CN101652535A - 用于瞬时加速和减速阶段的辅助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具体用于直升机的涡轮轴发动机(10)，并且包括气体发生器(12)和受到气体发生器所产生的气流(F)驱动而旋转的自由涡轮(14)。该涡轮轴发动机(10)还包括与气体发生器(12)的轴(18)连接的电动机/发电器(30)，用于在涡轮轴发动机(10)的加速阶段向轴(18)提供一定量附加旋转动能，或者在涡轮发动机的减速阶段从轴(18)转移一定量旋转动能。

Description

用于瞬时加速和减速阶段的辅助装置
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，具体地本发明涉及例如直升机等飞行器的涡轮发动机。
更具体地，本发明涉及具体用于直升机的涡轮发动机，该发动机包括气体发生器和自由涡轮，该自由涡轮受到气体发生器所产生的气流驱动而旋转。
背景技术
传统上，气体发生器包括在旋转时连接在一起的至少一个离心压缩机和涡轮。操作如下：进入涡轮发动机的冷却空气在被送入与燃料进行混合的燃烧室之前由于压缩机的旋转而受到压缩。然后，燃烧室中的燃烧气体以高速向气体发生器的涡轮排出。
然后，在气体发生器的涡轮中发生第一膨胀，在该膨胀期间所述涡轮提取驱动压缩机所需的能量。
气体发生器的涡轮不能吸取燃烧气体的所有能量，剩余能量构成气体发生器产生的气流。
因此，气体发生器向自由涡轮提供动能，从而气体在自由涡轮中发生第二膨胀，该自由涡轮将气体能量转变为旋转动能以驱动接收单元，例如直升机的转子。
自然地，涡轮发动机的目的在于在所定限制内操作，并且涡轮发动机通过主要作用在注入到燃烧室内的燃料的流速来保持在这种限制内。
因此，在涡轮发动机加速阶段，尤其在航行时，根据飞行员的动力需求，增加注入到燃烧室中的燃料的速率，这具有如下效果：即增大所产生的气流，随后增大传输到自由涡轮的功率。
然而，必须在一定限制内出现加速，以便避免产生会对涡轮发动机造成损坏的喘振现象(surge phenomenon)。该现象会在如下情况下产生：加速太突然，以及由于燃料流速过高造成燃料室下游的压力变得高于上游的压力，即压缩机所传输的被压缩空气的压力。在这种情况下，第一膨胀不仅在下游发生，而且还在上游发生，使得燃烧气体的流速变为0而且压缩机中的压力降低。
众所周知，喘振现象会对构成涡轮发动机的部件以及涡轮发动机所传输的动力造成有害后果。
因为加速的瞬时阶段需要燃料流速的显著增加，所以通常提供足够大的裕度(被称为喘振裕度)以使涡轮发动机不在工作范围内出现喘振的情况下工作。
因此，可以理解到这种涡轮发动机的加速性能受到该喘振裕度的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供具有较高加速性能并同时具有与现有技术涡轮发动机相同的喘振裕度的直升机涡轮发动机。
本发明利用如下事实实现上述目的：所述涡轮发动机包括与气体发生器轴连接的辅助电动机，所述辅助电动机在所述涡轮发动机的加速阶段将附加量的旋转动能传输到轴上。
气体发生器轴是安装有压缩机和涡轮的轴。
在本发明的涵义内，辅助电动机完全独立于燃烧室和所述气体发生器的涡轮所构成的组件，即辅助电动机构成了辅助气体发生器的元件。
因此，通过形成用于辅助涡轮发动机加速的装置，所述辅助电动机适于在加速阶段将附加扭矩传递到气体发生器轴上，从而通过提高燃料流速并且利用传递附加扭矩的辅助电动机而有利地获得涡轮发动机的总加速度。
有利地，由于存在辅助电动机并且辅助电动机传输额外的加速，所以增加燃料流速来将涡轮发动机加速的需要较少。
因此，应该理解到，本发明的涡轮发动机具有比现有技术涡轮发动机的加速度水平大的加速度，同时还具有相同的喘振裕度。
作为另一种选择，本发明的另一个优点是能够设计喘振裕度较小的涡轮发动机，从而有利地减小涡轮发动机的尺寸。
还应该理解到，借助于本发明，由于减小了加速所需的燃料的溢流速度，所以涡轮发动机的热部的温度有利地较低。
最后，不论直升机所在的高度为多少，本发明的涡轮发动机适于有利地提供恒定水平的加速度。
在第一实施例中，辅助电动机是电动机。
在第一变型中，辅助电动机由电池供电。
在另一个有利变型中，电动机由受自由涡轮驱动旋转的第一发电机供电。
在这种情况下，确定适于将旋转运动转变为电能发电机的大小，以仅吸取自由涡轮轴的扭矩的一小部分，扭矩的主要部分自然用于在旋转时驱动直升机转子。
如果需要，所述发电机还可以与升压电池相关联。
在另一个有利的变型中，电动机由受直升机的转子驱动旋转的第一发电机供电。
为了实现此目的，与转子的总旋转能量相比，第一发电机从转子吸取一定量的旋转动能以将该动能转换成电能，以向与气体发生器轴连接的电气辅助电动机供电。
直升机转子用作具有大惯量的飞轮，使得从转子吸取的能量不会显著地妨碍直升机飞行。
在另一个实施例中，辅助电动机是液压电动机。
此外，在现有技术涡轮发动机操作的上述背景下，通过显著减小燃料流速来执行减速。
与加速一样，减速必须在一定限制内。
太突然地减小燃料流速会造成涡轮发动机熄火，为此还提供了熄火裕度。
因此，应该理解到，在现有技术中，因为存在发动机熄火的危险，因此传输到直升机上的动力不能减小得太快。
本发明的另一个目的是提供减速性能较好的涡轮发动机。
本发明利用如下事实来实现该目的：本发明的涡轮发动机还包括减速辅助装置，所述减速辅助装置在所述涡轮发动机的减速阶段从所述气体发生器轴吸取一定量的旋转动能。
这些辅助装置是辅助式的，即这些辅助装置独立于由所述燃烧室和所述气体发生器的涡轮形成的组件。
此外，这些辅助装置通过减少气体发生器轴的旋转能量来将涡轮发动机减速。换句话说，这些辅助装置用作一种机械制动器。
这样，借助于本发明，可以在不会过量地减小燃料流速的情况下，即在不存在涡轮发动机停止工作的危险的情况下，更快速地减少发生器的轴的转速。
以有利的方式，减速辅助装置包括与气体发生器轴连接的第二发电机。
在减速阶段，启动第二发电机从而吸取气体发生器轴的旋转能量的一部分以将该能量转换成电能。
优选地，但不一定地，减速辅助装置还包括储能单元，储能单元以电能的形式存储被发电机吸取的动能。
这样，所存储的能量可以被直升机的电气装置(以更尤其有利的方式，为辅助电动机)再利用。在该实例中，储能单元可以有利地构成辅助电动机的电池。
换句话说，在减速阶段由储能单元存储的能量可以有利地用于在加速阶段向辅助电动机供电。
有利地，减速辅助装置还包括与直升机的转子连接的第二电动机，转子由发电机供电，从而将发电机吸取的一定量动能以旋转动能的形式存储在直升机的转子中。
从而，在减速阶段，与所述转子连接的第二电动机将与所述气体发生器轴连接的第二发电机所传输的电力转换成机械能量，该机械能量存储在用作飞轮的转子中。
更有利地，辅助电动机还能够作为发电机工作，使得从而减速辅助转子包括作为发电机工作的电动机。
在另一个有利实施例中，与转子连接的第二电动机还能够作为发电机工作，发电机用于向与气体发生器轴连接的辅助电动机供电。
在本发明的另一个变型中，减速辅助转子还包括与气体发生器轴连接的液压泵。
附图说明
通过阅读下文通过非限制实例对实施例进行的说明，可以更好地理解本发明并且更清楚地看到其优点。参照附图进行说明，其中：
图1示出了根据本发明的直升机涡轮发动机，该直升机涡轮发动机包括与气体发生器轴连接的辅助电动机以向气体发生器轴提供附加的旋转动能；
图2是示出了本发明第二实施例的视图，在该实施例中，从转子吸取传输到气体发生器轴上的能量，从气体发生器轴吸取的能量可以存储在转子中；以及
图3示出了本发明第三实施例，其中，辅助电动机是液压电动机，减速辅助装置包括液压泵。
具体实施方式
图1是示出了构成本发明第一实施例并且尤其用于驱动直升机转子(未示出)旋转的涡轮发动机10的视图，涡轮发动机10包括气体发生器12和自由涡轮14，自由涡轮14能够受到气体发生器12所产生的气流F驱动而旋转。
自由涡轮14安装在轴16上，轴16将旋转运动传递至接收单元，例如直升机的主转子。
如图1所示的涡轮发动机10是后输出型的。可以考虑采用如下的涡轮发动机：即具有用外轴转移的前输出型自由涡轮的涡轮发动机、或者具有用同轴轴转移的前输出型自由涡轮的涡轮发动机，这并没有超出本发明的范围。
气体发生器包括旋转轴18，当沿着旋转轴18的轴线考虑气体发生器12时，在旋转轴18上安装离心压缩机20、涡轮22和在轴向上布置在压缩机20与涡轮22之间的燃烧室24。
涡轮发动机10具有设置有进气口28的壳体26，冷却空气通过该进气口进入气体发生器12。
在进入气体发生器12的罩子之后，冷却空气被离心压缩机20压缩，该离心压缩机将空气传输到将空气与燃料进行混合的燃烧室24的入口。
在燃烧室24中发生的燃烧使燃烧气体以高速向涡轮22排出，从而具有如下效果：即驱动气体发生器12的轴18旋转，并由此驱动离心压缩机20旋转。
气体发生器12的轴18的转速由进入燃烧室24的燃料的流速来决定。
即使涡轮22提取了动能，气体发生器的气流F也具有大量的能量。
可以从图1理解到，气流F被导向自由涡轮14，从而使得气体在自由涡轮14中膨胀，这使得涡轮和轴16旋转。
根据本发明，涡轮发动机有利地包括与气体发生器12的轴18的一端连接的辅助电动机30。
在如图1所示的第一实施例中，辅助电动机30是由储能单元32供电的电动机，储能单元优选是包括电池、超大电容组或两者的组合的类型。
在涡轮发动机加速阶段，以向气体发生器12的轴有利地提供附加旋转动能的方式启动电动机30，因此可以用辅助电动机30帮助气体发生器加速。
然后，随着气体发生器的轴18的速度更快速地增加，使自由涡轮14的轴16加速的涡轮14可供应的动力更快速地增加。
因此，以尤其有利的方式，由辅助电动机30传输的附加扭矩可以增加转子的加速度，从而改善直升机的机动性。
以有利的方式，电动机30还可以由与自由涡轮14的轴16连接的第一发电机34供电。
优选地，第一发电机34以能够对所述储能单元32再充电的方式与储能单元32连接。
如图1所示的涡轮发动机10还包括减速辅助装置，所述减速辅助装置的目的在于在涡轮发动机10的减速阶段从气体发生器12的轴18吸取一定量的旋转动能。
这些减速装置包括第二发电机，该第二发电机优选地但不一定由电动机30构成。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以提供采用独立于电动机30的单元形式的第二发电机。
然而，在目前说明的实施例中，电动机30还适于用作发电机。此外这种电动机/发电机是众所周知的，不再详述。
处于简洁的目的，能够作为发电机操作的电动机30在以下的详细说明中被称为“电动机/发电机30”。
当电动机/发电机30作为发电机操作时，从气体发生器12的轴18吸取一定量的旋转动能以将旋转动能转换成电能。
因此，轴18的旋转动能减小，因此，与仅通过减小燃料流速来执行减速过程的传统方式相比，气体发生器12的轴18减速更快。
以有利的方式，优选地将电动机/发电机30产生的电能存储到储能单元32中，以(尤其是)在工作在电动机模式下的电动机/发电机30供能的辅助加速过程中再用。
优选地，以控制电动机/发电机30与储能单元32之间的电能交换的方式，将转换器和电控装置设置在储能单元32与电动机/发电机30之间。
以有利的方式，电动机/发电机30的目的在于在启动涡轮发动机时启动气体发生器(即，驱动气体发生器旋转)。
概括地讲，与已知涡轮发动机相比，本发明第一实施例的涡轮发动机10还包括电动机/发电机30，该电动机/发电机30与储能单元32电连接并同时与气体发生器12的轴18机械连接，储能单元32能够在涡轮发动机的加速阶段对电动机/发电机供电以向轴18提供一定量附加旋转动能，并且还能够在涡轮发动机的减速阶段将电动机/发电机30从气体发生器18吸取的一定量动能存储为电能。
图2是本发明涡轮发动机110的第二实施例的视图。
在该第二实施例中，涡轮发动机110有利地包括能够将一定量附加能量传输到气体发生器112的轴118上的第一辅助电动机130。
第一电动机130有利地由第一发电机140供电，第一发电机140与直升机的转子144的轴142连接，在直升机中，涡轮发动机110安装成将转子144的轴142连接到涡轮发动机110的自由涡轮的轴上。
换句话说，借助于第一发电机140从转子144吸取一定量旋转动能，并且将旋转动能转变成电能。
显然，得保证抽取的能量的量比转子144的旋转动能小得多，并且由于转子具有高水平的动能因此这不会造成任何具体的问题。
从而，在本发明中，在涡轮发动机的加速阶段，从转子144吸取能量并且将能量传递到气体发生器112的轴118上，从而使涡轮发动机110的加速度有利地增加。
如图2所示，涡轮发动机110还包括根据本发明减速辅助装置，从而可以有利地增加涡轮发动机的减速速率，减速辅助装置包括与气体发生器112的轴118连接的第二发电机146、以及与转子144的轴142连接的第二电动机148。
当启动第二发电机146时，第二发电机从气体发生器的轴118吸取一定量旋转动能以将动能转换成电能。该电能被传递到第二电动机148上，然后电能被转换成机械能以将机械能传递到转子144的轴142上。
因此，可以理解到，在本发明中，在减速阶段，将从气体发生器112的轴118吸取的能量有利地以旋转动能的形式存储在转子144上并且可以有利地进行再利用以在涡轮发动机的加速阶段启动第一电动机。
优选地，第一电动机130和第二发电机146构成单个装置，即第一电动机/发电机150，并且第一发电机140和第二电动机148也优选地构成单个电装置，即第二电动机/发电机152，各个电动机/发电机是能够作为发电机操作的电动机。
下文参照图3描述根据本发明的涡轮发动机210的第三实施例。
在该附图中，任何与如图1所示的元件相同的元件的附图标记是原附图标记加200。
与第一实施例相似，涡轮发动机210包括设置有轴218的气体发生器212、以及具有轴216的自由涡轮214。
根据本发明，涡轮发动机210包括与气体发生器212的轴218连接的液压辅助电动机260，该液压辅助电动机的目的在于在涡轮发动机212的加速阶段向气体发生器212的轴218提供一定量旋转动能。
该电动机260可以由布置在直升机中的液压源供电，即由与自由涡轮214的轴216连接的第一泵262或任何其它储能装置(优选地为液压蓄电池261)供电。
在该实施例中，涡轮发动机210优选地还包括减速辅助装置，该减速辅助装置包括与气体发生器212的轴218连接的第二液压泵，该第二泵的目的在于以增加涡轮发动机210的减速水平的方式从气体发生器的轴218吸取一定量动能。优选地，第二液压泵由以反向模式(inversemode)工作(即用作泵)的液压电动机260构成。因此可以理解到液压泵等同于液压“发电机”。因此抽取的能量能够以液压能量的形式被存储到制动液压蓄电池261中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种飞行器的涡轮发动机(10)，所述涡轮发动机包括气体发生器(12)和以旋转方式受到所述气体发生器所产生的气流(F)驱动的自由涡轮(14)，所述涡轮发动机的特征在于，所述涡轮发动机还包括电动机/发电机(30)，所述电动机/发电机(30)与储能单元(32)电连接并同时与所述气体发生器(12)的轴(18)机械连接，所述储能单元首先能够在涡轮发动机加速阶段向所述电动机/发电机(30)供电以向所述轴(18)提供一定量附加旋转动能，其次能够在涡轮发动机减速阶段以电能形式存储由所述电动机/发电机(30)从所述气体发生器轴吸收的一定量动能，所述储能单元(32)还能够被与所述自由涡轮(14)的轴(16)连接的第一发电机(34)再充电。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
其还包括设置在所述电动机/发电机(30)与所述储能单元(32)之间的变换器和电控装置。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
所述储能单元(32)是电池或超大电容组或两者的组合。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
所述电动机/发电机趋向于在启动所述涡轮发动机的同时启动所述气体发生器。

Claims (5)

1.一种具体用于直升机的涡轮发动机(10)，所述涡轮发动机包括气体发生器(12)和受到所述气体发生器产生的气流(F)驱动而旋转的自由涡轮(14)，所述涡轮发动机的特征在于，所述涡轮发动机还包括电动机/发电机(30)，所述电动机/发电机(30)与储能单元(32)电连接并同时与所述气体发生器(12)的轴(18)机械连接，所述储能单元首先能够在涡轮发动机的加速阶段向所述电动机/发电机(30)供电以向所述轴(18)提供一定量附加旋转动能，其次能够在涡轮发动机的减速阶段以电能形式存储由所述电动机/发电机(30)从所述气体发生器轴吸取的一定量动能。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
所述储能单元(32)还能够被与所述自由涡轮(14)的轴(16)连接的第一发电机(34)再充电。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
还包括设置在所述电动机/发电机(30)与所述储能单元(32)之间的变换器和电控装置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
所述储能单元(32)是电池或超大电容组或两者的组合。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，
所述电动机/发电机趋向于在启动所述涡轮发动机的同时启动所述气体发生器。
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