CN101280726A - 动力输出系统和包括所述系统的燃气涡轮发动机组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及动力输出系统和包括所述系统的燃气涡轮发动机组件。提供一种用于燃气涡轮发动机组件(10)的动力输出系统(100、400、500)。所述燃气涡轮发动机包括第一线轴(40)和第二线轴(42)。所述动力输出系统包括联接到所述第二线轴的起动器(102)、和联接在所述起动器和所述第一线轴之间的离合器组件(200)，所述离合器组件构造为当起动燃气涡轮发动机组件时将所述第一线轴联接到所述起动器。

Description

动力输出系统和包括所述系统的燃气涡轮发动机组件
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及双输入/输出动力输出系统，所述动力输出系统构造为起动燃气涡轮发动机且也构造为产生电力。
背景技术
与飞行器使用的至少一些已知的燃气涡轮发动机包括核心发动机，所述核心发动机以串连流动排列方式包括：压缩进入发动机的空气流的压缩机、燃烧燃料和空气混合物的燃烧器、以及低和高压涡轮机，所述低和高压涡轮机从自燃烧器排出的空气流提取能量以产生推力。
当飞行器附属动力需求增加时，也存在增加的需要，以比未遭受增加的动力需求的其他发动机更高的空转速度运转该燃气涡轮发动机。更具体地，增加燃气涡轮发动机空转速度能够满足增加的动力需求而不牺牲压缩机的失速裕量。然而，增加的空转速度也产生高于空转飞行降落操作和/或地面空转操作期间所希望的水平的发动机推力水平。随着时间过去，在该空转操作期间以增加的推力水平连续操作可能增加维护成本且增加的燃料流量需求也增加飞行器操作费用。
发明内容
一方面，提供一种组装燃气涡轮发动机组件的方法。所述燃气涡轮发动机组件包括：第一线轴，所述第一线轴包括高压压缩机、高压涡轮机、和联接在所述高压压缩机和高压涡轮机之间的轴；和与所述第一线轴同轴布置的第二线轴。该方法包括使用驱动轴将起动器联接到第二线轴，和将离合器组件联接在所述起动器和第一线轴之间，以便所述离合器组件构造为当起动燃气涡轮发动机组件时将起动器联接到第一线轴。
另一方面，提供一种用于燃气涡轮发动机的动力输出系统。所述系统包括联接到第二线轴的起动器、和联接在所述起动器和第一线轴之间的离合器组件，所述离合器组件构造为当起动燃气涡轮发动机组件时将第一线轴联接到起动器。
又一方面，提供一种燃气涡轮发动机组件。所述燃气涡轮发动机组件包括：第一线轴，所述第一线轴包括高压压缩机、高压涡轮机、和联接在所述高压压缩机和高压涡轮机之间的轴；与所述第一线轴同轴布置的第二线轴；和包括起动器的动力输出系统，所述起动器可旋转地联接到第二线轴，且当起动燃气涡轮发动机组件时所述起动器选择性地联接到第一线轴。
附图说明
图1是示范性燃气涡轮发动机组件的截面图；
图2是包括示范性动力输出系统的图1所示的燃气涡轮发动机组件的部分的截面图；
图3是图2所示的示范性动力输出系统的部分的截面图；
图4是另一示范性动力输出系统的截面图；
图5是另一示范性燃气涡轮发动机组件的截面图；
图6是可与图1和图4所示的燃气涡轮发动机使用的另一示范性动力输出系统的简图；和
图7是可与图1和图4所示的燃气涡轮发动机使用的另一示范性动力输出系统的简图。
具体实施方式
图1是具有纵轴线11的燃气涡轮发动机组件10的截面图。燃气涡轮发动机组件10包括风扇组件12和核心燃气涡轮发动机13。核心燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、布置在高压压缩机14下游的燃烧器16、和经由第一轴32联接到高压压缩机14的高压涡轮机18。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机组件10也包括布置在核心燃气涡轮发动机13下游的低压涡轮机20、多级风扇组件12、和用于将风扇组件12联接到低压涡轮机20的轴31。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机组件10是两线轴发动机，其中高压压缩机14、高压涡轮机18和轴32形成第一线轴40，风扇组件12、低压涡轮机20和轴31形成第二线轴42。
在操作中，空气流动通过风扇组件12。从风扇组件12排出的压缩空气的部分被引通通过压缩机14，其中空气流被进一步压缩且输送到燃烧器16。来自燃烧器16的热燃烧产物(未示出)用于驱动涡轮机18和20，且涡轮机20用于通过轴31驱动风扇组件12。燃气涡轮发动机组件10可操作在设计工况和非设计工况之间的工况范围。
图2是包括示范性动力输出系统100的图1所示的燃气涡轮发动机组件10的部分的截面图。动力输出系统100包括具有马达/发电机110的起动器102。如在此使用的，起动器定义为这样一种设备，其在一种模式中可操作为起动第一线轴40的马达，且在第二模式中也可操作为发电机，在以下讨论的预定发动机操作期间，所述发电机可由第一线轴40和/或第二线轴42驱动以产生电力。
起动器102包括马达/发电机110和用于将起动器102联接到第一线轴40和/或第二线轴42的轴112。更具体地，轴112包括第一端130，第一端130联接到马达/发电机110且因而由其驱动。轴112也包括第二端132和联接或花键连接到第二端132的小齿轮134。此外，动力输出系统100也包括联接或花键连接到转子轴31的第一环形齿轮136，和联接到将在下文进一步讨论的套管轴140的第二环形齿轮138。在示范性实施例中，小齿轮134、环形齿轮136、和环形齿轮138每个为锥齿轮，其加工为使得小齿轮134与环形齿轮136和138互相啮合。
图3是图2所示的示范性动力输出系统100的部分截面图。图4是以第二构造的图2所示的示范性动力输出系统100的部分截面图。在一个实施例中，第二环形齿轮138与套管轴140一体地形成。可选地，第二环形齿轮138例如使用多个花键联接到套管轴140。在示范性实施例中，第一环形齿轮136具有第一直径150且第二环形齿轮138具有大致等于第一直径150的第二直径152。因此，如图3所示，驱动轴112大致垂直于中心轴线11。可选地，如图4所示，第一环形齿轮136具有第一直径150且第二环形齿轮138具有小于第一直径150的第二直径152，使得驱动轴112相对于中心轴线11以角α设置。在示范性实施例中，取决于环形齿轮136和138的直径，角α在大约45度和大约90度之间。
为了支撑驱动轴112和套管轴140，动力输出系统100也包括联接到刚硬结构(例如风扇架162)的轴支撑结构160。动力输出系统100也包括多个轴承组件，以利于将轴112在燃气涡轮发动机组件10内维持在合适的位置。具体而言，动力输出系统100包括第一推力轴承170，所述第一推力轴承170包括固定到静止结构(例如支撑结构160)的静止外部座圈172、固定到小齿轮134的旋转内部座圈174、和分别布置在外部和内部座圈172和174之间的多个滚动元件176。
动力输出系统100包括第一滚柱轴承180，所述第一滚柱轴承180包括固定到支撑结构160的静止外部座圈182、固定到小齿轮134的旋转内部座圈184、和分别布置在外部和内部座圈182和184之间的多个滚动元件186。在操作期间，滚柱轴承180利于维持轴112在燃气涡轮发动机组件10内大致固定的径向对准。
动力输出系统100包括第二滚柱轴承190，所述第二滚柱轴承190包括固定到支撑结构160的静止外部座圈192、固定到小齿轮134的旋转内部座圈194、和分别布置在外部和内部座圈192和194之间的多个滚动元件196。在操作期间，滚柱轴承190利于维持轴112在燃气涡轮发动机组件10内大致固定的径向对准。在示范性实施例中，第二滚柱轴承组件190从第一滚柱轴承组件180径向向内布置。
在操作期间，且如图2、3和4所示，起动器102联接到第二线轴42，且因而在所有发动机操作期间驱动第二线轴42或被第二线轴42驱动。即，小齿轮134总是联接到环形齿轮136，以致第二线轴42驱动起动器102或被起动器102驱动。例如，在一个实施例中，在核心发动机13运行之后，因而引起第二线轴42由于从涡轮机20提取的膨胀能旋转，因而引起起动器102旋转，使得起动器102充当发电机，以产生可由飞行器使用或所希望的电力。可选地，由于起动器102总是联接到第二线轴42，在选定的飞行条件期间，起动器102可用作马达以重新起动核心燃气涡轮发动机。
由于在典型的操作下，第一线轴40以不同于第二线轴42的旋转速度的旋转速度旋转。动力输出系统100构造为补偿不同的旋转速度。更具体地，环形齿轮136和138的直径每个基于由起动器102驱动或者驱动起动器102的部件的旋转速度选择。例如，在该实施例中，由于环形齿轮136联接到第二线轴42，在该实施例中第二线轴42以小于第一线轴40的旋转速度的速度旋转，环形齿轮36的直径150大于环形齿轮138的直径152，以补偿第一和第二线轴40和42之间的速度差。因此，应当认识到，环形齿轮36和38的直径150和152基于第一和第二线轴40和42的旋转速度选择，且因而可以重新定尺寸，以操作如图6和7所示运行在不同速度的不同类型发动机和风扇组件。
如上文讨论和说明的，当起动燃气涡轮发动机组件时，起动器102也可选择性地接合到第一线轴40。例如，为了起动包括第一线轴40的核心燃气涡轮发动机13，起动器102选择性地联接到第一线轴40。起动器102然后操作为马达以旋转第一线轴40且因而重新起动核心燃气涡轮发动机13。为了选择性地将起动器102联接到第一线轴40，动力输出系统100也包括离合器200和用于致动或接合离合器200的离合器致动器202。在示范性实施例中，离合器致动器202包括至少一个螺线管204和弹簧206。
离合器200包括牢固地联接到套管轴140的第一离合器部分210、和可移动地联接到第一线轴40的第二离合器部分212。在示范性实施例中，第二离合器部分212使用多个花键联接到轴32，以便允许第二离合器部分212以上游方向220或下游方向222移动。
例如，在第一操作模式期间，其中操作者希望起动核心燃气涡轮发动机13，螺线管204被激励，压下弹簧206，并使得第二离合器部分212以上游方向220移动且因而接触或接合第一离合器部分210。起动器102然后被致动，使得第一线轴40和第二线轴42旋转。当第一线轴40旋转时，如本领域已知的，燃料供应到待起动的核心燃气涡轮发动机13。
在第二操作模式中，在核心燃气涡轮发动机13运行之后，螺线管204被去激励，使得弹簧206以下游方向222推动第二离合器部分212，且因而从第一离合器部分210分离。在该模式中，仅第二线轴42驱动起动器102，且起动器102充当发电机以生产电力。
虽然致动器202在此描述为包括被激励以接合离合器200的螺线管204，应当认识到，螺线管204和弹簧206可以重新定位，使得螺线管204被去激励以接合离合器200且被激励以分离离合器200。此外，虽然离合器200描述为摩擦离合器，应当认识到，离合器200可以为能够将起动器102接合到第一线轴40的任何类型离合器。例如，离合器200可以为单向离合器或包括离合器组组件。
图5是具有纵轴线11的另一示范性燃气涡轮发动机组件300的截面图。燃气涡轮发动机组件300大致类似于图1所示的燃气涡轮发动机组件10。因此，也包含在图5中的图1中所示的项用相同的附图标记标识。在该实施例中，燃气涡轮发动机组件300为包括风扇组件12和核心燃气涡轮发动机13的多线轴发动机。
核心燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、布置在高压压缩机14下游的燃烧器16、和经由第一轴32联接到高压压缩机14的高压涡轮机18。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机组件300也包括布置在核心燃气涡轮发动机13下游的低压涡轮机20、和用于将风扇组件12联接到低压涡轮机20的轴31。燃气涡轮发动机组件300具有进气侧28和排气侧30。在示范性实施例中，燃气涡轮发动机组件300是三线轴发动机，其中高压压缩机14、高压涡轮机18和轴32形成第一线轴40，且风扇组件12、低压涡轮机20和轴31形成第二线轴42。
燃气涡轮发动机组件300也包括第三线轴46，第三线轴46包括在风扇组件12和高压压缩机14之间轴向布置的增压压缩机48、和布置在高压涡轮机18和低压涡轮机20之间的增压涡轮机50。第三线轴46也包括将增压压缩机48联接到增压涡轮机50的轴52。
操作中，空气流动通过风扇组件12，且空气流的第一部分被引通通过增压压缩机48。从增压压缩机48排出的压缩空气被引通通过压缩机14，其中空气流进一步压缩且输送到燃烧器16。来自燃烧器16的热燃烧产物(未示出)用于驱动涡轮机18、50和20。燃气涡轮发动机组件300可操作在设计工况和非设计工况之间的工况范围。
图6是可与包括图1所示的两线轴发动机10和图5所示的三线轴发动机的任何多线轴燃气涡轮发动机使用的另一示范性动力输出系统400的简图。如上文所讨论的，在选定的发动机操作期间，在此所述的每个示范性动力输出系统构造为连续地联接到燃气涡轮发动机的第二或第三线轴，且选择性地联接到第一线轴，即核心燃气涡轮发动机。
在该布置中，由于在典型的起动条件下，第一线轴40以不同于其他线轴(第二或第三线轴42或46)的旋转速度的旋转速度旋转，动力输出系统400构造为补偿不同的旋转速度。更具体地，在该实施例中，轴112包括靠近轴第二端132布置的第一小齿轮410和在轴112上从第一小齿轮410径向向外布置的第二小齿轮412。动力输出系统400也包括第一环形齿轮420，其联接到套管轴140且因而经由离合器200联接到第一线轴40。此外，动力输出系统400也包括第二环形齿轮422，在一个实施例中，如果采用两线轴发动机，第二环形齿轮422联接到轴31；或如果采用三线轴发动机，第二环形齿轮422联接到轴52。第一小齿轮410具有第一直径430，且在示范性实施例中，第二小齿轮412具有大于第一小齿轮直径430的第二直径432。环形齿轮420具有第一直径434，且在示范性实施例中，环形齿轮422具有大于第一环形齿轮直径434的第二直径436。第一和第二环形齿轮以及第一和第二小齿轮每个的直径每个基于由起动器102驱动或者驱动起动器102的部件的旋转速度选择。
例如，在该实施例中，由于环形齿轮422联接到第二线轴42或第三线轴46，在该实施例中第二线轴42或第三线轴46每个以小于第一线轴40的旋转速度的速度旋转，环形齿轮422的直径436大于环形齿轮420的直径434，以补偿第一线轴40与第二和第三线轴42和/或46之间的速度差。此外，联接到相应环形齿轮的每个相应的小齿轮也定尺寸为反应基于各个线轴旋转速度的所述增加的直径。因此，应当认识到，直径430、432、434和436基于第一和第二线轴和/或第三线轴40、42和/或46的旋转速度、以及希望的起动器容量或希望的发电机输出110选择。
图7是可与包括图1所示的两线轴发动机10和图5所示的三线轴发动机300的任何多线轴燃气涡轮发动机使用的另一示范性动力输出系统500的简图。在该布置中，动力输出系统500构造为联接到反向旋转的燃气涡轮发动机。具体而言，动力输出系统500构造为联接到燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机至少包括以第一方向旋转的第一线轴和以相反的第二方向旋转的第二线轴。在示范性实施例中，第一线轴40是核心发动机线轴，如果采用两线轴发动机10，第二线轴为第二线轴42，或如果采用三线轴发动机300，第二线轴为线轴46。
更具体地，为了将每个线轴联接到单轴112且因而驱动起动器102，第一环形齿轮420布置在第一小齿轮410的下游侧上。在该布置中，每个环形齿轮420和422将以单个旋转方向驱动轴112而至少两个线轴反向旋转。
在此描述的提供一种组装燃气涡轮发动机组件的方法。所述燃气涡轮发动机组件包括第一线轴，所述第一线轴包括高压压缩机、高压涡轮机、和联接在所述高压压缩机和高压涡轮机之间的轴；和与所述第一线轴同轴布置的第二线轴。该方法包括使用驱动轴将起动器联接到第二线轴，和将离合器组件联接在所述起动器和第一线轴之间，以便所述离合器组件构造为当起动燃气涡轮发动机组件时将起动器联接到第一线轴。
同样，在此所述的是一种燃气涡轮发动机组件，其构造为从发动机提取相对大数量的动力，同时在低的推力条件下操作发动机。具体而言，在此所述的燃气涡轮发动机组件包括双输入，即来自第一线轴40以及第二线轴42和第三线轴46的至少一个的输入，其可用于在地面起动期间驱动起动器102以旋转燃气涡轮发动机组件10的两个线轴。具体而言，在此所述的系统构造为从燃气涡轮发动机提取附加的电力，同时燃气涡轮发动机以低推力条件和/或某些飞行条件操作。
更具体地，在此所述的动力输出系统包括离合器组件，离合器组件可用于将第一线轴接合到起动器或将第一线轴从起动器分离，以便在第一模式期间起动器可以被接合以起动核心燃气涡轮发动机，且在第二模式期间起动器可以分离，使得起动器单独由第二线轴驱动且充当发电机从而产生电力。
对于飞行器/发动机任务，第二线轴提供大部分所需要的飞行器动力且也驱动适当的发动机附件。结果，附加的能量从包括增压涡轮或低压涡轮机的第二线轴提取以支撑不断增加的电力需求。具体而言，较新的飞行器设计为需要异常大量的电力由在发动机附属齿轮箱上的发电机供应。在空转条件期间，动力需求因而需要发动机以高于所希望的空转速度运行，以维持适当的压缩机失速裕量。这导致高于空转飞行降落点和地面空转条件所希望的水平的发动机推力水平，其具有飞行器制动器隐含的维护成本和对于典型的短范围任务的过多的燃料燃烧不利后果。
然而，在此所述的系统从第二线轴输出动力以提供大部分的动力需求。结果，在此所述的系统相对易于安装，且也提供对该问题的相对低重量的解决方案。此外，在此所述的系统允许在地面空转条件期间减少的推力以减少飞行器制动器维护、减少的污物吸收、以及对改进的飞行曲线的减少的飞行空转推力和改进的短范围燃料燃烧，同时在高动力提取条件期间仍维持足够的压缩机失速裕量。
虽然本发明已经关于各种具体实施例描述，本领域技术人员应当认识到，本发明能够以权利要求书的精神和范围内的修改实施。
零件列表
  10   燃气涡轮发动机组件
  11   中心轴线
  12   风扇组件
  13   核心燃气涡轮发动机
  14   高压压缩机
  16   燃烧器
  18   高压涡轮机
  20   低压涡轮机
  28   进气侧
  30   排气侧
  31   转子轴
  32   第一轴
  36   环形齿轮
  38   环形齿轮
  40   第一线轴
  42   第二线轴
  46   第三线轴
  48   增压压缩机
  50   增压涡轮机
  52   轴
  100   输出系统
  102   起动器
  110   马达/发电机
  112   轴
  130   第一端
  132   第二端
  134   小齿轮
  136   第一环形齿轮
  138   第二环形齿轮
  140   套管轴
  150   第一直径
  152   第二直径
  160   支撑结构
  162   风扇架
  170   第一推力轴承
  172   静止外部座圈
  174   内部座圈
  176   滚动元件
  180   第一滚柱轴承
  182   外部座圈
  184   内部座圈
  186   滚动元件
  190   第二滚柱轴承
  192   外部座圈
  194   内部座圈
  196   滚动元件
  200   离合器
  202   离合器致动器
  204   螺线管
  206   弹簧
  210   第一离合器部分
  212   第二离合器部分
  220   上游方向
  222   下游方向
  300   燃气涡轮发动机组件
  400   输出系统
  410   第一小齿轮
  412   第二小齿轮
  420   第一环形齿轮
  422   第二环形齿轮
 430   第一直径
 432   第二直径
 434   第一环形齿轮直径
 436   第二直径
 500   输出系统

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机组件(10)的动力输出系统(100、400、500)，所述燃气涡轮发动机包括第一线轴(40)和第二线轴(42)，所述动力输出系统包括：
联接到所述第二线轴的起动器(102)；和
联接在所述起动器和所述第一线轴之间的离合器组件(200)，所述离合器组件构造为当起动燃气涡轮发动机组件时将所述第一线轴联接到所述起动器。
2.根据权利要求1所述的动力输出系统(100、400、500)，其中所述第二线轴(42)包括布置在高压压缩机(14)上游的风扇组件(12)、布置在高压涡轮机(18)下游的低压涡轮机(20)、和联接在所述风扇组件和所述低压涡轮机(20)之间的轴。
3.根据权利要求1所述的动力输出系统(100、400、500)，其中所述第二线轴(42)包括布置在高压压缩机(14)上游的增压压缩机(48)、布置在高压涡轮机(18)下游的增压涡轮机(50)、和联接在所述增压压缩机和所述增压涡轮机之间的轴。
4.根据权利要求1所述的动力输出系统(100、400、500)，还包括：
驱动轴(52)，其具有联接到所述起动器(102)上的第一端(130)和第二端(132)；
联接到所述驱动轴第二端(132)的第一小齿轮(410)；和
联接到所述第一线轴(40)的第一环形齿轮(136、420)，所述第一小齿轮构造为与所述第一环形齿轮啮合。
5.根据权利要求4所述的动力输出系统(100、400、500)，还包括联接到所述第二线轴(42)的第二环形齿轮(138、422)，所述第二环形齿轮构造为与所述第一小齿轮(410)啮合。
6.根据权利要求5所述的动力输出系统(100、400、500)，其中所述第一环形齿轮(136、420)具有第一直径(430)，且所述二环形齿轮(138、422)具有小于所述第一环形齿轮直径的第二直径(432)，以便所述驱动轴(52)以角α从中心轴线(11)偏移。
7.根据权利要求4所述的动力输出系统(100、400、500)，其中所述动力输出系统还包括：
联接到所述第二线轴(42)的第二环形齿轮(138、422)；和
联接到所述驱动轴(52)的第二小齿轮(412)，所述第二小齿轮在所述驱动轴上从所述第一小齿轮(410)径向向外布置且构造为与所述第二环形齿轮啮合。
8.根据权利要求4所述的动力输出系统(100、400、500)，其中所述第一环形齿轮(136、420)具有第一直径(430)，且所述二环形齿轮(138、422)具有小于所述第一环形齿轮直径的第二直径(432)；且所述第一小齿轮(410)具有第一直径，并且所述第二小齿轮(412)具有大于所述第一直径的第二直径。
9.根据权利要求1所述的动力输出系统(100、400、500)，其中所述起动器(102)包括联接到所述第一和第二线轴(40、42)的至少一个的马达/发电机(110)，所述马达/发电机构造为当以第一模式操作时旋转所述核心燃气涡轮发动机(13)，且当以第二模式操作时产生电力。
10.一种燃气涡轮发动机组件(10)，包括：
第一线轴(40)，其包括高压压缩机(14)、高压涡轮机(18)、和联接在所述高压压缩机和所述高压涡轮机之间的轴(32)；
与所述第一线轴同轴布置的第二线轴(42)；和
包括起动器的动力输出系统(100、400、500)，所述起动器可旋转地联接到所述第二线轴，且当起动燃气涡轮发动机组件时选择性地联接到所述第一线轴。
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