Привід допоміжного устаткування

Цей винахід відноситься до засобів підвищення надійності функціонування допоміжного устаткування з приводом від електродвигунів газотурбінного двигуна, зокрема, літального апарату. Оптимальне співвідношення між тяговою силою і вагою завжди є головною задачею фахівців по двигунах при розробці військових реактивних літальних апаратів. Підвищення ступеня стиснення, температур на вході турбіни і ккд ведуть до постійного зменшення габаритів двигунів. В традиційних відомих рішеннях трансмісія для відбору потужності необхідна для приводу допоміжного устаткування системи реактивного двигуна, такого як паливний насос, змащувальний насос і електрогенератор, містить радіальний вал, який приводиться в обертання за допомогою передачі між валами з пересічними осями від валу компресора і, у свою чергу, приводить в рух допоміжне устаткування, розташоване в окремому додатковому корпусі збоку від двигуна. Ця трансмісія відбору потужності і додатковий корпус насилу піддаються модифікації при вдосконаленні двигунів і складають значну частину загальної маси двигунів саме у разі малих двигунів, особливо, оскільки даний корпус несе пусковий пристрій або пускач і генератор змінного струму. Окрім того, наявність додаткового корпусу збільшує лобову поверхню двигуна. В той же час користувачі малих двигунів на тренувальних літаках, а також на апаратах-розвідниках і крилатих ракетах пред'являють до фахівців по двигунам пріоритетну вимогу скритності, а, отже, зменшення їх лобової поверхні. Зниження маси і лобової поверхні двигунів може бути здійснено шляхом об'єднання функцій генератора і пускача в реактивному двигуні і шляхом використовування як привід допоміжного устаткування електродвигунів з живленням від генератора. В цьому випадку механічна трансмісія відбору потужності і додатковий корпус можуть бути зменшені аж до повного усунення. Використовування електродвигунів в приводах допоміжного устаткування такого як паливні насоси, змащувальні насоси і гідравлічні насоси, дає перевагу в полегшенні управління цим устаткуванням і дозволяє розмістити їх в будь-якому місці усередині крил або в пілоні підвіски двигуна, тобто в тих місцях, які полегшують доступ до них і їх розміщення і в той же час знижують їх уразливість у разі несприятливих обставин. В даному випадку єдиним засобом зв'язку між двигуном і допоміжним устаткуванням стає електрична передача. Вона є електричним ланцюгом, який передає енергію від допоміжної силової установки на пускач і на електродвигун приводу паливного насоса під час фази пуску реактивного двигуна. Потім, як тільки реактивний двигун зможе працювати в автономному режимі, генератор-пускач забезпечує електроенергією електродвигуни приводу допоміжного устаткування, зокрема, електродвигун приводу паливного насоса. Проте, не дивлячись на велику гнучкість сучасних електричних систем, під час польоту завжди існує ризик збоїв або в електрогенераторі, або в електродвигуні приводу паливного насоса. Це веде до зупинки двигуна і до можливої втрати двигуна або літального апарату, якщо він одномоторний. Задача, на рішення якої направлений цей винахід, полягає в усуненні цієї серйозної проблеми за рахунок того, що з електродвигуном приводу допоміжного устаткування пов'язана підтримуюча система, яка може одна сама по собі забезпечувати функціонування допоміжного устаткування після закінчення фази запуску газотурбінного двигуна у разі збою подачі електроживлення на електродвигун або у разі відмови цього електродвигуна. Таким чином, винахід відноситься до приводу паливного насоса або змащувального насоса в газотурбінному двигуні, що містить електродвигун, забезпечений статором і ротором. Згідно винаходу цей привід характеризується тим, що додатково містить повітряну турбіну, забезпечену корпусом і блоком, що обертається. Дана повітряна турбіна виконана з можливістю живлення повітряним потоком, відбираним в компресорі вказаного газотурбінного двигуна, для участі в приведенні в дію допоміжного устаткування. Переважно повітряна турбіна розташована співісно вказаному електродвигуну. Бажано, щоб статор електродвигуна був вбудований в корпус вказаної повітряної турбіни, а ротор електродвигуна вбудований в блок, що обертається. Під терміном «вбудований» мається на увазі, що корпус несе статор електродвигуна, а ротор встановлений на блоці, що обертається, співісний осі обертання повітряної турбіни, без використовування спеціальних підшипників електродвигуна, що додає приводу компактність і легкість. Згідно іншої особливості винаходу привід додатково містить клапан регулювання витрати повітря, відбираного від компресора. Цей клапан знаходиться в закритому положенні під час фази запуску газотурбінного двигуна і у відкритому положенні після завершення запуску. Дане рішення забезпечує живлення повітрям повітряної турбіни у фазах польоту обладнаного нею апарату, що дозволяє, щонайменше, частково розвантажити електродвигун і тим самим зменшити розмір і енергоспоживання цього електродвигуна. Заощаджена при цьому електроенергія може використовуватися на інші потреби. В оптимальному варіанті здійснення винаходу привід виконаний з можливістю відбору повітря від компресора з достатньою витратою, для того, щоб забезпечувати функціонування насоса з приводом тільки від однієї повітряної турбіни у разі відсутності електроживлення або відмови вказаного електродвигуна і для продовження польоту. Ротор електродвигуна встановлений на стінці блоку, що обертається, а статор встановлений на стінці корпусу. Блок, що переважно обертається, містить вал, який механічно приєднаний до допоміжного устаткування і підтримується підшипниками, розміщеними між валом і корпусом. Згідно першому прикладу виконання винаходу повітряна турбіна є турбіною осьодоцентрового типу, а блок, що обертається, містить на вільному кінці валу колесо, на периферії якого встановлені лопатки осьодоцентрового профілю. Згідно першому варіанту першого прикладу виконання прохід для повітряного потоку уздовж лопаток обмежений зовні стінкою, яка жорстко сполучена з краями лопаток і продовжена в осьовому напрямі по ходу повітряного потоку циліндровою втулкою, навкруги якої встановлений ротор електродвигуна. Згідно другому варіанту першого прикладу виконання колесо забезпечено по радіальному зовнішньому краю лопаток циліндричною втулкою, яка орієнтована по осі в напрямі, протилежному напряму повітряного потоку, і розташована в циліндричній порожнині, виконаній в корпусі навколо підшипників. При цьому ротор електродвигуна встановлений всередині даної втулки. Згідно другому прикладу виконання винаходу повітряна турбіна є турбіною осьового типу і містить, щонайменше, один вінець нерухомих лопаток, які орієнтовані радіально всередину від корпусу, і вінець рухомих (робочих) лопаток, які орієнтовані радіально назовні від барабана, жорстко сполученого з валом. Ротор електродвигуна при цьому встановлений усередині барабана, а статор встановлений навкруги циліндрової втулки, пов'язаної з корпусом конструктивними зв'язками. Згідно третьому прикладу виконання винаходу повітряна турбіна є турбіною осьового типу і містить вінець розподільних лопаток і вінець рухомих лопаток, розташованих на периферії колеса. Колесо орієнтовано радіально назовні від середньої зони валу, і кожний його кінець підтримується підшипником. Проточна частина для повітряного потоку обмежена позаду вінця рухомих лопаток двома обичайками, створюючими опорну конструкцію для одного з підшипників, а ротор електродвигуна встановлений на одній стороні колеса. Повітряний зазор електродвигуна розташований в радіальній площині. Згідно ще одному переважному варіанту виконання передбачений другий електродвигун, ротор якого встановлено на другій стороні колеса. Приклади здійснення цього винаходу, його додаткові особливості і переваги будуть докладніше описані нижче з посиланнями на прикладені креслення, на яких: Фіг.1 зображає на вигляді збоку відомий газотурбінний двигун, що містить додатковий корпус для допоміжного устаткування, що приводиться через сполучний вал, Фіг.2 зображає на вигляді збоку інший відомий газотурбінний двигун, що містить додатковий корпус для допоміжного устаткування, що приводиться через сполучний вал, Фіг.3 зображає на вигляді спереду газотурбінний двигун по Фіг.2, Фіг.4А зображає принципову схему газотурбінного двигуна «повністю електрифікованого типу», що містить привід паливного насоса в відповідності з винаходом, Фіг.4В, подібна Фіг.4А, зображає варіант виконання приводу по винаходу, Фіг.5 зображає привід по винаходу в першому прикладі виконання, Фіг.6 зображає варіант першого прикладу виконання приводу, Фіг.7 ілюструє другий приклад виконання приводу по винаходу, Фіг.8 ілюструє третій приклад виконання приводу по винаходу, Фіг.9 подібна Фіг.6 і зображає редуктор, розташований між валом приводу і валом паливного насоса. На Фіг.1-3 зображений відомий газотурбінний двигун 1 з віссюX, що містить додатковий корпус 3 для допоміжного устаткування, розташований під корпусом 4 газотурбінного двигуна 1. Розміщені в додатковому корпусі 3 елементи допоміжного устаткування приводяться за допомогою радіального сполучного валу 5 і передачі між валами з пересічними осями. Сполучний вал 5 приводиться в обертання розташованим уздовж осі X валом, який зв'язує турбіну газотурбінного двигуна 1 з компресором. Основними елементами допоміжного устаткування, розміщеними в додатковому корпусі 3, є генератор струму, паливний насос, змащувальний насос, гідравлічні насоси і електричний або пневматичний пускач. Всі ці елементи приводяться в дію механічним шляхом за допомогою відповідних кінематичних ланцюгів. Таким чином, як показано на Фіг.2 і 3. додатковий корпус 3 має значний об'єм і істотно збільшує лобову поверхню газотурбінного двигуна 1, особливо, якщо це однокорпусний газотурбінний двигун малої потужності. Маса додаткового корпусу і допоміжного устаткування може досягати в двигунах малої потужності 20% загальної маси газотурбінного двигуна 1. Для зменшення маси і лобової поверхні такого газотурбінного двигуна доцільно використовувати привід елементів допоміжного устаткування на базі електродвигунів, живлених струмом від з'єднаного генераторапускача газотурбінного двигуна 1, розташованого на осі X, ротор якого жорстко сполучений з ротором газотурбінного двигуна 1. В цьому випадку елементи допоміжного устаткування можна розмістити в будьякому місці усередині крил або в пілоні підвіски газотурбінного двигуна 1, а використовування електродвигуна дає переваги в спрощенні управління допоміжним устаткуванням. При цьому можуть бути усунені додатковий корпус 3 і сполучний вал 5. Головна незручність приводу допоміжного устаткування на основі електродвигуна полягає в тому, що у разі виходу з ладу цього електродвигуна або у разі неполадок в ланцюзі живлення цього двигуна порушується робота допоміжного устаткування. Якщо допоміжне устаткування представляє собою паливний насос, припиняється подача палива в камеру згоряння, що приводить до припинення її функціонування. Задачею винаходу, як згадувалося вище, є створення приводу допоміжного устаткування, і особливо паливного насоса, який забезпечує функціонування допоміжного устаткування у разі несправності електродвигуна або відмов в його живленні електрикою. На Фіг.4А і 4В схемно показаний «повністю електрифікований» газотурбінний двигун 10 з віссю X. Він містить камеру згоряння 11, в яку подаються повітря (від компресора 12) і паливо (від паливного насоса 13). Гарячі гази, що виходять з камери згоряння 11, приводять в обертання турбіну 14, пов'язану з компресором 12 валом 15. Газотурбінний двигун 10 оснащений також інтегрованим пускачем-генератором 16 з віссю X, розташованим на рівні холодних зон компресора 12. Паливний бак 17 пов'язаний з насосом 13 трубопроводом 18. Паливний насос 13 приводиться в дію приводом 20, який містить електродвигун 21 і повітряну турбіну 22, переважно співісну з електродвигуном 21. Вхідний патрубок 23 турбіни пов'язаний з компресором 12 за допомогою трубопроводу 24 відбору повітря, в який вбудований двоходовий клапан 25 регулювання витрати. Клапан управляється пристроєм цифрового управління Fadec (Full Authority Digital Engine Control) газотурбінного двигуна 10, не представленим на кресленні. Привід 20 працює таким чином. У фазі запуску газотурбінного двигуна 10 клапан 25 регулювання витрати знаходиться в закритому положенні. Пускач-генератор 16 працює в режимі пускача і живлеться струмом від допоміжної силової установки, не показаної на кресленні. Електродвигун 21 під час фази запуску також живлеться струмом від допоміжної силової установки. Ротор газотурбінного двигуна 10 починає обертатися в режимі запуску, і камера згоряння 11 живлеться повітрям від компресора 12. Паливо вприскується в камеру згоряння 11 паливним насосом 13, який приводиться в дію електродвигуном 21 під управлінням пристрою Fadec. Після завершення запуску пускач-генератор 16 переводиться в режим генератора струму. Як тільки досягнутий режим малого газу, генератор 16 подає достатньо електричної енергії для живлення електродвигуна 21 приводу паливного насоса 13 і електродвигунів приводу іншого допоміжного устаткування, так що газотурбінний двигун 10 працює в автономному режимі без допомоги допоміжної силової установки. Клапан 25 регулювання витрати, призначений для регулювання витрати повітря, відбираного від компресора 12, і керований пристроєм Fadec переводиться у відкрите положення, і повітряна турбіна 22 забезпечує механічну енергію для роботи паливного насоса 13 у всьому діапазоні польоту. Повітряна турбіна 22 спроектована таким чином, що у разі неполадок в електричній системі генератора 16 або в електродвигуні 21 вона одна може давати достатню аварійну потужність для роботи паливного насоса 13. Це повинне дозволити літаку або іншому літальному апарату, обладнаному газотурбінним двигуном 10, продовжити політ або повернутися на базу, хоча б на низькій швидкості. Фіг.5-9 ілюструють приклади електропневматичного виконання приводу 20 шестерінчастого насоса 13. Згідно першому прикладу виконання по Фіг.5 і 6 повітряна турбіна 22 є турбіною осьодоцентрового типу. Вона містить вал 30 з віссю Y, на одному кінці якого є шліцьове розточування 31 для з'єднання з привідним валом 32 однієї із зубчатих шестерень 33 шестерінчастого насоса 13. Вал 30 встановлений в двох підшипниках 33а і 33b в розточуванні 34 корпусу 35 повітряної турбіни 22. На іншому кінці валу 30, протилежному шестерінчастому насосу 13, виконано колесо 36 аеродинамічного профілю. На периферії колеса 36 виконані лопатки 37 осьодоцентрового профілю, що відходять радіально назовні. Зовнішні (в радіальному напрямі) вхідні кромки 38 лопаток 37 розділяють потік повітря, що поступає від вхідного патрубка 23, на повітряні струмені, які течуть між лопатками 37 і виходять паралельно осі Υ на виході лопаток. Згідно першому варіанту першого прикладу виконання по Фіг.5 прохід для повітряних струменів (повітряного потоку) уздовж лопаток 37 обмежений із зовнішньої сторони стінкою 40, яка жорстко сполучена з лопатками і має аеродинамічний профіль. Ця стінка 40 продовжена в осьовому напрямі по ходу повітряного потоку циліндричною втулкою 41 з віссю Υ. На втулці 41 встановлений ротор 42 електродвигуна 21, а статор 43 цього електродвигуна встановлений в розточуванні 44, виконаному в корпусі 35 напроти циліндричної втулки 41. Електродвигун 21 не містить ніяких спеціальних підшипникових опор. В цьому варіанті виконання вал 30 і колесо 36 виконані, як одне ціле. Згідно другому варіанту першого прикладу здійснення винаходу по Фіг.6 кінець валу 30, видалений від шестерінчастого насоса 13, посаджений в розточуванні лопатного колеса 36. Це колесо 36 забезпечено по радіальному зовнішньому краю лопаток 37 циліндричною втулкою 41, яка має вісь Υ. Втулка 41 проходить по осі в напрямі, протилежному напряму повітряного потоку на виході лопаток 37 і продовжує вхідні кромки 38 лопаток 37. Циліндрична втулка 41 розташована в циліндричній порожнині 45, яка виконана в корпусі 35 навколо опори 46 підшипників 33а і 33b і відкрита в осьовому напрямі з боку колеса 36. Ротор 42 електродвигуна 21 встановлений усередині циліндричної втулки 41 і оточує статор 43, який встановлений в циліндричній порожнині 45 навкруги опори 46 підшипників 33а і 33b. В прикладах виконання по Фіг.5 і 6 між підшипниками 33а і 33b розташована розпірна втулка 47. Ці підшипники 33а і 33b утримуються на валу 30 відомим чином, за допомогою заплечиків і пружинних кілець, взаємодіючих з канавками. Фіг.7 зображає привід 20 шестерінчастого насоса 13 в другому прикладі виконання. Тут повітряна турбіна 22 виконана у вигляді осьової турбіни і містить барабан 50, виконаний на вільному кінці валу 30, встановленого в підшипниках 33 а, 33b в розточуванні 34 корпуси 35 повітряної турбіни 22. Вал 30 також містить шліцьове розточування 31 для з'єднання з привідним валом 32 однієї із зубчатих шестерень 33 шестерінчастого насоса 13. Барабан 50 забезпечений на своїй периферії двома вінцями робочих лопаток 51, 52, орієнтованих радіально назовні. Частина корпусу 35, оточуюча барабан 50, забезпечена першим вінцем нерухомих, або направляючих лопаток 53, розташованих між вхідним патрубком 23 і вінцем рухомих лопаток 51, і другим вінцем нерухомих лопаток 54, які орієнтовані радіально всередину і розташовані між вінцем рухомих лопаток 51 і вінцем рухомих лопаток 52. Ця частина корпусу містить також декілька конструктивних зв'язків 55, які орієнтовані радіально всередину і розташовані позаду другого вінця рухомих лопаток 52, сполучаючи зовнішній корпус 35 з внутрішньою конструкцією 57, від якої усередині барабана 50 відходить в осьовому напрямі циліндрична втулка 56. Статор 43 електродвигуни 21 встановлений зовні на циліндричній втулці 56, а його ротор 42 встановлений в внутрішній проточці барабана 50. Фіг.9 зображає привід 20, аналогічний описаному вище. Єдина відмінність полягає в тому, що вал 30 повітряної турбіни виконаний суцільним і має на своїй периферії зубчатий вінець 64, який зачіпляється з шестернею 65, жорстко сполученою з привідним валом 32 однієї з шестерень 33 шестерінчастого насоса 13. Зубчатий вінець 64 і шестерня 65 грають роль редуктора швидкості. Фіг.8 ілюструє привід 20 в третьому прикладі виконання. Повітряна турбіна 22 є турбіною осьового одноступінчатого типу і містить вінець нерухомих направляючих лопаток 53, розташованих на виході вхідного патрубка 23 по напряму руху повітряного потоку в повітряній турбіні 22. Вінець робочих лопаток 51 розташований за вінцем направляючих лопаток 53. Робочі лопатки 51 орієнтовані радіально назовні від периферії суцільного колеса 60, що відходить радіально назовні від середньої зони валу 30, підтримуваного на кінцях підпшпниками 33а, 33b. Ближній до вхідного патрубка 23 кінець валу 30 містить шліцьове розточування 31 для з'єднання з привідним валом 32 зубчатої шестерні 33 шестерінчастого насоса 13. Проточна частина для повітряного потоку обмежена позаду вінця робочих лопаток 51 двома обичайками 61, 62, створюючими опорну конструкцію для підшипника 33 а. В зовнішній обичайці 62 виконаний вихідний повітряний патрубок 63. В кожній радіальній поверхні колеса 60 виконано кільцеве гніздо, в якому встановлений ротор 42 електродвигуна з радіальним повітряним зазором. Статор 43 цього двигуна встановлений в розточуванні корпусу або обичайки 61. Таким чином, привід 20 відповідно до третього прикладу виконання містить два електродвигуни, розташовані по обидві сторони від центральної радіальної площини колеса 60. В трьох описаних прикладах виконання електродвигун 21 вбудований всередину повітряної турбіни 22 і не містить спеціальних підшипників між ротором 42 і статором 43. Підшипники 33а і 33b виконують функцію центрування елемента повітряної турбіни, що обертається, 22 щодо корпусу 35 і, тим самим, функцію центрування ротора 42 щодо статора 43. За рахунок цього привід 20 шестерінчастого насоса 13 є компактним, надійним і легким. Електродвигун приводу є двигуном відомого типу, без щітки колектора, асинхронний, з постійними магнітами або, альтернативно, з регульованим магнітним опором. Слід зазначити, що шестерінчастий насос 13 може бути скомпонований з приводом 20 в закінчений модуль, готовий до установки і легкий для заміни.