CN109139268A - 用于起动涡轮发动机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于起动动力装置的系统和方法。在一个示例性方面，动力装置的起动系统包括一个或多个特征，这些特征使得动力装置用电功率的脉冲电起动，且不必从非机载电源或相对重的机载能量储存装置得到电功率。

Description

用于起动涡轮发动机的系统和方法

技术领域

本公开主题大体上涉及涡轮发动机。更具体地，本主题涉及用于起动涡轮发动机的系统和方法。

背景技术

具有快速起动要求的涡轮发动机通常需要短但强的电功率脉冲来进行起动，因此，按常规一直要求大电池或大电源用于这种起动。例如，对于用于飞行器的涡轮发动机，大电池系统、辅助动力单元和其它能量储存/生成单元一直被用作用于快速起动这种涡轮发动机的电源。这样的系统对涡轮发动机是重量负担。此外，起动器通常只以低速率从这样的电池系统和其它能量储存/生成单元汲取功率。低功率汲取可能阻碍快速起动要求，且可能对涡轮发动机的空气轴承和转子动力很苛刻。而且，用于飞行器的某些涡轮发动机经由非机载电源起动，例如经由连接至电网的线路电压起动。然而，快速起动涡轮发动机通常要求的功率比从这样的非机载电源容易供应的功率要多。结果，通常需要大的非机载电源。大的非机载电源可能费用高、笨重且不可移动。

因此，用于起动涡轮发动机的改进的系统和方法将是有用的。更具体讲，用于起动具有快速起动需求的涡轮发动机的改进的系统和方法将是有益的。

发明内容

本发明的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本发明的实践而得知。

在一个示例性方面，本公开涉及一种用于快速起动交通工具的动力装置的方法。所述动力装置包括起动器和与所述起动器电连通的电容性蓄能器。所述动力装置还包括轴。所述起动器能够与所述轴操作联接。所述方法包括：用设置在所述交通工具之外的电源对所述电容性蓄能器充电到预定电荷；从所述电源上断开所述电容性蓄能器，使得所述电容性蓄能器和所述电源不再电连通；以及从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到所述起动器，使得所述起动器将所述轴驱动到预定转速。

在另一示例性方面，本公开涉及一种涡轮发动机。所述涡轮发动机包括：压缩机；涡轮；和联接所述压缩机和所述涡轮的轴。所述涡轮发动机还包括起动系统。所述起动系统包括起动器，所述起动器能够与所述轴操作联接，且可操作地配置成在起动操作期间驱动所述轴。所述起动系统还包括电容性蓄能器，所述电容性蓄能器与所述起动器电连通并可操作地配置成在所述起动操作期间将预定量的电功率放出到所述起动器。在这些实施例中，所述电容性蓄能器与定位成在所述涡轮发动机之外的电源选择性电连通，以用于对所述电容性蓄能器充电。

本申请技术方案1涉及一种用于快速起动交通工具的动力装置的方法，所述动力装置包括起动器和与所述起动器电连通的电容性蓄能器，所述动力装置还包括轴，所述起动器能够与所述轴操作联接，所述方法包括：

用设置在所述交通工具之外的电源将所述电容性蓄能器充电到预定电荷；

从所述电源上断开所述电容性蓄能器，使得所述电容性蓄能器和所述电源不再电连通；以及

从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到所述起动器，使得所述起动器将所述轴驱动到预定转速。

本申请技术方案2涉及根据技术方案1所述的方法，其中，在所述电容性蓄能器从所述电源断开之后，所述起动器只从所述电容性蓄能器汲取电功率以起动所述动力装置。

本申请技术方案3涉及根据技术方案1所述的方法，其中在放电之后，所述方法还包括：

从所述动力装置分离所述电容性蓄能器，使得所述电容性蓄能器不再在所述交通工具或动力装置上。

本申请技术方案4涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述起动器是起动器发电机，并且其中，在所述起动器将所述轴驱动到所述预定转速之后，所述方法还包括：

将所述起动器发电机切换成发电机；以及

对所述电容性蓄能器再充电到预定电荷。

本申请技术方案5涉及根据技术方案4所述的方法，其中在再充电之后，所述方法还包括：

从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到所述交通工具的一个或多个系统。

本申请技术方案6涉及根据技术方案4所述的方法，其中在再充电之后，所述方法还包括：

从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到第二交通工具。

本申请技术方案7涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述动力装置是涡轮发动机。

本申请技术方案8涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述交通工具是无人飞行器。

本申请技术方案9涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述电容性蓄能器是超级电容器。

本申请技术方案10涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述电源是线路电压。

本申请技术方案11涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述电源是母舰交通工具。

本申请技术方案12涉及根据技术方案1所述的方法，其中，所述预定转速是不再需要所述起动器维持所述动力装置的操作的速度。

本申请技术方案13涉及根据技术方案1所述的方法，其中，在放电期间，来自所述电容性蓄能器的所述预定电荷的至少一部分被放出以将一定量的电功率传递到一个或多个起动器模块。

本申请技术方案14涉及一种涡轮发动机，其包括：

压缩机；

涡轮；

联接所述压缩机和所述涡轮的轴；

起动系统；所述起动系统包括：

起动器，所述起动器能够与所述轴操作联接，且可操作地配置成在起动操作期间驱动所述轴；以及

电容性蓄能器，所述电容性蓄能器与所述起动器电连通并可操作地配置成在所述起动操作期间将预定量的电功率放出到所述起动器；

其中，所述电容性蓄能器与定位成在所述涡轮发动机之外的电源选择性电连通，以用于对所述电容性蓄能器充电。

本申请技术方案15涉及根据技术方案14所述的涡轮发动机，其中，当所述电容性蓄能器不与定位成在所述涡轮发动机之外的电源电连通时，所述起动器只从所述电容性蓄能器汲取所述预定量的电功率以起动所述动力装置。

本申请技术方案16涉及根据技术方案14所述的涡轮发动机，其中，所述电容性蓄能器可操作地配置成在所述起动操作之后从所述涡轮发动机分离。

本申请技术方案17涉及根据技术方案14所述的涡轮发动机，其中，所述电容性蓄能器是超级电容器。

本申请技术方案18涉及根据技术方案14所述的涡轮发动机，其中，所述起动器是能够在所述起动操作期间的电动机和在非起动操作期间的发电机之间切换的起动器发电机，并且其中，在非起动操作时间，所述起动器发电机可操作地配置成对所述电容性蓄能器充电。

本申请技术方案19涉及根据技术方案14所述的涡轮发动机，其中，所述电源是线路电压。

参考以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解。并入于本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明本发明的实施例，且连同所述描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

本说明书中针对所属领域的技术人员来阐述本发明的完整且启发性公开内容，包括其最佳模式，本说明书参考了附图，其中：

图1提供根据本公开的示例性实施例的示例性燃气涡轮发动机的侧视图；

图2提供根据本公开的示例性实施例的图1燃气涡轮发动机的透视剖面图；

图3提供图1的燃气涡轮发动机的示意图，其描绘根据本公开的示例性实施例的示例性起动系统；

图4提供根据本公开的示例性实施例的示例性方法的流程图；

图5提供根据本公开的示例性实施例的示例性方法的流程图；以及

图6描绘了根据本公开的示例性实施例的实例交通工具。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的实施例，其一个或多个实例在附图中说明。每个实例通过对本公开进行说明而不是对本公开进行限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可在本公开中作出许多修改与变型。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，希望本公开涵盖如落入所附权利要求书和其等效物的范围内的此类修改和变化。

本公开的示例性方面涉及用于起动动力装置的系统和方法。更具体地，示例性方面涉及用于以电方式启动有快速起动需求的动力装置的系统和方法。在一个示例性方面，用于交通工具的示例性动力装置(例如涡轮发动机)的起动系统包括这样的一个或多个特征，其允许动力装置用电功率的脉冲电起动，且不必连接至非机载电源或相对大或重的机载能量储存装置。

更具体地，在一些示例性实施例中，动力装置可包括起动器和与所述起动器电连通的电容性蓄能器。例如，可以低速率非机载电源对电容性蓄能器充电。充电后，电容性蓄能器可从非机载电源断开。由于电容性蓄能器可在预定周期内保持其电荷，所以在不直接连接至非机载电源的情况下动力装置也可被起动。而且，由于电容性蓄能器能够保持大量电荷，所以不需要大型笨重的能量储存系统来为起动器供电。在发动机起动操作期间，电起动器从电容性蓄能器汲取或得到一定量的积累电功率。由于电容性蓄能器可快速地放出电功率，所以起动器可汲取电功率的脉冲，使得电起动器可将动力装置的轴驱动到预定转速。本主题的另外的方面和优点将对本领域技术人员是显然的。

将参照附图更详细地讨论本公开的示例性方面。详细描述中使用数字和字母标号来指代图中的特征。图中和描述中使用相同或类似的标记来指代本发明的相同或类似部分。如本文中所使用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一个部件与另一部件，且并不在于表示个别部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流的相对流动方向。举例来说，“上游”是指流体从其流出的流动方向，而“下游”是指流体流到的流动方向。“HP”表示高压，“LP”表示低压。而且，如本文中所使用，术语“轴向”或“轴向地”指沿发动机的纵向轴线的维度。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“前向”指朝向发动机的前端的方向，与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“后向”指朝向发动机的尾端的方向。术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线(或中心线)与外部发动机圆周之间延伸的尺寸。径向向内是朝向纵向轴线，径向向外是远离纵向轴线。

现在转到附图，参考图1和图2，图1提供了根据本公开的示例性实施例的示例性动力装置的侧视图，图2提供了图1的动力装置的透视剖面图。如图1所示，对于此实施例，动力装置是被配置为涡轮螺旋桨发动机的燃气涡轮发动机100。燃气涡轮发动机100限定了轴向方向A、径向方向R和围绕轴向方向A设置的圆周方向C(图2)。燃气涡轮发动机100大致沿着轴向方向A在第一端103和第二端105之间延伸，对于此实施例第一端和第二端分别是前端和后端。燃气涡轮发动机100通常包括发电机或芯部涡轮发动机104以及能够围绕轴向方向A旋转的螺旋桨组件106。燃气涡轮发动机100限定了沿着轴向方向A延伸穿过芯部涡轮发动机104和螺旋桨组件106的轴向中心线102。

如图2所示，芯部涡轮发动机104大体上包括呈串联流布置的压缩机部段110、燃烧部段112、涡轮部段114和排气部段116。芯部空气流动路径118从环形入口120延伸到排气部段116的一个或多个排气出口122，使得压缩机部段110、燃烧部段112、涡轮部段114和排气部段116流体连通。

压缩机部段110可以包括一个或多个压缩机，例如高压压缩机(HPC)和低压压缩机(LPC)。对于该实施例，压缩机部段110包括四级轴向LPC 111和单离心式HPC 113。LPC 111包括压缩机定子轮叶和转子叶片(未标记)的连续级，HPC 113是定位在定子轮叶和转子叶片的轴向级的下游的推进器。燃烧部段112包括逆流燃烧器(未标记)以及一个或多个燃料喷嘴(未示出)。涡轮部段114可以限定一个或多个涡轮，例如高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)。对于该实施例，涡轮部段114包括用于驱动压缩机部段110的两级气体发生器涡轮126。气体发生器涡轮126包括定子轮叶和涡轮叶片(未标出)的两个连续级。涡轮部段114还包括驱动螺旋桨变速箱134的三级自由或动力涡轮128，该螺旋桨变速箱继而驱动螺旋桨组件106(图1)。排气部段116包括用于将燃烧产物引导至环境空气的一个或多个排气出口122。

仍参照图2，芯部涡轮发动机104可包括一个或多个轴。对于该实施例，燃气涡轮发动机100包括压气体发生器轴130和自由或动力轴132。气体发生器轴130和动力轴132不相互连接(图3)。气体发生器轴130将气体发生器涡轮126与压缩机部段110驱动地联接以驱动压缩机部段110的旋转部件。动力轴132驱动地联接动力涡轮128以驱动螺旋桨变速箱134的齿轮系140，该螺旋桨变速箱的齿轮系继而经由扭矩输出或螺旋桨轴136以降低的RPM操作性地向螺旋桨组件106提供动力和扭矩。螺旋桨轴136的前端包括凸缘137，该凸缘提供用于螺旋桨组件106附接到芯部涡轮发动机104的安装界面。

螺旋桨变速箱134被封闭在变速箱壳体138内。对于该实施例，壳体138包围行星齿轮系140，该行星齿轮系包括星形齿轮142和围绕星形齿轮142设置的多个行星齿轮144。行星齿轮144被构造成围绕星形齿轮142旋转。环形齿轮146位于星形齿轮和行星齿轮142、144的轴向前方。随着行星齿轮144围绕星形齿轮142旋转，扭矩和动力被传递到环形齿轮146。如图所示，环形齿轮146操作地联接到螺旋桨轴136或者以其他方式与螺旋桨轴136成一体。在一些实施例中，齿轮系140还可以包括附加的行星齿轮，该附加的行星齿轮径向地设置在多个行星齿轮144和星形齿轮142之间或者在多个行星齿轮144和环形齿轮146之间。另外，齿轮系140还可以包括附加的环形齿轮。

如上所述，芯部涡轮发动机104经由动力轴132将动力和扭矩传递到螺旋桨变速箱134。动力轴132驱动星形齿轮142，星形齿轮142继而驱动行星齿轮144围绕星形齿轮142运动。行星齿轮144继而驱动与螺旋桨轴136操作地联接的环形齿轮146。这样，从动力涡轮128提取的能量支持螺旋桨轴136的操作，并且通过动力齿轮系140，动力轴132的相对高的RPM被减小到螺旋桨组件106的更合适的RPM。

此外，燃气涡轮发动机100包括一个或多个控制器250，所述控制器250可操作地配置成控制芯部涡轮发动机104和螺旋桨组件106，例如，燃气涡轮发动机100的起动系统。对于该实施例，控制器250是配备有全权限数字发动机和螺旋桨控制(FADEPC)的单个单元，用于提供芯部涡轮发动机104和螺旋桨组件106的全数字控制。在一些替代性实施例中，燃气涡轮发动机100可包括用于控制芯部涡轮发动机104和螺旋桨组件106的超过一个控制器。例如，在一些示例性实施例中，燃气涡轮发动机100可包括配备有全权限数字发动机控制(FADEC)的发动机控制器和配备有全权限数字螺旋桨控制(FADPC)的螺旋桨控制器。在这些实施例中，发动机控制器和螺旋桨控制器通信联接。

发动机控制器250可包括用于控制燃气涡轮发动机100的任何适合的硬件和/或软件。作为一个实例，发动机控制器250可包括一个或多个处理器和一个或多个存储器装置。所述一个或多个存储器装置可存储数据和指令。当指令由一个或多个处理器执行时，处理器执行操作，例如，执行燃气涡轮发动机100的起动序列。例如，控制器250可将一个或多个控制信号发送至螺线管以闭合起动器电路，使得起动器从电源汲取功率。

参照图1，在燃气涡轮发动机100的操作期间，由箭头148指示的一定量的空气横穿多个螺旋桨叶片150，多个螺旋桨叶片150沿周向方向C相互间隔开并围绕轴向方向A设置，对于此实施例更具体讲轴向方向A是轴向中心线102。螺旋桨组件106包括机头罩163，其气动轮廓促进通过多个螺旋桨叶片150的气流。机头罩163可与螺旋桨叶片150一起围绕轴向方向A旋转，并包围螺旋桨组件106的各个组件，例如，毂、螺旋桨桨距致动器、活塞/气缸致动机构等。由箭头152指示的第一部分空气被引导或传送到芯部涡轮发动机104的外部以提供推进。由箭头154指示的第二部分空气被引导或传送通过燃气涡轮发动机100的环形入口120。

如图2所示，第二部分空气154通过环形入口120进入并向下游流动到压缩机区段110，在此实施例中这是沿轴向方向A的前向方向。空气154的第二部分在其朝向燃烧部段112向下游流过压缩机部分110时逐渐被压缩。

由箭头156指示的压缩空气流入燃烧部段112，在燃烧部段中引入燃料，该燃料与至少一部分压缩空气156混合并且被点燃以形成燃烧气体158。燃烧气体158向下游流动到涡轮部段114，引起涡轮部段114的旋转构件旋转并且继而支持压缩机部段110和/或螺旋桨组件106中相应联接的旋转构件的操作。具体地，HPT 126从燃烧气体158中提取能量，从而引起涡轮叶片旋转。HPT 126的涡轮叶片的旋转引起气体发生器轴130旋转，结果，压缩机的旋转部件围绕轴线方向A旋转。以类似方式，动力涡轮128从燃烧气体158提取能量，引起动力涡轮128的叶片围绕轴线方向A旋转。动力涡轮128的涡轮叶片的旋转引起动力轴132旋转，继而驱动螺旋桨齿轮箱134的动力齿轮系140。螺旋桨变速箱134继而以降低的RPM和期望的扭矩量将由动力轴132提供的动力传递到螺旋桨轴136。螺旋桨轴136继而驱动螺旋桨组件106，使得螺旋桨叶片150围绕轴向方向A旋转，并且更具体地在该实施例中围绕燃气涡轮发动机100的轴向中心线102旋转。由160表示的排气通过排气出口122离开芯部涡轮发动机104到达环境空气。

应该理解，本文描述的示例性燃气涡轮发动机100仅作为示例提供。例如，在其他示例性实施例中，发动机可以包括任何合适数量或类型的压缩机(例如反向流动和/或轴向压缩机)、涡轮、轴、级等。另外，在一些示例性实施例中，燃气涡轮发动机可以包括任何适合类型的燃烧器，并且可以不包括所示的示例性反向流动燃烧器。还要认识到，发动机可以被配置为任何适合类型的燃气涡轮发动机，包括例如涡轮轴、涡轮喷气、涡扇等。而且，在其他实施例中，发动机可以被构造为往复式或活塞式发动机。另外，应当理解，本发明的主题可以应用于任何合适类型的螺旋桨或风扇构造，或者与任何适当类型的螺旋桨或风扇构造一起使用，包括例如牵引机和推动器构造。此外，尽管上述的燃气涡轮发动机100是用于推进固定翼或旋翼飞行器的航空燃气涡轮发动机，但是燃气涡轮发动机可以被构造为用于任何数量的应用的任何合适类型的动力装置，例如用于交通工具或发电系统的风力涡轮、海洋应用或辅助动力单元(APU)。

图3提供图1的动力装置的示意图，其描绘根据本公开的示例性实施例的示例性起动系统200。起动系统200可操作地配置成快速起动动力装置，动力装置在此实施例中是图1和图2的燃气涡轮发动机100。如图3所示，起动系统200包括电起动器202、电容性蓄能器204和控制器250。控制器250与电起动器202通信联接以用于控制电起动器202。例如，控制器250可通过闭合起动器电路以发起发动机起动操作来控制电起动器202。

电起动器202可操作地配置成将燃气涡轮发动机100的轴驱动或旋转到预定的转速，使得发动机可加速到操作速度。在图3的图示实施例中，电起动器202操作联接到燃气涡轮发动机100的气体发生器轴130。以此方式，在发动机起动操作期间，电起动器202可操作地配置成将气体发生器轴132驱动到预定的转速(例如其最大操作速度的10-15％)，使得没有电起动器202的帮助燃气涡轮发动机100也能工作。在一些示例性实施例中，预定的转速可以是气体发生器轴(或被电起动器202驱动的轴)的最大操作速度的大约50％或者更大。要认识到，在替代的示例性实施例中，电起动器202可与动力装置或燃气涡轮发动机的其它轴操作联接。例如，在具有高压轴和低压轴的两转轴涡扇发动机中，电起动器202可与高压轴操作联接。

对于此实施例，电起动器202是起动发电机。换句话讲，电起动器202是一种电机，其在起动操作期间可以象电动机一样工作(即电起动器202将电能变换成机械能以驱动或旋转气体发生器轴130)，且在正常操作期间可象发电机一样工作(即电起动器202将机械能变换成电能以给发动机或发动机联接的飞行器的一个或多个系统供电)。

齿轮组或齿轮系可将电起动器202操作联接到气体发生器轴130。在一些示例性实施例中，齿轮组可与气体发生器轴130选择性接合。在替代的示例性实施例中，齿轮组可与气体发生器轴130一直接合。例如，当电起动器202可操作地只配置为电动机时，可使用离合器(未描绘)将电起动器202与气体发生器轴130联接和分开。在电起动器202可操作地配置为起动发电机的实施例中，齿轮组可一直与气体发生器轴130接合，使得电起动器202一直与气体发生器轴130联接。以此方式，在正常操作期间，被配置为发电机的电起动器202可与气体发生器轴130一致地旋转，使得可生成电能。在一些示例性实施例中，例如图3的图示实施例中，电起动器202可以直接驱动构造与气体发生器轴130操作联接。

仍参照图3，起动系统200还包括位于燃气涡轮发动机100上并与电起动器202电连通的电容性蓄能器204。电容性蓄能器204可以通过任何适合的方式例如一个或多个有线或无线通信线与电起动器202电连通。电容性蓄能器204可以是例如超级电容器。以此方式，电容性蓄能器204可保存大量的电荷。在一些示例性实施例中，电容性蓄能器204可包括多个电容器或超级电容器。

电容性蓄能器204可操作地配置成快速释放或放出电功率脉冲，使得燃气涡轮发动机100可被快速起动，并被快速提速。更具体讲，电容性蓄能器204被配置成将功率脉冲传递到电起动器202，使得电起动器202可驱动气体发生器轴130到足够的转速以用于起动燃气涡轮发动机100。在一些实施例中，电容性蓄能器204将足够的电功率提供到电起动器202，使得燃气涡轮发动机100在几秒例如(3)三秒,(5)五秒,或(10)十秒内被起动。

电容性蓄能器204可选择性将电功率放出到电起动器202。例如，控制器250可将一个或多个信号(即电流信号)发送至起动器螺线管以闭合起动器电路，使得电起动器202可从电容性蓄能器204汲取电功率。换句话说，当起动器螺线管被控制器250控制闭合起动器电路时，电容性蓄能器204将电功率放出到电起动器202。

可以许多种合适的方式对电容性蓄能器204充电。在一些情况下，例如，在电起动器202已经起动燃气涡轮发动机100并切换或变换成发电机时，由电起动器202产生的电能可对电容性蓄能器204充电。即，电起动器202可将旋转的气体发生器轴130的机械能变换成电能，且可用提取的电能对电容性蓄能器204充电。一旦充好电，在经历暂态负载时可使用电容性蓄能器204用于负载均衡，且还用于功率调理。例如，在飞行中功率变化增大期间，例如阶段爬升或规避机动或者当发动机加速时，可使用电容性蓄能器204防止电压垂降。作为另一实例，在飞行中，可以使用电容性蓄能器204重新起动燃气涡轮发动机100。

在一些情况下，可使用非机载或外部电源300对电容性蓄能器204充电。如本文中所使用，非机载或外部电源300意味着电源300在燃气涡轮发动机或与燃气涡轮发动机联接的交通工具之外。如图3所示，在连接好时，电容性蓄能器204可与电源300电连通。外部电源300可以是任何适合类型的电源，包括例如线路电压、一个或多个电池、远程发电系统、可再生技术等。而且，在一些示例性实施例中，电源300可以是母舰飞行器或交通工具。

如上面指出的，外部电源300可操作地配置成对电容性蓄能器204充电。例如，在电容性蓄能器204是低速率电源(例如线路电压)且电源300与电容性蓄能器204电连通时，电源300可用电能以低速率对电容性蓄能器204充电。电容性蓄能器204两端的电荷因此可随时间积累或提高。一旦电容性蓄能器204已经获得或达到预定电荷，则电容性蓄能器204可以高速率释放电能，以对电起动器202充电，从而在被控制起动燃气涡轮发动机100时起动燃气涡轮发动机100。因为电容性蓄能器204以高速率释放电能，所以涡轮发动机可非常快速地达到其操作速度。用外部电源300对电容性蓄能器204充电接着使用电容性蓄能器204将功率传递到电起动器202允许低瓦数电源起动具有高瓦数起动需求的涡轮发动机。

在一些示例性实施例中，可用外部电源300对电容性蓄能器204充电接着可将其与外部电源300断开或脱离(即不再有电连通)，如图3中的206表示的。由于电容性蓄能器204在预定时间内保持其电荷，即便在从电源300断开之后，电容性蓄能器204仍可将功率脉冲传递到电起动器204。这对发动机起动的位置提供灵活性。而且，电容性蓄能器204使得涡轮发动机不必连接至能够传递足以起动发动机的功率脉冲的大的非机载电源，且不必利用来自大的机载能量储存/生成装置的帮助，而具有快速起动能力，因此降低发动机的重量。

使用电容性蓄能器204将高电功率脉冲传递到电起动器202提供许多优点。例如，如上面提到的，通过使用电容性蓄能器204将高功率脉冲传递到电起动器202，可降低燃气涡轮发动机100的重量，原因是电容性蓄能器204的功率密度(W/kg)比其它能量储存装置例如电池要好得多。而且，由于电容性蓄能器204能够将大量的功率脉冲传递到电起动器202，因此可实现更快速的起动。这有效地提高燃气涡轮发动机更快速达到操作点的能力。同样，电容性蓄能器204的使用允许快速经过转子动力模式，降低对燃气涡轮发动机100的各部件(例如空气轴承)的磨损。另外，由于由电容性蓄能器204提供至电起动器202的功率脉冲，所以电起动器202能够以提高的扭矩驱动气体发生器轴130。对于空气轴承系统而言，提高的扭矩有助于克服起动阻力。此外，与常规的能量储存系统相比，电容性储存容量的每个瓦特的峰值汲取的费用较低，每个瓦特的峰值汲取的重量较低，带来费用较低的起动器系统。利用电容性蓄能器204给电起动器202供电的又一优点是例如超级电容器的电容性蓄能器比常规的能量储存系统具有更好的贮存稳定性。因此，这种电容性蓄能器可具有提高的使用寿命。

在一个示例性实施例中，图3的燃气涡轮发动机100可按如下起动。首先外部电源300对电容性蓄能器204充电到预定电荷。对于此实施例，电源300设置在与燃气涡轮发动机100联接的交通工具(图5)之外。而且，在此实施例中，电源300是低速率线路电压。一旦电容性蓄能器204被充电到预定电荷，电容性蓄能器204从电源300断开，使得电容性蓄能器204和电源300不再电连通(即从线路电压拨掉与电容性蓄能器204电连通的电连接器)。之后，可起动燃气涡轮发动机100。

具体讲，可以由交通工具的操作员或由控制系统发起发动机起动操作。一旦发起发动机起动操作，控制器250将一个或多个信号发送至起动器电路的起动器螺线管，或者电起动器202可由控制系统驱动，例如由变频驱动器驱动。一个或多个信号使起动器电路闭合。当起动器电路闭合时，电容性蓄能器204放出预定电荷的至少一部分，以将一定量的电功率传递到电起动器202。从电容性蓄能器204放出的电功率可以高速率(即电功率的脉冲)传递到电起动器202。电功率的脉冲使得电起动器202驱动或旋转燃气涡轮发动机100的轴，在此实施例中是气体发生器轴130。而且，对于此实施例，传递到电起动器202的电功率的量是使得电起动器202将轴驱动到预定转速的量。当轴加速到预定转速时，LPC 111和HPC 113开始渐进地压缩进入燃气涡轮发动机100的气流154，气体发生器涡轮126也开始旋转。燃烧区段112的一个或多个燃料喷嘴接着释放一定量的燃料以与被压缩的空气混合，产生燃烧气体158，燃烧气体158又将气体发生器涡轮126和动力涡轮128驱动到操作速度，使得燃气涡轮发动机100可最终达到操作速度。如上面提到的，预定转速是不再需要电起动器202维持燃气涡轮发动机100的操作的轴的速度。

在电起动器202已经起动燃气涡轮发动机100之后，电起动器可变换成发电机，以用于发电。电起动器202可立即变换成发电机，或者在预定时间之后变换成发电机。在一些实施例中，例如，充当发电机的电起动器202可对电容性蓄能器204再充电。以此方式，电容性蓄能器204可用于负载均衡、功率调理，且在一些情况下，电容性蓄能器204可在运输中用来重新起动发动机。而且，可使用电容性蓄能器204将电功率脉冲供应至需要超过燃气涡轮发动机100的一个或多个发电机的能力的间歇性功率的高瓦数系统或负载。

在一些示例性实施例中，在电容性蓄能器204已经放出其预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到电起动器202之后，电容性蓄能器204可与动力装置(在此实施例中即燃气涡轮发动机100)分离，使得电容性蓄能器204不再在交通工具或动力装置上。例如，电容性蓄能器204可丢到交通工具外。以此方式，在起动操作之后，动力装置的重量可得以降低，从而提高操作期间动力装置的效率。例如，如图2所示，电容性蓄能器可存放在外壳208内。外壳208可在起动操作期间操作联接到燃气涡轮发动机100，且一旦发生的特定事件或条件则可操作地配置成分离。例如，一旦发动机的轴达到预定转速，则控制器250可将一个或多个信号发送至断开器、分离器等或其组合以释放外壳208和设置于其中的电容性蓄能器204。替代性地，如上面提到的，在燃气涡轮发动机100已经在电容性蓄能器204的帮助下起动之后，电容性蓄能器204可保持附接到燃气涡轮发动机100或交通工具以用于以后再次使用。

在一些示例性实施例中，电容性蓄能器204可以是模块化的。例如，可从燃气涡轮发动机100取下电容性蓄能器204，并由适合的电源300例如电容器组对其充电。之后在起动燃气涡轮发动机100之前可安装电容性蓄能器204。

图4提供了根据本公开的示例性实施例的用于起动交通工具的动力装置的示例性方法(400)的流程图。方法(400)的一些或全部可由本文在图1-3和相应文本中图示和描述的起动系统200执行。在这些实施方式中，动力装置可包括起动器和与起动器电连通的电容性蓄能器。而且，动力装置还包括可操作地与起动器联接的轴。

在(402)，示例性方法(400)包括用设置在交通工具之外的电源对电容性蓄能器充电到预定电荷。例如，可用设置在交通工具之外的外部电源300对动力装置的电容性蓄能器204充电。预定电荷可以是根据快速起动需求足以起动动力装置的电荷。在替代性实施例中，预定电荷可以是足以起动动力装置的电荷。电容性蓄能器可以是例如超级电容器。动力装置可以是例如用于飞行器的涡轮发动机。例如，动力装置可以是用于图1-3的固定翼飞行器的推进的涡轮螺旋桨发动机。作为另一实例，燃气涡轮发动机100可以是用于旋转翼飞行器的推进的涡轮轴发动机。作为又一实例，燃气涡轮发动机100可以是用于无人飞行器的推进的小型涡轮发动机。在再一实例中，燃气涡轮发动机100可以是用于发电系统的涡轮发动机。作为再一实例，燃气涡轮发动机100可以是用于飞行器或其它交通工具的微型辅助动力单元(APU)。

在(404)，示例性方法(400)包括从电源上断开电容性蓄能器，使得电容性蓄能器和电源不再电连通。例如，动力装置的电容性蓄能器204可与外部电源300断开，使得其不再电连通。从外部电源300断开电容性蓄能器204可意味着物理上断开两者(即物理上断开联接电容性蓄能器204与外部电源300的电连接器)或者从外部电源300上感应或无线地断开电容性蓄能器204(即将电容性蓄能器204移出外部电源300的范围之外)。

通过从外部电源300移除并断开电容性蓄能器204，外部电源300停止对电容性蓄能器204充电。然而，由于电容性蓄能器204能够在预定的时段上保持其电荷，所以电容性蓄能器204仍可将电功率的脉冲提供至电起动器202。以此方式，即便不连接至外部电源，在没有快速起动动力装置通常所需的大型机载电池或其它能量储存装置的情况下，动力装置也可具有快速起动能力。

在(406)，示例性方法(400)包括从电容性蓄能器放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到起动器，使得起动器将轴驱动到预定转速。例如，在电容性蓄能器204被充电到具有预定电荷接着随后从外部电源300上断开之后，电容性蓄能器204可将电功率的脉冲放出或传递到电起动器202，使得可起动动力装置。然而，由于电容性蓄能器204可在预定的时间量内保持足够的电荷(即电容性蓄能器204两端的电荷随时间耗散)，所以最好在预定时间内起动动力装置。以此方式，电容性蓄能器204可将充足数量的功率传递到电起动器202。在这种实施方式中，在不与外部电源电连通并且没有相对大或笨重的机载能量储存装置的情况下，也可以起动动力装置。以此方式，可以达到更好的动力装置效率。

在一些示例性实施方式中，所述方法还包括从电容性蓄能器放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到一个或多个起动器模块，使得可起动动力装置。例如，在电容性蓄能器204被充电到具有预定电荷接着随后从外部电源300上断开之后，除了将预定电荷的至少一部分放出到电起动器202之外，电容性蓄能器204可将电功率的脉冲放出或传递到一个或多个起动器模块，使得可起动动力装置。起动器模块可包括例如用于将一定量的燃料传递到动力装置的燃烧室的燃料系统、交通工具或动力装置的控制系统、起动操作所需的一个或多个其它电气系统、前述的组合等。

在一些示例性实施方式中，起动器是起动发电机。例如，电起动器202可以是可在电动机和发电机之间切换的起动发电机。在这些实施方式中，在起动器将轴驱动到预定转速之后，所述方法还包括将起动器发电机切换成发电机。此外，所述方法还包括对电容性蓄能器再充电到预定电荷。例如，当电起动器202围绕轴向方向A与气体发生器轴130一致地旋转时(在直接驱动构造中)，电起动器202充当发电机，并将机械能变换成电能。当电起动器202和电容性蓄能器204处于电连通时，所产生的电能可用来对电容性蓄能器204充电。在一些示例性实施方式中，在再充电之后，所述方法还包括从电容性蓄能器放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到交通工具的一个或多个系统。例如，电容性蓄能器204可放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到航空电子设备、致动器、动力装置上的其它电负载、交通工具上的其它电负载、任何承载的有效载荷的其它电负载或前述的组合。在又一些示例性实施方式中，在再充电之后，所述方法还包括从电容性蓄能器放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到第二交通工具。例如，交通工具可以是母舰。第二交通工具可以是配置成停靠或另外选择性附接或联接母舰的交通工具。电容性蓄能器204可放出其预定电荷的至少一部分以将一定量的功率传递到第二交通工具或传递到多个其它交通工具。例如，当第二交通工具停靠到所述交通工具(即母舰)时，电容性蓄能器204可放出其预定电荷的至少一部分以将一定量的功率传递到第二交通工具。

在一些示例性实施方式中，在从电源上断开电容性蓄能器之后，起动器只从电容性蓄能器汲取起动动力装置的电功率。例如，这可省去用于在正常操作期间推进交通工具的其它机载储存装置(例如电池)。而且，在一些实施例中，电容性蓄能器可能是交通工具上的唯一电源。

在一些示例性实施方式中，在放电之后，所述方法还包括从动力装置上分离电容性蓄能器，使得电容性蓄能器不再在交通工具或动力装置上。在这些实施方式中，通过分离电容性蓄能器和其相关部件(例如外壳208)，动力装置可由于降低的重量获得更好的效率。对于例如执行单向长距离任务的无人飞行器，从动力装置上分离或断开电容性蓄能器可以是特别有益的。

图5提供了根据本公开的示例性实施例的示例性方法的流程图。具体讲，图5提供了在起动交通工具的动力装置之后对一个或多个电负载供电的方法(500)。方法(500)的一些或全部可由本文在图1-3和相应文本中图示和描述的起动系统200执行。在这些实施方式中，动力装置可包括起动器和与起动器电连通的电容性蓄能器。而且，电容性蓄能器可以与一个或多个交通工具电气系统或其它交通工具电连通。

在(502)，示例性方法(500)包括从电容性蓄能器放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到负载以用于起动交通工具的动力装置。例如，电容性蓄能器204可放出其预定电荷的至少一部分以将一定量的功率传递到电起动器202。

在(504)，示例性方法(500)包括在交通工具上对电容性蓄能器再充电到预定电荷。例如，电起动器202可以是起动器发电机，且在电起动器202起动动力装置之后，电起动器202可切换成发电机。在动力装置操作期间，电起动器202充当发电机，其可对电容性蓄能器204再充电。也可由其它适合的发电源对电容性蓄能器204再充电。例如，可由一个或多个电池或能量储存装置对电容性蓄能器200再充电。

在(506)，示例性方法(500)包括从电容性蓄能器放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到负载。例如，在(508)，电容性蓄能器204可放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到一个或多个交通工具电气系统。例如，交通工具电气系统可以是电起动器202。以此方式，电容性蓄能器204可在飞行中重新起动动力装置。作为另一实例，电容性蓄能器204可将电功率传递到航空电子设备、致动器、直接能量武器系统、交通工具上的其它电负载或前述的组合。例如，在(510)，电容性蓄能器204可放出预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到一个或多个其它交通工具。例如，包括电容性蓄能器204的交通工具可以是母舰。其它交通工具可以是配置成停靠或另外选择性附接或联接母舰的交通工具。电容性蓄能器204可放出其预定电荷的至少一部分以将一定量的功率传递到其它交通工具。以此方式，其它交通工具可被起动或相反被供电。

现参考图6，描绘根据本发明的示例性实施例的实例交通工具600。本发明的系统和方法可在飞行器、直升机、汽车、船、潜水艇、火车、无人飞行器或无人飞机和/或任何其它合适的交通工具上实施。虽然本文中参考飞行器实施方案来描述本发明，但这仅在于充当实例且并非限制性的。所属领域的技术人员将了解，本发明的系统和方法可在不偏离本发明的范围的情况下在其它交通工具上实施。

尽管各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，图式的任何特征可以结合任何其它图式的任何特征被引用和/或要求保护。

此书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或如果其包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构元件，那么预期此类其它实例在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于快速起动交通工具的动力装置的方法，所述动力装置包括起动器和与所述起动器电连通的电容性蓄能器，所述动力装置还包括轴，所述起动器能够与所述轴操作联接，所述方法包括：

用设置在所述交通工具之外的电源将所述电容性蓄能器充电到预定电荷；

从所述电源上断开所述电容性蓄能器，使得所述电容性蓄能器和所述电源不再电连通；以及

从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到所述起动器，使得所述起动器将所述轴驱动到预定转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述电容性蓄能器从所述电源断开之后，所述起动器只从所述电容性蓄能器汲取电功率以起动所述动力装置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在放电之后，所述方法还包括：

从所述动力装置分离所述电容性蓄能器，使得所述电容性蓄能器不再在所述交通工具或动力装置上。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述起动器是起动器发电机，并且其中，在所述起动器将所述轴驱动到所述预定转速之后，所述方法还包括：

将所述起动器发电机切换成发电机；以及

对所述电容性蓄能器再充电到预定电荷。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在再充电之后，所述方法还包括：

从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到所述交通工具的一个或多个系统。

6.根据权利要求4所述的方法，其中在再充电之后，所述方法还包括：

从所述电容性蓄能器放出所述预定电荷的至少一部分以将一定量的电功率传递到第二交通工具。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述动力装置是涡轮发动机。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交通工具是无人飞行器。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电容性蓄能器是超级电容器。

10.一种涡轮发动机，其包括：

压缩机；

涡轮；

联接所述压缩机和所述涡轮的轴；

起动系统；所述起动系统包括：

起动器，所述起动器能够与所述轴操作联接，且可操作地配置成在起动操作期间驱动所述轴；以及

电容性蓄能器，所述电容性蓄能器与所述起动器电连通并可操作地配置成在所述起动操作期间将预定量的电功率放出到所述起动器；

其中，所述电容性蓄能器与定位成在所述涡轮发动机之外的电源选择性电连通，以用于对所述电容性蓄能器充电。