыми колесами.
Что касается второй плоской поверхности 506 упоров 502, при торможении сцепленного промежуточного зубчатого колеса 13, 14 и продвижении относительно него переключающей муфты 50 упомянутые вторые плоские поверхности выполнены с возможностью скольжения по плоским разъединяющим поверхностям 136, 146 соответствующих зубьев 132, 142 промежуточных зубчатых колес, причем эти разъединяющие поверхности противоположны поверхностям 134, 144 передачи вращающего момента зубьев.
Чтобы получить такое скольжение, вторые поверхности 506 упоров переключающей муфты могут быть параллельны оси вращения Х-Х переключающей муфты, тогда как разъединяющие поверхности 136, 146 зубьев промежуточных зубчатых колес наклонены относительно этой оси. Этот угол наклона, схематически показанный углом β на фиг.2C, направлен в сторону вращения S муфты и, предпочтительно, лежит приблизительно в диапазоне от 45° до 60°.
Естественно, обратное расположение могло бы привести к тем же результатам: в непоказанном варианте осуществления разъединяющие поверхности зубьев промежуточных зубчатых колес, по существу, параллельны оси вращения переключающей муфты, тогда как вторые поверхности упоров переключающей муфты наклонены относительно указанной оси вращения в направлении, противоположном направлению вращения упомянутой муфты.
Со ссылкой на фиг.2А-2D, на которых показан вид сверху коробки передач, следует описание работы устройства согласно изобретению.
Перед приведением в действие команды для запуска газотурбинного двигателя, переключающая муфта 50 находится в своем первом соединительном положении, схематически показанном на фиг.2А (в зацеплении с первым промежуточным зубчатым колесом 13).
При приведении в действие команды, блок управления двигателем (ECU) изменяет режим возбудителя таким образом, что тот переходит в стартовый режим. Тогда вал 22 СГ приводит вал 12 КПА во вращение (посредством переключающей муфты 50, зацепленной с первым зубчатым колесом 13) и, таким образом, приводит в движение вал турбины для цели запуска газотурбинного двигателя, при этом данное зацепление имеет место с передаточным отношением k1.
После запуска газотурбинного двигателя вал турбины (и, таким образом, вал КПА) набирает обороты. На определенном этапе сумма моментов вращения между валом 12 КПА и валом 22 СГ будет менять знак (вал КПА становится ведущим по отношению к валу СГ). В результате этого изменения переключающая муфта 50 (соединена с валом 12 КПА) будет иметь тенденцию поворачиваться быстрее, чем первое промежуточное зубчатое колесо 13 (соединенное с валом 22 СГ), которое замедляется. Это приводит к относительному угловому перемещению упоров 502 переключающей муфты по отношению к зубьям 132 первых промежуточных зубчатых колес 13, причем перемещение происходит в направлении вращения S первого промежуточного зубчатого колеса. Затем вторые поверхности 506 упоров 502 переключающей муфты наталкиваются на разъединяющие поверхности 136 зубьев 132 первого промежуточного зубчатого колеса 13 и скользят по ним, тем самым автоматически перемещая муфту в осевом направлении ко второму промежуточному зубчатому колесу 14 (фиг.2В и 2С).
В конце своей осевого хода переключающая муфта будет находиться в своем втором соединительном положении, схематически показанном на фиг.2D (зацепление второго зубчатого колеса 14 и переключающей муфты 50). Точнее, первые поверхности 504 упоров 502 другой боковой поверхности переключающей муфты упираются в поверхности 144 передачи вращающего момента соответствующих зубьев 142 второго промежуточного зубчатого колеса 14. Таким образом, вал турбины (и, соответственно, вал 12 КПА) будет приводить вал 22 СГ во вращение с передаточным отношением k2.
Естественно, по окончании идентичного процесса, переключающая муфта может вернуться в свое первое соединительное положение, как показано на фиг.2А, как только сумма моментов вращения между валом турбины и валом СГ еще раз поменяет знак. Это произойдет, в частности, при остановке газотурбинного двигателя, при этом вал СГ становится ведущим по отношению к валу КПА.
Из вышесказанного легко понять, что переключение муфты из любого ее соединительного положения в другое соединительное положение происходит в автоматическом режиме. Особая геометрия поверхностей зубьев промежуточных зубчатых колес и упоров переключающей муфты позволяют муфте перемещаться к одному или другому промежуточному зубчатому колесу всякий раз, когда сумма моментов вращения между валом турбины и валом СГ меняет знак.
В соответствии с предпочтительной характеристика изобретения устройство изменения передаточного отношения дополнительно включает в себя средство 60 стабилизации переключающей муфты 50 в каждом из ее соединительных положений.
Как показано на фиг.1, эти средства 60 могут быть в форме шариковой втулки 61, выполненной с возможностью скольжения внутри неподвижной конструкции 62 и имеющей головку 63, упирающуюся в кулачок 64, сформированный на периферии переключающей муфты 50. Шариковая втулка также прикреплена к концу возвратной пружины 65, другой конец которой прикреплен к конструкции. Возвратная пружина предварительно натянута таким образом, чтобы постоянно прижимать головку 63 шариковой втулки к кулачку 64.
Кроме того, кулачок, сформированный на периферии переключающей муфты, представляет два уклона 66, каждый из которых наклонен к соответствующему промежуточному колесу 13, 14. Таким образом, только два положения равновесия головки шаровой втулки определены двумя соединительными положениями переключающей муфты. В результате, наличие шаровой втулки служит для стабилизации переключающей муфты в соединительных положениях. Шаровая втулка также облегчает движение муфты в поступательном перемещении в целях содействия переключению из любого ее соединительного положения в другое.