Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩЕЙ, В ЧАСТНОСТИ, СОЕДИНЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ НАПРАВЛЯЮЩИХ ДОРОЖЕК

Настоящее изобретение относится к общей области управления оборудованием с изменяемой геометрией газотурбинного двигателя, в частности турбореактивного двигателя. В особенности, изобретение касается оптимизации управления несколькими типами оборудования, являющимися частями отдельных корпусов газотурбинного двигателя.

Под «оборудованием с изменяемой геометрией» в данном случае понимают оборудование, связанное с органом управления, и размер, форма, положение и/или скорость которого способны изменяться в зависимости от определенных событий или заданных параметров для воздействия на работу двигателя. Примерами оборудования с изменяемой геометрией являются воздушные разгрузочные задвижки компрессора (с изменяемым раскрытием), неподвижные лопатки компрессора с изменяемым углом установки, турбинные лопатки с изменяемым зазором в вершине, топливные насосы с изменяемым дебитом и т.д.

Термин «корпус» классически обозначает узел газотурбинного двигателя, включающий в качестве основных органов компрессор и турбину, объединенные на одной оси. Он может быть многокорпусным. Двухкорпусной двигатель содержит корпус, предназначенный для высокого давления, и корпус низкого давления. Каждый корпус содержит компрессор и турбину, лопатки которых приводятся во вращение вокруг оси вала, на котором они установлены.

Обычно, различные корпуса газотурбинного двигателя предназначены для работы независимо друг от друга. Их скорости вращения независимы, даже если они связаны или коррелируются в некоторых режимах работы.

Для управления типами оборудования с изменяемой геометрией, являющимися частями различных корпусов, для этих различных типов оборудования предусматривают различные системы управления: две управляющих системы, два привода, два источника мощности и т. д. Отсюда следует, что масса, стоимость и габаритные размеры такой системы управления оборудованием являются относительно большими. Такая конфигурация предложена в заявке на европейский патент Заявителя, опубликованной под номером ЕР 1 724 474.

Например, компрессор корпуса низкого давления может содержать одну или несколько воздушно-разгрузочных задвижек (часто обозначаемых как VBV, что является аббревиатурой их английского названия “Variable Bleed Valve”), тогда как компрессор корпуса высокого давления может содержать одну или несколько ступеней статорных лопаток с изменяемым углом установки (часто обозначаемых как VSV, что является аббревиатурой их английского названия “Variable Stator Vanes”). Для уменьшения массы этих типов оборудования и их органов управления представляется, что не нужно устанавливать VBV. Если достигаемая таким образом экономия является значительной (исключают приводы, сервоклапаны, трубопроводы, арматуру и т.д., которые с ним объединены), то и недостатки являются значительными, в частности, в режиме замедления, если вода или град проникают в двигатель, вызывая повышенный риск остановки последнего.

Заявка на патент FR 2 445 439 компании General Electric Company описывает единое средство управления воздушными разгрузочными задвижками ступени низкого давления и статорных ступеней с изменяемым углом установки ступени высокого давления, однако, это средство управления двумя типами оборудования, в основном, работает последовательно, только статорные лопатки приводятся в движение при нормальной работе турбомашины (то есть до режима замедления).

Изобретение предлагает газотурбинный двигатель с оборудованием с изменяемой геометрией, принадлежащим различным корпусам двигателя, и систему управления этими типами оборудования, которая является оптимизированной.

Таким образом, изобретение касается системы управления двумя типами оборудования с изменяемой геометрией газотурбинного двигателя, при этом двигатель содержит, по меньшей мере, первый корпус, вращающийся с первой скоростью, и второй корпус, вращающийся со второй скоростью, причем первый тип оборудования представляет собой ступень статорных лопаток с изменяемым углом установки компрессора первого корпуса, изменяющимся от закрытого положения при замедлении до открытого положения при большой мощности, а второй тип оборудования представляет собой, по меньшей мере, одну разгрузочную задвижку компрессора второго корпуса, изменяющую свое положение от открытого при замедлении до закрытого при большой мощности, отличающейся тем, что она содержит привод, приводящий в движение оба типа оборудования.

Используя единственный привод для управления несколькими (по меньшей мере, двумя) типами оборудования с изменяемой геометрией, система позволяет уменьшить количество деталей двигателя и, таким образом, достичь цели изобретения. Масса, объем и стоимость второй системы управления, по меньшей мере, в большей части исключены, так как типы оборудования первого и второго корпусов приводятся в движение одним и тем же двигателем.

В соответствии с вариантом осуществления система управления выполнена с возможностью управления более чем двумя типами оборудования с изменяемой геометрией с помощью одного единственного привода.

В соответствии с вариантом осуществления привод управляется скоростью вращения первого корпуса.

Таким образом, оборудование второго корпуса управляется скоростью вращения первого корпуса посредством привода.

В соответствии с особым вариантом осуществления первый корпус является корпусом низкого давления, а второй корпус - корпусом высокого давления.

В частности, в газотурбинном двигателе, содержащем компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, оборудование с изменяемой геометрией компрессора низкого давления управляется скоростью вращения компрессора высокого давления.

В соответствии с вариантом осуществления в случае газотурбинного двигателя с корпусом высокого давления и корпусом низкого давления типы оборудования с изменяемой геометрией корпуса высокого давления расположены вблизи корпуса низкого давления (например, вблизи входной стороны корпуса высокого давления).

В соответствии с особым вариантом осуществления, в этом случае газотурбинный двигатель является двухкорпусным, с корпусом высокого давления и корпусом низкого давления. Предпочтительно в этом случае одна или несколько ступеней статорных лопаток с изменяемым углом установки составляет(ют) часть корпуса высокого давления, при этом первый тип оборудования управляется системой управления, являющейся частью корпуса низкого давления.

В соответствии с особым вариантом осуществления, в этом случае лопаточная ступень содержит множество лопаток, каждая из которых установлена с возможностью поворота на кожухе двигателя, а также управляющее колесо, окружающее кожух и соединенное с каждой из лопаток ступени посредством рычагов, при этом привод выполнен с возможностью приводить во вращение управляющее колесо ступени посредством управляющего устройства, установленного на кожухе.

В соответствии с вариантом осуществления, оборудованием с изменяемой геометрией является воздушно-разгрузочная задвижка двигателя. Это оборудование может содержать одну задвижку или множество воздушно-разгрузочных задвижек. Речь идет, например, о воздушно-разгрузочной задвижке типа VBV на выходе компрессора низкого давления.

В этом особом случае, изобретение предоставляет следующие преимущества:

требуется только один единственный комплект приводов вместо двух, а также один комплект вспомогательного оборудования для трубопроводов, сервоклапанов, выходов на блок ручного управления или электродвигателя и т.д.

Сохраняется степень свободы в том, что касается преимуществ ускорителя без добавления полностью изменяемой геометрии.

Достигается также ремонтопригодность: действительно, исключение воздействия VBV устраняет риски неисправностей этой изменяемой геометрии.

Сохраняется способность удаления воды или града на режимах малой мощности. Отсюда следует лучшая стойкость к отключению камеры при замедлении по отношению к конструкции ускорителя без VBV.

Электрическая система упрощена. Исключен локальный контур следящей системы: устройство вывода вычислительной машины, арматура, обратный датчик положения (ТВС), уменьшены размеры вычислительной машины …).

Система управления по изобретению может быть также приспособлена для управления различными типами оборудования. Кроме представленного выше, оборудование с изменяемой геометрией может также содержать или формировать элемент одного или нескольких следующих устройств:

- воздушно-разгрузочную задвижку компрессора высокого давления с пропорциональным раскрытием (часто обозначаемую английским выражением “Transient Bleed Valve” (аббревиатура TBV) или “Start Bleed Valve” (аббревиатура SBV));

- воздушно-разгрузочную задвижку компрессора высокого давления с двумя крайними положениями (часто обозначаемую английским выражением “Handing Bleed Valve” (аббревиатура HBV));

- вентиль регулирования расхода воздуха, участвующего в контроле зазора в турбине низкого давления (часто обозначаемый английским выражением “Low Pressure Turbine Active Clearance Control” (аббревиатура LPTACC)), или в турбине высокого давления (часто обозначаемый английским выражением “High Pressure Turbine Active Clearance Control” (аббревиатура НРТАСС)).

В соответствии с вариантом осуществления в системе управления привод содержит подвижный управляющий орган, перемещения которого передают команду на оборудование с изменяемой геометрией. Управляющий орган может, например, содержать шток силового цилиндра.

В соответствии с вариантом осуществления, привод предназначен для приведения в движение первого типа оборудования с изменяемой геометрией путем изменения параметра в диапазоне приведения в движение первого оборудования, при этом привод предназначен для обеспечения движения второго оборудования с изменяемой геометрией путем изменения того же параметра в диапазоне приведения в движение второго оборудования.

Упомянутым выше параметром привода может являться положение рабочего органа привода. Таким образом, этим параметром может являться положение конца штока силового цилиндра. Таким образом, в этом случае изменение параметра означает перемещение конца штока силового цилиндра или положение действующего конца привода.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления система управления содержит диск, поворачивающийся вокруг оси, связанный с упомянутыми типами оборудования с помощью средств механической передачи, содержащих стержень, перемещающийся по направляющей дорожке, при этом профиль дорожек определяет законы приведения в движение двух типов оборудования, когда диск приводится во вращение вокруг своей оси с помощью привода.

Точнее говоря, средства механической передачи содержат тяги приведения в движение упомянутых типов оборудования, при этом направляющие дорожки выполнены на поворотном диске и стержни жестко соединены с тягами приведения в движение упомянутых типов оборудования. Тяги приведения в движение упомянутых типов оборудования выполнены с возможностью поступательного перемещения в соответствии с другой характеристикой.

В случае совместного управления VSV и VBV поворотный диск установлен на кожухе компрессора первого корпуса.

Приводом может являться электрический двигатель, гидравлический двигатель или пневматический двигатель.

Когда параметр работы изменяется в интервале, размещенном вне диапазона приведения в движение оборудования, последнее не приводится в движение приводом. Такой интервал значений параметра привода, в котором не осуществляется никакого движения, прикладываемого к рассматриваемому оборудованию, образует для упомянутого оборудования «мертвый ход». В таком диапазоне, каковыми бы ни являлись изменения параметра, двигатель не воздействует (или воздействует незначительно) на рассматриваемое оборудование.

В соответствии с особым вариантом осуществления, по меньшей мере, одна часть диапазона приведения в движение первого оборудования находится вне диапазона приведения в движение второго оборудования.

Управление с помощью единого привода двумя типами оборудования с изменяемой геометрией может быть облегчено тем, что диапазон приведения в движение двух типов оборудования полностью не совпадают, позволяя вне общей зоны приводить в движение только один тип оборудования.

В соответствии с другим особым вариантом осуществления диапазоны приведения в движение первого и второго типов оборудования разнесены, то есть диапазон приведения в движение первого оборудования находится полностью вне диапазона приведения в движение второго оборудования (диапазоны не совпадают).

Таким образом, оборудование может приводиться в движение последовательно. Действительно, когда изменяют параметр привода в диапазоне приведения в движение первого оборудования, эти изменения, по существу, не вызывают никакого движения, никакого влияния на второе оборудование, и наоборот.

В соответствии с особым вариантом осуществления диапазон приведения в движение одного из первого или второго типов оборудования полностью входит в диапазон работы другого типа оборудования.

В этом случае оборудование приводится в движение одновременно в их общей зоне, что может давать преимущества в соответствии со свойствами типов оборудования. Такой вариант осуществления позволяет предусмотреть более значительную величину приведения в движение.

В соответствии с особым вариантом осуществления в этом случае диапазон приведения в движение одного из типов оборудования имеет величину, значительно меньшую общей величины диапазона приведения в движение другого типа оборудования; например, он может составлять менее 20% или менее 10% этого диапазона. Отсюда следует, что когда диапазон оборудования при уменьшенном диапазоне приведения в движение входит в диапазон другого оборудования, управляющие воздействия оборудования приводят только к слабому и/или малозначительному изменению управления другим типом оборудования. Такое размещение с единой системой управления облегчает управление двумя типами оборудования.

Система управления, предпочтительно, предназначена для того, чтобы изменения параметра привода между границами его диапазона работы были достаточны для приведения в движение оборудования с достаточной величиной.

В соответствии с вариантом осуществления соединение между приводом и одним из типов оборудования содержит расцепляющее устройство, способное прекратить приведение в движение этого оборудования посредством привода в диапазоне величин параметра воздействия. Этот диапазон величин находится вне диапазона приведения в движение рассматриваемого оборудования. Таким образом, расцепляющее устройство позволяет сохранить интервал диапазона работы по одной команде другого (или других) типов оборудования. Это может являться определяющим, когда рассматриваемое оборудование не должно быть задействовано даже тогда, когда команда одного из других типов оборудования изменяется.

В соответствии с вариантом осуществления система управления содержит, кроме того, средства возврата, удерживающие орган управления одним из типов оборудования в заранее заданном положении, по меньшей мере, когда параметр привода изменяется в интервале, расположенном вне диапазона приведения в движение оборудования.

Изобретение касается также газотурбинного двигателя, снабженного представленной выше системой управления.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 изображает в осевом разрезе часть турбореактивного двигателя из известного уровня техники, содержащего разгрузочные задвижки VBV и статорные лопатки с изменяемым углом установки;

- фиг.2 изображает вид в перспективе системы управления VSV в соответствии с известным уровнем техники;

- фиг.3 схематично изображает вид сверху устройства управления положением двух типов оборудования;

- фиг.4 и 5 представляют кривые, иллюстрирующие положение статорных лопаток и разгрузочных задвижек в зависимости от режима двигателя в случае перекрытия и в случае отсутствия перекрытия диапазонов открывания и закрывания двух типов оборудования.

Известным образом, как изображено на фиг.1 и 2, газотурбинный двигатель, используемый в области авиации, например, турбореактивный двигатель, содержит в данном случае по оси Х-Х расположенные от входа к выходу вентилятор, компрессор 2 низкого давления, компрессор 4 высокого давления, камеру сгорания, турбину высокого давления, турбину низкого давления и сопло для выброса газов (не изображенные на чертеже). Компрессор и турбина высокого давления жестко установлены на одном и том же валу, так называемого высокого давления, и относятся, таким образом, к корпусу высокого давления двигателя или первому корпусу, вращающемуся при первой скорости, тогда как компрессор и турбина низкого давления жестко установлены на одном и том же валу, так называемого низкого давления, и относятся, таким образом, к корпусу низкого давления двигателя или второму корпусу, вращающемуся при второй скорости.

Ниже будут использованы аббревиатуры ВР для низкого давления и НР для высокого давления.

Компрессор НР 4 содержит, по меньшей мере, одну ступень, образованную колесом подвижных лопаток и колесом неподвижных лопаток (также называемыми статорными лопатками). Каждая ступень образована множеством лопаток, расположенных радиально вокруг оси Х-Х газотурбинного двигателя. В данном случае компрессор НР содержит несколько степеней 10, 10' и т.д., расположенных попеременно колес с подвижными лопатками и колес с неподвижными лопатками. Лопатки закрыты цилиндрическим кожухом 12, который расположен по центру на оси Х-Х двигателя.

Среди колес с неподвижными лопатками, по меньшей мере, одна ступень 10 содержит лопатки 14 с изменяемым углом установки. Каждая лопатка 14 установлена с возможностью поворота на оси 16 (или опоре), которая проходит сквозь кожух 12. Угловое положение каждой лопатки 14 может регулироваться путем приведения во вращение ее опоры 16.

Ступень 10 лопаток с изменяемым углом установки образует первый тип оборудования с изменяемой геометрией, относящийся к корпусу НР (так как он принадлежит компрессору НР). Изменяемым параметром этого оборудования является угол лопаток 14; в данном случае все лопатки 14 приводятся во вращение одновременно благодаря управляющему колесу 22 ступени 10 лопаток 14.

Управляющее колесо 22 имеет общую кольцевую форму; оно окружает кожух 12 и расположено по центру на оси Х-Х двигателя. Одновременное изменение углового положения лопаток 14 обеспечивается известным образом поворотом управляющего колеса 22 вокруг оси Х-Х двигателя.

На фиг.2 изображен механизм одновременного управления двумя ступенями статорных лопаток 10 и 10' из известного уровня техники.

Система управления предназначена для приведения во вращение колес 22 и 22', управляющих ступенями 10 и 10' лопаток с изменяемым углом установки.

Система управления содержит привод 24, в данном случае силовой цилиндр, который механически связан со ступенью 10 для приведения во вращение статорных лопаток.

Для этого каждая опора 16, 16' лопаток 14, 14' с изменяемым углом установки соединена с концом управляющего шатуна 18, 18', другой конец которого установлен с возможностью шарнирного поворота вокруг пальца 20, 20', закрепленного неподвижно на управляющем колесе 22, 22' и проходящего радиально относительно него.

Колесо содержит, по меньшей мере, одну втулку 27, 27', с которой жестко соединен управляющий шатун 32, 32', типа винтовой стяжной муфты, размещенной, по существу, по касательной к колесу 22, 22'. Другой конец управляющего шатуна 32 жестко соединен с коленом 26, 26', установленным с возможностью поворота на корпусе 28 кожуха 12 компрессора. Управляемое колено 26 выполнено Т-образной формы. Управляющий шатун 32 закреплен на конце первой ветви 34 управляемого колена 26, а конец штока силового цилиндра 24 шарнирно закреплен на конце второй ветви 42, которая расположена, по существу, в продолжение первой ветви 34.

Отслеживающее колено 26' выполнено L-образной формы с ветвью 36, связанную с шатуном 32', и ветвью 40, связанной тягой синхронизации с третьей ветвью 38 Т-образного колена. Привод (силовой цилиндр) 24 может приводить во вращение управляющее колесо 22 ступени 10 с изменяемым углом установки с помощью управляющего колена 26, которое передает движение силового цилиндра 24 на управляющий шатун 32, который сам передает движение колесу 22, с которым он соединен при перемещении (криволинейном).

Привод приводит во вращение управляющее колесо 22' с помощью тяги синхронизации 30.

Силовой цилиндр 24 управляется блоком электронного управления. Его движения являются функцией скорости N2 вращения компрессора НР.

Двигатель, как изображено на фиг.1, содержит второе оборудование 110 с изменяемой геометрией. Речь идет, в данном случае, о воздушно-разгрузочной задвижке типа VBV. Изменяемым параметром этого оборудования 110 является угол раскрытия разгрузочной задвижки 110. Это оборудование 110 размещено на выходе компрессора ВР. Функцией задвижки VBV 110 является снятие воздушной нагрузки на выходе компрессора в зависимости от заданных условий работы. Второй тип 110 оборудования обычно содержит несколько таких задвижек.

В соответствии с известным уровнем техники оборудование 110 управляется собственной системой управления. На фиг.1 изображен привод А, который воздействует на задвижку посредством Т-образного рычага.

В соответствии с изобретением предложена система одновременного управления двумя типами оборудования. Так, привод 24, который управляет лопатками VSV, управляет также перемещением органа 115 управления вторым типом 110 оборудования с помощью специального устройства.

Фиг. 3 схематично представляет систему управления в соответствии с вариантом осуществления, где изображен привод 24, который одновременно воздействует на первый тип оборудования, образованный парой 10 и 10' ступеней лопаток с изменяемым углом установки VSV, и на второй тип оборудования 110, образованный одной или несколькими разгрузочными задвижками VBV.

Управляющие лопатками колеса 10 и 10' поворачиваются каждое вокруг оси ХХ двигателя с помощью поворотного рычага, соответственно 142 и 142'. Соединение между управляющими колесами 22 и 22' и рычагами 142 и 142' не изображено.

Разгрузочная задвижка 110 приводится в движение поворотным рычагом 115.

Три рычага 142, 142' и 115 управляются каждый тягой, а именно 141 и 141' для рычагов 142 и 142' и 111 для рычага 115.

Тяги выполнены с возможностью поступательного движения внутри направляющих, жестко соединенных с кожухом 12. Тяга 111 является подвижной вдоль своей оси по направляющей 12С. Тяги 141 и 141' также являются аксиально подвижными в их соответствующих направляющих 12А и 12В. Поступательное перемещение тяг передается рычагам посредством связей, в которых стержни 141Р2, 141'Р2 и 111Р2, жестко соединенные с тягами, свободно скользят в прорезях 142F, 142'F и 115F рычага, которым они управляют. Прорезь позволяет поглотить изменения длины плеча рычага, когда рычаги поворачиваются вокруг центра их вращения.

На своем другом конце каждая из тяг 141, 141' и 111 содержит другие стержни, перпендикулярные относительно их оси, 141Р1, 141'Р1 и 111Р1, которые могут скользить в направляющих дорожках 100А, 100В и 100С, выполненных в диске 100. Диск 100 установлен с возможностью поворота вокруг оси 100D, жестко закрепленной в кожухе 12. Ось 100D перпендикулярна плоскости, образованной тремя тягами.

Таким образом, поворотный диск 100 связан с упомянутыми типами оборудования 10, 10', 110 с помощью механических передающих средств, содержащих стержни 111Р1, 141Р1, 141'Р1, проходящие в направляющих дорожках 100А, 100В, 100С. Профили направляющих дорожек определяют законы приведения в движение типов оборудования, когда диск 100 приводится во вращение вокруг своей оси 100D приводом 24.

Соединение между стержнями и их соответствующими дорожками оптимизировано, чтобы уменьшить механические потери. Стержни могут быть выполнены в виде шариковой втулки, чтобы стержень перемещался в дорожке без трения, при этом прорези, выполненные в диске, имеют ширину стержней.

Предпочтительно управляющие плечи двух ступеней 10 и 10' статорных лопаток установлены в продолжение друг друга для уменьшения усилий на ось 100D вращения диска 100. Таким образом, уменьшаются трение на оси 100А и мощность, необходимая для приведения в движение тяг. Устройство не ограничивается управлением двух плеч для ступеней статорных лопаток с изменяемым углом установки. Можно легко приспособить устройство для большего количества.

Диск 100 приводится в движение вокруг своей оси 100D приводом 24. Привод связан с диском тягой 241 и плечом 242, связанным с центром диска. Перемещение тяги привода вдоль своей оси вызывает поворот диска плечом 242. Вследствие того, что тяга 241 привода 24 выдвигается или втягивается, диск поворачивается по ходу или против хода часовых стрелок.

Таким образом, когда диск 100 поворачивается вокруг своей оси, поворотное движение диска преобразуется в поступательное перемещение тяг в зависимости от положения стержней внутри соответствующей дорожки. Каждому угловому положению диска соответствует точное положение стержней внутри их соответствующей дорожки. Положение стержней определяет угловое положение рычагов, с которыми соединены соответствующие тяги.

Угловое положение каждого из рычагов при повороте диска вокруг своей оси 100D определяется формой дорожек, выполненных в диске.

Другими словами, закон поворота рычагов, когда диск поворачивается вокруг своей оси, определяется траекторией стержней на диске. Эта траектория задается профилем дорожек.

Решение по изобретению позволяет, таким образом, определить положение открывания и закрывания статорных лопаток и воздушно-разгрузочных задвижек для каждого углового положения диска.

На фиг.4 и 5 проиллюстрированы законы относительного открывания лопаток с изменяемым углом установки (обозначенных VSV) и разгрузочных задвижек (обозначенных VBV) в зависимости от скорости вращения N2 корпуса НР. При нулевой скорости N2 разгрузочные задвижки открыты, а лопатки с изменяемым углом установки находятся в положении, называемом закрытым. Когда скорость увеличивается, разгрузочные задвижки постепенно закрываются, тогда как лопатки открываются. В версии V1, представленной на фиг.4, когда скорость увеличивается, открывание лопаток с изменяемым углом установки VSV начинается одновременно с закрыванием разгрузочных задвижек VBV, но заканчивается позже, тогда как в версии V2, представленной на фиг.5, открывание лопаток начинается только после закрывания разгрузочных задвижек. Выбор версии и точного момента начала закрывания разгрузочных задвижек задаются изменением формы дорожек.

Хотя изобретение было описано в соответствии с вариантом частного осуществления, очевидно, что оно этим совершенно не ограничивается и, что оно включает все технические эквиваленты описанных средств, а также их комбинаций, если последние вписываются в рамки изобретения.