CN106460662B - 用于辅助涡轮轴发动机的方法及直升机推进系统的构架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括涡轮轴发动机(5，6)的多发动机式直升机推进系统的构架，其特征在于，该构架包括：至少一个混合动力涡轮轴发动机(5)，其能够在直升机的稳定飞行期间运行于至少一个待机模式；其他涡轮轴发动机(6)，其在所述稳定飞行期间独自运行；空气涡轮(30)，其机械地连接至混合动力涡轮轴发动机(5)的气体发生器(17)并适于使所述气体发生器(17)旋转；用于在运转的涡轮轴发动机(6)的气体发生器(27)上收集加压空气的装置；以及导管(31)，其用于将所述收集的空气输送至所述空气涡轮(30)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于辅助多发动机式直升机(尤其是双发动机式直升机)的处于待机模式的涡轮轴发动机的方法。本发明还涉及一种多发动机式直升机的推进系统的构架，该推进系统包括至少一个能够置于特定待机模式的涡轮轴发动机。
背景技术
直升机通常设置有至少两个涡轮轴发动机，所述至少两个涡轮轴发动机以取决于直升机的飞行状况的相似的模式运行。在整个下文中，在除了起飞、上升、着陆或悬停飞行的过渡阶段以外的所有飞行阶段期间，当直升机在正常状态下前进时，直升机可被称为处于巡航飞行状态。在整个下文中，当直升机需要利用全部装机容量时，即，在起飞、上升、着陆的悬停阶段和涡轮轴发动机中的一个失灵(简称为OEI(一个发动机不工作))的模式期间，直升机可被称为处于临界飞行情况。
已知的是，当直升机处于巡航飞行状态时，涡轮轴发动机以低于其最大连续推力的低功率水平运行。在巡航飞行期间，这些低功率水平导致了比最大起飞推力的单位消耗量(下文中称为SC)大约大30％的单位消耗量SC，并且因此导致燃料过度消耗量，其中，单位消耗量被定义为由涡轮轴发动机的燃烧室的小时燃料消耗量与由所述涡轮轴发动机供给的机械功率之间的关系。
此外，直升机的涡轮轴发动机被超尺寸设计，以能够在发动机中的一个失效的情况下保持直升机在飞行。这种飞行状态对应于以上描述的OEI模式。该飞行状态随着发动机的失效而发生，并导致每个起作用的发动机提供明显大于其额定功率的功率，以允许直升机克服危险情况并随后继续其飞行。
同时，涡轮轴发动机超尺寸，以能够确保由飞机制造商规定的整个航程中的飞行，特别在高空及热气候的飞行。这些非常受限制的飞行点仅在特定使用情况中遇到，特别在直升机具有接近其最大起飞质量的质量时。
这些超尺寸的涡轮轴发动机在质量方面和燃料消耗量方面具有不利作用。为了减小在巡航飞行期间的消耗量，设想的是在飞行期间停止涡轮轴发动机中的一个并将该发动机置于被称为待机的模式。工作的一个或多个发动机随后以更高的功率水平运行以提供所有所需的功率，因此处于更有利的SC水平。
在FR1151717和FR1359766中，申请人提出一种借助将至少一个涡轮轴发动机置于稳定功率模式(被称为连续)和按照需要将至少一个涡轮轴发动机置于特别待机模式(能够以紧急或正常方式离开该特别待机模式)的能力而使直升机的涡轮轴发动机的单位消耗量优化的方法。当飞行状态的改变要求处于待机状态的涡轮轴发动机工作时，例如，当直升机从巡航飞行状态过渡为着陆阶段时，离开待机模式正常地发生。以此方式正常地离开待机模式在10秒至1分钟的一段时间内发生。当工作的发动机发生故障或不足功率时，或当飞行条件突然变困难时，离开待机模式紧急地发生。以此方式紧急地离开待机模式在少于10秒的一段时间内发生。
申请人因此特别提出以下两种待机模式：
-称为辅助超级怠速的待机模式，在该待机模式，燃烧室被点燃，并且气体发生器的轴以机械辅助方式、以介于额定速度的20％至60％之间的速度旋转。这种模式使得气体发生器能够处于最低的可能旋转速度，以使燃料消耗量最小化。为了提高气体发生器在低速的性能，提出借助外部源将机械能注入到气体发生器中。
-称为储备(banking)的待机模式，在该待机模式，燃烧室被熄灭，并且气体发生器的轴以机械辅助方式、以介于额定速度的5％至20％之间的速度旋转。这种模式使得能够将气体发生器的旋转保持在允许燃烧室的更快点燃(如果需要)的速度范围中。
这两个待机模式因此要求被持续地辅助的气体发生器。在直升机任务期间，辅助的持续时间可以是数个小时。因此，技术问题是：提供一种机械地辅助处于待机模式的涡轮轴发动机的方法。另一技术问题是：提供一种使得能够在任务期间确保对处于待机模式的涡轮轴发动机的气体发生器的机械辅助的推进系统的构架。
发明内容
本发明旨在提供一种用于机械地辅助处于待机模式的涡轮轴发动机的气体发生器的方法。
本发明还旨在提供一种使得能够在任务期间确保待机模式的涡轮轴发动机的气体发生器的机械辅助的推进系统的构架。
本发明还旨在于至少一个实施例中提供一种不会要求特定发电机的类型的构架。
为了实现此目的，本发明涉及一种包括涡轮轴发动机的多发动机式直升机推进系统的构架，每个涡轮轴发动机包括气体发生器和自由涡轮，所述自由涡轮由来自所述气体发生器的气体驱动而旋转。
根据本发明的构架的特征在于，其包括：
-所述涡轮轴发动机中的至少一个被称为混合动力涡轮轴发动机的涡轮轴发动机，所述混合动力涡轮轴发动机在直升机的稳定飞行期间能够运行于至少一个待机模式；以及被称为运转的涡轮轴发动机的其他涡轮轴发动机，所述运转的涡轮轴发动机在所述稳定飞行期间独自运行，
-空气涡轮，所述空气涡轮机械地连接至气体发生器，
-排出装置，所述排出装置用于从所述运转涡轮轴发动机的气体发生器排出加压空气，
-导管，所述导管用于将排出的空气引导至所述空气涡轮，使得所述空气涡轮能够将来自所述加压空气的能量转化为驱动所述混合动力涡轮轴发动机的气体发生器的机械能。
根据本发明的构架因此使得能够借助空气涡轮提供机械动力至混合动力涡轮轴发动机的气体发生器。该空气涡轮由从运转涡轮轴发动机排出的加压空气提供动力。根据本发明的构架因此使得能够在所述发动机置于“辅助超怠速”待机模式或“储备”待机模式时机械地辅助该混合动力涡轮轴发动机的气体发生器。
然而，该机械辅助在不需要使用外部电机的情况下仍是可能的。与电气辅助相比，本发明因此允许在重量、成本和使用寿命上的节约。此外，本发明不需要从直升机的机载网络排出电能。
根据本发明的构架使用在推进系统中已经可用的主能源，该主能源是由运转涡轮轴发动机提供的加压空气的形式。根据本发明的构架因此可以从已经现有的推进系统的构架获得，而不需要对构架进行显著的更改。
混合动力涡轮轴发动机是构造为使能够按照需要和意愿置于至少一个预定的待机模式的涡轮轴发动机，所述至少一个预定的待机模式可以以迅速(也称为紧急)或正常的方式离开。涡轮轴发动机仅可以在直升机的稳定飞行期间(即，在直升机于正常状态下前进时的巡航飞行期间，当直升机的涡轮轴发动机未失效时)处于待机模式。离开待机模式在于借助以与由(正常待机-离开模式或迅速待机-离开模式)状态要求的离开模式相容的方式进行驱动来将涡轮轴发动机改变为气体发生器的加速模式。
有利的，根据本发明，用于从所述运转涡轮轴发动机的气体发生器排出空气的排出装置包括至少一个排出端口，所述至少一个排出端口结合在所述运转涡轮轴发动机的压缩机上。
根据该变型，从运转涡轮轴发动机的压缩机直接排出加压空气。这种抽气使得能够响应于为空气涡轮提供动力所需的加压空气，而对从其排出空气的运转涡轮轴发动机的性能没有影响。
有利的，根据本发明，所述空气排出装置包括排放喷嘴，所述排放喷嘴使得能够计量从所述运转涡轮轴发动机排出的空气的流量。
优选地直接布置于抽气口上的喷嘴的存在，使得能够在用于引导空气至空气涡轮的导管破裂的情况下或在辅助回路失效的情况下限制输送至空气涡轮的最大气流。
有利的，根据本发明，所述空气涡轮借助附件传动箱机械地连接至所述气体发生器。
附件传动箱使得能够驱动操作混合动力涡轮轴发动机的气体发生器所需的辅助设备和比如空调装置的直升机设备。根据该变型，空气涡轮直接结合在所述附件传动箱上，使得能够不但使其安装和其与混合动力涡轮轴发动机的气体发生器的相互连接简化，而且提供为驱动辅助设备和/或供给动力至直升机设备所需的动力的一部分。
有利的，根据本发明的构架包括调节装置，所述调节装置用于调节由所述空气涡轮输送至所述动力混合涡轮轴发动机的气体发生器的机械动力。
该调节装置使得能够按照需要调节输送至混合动力涡轮轴发动机的气体发生器的机械动力。具体地，对于可以按照需求在多个不同待机模式下(具体地，辅助超怠速模式和储备模式)操作的混合动力涡轮轴发动机而言，调节装置使得能够使动力适合于每一个模式。
有利的，根据该变型，所述调节装置包括控制装置，所述控制装置用于控制供给至所述空气涡轮的空气的流量和/或压力。
根据该变型，借助对给空气涡轮提供动力的空气的流量和/或压力进行调节获得动力调节。
这些控制装置可以是任何类型。例如，根据第一变型，这些控制装置包括布置于导气导管上的控制阀。该阀可以是具有流通状态和阻塞状态的双态截流阀，在流通状态，空气在导气导管中自由流通，在阻塞状态，空气不能对空气涡轮提供动力。根据另一变型，这些控制装置包括变螺距分配器，该变螺距分配器结合在空气涡轮中并能够确定空气涡轮的空气的流量和/或压力。根据另一变型，控制装置包括由阀或由单个分配器控制的用于将空气注入至空气涡轮中的多个点。
有利的，根据本发明的构架包括读取装置，所述读取装置用于读取表示所述混合动力发动机的操作的信息，并且所述控制装置依赖于该信息。
根据该变型，表示混合动力涡轮轴发动机的操作的信息使用于确定被输送至空气涡轮的空气的流量和/或压力，使得能够依赖混合动力涡轮轴发动机的操作状态来调节分配至混合动力涡轮轴发动机的气体发生器的功率。例如，该信息是比如气体发生器的旋转速度或气体发生器的高压涡轮的出口处温度等的测量参数。该信息还使得能够在由空气涡轮提供至气体发生器的机械辅助有故障的情况下，使分配的功率适合于观察到的状态，以在情况需要这样时切断电源或使混合动力涡轮轴发动机离开其待机模式。该信息还可以包括空气涡轮的旋转速度的测量，以防止与连接空气涡轮至混合动力涡轮轴发动机的运动连的故障相关的超速。
有利的，根据本发明的构架包括受控机械断开装置，所述受控机械断开装置布置在所述空气涡轮与所述混合动力涡轮轴发动机的气体发生器之间并且在没有空气供给至所述空气涡轮的情况下，能够将所述空气涡轮与所述气体发生器断开。
该断开装置使得能够在从运转涡轮轴发动机排出的空气被切断或不存在时机械地分开空气涡轮和混合动力涡轮轴发动机的气体发生器。这类装置可以是任何形式。根据变型，所述装置包括布置于空气涡轮的输出轴与混合动力发动机的气体发生器的轴之间的自由轮。根据另一变型，所述装置包括离合器机构。根据另一变型，所述装置包括棘爪。
有利的，根据本发明，混合动力涡轮轴发动机包括发动机隔室，在发动机隔室中特别布置气体发生器，空气涡轮包括空气出口，空气出口通向所述混合动力发动机的发动机隔室以限制隔室的温度的降低及利于重新启动该涡轮轴发动机。
根据另一变型，空气出口通向发动机隔室的外部。
根据另一变型，空气出口使用于将发动机油的温度保持在特定水平，使得利于重新启动所述发动机。
根据另一变型，空气出口通向混合动力涡轮轴发动机的进气口，以限制涡轮轴发动机内部部件的温度的降低，使得利于重新启动所述发动机。
本发明既适用于双发动机式直升机又适用于三发动机式直升机。在三发动机式直升机的情况下，根据第一变型，三个涡轮轴发动机在尺寸上相同。三个涡轮轴发动机中的一个是能够在直升机的稳定飞行期间以至少一个待机模式操作的混合动力涡轮轴发动机，于是，在该稳定飞行期间，两个其他发动机是运转发动机且独自操作。在该情况下，空气涡轮布置在运转涡轮轴发动机中的一个与混合动力涡轮轴发动机之间。
根据另一变型，混合动力涡轮轴发动机比两个运转涡轮轴发动机更小。混合动力涡轮轴发动机是能够在待机模式操作的较小发动机。在该情况下，空气涡轮布置在两个大型涡轮轴发动机中的一个与混合动力涡轮轴发动机之间。
根据另一变型，三个涡轮轴发动机是不同的尺寸。最小的涡轮轴发动机可以在稳定飞行期间关闭，两个较大发动机中的一个是在需要时能够置于待机模式的混合动力涡轮轴发动机，另一涡轮轴发动机随之是运转涡轮轴发动机。在该情况下，空气涡轮布置在运转涡轮轴发动机中的一个与混合动力涡轮轴发动机之间。
本发明还涉及包括推进系统的直升机，特征在于，所述推进系统具有根据本发明的构架。
本发明还涉及一种用于机械辅助称为在待机模式的涡轮轴发动机的涡轮轴发动机的方法，所述涡轮轴发动机在含有涡轮轴发动机的直升机的稳定飞行期间在待机模式操作，每个涡轮轴发动机包括气体发生器和自由涡轮，称为运转涡轮轴发动机的其他涡轮轴发动机在该稳定飞行期间独自操作。
根据本发明的方法的特征在于，其包括：
-从运转涡轮轴发动机的气体发生器排出加压空气的步骤，
-将排出的空气引导至与待机模式的所述涡轮轴发动机的气体发生器机械地相连接的空气涡轮，
-借助所述空气涡轮，将来自由所述引导步骤提供的空气的能量转化为用于驱动所述气体发生器的机械能的步骤。
根据本发明的方法有利地通过根据本发明的构架实施。根据本发明的构架有利地实施根据本发明的方法。
有利的，根据本发明，所述抽气步骤在于从运转涡轮轴发动机的气体发生器的压缩机排出空气。
有利的，根据本发明的方法包括调节由所述空气涡轮供给至待机模式的所述涡轮轴发动机的机械动力的步骤。
有利的，根据该变型，所述调节动力的步骤包括控制输送至所述空气涡轮的空气的流量和/或压力的步骤。
本发明还涉及一种辅助方法、涉及一种推进系统和一种直升机，其特征在于，以上或以下提及的全部或某些特征相结合。
附图说明
本发明的其他目的、特征和优点会根据阅读仅以非限制示例的方式给出并与附图有关的以下描述呈现，在附图中：
-图1是根据本发明的实施例的双发动机式直升机的推进系统的构架的示意图，
-图2是根据本发明的另一实施例的双发动机式直升机的推进系统的构架的示意图，
-图3是根据本发明的另一实施例的双发动机式直升机的推进系统的构架的示意图，根据本发明的实施例的控制装置的示意图，
-图4是根据本发明的另一实施例的双发动机式直升机的推进系统的构架的示意图。
具体实施方式
以下描述的实施例涉及双发动机式直升机的推进系统的构架。在这种情形下，本领域技术人员会容易理解如何使所描述的实施例适配于多发动机(特别是三发动机)推进系统。
该构架包括两个涡轮轴发动机5、6。每个涡轮轴发动机5、6由其自身的检查控制装置控制，为了清楚起见，在附图中未示出该检查控制装置。
如图1所示，每个涡轮轴发动机5、6分别包括气体发生器17、27和由发生器17、27提供动力的自由涡轮10、20。气体发生器17、27包括空气压缩机14、24，空气通过进气口18、28供给至空气压缩机14、24。压缩机14、24将位于压缩空气中的燃料供给至燃烧室13、23，燃料输送提供动能的燃烧气体。用于使燃烧气体部分地膨胀的涡轮12、22借助驱动轴15、25联接至压缩机14、24，以能够使压缩机14、24和运行气体发生器或直升机所需的设备旋转。该设备布置在附件传动箱32、33中。燃烧气体的生成部分驱动与直升机的功率传输箱连接的自由功率传输涡轮10、20，并随后通过排气装置19、29排出。
在全部下文中，假设涡轮轴发动机5是在直升机的稳定飞行期间能够以至少一个待机模式运行的混合动力涡轮轴发动机，运转的涡轮轴发动机6于是在该稳定飞行期间独自运行。
该构架还包括空气涡轮30，空气涡轮30借助附件传动箱32机械地连接至混合动力涡轮轴发动机5的气体发生器17。空气借助导气导管31供给至该涡轮30。导气导管31连接至运转的涡轮轴发动机6的压缩机24上的空气排出端口，以能够将来自压缩机24的压缩空气输送至空气涡轮30。导气导管31因此布置在运转的涡轮轴发动机6的气体发生器27上的空气抽取端口与空气涡轮30的进气入口之间。因此，空气涡轮30使得能够将导气导管31输送的压缩空气中可利用的能量转化成在其输出轴处可利用的机械能。
根据实施例，该空气涡轮30是轴向式或向心式的反动式涡轮。根据另一实施例，空气涡轮30是部分进气冲动式涡轮或全开进气冲动式涡轮。
根据在附图中未示出的实施例，该构架还包括排放喷嘴，该排放喷嘴使得能够计量从运转的涡轮轴发动机6的压缩机24排出的空气的流量。
根据图2的实施例，该构架包括受控截流阀33，受控截流阀33是用于控制输送至空气涡轮30的空气的流量和压力的装置。根据该实施例，阀适于被置于两种状态：第一通行状态和第二阻塞状态，在第一通行状态，从压缩机24排出的全部空气输送至空气涡轮30，在第二阻塞状态，空气不再会被输送至空气涡轮30。
根据如图3示出的另一实施例，该构架还包括模块35，模块35用于控制轴向式或向心式的空气涡轮30的变桨距(variable-pitch)分配器34。该组件形成用于控制输送至空气涡轮30的空气的流量和压力的装置，并且通过扩展，形成用于调节输送至混合动力涡轮轴发动机5的气体发生器17的机械功率的装置。
根据图4的实施例，该构架还包括自由轮40，自由轮40布置在空气涡轮30与附件传动箱32之间。自由轮40形成用于空气涡轮30和气体发生器17的受控的机械断开装置。因此，自由轮40使得能够确保：当空气不再由导气导管31供给至所述涡轮时，空气涡轮30不再机械地连接至气体发生器17。
空气涡轮30的空气出口可以布置成各种方式(在附图中未示出)。
例如，根据第一结构，空气涡轮30的出口处的空气被排放到发动机室中以限制温度的降低，使得利于重新启动处于待机模式的涡轮轴发动机。
根据另一结构，空气涡轮30的出口处的空气被排放到发动机室的外部。
根据另一结构，空气注入到待机模式的涡轮轴发动机的空气入口18中以限制涡轮轴发动机内部的部件的温度的降低，使得利于重新启动所述发动机。
根据另一结构，空气被用于使涡轮轴发动机的油保持在与重新启动涡轮轴发动机时限制抵抗转矩相匹配的温度，以能够迅速获得重新启动所需的全部功率。
本发明还涉及一种用于在混合动力涡轮轴发动机5处于待机模式时机械地辅助该混合动力涡轮轴发动机5的方法。
该方法包括：从运转的涡轮轴发动机的气体发生器排出加压空气的步骤，将排出的空气引导至与所述处于待机模式的涡轮轴发动机的所述气体发生器机械地相连接的空气涡轮的步骤，以及将加压空气中的可利用的能量转化为在附件传动箱的出口处的轴处可利用的机械能的步骤。
根据本发明的方法通过根据本发明的推进系统的构架有利地实施。
Claims (14)
1.多发动机式直升机的推进系统的构架，包括涡轮轴发动机(5、6)，每个涡轮轴发动机(5、6)包括气体发生器(17、27)和自由涡轮(10、20)，所述自由涡轮通过来自所述气体发生器的气体而旋转，
其特征在于，所述构架包括：
-所述涡轮轴发动机中的至少一个被称为混合动力涡轮轴发动机(5)的涡轮轴发动机，所述混合动力涡轮轴发动机在直升机的稳定飞行期间能够运行于至少一个待机模式；以及被称为运转的涡轮轴发动机(6)的其他涡轮轴发动机，所述运转的涡轮轴发动机在所述稳定飞行期间独自运行，
-空气涡轮(30)，所述空气涡轮机械地连接至所述混合动力涡轮轴发动机(5)的所述气体发生器(17)，
-用于从所述运转的涡轮轴发动机(6)的气体发生器(27)排出加压空气的空气排出装置，
-导管(31)，所述导管用于将排出的空气引导至所述空气涡轮(30)，使得所述空气涡轮(30)能够将来自所述加压空气的能量转化为驱动所述混合动力涡轮轴发动机(5)的所述气体发生器(17)的机械能。
2.根据权利要求1所述的构架，其特征在于，所述用于从运转的涡轮轴发动机的气体发生器(27)排出空气的空气排出装置包括排出端口，所述排出端口布置在所述运转的涡轮轴发动机(6)的压缩机(24)上。
3.根据权利要求1所述的构架，其特征在于，所述空气排出装置包括排放喷嘴，所述排放喷嘴使得能够计量从所述运转的涡轮轴发动机(6)排出的空气的流量。
4.根据权利要求1所述的构架，其特征在于，所述空气涡轮(30)通过附件传动箱(32)连接至所述气体发生器(17)。
5.根据权利要求1所述的构架，其特征在于，所述构架包括用于调节由所述空气涡轮(30)输送至所述动力混合涡轮轴发动机的所述气体发生器的机械功率的调节装置(33；34、35)。
6.根据权利要求5所述的构架，其特征在于，所述调节装置包括用于控制供给至所述空气涡轮(30)的空气的流量和/或压力的控制装置。
7.根据权利要求6所述的构架，其特征在于，所述构架包括用于读取表征所述混合动力发动机(5)的运行的信息的装置，并且所述控制装置依赖于该信息。
8.根据权利要求1所述的构架，其特征在于，所述构架包括受控的机械断开装置(40)，所述受控的机械断开装置布置在所述空气涡轮(30)与所述混合动力涡轮轴发动机(5)的所述气体发生器(17)之间，并且能够在空气不供给至所述空气涡轮(30)的情况下将所述空气涡轮(30)与所述气体发生器(17)断开。
9.根据权利要求1所述的构架，其特征在于，所述空气涡轮(30)包括空气出口，所述空气出口通向所述混合动力涡轮轴发动机的发动机室，以限制该发动机室的温度的降低并利于重新启动所述涡轮轴发动机。
10.包括推进系统的直升机，其特征在于，所述推进系统具有根据权利要求1至9中任一项所述的构架。
11.一种用于对被称为处于待机模式的涡轮轴发动机(5)的涡轮轴发动机进行机械辅助的方法，所述处于待机模式的涡轮轴发动机在包括涡轮轴发动机(5、6)的直升机的稳定飞行的期间运行于待机模式，每个涡轮轴发动机包括气体发生器(17、27)和自由涡轮，称为运转的涡轮轴发动机(6)的其他涡轮轴发动机在所述稳定飞行期间独自运行，其特征在于，所述方法包括：
-从运转的涡轮轴发动机(6)的气体发生器(27)排出加压空气的步骤，
-将排出的空气引导至空气涡轮(30)的步骤，所述空气涡轮机械地连接至所述处于待机模式的涡轮轴发动机(5)的所述气体发生器(17)，
-通过所述空气涡轮(30)将来自所述引导步骤供给的空气的能量转化为用于驱动所述处于待机模式的涡轮轴发动机(5)的所述气体发生器(17)的机械能的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述空气排出步骤在于从运转的涡轮轴发动机(6)的所述气体发生器(27)的压缩机(24)排出空气。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括调节由所述空气涡轮(30)供给至所述处于待机模式的涡轮轴发动机(5)的机械功率的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述调节功率的步骤包括控制输送至所述空气涡轮(30)的空气的流量和/或压力的步骤。
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