Устройство для отбора механической мощности между валами высокого давления и низкого давления двухвального газотурбинного двигателя
Устройство привода вспомогательных механизмов двухвального газотурбинного двигателя, включающего вал низкого давления и вал высокого давления, содержит дифференциальный механизм с первым и вторым входными валами и с выходным валом и коробку приводов, имеющую общий приводной вал. Вспомогательные механизмы установлены на коробке приводов. Первый входной вал соединен при помощи селективного сцепления либо с валом низкого давления, либо с валом высокого давления. Второй входной вал соединен с валом высокого давления, а выходной вал соединен с приводным валом коробки приводов. Изобретение позволяет осуществлять отбор мощности на валу низкого давления и поддерживать вращение приводного вала коробки приводов в диапазоне скоростей, совместимом с установленными на ней механизмами. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Настоящее изобретение относится к области многовальных газотурбинных двигателей, применяемых в авиации, и его объектом является устройство отбора механической мощности на валах двигателя. В частности, это устройство предназначено для выполнения функции привода вспомогательных механизмов.
Как правило, газотурбинный двигатель содержит воздушный компрессор, питающий, по меньшей мере частично, камеру сгорания. Газы, выходящие из этой камеры сгорания, приводят в движение одну или несколько ступеней турбины, механически соединенных с компрессорами, и обеспечивают создание, по меньшей мере, части тяги. Двухвальный двигатель содержит два роторных узла с концентричными валами, находящихся в свободном механическом вращении относительно друг друга. Различают вал низкого давления, называемый валом НД, и вал высокого давления, называемый валом ВД. Турбореактивные или турбовинтовые двигатели гражданских самолетов содержат ротор компрессора или вентилятора, приводимый в движение валом НД и выдающий большую часть тяги двигателя.
Часть мощности, вырабатываемой двигателем, используется для приведения в действие вспомогательных механизмов самого двигателя и самолета, движение которого обеспечивается этим двигателем.
В настоящее время эту мощность отбирают, частично механически, на валу ступени ВД двигателя для приведения в движение приводного вала коробки приводов. Эту коробку называют коробкой AGB от Accessory Gear Box. В турбореактивном двигателе с передним расположением компрессора эту коробку устанавливают на картере двигателя. Как правило, ее приводной вал приводится в движение трансмиссионным валом, установленным в одной из конструктивных стоек картера, и соединен через коробку угловой передачи с шестерней отбора мощности, неподвижно соединенной с валом ВД. Различные вспомогательные механизмы, такие как генераторы и гидравлические масляные насосы или топливные насосы, установлены на этой коробке приводов и приводятся в действие от этой коробки. Другая часть отбора представляет собой воздух под давлением, отбираемый из компрессора ВД для обеспечения, в частности, наддува и кондиционирования кабины самолета или для борьбы с обледенением.
В настоящее время существует тенденция к увеличению доли отбора механической мощности в силу всевозрастающего количества электрических средств, которые считаются более гибкими в использовании. Эта все более проявляющаяся потребность в электрическом обеспечении оборудования самолета уже не позволяет, в силу условий работы и характеристик двигателя в основном на режимах малого газа, отбирать мощность только на валу ВД.
Это увеличение отбора мощности для новых потребностей в газотурбинных двигателях соответственно требует наличия системы отбора механической мощности на валах ВД и НД. В связи с этим объектом настоящего изобретения является средство отбора мощности на обоих валах.
Однако валы ВД и НД вращаются независимо друг от друга с разными скоростями и имеют разные рабочие диапазоны. Между режимом малого газа и режимом полных оборотов соотношение скоростей для вала ВД примерно равно двум; скорость вращения меняется, например, от 10.000 оборотов в минуту до 20.000 оборотов в минуту. Для вала НД соотношение скоростей примерно равно пяти; его скорость колеблется, например, от 900 оборотов в минуту в режиме малого газа до 4500 оборотов в минуту в режиме полных оборотов. Следовательно, возникает проблема обеспечения отбора, совместимого с этими двумя разными рабочими диапазонами. Решение этой проблемы является наиболее актуальным, поскольку агрегаты, установленные на коробке, работают в интервале диапазонов скоростей, совместимых с диапазоном скоростей вала ВД. Как уже было указано выше, этот диапазон существенно ниже диапазона вала НД.
Поэтому объектом настоящего изобретения является также устройство отбора механической мощности, соответствующее рабочему диапазону вспомогательных механизмов, установленных на коробке AGB.
В соответствии с настоящим изобретением эти задачи решаются путем создания устройства привода вспомогательных механизмов многовального, в частности двухвального, газотурбинного двигателя, содержащего вал низкого давления и вал высокого давления, при этом упомянутые механизмы установлены на коробке приводов, содержащей общий приводной вал, отличающегося тем, что содержит дифференциальный механизм с первым и вторым входными валами и с выходным валом,
при этом первый вал соединяется при помощи селективного сцепления либо с валом низкого давления, либо с валом высокого давления,
второй входной вал соединяется с валом высокого давления, и
выходной вал соединяется с приводным валом упомянутой коробки приводов.
Предпочтительно, чтобы первый вал соединялся при помощи селективного сцепления с валом низкого давления, когда мощность двигателя остается ниже предварительно заданной величины, и с валом высокого давления, когда мощность двигателя превышает эту величину.
Предпочтительно также, чтобы селективное сцепление являлось сцеплением кулачкового типа.
Предпочтительно также, чтобы селективное кулачковое сцепление содержало первую кулачковую муфту между входным валом и валом низкого давления и вторую кулачковую муфту между входным валом и валом высокого давления.
Предпочтительно также, чтобы было предусмотрено устройство с колесом свободного хода в механической трансмиссионной линии между первой кулачковой муфтой и валом низкого давления, выполненное с возможностью подключения, когда двигатель работает, и отключения, когда двигатель приводится в действие во время запуска валом коробки приводов.
Решение в соответствии с настоящим изобретением позволяет, таким образом, осуществлять отбор механической мощности на валу низкого давления, достаточной для сохранения характеристик двигателя и поддержания вращения приводного вала коробки приводов в диапазоне скоростей, совместимом с установленными на ней механизмами.
Из патентов FR 2520806 и FR 2606077 известны двухвальный двигатель и устройство отбора мощности, содержащее дифференциальный механизм, соединенный с каждым из двух валов и оборудованный выходным валом, вращающимся со скоростью, являющейся функцией от разности скоростей двух валов. Поскольку диапазон изменения разности скоростей ниже такого диапазона валов, то потребность в соответствующей адаптации механизмов уменьшается. Однако полностью устранить эту потребность не представляется возможным.
Далее следует подробное описание неограничительного варианта выполнения настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид устройства отбора механической мощности в соответствии с настоящим изобретением в конфигурации множественного отбора.
Фиг.2 - схематичный вид устройства отбора механической мощности в конфигурации отбора только на валу ВД.
Фиг.3 - график изменения скоростей вращения каждого из валов в зависимости от режима работы двигателя, наглядно иллюстрирующий настоящее изобретение.
На чертежах газотурбинный двигатель не показан, поскольку изобретение в целом его не касается. Он может быть любым. Речь идет именно о многовальном, в частности двухвальном, газотурбинном двигателе, о котором речь шла выше. Валы НД и ВД 1 и 3 являются концентричными и выполнены с возможностью свободного механического вращения относительно друг друга. Они могут вращаться либо в одном направлении, либо в противоположных направлениях. Вал НД установлен на соответствующих опорных подшипниках внутри вала ВД. В случае двухконтурного турбореактивного двигателя он приводит в движение компрессор, например, установленный на передней части.
Каждый из двух валов содержит средство передачи вращательного движения, в данном случае выполненное в виде двух конических шестерен, соответственно 1а и 3а.
Дифференциальный механизм 5 с эпициклической передачей содержит первый входной вал 5а и второй входной вал 5b, а также выходной вал 5с отбора мощности, соединенный с общим приводным валом коробки 7 приводов. На фиг.1 этот приводной вал совпадает с выходным валом 5с отбора мощности дифференциального механизма.
Кинематическая трансмиссия 8 между средством 1а передачи движения и входом дифференциала 5 в данном случае состоит из конической шестерни 8а, входящей в зацепление с шестерней 1а, и из трансмиссионной линии 8b-8с передачи движения. Эта трансмиссионная линия содержит муфтовое средство 8f сцепления, такое как кулачковая муфта, между двумя элементами, из которых один элемент 8b соединен с шестерней 8а, а другой элемент 8с соединен с входом 5а дифференциала 5.
Перед кулачковой муфтой 8f, то есть, например, между шестерней 8а и элементом 8b трансмиссии вставлено колесо 8g свободного хода. Это колесо 8g свободного хода выполнено таким образом, чтобы быть задействованным, когда коробка 7 приводов работает на прием, то есть во время работы двигателя. Колесо свободного хода не задействовано, то есть не передает никакого вращательного движения между элементом 8b и шестерней 8а, когда коробка 7 является приводом, то есть в режиме запуска, когда приводится в действие стартер для вращения ротора ВД. Описание работы в режиме запуска будет представлено ниже.
Трансмиссия 6 между шестерней 3а и входом 5b дифференциала является прямой, без сцепной муфты.
Сцепная муфта 10f предусмотрена между двумя трансмиссиями 6 и 8. Она установлена на валу 10, содержащем две части 10b и 10с, по обе стороны от муфты: часть 10b соединена через зубчатую передачу 10b1-6b с валом 6, а часть 10с соединена через зубчатую передачу 10c1-8d с частью 8с вала 8. Муфта является, например, кулачковой муфтой.
Две муфты 8f и 10f, образующие селективное сцепление, управляются соответствующим узлом управления.
В конфигурации, показанной на фиг.1, кулачковая муфта 8f находится в зацеплении. Части 8b и 8с неподвижно соединены друг с другом; обе части 10b и 10 с отсоединены друг от друга. Вал НД вращает входной вал 5а коробки 5, а вал ВД вращает входной вал 5b коробки 5.
На фиг.2 показана та же трансмиссия, что и на фиг.1, но в данном случае в зацеплении находится муфта 10f. Части 10b и 10с неподвижно соединены друг с другом. Части 8b и 8 с отсоединены друг от друга. В этой конфигурации оба вала 5а и 5b дифференциала 7 соединены с валом ВД и приводятся им во вращение. Этот вал один справляется с задачей вращения вспомогательных механизмов, установленных на коробке.
Работа устройства описана со ссылкой на фиг.3.
На этой фигуре на оси абсцисс показан режим двигателя или его уровень мощности. I обозначает режим малого газа, а Р - режим полных оборотов, например, во время взлета. На оси ординат показана скорость вращения, выраженная относительно скорости в режиме малого газа.
Кривая КНР построена между I и Р от значения 1, соответствующего режиму малого газа, до значения 1,7. Рабочий диапазон скоростей ротора ВД этого двигателя находится в интервале от 1 до 1,7 между режимом малого газа и режимом полных оборотов. Точно так же кривая RBP показывает рабочий диапазон скоростей ротора низкого давления НД. Диапазон скоростей ротора НД намного шире, чем диапазон ротора ВД, так как кривая проходит от 1 до 5.
Прямая RD показывает рабочий диапазон скоростей вала 5с.
Между режимом малого газа и заранее установленным режимом N двигателя муфта 8f находится в зацеплении, a 10f отсоединена. Конфигурация представляет собой множественный отбор. Вал НД участвует во вращении вспомогательных механизмов, что и требуется, поскольку режим ротора ВД не является оптимальным для осуществления отбора мощности.
Узел управления муфтами 8f и 10f выполнен с возможностью переключения сцепления между частями валов 8 и 10 от 8f на 10f. В этой конфигурации оба входа 5а и 5b вращаются одним и тем же валом - ВД. Кривая изменения скорости выхода 5с дифференциала параллельна кривой RHP. В этом примере скорость входного вала коробки меняется в ограниченном диапазоне - от 1 до 2,2. Поскольку диапазон скоростей регулируется только валом ВД, то следует соблюдать требования, связанные с механизмами, установленными на коробке.
Понятно, что если бы селективное сцепление оставалось подключенным к кулачкам муфты 8f, то скорость менялась бы, как показано пунктирной кривой, начиная от режима N. В этом случае соотношение скоростей совсем немного не достигало бы соотношения скоростей на RBP.
Вторую конфигурацию, показанную на фиг.2, используют для режимов вращения двигателя, позволяющих осуществлять отбор мощности только на валу ВД.
Для запуска двигателя стартер, не показанный на фигуре, подключают к коробке 7 приводов. В данном случае конфигурация, не показанная на фигурах, отличается от конфигураций, показанных на фиг.1 и 2. Здесь селективное сцепление устанавливают таким образом, чтобы обе кулачковые муфты 8f и 10f одновременно находились в зацеплении; задействованы обе трансмиссионные линии: 8b-8с, с одной стороны, и 10b-10с, с другой стороны. Поскольку передача мощности происходит от коробки 7 на шестерню 8а, то колесо 8g свободного хода не задействовано. Как и в конфигурации на фиг.2 приводная мощность стартера полностью передается на ротор ВД. В конце запуска узел управления отключает кулачковую муфту 10f для отсоединения валов 10b и 10с друг от друга. После запуска коробка 7 работает на прием, колесо свободного хода автоматически включается, и начинается режим холостого хода в конфигурации, показанной на фиг.1.
Таким образом, колесо 8g свободного хода позволяет при запуске избежать ускорения до точки N скорости, заранее определенной для смены конфигурации. Эта скорость может быть слишком высокой и создавать избыточную тягу на земле.
1. Устройство привода вспомогательных механизмов двухвального газотурбинного двигателя, содержащего вал низкого давления и вал высокого давления, при этом упомянутые вспомогательные механизмы установлены на коробке приводов, содержащей общий приводной вал, отличающееся тем, что содержит дифференциальный механизм с первым и вторым входными валами и с выходным валом, при этом
а. первый входной вал соединяется при помощи селективного сцепления либо с валом низкого давления, либо с валом высокого давления,
б. второй входной вал соединяется с валом высокого давления, и
в. выходной вал соединяется с приводным валом коробки.
2. Устройство по п.1, в котором первый вал соединяется при помощи селективного сцепления с валом низкого давления, когда мощность двигателя меньше предварительно заданного значения (N), и с валом высокого давления, когда мощность двигателя превышает упомянутое значение.
3. Устройство по п.1, в котором селективное сцепление является сцеплением кулачкового типа.
4. Устройство по п.3, в котором селективное кулачковое сцепление содержит первую кулачковую муфту между входным валом и валом низкого давления и вторую кулачковую муфту между входным валом и валом высокого давления.
5. Устройство по п.4, содержащее устройство с колесом свободного хода в механической трансмиссионной линии между первой кулачковой муфтой и валом низкого давления, выполненное с возможностью подключения, когда двигатель работает, и отключения, когда двигатель приводится в действие во время запуска валом коробки приводов.
