СБОРКА ТРАНСМИССИИ ДЛЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА И ВЕРТОЛЕТ
ASSEMBLY OF TRANSMISSION FOR AIRCRAFT AND HELICOPTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее раскрытие относится к сборке трансмиссии для воздушного судна и, также, к вертолету, включающему в себя такую сборку.
Такая сборка трансмиссии может использоваться, чтобы независимо управлять скоростью вращения двигателя и скоростью вращения приемника крутящего момента, чтобы оптимизировать скорость каждого из них. Это полезно, в частности, в области авиации, и, более конкретно, в области вертолетов.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
В традиционном вертолете обычно соединяют газовую турбину(ы) вертолета с оборудованием, которое снимает механическую энергию, таким как главная коробка передач (MGB), генератор переменного тока или, в действительности, компрессор нагрузки. В таких обстоятельствах, скорость газовой турбины предписывается оборудованием, с которым она соединена: это является проблематичным, так как предписанная скорость не обязательно соответствует оптимуму энергии для всей системы (газовой турбины или приемника).
В частности, с помощью вспомогательной силовой установки (APU), часть оборудования, соединенная с APU, работает на скоростях, которые меняются в зависимости от нагрузки: это приводит к тому, что APU работает на предписанной скорости, что приводит к ее работе неправильным образом, и, следовательно, является вредным для ее потребления энергии.
Само приведение в движение вертолета также подвержено этой проблеме. В частности, турбинные двигатели приводят в движение главный ротор вертолета через главную коробку передач (MGB): скорость вращения главного ротора, таким образом, определяет скорость вращения турбинных двигателей (измененную в соответствии с передаточным отношением MGB). Тем не менее, в определенных условиях полета, обнаружено, что эта предписанная скорость не соответствует оптимальной скорости для турбинных двигателей, и это не благоприятно для потребления энергии.
Чтобы решить эту проблему, первое решение состоит в управлении скоростью вращения главного ротора, с тем чтобы приблизиться к скорости турбины, которая является наиболее подходящей. Тем не менее, это решение ограничено, так как невозможно изменять эту скорость за пределами узкого диапазона, не влияя на безопасность полета.
Таким образом, существует реальная необходимость в сборке трансмиссии и в вертолете, которые позволяют оптимизировать скорость двигателя независимо от скорости приемника крутящего момента, и которые лишены, по меньшей мере частично, недостатков, присущих вышеупомянутым известным конфигурациям.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее раскрытие предоставляет сборку трансмиссии воздушного судна, содержащую первый входной вал, сконфигурированный, чтобы принимать крутящий момент с первого двигателя, выходной вал, сконфигурированный, чтобы передавать крутящий момент на приемник крутящего момента, первый элемент трансмиссии, имеющий по меньшей мере две степени свободы и содержащий первую, вторую и третью подвижные части, управляемый первый обратимый электрический регулятор, и первый обратимый электрический балансировочный станок, при этом входной вал соединен с первой подвижной частью, выходной вал соединен со второй подвижной частью, первый электрический регулятор соединен с третьей подвижной частью, и первый электрический балансировочный станок последовательно соединен с входным валом или выходным валом.
В настоящем описании, термин "элемент трансмиссии, имеющий по меньшей мере две степени свободы" используется, чтобы обозначать элемент трансмиссии, который связывает по меньшей мере три подвижные части, представляющие скорости перемещения, которые связаны одним математическим соотношением. Например, в элементе трансмиссии, имеющем две степени свободы, необходимо установить скорости двух подвижных частей, чтобы определить скорость третьей.
Таким образом, посредством такой конфигурации, включающей в себя элемент трансмиссии, имеющий две степени свободы, возможно управлять скоростью регулятора положительно или отрицательно, с тем чтобы либо позволять приемнику крутящего момента работать на переменной скорости при постоянной скорости двигателя, либо позволять двигателю работать на переменной скорости при постоянной скорости приемника крутящего момента. Таким образом, возможно достичь экономии в терминах потребления топлива или выгоды в терминах эффективности.
В частности, зная номинальную скорость вращения приемника крутящего момента, и зная желательную скорость вращения двигателя, математическое соотношение элемента трансмиссии позволяет рассчитать скорость, на которой необходимо управлять электрическим регулятором.
Регулятор, в частности, может управляться в виде функции от условий полета, чтобы следовать изменениям в номинальной скорости для приемника крутящего момента или изменениям в оптимальной скорости для двигателя, тем самым позволяя достигать существенной экономии в терминах потребления топлива и/или существенной выгоды в терминах эффективности на всех этапах полета.
Когда электрический регулятор работает в качестве приемника крутящего момента, он преобразует механическую энергию, которую он снимает, в электрическую энергию, которая может использоваться оборудованием на борту и/или электрическим балансировочным станком. В этом случае, электрический балансировочный станок работает в качестве двигателя, потребляющего электрическую энергию, чтобы восстанавливать на приемнике крутящего момента механическую энергию, которая эквивалентна энергии, снимаемой электрическим регулятором.
Напротив, когда электрический регулятор работает в качестве двигателя, он потребляет электрическую энергию, тем самым вводя дополнительную механическую энергию в систему. В этом случае, электрический балансировочный станок работает в качестве приемника крутящего момента, преобразующего в электрическую энергию механическую энергию, которая эквивалентна энергии, вводимой электрическим регулятором.
Таким образом, возможно управлять скоростью двигателя, в то же время обеспечивая эффективный перенос механической энергии от двигателя к приемнику крутящего момента, не вызывая нежелательное повышение или понижение мощности. Тем не менее, электрические машины также могут управляться с тем, чтобы получать ненулевой баланс энергии, с целью подачи дополнительной электрической энергии бортовому оборудованию, или, напротив, с целью подачи дополнительной механической энергии приемнику крутящего момента, на определенных этапах полета.
В некоторых вариантах осуществления, сборка трансмиссии дополнительно содержит аккумулятор энергии, сконфигурированный, чтобы обмениваться электрической энергией как с первым электрическим регулятором, так и с первым электрическим балансировочным станком. Таким образом, возможно сохранять любые излишки энергии, генерируемые, когда имеет место ненулевой баланс энергии между электрическим регулятором и электрическим балансировочным станком. Аккумулятор может быть соединен с бортовой электрической сетью.
В некоторых вариантах осуществления, сборка дополнительно содержит колесо свободного хода, соединенное последовательно между первым электрическим регулятором и первым элементом трансмиссии. Это особенно полезно в случае отказа электрического регулятора, в то время как скорость двигателя превышает скорость оборудования, чтобы обеспечить передаточное отношение между двигателем и оборудованием.
В некоторых вариантах осуществления, первый элемент трансмиссии является планетарным механизмом, содержащим солнечную шестерню, планетарные шестерни, соединенные с держателем планетарных шестерен, и кольцо.
Настоящее раскрытие также предоставляет вертолет, содержащий первый двигатель, включающий в себя по меньшей мере первый турбинный двигатель, ротор и сборку трансмиссии согласно любому из вышеприведенных вариантов осуществления, сборка трансмиссии, сконфигурированная, чтобы передавать крутящий момент, формируемый в первом двигателе, на ротор. Такая конфигурация позволяет отделять скорость турбинного двигателя от скорости ротора.
В некоторых вариантах осуществления, вертолет также содержит главную коробку передач (MGB). Такая MGB включает в себя планетарный механизм, обеспечивающий коэффициент понижения скорости между турбинным двигателем и ротором. В некоторых вариантах осуществления, MGB может использоваться в качестве первого элемента трансмиссии.
В некоторых вариантах осуществления, держатель планетарных шестерен первого элемента трансмиссии, который отличен от MGB и составляет первую подвижную часть элемента трансмиссии, соединен с первым двигателем, кольцо первого элемента трансмиссии, составляющее его вторую подвижную часть, соединено со входом главной коробки передач, и солнечная шестерня первого элемента трансмиссии, составляющая его третью подвижную часть, соединена с первым электрическим регулятором. В данной конфигурации, элемент трансмиссии обеспечивает понижение скорости между турбинным двигателем и входом MGB: это понижение скорости может регулироваться посредством управления скоростью электрического регулятора, тем самым позволяя турбинному двигателю управляться, чтобы работать на своей оптимальной скорости.
В некоторых вариантах осуществления, вертолет дополнительно содержит второй двигатель, включающий в себя по меньшей мере один турбинный двигатель, второй элемент трансмиссии, аналогичный первому элементу трансмиссии, второй обратимый электрический регулятор и второй обратимый электрический балансировочный станок.
В некоторых вариантах осуществления, вертолет содержит общий аккумулятор энергии, сконфигурированный, чтобы обмениваться электрической энергией с первым и вторым электрическими регуляторами и с первым и вторым электрическими балансировочными станками. В таких вертолетах, содержащих множество турбинных двигателей, эта конфигурация позволяет совместно использовать аккумулятор энергии, тем самым снижая затраты и также снижая бортовой объем и вес.
В некоторых вариантах осуществления, первый и второй электрические балансировочные станки формируют один общий электрический балансировочный станок, который соединен с третьими подвижными частями первого и второго элементов трансмиссии. Такое совместное использование снижает затраты и также снижает бортовой объем и вес.
В некоторых вариантах осуществления, первый и второй электрические балансировочные станки формируют один общий электрический балансировочный станок, который соединен последовательно между выходом из главной коробки передач и ротором. Такое совместное использование снижает затраты и также снижает бортовой объем и вес.
Естественно, эти разные типы совместного использования могут быть представлены аналогичным образом для любого количества двигателей.
В некоторых вариантах осуществления, вертолет содержит главную коробку передач (MGB), включающую в себя планетарный механизм, составляющий первый элемент трансмиссии. Это использует преимущество планетарного механизма, который традиционно присутствует в MGB, таким образом, позволяя избегать наличия дополнительного специального элемента коробки передач.
В некоторых вариантах осуществления, солнечная шестерня первого элемента трансмиссии, составляющая его первую подвижную часть, соединена с первым двигателем, держатель планетарных шестерен первого элемента трансмиссии, составляющий его вторую подвижную часть, соединен с ротором, и кольцо первого элемента трансмиссии, составляющее его третью подвижную часть, соединено с первым электрическим регулятором. В данной конфигурации, элемент трансмиссии понижает скорость между турбинным двигателем и ротором: это понижение скорости может регулироваться посредством управления скоростью электрического регулятора, тем самым позволяя турбинному двигателю управляться, чтобы работать на своей оптимальной скорости.
В некоторых вариантах осуществления, первый электрический балансировочный станок соединен последовательно между первой подвижной частью элемента трансмиссии и упомянутым входом главной коробки передач.
В некоторых вариантах осуществления, первый электрический балансировочный станок соединен последовательно между первым двигателем и первой подвижной частью элемента трансмиссии.
В некоторых вариантах осуществления, первый электрический балансировочный станок соединен последовательно между выходом из главной коробки передач и ротором.
В некоторых вариантах осуществления, первый двигатель дополнительно содержит второй турбинный двигатель и промежуточную коробку трансмиссии, содержащую первый вход, соединенный с первым турбинным двигателем, второй вход, соединенный со вторым турбинным двигателем, и выход, соединенный с первой подвижной частью первого элемента трансмиссии.
Вышеописанные характеристики и преимущества, а также другие, становятся ясными по прочтении последующего подробного описания вариантов осуществления предложенной сборки трансмиссии и вертолета. Подробное описание ссылается на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи являются схематическими и прежде всего предназначены для иллюстрации принципов изобретения.
На чертежах, от одной фигуры к другой, элементы (или части элементов), которые являются идентичными, обозначены одинаковыми номерами ссылок. Кроме того, элементы (или части элементов), принадлежащие к вариантам осуществления, которые являются разными, но имеют аналогичные функции, обозначены на фигурах числовыми ссылками, увеличенными на 100, 200, и т. д.
Фигура 1 - структурная схема первого варианта осуществления сборки трансмиссии.
Фигура 2 показывает конфигурацию элемента трансмиссии в первом варианте осуществления.
Фигура 3 - график, показывающий разные скорости для первого варианта осуществления, как функцию выбранного пилотирования.
Фигура 4 - структурная схема второго варианта осуществления сборки трансмиссии.
Фигура 5 - структурная схема третьего варианта осуществления сборки трансмиссии.
Фигура 6 - структурная схема четвертого варианта осуществления сборки трансмиссии.
Фигура 7 - структурная схема пятого варианта осуществления сборки трансмиссии.
Фигура 8 показывает конфигурацию элемента трансмиссии в шестом варианте осуществления.
Фигура 9 - график, показывающий разные скорости для шестого варианта осуществления, как функцию выбранного пилотирования.
Фигура 10 показывает модификацию варианта осуществления по фигуре 1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА(ОВ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Чтобы сделать изобретение более конкретным, варианты осуществления сборки трансмиссии вертолета подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Стоит отметить, что изобретение не ограничено этими вариантами осуществления.
Фигуры 1, 2, 3 показывают первый вариант осуществления вертолета, содержащий ротор 90, приводимый во вращение посредством газовой турбины 10 через главную коробку передач (MGB) 60. На вертолете, MGB 60 является механической сборкой для передачи энергии, с понижением скорости, от двигателя(ей) 10 к ротору 90, MGB также может обеспечивать угловую передачу между приводным валом и валом ротора, и также может служить для приведения в движение разного оборудования, такого как насосы или генераторы переменного тока.
Скорость вращения Nr ротора 90 определяется требованиями полета: эта скорость Nr, таким образом, также определяет скорость вращения Nt газотурбинного двигателя 10 через сборку трансмиссии, как функцию ее коэффициента понижения, с MGB 60, в частности, вносящей вклад в обеспечение этого коэффициента.
В данном варианте осуществления, сборка трансмиссии содержит планетарный механизм 20, содержащий солнечную шестерню 21, солнечные шестерни 22, установленные на держатель 22a планетарных шестерен, и кольцо 23.
Держатель 22a планетарных шестерен соединен с приводным валом 10a газовой турбины 10. Кольцо 23 соединено со входным валом 60a MGB 60. Солнечная шестерня 21 соединена через вал 30a с управляемой обратимой электрической машиной 30 типа узла привода переключения скоростей, указываемой ссылкой, как электрический регулятор.
Вторая обратимая электрическая машина 40, указываемая ссылкой, как балансировочный станок, обеспечена на валу 60a между планетарным механизмом 20 и MGB 60.
Аккумулятор 50 энергии обеспечен с возможностью обмена электрической энергией с узлом 30 привода переключения скоростей и с балансировочным станком 40.
Далее следует пояснение работы первого варианта осуществления сборки трансмиссии, приведенное со ссылкой на фигуру 3, которая показывает скорости вращения: N3 - узла 30 привода переключения скоростей, Nt - газовой турбины 10, а Ne - входного вала 60a MGB 60.
Когда требуется выполнять сервоуправление Nt на скорости, равной Ne, изменяемой на отношение планетарного механизма 20, узел 30 привода переключения скоростей управляется на нулевой скорости: эта конфигурация балансирует скорости и представлена линией A.
Когда требуется выполнять сервоуправление Nt на более высокой скорости, чем равновесная скорость, скорость узла 30 привода переключения скоростей управляется в направлении положительного значения: эта конфигурация представлена линией B. В данной конфигурации, узел 30 привода переключения скоростей снимает механическую энергию: эта энергия преобразуется в электричество, передается на аккумулятор 50 и переносится посредством аккумулятора на балансировочный станок 40, который затем повторно преобразует ее в механическую энергию и восстанавливает ее на входном валу 60a MGB 60, чтобы удовлетворить его потребность в мощности.
Напротив, когда требуется выполнять сервоуправление Nt на более низкой скорости, чем равновесная скорость, скорость узла 30 привода переключения скоростей управляется в направлении отрицательного значения: эта конфигурация представлена линией C. В данной конфигурации, узел 30 привода переключения скоростей вводит механическую энергию в систему: чтобы балансировать мощности, эквивалентное количество энергии снимается с входного вала 60a MGB 60 посредством балансировочного станка 40, преобразуется в электричество и переносится на узел 30 привода переключения скоростей посредством аккумулятора 50.
В варианте, показанном на фигуре 10, колесо 70 свободного хода может обеспечиваться на валу 30a между электрическим регулятором 30 и планетарной передачей 20.
Фигуры с 4 по 7 показывают другие модификации этого первого варианта осуществления, когда вертолет содержит две газовые турбины, приводящие в движение один ротор.
Во втором варианте осуществления, показанном на фигуре 4, вертолет содержит две силовые передачи, каждая из которых приводится в движение соответствующей газовой турбиной 110, 110', которые силовые передачи объединены с MGB 160, чтобы приводить в движение ротор 190.
Каждая силовая передача содержит соответствующий планетарный механизм 120, 120' и соответствующий узел 130, 130' привода переключения скоростей, которые соединены образом, аналогичным первому варианту осуществления.
Тем не менее, в данном втором варианте осуществления, сборка трансмиссии содержит первый и второй обратимые электрические балансировочные станки 140, 140', обеспеченные на соответствующих приводных валах 110a, 110a', то есть, между своими соответствующими газовыми турбинами 110, 110' и планетарными механизмами 120, 120'.
Кроме того, сборка трансмиссии содержит один аккумулятор 150 энергии, выполненный с возможностью обмена электроэнергией с первым узлом 130 привода переключения скоростей, вторым узлом 130' привода переключения скоростей, первым электрическим балансировочным станком 140 и вторым электрическим балансировочным станком 140'.
Третий вариант осуществления, показанный на фигуре 5, аналогичен второму варианту осуществления, за исключением того, что он содержит один обратимый электрический балансировочный станок 240, обеспеченный на валу 290a ротора, то есть, на выходном валу MGB 260.
Четвертый вариант осуществления, показанный на фигуре 6, аналогичен второму варианту осуществления, за исключением того, что вместо первого и второго узлов привода переключения скоростей, он содержит один узел 330 привода переключения скоростей, общий для первой и второй силовых передач. Более точно, солнечные шестерни 21 обоих планетарных механизмов 320, 320' соединены с общим узлом 330 привода переключения скоростей через общий вал 330a.
Более того, первый и второй обратимые электрические балансировочные станки 340, 340' обеспечены на своих соответствующих входных валах 360a, 360a' MGB, то есть, между своими соответствующими планетарными механизмами 320, 320' и MGB 360.
В пятом варианте осуществления, показанном на фигуре 7, сборка трансмиссии включает в себя промежуточную коробку 480 трансмиссии, которая содержит первый вход, соединенный с первой газовой турбиной 410, и второй вход, соединенный со второй газовой турбиной 410'. Промежуточная коробка 480 трансмиссии объединяет два этих входа с выходами объединенной мощности с двух газовых турбин 410, 410' через объединенный приводной вал 410a.
Конфигурация, которая в этом случае должна располагаться на выходе из промежуточной коробки 480, аналогична конфигурации первого варианта осуществления.
Фигуры 8 и 9 показывают шестой вариант осуществления вертолета, содержащий ротор 580, приводимый во вращение посредством газовой турбины 510 через главную коробку передач (MGB) 560. В этом шестом варианте осуществления, планетарный механизм MGB позволяет изобретению быть осуществленным без введения дополнительного планетарного механизма.
Центральная шестерня 561 MGB соединена с приводным валом 510a газовой турбины 510. Держатель 562a планетарных шестерен соединен с валом 590a ротора 590. В то же время, кольцо 563 соединено через вал 530a с узлом 530 привода переключения скоростей. Электрический обратимый балансировочный станок 540 обеспечен на валу 590a ротора между MGB 560 и ротором 590.
Далее следует пояснение работы шестого варианта осуществления сборки трансмиссии, приведенное со ссылкой на фигуру 9, которая показывает скорости вращения: N3 - узла 530 привода переключения скоростей, Nt - газовой турбины 510, а Nr - ротора 590.
Когда требуется выполнять сервоуправление Nt на скорости, равной Nr, изменяемой на передаточное отношение MGB 560, узел 530 привода переключения скоростей управляется на нулевой скорости: эта конфигурация балансирует скорости и представлена линией A.
Когда требуется выполнять сервоуправление Nt на более высокой скорости, чем равновесная скорость, скорость узла 530 привода переключения скоростей управляется в направлении отрицательного значения: эта конфигурация представлена линией B. В данной конфигурации, узел 530 привода переключения скоростей снимает механическую энергию: эта энергия преобразуется в электричество, передается на аккумулятор и переносится посредством аккумулятора на балансировочный станок 540, который затем повторно преобразует ее в механическую энергию и восстанавливает ее на валу 590a ротора, чтобы удовлетворить его потребность в мощности.
Напротив, когда требуется выполнять сервоуправление Nt на более низкой скорости, чем равновесная скорость, скорость узла 30 привода переключения скоростей управляется в направлении положительного значения: эта конфигурация представлена линией C. В данной конфигурации, узел 530 привода переключения скоростей вводит механическую энергию в систему: чтобы балансировать мощности, эквивалентное количество энергии снимается с вала 590a ротора посредством балансировочного станка 540, преобразуется в электричество и переносится на узел 530 привода переключения скоростей посредством аккумулятора.
Варианты осуществления или реализации, описанные в настоящем раскрытии, приведены посредством неограничивающей иллюстрации, в свете этого описания специалисту в данной области техники легко модифицировать эти варианты осуществления или реализации, или представить другие, в то же время оставаясь в пределах объема изобретения. В частности, настоящее раскрытие одинаково хорошо применимо к газовым турбинам, содержащим свободную турбину, и к газовым турбинам, содержащим связанную турбину.
Более того, разные характеристики этих реализаций и вариантов осуществления могут использоваться самостоятельно или в комбинации друг с другом. Когда они объединяются, эти характеристики могут комбинироваться, как описано выше или другими способами, изобретение не ограничено конкретными комбинациями, описанными в настоящем раскрытии. В частности, если явно не указано обратное, характеристика, описанная со ссылкой на любую реализацию или вариант осуществления, может таким же образом быть применена к любой другой реализации или варианту осуществления.