CN104379450B - 用于在直升机的辅助动力电机和主发动机之间优化的动力传递的方法和结构 - Google Patents

用于在直升机的辅助动力电机和主发动机之间优化的动力传递的方法和结构 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是通过使用辅助电机以供给动力到被连接到发动机的直升机的设备及附件，优化在直升机中可用的驱动动力的整体性，在一种用于实施本发明的优化动力传递结构的实施例中，主发动机(1、1’)和作为辅助电机的辅助动力单元组(8)包括气体发生器(2；81)，对于主发动机(1、1’)，所述气体发生器(2；81)被连接到机械、电和/或液压动力插座的变速箱(6)和附件箱(7)，以及对于辅助动力单元组(8)，所述气体发生器(2；81)被连接到至少一个动力转换部件(83、84、11)。辅助动力单元组(8)的动力转换部件(83、84、11)经由变速箱(6)和/或经由主发动机(1、1’)的附件箱(7)被连接到设备及附件。

Description

用于在直升机的辅助动力电机和主发动机之间优化的动力传 递的方法和结构
技术领域
本发明涉及一种用于在直升机的辅助动力发动机，特别地辅助动力单元(APU)，和主发动机之间优化的能量传递的方法，以及一种实施该方法的结构。
直升机配备有提供推进力的主发动机，以及有时配备有辅助发动机。目前，辅助发动机是作为小型燃气涡轮机的APU单元，以及在主发动机无法提供动力的飞行阶段中：在地面上，在过渡阶段(起飞、降落)内，在搜索阶段等，提供非推进动力—电力的，机械的，液压的和/或气动的。
当主发动机处于操作中时，APU单元关闭。如果发动机失效(也称为’一个发动机不工作’(OEI))，剩余发动机需要迅速地加速。
APU单元因此在飞行过程中保持关闭，以及因此关闭不必要的负荷。本发明涉及优化APU单元的使用，以使它们的存在具有成本效益。
背景技术
发动机基本上通常包括由被布置在进气口和排气管之间的压气机—燃烧室—涡轮机组件所组成的气体发生器。在操作中，燃料被注入到室中以及燃料/空气混合物的燃烧提供了产生能量的气体。这些热气在涡轮机中膨胀，其经由高压(HP)轴机械地驱动压气机。驱动轴也传递可用动力到使用能量的设备以及附件。这种类型的结构及操作适用于主发动机和APU单元。
对于主发动机，动力经由减速箱传输到直升机转子。现代发动机也具有用于驱动减速箱的自由动力涡轮机。燃烧气体在自由涡轮机内受到第二次膨胀。在该自由涡轮的轴上，除了转子，减速箱驱动使用能量的设备，即泵，交流发电机和/或负载压气机。
在一种没有自由涡轮机的简化结构中，减速箱(或，在最简单的解决方案中，设备直接地)安装在气体发生器的高压轴上。对于APU单元，涡轮机驱动经由变速箱被安装在轴上的消耗附件。
通常，APU单元在飞行过程中保持不必要的负载，以及经由整个可用牵引系统提供动力的能力没有优化。
发明内容
通过使用辅助发动机以提供能量到直升机上的设备及附件，本发明旨在优化在直升机上可用的整个牵引系统。“辅助发动机”是指允许提供动力的任何热系统，如APU单元，而且通常是指燃气轮机机或例如柴油发动机的热发动机，或燃料电池。
更具体地，本发明涉及一种用于在直升机的辅助发动机和主发动机之间优化的动力传递的方法，包括：通过经由至少一个动力适配将辅助发动机的驱动轴连接到每个主发动机的驱动轴和/或动力传输轴，在飞行阶段中提供由辅助发动机产生的所有可用动力到主发动机，在所述飞行阶段中由辅助发动机产生的动力被添加到由至少一个主发动机产生的动力。在这些情况下，辅助发动机可参与增加推进动力和/或提供非推进动力。动力适配是机械适配或机械动力到电、气动和/或液压动力的转换。
根据优选的实施例：
—辅助发动机的驱动轴在所述主发动机轴中的一个轴上被连接到至少一个主发动机，所述主发动机轴选自：具有连接涡轮发动机的结构的驱动轴、气体发生器的驱动轴和/或具有自由涡轮发动机的结构的动力传输轴；
—根据直升机的任务阶段，如果这种非对称是由一个发动机的局部故障不自觉地导致的，通过补偿所述发动机的非对称操作，以及在主动非对称的情况下通过供给到被加载的发动机，来自辅助发动机的动力供给在主发动机之间调节，以趋向于在所述发动机之间的动力平衡；
—由辅助发动机产生的机械动力的供给转换成一种从电、气动、机械和/或液压性质的能量中选择的能量；
—由于辅助发动机是燃气涡轮机，热交换发生在来自每个主发动机的废气和来自辅助发动机的压缩空气输出之间，以至少部分地从废气中回收热能，以及再次注入因此在来自辅助发动机的气体燃烧上游被加热的空气；
—当来自主发动机的废气供给足够的热能到辅助发动机以用作热源时，辅助发动机在关闭的室内运行，没有被供给的任何燃料。
本发明还涉及一种能够实施上述方法的，用于在直升机的辅助发动机和主发动机之间优化的动力传递的结构。主发动机包括气体发生器，所述气体发生器被连接到减速箱和附件变速箱用于机械、电和/或液压动力输出，以及对于辅助发动机，所述气体发生器被连接到至少一个动力转换部件。在该结构中，辅助发动机的动力转换部件直接地或通过主发动机的减速箱和/或通过附件变速箱被连接到该设备和附件。
根据特定的实施例：
—由于主发动机配备有被安装在动力传输轴上的自由涡轮机，减速箱与自由涡轮机的动力传动轴接合；
—辅助发动机的动力转换部件从用于传输电力的发电机，用于传输气动动力的负载压缩机以及用于传输机械或液压动力的变速箱中选择；
—主发动机配备有排气管和被集成到该管内的回收热交换器，辅助发动机是一种配备有气体发生器—由压气机、燃烧室和被安装在驱动轴上的涡轮机形成—的燃气涡轮机，所述辅助发动机在空气压气机的出口被连接到主发动机的排气管的热交换器，以及该交换器在辅助发动机的气体发生器的燃烧室的上游的出口处被联结；
—辅助发动机和主发动机具有全权限数字发动机控制(FADEC)类型的数字控制单元，其传输与动力传输轴的扭矩和速度相关的信息，该信息被集中在飞行控制单元中以根据每个主发动机相对于转矩和限速值的操作状态，调节从辅助发动机到主发动机的动力传输。
附图说明
从涉及特定实施例的以下非限制性描述，参考附图，本发明的其它方面、特征和优点将变得明显，其中：
—图1是根据本发明的用于传递能量的结构的图表，其中能量从APU单元经由电耦合供给到主直升机发动机；
—图2是根据本发明的结构的图表，其中能量从APU单元经由气动耦合供给到主发动机；
—图3是根据本发明的结构的图表，其中能量从APU单元经由机械或液压耦合供给到主发动机；
—图4是根据本发明在发动机的非对称操作情况下，在APU单元和主发动机之间耦合的结构的图表；以及
—图5是根据本发明的结构的图表，其中在废气内的能量经由热交换器从主发动机供给到APU单元。
具体实施方式
在所有附图中，具有相同功能的相同或相似元件设置有相同或相似的附图标记。
参考图1，通过仅示出直升机的两个主发动机的一个而简化了根据本发明的结构的图表，另一发动机是相同的并以类似方式对称地连接到APU单元。主发动机，如所示的主发动机1，包括由一个组件形成的气体发生器2，所述组件由一个被联结到燃烧室22的压气机21组成，该压气机21反过来联结到涡轮机23。发动机还包括驱动动力传动轴31的自由涡轮机3。气体发生器2和自由涡轮机3被布置在进气口4和排气管5之间。
在操作中，室22由喷射器24进给燃料，通过压气机21被压缩的空气也被吸入到该室中。空气/燃料混合物在室22内的燃烧提供了产生能量的高速气体。这些热气首先在涡轮机23内膨胀，其经由高压传动轴25以及然后在自由涡轮3内机械地驱动压气机21。
主发动机1经由减速箱6传输机械动力到直升机转子，以及到设备及附件，特别地传输到在示例中所示的电动机61，其涉及动力的电传输。发动机1也经由附件变速箱7传输机械动力到其它设备或附件，特别地在该示例的上下文中传输到电动机71。机械输出轴1a和1b将驱动轴25和传输轴31连接到变速箱6和7。
图1所示结构的图表还示出了与主发动机一样包括气体发生器81的APU单元8，该气体发生器81包括压气机8a，燃烧室86和涡轮机8c。APU单元8的气体发生器81的驱动轴82联结到发电机83，该发电机83将由轴82传输的机械能转换成电能。由导体10提供到直升机网络9的电流可因此被传输到被安装在主发动机1的减速箱6和附件变速箱7上的电气设备或附件。在该示例中，电动机61和/或71通过被电连接到网络9而通电流，该网络9通过发电机83经由选择器变速箱91被供给有动力。
在图2的图表中所示出的另一示例涉及动力的气力输送。在这种情况下，APU单元驱动负载压气机84，该负载压气机84在用于为气动设备供给动力的足够压力下产生气流。该设备被安装在减速箱6和附件变速箱7上，从而经由轴1a和1b机械地连接到主发动机1。在该示例中，被安装在减速箱6和附件变速箱7上的辅助空调涡轮机62和72通过负载压气机84经由气管20和诸如三通阀的气动选择器92供给动力。离开涡轮机62和72的空气例如参与使发动机舱通风，该发动机舱将直升机的整个牵引系统的电子设备集合在一起。
在图3的图表中所示出的另一示例中，机械和液压动力通过由气体发生器81驱动的变速箱11在APU单元8中被传输。变速箱11经由驱动轴82和传输轴12联结到减速箱6和/或附件变速箱7，驱动轴82和传输轴12通过小齿轮P1、返回R1的系统和可释放齿轮93的系统联结。这些变速箱也被安装在主发动机1的驱动轴25和31上。由APU单元8提供的能量特别地允许泵或额外发动机被驱动。
有利地，电气83、气动84、液压和/或气动11动力转换部件可在相同的传递变速箱内集合在一起。由APU单元的FADEC(参见参考图4的以下描述)控制并被集成到该传递变速箱内的选择器允许转换部件被联结，该转换部件提供所需类型的能量。通过被连接到飞行控制单元14(参见参考图4的以下描述)，APU单元8的FADEC 13还控制在选择系统91，92和93(图1到3)到变速箱6和7的’和/或’模式内的连接，其经由输出轴1a和1b连接到发动机1的轴31和25或连接到诸如电动机61、71和涡轮机62、72等的设备。
APU单元因而有助于提高主发动机的效率，以及因此优化车载牵引系统的动力密度。事实上可以增加可用动力或降低具有相等的可用动力的主发动机的尺寸和质量。
此外，直升机的主发动机可根据两种模式操作：在主发动机提供相同动力的额定操作中，以及在一个发动机提供相当多动力的非对称操作中。当一个发动机局部或完全地故障，或以主动方式，在直升机任务的特定阶段，例如在特定环境中在搜索情况下，这种非对称操作可能发生。
在不自觉的非对称操作的情况下，由APU单元所提供的动力可优先应用到局部故障的发动机以在推进中重建平衡。在主动非对称操作的情况下，由APU单元所提供的动力应用到加载发动机以减轻其上的负载。在非对称操作的所有情况下，如图4的图表所示，APU单元8和主发动机1和1’具有FADEC类型的数字控制单元13，其传输与驱动轴的转矩和速度以及动力传输轴25、25’、31、31’、82有关的信息。根据这些主发动机每个相对于转矩和限速值的操作状态，该信息集中在飞行控制单元14内以调节从APU单元8到主发动机1、1’以及经由选择系统91、92、93以及输出轴1a和1b到其设备的动力传输。
在一个发动机完全故障的情况下，即特定OEI状态，来自APU单元的动力优先专门用于尝试重启该发动机。在主动非对称操作的情况下，来自APU单元的动力优先专门用于缓解最大负载的发动机上的负载。
为了优化整个APU单元/主发动机牵引系统，或更通常地燃气涡轮机/主发动机牵引系统的特定消耗，在废气内的热能回收也可与经由输出轴1a和1b从APU单元到主发动机的能量供给结合来提供。如图5内图表所示，主发动机1和1’的每个排气管5和5’被集成到热交换器15、15’。这些交换器回收来自废气的至少相当一部分热能。
在交换器15和15’内循环的能量回收流体在APU单元8的压气机8a的出口被移除并刚好在其燃烧室8b的上游重新引入。管道80a和80b确保了流体在交换器15、15’和APU单元8的气体发生器81之间循环。
在这些条件下，对于相同的性能，通过在APU单元内燃料的燃烧所提供的热量供给可被减少，因为该减少通过来源于交换器15和15’的热量供给所补偿。整个牵引系统所需的燃料量因此减少。该燃料减少在稳定的飞行阶段中可能是有利的，例如在通常是最长阶段的巡航阶段中。
当热能回收特别地高时，可以停止喷射燃料到APU单元8的燃烧室内。在这种情况下，APU单元的唯一热源来自于从主发动机1和1’以及经由通过交换器15和15’的废气。整个牵引系统的能量优化从而最大化。
本发明并不局限于所描述和示出的示例。
通过将APU单元或更通常地辅助发动机的驱动轴联结到设备及附件，所述设备及附件直接地或经由减速箱和/或附件变速箱连接到主连接涡轮发动机的驱动轴，例如可以将本发明应用于主连接涡轮发动机。术语“辅助发动机”的范围延伸到使用不同于燃气涡轮机的技术的发动机(例如：柴油发动机，燃料电池等)。因此，该辅助发动机可以是三涡轮机的直升机的发动机，其具有与另外两个主发动机的尺寸和性能相比更小的尺寸和更差的性能。

Claims (10)

1.一种用于在直升机的辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)之间优化的动力传递的方法，包括：被布置成提供推动动力的主发动机以及被布置成提供非推动动力的辅助发动机，其特征在于，它包括，在某些飞行阶段中，通过经由至少一个动力转换部件(83、84、11)，将辅助发动机(8)的驱动轴(82)连接到至少一个主发动机(1、1’)的至少一个驱动轴(25、25’)和/或动力传输轴(31、31’)，将由辅助发动机(8)所产生的动力添加到由主发动机(1、1’)所产生的动力。
2.根据权利要求1所述的用于在直升机的辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)之间优化的动力传递的方法，其中，辅助发动机(8)的驱动轴(82)在所述主发动机轴中的一个轴上被连接到至少一个主发动机(1、1’)，所述主发动机轴从具有连接涡轮发动机的结构的驱动轴、气体发生器(81)的驱动轴(25、25’)和/或具有自由涡轮发动机的结构的动力传输轴(31、31’)中选择。
3.根据权利要求1所述的用于在直升机的辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)之间优化的动力传递的方法，其中，根据直升机的任务阶段，如果这种非对称是由发动机之一的局部故障不自觉地导致的，通过补偿所述主发动机(1、1’)的非对称操作，以及在主动非对称的情况下通过供给到被加载的电机，来自辅助发动机(8)的动力供给在主发动机(1、1’)之间调节，以趋向于在所述主发动机(1、1’)之间的动力平衡。
4.根据权利要求1到3任一所述的用于在直升机的辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)之间优化的动力传递的方法，其中，由辅助发动机(8)产生的机械动力的供给转换成一种从电、气动、机械和/或液压性质的能量中选择的能量。
5.根据权利要求4所述的用于在直升机的辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)之间优化的动力传递的方法，其中，由于辅助发动机是燃气涡轮机，热交换(15、15’)发生在来自每个主发动机(1、1’)的废气和来自辅助发动机(8)的压缩空气输出之间，以至少部分地从废气中回收热能，以及再次注入因此在来自辅助发动机(8)的气体燃烧上游被加热的空气。
6.根据权利要求5所述的用于在直升机的辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)之间优化的动力传递的方法，其中，当来自主发动机的废气供给足够的热能到辅助发动机(8)以用作热源时，辅助发动机(8)在关闭的室内运行，没有被供给的任何燃料。
7.一种能够实施根据前述任一权利要求的方法的，用于在直升机的辅助发动机和主发动机之间优化的能量传递的结构，所述结构包括辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)，其特征在于，主发动机(1、1’)包括气体发生器(2)，所述气体发生器(2)被连接到减速箱(6)以及到附件变速箱(7)用于机械、电和/或液压动力输出，以及对于辅助发动机(8)，所述气体发生器(2)被连接到至少一个动力转换部件(83、84、11)，以及其中，辅助发动机(8)的动力转换部件(83、84、11)直接地或通过主发动机(1、1’)的减速箱(6)和/或通过附件变速箱(7)，依靠选择器变速箱(91、92、93)被连接到设备和附件(61、71；62、72)。
8.根据权利要求7所述的能量传递的结构，其中，由于主发动机(1、1’)配备有被安装在动力传输轴(31、31’)上的自由涡轮机(3)，减速箱(6)与自由涡轮机(3)的动力传动轴(31、31’)接合。
9.根据权利要求7所述的能量传递的结构，其中，主发动机(1、1’)配备有排气管(5，5’)和被集成到该管(5，5’)内的回收热交换器(15、15’)，辅助发动机(8)是配备有气体发生器(81)的燃气涡轮机，该气体发生器(81)由压气机(8a)、燃烧室(8b)和被安装在驱动轴(82)上的涡轮机(8c)形成，所述辅助发动机(8)在空气压气机(8a)的出口被连接到主发动机(1、1’)的排气管(5，5’)的热交换器(15、15’)以及该交换器(15、15’)在辅助发动机(8)的气体发生器(81)的燃烧室(8b)的上游的出口处被联结。
10.根据权利要求7到9任一所述的能量传递的结构，其中，辅助发动机(8)和主发动机(1、1’)具有FADEC类型的数字控制单元(13、13’)，其传输与驱动轴(82)和动力传输轴(31、31’)的转矩和速度相关的信息，根据每个主发动机(1、1’)相对于转矩和限速值的操作状态，该信息被集中在飞行控制单元(14)中以调节从辅助发动机(8)到主发动机(1、1’)的动力传输。
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