CN101981276B - 包括可逆式电机的涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及专门用于直升机的涡轮发动机(10)，其包括气体发生器(12)和由气体发生器所生成的气流(F)驱动而旋转的自由涡轮(14)，其中涡轮发动机还包括可以耦接到气体发生器的可逆式电机(30)，所述可逆式电机能够在涡轮发动机启动阶段使气体发生器旋转。本发明的特征在于：可逆式电机(30)还可以在涡轮发动机启动之后耦接到自由涡轮(14)用以生成电力。

Description

包括可逆式电机的涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮领域，尤其涉及用于直升机、飞机之类航空器的涡轮发动机和涡轮螺旋桨发动机领域以及这些类型的发动机的其他可能应用领域。

本发明尤其涉及一种专门用于直升机的涡轮发动机，该涡轮发动机包括气体发生器和由气体发生器所生成的气流驱动而旋转的自由涡轮，该涡轮发动机还包括耦接到气体发生器的可逆式电机，所述可逆式电机适于在涡轮发动机启动阶段使气体发生器旋转。

背景技术

通常，气体发生器包括耦接在一起旋转的至少一个压缩机和涡轮。工作原理如下：进入涡轮发动机的新鲜空气在输送到与燃料混合的燃烧室之前由于压缩机的旋转而被压缩。燃烧过的气体随后被高速排出。

随后，这种气体最初在气体发生器的涡轮中膨胀，使得涡轮从中提取出驱动压缩机所需的能量。

气体发生器的涡轮没有吸收燃烧过的气体的所有动能，剩余的动能相当于气体发生器所生成的气流。

该气流由此把动能提供给自由涡轮，使得气体在自由涡轮中二次膨胀，用于把其动能转换成机械能以驱动从动部件，诸如直升机转子。

在启动涡轮发动机时，需要驱动气体发生器旋转，换言之驱动耦接到涡轮的压缩机旋转。如上所述，这是可逆式电机的一个具体作用，这本身是从其他地方可以知道的，并且电动机通常还适于作为发电机工作在可逆方式。

通过使用作为电动机工作来驱动压缩机旋转的可逆式电机，可以使得空气流经压缩机并且由此把压缩空气引入燃烧室从而开始燃烧。

燃烧随后产生能使涡轮被驱动旋转的气流，由此涡轮直接驱动压缩机旋转，这意味着气体发生器以独立(self contained)方式工作，换言之涡轮发动机确实已经启动。

已知的是，装配这种涡轮发动机的航空器包括需要电力供电的电气装备。

例如，在直升机中，需要为装配的诸如像电子控件器、暖气、空调、机械绞盘之类的电气装备提供电力。

到目前为止，在飞行中，已经使用可逆式电机来为电气装备输送电力。为此，如文献EP 1712761所述，电机作为发电机工作并且由气体发生器驱动旋转，将从气体发生器获取的旋转动能转换成电能。

然而，在直升机中，从气体发生器获取动能包含以下不足。

在飞行中，改变电机从气体发生器获取的机械能的量导致发动机的运行线在压缩机范围中的移位。

该移位对应于需要得到保证的抽运余量(pumping margin)，从而产生以下结果：

·阻止以最佳压缩比使用压缩机，使发动机运行线的最优化变得恶化；以及

·从而降低了稳定性能，影响具体的耗油量。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种专门用于直升机的涡轮发动机以弥补上述不足。

本发明通过以下事实实现上述目的，可逆式电机还被设计成在涡轮发动机启动后耦接到自由涡轮从而生成电力。

换言之，在飞行中，作为发电机工作的可逆式电机的旋转有利地由自由涡轮驱动，使得有利地从自由涡轮得到用于转换成电能的动能。

发明人观察到，与从气体发生器获取动能相比，从自由涡轮得到相同量的动能对涡轮发动机效率的影响明显较小。这是由于这种涡轮发动机的热力学循环的特殊结构造成的。

结果，本发明的涡轮发动机在不过多地降低发动机效率的情况下能够有利地提供电力。

此外，在飞行中，装配了本发明的涡轮发动机的直升机的飞行能力受到较小影响，只要保持气体发生器的用于加速的性能即可。

此外，在本发明中，用于启动气体发生器和提供电力的是同一个可逆式电机。

有利地，可逆式电机经由第一可停用耦接装置耦接到气体发生器的轴部，所述可逆式电机经由第二可停用耦接装置耦接到自由涡轮的轴部，并且第一和第二耦接装置被配置成不同时激活。

术语“可停用耦接装置”用来表示所述耦接装置可以位于激活位置上，其中连接到所述耦接装置的部件耦接在一起，或者位于停用位置上，其中所述部件断开耦接，应当理解的是，术语“部件”涵盖了电机、气体发生器和自由涡轮。

在本发明中，在第一耦接装置被激活时，第二耦接装置被停用，即，可逆式电机与气体发生器耦接的同时与自由涡轮断开耦接，相反地，在第二耦接装置被激活时，第一耦接装置被停用，即电机耦接到自由涡轮的同时与气体发生器的断开耦接。

在不超出本发明的范围的情况下，还可以提供中间位置，在该位置处，第一和第二耦接装置同时被停用。

根据本发明，在第一耦接装置被激活时，可逆式电机作为电动机工作，以在启动涡轮发动机时驱动气体发生器旋转。

相应地，在第二耦接装置被激活时，可逆式电机作为发电机工作，从而通过从自由涡轮得到动能来产生电力，这发生在涡轮发动机启动之后，即基本上处于在飞行中。

因为第一和第二耦接装置不会被同时激活，所以不会有出现自由涡轮驱动气体发生器旋转的危害情况的危险。

有利地，第一耦接装置和/或第二耦接装置包括自由轮。

使用自由轮的优势在于，不需要外部操作者以电子方式或机械方式控制自由轮。

这种自由轮通常由轮毂和安装在轮毂上用于旋转的外围套环。轮毂可以驱动外围套环旋转，但是反过来外围套环不可以驱动轮毂。因而，只有在轮毂在被称作“啮合方向”的预定方向转动时才可以驱动套环。另外，轮毂和外围套环彼此自由旋转。

具体地说，在自由轮的轮毂驱动外围套环旋转时，可停用耦接装置被激活，相反地，在自由轮的轮毂没有驱动外围套环旋转时，可停用耦接装置被停用。

优选地，第一耦接装置包括第一自由轮，第二耦接装置包括第二自由轮，并且第一和第二自由轮相对地安装。

术语“相对地安装”用来表示第一自由轮可以传送来自电机的旋转扭矩，而第二自由轮可以把旋转扭矩传送给电机。

有利地，第一耦接装置和/或第二耦接装置还包括减速齿轮。

术语“减速齿轮”用来表示一个或多个减速级，例如包括齿轮系。从其他方面可以了解这种减速齿轮。

由于气体发生器和自由涡轮通常旋转得比可逆式电机快得多，所以减速齿轮用于使可逆式电机的转速与自由涡轮和气体发生器的速度相匹配。

有利地，第一耦接装置包括具有第一减速系数的第一减速齿轮，而第二耦接装置包括具有第二减速系数的第二减速齿轮，并且第一和第二减速系数的比值小于第一极限值。

优选地，选择第一极限值使得第一和第二自由轮不同时啮合。

优选地，第一极限值与气体发生器的标称速度和自由涡轮的标称速度的比值成比例。优选地，比例系数严格地小于1。

在本发明的另一实施例中，可逆式电机还适于耦接到气体发生器从而用于产生电力。

优选地，可逆式电机适于在涡轮发动机启动之后和在自由涡轮以低速旋转或者实际被阻止时耦接到气体发生器，使得作为发电机工作的可逆式电机通过从气体发生器得到动能有利地输送电力。

有利地，可逆式电机适于通过第三可停用耦接装置耦接到气体发生器的轴部，并且以每次仅激活第一耦接装置、第二耦接装置和第三耦接装置中的一个的方式配置所述耦接装置。

换言之，在第三耦接装置被激活时，第一和第二耦接装置被停用，即可逆式电机仅经由第三耦接装置耦接到气体发生器，同时与自由涡轮断开耦接。

优选地，第三耦接装置不同于第一耦接装置。

优选地，第三耦接装置包括第三自由轮。

有利地，第一和第三自由轮被相对地安装。

因此，第一和第三自由轮不会同时啮合。

优选地，但并非必须地，第三耦接装置还包括齿式离合器形成装置。

在这种情况下，齿式离合器用于激活或停用第三耦接装置，同时第三自由轮有利于离合器接合和离合器分开，只要以零扭矩执行这些动作即可。

在另一变型实施例中，第三耦接装置包括代替齿式离合器和第三自由轮的液压耦接器。

在本发明的涡轮发动机具有三个自由轮时，第三耦接装置还有利地包括具有第三减速系数的第三减速齿轮，并且第二减速系数和第三减速系数的比值大于第二极限值。

以在飞行中气体发生器不驱动作为发电机工作的可逆式电机旋转的方式选择第二极限值。

优选地，该第二极限值与气体发生器的标称速度和自由涡轮的标称速度的比值成比例。

优选地，比例系数严格地大于1。

附图说明

在阅读作为非限定示例给出的实施例的以下描述时，可以更好地理解本发明并且更好地展示其优势。该描述参考附图，其中：

图1是本发明的涡轮发动机的截面图；

图2是本发明的第一实施例的示意图，其中涡轮发动机包括第一和第二耦接装置；

图3是本发明的第二实施例的示意图，其中涡轮发动机包括第一、第二和第三耦接装置；以及

图4是如图3所示的本发明的第二实施例的示意图，其中耦接装置还包括齿式离合器。

具体实施方式

图1是构成本发明第一实施例的专用于旋转直升机转子(未示出)的涡轮发动机10的示意图，涡轮发动机10包括气体发生器12和适于通过气体发生器12所产生的气流来驱动而旋转的自由涡轮14。

自由涡轮14安装在轴部16上，轴部16把旋转运动传送到诸如直升机主转子之类的从动部件。

图1所示的涡轮发动机10属于把从前端排出的能量经由共轴输送的类型。在不超出本发明的范围的情况下，自由涡轮式涡轮发动机完全可以属于通过外轴输送前端排出的能量的类型，或者实际上可以是属于在后端排出能量的类型的自由涡轮式涡轮发动机。

气体发生器包括转轴18和燃烧室24，转轴18具有安装在其上的压缩机20和涡轮22，在沿转轴18的轴向看气体发生器12时，燃烧室24在轴向上位于压缩机20与涡轮22之间。

涡轮发动机10呈现有外壳26，外壳配备有空气入口28，新鲜空气通过该空气入口28进入气体发生器12中。

新鲜空气在进入到气体发生器12的壳体之后由压缩机20压缩，压缩机将新鲜空气输送到燃烧室24的入口从而使之与燃料混合。

在燃烧室24发生的燃烧使得燃烧过的气体以高速向涡轮22排出，从而有驱动气体发生器12的转轴18旋转的效果，由此驱动压缩机20。

气体发生器12的转轴18的转速由燃料进入到燃烧室24的流速来确定。

尽管动能被涡轮22吸取，但是离开气体发生器的气流呈现出巨大的动能。

从图1中可以理解的是，气流F被导向自由涡轮14，从而具有使气体在自由涡轮14内膨胀的效果，由此使涡轮叶轮和轴部16处于旋转状态。

涡轮发动机10还包括可逆式电机30，该可逆式电机30具体由适于作为发电机逆向工作的电动机组成。

可逆式电机30经由第一可停用耦接装置32以机械方式耦接到气体发生器12的转轴18。

更准确地说，如图2所示，第一可停用耦接装置32包括第一自由轮34和第一减速齿轮36，第一减速齿轮36优选地包括具有第一减速系数K1并且位于转轴18与第一自由轮34之间。

以下列方式安装第一自由轮：在可逆式电机30作为电动机工作时(第一耦接装置被激活)可逆式电机30的转轴38的旋转能够驱动气体发生器12的转轴18旋转，相反，气体发生器12的转轴18的旋转不会驱动可逆式电机30的转轴38的旋转(第一耦接装置被停用)。

换言之，第一自由轮34只能够把旋转扭矩从可逆式电机30传送到气体发生器12，但不能将旋转扭矩从气体发生器12传送到可逆式电机30。

因而，可逆式电机30的转轴38的旋转适于驱动气体发生器12的转轴18的旋转从而使其启动。一旦气体发生器12启动，可逆式电机不再驱动气体发生器12的旋转。

有利地，选择第一减速系数K1使得可逆式电机的速度与启动发动机所需的速度范围相匹配。

根据本发明，可逆式电机30还适于有利地经由第二耦接装置40耦接到自由涡轮14，使得所述可逆式电机在作为发电机工作时适于由自由涡轮14驱动旋转从而提供电力。

如图2所示，第二耦接装置40包括第二自由轮42，第二自由轮42类似于第一自由轮34并且连接到可逆式电机的转轴38。

第二耦接装置40还包括位于第二自由轮42与自由涡轮的轴部16之间的第二减速齿轮44。

第二减速齿轮44具有按照将可逆式电机的速度调整到使其提供电力所需的速度范围的方式选择的第二减速系数K2。

安装第二自由轮42使得其仅能够把旋转扭矩从自由涡轮14的轴部16向电机30的转轴传送。

换言之，由于第二自由轮，可逆式电机30可以由自由涡轮14驱动(第二耦接装置被激活)但不能驱动所述自由涡轮(第二耦接装置被停用)。

在自由涡轮14驱动可逆式电机30旋转时，电机作为发电机工作并且产生电力。

如图2所示，第一和第二自由轮被相对地安装。

具体地说，第一和第二自由轮呈现出相反的啮合方向。

因而，在作为电动机工作的可逆式电机驱动气体发生器的转轴18旋转时(第一自由轮啮合，即，第一耦接装置被激活)，第二自由轮没有把旋转扭矩从可逆式电机传送到自由涡轮14的轴部16(第二耦接装置被停用)。

相反地，在自由涡轮14的轴部16驱动作为发电机工作的可逆式电机30的转轴38旋转时(第二自由轮啮合，即第二耦接装置被激活)，布置成第一自由轮不把旋转扭矩从可逆式电机的转轴38传送到气体发生器的转轴18(第一耦接装置被停用)。

如图2所示，第一自由轮和第二自由轮均连接到可逆式电机30的转轴38。

为了避免自由涡轮14驱动气体发生器12的转轴18旋转，需要第一自由轮不被啮合。

为此，可以如下以任选方式选择第一和第二减速齿轮的减速系数K1和K2，例如：

$\frac{K1}{K2}<{\mathrm{\&lambda;}}_{\min }*\frac{|100\%\mathrm{NG}|}{|100\%\mathrm{NTL}|}$

其中：

·100％NG为气体发生器12的转轴18的标称转速；

·100％NTL为自由涡轮14的轴部16的标称转速；以及

·λ_min为比例系数，优选地等于最小比值：

$\frac{\mathrm{NG}\left(t\right)}{\mathrm{NTL}\left(t\right)},\&ForAll;t.$

换言之，第一和第二减速系数K1和K2的比值小于第一极限值L1，其中

$L1={\mathrm{\&lambda;}}_{\min }*\frac{|100\%\mathrm{NG}|}{|100\%\mathrm{NTL}|}$

对于第一极限值L1来说，本发明人发现在涡轮发动机工作期间，第一和第二耦接转轴从未同时被激活。

参考图3，对本发明的第二实施例进行说明。

本发明的第二实施例中的涡轮发动机与图2的第一实施例不同之处在于，可逆式电机30还适于耦接到气体发生器的转轴18，具体说是经由第三可停用耦接转轴50耦接到气体发生器的转轴18，第三可停用耦接转轴50适于在气体发生器12的转轴18与作为发电机工作的可逆式电机30的转轴38之间传送旋转扭矩，从而有利地在自由涡轮旋转得没有快到使可逆式电机30能够生成电力时来产生电力。

例如，把第三耦接转轴50布置成在自由涡轮14被阻止或者低速转动时，特别是在直升机位于地面时要被激活。

在这种情况下，气体发生器12由此驱动电机30的旋转从而产生电力，要强调的是，由于直升机位于地面，所以在这种情况下，没有发生直升机的上述飞行问题。

有利地，第一、第二和第三耦接装置被配置成每次仅激活所述耦接装置中的一个。

具体地说，在第三耦接装置50被激活时，即在气体发生器驱动可逆式电机旋转以用作发电机时，第一耦接装置32和第二耦接装置40被停用。

如图3所示，第三耦接装置50包括第三自由轮52和第三减速齿轮54，第三自由轮52优选地类似于第一自由轮3，第三减速齿轮54具有第三减速系数K3，并置于第三自由轮52与气体发生器12的转轴18之间。

具体地说，第三耦接装置50的工作原理类似于第一耦接装置和第二耦接装置的工作原理。

为了确保在飞行中气体发生器12不驱动作为发电机工作的可逆式电机30的旋转，除了有关减速系数K1和K2的上述条件之外，如下选择减速系数K2和K3是适当的：

$\frac{K3}{K2}>{\mathrm{\&beta;}}_{\max }*\frac{|100\%\mathrm{NG}|}{|100\%\mathrm{NTL}|}$

其中β_max为比例系数，优选地等于最大比值：

$\frac{\mathrm{NG}\left(t\right)}{\mathrm{NTL}\left(t\right)},\&ForAll;t$

换言之，第三和第二减速系数K3和K2的比值大于第二极限值L2，其中：

$L2={\mathrm{\&beta;}}_{\max }*\frac{|100\%\mathrm{NG}|}{|100\%\mathrm{NTL}|}$

对于该第二极限值L2来说，本发明人发现，气体发生器不会在直升机飞行中驱动可逆式电机。

如图4所示，在本发明的第二实施例的变型中，第三耦接装置50还包括齿式离合器60，优选地位于第三自由轮52与第二减速齿轮54之间。

更准确地说，齿式离合器60具有固定到第三自由轮52的外围套环的第一部分62和紧固到第三减速齿轮54的第二部分64。

不管其他耦接装置的激活状态如何，不管气体发生器12、自由涡轮14以及可逆式电机30各自的转速如何，齿式离合器60都能使第三耦接装置停用。

齿式离合器60的一个优势在于确保在飞行中真正停用第三耦接装置。在这种情况下，无需指定第二极限值L2。

而且，因为第三自由轮52的存在，由于紧固到自由轮52的齿式离合器的第一部分62不对抗与齿式离合器60的第二部分64相对的扭矩，所以可以容易实现离合器连接和离合器分离。因此以零扭矩实现离合器连接和离合器分离。

在具有较小优势的另一变型中，通过使用其他系统，优选地为适用于此目的液压耦接器或离合器或其他系统，可以省略第三自由轮54。

Claims (8)

1.一种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)，

由气体发生器(12)所生成的气流(F)驱动而旋转的自由涡轮(14)，该自由涡轮(14)向该直升机的转子传送旋转运动，该自由涡轮(14)设置在所述气体发生器(12)的下游，

可逆式电机(30)，该可逆式电机(30)包括轴(38)，所述轴(38)经由第一可停用耦接装置(32)耦接到气体发生器(12)的轴部(18)，并经由第二可停用耦接装置(40)耦接到所述自由涡轮(14)的轴部(16)，

所述第一可停用耦接装置(32)包括第一自由轮(34)和具有第一减速系数(K1)的第一减速齿轮(36)，

所述第二可停用耦接装置(40)包括与所述第一自由轮(34)相对安装的第二自由轮(42)，和具有第二减速系数(K2)的第二减速齿轮(44)，

当所述第一可停用耦接装置(32)在起动所述涡轮发动机(10)的阶段被启动时，可逆式电机(30)的轴(38)的旋转驱动气体发生器(12)的轴(18)的旋转，使得该可逆式电机驱动该气体发生器(12)旋转，

当所述第二可停用耦接装置(40)在所述涡轮发动机(10)已起动后被启动时，所述自由涡轮(14)的轴(16)的旋转驱动所述可逆式电机(30)的轴(38)的旋转，使得所述可逆式电机产生电力，

当所述第一可停用耦接装置(32)被停用时，所述气体发生器(12)的轴部(18)的旋转无法驱动所述可逆式电机(30)的轴(38)的旋转，

当所述第二可停用耦接装置(40)被停用时，所述可逆式电机(30)的轴(38)的旋转无法驱动所述自由涡轮(14)的轴(16)的旋转，

所述第一和第二耦接装置被设置为不被同时启动。

2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于：第一减速系数(K1)与第二减速系数(K2)的比值小于第一极限值(L1)。

3.如权利要求1或2所述的涡轮发动机，其特征在于：可逆式电机(30)还适于耦接到气体发生器(12)用以产生电力。

4.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于：可逆式电机(30)还适于耦接到气体发生器(12)用以产生电力，可逆式电机(30)适于通过第三可停用耦接装置耦接到气体发生器的轴部，并且以每次仅启动第一可停用耦接装置、第二可停用耦接装置和第三可停用耦接装置中的一个的方式配置这些耦接装置。

5.如权利要求4所述的涡轮发动机，其特征在于：第三可停用耦接装置(50)包括第三自由轮(52)。

6.如权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于：第一自由轮(34)和第三自由轮(52)相对地安装。

7.如权利要求4-6中任一项所述的涡轮发动机，其特征在于：第三可停用耦接装置(50)还包括齿式离合器形成的装置(60)。

8.如权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于：可逆式电机(30)还适于耦接到气体发生器(12)用以产生电力，可逆式电机(30)适于通过第三可停用耦接装置耦接到气体发生器的轴部，并且以每次仅启动第一可停用耦接装置、第二可停用耦接装置和第三可停用耦接装置中的一个的方式配置这些耦接装置，第三可停用耦接装置(50)还包括具有第三减速系数(K3)的第三减速齿轮(54)，并且第二减速系数和第三减速系数的比值大于第二极限值(L2)。