Силовая установка со средствами выборочного соединения

Изобретение относится к силовой установке летательного аппарата. Cиловая установка (10) содержит газотурбинный двигатель (12), винт (14), вращающуюся электрическую машину (16). Силовая установка также содержит средства (20) выборочного соединения вращающейся электрической машины (16) с винтом (14) и/или газотурбинным двигателем (12). Упомянутые средства (20) выполнены с возможностью соединения только винта (14) с вращающейся электрической машиной (16) во время определенного этапа работы силовой установки (10), а также с возможностью соединения или не соединения вращающейся электрической машины (16) с газогенератором и/или свободной турбиной. Изобретение снижает расход топлива, выброс отработавших газов и упрощает процесс руления. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к силовой установке, такой как турбовинтовой двигатель, который выполнен с возможностью ограничения расхода топлива, в частности, во время этапов руления летательного аппарата, на котором установлена силовая установка.

Уровень техники

Этап, во время которого летательный аппарат перемещается или находится в стадии ожидания в аэропорту до взлета или после приземления, называется этапом руления или этапом “taxi”.

Как правило, продолжительность этого этапа составляет от 10 до 20 минут, в зависимости от размера аэропорта.

Обычная турбовинтовая установка в основном содержит газотурбинный двигатель, производящий движущую силу, и наружный винт, вращаемый газотурбинным двигателем и позволяющий летательному аппарату перемещаться.

Во время этапа руления газотурбинный двигатель постоянно работает, независимо от того, перемещается летательный аппарат или находится на этапах ожидания, например, во время ожидания взлета.

Таким образом, во время этого этапа руления расходуется большое количество топлива, тогда как потребности в энергии, производимой газотурбинным двигателем, являются ограниченными.

Например, для летательного аппарата примерно на 70 мест количество расходуемого топлива может превышать 50 килограммов для этапа руления, превышающего 10 минут. Во время работы турбовинтовой установки на земле газотурбинный двигатель расходует топливо и производит отработавшие газы. Поскольку скорость самолета является очень низкой, выхлоп отработавших газов может разбавляться окружающим воздухом. Затем отработавшие газы распространяются во всей территории аэропорта, нанося вред работающему персоналу и пассажирам.

Поэтому режим газотурбинного двигателя в большей степени определяется его рабочими параметрами, чем в зависимости от мощности, необходимой для этапов руления/стоянки. Это приводит к интенсивному использованию ручки газа и тормозов. Это использование создает неудобство для пилота и дискомфорт для пассажиров.

Раскрытие сущности изобретения

Изобретением предложена силовая установка, в частности, для летательного аппарата, содержащая газотурбинный двигатель, винт, выполненный с возможностью выборочного соединения с указанным газотурбинным двигателем, вращающуюся электрическую машину, выполненную с возможностью приведения в действие по меньшей мере газотурбинного двигателя, и средства выборочного соединения вращающейся электрической машины с винтом и/или газотурбинным двигателем, которые выполнены с возможностью соединения только винта с вращающейся электрической машиной во время определенного этапа работы силовой установки, в которой газотурбинный двигатель является газотурбинным двигателем со свободной турбиной, содержащим газогенератор и свободную турбину, приводимую во вращение газовым потоком, создаваемым газогенератором, согласно изобретению, средства выборочного соединения выполнены с возможностью соединения или не соединения вращающейся электрической машины с газогенератором и/или со свободной турбиной.

Прямое соединение только вращающейся электрической машины с винтом позволяет во время этапов руления летательного аппарата использовать только электрическую энергию, причем только когда летательный аппарат должен перемещаться. Следовательно, когда летательный аппарат стоит, он не расходует топливо и не производит отработавшие газы, так как газотурбинный двигатель можно выключить.

Предпочтительно средства выборочного соединения содержат орган соединения, который постоянно соединен с вращающейся электрической машиной, и систему сцепления, обеспечивающую выборочное соединение органа соединения с винтом в зависимости от фазы работы силовой установки.

Предпочтительно средства соединения содержат вторую систему сцепления, обеспечивающую выборочное соединение органа соединения с газогенератором.

Предпочтительно орган соединения содержит вал, выполненный с возможностью соединения со свободной турбиной через кулачковую муфту.

Предпочтительно вращающаяся электрическая машина представляет собой стартер-генератор, выполненный с возможностью производства движущей силы для приведения во вращение винта и/или газотурбинного двигателя и с возможностью производства электричества при помощи движущей силы, производимой газотурбинным двигателем.

Предпочтительно вращающаяся электрическая машина связана с аккумулятором электрической энергии, и вращающаяся электрическая машина выполнена с возможностью отбора электричества или подачи электричества в указанный аккумулятор энергии.

Изобретением предложен также способ управления средствами соединения заявленной силовой установки, установленной на летательном аппарате, согласно изобретению, средствами соединения управляют таким образом, чтобы соединять орган управления только с винтом во время этапа руления летательного аппарата на взлетно-посадочной полосе и чтобы соединять орган управления с винтом и с газотурбинным двигателем по меньшей мере во время этапа работы газотурбинного двигателя в устойчивом режиме.

Предпочтительно во время этапа запуска газотурбинного двигателя после указанного этапа руления способ содержит

- первую фазу, во время которой орган соединения одновременно соединен с винтом и с газогенератором и во время которой орган соединения отсоединен от свободной турбины;

- вторую фазу, во время которой орган соединения соединен только с газогенератором и во время которой орган соединения отсоединен от винта и от свободной турбины; и

- третью фазу, во время которой орган соединения соединен одновременно с винтом и со свободной турбиной и во время которой орган соединения отсоединен от газогенератора.

Предпочтительно во время этапа запуска газотурбинного двигателя способ содержит:

- фазу, во время которой орган соединения соединен с газогенератором и во время которой орган соединения отсоединен от винта и от свободной турбины; и

- фазу, во время которой орган соединения соединен одновременно с винтом и со свободной турбиной и во время которой орган соединения отсоединен от газогенератора.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1-6 схематично иллюстрируют заявленную силовую установку с показом различных этапов работы силовой установки.

Осуществление изобретения

На фигурах показана силовая установка 10, например, для летательного аппарата, которая содержит газотурбинный двигатель 12, производящий движущую силу силовой установки 10, винт 14, предназначенный для своего приведения во вращение газотурбинным двигателем с целью обеспечения движения летательного аппарата, и вращающуюся электрическую машину 16, которая связана с аккумулятором электрической энергии, таким как батарея.

Вращающаяся электрическая машина 16 является реверсивной электрической машиной типа стартера-генератора. Она выполнена с возможностью производства движущей силы при помощи электричества, накопленного в батарее, которую можно передавать на газотурбинный двигатель 12, когда она работает в режиме стартера.

Вращающаяся электрическая машина 16 выполнена также с возможностью получения по меньшей мере части движущей силы, производимой газотурбинным двигателем 12, когда она находится в режиме генератора, с целью производства электричества, которое будет распределяться по всему летательному аппарату, а также на батарею.

Предпочтительно газотурбинный двигатель 12 является турбовинтовым двигателем со свободной турбиной, который содержит газогенератор, состоящий из одного или нескольких компрессоров и из одной или нескольких турбин с одной или несколькими ступенями, и который содержит свободную турбину, приводящую во вращение приводной вал 32 винта 14.

Между валом 18 турбины и винтом 14 установлен редуктор (не показан) для снижения скорости вращения винта 14.

Силовая установка 10 содержит также средства 20 соединения, позволяющие выборочно соединять друг с другом газотурбинный двигатель 12, винт 14 и вращающуюся электрическую машину 16.

Средства 20 соединения содержат орган 22 соединения, установленный с возможностью вращения вокруг главной оси А и постоянно соединенный с вращающейся электрической машиной через набор шестерен 24.

Орган 22 соединения содержит вал 26, предназначенный для соединения или не соединения с валом 18 свободной турбины через кулачковую муфту 28.

Кулачковая муфта 28 выполнена с возможностью принимать два состояния, а именно включенное состояние соединения вала 26 органа 22 соединения с валом 18 свободной турбины и отключенное состояние, в котором она не соединяет два вала 26, 18. Состояние кулачковой муфты можно менять в зависимости от фазы работы силовой установки, что будет описано ниже.

Средства 20 соединения содержат первую систему 30 сцепления, соединяющую орган 22 соединения с валом 32 винта 14. Первая система 30 сцепления выполнена с возможностью принимать одно состояние среди включенного состояния, выключенного состояния и состояния скольжения для соединения или не соединения органа 22 соединения с валом 32 винта 14.

Первая система 30 сцепления содержит первое плоское кольцо 34, соединенное во вращении с органом 22 соединения, и находящееся напротив второе плоское кольцо 36, соединенное во вращении с валом 32 винта 14. Оба плоских кольца 34, 36 первой системы 30 сцепления предназначены для вхождения или не вхождения в контакт друг с другом в зависимости от вышеупомянутых состояний, в которых находится система сцепления.

Средства 20 соединения содержат вторую систему 40 сцепления, соединяющую орган 22 соединения с валом 42 газогенератора. Вторая система 40 сцепления выполнена с возможностью принимать одно состояние среди включенного состояния, выключенного состояния и состояния скольжения для соединения или не соединения во вращении органа 22 соединения с валом 42 газогенератора.

Вторая система 40 сцепления содержит первое плоское кольцо 44, соединенное во вращении с органом 22 соединения, и второе плоское кольцо 46, соединенное во вращении с валом 42 газогенератора.

Оба плоских кольца 44, 46 второй системы 40 сцепления предназначены для вхождения или не вхождения в контакт друг с другом в зависимости от вышеупомянутых состояний, в которых находится система сцепления.

Средства 20 соединения дополнительно содержат средства управления и привода кулачковой муфты 28 и системы 30, 40 сцепления для соединения или не соединения друг с другом газотурбинного двигателя 12, винта 14 и вращающейся электрической машины 16.

Силовая установка 10 выполнена таким образом, чтобы в одной конфигурации средств 20 соединения вращающаяся электрическая машина была соединена только с винтом 14. В этой конфигурации средства 20 соединения, вращающаяся электрическая машина 16 и винт 14 не соединены ни с газогенератором, ни со свободной турбиной газотурбинного двигателя 12.

Эту конфигурацию средств 20 соединения предпочтительно применяют, когда летательный аппарат находится на этапе руления, что позволяет не использовать мощность газотурбинного двигателя 12 и даже сохранять газотурбинный двигатель 12 выключенным.

Это позволяет вращать винт 14, не расходуя топливо и не производя отработавшие газы. Кроме того, электрическую энергию для вращения винта 14 используют, только когда это необходимо, следовательно, избегают чрезмерного потребления электричества.

Далее следует описание нескольких этапов работы силовой установки 10, содержащей описанные выше средства 20 соединения.

Фаза руления

На фиг. 2 показана конфигурация силовой установки 10, когда летательный аппарат находится на этапе руления.

Как было указано выше, во время этого этапа руления средства 20 соединения соединяют только вращающуюся электрическую машину 16 с винтом 14.

В этой конфигурации средств 20 соединения кулачковая муфта 28 находится в выключенном состоянии, в котором она не соединяет вал 26 органа 22 соединения с валом 18 свободной турбины. Следовательно, вращающаяся электрическая машина 16 не соединена со свободной турбиной газотурбинного двигателя 12.

Первая система 30 сцепления находится во включенном положении, то есть оба плоских кольца 34, 36 входят друг с другом в контакт, а вторая система 40 находится в выключенном положении, то есть оба плоских кольца 44, 46 не входят друг с другом в контакт.

В этой конфигурации средств 20 соединения вращающаяся электрическая машина 16 работает в режиме стартера, то есть производит движущую силу, причем эта движущая сила передается только на винт через орган 22 соединения и через первую систему 30 сцепления.

На фиг. 3-5 показаны другие состояния силовой установки 10 и ее средств 20 соединения, отображающие различные фазы работы средств 20 соединения во время этапа запуска силовой установки, осуществляемого после этапа руления.

Запуск газотурбинного двигателя 12 в основном представляет собой приведение во вращение газогенератора, пока он не достигнет режима работы газотурбинного двигателя. Начиная с этого режима работы, свободная турбина производит движущую силу, которую можно передать на винт.

Соединение винта и электрической машины с газогенератором

В первой фазе этапа запуска, которая происходит сразу после фазы руления, газогенератор соединяют с вращающейся электрической машиной 16 и с винтом 14.

Действительно, на предыдущем этапе руления винт 14 вращается с высокой скоростью. Соединение газогенератора с винтом 14 позволяет использовать кинетическую энергию, накопленную винтом 14, чтобы участвовать в приведении во вращение газогенератора.

Для этого, как показано на фиг. 3, вторая система 40 сцепления меняет свое состояние на включенное состояние, то есть оба плоских кольца 44, 46 входят друг с другом в контакт. При этом газогенератор соединяется с органом 22 соединения.

Кулачковая муфта 28 и первая система 30 сцепления сохраняют свое предыдущее состояние, то есть кулачковая муфта 28 находится в выключенном состоянии, а первая система 30 сцепления находится во включенном положении.

Вращающаяся электрическая машина 16 работает в режиме производства движущей силы, причем эта энергия, как и кинетическая энергия винта 14, передается на газогенератор для запуска газотурбинного двигателя 12.

Соединение электрической машины с газогенератором

Спустя некоторое время кинетическая энергия винта становится недостаточной, чтобы участвовать во вращении газогенератора для запуска газотурбинного двигателя 12. Кроме того, винт 14 может производить результирующий крутящий момент, который будет бесполезно расходовать некоторое количество энергии, производимой вращающейся электрической машиной 16.

Эту конфигурацию можно также применять в начале запуска газотурбинного двигателя 12, если описанной выше фазы руления не было. Винт 14 является неподвижным и, следовательно, не может участвовать в приведении во вращение газогенератора.

Как показано на фиг. 4, в этой фазе этапа запуска винт 14 отсоединен от вращающейся электрической машины 16 и от газогенератора.

Для этого первая система 30 сцепления меняет свое состояние на выключенное, то есть оба плоских кольца 34, 36 больше не входят друг с другом в контакт.

Следовательно, во время этой фазы вращающаяся электрическая машина 16 соединена только с газогенератором, и всю энергию, производимую вращающейся электрической машиной 16, используют для запуска газотурбинного двигателя 12, то есть не происходит потери энергии по причине противодействующего крутящего момента винта 14.

Соединение свободной турбины с органом соединения

Затем во время третьей фазы этапа запуска, показанной на фиг. 5, происходит запуск газотурбинного двигателя 12, и свободная турбина может производить движущую силу.

В соответствии с этой фазой вращающаяся электрическая машина 16 соединена с винтом 14 и со свободной турбиной и отсоединена от газогенератора.

Для этого первая система 30 сцепления меняет свое состояние на включенное, то есть оба плоских кольца 34, 36 входят друг с другом в контакт, и винт 14 соединен с вращающейся электрической машиной 16 через орган 22 соединения.

Кулачковая муфта 28 тоже меняет свое состояние на включенное состояние соединения вала 18 свободной турбины с валом 26 органа 22 соединения, чтобы соединить вращающуюся электрическую машину 16 со свободной турбиной.

Вторая система 40 сцепления сохраняет свое включенное положение.

Энергия, производимая свободной турбиной, вращает винт 14 и вращающуюся электрическую машину 16, которая работает в этом случае в режиме генератора электричества. Таким образом, силовая установка 10 может одновременно приводить в движение летательный аппарат и производить электричество, которое распределяется по всему летательному аппарату, в том числе на батарею.

Работа в постоянном режиме

На фиг. 6 показано состояние силовой установки 10, когда работает газотурбинный двигатель 12.

Это состояние силовой установки 10 соответствует фазам взлета, полета и приземления летательного аппарата.

В этом состоянии силовой установки 10 средства 20 соединения обеспечивают соединение вращающейся электрической машины 16 с валом 18 свободной турбины и с винтом. Следует заметить, что в этом состоянии средства 20 соединения не соединяют вращающуюся электрическую машину 16 с газогенератором.

В данном случае энергия, производимая свободной турбиной, тоже вращает винт 14 и вращающуюся электрическую машину 16, которая работает в режиме генератора электричества.

Для этого, аналогично с состоянием, показанным на фиг. 5, первая система 30 сцепления находится во включенном состоянии, то есть оба плоских кольца 34, 36 входят друг с другом в контакт, и винт 14 соединен с вращающейся электрической машиной 16.

Кулачковая муфта 28 находится в своем включенном состоянии соединения вала 18 свободной турбины с валом 26 органа 22 соединения, соединяя вращающуюся электрическую машину 16 со свободной турбиной.

Вторая система 40 сцепления находится в выключенном положении, то есть оба плоских кольца 44, 46 не входят друг с другом в контакт, и, следовательно, вращающаяся электрическая машина 16 не соединена с газогенератором.

В представленном выше описании силовой установки 10 винт 14 и его соответствующий вал 32, вал 18 свободной турбины, орган 22 соединения, кулачковая муфта 28 и вал 42 газогенератора являются коаксиальными вокруг главной оси А. Понятно, что изобретение не ограничивается этим вариантом осуществления, и главная ось одного или нескольких из этих компонентов может быть смещена или может быть наклонена относительно главной оси А. В этом случае силовая установка будет содержать соответствующие средства угловой передачи.

1. Силовая установка (10), в частности, для летательного аппарата, содержащая

- газотурбинный двигатель (12);

- винт (14), выполненный с возможностью выборочного соединения с указанным газотурбинным двигателем (12);

- вращающуюся электрическую машину (16), выполненную с возможностью приведения в действие по меньшей мере газотурбинного двигателя (12), и

- средства (20) выборочного соединения вращающейся электрической машины (16) с винтом (14) и/или газотурбинным двигателем (12), которые выполнены с возможностью соединения только винта (14) с вращающейся электрической машиной (16) во время определенного этапа работы силовой установки (10),

при этом газотурбинный двигатель (12) является газотурбинным двигателем со свободной турбиной, содержащим газогенератор и свободную турбину, приводимую во вращение газовым потоком, создаваемым газогенератором,

отличающаяся тем, что средства (20) выборочного соединения выполнены с возможностью соединения или не соединения вращающейся электрической машины (16) с газогенератором и/или со свободной турбиной.

2. Силовая установка (10) по п. 1, отличающаяся тем, что средства (20) выборочного соединения содержат орган (22) соединения, который постоянно соединен с вращающейся электрической машиной (16), и систему (30) сцепления, обеспечивающую выборочное соединение органа (22) соединения с винтом (14) в зависимости от фазы работы силовой установки (10).

3. Силовая установка (10) по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что средства (20) соединения содержат вторую систему (40) сцепления, обеспечивающую выборочное соединение органа (22) соединения с газогенератором.

4. Силовая установка (10) по любому из пп. 1–3, отличающаяся тем, что орган (22) соединения содержит вал (26), выполненный с возможностью соединения со свободной турбиной через кулачковую муфту (28).

5. Силовая установка (10) по любому из пп. 1–4, отличающаяся тем, что вращающаяся электрическая машина (16) представляет собой стартер-генератор, выполненный с возможностью производства движущей силы для приведения во вращение винта (14) и/или газотурбинного двигателя (12) и с возможностью производства электричества при помощи движущей силы, производимой газотурбинным двигателем (12).

6. Силовая установка (10) по п. 5, отличающаяся тем, что вращающаяся электрическая машина (16) связана с аккумулятором электрической энергии, при этом указанная вращающаяся электрическая машина (16) выполнена с возможностью отбора электричества или подачи электричества в указанный аккумулятор энергии.

7. Способ управления средствами (20) соединения силовой установки (10) по любому из пп. 1–6 в комбинации с п. 2, установленной на летательном аппарате, отличающийся тем, что средствами соединения управляют так, чтобы соединять орган (22) управления только с винтом (14) во время этапа руления летательного аппарата на взлетно-посадочной полосе и чтобы соединять орган (22) управления с винтом (14) и с газотурбинным двигателем (12) по меньшей мере во время этапа работы газотурбинного двигателя (12) на устойчивом режиме.

8. Способ управления по п. 7, отличающийся тем, что во время этапа запуска газотурбинного двигателя (12) после указанного этапа руления содержит:

- первую фазу, во время которой орган (22) соединения одновременно соединен с винтом (14) и с газогенератором, и во время которой орган (22) соединения отсоединен от свободной турбины;

- вторую фазу, во время которой орган (22) соединения соединен только с газогенератором, и во время которой орган (22) соединения отсоединен от винта (14) и от свободной турбины; и

- третью фазу, во время которой орган (22) соединения соединен одновременно с винтом (14) и со свободной турбиной.

9. Способ управления средствами (20) соединения силовой установки (10) по любому из пп. 1–6 в комбинации с п. 2, отличающийся тем, что во время этапа запуска газотурбинного двигателя (12) содержит:

- фазу, во время которой орган (22) соединения соединен с газогенератором, и во время которой орган (22) соединения отсоединен от винта (14) и от свободной турбины; и

- фазу, во время которой орган (22) соединения соединен одновременно с винтом (14) и со свободной турбиной, и во время которой орган соединения отсоединен от газогенератора.