RU2806953C2 - Gas turbine engine with uncapped counter-rotating propellers - Google Patents
Gas turbine engine with uncapped counter-rotating propellers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806953C2 RU2806953C2 RU2021114695A RU2021114695A RU2806953C2 RU 2806953 C2 RU2806953 C2 RU 2806953C2 RU 2021114695 A RU2021114695 A RU 2021114695A RU 2021114695 A RU2021114695 A RU 2021114695A RU 2806953 C2 RU2806953 C2 RU 2806953C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- propeller
- turbine engine
- gas turbine
- generator
- propellers
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и, в частности, относится к газотурбинным двигателям незакапотированного типа («open rotor» на английском языке).The invention relates to the field of gas turbine engines and, in particular, relates to gas turbine engines of the uncapped type (“open rotor” in English).
Уровень техникиState of the art
Газотурбинные двигатели незакапотированного типа вписываются в контекст архитектур, предназначенных для максимального увеличения энергетической эффективности и одновременно имеющих возможность правильного интегрирования (с точки зрения геометрии и аэродинамики) в летательный аппарат.Uncapped gas turbine engines fit into the context of architectures designed to maximize energy efficiency while being able to be properly integrated (in terms of geometry and aerodynamics) into the aircraft.
В этом контексте известны многие решения. Many solutions are known in this context.
Первым решением является газотурбинный двигатель со сдвоенными воздушными винтами противоположного вращения (на английском языке “counter rotating open rotor” (CROR)), описанный, например, в документе FR 2 941 492. Такой газотурбинный двигатель содержит воздухозаборник и проточный тракт прохождения потока газа, ограниченный наружным корпусом и внутренней центральной частью. Проточный тракт проходит через газогенератор, в данном случае двухвальный газогенератор, который питает турбину, вращающую два воздушных винта противоположного вращения. Согласно этому документу, эти два воздушных винта противоположного вращения соединены во вращении с турбиной газогенератора. Преимуществом раскрытого в этом документе газотурбинного двигателя является отличный тяговый КПД, связанный с генерированием тяги через воздушные винты с очень низкой степенью сжатия, а также наружные размеры, меньшие наружных размеров газотурбинного двигателя с единственным воздушным винтом при такой же тяге, что облегчает его физическое интегрирование на летательном аппарате. Однако эта архитектура на основе сдвоенных воздушных винтов противоположного вращения имеет некоторые ограничения, в частности, по причине сложности подсистем, необходимых для ее применения (двойная система установки шага воздушных винтов, вращающиеся корпусы под каждым ротором винта, …). The first solution is a gas turbine engine with twin counter-rotating propellers (in English “counter rotating open rotor” (CROR)), described, for example, in
Другим решением, представляющим собой версию с архитектурой сдвоенных воздушных винтов противоположного вращения, является архитектура USF (на английском языке “Unducted Single Fan”), содержащая ротор винта и расположенный в его вихревом следе статор с изменяемым углом установки лопастей, предназначенный для спрямления остаточного вращения ротора винта. Эту версию можно рассматривать как архитектуру типа CROR, в которой вращение выходного воздушного винта остановлено. Хотя это решение отличается большей архитектурной простотой, все же оно страдает более низким КПД модуля низкого давления, чем решение CROR, и требует более значительных диаметров, чтобы выдерживать нагрузку ротора, эквивалентную с решением CROR (эта нагрузка ротора в первую очередь обуславливает ощущаемые уровни шума).Another solution, which is a version with a twin counter-rotating propeller architecture, is the USF architecture (in English “Unducted Single Fan”), which contains a propeller rotor and a stator located in its wake vortex with a variable blade angle, designed to straighten the residual rotation of the rotor screw This version can be thought of as a CROR type architecture in which the rotation of the output propeller is stopped. Although this solution offers greater architectural simplicity, it still suffers from lower low-pressure module efficiency than the CROR solution and requires larger diameters to support rotor loads equivalent to the CROR solution (this rotor load is what primarily accounts for the perceived noise levels) .
Наконец, как одно, так и другое из вышеупомянутых архитектурных решений имеют следующие недостатки:Finally, both of the above architectural solutions have the following disadvantages:
1. Почти биективная работа газогенератора и тяговых частей: при снижении потребности в тяге для летательного аппарата (во время фаз завершения полета на крейсерской скорости и в режиме малого газа) все вращающиеся части работают с низкими уровнями энергии (низкая степень сжатия, низкие режимы вращения), что отрицательно сказывается на собственном КПД каждого компонента, в частности, внутри газогенератора, и приводит к снижению общей эффективности силовой установки.1. Almost bijective operation of the gas generator and propulsion parts: when the thrust demand for the aircraft is reduced (during the end-of-flight phases at cruising speed and in idle mode), all rotating parts operate at low energy levels (low compression ratio, low rotation modes) , which negatively affects the intrinsic efficiency of each component, in particular inside the gas generator, and leads to a decrease in the overall efficiency of the power plant.
2. Трудность в отборе значительной механической мощности на валах газотурбинного двигателя без существенного влияния на управляемость компрессоров. Действительно, в контексте увеличения потребности в отборе механической мощности для секций летательных аппаратов, которые потребляют все больше электричества, необходимо адаптировать архитектуру газотурбинного двигателя таким образом, чтобы вращать электрические генераторы все большей мощности. Это приводит к увеличению напряжений на компрессорах и заставляет увеличивать их необходимые параметры, что сказывается на их абсолютной производительности.2. Difficulty in selecting significant mechanical power on the shafts of a gas turbine engine without significantly affecting the controllability of the compressors. Indeed, in the context of increasing demand for mechanical power for aircraft sections that consume increasingly more electricity, it is necessary to adapt the gas turbine engine architecture to drive increasingly powerful electrical generators. This leads to an increase in stress on the compressors and forces them to increase their required parameters, which affects their absolute performance.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Изобретение призвано предложить архитектуру газотурбинного двигателя с двумя незакапотированными воздушными винтами, которая позволяет преодолеть вышеупомянутые недостатки.The invention is intended to propose a gas turbine engine architecture with two uncapped propellers, which overcomes the above-mentioned disadvantages.
Для этого первым объектом изобретения является газотурбинный двигатель летательного аппарата, содержащий наружный корпус, ограничивающий вместе с внутренней центральной частью проточный тракт прохождения газового потока, в котором расположена турбина низкого давления, выполненная с возможностью приводить во вращение вал низкого давления; при этом указанный газотурбинный двигатель содержит по направлению прохождения газового потока первый воздушный винт и второй воздушный винт на выходе первого воздушного винта, при этом первый воздушный винт приводится во вращение указанным валом низкого давления, а второй воздушный винт приводится во вращение электрическим двигателем, при этом второй воздушный винт расположен на расстоянии, составляющем от 1,5 до 4 длин хорд первого воздушного винта и определяемом между соответствующими осями установки угла каждого из первого и второго воздушных винтов.For this purpose, the first object of the invention is a gas turbine engine of an aircraft, comprising an outer casing that, together with the internal central part, defines a flow path for the passage of a gas flow, in which a low-pressure turbine is located, configured to drive a low-pressure shaft; wherein said gas turbine engine comprises, in the direction of gas flow, a first propeller and a second propeller at the outlet of the first propeller, wherein the first propeller is driven by said low-pressure shaft, and the second propeller is driven by an electric motor, wherein the second the propeller is located at a distance ranging from 1.5 to 4 chord lengths of the first propeller and determined between the corresponding axes of the angle of each of the first and second propellers.
Предпочтительно изобретение согласно первому своему объекту дополнено следующими отличительными признаками, рассматриваемыми отдельно или в любой технически возможной комбинации:Preferably, the invention according to its first object is supplemented by the following distinctive features, considered separately or in any technically possible combination:
- Второй воздушный винт имеет наружный диаметр, составляющий от 0,8 до 1 наружного диаметра первого воздушного винта.- The second propeller has an outer diameter that is 0.8 to 1 times the outer diameter of the first propeller.
- Газотурбинный двигатель содержит внутреннюю центральную часть, от которой отходят лопасти второго воздушного винта, при этом второй воздушный винт имеет отношение радиус центральной части / наружный радиус лопасти, составляющее от 0,22 до 0,40.- The gas turbine engine includes an inner central part from which blades of a second propeller extend, the second propeller having a central part radius/outer blade radius ratio of 0.22 to 0.40.
- Второй воздушный винт имеет длину хорды, составляющую от 0,8 до 1,2 длины хорды первого воздушного винта.- The second propeller has a chord length ranging from 0.8 to 1.2 times the chord length of the first propeller.
- Газотурбинный двигатель содержит первый электрический двигатель/генератор, выполненный с возможностью участвовать в приведении во вращение вала низкого давления, при этом первый воздушный винт приводится во вращение указанным валом низкого давления через редуктор.- The gas turbine engine includes a first electric motor/generator configured to participate in driving a low pressure shaft, wherein the first propeller is driven by said low pressure shaft through a gearbox.
Силовая установка содержит или связана с устройством накопления энергии, соединенным с первым и/или вторым электрическим двигателем/генератором, при этом устройство накопления энергии предпочтительно имеет емкость, составляющую от 200 до 500кВт⋅ч.The power plant comprises or is coupled to an energy storage device coupled to the first and/or second electric motor/generator, the energy storage device preferably having a capacity of from 200 to 500 kWh.
Первый и второй воздушные винты расположены перед входом проточного тракта прохождения газового потока.The first and second propellers are located in front of the entrance of the gas flow path.
Первый и второй воздушные винты расположены на выходе проточного тракта и снаружи проточного тракта прохождения газового потока.The first and second propellers are located at the outlet of the flow path and outside the flow path of the gas flow.
Газотурбинный двигатель содержит газогенератор, блок управления вторым электрическим двигателем/генератором, блок управления углом установки второго воздушного винта, при этом указанные блоки управления выполнены с возможностью управлять вторым двигателем и углом установки второго воздушного винта в зависимости от следующих режимов работы:The gas turbine engine contains a gas generator, a control unit for the second electric motor/generator, and a control unit for the installation angle of the second propeller, wherein these control units are configured to control the second engine and the installation angle of the second propeller depending on the following operating modes:
- первого режима работы, требующего первой заданной тяговой мощности, при этом в первом режиме работы второй двигатель/генератор приводит во вращение второй воздушный винт в направлении, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта, и угол установки второго воздушного винта задают таким образом, чтобы второй воздушный винт обеспечивал от 20% до 40% указанной заданной тяговой мощности;- a first mode of operation requiring a first predetermined propulsion power, wherein in the first mode of operation the second engine/generator drives the second propeller in a direction opposite to the direction of rotation of the first propeller, and the installation angle of the second propeller is set so that the second the propeller provided 20% to 40% of the specified specified propulsion power;
- второго режима работы, требующего второй заданной тяговой мощности, при этом во втором режиме работы второй двигатель/генератор не приводит во вращение второй воздушный винт, и угол установки второго воздушного винта задают таким образом, чтобы максимизировать эффективность аэродинамической связи с первым воздушным винтом;- a second mode of operation requiring a second predetermined propulsion power, wherein in the second mode of operation the second engine/generator does not drive the second propeller, and the installation angle of the second propeller is set so as to maximize the efficiency of the aerodynamic connection with the first propeller;
- третьего режима работы, требующего третьей заданной тяговой мощности, при этом в третьем режиме газогенератор и первый воздушный винт регулируют таким образом, чтобы обеспечивать тяговую мощность, превышающую третью заданную тяговую мощность;- a third operating mode requiring a third predetermined propulsion power, wherein in the third mode the gas generator and the first propeller are adjusted to provide a propulsive power greater than the third predetermined propulsion power;
- четвертого режима работы, в котором угол установки первого воздушного винта 31 устанавливают в отрицательном значении и в котором второму воздушному винту задают нейтральную установку, при этом газогенератор работает в диапазоне режима высокого давления, составляющем от 90% до 100%, при этом в четвертом режиме первый воздушный винт находится в положении реверса тяги, а второй воздушный винт выполнен с возможностью разворачивать воздушный поток, чтобы питать первый воздушный винт;- a fourth operating mode, in which the installation angle of the
- пятого режима работы, в котором общий уровень мощности поддерживают за счет исключительно электрического энергетического питания второго воздушного винта в течение заданного времени;- a fifth operating mode, in which the overall power level is maintained due to exclusively electrical power supply to the second propeller for a given time;
- шестого режима работы, в котором второй воздушный винт проявляет нарушение в работе:- the sixth operating mode, in which the second propeller exhibits malfunction:
- если привод угла установки второго воздушного винта неисправен, и в этом случае угол установки второго воздушного винта блокируется;- if the second propeller angle drive is faulty, in which case the second propeller angle is blocked;
- если второй двигатель/генератор второго воздушного винта неисправен, и в этом случае второй воздушный винт переходит по команде в состояние свободного колеса.- if the second engine/generator of the second propeller is faulty, in which case the second propeller is commanded to enter the free wheel state.
В третьем режиме работы угол установки второго воздушного винта можно задавать таким образом, чтобы получить угол атаки лопастей менее 0°, чтобы вращать второй воздушный винт в направлении вращения, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта. Вторым воздушным винтом можно также управлять таким образом, чтобы получить угол атаки лопастей, превышающий 0°, чтобы вращать второй воздушный винт в направлении вращения, идентичном направлению вращения первого воздушного винта.In the third operating mode, the installation angle of the second propeller can be set so as to obtain an angle of attack of the blades less than 0° so as to rotate the second propeller in a rotation direction opposite to the rotation direction of the first propeller. The second propeller may also be controlled to obtain an angle of attack of the blades greater than 0° so as to rotate the second propeller in a direction of rotation identical to the direction of rotation of the first propeller.
Благодаря этой конфигурации переменных взаимодействий между двумя воздушными винтами, улучшаются характеристики газотурбинного двигателя.Due to this configuration of variable interactions between the two propellers, the performance of the gas turbine engine is improved.
Кроме того, можно по-разному управлять первым и вторым воздушными винтами в зависимости от режимов работы газотурбинного двигателя.In addition, the first and second propellers can be controlled differently depending on the operating conditions of the gas turbine engine.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:Other features, objects and advantages of the invention will be more apparent from the following description, given solely by way of illustrative and non-limiting example, with reference to the accompanying drawings, in which:
на фиг. 1 схематично показан заявленный газотурбинный двигатель в первой конфигурации;in fig. 1 schematically shows the claimed gas turbine engine in the first configuration;
на фиг. 2 схематично показан альтернативный вариант заявленного газотурбинного двигателя;in fig. 2 schematically shows an alternative version of the claimed gas turbine engine;
на фиг. 3 схематично показан заявленный газотурбинный двигатель во второй конфигурации;in fig. 3 schematically shows the claimed gas turbine engine in the second configuration;
на фиг. 4 показано расположение воздушных винтов газотурбинного двигателя;in fig. Figure 4 shows the location of the propellers of a gas turbine engine;
на фиг. 5 представлены режимы работы заявленного газотурбинного двигателя;in fig. 5 shows the operating modes of the claimed gas turbine engine;
на фиг. 6 схематично представлен первый режим работы заявленного газотурбинного двигателя, соответствующий взлету летательного аппарата;in fig. 6 schematically shows the first operating mode of the claimed gas turbine engine, corresponding to the take-off of the aircraft;
на фиг. 7 схематично представлен второй режим работы заявленного газотурбинного двигателя, соответствующий полету на крейсерской скорости летательного аппарата;in fig. 7 schematically shows the second operating mode of the claimed gas turbine engine, corresponding to flight at cruising speed of the aircraft;
на фиг. 8 схематично представлен третий режим работы заявленного газотурбинного двигателя согласно первому варианту осуществления, соответствующий режиму малого газа при снижении летательного аппарата;in fig. 8 schematically shows the third operating mode of the claimed gas turbine engine according to the first embodiment, corresponding to the idle mode when the aircraft is descending;
на фиг. 9 схематично показан профиль прогиба пера воздушного винта заявленного газотурбинного двигателя;in fig. 9 schematically shows the deflection profile of the propeller blade of the claimed gas turbine engine;
на фиг. 10 схематично показана передняя кромка воздушного винта заявленного газотурбинного двигателя;in fig. 10 schematically shows the leading edge of the propeller of the inventive gas turbine engine;
на фиг. 11 схематично показан третий режим работы заявленного газотурбинного двигателя согласно второму варианту осуществления, соответствующий режиму малого газа при снижении летательного аппарата.in fig. 11 schematically shows the third operating mode of the claimed gas turbine engine according to the second embodiment, corresponding to the idle mode when the aircraft is descending.
На всех фигурах подобные элементы имеют одинаковые обозначения.In all figures, similar elements have the same designations.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Как показано на фиг. 1, 2 и 3, газотурбинный двигатель летательного аппарата содержит кольцевое пространство 1 для прохождения газового потока, ограниченное наружным корпусом 2 и внутренней центральной частью 3. В дальнейшем такое кольцевое пространство 1 будет называться проточным трактом прохождения газового потока.As shown in FIG. 1, 2 and 3, the gas turbine engine of an aircraft contains an
Проточный тракт 1 прохождения газового потока содержит от входа к выходу по направлению прохождения газового потока (вдоль оси АА’, показано стрелкой F) компрессор 11 низкого давления, компрессор 12 высокого давления, камеру 13 сгорания, турбину 14 высокого давления и турбину 15 низкого давления.The gas
Турбина 15 низкого давления выполнена с возможностью приведения во вращение вала 25 низкого давления, тогда как турбина 14 высокого давления выполнена с возможностью приводить во вращение вал 24 высокого давления.The
По направлению прохождения газов газотурбинный двигатель содержит первый воздушный винт 31 и второй воздушный винт 32, расположенный за первым воздушным винтом 31. Первый и второй воздушные винты являются незакапотированными (согласно английской терминологии такая архитектура называется “open rotor”).In the direction of gas flow, the gas turbine engine contains a
Первый и второй воздушные винты 31, 32 отходят от внутренней центральной части 3 и содержат несколько лопастей, отходящих от этой внутренней центральной части 3.The first and
Ниже следует описание двух конфигураций, а именно первой конфигурации со ссылками на фиг. 1 и 2 и второй конфигурации со ссылками на фиг. 3.The following will be a description of two configurations, namely the first configuration with reference to FIGS. 1 and 2 and the second configuration with reference to FIGS. 3.
Согласно первой конфигурации, первый и второй воздушные винты 31, 32 расположены перед входом в проточный тракт 1 прохождения газового потока.According to the first configuration, the first and
Альтернативно, согласно второй конфигурации, первый и второй воздушные винты 31, 32 расположены на выходе из проточного тракта прохождения газового потока. В частности, первый и второй воздушные винты 31, 32 расположены на выходе и снаружи сзади и над проточным трактом 1 прохождения газового потока.Alternatively, according to the second configuration, the first and
Эти две конфигурации отличаются друг от друга положением первого и второго воздушных винтов по отношению ко входу и выходу проточного тракта 1 прохождения газового потока (вход и выход определены по направлению прохождения газового потока).These two configurations differ from each other in the position of the first and second propellers with respect to the inlet and outlet of the gas flow path 1 (the inlet and outlet are determined in the direction of the gas flow).
Предпочтительно, согласно одной или другой из двух вышеупомянутых конфигураций, второй воздушный винт 32 расположен на расстоянии, составляющем от 1,5 до 4 длин хорды первого воздушного винта, определяемом между соответствующими осями установки каждого из первого и второго воздушных винтов 31, 32, что будет описано ниже со ссылками на фиг. 4.Preferably, according to one or the other of the above two configurations, the
На фиг. 4 показано расположение первого 31 и второго 32 воздушных винтов вдоль продольной оси АА’ газотурбинного двигателя. В соответствии с этой фигурой можно уточнить, что под длиной хорды LCi (i=1 для первого воздушного винта, i=2 для второго воздушного винта) следует понимать длину хорды 42, то есть длину сегмента (или хорды) между передней кромкой 41 и задней кромкой 43 воздушного винта. Кроме того, промежуток между двумя воздушными винтами 31, 32 измеряют между соответствующими осями установки А31, А32 каждого из воздушных винтов 31, 32. На этой фигуре воздушные винты отстоят друг от друга на три длины хорды LC.In fig. Figure 4 shows the location of the first 31 and second 32 propellers along the longitudinal axis AA' of the gas turbine engine. In accordance with this figure, it can be clarified that the chord length LCi (i=1 for the first propeller, i=2 for the second propeller) should be understood as the length of the
Такой промежуток между двумя воздушными винтами 31, 32 обеспечивает аэродинамическую связь, которая может эффективно участвовать в тяге газотурбинного двигателя.This gap between the two
Этот промежуток является также результатом аэро-акустического компромисса между:This gap is also the result of an aero-acoustic compromise between:
- расстоянием между двумя воздушными винтами, достаточно большим, чтобы ограничивать интенсивность полос акустических взаимодействий между воздушными винтами;- a distance between the two propellers sufficiently large to limit the intensity of the acoustic interaction bands between the propellers;
- расстоянием между двумя воздушными винтами, достаточно малым, чтобы минимизировать рассеяние профилей скорости на выходе из первого воздушного винта (входного воздушного винта) и способствовать их немедленному использованию посредством отклонения второго воздушного винта (выходного воздушного винта).- a distance between the two propellers that is small enough to minimize the dissipation of the velocity profiles at the exit of the first propeller (input propeller) and facilitate their immediate use by deflecting the second propeller (exit propeller).
Кроме того, этот промежуток учитывает потребность в интегрировании механизмов изменения шага каждого воздушного винта, для размещения которых необходим определенный осевой объем.In addition, this gap takes into account the need to integrate the pitch control mechanisms of each propeller, which require a certain axial volume to accommodate them.
Предпочтительно второй воздушный винт 32 имеет следующие геометрические характеристики:Preferably, the
- наружный диаметр, составляющий от 0,8 до 1 наружного диаметра первого, входного воздушного винта 31;- outer diameter, ranging from 0.8 to 1 outer diameter of the first,
- относительный диаметр втулки (отношение внутренний радиус/наружный радиус лопасти), составляющий от 0,22 до 0,40;- relative diameter of the bushing (the ratio of the inner radius/outer radius of the blade), ranging from 0.22 to 0.40;
- средняя хорда, составляющая от 0,8 до 1,2 средней хорды первого, входного воздушного винта 31.- average chord, ranging from 0.8 to 1.2 times the average chord of the first,
Предпочтительно первый воздушный винт 31 приводится во вращение турбиной 15 низкого давления только через вал 25 низкого давления и первый редуктор 50 или при помощи комбинации первого электрического двигателя/генератора 60 и турбины 15 низкого давления через тот же первый редуктор 50. Таким образом, первый двигатель/генератор 60 позволяет компенсировать возможные неисправности вала 25 низкого давления.Preferably, the
В этом варианте в случае нарушения в работе турбины низкого давления, участвующей в энергетическом питании первого воздушного винта 31, двигатель/генератор 60 обеспечивает подачу части энергии, необходимой для первого воздушного винта 31.In this embodiment, in the event of a malfunction of the low pressure turbine involved in powering the
Эту конфигурацию, показанную на фиг. 2, можно также применить для конфигурации, показанной на фиг. 3, где воздушные винты находятся на выходе кольцевого пространства прохождения газового потока.This configuration shown in FIG. 2 can also be applied to the configuration shown in FIG. 3, where the propellers are located at the exit of the annular space for the passage of the gas flow.
Второй воздушный винт 32 приводится во вращение только вторым электрическим двигателем/генератором 70 через второй редуктор 80. The
Предпочтительно первый редуктор 50 и второй редуктор 80 являются:Preferably, the
- механическими (эпициклического или планетарного типа) с передаточным числом в режиме вращения, составляющим от 8 до 12; или- mechanical (epicyclic or planetary type) with a gear ratio in rotation mode ranging from 8 to 12; or
- электромагнитными.- electromagnetic.
В зависимости от конфигураций газотурбинный двигатель может содержать первый электрический двигатель/генератор 60 и второй электрический двигатель/генератор 70, которые могут работать как «двигатель», а также как «генератор электричества».Depending on configurations, the gas turbine engine may include a first electric motor/
В связи с этим следует отметить, что силовая установка содержит устройство 90 накопления энергии, соединенное с первым и/или вторым электрическим двигателем/генератором, при этом устройство накопления энергии предпочтительно имеет емкость от 200 до 500 кВт⋅ч.In this regard, it should be noted that the power plant includes an
Когда электрический двигатель/генератор 60, 70 работает в режиме двигателя, устройство 90 накопления энергии является источником питания для электрического двигателя/генератора 60, 70, тогда как, кода воздушные винты 31, 32 не вращаются электрическим двигателем/генератором 60, 70, электрический двигатель/генератор обеспечивает подзарядку устройства 90 накопления энергии.When the electric motor/
Действительно, электрический двигатель/генератор 60, 70 может иметь режимы работы, в ходе которых он не работает в качестве «двигателя», для подзарядки устройства 90 накопления.Indeed, the electric motor/
Независимо от конфигурации, газотурбинный двигатель может содержать связанный с каждым воздушным винтом блок управления углом установки воздушного винта (блоки UC1 и UC’1 на фигурах), который характеризуется:Regardless of the configuration, the gas turbine engine may contain a propeller angle control unit associated with each propeller (blocks UC1 and UC'1 in the figures), which is characterized by:
- для первого воздушного винта - отклонением, предпочтительно составляющим от -30° до +30°;- for the first propeller - a deflection, preferably between -30° and +30°;
- для второго воздушного винта - отклонением, предпочтительно ограниченным положительными углами установки, как правило от 0° до +90° / максимально от 0° до 110°.- for the second propeller - deflection, preferably limited to positive installation angles, typically from 0° to +90° / maximum from 0° to 110°.
В данном случае термин «угол установки воздушного винта» используют для угла установки каждой лопасти воздушного винта.In this case, the term "propeller angle" is used to refer to the angle of each propeller blade.
Предпочтительно второй воздушный винт 32 используют по-разному в зависимости от нескольких режимов работы силовой установки летательного аппарата. Как будет описано ниже (со ссылками на фиг. 5) второй воздушный винт 32 может иметь несколько функций, чтобы участвовать в работе летательного аппарата в соответствии с этими разными конфигурациями.Preferably, the
Так, газотурбинный двигатель содержит блок UC2 управления вторым двигателем/генератором, связанным со вторым воздушным винтом 32, при этом блок UC2 управления вторым двигателем/генератором 70 позволяет непрерывно управлять подачей электрической мощности для этого второго двигателя/генератора между крайними случаями нулевой подачи и подачи, соответствующей максимальной мощности второго двигателя/генератора 70, которую от способен выдавать, исходя из своих размеров.Thus, the gas turbine engine includes a control unit UC2 for a second engine/generator coupled to a
Первый режим работы М1 соответствует взлету/набору высоты летательного аппарата, когда газотурбинный двигатель нуждается в большой тяговой мощности, называемой заданной тяговой мощностью:The first operating mode M1 corresponds to the take-off/climb of the aircraft, when the gas turbine engine needs high traction power, called the given traction power:
- второй двигатель/генератор 70 находится в режиме «двигателя» и использует энергию устройства 90 накопления в качестве источника питания с целью приведения во вращение второго воздушного винта 32;- the second engine/
- угол установки второго воздушного винта регулируют таким образом, чтобы второй воздушный винт 32 обеспечивал тягу на уровне примерно 20-40% заданной тяговой мощности (то есть ~5 МВт максимум для класса летательного аппарата короткой/средней дальности) и чтобы угол атаки лопастей Ai превышал 0° (как показано на фиг. 6);- the angle of installation of the second propeller is adjusted so that the
- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления (N2K), составляющем от 90 до 100% в зависимости от расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания.- the gas generator operates in a reduced range of high pressure mode (N2K), ranging from 90 to 100% depending on the fuel flow supplied to the combustion chamber.
В ходе этого первого режима работы М1 приведение во вращение второго воздушного винта 32 позволяет снизить уровень энергии, необходимый для первого воздушного винта 31, чтобы обеспечивать общую тягу, ожидаемую от силовой установки, что позволяет ограничить диаметр первого воздушного винта 31 значением, меньшим, чем требовалось в известном решении в отсутствие подачи дополнительной тяги через воздушный винт 32. Такое уменьшение диаметра позволяет выполнить первый воздушный винт 31, который можно легко интегрировать, одновременно сохраняя высокий энергетический КПД общей силовой установки.During this first mode of operation M1, driving the
Кроме того, требуемый уровень энергии на валу низкого давления стал ниже, как и уровень энергии, ожидаемый от газогенератора, вследствие чего кольцевое пространство прохождения газов можно ограничить меньшим значением, адаптированным к этому меньшему ожидаемому уровню энергии. Получают выигрыш в массе газотурбинного двигателя вместе с более высокими характеристиками, а также снижение звукового влияния, связанного с выпуском газов на выходе газогенератора.In addition, the required energy level at the low pressure shaft has become lower, as has the energy level expected from the gas generator, whereby the gas flow annulus can be limited to a smaller value adapted to this lower expected energy level. There is a gain in the weight of the gas turbine engine along with higher performance, as well as a reduction in the sound impact associated with the release of gases at the outlet of the gas generator.
Второй режим работы М2 соответствует полету на крейсерской скорости летательного аппарата, когда газотурбинный двигатель нуждается в промежуточной тяговой мощности:The second operating mode M2 corresponds to flight at cruising speed of the aircraft, when the gas turbine engine requires intermediate thrust power:
- второй двигатель/генератор 70 не используется, второй воздушный винт 32 не получает механической мощности и находится в состоянии «свободного колеса»;- the second engine/
- угол установки второго воздушного винта 32 задают в соответствии с углом установки первого воздушного винта 31 с целью максимизации тяговой эффективности его комбинации с первым, входным воздушным винтом 31 опять же таким образом, чтобы угол атаки лопастей Аi превышал 0° (как показано на фиг. 7). Таким образом, второй воздушный винт 32 работает как спрямляющий аппарат. Его режим вращения является свободным и зависит от аэродинамической связи с первым воздушным винтом 31: он либо не вращается, либо вращается очень медленно. Газогенератор и первый воздушный винт 31 отрегулированы таким образом, чтобы они точно отвечали ожидаемой энергетической потребности. Углы установки получают в результате предварительного аэродинамического проектирования.- the installation angle of the
- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления, составляющем от 80 до 90%.- the gas generator operates in a reduced range of high pressure mode, ranging from 80 to 90%.
В ходе этого второго рабочего режима М2 тяговую эффективность первого воздушного винта 31 доводят до максимума за счет использования его остаточного вращения. Вращение потока (нежелательное, так как не способствует повышению скорости потока вдоль тяговой оси), исходящего от первого воздушного винта, рекуперируют за счет взаимодействия с лопастями второго воздушного винта (в данном случае почти неподвижного) и используют в виде вектора скорости потока, ориентированного вдоль главной тяговой оси.During this second operating mode M2, the propulsion efficiency of the
Третий режим работы М3 соответствует режиму малого газа при снижении летательного аппарата, когда газотурбинный двигатель нуждается в небольшой мощности:The third operating mode M3 corresponds to the idle mode when the aircraft is descending, when the gas turbine engine needs little power:
- газогенератор и первый воздушный винт 31 регулируют по рабочей точке, превышающей реальную тяговую потребность;- the gas generator and the
- избыточно генерируемая энергия проявляется в виде избытка энтальпии и вращательного движения на выходе первого воздушного винта 31. Эту избыточную энергию рекуперируют на втором воздушном винте 32, который в этом случае приводится во вращение и работает в режиме ветрового генератора через соответствующий выбор угла установки. Механическая энергия, рекуперируемая таким образом на втором воздушном винте 32, питает второй двигатель/генератор 70, который работает при этом в режиме генератора, подзаряжая устройство 90 накопления.- the excess generated energy manifests itself in the form of excess enthalpy and rotational motion at the output of the
- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления, составляющем 90-100% в зависимости от расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания.- the gas generator operates in a reduced range of high pressure mode, amounting to 90-100% depending on the fuel consumption supplied to the combustion chamber.
В ходе этого третьего рабочего режима М3 энергетическое разъединение тяговой потребности и рабочей точки газогенератора и первого воздушного винта 31 позволяет поместить последние в зоны производительности, намного более благоприятные, чем в классической конфигурации в режиме малого газа. Это позволяет также отойти от критических зон работы компрессора через регулирование газогенератора на средних/высоких уровнях мощности, при которых работа является менее критической, чем в условиях малого газа.During this third operating mode M3, the energetic decoupling of the thrust demand and the operating point of the gas generator and the
Этот рабочий режим М3 можно получить в соответствии с двумя вариантами осуществления:This operating mode M3 can be obtained in accordance with two embodiments:
- в первом варианте осуществления (показанном на фиг. 8) угол установки второго воздушного винта 32 изменяют таким образом, чтобы угол атаки лопастей Ai был меньше 0°. Это изменение угла атаки Ai лопастей позволяет получить коэффициент подъемной силы менее 0° и позволяет приводить во вращение второй воздушный винт 32 в направлении, противоположном к направлению вращения первого воздушного винта 31. Этот вариант осуществления позволяет сохранить такое же направление вращения второго воздушного винта 32, что и на других рабочих режимах, и позволяет избежать усложнения коробки скоростей. С другой стороны, он вынуждает изменить геометрию воздушного винта путем уменьшения прогиба Fl профиля пера, соответсвующего максимальному расстоянию между хордой и линией изгиба (показано на фиг. 9). Кроме того, чтобы избежать срыва потока, необходимо предусмотреть лопасти с широкой передней кромкой Ва (показано на фиг. 10);- in the first embodiment (shown in Fig. 8), the installation angle of the
- Во втором варианте осуществления (показанном на фиг. 11) угол установки второго воздушного винта 32 изменяют таким образом, чтобы угол атаки лопастей Ai превышал 0°. Это изменение угла атаки Ai лопастей позволяет приводить во вращение второй воздушный винт 32 в том же направлении, что и первый воздушный винт 31. Этот вариант осуществления предполагает проектирование коробки скоростей, позволяющей второму воздушному винту 32 вращаться в обоих направлениях, но, с другой стороны, он не предполагает изменения геометрии воздушного винта, учитывая, что его аэродинамическая работа остается такой же, как и на других режимах работы.- In the second embodiment (shown in Fig. 11), the installation angle of the
Четвертый режим работы М4 соответствует торможению летательного аппарата:The fourth mode of operation of M4 corresponds to the braking of the aircraft:
- первый воздушный винт 31 регулируют с отрицательным значением угла установки;- the
- второй воздушный винт 32 оставляют в положении нейтральной установки (на английском языке “windmilling”), которое позволяет не генерировать никакой механической мощности на воздушном винте;- the
- газогенератор работает в уменьшенном диапазоне режима высокого давления, составляющем от 90 до 100%.- the gas generator operates in a reduced range of high pressure mode, ranging from 90 to 100%.
В ходе этого четвертого рабочего режима М4 происходит реверс тяги на первом воздушном винте 31, и второй воздушный винт 32 имеет угол установки, выбираемый таким образом, чтобы обеспечивать разворот воздушного потока, питающего первый воздушный винт 31.During this fourth operating mode M4, the thrust of the
Пятый режим работы соответствует нарушению в работе первого воздушного винта 31 или нарушению в работе газогенератора:The fifth operating mode corresponds to a malfunction in the operation of the
- угол установки первого воздушного винта 31 устанавливают в нейтральное положение установки (“windmilling”), если нарушение в работе этого первого воздушного винта это позволяет, или сохраняют в его значении угла установки в момент наступления нарушения в работе;- the installation angle of the
- угол установки второго воздушного винта 32 устанавливают в положении полной тяги, то есть в соответствии с углом установки, аналогичным углу установки первого воздушного винта 31, когда он работает в условиях обеспечения максимальной мощности;- the installation angle of the
- на второй двигатель/генератор 70 подают команду для подачи максимальной мощности на второй воздушный винт 32.- the second engine/
В ходе этого пятого режима работы М5 минимальный общий уровень тяги сохраняют в течение некоторого времени (через питание второго воздушного винта 32, чтобы поддерживать его тяговую мощность, при этом тягу генерирует исключительно второй воздушный винт 32), при этом указанное время обусловлено мощностью второго электрического двигателя/генератора 70 и имеющейся в наличии мощностью в связанном с ним устройстве 90 накопления. Этот пятый рабочий режим позволяет минимизировать влияние потери тяги первого воздушного винта 31 или потери поступления первичной энергии от газогенератора.During this fifth mode of operation M5, a minimum overall thrust level is maintained for a period of time (by powering the
Шестой режим работы М6 тоже соответствует нарушению в работе, но на этот раз второго воздушного винта 32:The sixth operating mode of M6 also corresponds to a malfunction, but this time of the second propeller 32:
- если нарушение в работе связано с тем, что невозможно задать угол установки второго воздушного винта 32, то угол установки второго воздушного винта 32 сохраняют заблокированным в его последнем занимаемом положении;- if the malfunction is due to the fact that it is impossible to set the installation angle of the
- если нарушение в работе возникло во втором двигателе/генераторе 70, то второй воздушный винт 32 оставляют в состоянии свободного колеса, пока диапазон угла установки позволяет обеспечивать тягу.- if a malfunction occurs in the second engine/
Такой шестой режим работы М6 позволяет предусмотреть архитектуру газотурбинного двигателя, стойкую к отказу второго воздушного винта.This sixth mode of operation of the M6 makes it possible to provide a gas turbine engine architecture that is resistant to failure of the second propeller.
Как было указано выше, первый двигатель/генератор 60, связанный с первым воздушным винтом 31, может быть использован в дополнение к приведению во вращение турбиной 15 низкого давления (см. фиг. 2).As discussed above, the first engine/
Эта конфигурация обеспечивает:This configuration provides:
- усиление вала низкого давления (первого входного воздушного винта 31) со стороны первого электрического двигателя/генератора 60;- strengthening the low pressure shaft (the first input propeller 31) from the side of the first electric motor/
- в случае первого рабочего режима: усиление при взлете одновременно с работой, уже производимой вторым воздушным винтом 32;- in the case of the first operating mode: amplification during take-off simultaneously with the work already performed by the
- в случае неисправности газогенератора в ходе пятого рабочего режима: возможность вращать первый воздушный винт в течение времени, ограниченного емкостью энергетического накопителя;- in the event of a malfunction of the gas generator during the fifth operating mode: the ability to rotate the first propeller for a time limited by the capacity of the energy storage device;
- передачу энергии в реальном времени между вторым воздушным винтом 32 и валом низкого давления: даже если накопитель, связанный с первым двигателем/генератором, в режиме «генератора» является пустым, второй воздушный винт 32 может получать механическую энергию в соответствии с потребностями;- real-time energy transfer between the
- более эффективный профиль подзарядки первого двигателя/генератора в режиме «двигателя», поскольку он напрямую связан с турбиной низкого давления.- a more efficient charging profile for the first engine/generator in “engine” mode, since it is directly connected to the low pressure turbine.
Claims (20)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR1859925 | 2018-10-26 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021114695A RU2021114695A (en) | 2022-11-28 |
RU2806953C2 true RU2806953C2 (en) | 2023-11-08 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2367823C1 (en) * | 2008-04-17 | 2009-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Birotary screw-type blower |
RU2472942C2 (en) * | 2007-02-10 | 2013-01-20 | РОЛЛС-РОЙС Пи-Эл-Си, Великобритания | Aircraft engine and method of its operation |
FR2994707A1 (en) * | 2012-08-21 | 2014-02-28 | Snecma | HYBRID TURBOMACHINE WITH CONTRAROTATIVE PROPELLERS |
CA2855442A1 (en) * | 2014-06-30 | 2015-12-30 | The Boeing Company | Contra-rotating open fan propulsion system |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2472942C2 (en) * | 2007-02-10 | 2013-01-20 | РОЛЛС-РОЙС Пи-Эл-Си, Великобритания | Aircraft engine and method of its operation |
RU2367823C1 (en) * | 2008-04-17 | 2009-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Birotary screw-type blower |
FR2994707A1 (en) * | 2012-08-21 | 2014-02-28 | Snecma | HYBRID TURBOMACHINE WITH CONTRAROTATIVE PROPELLERS |
CA2855442A1 (en) * | 2014-06-30 | 2015-12-30 | The Boeing Company | Contra-rotating open fan propulsion system |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
С.А. Вьюнов, Ю.И. Гусев, А.В. Карпов и др., Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей: Учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности "Авиационные двигатели и энергетические установки", под общ. ред. Д.В. Хронина, Москва, Машиностроение, 1989, с. 68. Известия высших учебных заведений, Авиационная техника, 2020, N1, с. 118, формула (2). Газотурбинные двигатели, Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л., ОАО "Авиадвигатель", Пермь, 2006, с. 236. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11987369B2 (en) | Turbomachine with unducted dual propellers | |
EP3569498B1 (en) | Hybrid aircraft propulsion system | |
CN109110137B (en) | Propulsion system for aircraft and method of operation thereof | |
CA2963776C (en) | Hybrid gas-electric turbine engine | |
US10676198B2 (en) | Distributed propulsion systems | |
US11718395B2 (en) | Electrically controlled vertical takeoff and landing aircraft system and method | |
CA3009004C (en) | Propulsion system for an aircraft | |
EP2995555B1 (en) | Propulsion system | |
US10710734B2 (en) | Hybrid aircraft propulsors having electrically-driven augmentor fans | |
CA2958814A1 (en) | Propulsion system for an aircraft | |
JP7362678B2 (en) | Aircraft propulsion systems and aircraft powered by such propulsion systems integrated into the aft fuselage of the aircraft | |
US9951695B2 (en) | Multi-axis accessory gearboxes of mechanical drive systems and gas turbine engines including the same | |
US11619192B2 (en) | Synergistic hybrid propulsion | |
EP2033893A2 (en) | Aircraft engine system with gearbox unit | |
US20210095636A1 (en) | Drive system for counter-rotating parts | |
CN110481803A (en) | Aircraft propulsion | |
EP3034395B1 (en) | Aircraft boundary layer removal with auxilliary power unit suction | |
US10093412B2 (en) | Pneumatic taxi system | |
US8794902B1 (en) | System and method to improve the exhaust pressure across a RAM air turbine through secondary flow mixing | |
RU2806953C2 (en) | Gas turbine engine with uncapped counter-rotating propellers | |
CN220204012U (en) | Hybrid power system of turboprop engine | |
US12275530B2 (en) | Aircraft propulsion system | |
US20230038062A1 (en) | Aircraft propulsion system | |
JP2020056372A (en) | Internal combustion engine | |
RU2782719C2 (en) | Propulsion unit of aircraft, and aircraft driven by such a propulsion unit built in rear part of fuselage of aircraft |