CN109154255B - 压缩机系统 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮机(10)的压缩机系统，包括联接到低压涡轮(34)的低压轴(36)，以及联接到高压涡轮(32)的高压轴(38)。压缩机系统可包括由低压涡轮(34)经由低压轴(36)驱动的风扇(12)、增压压缩机(16)和齿轮单元(40)。低压轴(36)可以联接到齿轮单元(40)的第一输入构件(42)。高压轴(38)可以联接到齿轮单元(40)的第二输入构件(44)。中间转子(41)可以联接到齿轮单元(40)的输出构件(46)。中间转子包括增压压缩机(16)和电动机‑发电机(43)的可旋转元件(16、43a)。

Description

压缩机系统

技术领域

本公开涉及压缩机系统。

特别地，本公开涉及用于涡轮机的风扇和低压压缩机系统。

背景技术

涡轮机械，特别是燃气涡轮发动机，可以包括顺序排列的风扇、增压压缩机和高压压缩机，它们将增压空气输送到涡轮机械的核心，例如燃烧室单元，在该涡轮机械的核心，燃料和空气燃烧并且被排到一系列涡轮机以驱动风扇和压缩机组，以及提供推力。

响应于对更高燃料效率的需求，已经生产出具有更高旁通比和更高总压力比的燃气涡轮发动机。这导致风扇和核心发动机的最佳设计参数之间的冲突增加。在较高的旁通比下，最佳风扇压力比相对较低，这导致较低的转速和较高的风扇轴转矩。联接到风扇轴的增压级更慢地旋转并且需要更多级来实现期望的压力比或者需要更大的半径，这会影响风扇轮毂线并且导致风扇尖端直径增大而对发动机重量和阻力产生不利影响。为了最小化这些影响，需要在核心发动机中实现最大压力比，但这需要非常先进的空气动力学技术、高温材料和先进的冷却技术，以实现可容纳高扭矩风扇轴的紧凑型核心设计。

在双轴涡轮风扇发动机中，已知将增压压缩机直接附接到风扇轴，使得增压器以与风扇相同的速度旋转。在较高的旁通比下，增压器的叶片速度非常低并且可能需要许多级来实现所需的压力比。为了在这种配置中实现可接受的增压空气动力学负载，可能需要几个增压级，并且每个增压级必须达到足够的叶片速度，这要求每个增压级的直径相对较大。这两种设计特征都增加了所生产的发动机的整体尺寸，这导致额外的重量和空气动力学阻力。还必须调整驱动风扇和增压器的轴的尺寸以处理增压器和风扇的扭矩负载，从而进一步增加这种设计变更的重量和尺寸。

在欧洲专利申请EP2728140A2中描述了一种替代的布置，如图1所示。使用欧洲专利申请EP2728140A2的附图标记，风扇级36通过低压轴56联接到低压涡轮。传动装置44设置具有来自低压轴56和高压轴40的输入。中速增压器24联接到传动装置44的输出。传动装置44的输出取决于低压轴和高压轴之间的转速差。因此，低压轴和高压轴中的一个提供从由另一个提供给传动装置的“输入”的“减少”。这样的配置可能导致至少一个轴上的额外负载，这需要用额外的材料来加强轴以承受负载，并因此增加总重量并且不利地影响核心发动机机械设计。

另外，这种压缩机系统所附接的所有燃气涡轮发动机的共同之处是需要在发动机启动时旋转压缩机系统的可旋转元件。这可以使用联接到发动机壳体外部的起动电动机完成，并通过轴和齿轮箱连接到高压滑阀。虽然这实现了起动发动机的目标，但起动电动机和齿轮箱在发动机的正常操作期间不起作用，从而增加了发动机结构的额外重量和尺寸。

在欧洲专利申请EP2728140A2(如上面所提到的)中还描述了一种替代的布置，如图2所示。使用欧洲专利申请EP2728140A2的附图标记，电机68设置在发动机的中心壳体内。该示例与图1所示的示例的不同之处在于，电机68是由传动装置44的输出而不是增压压缩机24驱动的。在该示例中，增压器24由高压轴40驱动。虽然该示例提供了减轻起动电动机组件的重量的解决方案，但是对向电动机68和风扇提供输入的低压轴56施加额外的负载，并且还对必须驱动增压压缩机24和高压压缩机的高压轴54施加额外的负载。

因此，亟需一种系统，其与传统布置相比，对于相同或更低的增压压缩机直径和相同或更低的增压级数量，可以提供更大的压缩比，其在低压轴和高压轴之间分担增压压缩机的负载要求，并提供重量轻和尺寸小的起动电动机布置。

发明内容

根据本公开，提供了如所附权利要求中阐述的装置。从从属权利要求和随后的描述中，本发明的其他特征将是显而易见的。

因此，可以提供一种用于涡轮机10的压缩机系统，该涡轮机10包括：低压轴36，联接到低压涡轮34；高压轴38，联接到高压涡轮32；高压轴38和低压轴36绕中心旋转轴39可旋转；压缩机系统包括：风扇12，由低压涡轮34经由低压轴36驱动；增压压缩机16；和齿轮单元40；其中：低压轴36联接到齿轮单元40的第一输入构件42；高压轴38联接到齿轮单元40的第二输入构件44；并且中间转子41联接到齿轮单元40的输出构件46，使得中间转子41可由低压轴36和高压轴38驱动；并且中间转子包括增压压缩机16和电动机-发电机43的可旋转元件16、43a。

中间转子41可以以中心旋转轴39为中心，并且包括：形成增压压缩机16的中心区域45；中心区域45具有第一端区域和第二端区域，第一端区域和第二端区域沿中心旋转轴线39通过中心区域45纵向间隔开；第一联接器47从中间转子41的第一端区域延伸到电动机-发电机43的可旋转元件43a；并且第二联接器49从中间转子41的第二端区域延伸到齿轮单元40。

该系统还可包括第一不可旋转定子结构60，第一不可旋转定子结构60围绕中心旋转轴39设置并固定到压缩机系统的静止壳体62。

第一不可旋转定子结构60可沿风扇12和增压压缩机16之间的中心旋转轴39纵向定位。

电动机-发电机43的可旋转元件43a可包括电动转子组件；以及电动机-发电机43还可包括联接到第一不可旋转定子结构60的不可旋转定子元件43b。

该系统还可包括围绕中心旋转轴39设置的第二不可旋转定子结构(66)，该中心旋转轴39沿着中央旋转轴39纵向地定位在增压压缩机16和高压涡轮32之间。

该系统还可以包括制动器68，制动器68设置在不可旋转的定子结构60和风扇12之间，其中，制动器68：在第一操作模式中可操作以相对于不可旋转的定子结构60锁定风扇12；并且在第二操作模式中可操作以允许风扇12相对于不可旋转定子结构60绕中心旋转轴39旋转。

该系统还可包括在高压轴38和不可旋转定子结构66之间设置的单向联接器80；单向联接器80可操作以允许高压轴38在顺时针或逆时针方向中的任一者但不是两者上围绕中心旋转轴39旋转。

电动机-发电机可以位于压缩机系统的外壳的外部；并且电动机-发电机的可旋转元件可以设置为动力输出轴90；其中，动力输出轴90：在一端处可旋转地联接到中间转子41；并且在相对端处可旋转地联接到电动机-发电机。

从每个轴36、38提取的扭矩的比例可以在涡轮机10的整个运行范围内保持恒定。

涡轮机10可包括发动机核心流动路径14，增压压缩机16设置在发动机核心流动路径14的进口处或其下游，并且风扇12设置在增压压缩机16的上游。

涡轮机10可包括在发动机核心流动路径14的径向外侧的旁路管道26。

在使用中，低压轴36和高压轴38可以配置成反向旋转。

因此提供了一种系统，其中增压压缩机和起动机-电动机-发电机都以比风扇更高的转速驱动，并且由来自低压轴和高压轴的输入驱动。因此，增压压缩机和起动机-电动机-发电机的负载在低压轴和高压轴之间分担。这种配置能够产生高压缩比，同时允许更小的增压器长度和直径，并且不需要外部起动机-电动机-发电机，因此使得发动机具有比相关技术领域更高的功率-重量/尺寸比。

附图说明

现在将参考附图描述本公开的示例，其中：

图1示出了用于燃气涡轮发动机的已知增压器布置，如欧洲专利申请EP2728140A2中所描述；

图2示出了欧洲专利申请EP2728140A2中描述的另一布置；

图3是根据本发明的具有风扇和低压压缩机系统的燃气涡轮发动机的示意图，其中，低压压缩机系统具有电动机-发电机；

图4示出了根据本发明的用于涡轮机的风扇和增压器布置的示意图，类似于图3中所示；

图5示出了图4所示的替代的风扇和增压器布置的示意图；

图6是本发明的压缩机系统的行星齿轮布置的示意性剖视图；

图7是本发明的压缩机系统的行星齿轮布置的替代示意性剖视图；和

图8示出了根据本发明的具有风扇和增压器布置的开式转子布置的示意图。

具体实施方式

为避免疑义，与图3至图8中所示的本公开的示例的特征相关地使用的附图标记与相关技术的图1和图2的编号系统无关。

图3和图4示出了根据本发明的涡轮机10，例如燃气涡轮发动机。燃气轮机10包括位于发动机核心流动路径14上游的风扇12、由沿共用管道22间隔开的增压压缩机16和附加高压压缩机20限定的发动机核心流动路径14。

风扇12、增压压缩机16和高压压缩机20分别包括至少一圈(即，排)转子叶片12a、16a、20a。增压压缩机16可另外包括在转子级16a、20a的上游、下游和/或之间的一排或多排定子叶片。发动机核心流动路径14在风扇12的下游具有进口24。增压压缩机16设置在进口24的区域中(也就是说，在进口24处或下游)，并且还在风扇12的下游。

涡轮机10还包括在发动机核心流动路径14的径向外侧的旁路管道26。风扇12跨越进口24和旁路管道26，并且可操作以将空气输送到两者。

在高压压缩机20的下游设置有燃烧室30、高压涡轮32和低压涡轮34。风扇12联接到第一轴36，第一轴36又联接到低压涡轮34。高压压缩机20联接到第二轴38，第二轴38又联接到高压涡轮32。第一轴36和第二轴38在使用中是可反向旋转的。也就是说，在使用中，第一轴36和第二轴38沿相反方向旋转。高压轴38和低压轴36可绕压缩机系统的中心旋转轴39旋转。

还设置有齿轮单元40(例如，行星齿轮单元)，其替代示例在图6和图7中更详细地示出。第一轴36联接到行星齿轮单元40的第一输入构件42。第二轴38连接到行星齿轮单元40的第二输入构件44。中间转子41联接到行星齿轮单元40的输出构件46。因此，中间转子41可由低压轴36和高压轴38驱动。换言之，中间转子41以由低压轴36和高压轴38的叠加关系限定的速度和动力输出驱动。

中间转子41包括增压压缩机16的可旋转元件和电动机-发电机43。换言之，中间转子41包括围绕中心旋转轴39可旋转的增压压缩机16和电动机-发电机43的部分。因此，增压压缩机16和电动机-发电机43都联接到行星齿轮单元40的输出构件46。

中间转子41以中心旋转轴39为中心。中间转子41包括中心区域45，中心区域45形成增压压缩机16并承载转子叶片16a。中心区域45具有第一端区域和第二端区域，第一端区域和第二端区域沿中心旋转轴39通过中心区域45彼此纵向间隔开。第一联接器47从中间转子41的第一端区域延伸到电动机-发电机43的可旋转元件43a。第二联接器49从中间转子41的第二端区域延伸到行星齿轮单元40。

第一不可旋转定子结构60围绕中心旋转轴39设置并固定到压缩机系统的静止壳体62。第一不可旋转定子结构60沿着中心旋转轴39纵向地定位在风扇12和增压压缩机16之间。

电动机-发电机43可以是传统类型，并且包括可操作以相对于彼此旋转的转子和定子元件，当需要转动系统的可旋转元件时，电动机-发电机43作为发电机，或者当涡轮机以自我维持的模式工作时(例如，在正常工作期间)，电动机-发电机43作为发电机(例如，向发动机和外部系统(例如，附接到发动机的交通工具，其可能是陆上交通工具、水上交通工具或空中交通工具)提供电力)。因此，电动机-发电机43的可旋转元件43a包括电动转子组件。电动机-发电机43还包括与转子组件43a间隔开的不可旋转定子元件43b，并且联接到第一不可旋转定子结构60。在所示的示例中，不可旋转定子元件43b设置在电动转子元件43a的径向外侧。

在图5所示的替代示例中，压缩机系统的大部分电动机-发电机位于压缩机系统的外壳62的外部。因此，电动机-发电机的电动转子通过动力输出轴90联接到中间转子41。因此，轴90设置有电动机-发电机的可旋转元件，尽管电动机-发电机除了轴90之外可包括其他可旋转元件。

动力输出轴(或电动机-发电机可旋转元件)90通过径向齿轮布置92联接到中间转子41。径向齿轮布置92可包括任何合适的齿轮布置，以将中间转子41的旋转转换成远离转子41延伸的轴90的旋转。在所示的示例中，齿轮布置92包括一组齿轮齿94和齿轮96，齿轮齿94围绕旋转轴39环形地延伸，并且齿轮96联接到轴90并且与齿圈94成直角且啮合。所示的示例中，轴90示出在垂直于中心旋转轴39并且从中心旋转轴39偏移延伸的横截面(即，“在页面外”)。轴90可绕轴98旋转，轴98也沿垂直于中心旋转轴39延伸并从中心旋转轴39偏移(即，“在页面外”)。在其他示例中，轴90可以与中心旋转轴39成一角度和/或轴线98可以与中心旋转轴39相交。

因此，轴90的一端与中间转子41可旋转地接合，并且轴90的另一端与电动机的电动转子可旋转地接合。轴90可以与电动转子直接旋转接合，或者可以通过传动装置联接到电动转子。因此，中间转子41的旋转将通过可旋转元件(即轴)90驱动电动机。

如图3至图5所示，制动器68可以设置在不可旋转的定子结构60和风扇12之间。在第一操作模式中，制动器可操作以相对于不可旋转的定子结构60锁定风扇12。在第二操作模式中，可操作以允许风扇12相对于不可旋转的定子结构60绕中心旋转轴39旋转。制动器可以是任何适当的配置，但是可以(例如，如图4所示)包括从风扇12延伸的构件(或盘)70，其位于从第一不可旋转结构60延伸的垫或蹄片组件72内。可以控制蹄片组件72以通过由(例如)发动机控制单元控制的执行器74来夹紧和释放盘70。因此，执行器74使垫蹄片组件内的垫压在构件70上，增加了它们之间的摩擦力。

在运行中，当起动机-电动机-发电机43用于转动压缩机系统(例如，启动发动机，它构成其一部分)时，从交通工具(例如，飞机)或外部源(例如，地面发电单元)供应电力到电动机43以旋转中间转字41并因此使增压器(或“中间”)压缩机16旋转。由于中间转子41联接到齿轮单元40，齿轮单元40将施加扭矩以旋转高压轴38和低压轴36两者。然而，为了启动燃气涡轮发动机，必须通过“核心发动机”流动路径14(即，增压压缩机16、高压压缩机20、燃烧室、高压涡轮32和低压涡轮34)实现一定的空气流量。

因此，制动器68可以可选地应用于防止风扇12和低压轴36的旋转，但允许在启动程序期间旋转增压压缩机16和高压压缩机20。在风扇12被制动器68锁定在非旋转状态的情况下，来自起动机-电动机-发电机43的起动机动力被引导以使增压压缩机16和高压压缩机20旋转，并且从而产生足够的气流通过所述核心流动路径14。

在没有将风扇12锁定在非旋转状态的情况下，一部分气流将由风扇12产生并沿着旁路管道26而不是核心发动机流动路径14向下传递，从而浪费了大部分应用起动功率，因为低压轴36(并因此风扇12)的旋转不会有助于起动发动机。

一旦发动机启动，制动器68就被释放，并且风扇12和低压轴在正常运行期间旋转。

第二不可旋转定子结构66可以围绕中心旋转轴39设置，并且沿着中心旋转轴39在增压压缩机16和高压涡轮32之间纵向定位。在所示的示例中，第二不可旋转定子结构66沿着增压压缩机16和高压压缩机20之间的中心旋转轴39纵向地定位。

单向联接器80可以设置在高压轴38和第二不可旋转定子结构66之间。单向联接器80可以采用楔块式离合器、棘轮或任何其他允许仅在一个方向上旋转的装置的形式。

单向联接器80可操作以允许高压轴38围绕中心旋转轴39在顺时针或逆时针方向中的任一者但不是两者上旋转。

这是有利的，因为在某些情况下，航空发动机必须能够在飞行中重新起动。这被称为“风力转动再次启动(windmill relight)”。在这种重新启动中，由飞行器的前进速度引起的冲压效应使压缩机旋转(使得它们“风力转动(windmill)”)并且这使得发动机能够在不使用外部动力的情况下重新起动。执行此操作的能力是一项重要的安全功能。

在这种情况下，来自风力转动的风扇12的动力通过齿轮单元40传递，并且从而引起增压压缩机16的旋转。然而，来自风扇12的“风力转动”扭矩可以在与其正常旋转方向相反的方向上向高压轴38施加扭矩。然而，单向联接器80防止反向旋转，并且因此有助于成功的“风力转动再次启动”能力。

如图6所示，行星齿轮单元40的输出构件46可以是环形(或“环”)齿轮48，其位于行星齿轮50的径向外侧并且可旋转地与行星齿轮50的阵列接合。行星齿轮单元40的第一输入构件42设置为行星架52，其中行星架52保持行星齿轮50的阵列。行星齿轮50的阵列在第二输入构件44的径向外侧并且可旋转地与其接合。行星齿轮单元40的第二输入构件44设置为太阳齿轮54。

也就是说，在图3至图6的示例中，第一轴(或“低压轴”)36联接到行星架52，第二轴(或“高压轴”)38联接到太阳齿轮54和中间转子41(并且因此增压压缩机16的转子45和电动机-发电机的可旋转元件43a、90)联接到环形齿轮48。在图6(和图7)中，视情况而定，上述部件之间的连接通过包括紧靠行星齿轮架52、内齿轮48和太阳齿轮54的附图标记的在括号内的中间转子41、第一轴36和第二轴38的附图标记来表示。因此，中间转子41与第一(低压)轴36和第二(高压)轴38可旋转地接合并且在使用中由第一(低压)轴36和第二(高压)轴38驱动，其中第一(低压)轴36和第二(高压)轴38在使用中，沿彼此相反的方向旋转。因此，在图6中，风扇12(联接到第一/低压轴36)并且中间转子41配置成在使用中沿相同方向旋转，并且高压压缩机20(联接到第二/高压轴38)配置成在使用中沿与风扇12和中间转子41相反的方向旋转。

在图7所示的替代示例中，第一轴(或“低压轴”)36联接到环形齿轮48，第二轴(或“高压轴”)38联接到太阳齿轮54并且中间转子41联接到行星架52。因此，中间转子41与第一(低压)轴36和第二(高压)轴38一起可旋转地接合并且在使用中由第一(低压)轴36和第二(高压)轴38驱动，其中第一(低压)轴36和第二(高压)轴38在使用中沿相同方向旋转。因此，高压压缩机20(联接到第二/高压轴38)和风扇12(联接到第一/低压轴36)和中间转子41配置成在使用中沿相同方向旋转。

本公开的装置的其他示例可以配置成使得增压压缩机和电动机-发电机通过差动齿轮布置由低压轴和高压轴两者驱动。

行星齿轮单元40的太阳齿轮42、行星齿轮44和环形齿轮48的直径设置成使得在使用中使得中间转子41在与风扇12相同的方向上旋转，并且在第一轴36和第二轴38的旋转速度的预定范围内，中间转子41比风扇12旋转得更快并且比高压压缩机慢。也就是说，中间转子41的转速介于风扇的速度和高压压缩机的速度之间。中间转子41的实际速度是低压轴的速度和高压轴的速度两者结合行星齿轮布置中的齿轮的几何尺寸的函数。

在图8中是根据本公开的具有压缩机系统的涡轮机的替代示例。可旋转部件以示意图示出，为清楚起见省略了其他发动机部件(例如壳体、燃烧室、定子叶片和电子定子)的细节。

图8的示例涉及“开式转子”配置，其结合了组合的中间/增压压缩机和起动发电机的特征，其联接到齿轮单元的输出，齿轮单元具有来自低压轴和高压轴的输入。

作为背景技术，开式转子配置需要比传统涡轮风扇发动机更高程度的推进系统集成。此外，飞机越来越多地采用更多的电子技术，通过取代传统的液压和排气系统，这些电子技术进一步减轻了重量和减少了燃料消耗。这使得来自飞行器系统的发动机的动力提取需求增加，这在低发动机功率水平下特别难以满足，本公开的发明配置为克服该缺陷。

图8示出了涡轮机110，其包括联接到低压涡轮134(或“自由动力涡轮”)的低压轴136和联接到高压涡轮132的高压轴138。高压轴138和低压轴136可绕中心旋转轴139旋转。压缩机系统包括位于机器名义上的“后部”或“尾端”的风扇(或螺旋桨)112。风扇112可包括两排风扇叶片，其可通过齿轮箱113旋转地链接。风扇112由低压(或“自由”)涡轮134经由低压轴136驱动。还提供了位于机器的名义上的“前部”或“前端”的增压器(或“第一级”)压缩机116。因此，压缩机116、120、涡轮机132、134和风扇112沿箭头“A”所示的方向限定通过系统的空气流动路径。

为清楚起见，各种元件以不同的交叉影线示出，以显示哪些部件连接。低压轴136联接到齿轮单元140的第一输入构件142，齿轮单元140可以是行星齿轮单元。高压轴138联接到齿轮单元140的第二输入构件144。中间转子141联接到齿轮单元140的输出构件146。因此，中间转子141可由低压轴136以及高压轴138驱动。

正如图3至5的示例，中间转子141包括增压压缩机116和电动机-发电机143的可旋转元件116、143a。

中间转子141以中心旋转轴139为中心并且包括形成增压压缩机116的中心区域145。中心区域145具有第一端区域和第二端区域，第一端区域和第二端区域沿中心旋转轴139通过所述中心区域145纵向间隔开。第一联接器147从中间转子141的第一端区域延伸到电动机-发电机143的可旋转元件143a。第二联接器149从中间转子141的第二端区域延伸到行星齿轮单元140。

因此，图8示出了用于反向旋转齿轮开式转子推动发动机配置的架构。它示出了来自自由动力涡轮机的高压滑阀和前进驱动轴，两者都经由齿轮单元140连接到增压压缩机116和电动机发电机143。

这具有增压器116和电动机发电机143从高压涡轮132和自由动力涡轮134两者提取动力并在两个线轴之间的速度范围内工作的效果。这种布置允许压缩机和涡轮机的工作分配更灵活地优化，并且因此能够实现更有效的设计。它还能够以最少的涡轮级数实现更高的核心压力比。

另外，通过将起动机-发电机-电动机143附接到增压压缩机116，可以由两个涡轮机提供飞机电力。

此外，如图3至图5的示例所描述的，还可以在风扇/螺旋桨叶片112上设置制动器。这使得发动机110能够由可以在起动机或发电机模式中工作的单个电机143起动。

因此，在本公开的风扇和压缩机系统的运行中，该布置是，同时从第一(低压)轴36、136和第二(高压)轴38、138提供扭矩以驱动中间转子41、141。

从每个轴36、136；38、138提取的扭矩的比例在整个涡轮机10的运行范围内保持不变。它可以由行星齿轮单元40的太阳齿轮42、行星齿轮44和环形齿轮48的直径决定。中间转子41、141的速度和在第一(低压)轴36、136和第二(高压)轴38、138之间的扭矩分配可以针对特定设计的发动机进行优化，例如通过改变行星齿轮单元40、140的太阳齿轮42、行星齿轮44和环形齿轮48的直径。

尽管参考行星齿轮单元描述了前述示例，但是可以使用任何适当的差动齿轮单元作为替代。

本公开的装置提供的优点是，增压压缩机可以实现更高的旋转速度，这减少了实现期望的高压比所需的低压级和/或高压级的数量，这因此减少了所需的发动机的长度和重量。另外，增压压缩机的直径不需要与传统的增压器装置一样大。

该装置允许在整个部件机械和空气设计约束内更灵活地优化低压轴和高压轴之间的工作分配。

由此减小的增压器压缩机直径允许增压器和高压压缩机之间的管道的形状具有更好的空气动力学性能，从而减少管道中的压力损失。

还可以改善发动机的非设计匹配，从而减少非设计的特定燃料消耗。增压器速度是低压和高压轴速度两者的函数，并且可以优化该函数以在非设计条件下更好地匹配压缩机速度。

较低的增压压缩机直径还减小了风扇轮毂直径，并且因此减小了给定流动区域的风扇尖端直径，并且从而在飞机上使用时减小了动力装置的阻力。

低压轴的扭矩负载减小，允许较小直径的轴和较轻重量的高压部件(例如盘)。

增压器中每级增加的工作量也将增加增压器的第一级或唯一的转子级下游的空气温度，并且因此消除了对下游压缩机定子的防冰的需要。

而且，由于增压器直径减小，风扇内部的Hade角可以减小，并且因此风扇出口处的外径和旁通管直径可以低于传统布置。这允许进一步减小机舱外径和重量。

提供的集成的起动机-电动机-发电机43、143具有不需要与传统的起动电动机系统相关联的驱动轴和变速箱的优点，在传统的起动电动机系统中，电动机安装在发动机的外部。这有助于减轻系统的重量和成本。另外，由于起动机-电动机-发电机设置在压缩机系统内部，与其相关联的发动机机舱可以做得更细，这在使用中将减小空气动力学阻力并因此使系统更加省油。

已知可能需要向飞机系统提供大量电力以便供应机舱调节和飞行控制系统的常规高旁通比发动机在提取这种高功率方面遇到问题。如果从高压轴提取动力，则可能导致发动机在某些情况下喘振或减速。如果从低压轴获取动力，则全功率和低功率之间的大的速度变化(例如当飞机下降时)可能导致发电机的困难。如果发电机设计为高速，则可能无法在低速时产生足够的功率。如果如本说明书中那样连接发电机，则其速度范围大大减小，并且由于在低压轴和高压轴之间共享功率提取，对高压轴的影响大大降低。

参考图8中所示的开式转子布置，使用联接到增压压缩机116和起动机-电动机-发电机143的齿轮单元140来增强发动机的性能并提供更有效的电能提取装置不限于这种配置。它可以应用于牵引机开式转子配置，其中可以有更多空间使自由动力涡轮轴穿过核心发动机。

可选地，根据本公开提供的联接到增压压缩机16、116和起动机-电动机-发电机43、143的齿轮单元40、140也可以包括涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机配置，作为改善性能和提供更多性能的装置，并提供有效的功率提取。

由该装置提供的更大灵活性以优化发动机设计，使得使用更传统的成熟技术能够实现所需的发动机性能，这将降低开发风险和成本。

需要注意的是与本申请有关的与本说明书同时提交或在本说明书之前提交的并且对公众进行公开本说明书的所有论文和文件，并且所有这些论文和文件的内容通过引用结合在此。

本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)，和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合形式进行组合，除了这些特征中的至少一些和/或步骤是是互斥的组合。

除非另外明确说明，否则本说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可以由用于相同、等同或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等效或类似特征的一个示例。

本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的或任何新颖组合，或所公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖项或任何新颖项的组合。

Claims (13)

1.一种涡轮机（10），包括：

低压轴（36），联接到低压涡轮（34）；以及

高压轴（38），联接到高压涡轮（32），所述高压轴（38）和所述低压轴（36）绕中心旋转轴（39）可旋转；以及

压缩机系统，包括：

风扇（12），由所述低压涡轮（34）经由所述低压轴（36）驱动；

增压压缩机（16）；和

行星齿轮单元（40）；

其中：

所述低压轴（36）联接到所述行星齿轮单元（40）的第一输入构件（42）；

所述高压轴（38）联接到所述行星齿轮单元（40）的第二输入构件（44）；以及

中间转子（41）联接到所述行星齿轮单元（40）的输出构件（46），所述中间转子包括所述增压压缩机（16）的可旋转元件和电动机-发电机（43）的可旋转元件（43a），

所述行星齿轮单元（40）配置成使得：

所述中间转子（41）和所述电动机-发电机（43）以由所述低压轴（36）和所述高压轴（38）的叠加关系限定的速度和动力输出被所述低压轴（36）和所述高压轴（38）驱动；并且

从所述低压轴（36）和所述高压轴（38）中的每一者提取的扭矩的比例在所述涡轮机（10）的整个运行范围内保持恒定。

2.根据权利要求1所述的涡轮机（10），其特征在于，

所述中间转子（41）以所述中心旋转轴（39）为中心，并且包括：

中心区域（45），所述中心区域（45）承载转子叶片（16a）以形成所述增压压缩机（16）；

所述中心区域（45）具有第一端区域和第二端区域，所述第一端区域和第二端区域通过所述中心区域（45）沿所述中心旋转轴（39）纵向间隔开；

第一联接器（47）从所述中间转子（41）的所述第一端区域延伸到所述电动机-发电机（43）的所述可旋转元件（43a）；以及

第二联接器（49）从所述中间转子（41）的所述第二端区域延伸到所述行星齿轮单元（40），

使得所述第一联接器（47）、承载所述转子叶片（16a）的所述中心区域（45）、所述第二联接器（49）沿着所述中心旋转轴（39）串联设置。

3.根据权利要求1所述的涡轮机（10），其特征在于，包括：

第一不可旋转的定子结构（60），围绕所述中心旋转轴（39）设置，并且固定到所述压缩机系统的静止壳体（62）。

4.根据权利要求3所述的涡轮机（10），其特征在于，

所述第一不可旋转定子结构（60）沿所述中心旋转轴（39）纵向定位在所述风扇（12）和所述增压压缩机（16）之间。

5.根据权利要求3所述的涡轮机（10），其特征在于，包括：

所述电动机-发电机（43）的所述可旋转元件（43a）包括电动转子组件；以及

所述电动机-发电机（43）还包括不可旋转定子元件（43b），所述不可旋转定子元件（43b）联接到所述第一不可旋转定子结构（60）。

6.根据权利要求3所述的涡轮机（10），其特征在于，还包括：

第二不可旋转定子结构（66），围绕所述中心旋转轴（39）设置并沿所述中心旋转轴（39）纵向定位在所述增压压缩机（16）和高压涡轮（32）之间。

7.根据权利要求3所述的涡轮机（10），其特征在于，

制动器（68）设置在所述第一不可旋转定子结构（60）和所述风扇（12）之间，其中，所述制动器（68）：

在第一操作模式中，可操作以相对于不可旋转定子结构（60）锁定所述风扇（12）；以及

在第二操作模式中，可操作以允许所述风扇（12）相对于所述不可旋转定子结构（60）绕所述中心旋转轴（39）旋转。

8.根据权利要求6所述的涡轮机（10），其特征在于，

单向联接器（80）设置在所述高压轴（38）和所述第二不可旋转定子结构（66）之间；

所述单向联接器（80）可操作以允许所述高压轴（38）沿顺时针或逆时针方向中的任一者但不是两者绕所述中心旋转轴（39）旋转。

9.根据权利要求1所述的涡轮机（10），其特征在于：

所述电动机-发电机的所述可旋转元件设置为动力输出轴（90），所述动力输出轴（90）可旋转地联接在所述中间转子（41）的一端处，并且可旋转地联接在所述电动机-发电机的相对端处。

10.根据权利要求1所述的涡轮机（10），其特征在于，所述涡轮机（10）包括发动机核心流动路径（14），所述增压压缩机（16）设置在所述发动机核心流动路径（14）的进口处或其下游，并且所述风扇（12）设置在所述增压压缩机（16）的上游。

11.根据权利要求10项所述的涡轮机（10），其特征在于，所述涡轮机（10）还包括在所述发动机核心流动路径（14）的径向外侧的旁路管道（26）。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的涡轮机（10），其特征在于，所述低压轴（36）和高压轴（38）配置成相对彼此反向旋转。

13.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1至12中任一项所述的涡轮机（10）。

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