Результат интеллектуальной деятельности: Способ управления двухроторным газотурбинным двигателем

Изобретение относится к области авиационной техники, к способам управления двухроторным газотурбинным двигателем, в частности, при останове.

В известных конструкциях двухроторных газотурбинных двигателей ротора высокого и низкого давления вращаются свободно относительно друг друга. При остановке двигателя ротор высокого давления, в связи с загрузкой приводами агрегатов и систем, останавливается раньше ротора низкого давления. Выбег ротора высокого давления в несколько раз (по времени) меньше выбега ротора низкого давления. При выключенной подаче топлива ранний останов ротора высокого давления может вызвать «прихватывание» из-за касания рабочих лопаток турбины о статор, лабиринтов уплотнений о статор и т.д., что может сделать невозможным повторный запуск двигателя. Возможности управления частотами вращения роторов двигателей при останове, у которых ротор высокого давления загружен механическими приводами агрегатов и систем, практически исчерпаны. При этом энергия свободно вращающегося вала ротора низкого давления не используется. Дальнейшее развитие методов управления, на этапе останова, двухроторным газотурбинным двигателем возможно при отказе от механических приводов, при реализации конструкции электрофицированного двухроторного газотурбинного двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ управления двухроторным газотурбинным двигателем, включающий обеспечение, за счет работы электрических машин при вращении валов роторов, дополнительного ускорения частоты вращения вала ротора высокого давления с установленным на нем электродвигателем-генератором от электрогенератора, установленного на вале ротора низкого давления, регулирование подачи генерируемой электроэнергии /ЕР 1990519 МПК F01D 15/10, F02C 7/057, F02C 7/268 Опубликовано 12.11.2008 г./.

Известный способ предлагает обеспечение дополнительного ускорения или замедления валов турбины для исключения резонансных явлений во время работы двигателя и не предусматривает использования энергий вращения роторов при останове (отсутствии подачи топлива), что не исключает ранний останов ротора высокого давления и может вызвать «прихватывание» из-за касания рабочих лопаток турбины о статор, лабиринтов уплотнений о статор и т.д.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной надежности и экономичности двигателя.

Ожидаемый технический результат - стабильное исключение «прихватывания» вала ротора высокого давления при останове.

Ожидаемый технический результат достигается тем, что в известном способе управления двухроторным газотурбинным двигателем, включающем обеспечение, за счет работы электрических машин при вращении валов роторов, дополнительного ускорения частоты вращения вала ротора высокого давления с установленным на нем электродвигателем-генератором от электрогенератора, установленного на вале ротора низкого давления, регулирование подачи генерируемой электроэнергии, по предложению, при останове двигателя генерируемую вращением вала ротора низкого давления электроэнергию передают на электродвигатель-генератор вала ротора высокого давления, для создания дополнительного ускорения, обеспечивающего отношение продолжительности выбега вала ротора высокого давления к продолжительности выбега вала ротора низкого давления, равное 1,5…6,0.

Сущность изобретения заключается в создании условий взаимодействия вала высокого давления и вала низкого давления, при их относительном вращении, которое достигается с помощью электрических машин. Принцип работы основан на перераспределении мощности, отбираемой от валов высокого и низкого давления, между электродвигателями-генераторами, что позволяет, поддерживая постоянную отбираемую от двигателя электрическую мощность, изменять частоту вращения любого из валов, без изменения геометрии газовоздушного тракта двигателя. В изобретении предлагается обеспечивать отношение продолжительности выбега вала ротора высокого давления к продолжительности выбега вала ротора низкого давления, равного 1,5…6,0. Практические испытания показали, что при создании дополнительного ускорения вала высокого давления за счет энергии вала низкого давления и достижения при этом отношения продолжительности выбега валов более 1,5 от ротора высокого давления, не нагруженного приводами агрегатов и систем «прихватывание» из-за касания рабочих лопаток турбины о статор, лабиринтов уплотнений о статор и т.д., практически не наблюдается. В некоторых случаях при недостатке энергии, вырабатываемой валом низкого давления, наличие стартер-генератора на валу высокого давления позволяет проводить дополнительное подкручивание вала от батарей. Наилучшие результаты по использованию энергии вращающегося вала низкого давления, когда не происходит «прихватывание», достигаются при отношении продолжительности выбега вала ротора высокого давления к продолжительности выбега вала ротора низкого давления, равного 1,8…2,1, то есть вращение валов одновременно прекращается, либо вал ротора высокого давления продолжает некоторое время вращаться.

Предложение применимо для двигателя с использованием концепции замены механических приводов на электрические приводы. В этом случае отношение продолжительности выбега вала ротора высокого давления к продолжительности выбега вала ротора низкого давления преимущественно составит 1,5…6,0.

Способ поясняется чертежом.

Управление частотой вращения роторов осуществляется на двухроторном двигателе, оснащенном электродвигателем-генератором 1, сообщенным с валом ротора высокого давления 2, и электрогенератором 3, сообщенным с валом ротора низкого давления 4. Электрические машины 1 и 3 могут быть установлены в картерах опор двигателя (в частности в промежуточном корпусе) и через силовые кабели 5 передают электрическую энергию в устройство перераспределения электрической энергии 6.

Пример.

Способ реализован на летательном аппарате, двигатель которого оборудован электродвигателями-генераторами 1 и 3, установленными в картерах опор двигателя (в частности, в промежуточном корпусе) и сообщенные с валами высокого и низкого давления.

В процессе эволюций летательного аппарата в полете в двухроторном газотурбинном двигателе путем подачи и сжигания топлива поддерживали частоту вращения вала ротора высокого давления, выше частоты вращения вала ротора низкого давлений.

После посадки летательного аппарата и отключения подачи топлива вал ротора низкого давления вращался по инерции и с помощью электрической машины, связанной с ним и работающей в режиме генератора, генерировал электрический ток, который направлялся на электрическую машину, связанную с валом ротора высокого давления и работающую в режиме электродвигателя.

При останове вращения валов вал ротора высокого давления одновременно подкручивался электродвигателем за счет электрического тока, который вырабатывался генератором, связанным с валом ротора низкого давления, и направлялся на вал ротора высокого давления, что позволило получить отношение продолжительности выбега вала ротора высокого давления к продолжительности выбега вала ротора низкого давления, равное 1,8. В зависимости от условий испытаний, в том числе погоды, высоты над уровнем моря и других, отношение продолжительности выбега вала ротора высокого давления к продолжительности выбега вала ротора низкого давления составляло 1,5…6,0.

Продолжительность вращения вала ротора высокого давления до полной его остановки увеличилась приблизительно в 2-3 раза (по времени) в сравнении с остановкой вала без подкручивания. Прихватывание вала ротора высокого давления из-за касания рабочих лопаток турбины о статор и лабиринтов уплотнений о статор не наблюдалось. Двигатель всегда штатно повторно запускался.

Использование изобретения позволяет исключить эффект «прихватывания» вала ротора высокого давления при останове, повысить надежность и экономичность двигателя.