Способ аварийного обеспечения энергией вспомогательной силовой установки систем жизнеобеспечения самолета

 

Использование: в авиадвигателестроении. Сущность изобретения: осуществляют подачу сжатого воздуха от вспомогательной силовой установки в поршневые двигатели самолета и системы жизнеобеспечения и передачу электрической энергии в системы жизнеобеспечения посредством передачи крутящего момента от вала компрессора каскада низкого давления, изменяя при этом площадь пароходного сечения проточной части в компрессоре низкого давления и канале отбора воздуха. 1 ил.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к вспомогательным газотурбинным двигателям, обеспечивающим воздушный запуск маршевых двигателей пассажирского самолета на земле и в полете, а также снабжение электроэнергией систем самолета в случае отказа основного электрогенератора.

Известен способ аварийного обеспечения электроэнергией и сжатым воздухом систем жизнеобеспечения самолета на земле и в полете, заключающийся в передаче энергии от одновального однокаскадного вспомогательного газотурбинного двигателя (ВГТД) с изменением диапазона параметров отбора энергии посредством изменения расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания ВГТД, изменения площади сечения каналов отбора и перепуска сжатого воздуха. В этом способе из-за отсутствия регулирования площади сечения компрессора ВГТД для обеспечения широкого диапазона параметров отбора сжатого воздуха и электрической мощности требуется переразмерить компрессор, что приводит к увеличению массы и габаритов, ухудшению экономичности ВГТД.

Известен выбранный за прототип способ аварийного обеспечения энергией систем жизнеобеспечения самолета в полете и на земле, заключающийся в передаче от двухроторного двухкаскадного ВГТД сжатого воздуха на запуск маршевых двигателей самолета и передаче электрической мощности от электрогенератора ВГТД на системы жизнеобеспечения самолета при отказе основного электрогенератора, включающий обеспечение постоянства частоты вращения ротора высокого давления и изменение диапазонов отбираемой энергии путем изменения подачи топлива в камеру сгорания ВГТД, изменения площади проходного сечения соплового аппарата турбины низкого давления (НД) и изменения площади проходного сечения канала отбора сжатого воздуха клапаном отбора и клапаном перепуска. Отбор мощности на привод электрогенератора ВГТД от ротора высокого давления, несмотря на наличие регулируемого соплового аппарата турбины НД, не позволяет существенно увеличить мощность генератора на аварийном режиме в связи с резким уменьшение запасов устойчивости компрессора низкого давления, в то время, как на аварийном режиме (при отказе основного электрогенератора) требуется значительно повышенный съем мощности с генератора ВГТД.

Предлагается способ аварийного обеспечения энергией систем жизнеобеспечения самолета, имеющего маршевые двигатели с основным электрогенератором и вспомогательный газотурбинный двигатель (ВГТД), заключающийся в подаче энергии сжатого воздуха от ВГТД ротору маршевого двигателя при его запуске и передаче электрической энергии от электрогенератора ВГТД на электросистемы жизнеобеспечения самолета в случае отказа основного электрогенератора, включающий поддержание постоянной частоты вращения ротора привода электрогенератора ВГТД, при этом способ отличается тем, что при выполнении ВГТД двухроторным двухкаскадным с регулированием подачи топлива в камеру сгорания, передачу электрической мощности осуществляют от ротора каскада низкого давления, постоянную частоту вращения которого поддерживают регулированием площади проходного сечения компрессора низкого давления и расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания; подачу сжатого воздуха от компрессора низкого давления осуществляют изменяя площадь проходного сечения компрессора низкого давления и расхода топлива; увеличенный отбор электрической мощности при отказе основного генератора маршевого двигателя осуществляют уменьшением площади сечения КНД и канала отбора воздуха и увеличением расхода топлива. Отбор электрической мощности на привод электрогенератора от ротора низкого давления ВГТД позволяет расширить диапазон отбираемой мощности при сохранении допустимых запасов газодинамической устойчивости компрессоров, в частности, компрессора низкого давления, работающего в более тяжелых условиях. Уменьшение площади проходного сечения компрессора НД с одновременным уменьшением площади сечения канала отбора воздуха для получения максимального отбора электрической мощности позволяет перераспределить отбираемую энергию в сторону уменьшения энергии сжатого воздуха и увеличения электрической энергии, т. е. повысить мощность турбины высокого давления при снижении температуры лопаток турбины низкого давления, что в свою очередь позволяет повысить экономичность ВГТД.

На чертеже изображена принципиальная схема ВГТД.

Вспомогательный газотурбинный двигатель является двухроторным двухкаскадным и предназначен для подачи сжатого воздуха от компрессора низкого давления на запуск маршевых двигателей самолета на земле или (при отказе маршевого двигателя) в полете; а также для передачи электрической энергии (при отказе основного электрогенератора) на системы жизнеобеспечения самолета. ВГТД содержит камеру сгорания 1, каскад низкого давления и каскад высокого давления. Каскад низкого давления (НД) включает турбину НД 2, приводящую во вращение компрессор НД 3, соединенные между собой валом 4. Каскад высокого давления (ВД) включает турбину ВД 5, приводящую во вращение компрессор ВД 6, соединенные валом 7. За компрессором НД 3 выполнен канал 8 с улиткой 9, соединенной с каналом 10 отбора сжатого воздуха потребителю. В канале 10 отбора установлена труба Вентури 11, служащая для точного измерения расхода отбираемого воздуха. Канал 10 соединен с атмосферой перепускным каналом 12, в котором установлен перепускной клапан 13 с регулятором перепада давления π(λ)в трубе Вентури. Выход перепускного канала 12 расположен в зоне выхлопного устройства 14 двигателя.

ВГТД обеспечивает отбор механической мощности на привод электрогенератора 15 от вала 4 ротора низкого давления посредством конической передачи 16 и на привод коробки 17 вспомогательных агрегатов от вала 7 ротора высокого давления посредством конической передачи 18.

Компрессор НД 3 имеет поворотные лопатки направляющих аппаратов 19 для регулирования расхода воздуха, проходящего через проточную часть двигателя.

В канале 11 отбора сжатого воздуха установлена заслонка 20.

В пpоцессе работы системы жизнеобеспечения пассажирского самолета в случае отказа маршевого двигателя самолета производят запуск этого двигателя в полете, для чего ВГТД устанавливают на режим максимально заданного отбора сжатого воздуха (кратковременный режим), при котором увеличивают расход воздуха и степень повышения давления в КНД 3 за счет увеличения проходного сечения КНД 3 путем поворота лопаток направляющих аппаратов 19. Это позволяет увеличить расход и давление воздуха, отбираемого на нужды потребителя. На этом режиме заслонка 20 канала отбора открыта.

Для предлагаемого способа обеспечения энергией систем самолета Ту-204 с помощью вспомогательного двигателя ВГТД-43, труба Вентури спроектирована по величине перепада давления π(λ)= 0,74, где π(λ ) - отношение статического давления к полному давлению в узком сечении трубы Вентури. Величина π(λ ) = 0,74 выбрана из условия обеспечения точности контроля перепада давления в трубе Вентури и малых газодинамических потерь. На кратковременном режиме работы ВГТД-43 обеспечивается отбор сжатого воздуха на запуск маршевых двигателей с расходом G_{в.отб.зап} = 1,9 кг/с, и отбор электрической мощности на привод электрогенератора N_эг = 30 кВА, где N_эг - мощность электрогенератора ВГТД.

ВГТД может работать на промежуточном режиме с одновременным отбором электрической мощности и сжатого воздуха (длительный режим кондиционирования). На этом режиме заслонка 20 отбора сжатого воздуха на нужды потребителя открыта, регулятор клапана 13 перепуска установлен на величину π(λ ) = 0,74, поворотом лопаток 19 КНД 3 уменьшают его проходное отверстие, уменьшая расход воздуха через КНД, что приводит к уменьшению расхода и давления воздуха, отбираемого потребителю и уменьшению расхода и давления воздуха на ходе в КВД 6, но за счет увеличения подачи топлива в камеру сгорания 1 имеется возможность увеличить избыточную энергию газогенератора ВГТД, т. е. увеличить отбор электрической мощности на привод электрогенератора 15 до величины N_эг = 55 кВА. При этом на ВГТД-43 отбор воздуха потребителю обеспечивается с величиной расхода G_{в.отб.конд} = 1,6 кг/с. Этот режим работы ВГТД используется для подготовки самолета к полету на земле, для проведения регламентных работ.

В случае отказа основного электрогенератора самолета вспомогательный двигатель переводят на режим максимально заданного отбора электрической мощности (аварийной), при котором электрогенератор 15 ВГТД обеспечивает электроэнергией все системы энергообеспечения самолета (освещение, сигнализация, работа насосв и др. ) При этом увеличение отбора электрической мощности по сравнению с вышеописанными режимами обеспечивают за счет одновременного взаимосвязанного действия двух факторов: уменьшения энергии на сжатие воздуха в КНД и увеличение избыточной энергии перед турбиной НД. Уменьшение энергии отбираемого воздуха (уменьшение расхода сжатого воздуха) производят закрытием заслонки отбора 20, уменьшением площади проходного сечения КНД путем поворота лопаток 19 (или сохранения таким же, как на длительном режиме), перенастройкой регулятора перепуска π(λ ) с величины 0,74 на величину π(λ ) = = 0,906, уменьшая площадь проходного сечения канала перепуска. Перенастройка регулятора клапана перепуска 13 в сторону увеличения величины π(λ ) уменьшения площади сечения канала) приводит к изменению линии рабочих режимов КНД в сторону увеличения степени повышения давления, при этом происходит уменьшение расхода воздуха через КНД (или сохраняется как на длительном режиме). Увеличение степени повышения давления в КНД приводит к увеличению давления на входе в КВД, к увеличению расхода воздуха через КВД и увеличение общей степени повышения давления воздуха по КНД плюс КВД. Указанное увеличение расхода воздуха и степени повышения давления приводит к увеличению избыточной энергии перед турбиной, т. е. позволяет увеличить отбираемую электрическую мощность на привод электрогенератора 15. На данном режиме ВГТД-43 обеспечивает отбор электрической мощности до величины N_эг = 144 кВа при одновременном минимальном отборе сжатого воздуха с расходом G_в.отб = 1 кг/c в систему перепуска. (56) Авиационные газотурбинные вспомогательные силовые установки, М. , Машиностроение, 1978, с. 133, рис. 61.

Там же, с. 19, рис. 16.

Формула изобретения

СПОСОБ АВАРИЙНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ СИСТЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ САМОЛЕТА, заключающийся в отборе сжатого воздуха от установки и подаче его в маршевые двигатели и системы жизнеобеспечения с регулированием его расхода посредством изменения площадей проходного сечения проточной части установки и каналов отбора и перепуске сжатого воздуха и передаче электрической энергии на системы жизнеобеспечения путем передачи крутящего момента от вала установки к ротору электрогенератора при поддержании постоянной частоты их вращения посредством изменения площади проходного сечения установки, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона отбираемой энергии при выполнении установки двухвальной и двухкаскадной, дополнительно осуществляют регулирование подачи топлива в камеру сгорания установки, передачу крутящего момента к ротору электрогенератора осуществляют от вала компрессора каскада низкого давления, а изменение площади проходного сечения проточной части установки осуществляют в компрессоре низкого давления, увеличивая эту площадь на режиме максимального отбора воздуха и уменьшая ее на режиме отбора воздуха с одновременной передачей электроэнергии и на режиме максимальной передачи электроэнергии, производя при этом на последнем режиме одновременное уменьшение площади проходного сечения каналов отбора и перепуска сжатого воздуха и увеличение расхода топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3