CN103016206A - 带有集成换热器的冲压空气涡轮 - Google Patents

带有集成换热器的冲压空气涡轮 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有集成换热器的冲压空气涡轮。一种冲压空气涡轮系统(12)用于在系统(12)暴露至飞行器外部的空气流时在飞行器中产生电功率。该冲压空气涡轮系统(12)包括涡轮(14)、限定内部(40)的壳体(20)、具有增速齿轮系(60)的齿轮箱(23)以及发电机(22)。

Description

带有集成换热器的冲压空气涡轮
技术领域
本发明涉及冲压空气涡轮(ram air turbine)系统。
背景技术
冲压空气涡轮(RAT)系统在现代飞行器中被用作应急或补充动力系统。它们通常具有涡轮，该涡轮带有旋转轮毂和多个叶片，可操作地联接至发电机以为发电机提供驱动源。最初在飞行中，它们被存放在飞行器机身的隔室中，被隔室门覆盖。当需要作为应急或补充动力的源时，RAT系统从机身部署到周围的空气流中，其驱动叶片以使发电机旋转而从空气流获取能量。
随着对于飞行系统的功率要求增加，RAT系统的动力产生能力持续增加。通过利用涡轮和发电机之间的齿轮箱，倾向于使更高功率的发电机配置为以比涡轮的旋转速度更大的速度旋转。更高功率的发电机(包括齿轮箱)倾向于产生足够的热而使得不可能仅通过空气流来冷却，而使用液体冷却系统，该液体冷却系统包括突出到空气流中的换热器。
发明内容
在一个实施例中，一种冲压空气涡轮系统用于在该系统暴露至飞行器外部的空气流时在飞行器中产生电功率，包括：涡轮，其具有涡轮输出轴和多个叶片，涡轮输出轴可操作地联接至叶片，使得叶片的旋转使涡轮输出轴旋转；壳体，其限定内部；齿轮箱，其位于内部中且具有带有齿轮箱输出元件的增速齿轮系，并且可操作地联接至涡轮输出轴，使得齿轮箱输出元件以比叶片更快的速度旋转；发电机，其位于内部内且具有定子和转子，其中转子可操作地联接至齿轮箱输出元件；以及集成换热器，其用于冷却齿轮箱和发电机。
附图说明
在附图中：
图1是显示根据本发明的一个实施例的具有冲压空气涡轮的飞行器的一部分的侧视图，该冲压空气涡轮带有集成换热器；
图2是图1的冲压空气涡轮和集成换热器的示意性截面图；
图3是图1的冲压空气涡轮和集成换热器的示意性截面图；
图4是根据本发明的第二实施例的带有集成换热器的冲压空气涡轮的一部分的示意性截面图；以及
图5是根据本发明的第三实施例的带有集成换热器的冲压空气涡轮的一部分的示意性截面图。
附图标记：
10     飞行器
12     RAT系统
14     RAT
16     支柱
18     安装组件
20     壳体
22     发电机
23     齿轮箱
24     齿轮箱输出元件
25     换热器
26     叶片
28     旋转轮毂
30     涡轮输出轴
32     第一端
34     转子轴
36     第二端
38     轴承
40     内部
42     壁
44     本体
46     第一端帽
48     第二端帽
50     冷却翅片(fin)
52     外围
54     定子
56     转子
58     导体电缆
59     通道
60     齿轮系
62     输入齿轮
64     第一空转轮(idler gear)
66     第二空转轮
68     输出驱动齿轮
70     轴承
72     冷却剂回路
74     通路
76     冷却剂
78     冷却剂贮槽
80     泵
82     过滤器组件
112   备选RAT系统
120   壳体
122   发电机
125   换热器
150   冷却翅片
174   通路
190   通路
212   RAT系统
244   本体
250   翅片
272   冷却回路
290   通路。
具体实施方式
如图1中所示，飞行器10可包括RAT系统12，用于在RAT系统12暴露至飞行器10外部的空气流时为飞行器10产生电功率。RAT系统12可包括RAT 14，其可由支柱16和安装组件18从飞行器10悬置。RAT 14可存储在飞行器10的机身或机翼中的合适隔室内，并且可通过相对于安装组件18移动支柱16而被快速且容易地部署，从而使RAT系统12移动到流过飞行器10的空气流内的暴露位置。如图2中所示，RAT 14包括壳体20(发电机22位于其中)、具有齿轮箱输出元件24的齿轮箱23以及集成换热器25。形式为从旋转轮毂28突出的多个叶片26的涡轮设置在壳体20的一端上。虽然在所示的实施例中只显示了两个叶片26，但是设想可使用任意数量的叶片26。该涡轮还包括涡轮输出轴30，其可在第一端32可操作地联接至叶片26，使得叶片26的旋转使涡轮输出轴30旋转。涡轮输出轴30可以任何合适的方式可操作地联接至叶片26，并且可从叶片26向后突出，以提供旋转输出用于驱动辅助动力单元，例如发电机22。通过非限制性示例的方式，转子轴34可从叶片26延伸并且可与涡轮输出轴30花键联接(spline)或者以其它方式适当地机械联接，使得叶片26的旋转通过转子轴34传递至涡轮输出轴30。可选地，叶片26或者旋转轮毂28的一部分可直接联接至涡轮输出轴30。涡轮输出轴30的第二端36可操作地联接至齿轮箱23的一部分。涡轮输出轴30可被旋转地支撑在安装于旋转轮毂28中的轴承38内。
如图所示，壳体20包括本体44(其被相对的第一端帽和第二端帽46、48关闭)，以提供限定内部40的公共壳体用于容纳齿轮箱23和发电机22两者。提供壁42以将内部40的齿轮箱部分与内部40的发电机部分分开，从而将内部40的这两个部分在物理上和流体上分开。壳体20还可包括多个散热翅片或冷却翅片50。冷却翅片50可以任何合适的方式形成，使得它们从壳体20的外围52向外突出。冷却翅片50可围绕本体44的外围52间隔开。冷却翅片50的尺寸和数量可为RAT系统12的特定散热要求的函数。
发电机22包括定子54以及位于内部40的发电机部分内的转子56。转子56可操作地联接至齿轮箱输出元件24，使得齿轮箱输出元件24可为转子56提供驱动力，从而可产生电功率。发电机22可经由导体电缆58合适地联接至飞行器10。如图所示，RAT系统12可被支承在支柱16的下端，支柱16可为中空的。中空支柱16可限定通道59，导体电缆58可穿过通道59从发电机22传到飞行器10。这样，导体电缆58以及RAT系统12和飞行器10之间的任何其它联接装置可被保护性地隐藏在支柱16内以减少损伤。
齿轮箱23可包括增速齿轮系60。更具体而言，输入齿轮62、第一空转轮64、第二空转轮66以及输出驱动齿轮68可被包括在增速齿轮系60中。输入齿轮62可被称作其它名称，但在这里被称为输入齿轮，因为功率在增速齿轮系60的输入齿轮端输入到齿轮箱23的增速齿轮系60。输入齿轮62可花键联接或以其它方式恰当地机械联接至涡轮输出轴30，通常靠近其第二端36。输入齿轮62与第一空转轮64啮合，第一空转轮64具有跨过输入齿轮62和第二空转轮66两者的高度。这样，第一空转轮64可与第二空转轮66啮合。第二空转轮66又可与输出驱动齿轮68啮合，输出驱动齿轮68可花键联接或以其它方式恰当地机械联接至齿轮箱输出元件24，其显示为可由轴承70可旋转地支撑的轴。轴承70在一种布置中可设置为与涡轮输出轴30同轴地可旋转地支撑齿轮箱输出元件24。
齿轮箱23(包括齿轮系60)的其它配置是可能的。例如，虽然齿轮箱23显示为与发电机22一起位于壳体20内，但是它可在联接至发电机22的单独壳体中。
冷却剂回路72被包括在集成换热器25中用于冷却齿轮箱23和发电机22。冷却剂回路72显示为从齿轮箱23延伸到发电机22并且至少部分地由壳体内的通路74形成，使得来自齿轮箱23和发电机22的热由在冷却剂回路72中循环的冷却剂76传递至壳体20。更具体而言，通路74可形成于本体44内，使得它们延伸本体44的长度。通路74可形成于第一端帽46和第二端帽48内，使得它们将本体44内的通路74彼此流体地联接。
冷却剂贮槽78可流体地联接至冷却剂回路72，以将冷却剂76供应至冷却剂回路72。可使用任何合适的冷却剂76，包括(通过非限制性示例的方式)油。泵80可流体地联接至冷却剂贮槽78和冷却剂回路72中的至少一个，以使冷却剂76从冷却剂贮槽78再循环通过冷却剂回路72。泵80可为任何合适类型的泵，并且可包括(通过非限制性示例的方式)简单的齿轮泵或盖劳特(gerotor)型泵。设想不管所使用泵的类型如何，泵80均可由增速齿轮系60驱动。过滤器组件82还可沿着冷却剂回路72位于齿轮箱23内，优选地与泵80相邻，以过滤冷却剂76而防止冷却剂回路72的堵塞。冷却剂贮槽78和泵80显示为位于齿轮箱23内。在该配置中，如图3中更好地显示的，输入齿轮62可接触冷却剂贮槽78内的冷却剂76，使得冷却剂76可被用作对增速齿轮系60的润滑。
在RAT系统12的运行期间，RAT 14延伸到围绕飞行器的空气流中，流过叶片26的空气流导致叶片26旋转，这又导致涡轮输出轴30以与叶片26相同的每分钟转数旋转。涡轮输出轴30驱动增速齿轮系60的输入齿轮62，其又驱动第一空转轮64和第二空转轮66，这两个空转轮又驱动输出驱动齿轮68和齿轮箱输出元件24。增速齿轮系60导致齿轮箱输出元件24以比叶片26更快的速度旋转，并且起作用而将低速进入旋转转换为适用于发电的高速旋转。
通过非限制性示例的方式，发电机22可配置为在20000 rpm下发电至少30 kW。更具体而言，输入齿轮62与输出驱动齿轮68的比可被选择为使得输出驱动齿轮68以比输入齿轮62显著更大的速度旋转。增速齿轮系60中的齿轮配置和齿数比可被选择为使得齿轮箱输出元件24响应于6000 rpm的涡轮输出轴的预定旋转速度而在20000 rpm下旋转。转子56由齿轮箱输出元件24驱动并导致发电机22产生电力，电力可通过导体电缆58传递至飞行器10。
伴随着产生电力，RAT系统12还产生热。在运行期间，泵80还可由增速齿轮系60驱动并且可运行而使冷却剂76在冷却回路72内循环。可在冷却剂流入冷却剂贮槽78之前通过泵80将冷却剂76泵送通过冷却剂回路72(其包括本体44内的多个通路74以及第一端帽46和第二端帽48)，并在由泵80再次泵送通过冷却剂回路72之前通过过滤器组件82。当冷却剂流动通过冷却剂回路72时，其可从齿轮箱23和发电机22的内部40(其比冷却剂更热)吸收热。当冷却剂76被泵送通过冷却回路72时，其携带移位的热。然后，冷却剂76中的移位的热可通过壳体20及其冷却翅片50耗散。冷却的冷却剂重复此循环，从而连续地从齿轮箱23和发电机22移除热。RAT 14、齿轮箱23以及发电机22线性地布置成使得经过叶片26的空气流流过齿轮箱23和壳体20(包括冷却翅片50)，以提供从循环冷却剂76到空气流的传热。冷却翅片50增加了发电机22的表面积并且帮助将热传递至周围空气流，从而允许从RAT系统12的更大的散热。
除了上面图中所示的之外，可通过本公开设想到许多其它可能的实施例和配置。例如，增速齿轮系60还可为液压泵(未示出)提供驱动动力。这样的液压泵可定位为使得其可以与发电机22相同的增加的速度旋转，或者可定位为使得其可以较慢的涡轮速度旋转而允许发电机以增加的速度旋转。此外，各种构件的设计和布置可重新布置为使得可实现若干不同的直列配置。
此外，图4显示了根据本发明的第二实施例的带有集成换热器125的备选RAT系统112。第二实施例与第一实施例类似；因此，相似的部件将利用增加了100的相似附图标记来标识，这被理解为，第一实施例的相似部件的描述适用于第二实施例，除非另外指明。第一实施例和第二实施例之间的区别在于，换热器125的冷却翅片150也具有通路190，其可流体地联接至通路174和冷却回路172的其余部分。虽然每个冷却翅片150显示为具有通路190，但不必是这种情况。可能使冷却翅片150中的一些而不是全部具有通路190。此外，在通路190中的一些位于冷却翅片150中的情况下，可减少壳体120中的通路的数量。通路174和通路190两者中的冷却剂可进一步帮助将热从齿轮箱23和发电机122移位到周围空气流。
图5显示了第三实施例，其中，RAT系统212仅包括位于翅片250内的通路290。第三实施例类似于第一实施例；因此，相似的部件将利用增加了200的相似附图标记来标识，其被理解为，第一实施例的相似部件的描述适用于第三实施例，除非另外指明。在第三实施例的情况下，通路290取代主体244内的通路。因此，第一端帽和第二端帽(未示出)将包括相应的流体通路，以允许冷却剂被泵送通过通路290，以与冷却回路272的其余部分(包括冷却剂贮槽和泵(未示出))流体连通。 
本文中所公开的实施例提供了一种带有集成换热器的RAT系统。可在上述实施例中实现的一个优点是，上面所述的实施例可从高功率RAT系统有效地移除热。沿着壳体的冷却翅片增加了冷却表面积，并且冷却剂回路提供了用于从齿轮箱和发电机散热的有效措施。另一个优点在于，上面所述的实施例被配置为闭环系统，其中，冷却剂贮槽中的油被再循环以从发电机移除热，同时还向齿轮箱中的齿轮提供润滑。
在设计飞行器构件时，重要的考虑因素是尺寸、重量和可靠性。上面所述的RAT系统具有减少的部件数量，因为没有单独的换热器或单独的管道连接。这导致了重量更低、尺寸更小且可靠性增加的系统。较少数量的部件以及减少的维护将导致较低的生产成本以及较低的运行成本。减少的重量和尺寸与飞行期间的竞争性优势相互关联。
该书面描述用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (12)

1. 一种冲压空气涡轮系统，用于在所述系统暴露至飞行器外部的空气流时在所述飞行器中产生电功率，所述系统包括：
涡轮，其具有涡轮输出轴和多个叶片，所述涡轮输出轴可操作地联接至所述叶片，使得所述叶片的旋转使所述涡轮输出轴旋转；
壳体，其限定内部；
齿轮箱，其位于所述内部内且具有带有齿轮箱输出元件的增速齿轮系，并且可操作地联接至所述涡轮输出轴，使得所述齿轮箱输出元件以比所述叶片更快的速度旋转；
发电机，其位于所述内部内且具有定子和转子，其中，所述转子可操作地联接至所述齿轮箱输出元件；以及
集成换热器，其用于冷却所述齿轮箱和所述发电机，所述集成换热器具有从所述齿轮箱延伸至所述发电机且至少部分地由所述壳体内的通路形成的冷却剂回路，使得来自所述齿轮箱和所述发电机的热由在所述冷却剂回路中循环的冷却剂传递至所述壳体；
其中，所述涡轮、齿轮箱以及发电机被线性地布置成使得经过所述叶片的空气流流过所述齿轮箱和所述发电机，以经由所述壳体提供从所述循环的冷却剂到所述空气流的传热。
2. 根据权利要求1所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述壳体还包括向外突出的冷却翅片。
3. 根据权利要求2所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述通路中的至少一些位于所述冷却翅片中。
4. 根据权利要求3所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述通路中的至少一些位于所述壳体中不同于所述冷却翅片的位置。
5. 根据权利要求3所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述冷却翅片围绕所述壳体的外围间隔开。
6. 根据权利要求1所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述冲压空气涡轮系统还包括冷却剂贮槽，所述冷却剂贮槽流体地联接至所述冷却剂回路，以将冷却剂供应至所述冷却剂回路。
7. 根据权利要求6所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述冲压空气涡轮系统还包括泵，所述泵流体地联接至所述冷却剂贮槽和所述冷却剂回路中的至少一个，以使冷却剂从所述冷却剂贮槽再循环通过所述冷却剂回路。
8. 根据权利要求7所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述贮槽和泵位于所述齿轮箱内。
9. 根据权利要求8所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述增速齿轮系驱动所述泵。
10. 根据权利要求1所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述发电机配置为在20000 rpm下发电至少30 kW。
11. 根据权利要求10所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述增速齿轮系被选择为使得所述输出元件响应于所述涡轮输出轴的预定旋转速度而在20000 rpm下旋转。
12. 根据权利要求11所述的冲压空气涡轮系统，其特征在于，所述涡轮输出轴的预定旋转速度为6000 rpm。
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