CN105452613A - 喷气式发动机组件和生成电力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种喷气式发动机组件包括具有至少一个转轴和发电机的喷气式发动机。发电机包括：转子和定子，其中转子可操作地耦连到至少一个转轴；以及电子换向器，其控制转子的磁场的旋转使得电动机生成电力。而且，提供了一种从具有定子和转子的发电机生成电力的方法，该方法包括控制磁场的旋转以生成电力。

Description

喷气式发动机组件和生成电力的方法
背景技术
涡轮发动机，并且特别是燃气涡轮发动机(也称为燃烧式涡轮发动机)是从经过发动机到许多个涡轮机叶片上的燃烧气体的流中提取能量的旋转式发动机。燃气涡轮发动机已经用于陆地和海上运输和发电，但是最常用于诸如飞机(包括直升机)的航空应用。在飞机中，燃气涡轮发动机用于推进航空器。
燃气涡轮发动机可以具有两个或更多个转轴(spool)，包括低压(LP)转轴和高压(HP)转轴，低压转轴提供整个推进系统的大部分推力，高压转轴通过沿向后方向引导排出气体而驱动一个或更多个压缩机，并产生附加的推力。三轴燃气涡轮发动机包括第三个、中压(IP)转轴。
燃气涡轮发动机还使用一个或更多个转轴的机械动力来给诸如发电机、启动器/发电机、永磁交流发电机(PMA)、燃油泵、液压泵(例如航空器上除了推进之外所需的功能的设备)的许多不同的附件供能。例如，现在的航空器需要用于航空电子设备、电动机和其它电子设备的电力。与燃气涡轮发动机耦连的发电机将发动机的机械动力转换成为附件提供电力的电能。
已知使用恒速发电机和变频发电机(VFG)来从燃气涡轮发动机的压力轴提取动力。同步三相发电机的电压和频率在其直接由转轴驱动时是转轴速度的函数。由于在发动机工作期间每个转轴的速度可能是波动的，因而所生成电力的电压和频率也可能波动。这些电力波动对航空器的电力系统带来问题，这要求有恒定的电压和频率。因此，为了解决这个问题，使用了变速箱，其中变速箱将转轴机械耦连到发电机，这里变速箱被配置成不管转轴速度为何，以将输出期望的电压和频率的恒定的速度驱动发电机。例如，变速箱可以用于HP转轴，其中变速箱的速度输入与速度输出的比将转轴的机械速度降低到发电机的期望工作速度之内。典型地，恒定频率的发电机(CFG)的标准速度是四极机器在12,000RPM下产生用于航空器系统的400赫兹的输出。
发明内容
在一个方面，喷气式发动机组件包括具有至少一个转轴和发电机的喷气式发动机。发电机进一步包括：同步电动机，其包括转子和定子，其中转子可操作耦连到至少一个转轴，使得转子的速度随着转轴的速度而变化；以及电子换向器，其相对于转子的旋转控制转子的磁场的旋转，使得同步电动机以预定频率生成电力。
在另一方面，一种从具有定子和转子的发电机生成具有预定频率的电力的方法，转子由变速发动机旋转，该方法包括相对于转子的旋转控制转子的磁场的旋转，从而以预定频率生成电力。
附图说明
在附图中：
图1是按照本发明的实施例用于航空器的燃气涡轮发动机的示意横截面图。
图2是按照本发明的实施例用于航空器的发电机组件的横截面图。
图3是按照本发明的实施例的发电机组件可旋转的轴的示意图。
图4是沿图2的线4-4截取的局部截面图，显示了按照本发明的实施例的主机转子。
图5是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第一周期被通电。
图6是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第二周期被通电。
图7是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第三周期被通电。
图8是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第四周期被通电。
图9是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第五周期被通电。
图10是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第六周期被通电。
图11是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第七周期被通电。
图12是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第八周期被通电。
具体实施方式
尽管本发明可以在使用生成电力的发电机的任何环境中实施，但当前考虑在喷气式发动机环境中实施，其中发电机典型地称作电动机或电机。因此，对当前考虑的环境的简要概述应当有助于更全面了解本发明。燃气涡轮发动机可以是涡扇发动机，诸如GeneralElectricGEnx或CF6系列发动机，它们通常用在现代民用和军用航空，或者燃气涡轮发动机也可以是各种已知的其它燃气涡轮发动机，诸如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。燃气涡轮发动机还可以具有补燃器(afterburner)，其焚烧低压涡轮机区域下游的额外的燃料量，以增加排出气体的速度，并由此提高推力。
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机10的示意横截面图，其作为本发明的实施例将证明是有优点的环境的示例。发动机10以下游顺序流关系包括：风扇区段12(包括风扇14)、增压器或低压(LP)压缩机16、高压(HP)压缩机18、燃烧区段20、HP涡轮机22和LP涡轮机24。HP轴或转轴26将HP涡轮机22驱动连接到HP压缩机18，并且LP轴或转轴28将LP涡轮机24驱动连接到LP压缩机16和风扇14。HP涡轮机22包括HP涡轮机转子30，其具有安装于转子30边缘上的涡轮机叶片32。
发动机进一步包括安装于燃气涡轮航空器发动机之上或燃气涡轮航空器发动机内部的同步发电机组件34。发电机组件34可以安装于包含风扇的燃气涡轮发动机的吸气区域的外侧上或者高压压缩区域附近的中心上。在发电机组件34的外部提供至少一个电压输出，以提供向发电机34和来自发电机34的电力传递。如图所示，该电力连接由电力电缆36传输，并可以提供交流电、多相和恒定电压输出中的至少一个，其中接地基准来自发电机组件34。发电机组件34可以另外以预定频率(诸如在预定极限内的恒定频率或可变频率)生成电力。生成的电力的一个示例包括在预定400Hz频率下的三相115VAC。可以构想到交替生成的相、电流和电压。
参照图2，发电机组件34包括可旋转的轴38、同步主机40、四个励磁机42、44、46、48和永磁发电机(PMG)50。可旋转的轴38由间隔开的轴承52支撑。主机40和PMG50中的每一个具有相应的转子54、56和对应的相应的定子58、60。第一励磁机42具有第一励磁机转子62和对应的第一励磁机定子64。第二励磁机44具有第二励磁机转子66和对应的第二励磁机定子68。第三励磁机46具有第三励磁机转子70和对应的第三励磁机定子72。第四励磁机48具有第四励磁机转子74和对应的第四励磁机定子76。转子54、56、62、66、70、74安装到可旋转的轴38，以用于相对于旋转地固定于发电机组件34内的定子58、60、64、68、72、76的旋转。定子58、60、64、68、72、76可以安装到发电机组件34的外壳部分的任何适当零件上。
在所示的实施例中，主机40位于发电机组件34的后面，而PMG50定位于发电机组件34的前面。励磁机42、44、46、48定位于主机40和PMG50之间的发电机组件34中。可以构想到主机40、励磁机42、44、46、48和PMG50在其它位置，可获得专利的范围不应当由任一单个的实施例限制。例如，可以构想到其中励磁机42、44、46、48位于主机40的两侧上的备选的定位。
图3图示了发电机组件34的示意图。可旋转的轴38通过机械耦连件78与发动机10的至少一个转轴(显示为HP转轴26)耦连。在这个意义上，HP转轴26提供来自发动机10的轴向旋转的直接来源，使得可旋转的轴38的速度并因此转子54、56、62、66、70、74的速度随着HP转轴26的速度而变化。
示出PMG转子56，其具有带有至少两个磁极的永磁铁。PMG定子60与PMG转子56电磁对准，并包括设置成沿导线L1、L2、L3提供三相输出的绕组，该输出经由公共电子换向器80供应到公用供电线，再到励磁机定子64、68、72、76。PMG定子60进一步包括转子速度传感器94，转子速度传感器94被配置成将指示旋转的轴38的旋转速度的信号提供给电子换向器80。转子速度传感器94显示为邻近PMG转子56，转子速度传感器可以用来感测永磁铁的极性变化以生成旋转速度信号。可以构想到备选的传感器(诸如转速计)和感测旋转速度的方法。另外，可构想到转子速度传感器94可以与PMG转子56集成在一起。
第一励磁机定子64包括从电子换向器80延伸出来并与第一励磁机转子62电磁对准的第一励磁机磁场绕组82。第一励磁机转子62包括布置成沿导线提供三相输出的绕组，如图所示，该三相输出被供应至反向偏置的二极管整流器84。
第二励磁机定子68包括从电子换向器80延伸出来并与第二励磁机转子66电磁对准的第二励磁机磁场绕组86。第二励磁机转子66包括布置成沿导线提供三相输出的绕组，如图所示，该三相输出被供应至正向偏置的二极管整流器88。
第三励磁机定子72包括从电子换向器80延伸出来并与第三励磁机转子70电磁对准的第三励磁机磁场绕组90。第三励磁机转子70包括布置成沿导线提供三相输出的绕组，如图所示，该三相输出被供应至反向偏置的二极管整流器84。
第四励磁机定子76包括从电子换向器80延伸出来并与第四励磁机转子74电磁对准的第四励磁机场绕组92。第四励磁机转子74包括布置成沿导线提供三相输出的绕组，如图所示，该三相输出被供应至反向偏置的二极管整流器88。
电子换向器80能够基于转子速度传感器94的信号将来自导线L1、L2、L3的电子地切换到一组或更多组励磁机磁场绕组82、86、90、92。
主机转子54包括布置在转子54周围的第一、第二、第三和第四组主机转子磁场绕组100、102、104、106，这些绕组在被通电(energized)时被配置成在转子54上产生磁场108。如图所示，第一和第二转子磁场绕组100、102与第二和第一励磁机转子66、62的相应输出电耦连。另外，如图所示，第三和第四转子磁场绕组104、106与第四和第三励磁机转子74、70的相应输出电耦连。每组转子磁场绕组100、102、104、106因此可通电地依赖于它们相应耦连的励磁机磁场绕组86、82、92、90的通电。主机定子58具有与主机转子54电磁对准的导线L7、L8、L9，并被布置成使得每个导线L7、L8、L9可以将单相电流传输到电缆36。
图4图示了沿图1的线IV-IV截取的示意截面图，其示出了带有四个磁极对的转子和转子的旋转方向126。如图所示，主机转子54包括径向隔开并围绕旋转轴38排列的第一磁极110、第二磁极112、第三磁极114、第四磁极116、第五磁极118、第六磁极120、第七磁极122和第八磁极124。如何配置磁极110、112、114、116、118、120、122、124以与第一转子磁场绕组100、第二转子磁场绕组102、第三转子磁场绕组104和第四转子磁场绕组106电耦连的一个示例如下：第一转子磁场绕组100缠绕在第一磁极110、第三磁极114、第五磁极118和第七磁极122上，使得第一磁极110和第五磁极118总是与第三磁极114和第七磁极122磁性相反，第二转子磁场绕组与第一转子磁场绕组100相同地缠绕在磁性相反的磁极110、114、118、122上，但是方向相反，第三转子磁场绕组104缠绕在第二磁极112、第四磁极116、第六磁极120和第八磁极124上，使得第二磁极112和第六磁极120总是与第四磁极116和第八磁极124磁性相反；并且第四转子磁场绕组106与第三转子磁场绕组104相同地缠绕在磁性相反的磁极112、116、120、124上，但方向相反。
主机40的换向可以通过励磁机42、44、46、48的通电来控制，以控制磁场108相对于旋转轴线的方向和速度。以此方式，磁场108可以根据需要相对于可旋转的轴38的旋转速度旋转得更快或更慢。为了实现这种换向，第一励磁机场绕组82的通电在第一励磁机转子62上生成所得的三相输出，该输出由反向偏置整流器整流，并传输到第一磁极110、第三磁极114、第五磁极118和第七磁极122，使得第一磁极110和第五磁极118是磁性北，而第三磁极114和第七磁极122是磁性南。此外，通电第二励磁机磁场绕组86在第二励磁机转子66上生成所得的三相输出，该输出由正向偏置整流器整流，并传输到第一磁极110、第三磁极114、第五磁极118和第七磁极122，使得第一磁极110和第五磁极118是磁性南，而第三磁极114和第七磁极122是磁性北。通电第三励磁机磁场绕组90在第三励磁机转子70上生成所得的三相输出，该输出由反向偏置整流器整流，并传输到第二磁极112、第四磁极116、第六磁极120和第八磁极124，使得第二磁极112和第六磁极120是磁性北，第四磁极116和第八磁极124是磁性南。通电第四励磁机磁场绕组92在第四励磁机转子74上生成所得的三相输出，该输出由正向偏置整流器整流并传输到第二磁极112、第四磁极116、第六磁极120和第八磁极124，使得第二磁极112和第六磁极120是磁性南，第四磁极116和第八磁极124是磁性北。
电子换向器80选择性地通电第一、第二、第三和第四励磁机磁场绕组82、86、90、92，以可操作地控制磁极110、112、114、116、118、120、122、124的磁性方向，并因此控制主机转子54的磁场108。通过以特定的通电序列交替通电的励磁机磁场绕组82、86、90、92，电子换向器80可以独立于转子54的旋转方向126而相对于主机转子54有效地旋转磁场108。例如，如通过图4所示，在八个周期的切换操作中，电子换向器80可通过使用下列序列来以与转子的顺时针(CW)旋转的方向126相反的逆时针(CCW)旋转磁场108：通电第一励磁机磁场绕组82(如图5所示)；通电第一和第三励磁机磁场绕组82、90(如图6所示)；通电第三励磁机磁场绕组90(如图7所示)；通电第二和第三励磁机磁场绕组86、90(如图8所示)；通电第二励磁机磁场绕组86(如图9所示)；通电第二和第四励磁机磁场绕组86、92(如图10所示)；通电第四励磁机磁场绕组92(如图11所示)；通电第一和第四励磁机磁场绕组82、92(如图12所示)，当同时通电两个励磁机磁场绕组时，例如产生彼此相邻的两个磁性北极，主机转子54的“实际北极”(在图5-12中显示为点箭头)将成角度地在两个北极之间。
由于第一和第二励磁机场82、86相反地缠绕在相同的磁极110、114、118、122上，电子换向器决不会同时对这两个场绕组82、86通电。类似地，由于第三和第四磁场绕组90、92相反地缠绕在相同的磁极112、116、120、124上，电子换向器决不会同时对这两个场绕组90、92通电。此外，尽管上面示例的序列以逆时针(CCW)旋转主机转子54的磁场108，但可以构想到多个备选的序列，例如，顺时针(CW)旋转磁场108或者在一个序列期间消去对一个或更多个励磁机磁场绕组82、86、90、92的通电。此外，电子换向器80被配置成在发电机组件34的工作期间在不中断发电机34工作且不打断发电机34的输出电力供应的情况下从一种序列变成另一种序列。根据需要，电子换向器80还能动态地提高或降低工作序列的速度，或者改变序列的方向。
工作中，随着燃气涡轮发动机10的运转，HP涡轮机22使HP转轴26旋转。旋转的HP转轴26将来自HP转轴26的机械动力传输到发电机组件34的可旋转的轴38。旋转的PMG转子56在PMG定子60的导线L1、L2、L3中生成三相输出，将电力供应给电子换向器80。电子换向器80接收来自转子速度传感器94的转子速度信号，并响应于转子速度信号选择性对第一、第二、第三和第四励磁机磁场绕组82、86、90、92通电。
励磁机转子62、64、66、68的旋转生成三相电力，该三相电力通过整流器84、88转换成DC电力。DC电力被供应到转子磁场绕组100、102、104、106。主机转子54相对于主机定子58旋转，在导线L7、L8、L9上生成三相功率输出以对电力电缆36供电，并因此给航空器供电。取决于吸收功率的电力负载的类型，由发电机组件34生成的功率在被负载使用之前可以经过进一步处理。
电子换向器80对励磁机磁场绕组82、86、90、92的选择的通电生成独立于可旋转的轴38的速度的预定频率下的输出电能。例如，如果可旋转的轴38在CW方向以高于生成期望的电源频率所需的工作速度的旋转速度旋转，那么电子换向器80使用转子速度传感器94感测转子速度，并经由励磁机磁场绕组82、86、90、92在CCW方向，以相对于主机定子58将旋转磁场108降低到可工作的速度而计算出的旋转速度、顺序生成主机转子54的磁场108。换种方式讲，磁场108的旋转速度降低了主机转子54的旋转速度，使磁场108的“实际”旋转速度变为相对于主机定子58生成期望功率所需的工作速度。
在该实施例或备选的实施例中，电子换向器80还可以控制磁场108的旋转，以应对(accountfor)以低于生成期望的恒定电源功率频率所需的可工作的速度的可变速度旋转的可旋转的轴38。例如，电子换向器80可以通过使用转子速度传感器94感测转子速度来补偿在CW方向旋转得太慢的可旋转的轴38，并相对于主机定子58在CW方向以将实际的旋转磁场108提高到可工作的速度所计算出的旋转速度顺序生成主机转子54的磁场108。换种方式讲，磁场108的旋转速度提高了主机转子54的旋转速度，使磁场108的“实际”旋转速度相对于主机定子58变为生成期望功率所需的可工作的速度。
此外，可以构想到电子换向器80可以根据需要改变序列的方向以产生磁场108的恒定的有效旋转。电子换向器80的操作还可以控制主机转子54的磁场108的旋转速度，以维持磁场108和主机转子54的旋转速度之间的相对速度中恒定的或预定的差。因此，不管发动机10的工作速度为何，由发电机组件34生成的功率保持恒定。
除了上面的图中所示的之外，本发明还考虑了很多其他可能的实施例和配置。例如，尽管发电机组件34图示为直接与HP转轴26耦连，但可以构想任意发电机/转轴组合可以类似地工作，例如，发电机组件34可以与LP转轴28耦连等的情况。此外，若干发电机组件34还可以在具有超过一个发电机或超过两个转轴的发动机10(诸如除具有HP和LP转轴26、28之外还具有中压转轴的3-转轴/3-发电机的发动机)上实施。在这些备选的转轴实施例中，在变速发动机中转轴的可变速度可以生成恒定功率输出。
备选地，本发明的实施例可以另外包括在转轴和与可旋转的轴38的机械耦连件78之间使用中间速度交换器。例如，辅助变速箱或恒速装置可以具有机械耦连到LP转轴28的输入和机械耦连到可旋转的轴38的输出，其中辅助变速箱改变轴向旋转速度的来源。这种中间速度交换器可以耦连在上面提到的任一转轴之间，可以提高、降低或使轴向旋转速度的来源恒定，如所描述的，这是通过电子换向器80来起作用的。在中间速度交换器内，旋转功率还可以传输到其它发动机附件。
而且，发电机组件34不需要位于同一发动机10中。例如，三个发电机组件34可以耦连到两个不同的发动机10中的HP或LP转轴26、28。
本文中公开的实施例提供了带有彻底不同构造的PMGRAT系统。上面的实施例可以实现的一个优点是普通设计的发电机可用于从喷气式发动机的任何可用的转轴提取功率，从而节约了在单独研发中的大量成本，并为从各个工作转轴提取功率的发电机提供能源。此外，在设计航空器的发电组件时，要考虑的重要因素是在若干工作条件下的可靠性。上面的实施例不管驱动机械转轴的工作速度为何，都能够提供不间断的发电。而且，上面描述的发电组件由于不需要中间速度交换器装置，因而零件数目减少，因此这些实施例能够用最小的功率转换设备提供调节的功率输出，使整个系统本质上更加可靠。这使系统的重量更低、尺寸更小、性能增加、并且可靠性也提高。零件数量减少以及维护减少会使产品的成本和运行成本更低。重量和尺寸的减少与飞行期间的竞争优势有关。
本书面说明书使用示例来公开包括最佳模式的本发明，还使得任意本领域技术人员可实践本发明，包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员可想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种喷气式发动机组件，包括：
喷气式发动机，其具有至少一个转轴；
发电机，包括：
同步电动机，其包括转子和定子，其中所述转子可操作地耦连到所述至少一个转轴，使得所述转子的速度随所述转轴的速度而变化；以及
电子换向器，其相对于所述转子的旋转控制所述转子的磁场的旋转，使得所述同步电动机以预定频率生成电力。
2.根据权利要求1所述的喷气式发动机组件，其特征在于，所述预定频率包括恒定频率。
3.根据权利要求2所述的喷气式发动机组件，其特征在于，所生成的电力包括交流电、多相、恒定电压和400Hz处三相115VAC中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的喷气式发动机组件，其特征在于，还包括以下之中的至少一个：将所述转子直接耦连到所述至少一个转轴的辅助变速箱，和没有恒速装置而可操作地耦连到所述至少一个转轴的所述转子。
5.根据权利要求1所述的喷气式发动机组件，其特征在于，所述至少一个转轴包括低压转轴和高压转轴中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的喷气式发动机组件，其特征在于，还包括第一速度传感器，其提供指示所述转子的旋转速度的转子速度信号，其中所述转子速度信号作为输入提供给所述电子换向器。
7.根据权利要求6所述的喷气式发动机组件，其特征在于，所述发电机还包括永磁发电机(PMG)，其具有PMG定子和PMG转子，所述PMG随着所述同步电动机的所述转子旋转，并且所述PMG转子包括所述第一速度传感器。
8.根据权利要求7所述的喷气式发动机组件，其特征在于，所述发电机还包括具有励磁机定子和励磁机转子的励磁机，其随所述同步电动机的所述转子旋转。
9.根据权利要求1所述的喷气式发动机组件，其特征在于，控制所述磁场的所述旋转包括控制旋转方向和旋转速度中的至少一个，使得所述磁场的所述旋转和所述转子的所述旋转之间的差是恒定的。
10.一种从具有定子和转子的发电机生成具有预定频率的电力的方法，所述转子由变速发动机旋转，所述方法包括相对于所述转子的旋转控制所述转子的磁场的旋转，从而以预定频率生成电力。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预定频率包括恒定频率。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，控制所述磁场的所述旋转包括控制所述磁场的旋转速度和旋转方向中的至少一个。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，控制所述磁场的所述旋转包括以下之中的至少一个：控制所述磁场的所述旋转速度以维持所述磁场和所述转子的旋转速度之间的相对速度的恒定差；以及相对于所述转子的所述旋转速度控制所述磁场的所述旋转速度，以维持预定的差。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述预定的差是恒定的。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所生成的电力包括交流电、多相、恒定电压和400Hz处三相115VAC中的至少一种。
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