CN109838312A - 具有电机组件的涡轮机器和用于操作涡轮机器的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种涡轮机器和一种用于操作涡轮机器的方法，所述方法包括：调整电耦合到所述第一可旋转部件的所述电机的第一转子组件处的第一负载，使得所述第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况和所述第一负载而增大或减小；调整电耦合到所述第二可旋转部件的所述电机的第二转子组件处的第二负载，使得所述第二可旋转部件的第二速度基于所述发动机状况和所述第二负载而减小或增大；以及转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。

Description

具有电机组件的涡轮机器和用于操作涡轮机器的方法
技术领域
本主题大体上涉及一种涡轮机器，并且更具体地涉及一种具有至少部分地集成在涡轮机器中的电机组件的涡轮机器，以及用于操作所述涡轮机器的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机一般包括以彼此流体连通的方式布置的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心一般按串流的顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮机区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，在此处一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气，直到空气到达燃烧区段。在燃烧区段内，燃料与压缩空气混合并燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体被从燃烧区段引导至涡轮区段。穿过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，并且然后通过排气区段被引导到例如大气。
某些燃气涡轮发动机进一步包括从发动机的转子中的一个转子提取能量的电机。通常，从电机和转子产生的电能用于操作飞行器和发动机子系统。一些电机可进一步将能量引导至发动机的转子，诸如以限定混合电动燃气涡轮发动机。
然而，随着电机的发电和输电能力增大，需要用于操作包括电机的发动机的方法来诸如改进总体发动机性能和可操作性。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下说明中阐明，或根据所述说明可显而易见，或可以通过实践本发明了解到。
大体上提供了一种涡轮机器和一种用于操作涡轮机器的方法，所述涡轮机器包括：第一可旋转部件和第二可旋转部件，所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件各自机械地独立于彼此限定可旋转速度；以及电机，所述电机电耦合到所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件，使得相对于所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件的负载水平是可调整的。所述方法包括：调整电耦合到所述第一可旋转部件的所述电机的第一转子组件处的第一负载，使得所述第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况和所述第一负载而增大或减小；调整电耦合到所述第二可旋转部件的所述电机的第二转子组件处的第二负载，使得所述第二可旋转部件的第二速度基于所述发动机状况和所述第二负载而减小或增大；以及转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。
在所述方法的一个实施例中，调整所述第一转子组件处的所述第一负载水平相对于调整所述第二转子组件处的所述第二负载水平成相反关系。
在所述方法的另一实施例中，转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一个产生的电能包括将电能传输到电耦合到所述涡轮机器的一个或多个设备。
在各种实施例中，所述方法进一步包括：使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转，从而限定最小稳态第二速度；增大所述第一转子组件处的所述第一负载水平；以及经由所述增大的第一负载来降低所述第一可旋转部件的所述第一速度。在一个实施例中，使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转是基于燃料-空气比、压缩机出口压力、涡轮机间温度、涡轮机出口温度或废气温度中的至少一者。
在其他各种实施例中，所述方法进一步包括：经由所述第一转子组件和所述第一可旋转部件来产生电能；将电能从所述第一转子组件传输到所述第二转子组件；以及至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转。在另一实施例中，所述方法进一步包括：减小燃烧腔室处的燃料流量，使得至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转造成所述第二速度近似没有变化。
在又一实施例中，所述方法进一步包括：使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转；经由所述第二转子组件和所述第二可旋转部件来产生电能；将电能从所述第二转子组件传输到所述第一转子组件；以及至少部分地基于来自所述第一转子组件的所述电能而使所述第一可旋转部件以所述第一速度旋转。在一个实施例中，所述方法进一步包括：增大所述第二转子组件处的所述第二负载水平；以及经由所述增大的第二负载水平来降低所述第二可旋转部件的所述第二速度。在另一实施例中，转移能量电能包括将电能传输到电耦合到所述涡轮机器的一个或多个设备。在又一实施例中，降低所述第二可旋转部件的所述第二速度是进一步基于失速裕度、喘振裕度、工作压力比、旋转速度中的一者或多者。
本公开的另一方面涉及一种限定径向方向和轴向方向的涡轮机器。所述涡轮机器包括：第一可旋转部件，所述第一可旋转部件可旋转达第一速度；第二可旋转部件，所述第二可旋转部件机械地独立于所述第一速度可旋转达第二速度；以及电机组件。所述电机组件包括：第一转子组件，所述第一转子组件设置在所述第一可旋转部件处；第二转子组件，所述第二转子组件设置在所述第二可旋转部件处；以及定子组件，所述定子组件设置在所述第一可旋转部件与所述第二可旋转部件之间。所述涡轮机器进一步包括控制器，所述控制器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存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时致使所述一个或多个处理器执行操作。所述操作包括用于操作包括第一可旋转部件、第二可旋转部件和电机组件的涡轮机器的方法的一个或多个实施例。
具体地，本申请技术方案1涉及一种用于操作涡轮机器的方法，所述涡轮机器包括：第一可旋转部件和第二可旋转部件，所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件各自机械地独立于彼此限定旋转速度；以及电机，所述电机电耦合到所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件，使得相对于所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件的负载水平是可调整的，所述方法包括：
调整电耦合到所述第一可旋转部件的所述电机的第一转子组件处的第一负载，使得所述第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况和所述第一负载而增大或减小；
调整电耦合到所述第二可旋转部件的所述电机的第二转子组件处的第二负载，使得所述第二可旋转部件的第二速度基于所述发动机状况和所述第二负载而减小或增大；以及
转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。
本申请技术方案2涉及如技术方案1所述的方法，其中调整所述第一转子组件处的所述第一负载水平相对于调整所述第二转子组件处的所述第二负载水平成相反关系。
本申请技术方案3涉及如技术方案1所述的方法，其中转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能包括将电能传输到电耦合到所述涡轮机器的一个或多个设备。
本申请技术方案4涉及如技术方案1所述的方法，其进一步包括：
使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转，从而限定最小稳态第二速度。
本申请技术方案5涉及如技术方案4所述的方法，其进一步包括：
增大所述第一转子组件处的所述第一负载水平。
本申请技术方案6涉及如技术方案5所述的方法，其进一步包括：
经由增大所述第一负载水平来降低所述第一可旋转部件的所述第一速度。
本申请技术方案7涉及如技术方案4所述的方法，其中使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转是基于燃料-空气比、压缩机出口压力、涡轮机间温度、涡轮机出口温度或废气温度中的至少一者。
本申请技术方案8涉及如技术方案1所述的方法，其进一步包括：
经由所述第一转子组件和所述第一可旋转部件来产生电能；
将电能从所述第一转子组件传输到所述第二转子组件；以及
至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转。
本申请技术方案9涉及如技术方案8所述的方法，其进一步包括：
减小燃烧腔室处的燃料流量，使得至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转造成所述第二速度近似没有变化。
本申请技术方案10涉及如技术方案1所述的方法，其进一步包括：
使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转；
经由所述第二转子组件和所述第二可旋转部件来产生电能；
将电能从所述第二转子组件传输到所述第一转子组件；以及
至少部分地基于来自所述第一转子组件的所述电能而使所述第一可旋转部件以所述第一速度旋转。
本申请技术方案11涉及如技术方案10所述的方法，其进一步包括：
增大所述第二转子组件处的所述第二负载水平；以及
经由增大所述第二负载水平来降低所述第二可旋转部件的所述第二速度。
本申请技术方案12涉及如技术方案11所述的方法，其中转移能量电能包括将电能传输到电耦合到所述涡轮机器的一个或多个设备。
本申请技术方案13涉及如技术方案12所述的方法，其中降低所述第二可旋转部件的所述第二速度进一步是基于失速裕度、喘振裕度、工作压力比、旋转速度中的一者或多者。
本申请技术方案14涉及一种限定径向方向和轴向方向的涡轮机器，所述涡轮机器包括：
第一可旋转部件，其中所述第一可旋转部件可旋转达第一速度；
第二可旋转部件，其中所述第二可旋转部件机械地独立于所述第一速度可旋转达第二速度；
电机组件，所述电机组件包括：
第一转子组件，所述第一转子组件设置在所述第一可旋转部件处；
第二转子组件，所述第二转子组件设置在所述第二可旋转部件处；以及
定子组件，所述定子组件设置在所述第一可旋转部件与所述第二可旋转部件之间；以及
控制器，所述控制器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存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时致使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
调整电耦合到所述第一可旋转部件的所述电机的第一转子组件处的第一负载，使得所述第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况和所述第一负载而增大或减小；
调整电耦合到所述第二可旋转部件的所述电机的第二转子组件处的第二负载，使得所述第二可旋转部件的第二速度基于所述发动机状况和所述第二负载而减小或增大；以及
转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。
本申请技术方案15涉及如技术方案14所述的涡轮机器，所述操作进一步包括：
经由增大所述第一转子组件处的所述第一负载水平来降低所述第一可旋转部件的所述第一速度。
本申请技术方案16涉及如技术方案14所述的涡轮机器，所述操作进一步包括：
经由所述第一转子组件和所述第一可旋转部件来产生电能；
将电能从所述第一转子组件传输到所述第二转子组件；以及
至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转。
本申请技术方案17涉及如技术方案16所述的涡轮机器，所述操作进一步包括：
减小燃烧腔室处的燃料流量，使得至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转造成所述第二速度近似没有变化。
本申请技术方案18涉及如技术方案14所述的涡轮机器，所述操作进一步包括：
使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转；
经由所述第二转子组件和所述第二可旋转部件来产生电能；
将电能从所述第二转子组件传输到所述第一转子组件；以及
至少部分地基于来自所述第一转子组件的所述电能而使所述第一可旋转部件以所述第一速度旋转。
本申请技术方案19涉及如技术方案18所述的涡轮机器，所述操作进一步包括：
增大所述第二转子组件处的所述第二负载水平。
本申请技术方案20涉及如技术方案14所述的涡轮机器，所述操作进一步包括：
使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转，从而限定最小稳态第二速度。
参考以下描述和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，所述附图图示了本发明的各实施例，并与具体说明一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图、针对所属领域中的普通技术人员以完整且可实现的方式公开本发明，包括本发明的最佳模式，在附图中：
图1是根据本公开的一个方面的并入有电机的示例性实施例的示例性涡轮机器的示意性横截面视图；
图2是根据本公开的一个方面的涡轮机器的电机的示例性实施例的示意性横截面视图；
图3是概括用于操作包括电机的涡轮机器的方法的示例性步骤的流程图；以及
图4是示例性压缩机图。
本说明书和附图中附图标记的重复使用旨在表示相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各项实施例，附图中示出了本发明实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的标识用于指代本发明的类似或相同的部分。
本说明书中所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载工具内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或运载工具的正常操作状态(operationalattitude)。例如，对于燃气涡轮发动机而言，“前”是指更靠近发动机入口的位置，并且“后”是指更靠近发动机喷嘴或排气口(exhaust)的位置。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来向，并且“下游”是指流体流动的去向。
除非在本文中另外指明，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等等是指直接联接、固定或附接以及通过一个或多个中间部件或特征间接联接、固定或附接两者。
除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也含有复数意义。
术语“低速”和“高速”是指在涡轮机器的操作期间的两个部件的相对速度(诸如相对旋转速度)，而不暗示或要求任何最小或最大的绝对速度。
术语“高度(altitude)”或“在高处(at altitude)”一般是指当设备的系统在飞行中时涡轮机器可能经历的一个或多个大气条件，包括空气速度或流率、迎角、压力、密度和温度。例如，“在高处”及其变型可以指代发动机或附接到其上的设备离开地面时(诸如在飞行器起飞滑跑之后和着陆之前)的一个或多个飞行条件。
本说明书全文和权利要求书中所用的近似语言适用于修饰能够在允许范围内变动而不改变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，由一个或多个术语例如“大约”、“近似”和“大体上”修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，所述近似语言可以与用于测量值的仪器的精度，或者用于构建或制造部件和/或系统的方法或机器的精度相对应。例如，所述近似语言可以指在10％的容限内。
在此处以及说明书及权利要求书的各处中，范围限制将相互组合并互换地使用；除非上下文或语言另作说明，否则此类范围是确定的并且包括其中包括的所有子范围。例如，本说明书中所公开的所有范围包括端点，并且所述端点可以彼此独立地组合。
一般提供用于操作包括电机的涡轮机器的方法和结构。在本文中一般提供的用于操作包括电机的涡轮机器的方法可以通过将发电机嵌入发动机的多个线轴(诸如低压线轴和高压线轴)中并且基于发动机操作而将能量传输到每个线轴和从每个线轴(spool)传输出能量来改善总体发动机性能和可操作性。在非设计条件下(例如，启动、点火、次空转、空转、中等功率、高处重新点火等)，能量可以在发动机线轴之间进行交换和传输以减少燃料燃烧、提高发动机效率、提高发动机性能、并维持或提高发动机的可操作性裕度。
参考图1，一般提供涡轮机器(以下称为“发动机10”)的示例性实施例的轴向横截面视图。发动机10一般可以限定燃气涡轮发动机。在各种实施例中，发动机10一般可以限定涡轮机械，诸如涡轮风扇、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气式发动机或涡轮轴配置，包括但不限于船舶和工业燃气涡轮发动机、以及辅助动力单元。
发动机10限定轴向方向A，所述轴向方向与提供用于参考的参考轴向中心线12同向延伸。发动机10进一步限定从轴向中心线12延伸的径向方向R和相对于轴向中心线12延伸的周向方向C。大体上，发动机10可以包括设置在风扇组件14下游的燃气发生器或核心发动机16。
核心发动机16一般可以包括基本上管状的外壳，所述基本上管状的外壳限定环形入口20。外壳包围或至少部分地形成呈串流关系的压缩机区段21、燃烧区段26和涡轮区段31，所述压缩机区段具有增压器或低压(LP)压缩机22、高压(HP)压缩机24，所述涡轮区段包括高压(HP)涡轮机28、低压(LP)涡轮机30和风扇组件14。高压(HP)转子轴34将HP涡轮机28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)转子轴36将LP涡轮机30驱动地连接到LP压缩机22。
虽然一般被描绘为双线轴涡轮风扇发动机，但是发动机10可进一步限定被配置在LP线轴与HP线轴之间的一个或多个附加线轴，诸如包括经由IP轴连接到IP涡轮机的IP压缩机的中间压力(IP)线轴。
如图1所示，风扇组件14包括多个风扇叶片42，所述风扇叶片联接到风扇轴38并且从所述风扇轴径向向外延伸。在图1中一般提供的实施例中，风扇组件14、LP压缩机22和LP涡轮机30可以一起限定发动机10的低压或LP线轴。更具体地，风扇组件14、LP压缩机22和LP涡轮机30的旋转部件可以一起限定LP线轴。LP线轴围绕轴向中心线12以基本上相同的旋转速度一起旋转，诸如从而限定第一速度。然而，在未示出的其他实施例中，发动机10包括减速装置，所述减速装置降低风扇组件14相对于LP压缩机22或LP涡轮机30中的一个或多个的旋转速度。在各种实施例中，减速装置限定诸如减速齿轮箱或动力齿轮箱的齿轮组件或另一包括但不限于液压、气动或其他传动系统的减速组件(。在其他各种实施例中，减速装置可以限定至少风扇组件14相对于LP压缩机22或LP涡轮机30中的一者或多者的成比例的旋转速度。在此出于讨论目的，LP线轴的第一速度可以取决于LP压缩机22和LP涡轮机30中的一者或多者的旋转速度而包括风扇组件14的另一旋转速度。
仍然参考图1，HP压缩机24和HP涡轮机28可以一起限定发动机10的高压或HP线轴。HP线轴围绕轴向中心线12以基本上相同的旋转速度一起旋转，诸如从而限定第二速度。在发动机10的操作期间，HP线轴被驱动以旋转来吸入一定体积的空气或其他氧化剂并且使之如箭头80示意性所示的那样流入核心发动机16。一定体积的空气80在流过LP压缩机22和HP压缩机24时被压缩。由箭头82示意性示出的压缩体积的空气离开HP压缩机24并且进入燃烧区段26。压缩空气82与液体或气体燃料(或其组合)混合并点燃以产生燃烧气体86。燃烧气体86流过HP涡轮机28和LP涡轮机30并于此处膨胀。每个涡轮机28、30处的燃烧气体86的膨胀释放能量，所述能量产生发动机10的相应HP线轴和LP线轴的旋转。
应了解，LP线轴和HP线轴彼此机械地分离，使得一个线轴的旋转不一定造成另一线轴的旋转。然而，LP线轴和HP线轴在空气动力学上联接，使得一者的旋转速度的变化可能导致另一者的旋转速度的变化。如本文将进一步讨论，本公开提供了用于操作诸如发动机10涡轮机器的方法，所述方法能够改变一个线轴的旋转速度，同时维持(例如，不改变)另一线轴的旋转速度。
仍然参考图1，发动机10包括设置在第一可旋转部件和第二可旋转部件之间的电机100。在各种实施例中，诸如图1中大体上示出的，第一可旋转部件可以由LP线轴限定。更具体地，第一可旋转部件可以由LP压缩机22的旋转构件、风扇组件14的风扇转子38和风扇叶片42限定。然而，在其他实施例中，第一可旋转部件可以由LP涡轮机30限定。
在其他各种实施例中，第二可旋转部件可以由HP线轴限定。更具体地，第二可旋转部件可以由HP压缩机24的旋转构件限定。在其他实施例中，第二可旋转部件可以由HP涡轮机28限定。
现在参考图2，一般提供发动机10的一部分以示出电机100相对于第一可旋转部件110和第二可旋转部件120的实施例。电机组件100包括设置在第一可旋转部件110处的第一转子组件101和设置在第二可旋转部件120处的第二转子组件102。电机100一般可以限定包括转子组件和定子组件的发电机或电动机。第一转子组件101联接到第一可旋转部件110，诸如LP线轴，使得第一转子组件101可以限定电机100的第一转子。第二转子组件102联接到第二可旋转部件120，诸如HP线轴，使得第二转子组件102可以限定电机100的第二转子。
电机100进一步包括定子组件115，所述定子组件设置在第一可旋转部件110与第二可旋转部件120之间。联接到第一可旋转部件110的第一转子组件101被配置成围绕固定定子组件115以第一速度旋转。联接到第二可旋转部件120的第二转子组件102被配置成围绕固定定子组件115以第二速度旋转。第二速度一般不同于第一速度，诸如关于LP线轴和HP线轴所述。
定子组件115可进一步包括与第一转子组件101电导通的第一定子组件111。定子组件115可进一步包括与第二转子组件102电导通的第二定子组件112。定子组件115被配置成在第一定子组件111与第二定子组件112之间提供电导通，使得一个定子/转子组合(例如，第一定子组件111和第一转子组件101)的第一电负载、电阻或阻抗的变化(例如，增大或减小)可以改变(例如，减小或增大)另一定子/转子组合(例如，第二定子组件112和第二转子组件102)的第二电负载、电阻或阻抗。
现在参考图3，一般提供概括用于操作涡轮机器的方法(以下称为“方法1000”)的示例性步骤的流程图。方法1000可利用涡轮机器(诸如图1至图2中一般提供的发动机10)来执行。然而，应了解，方法1000可以用于一般包括第一可旋转部件和第二可旋转部件、以及电连接到它们各者的电机的涡轮机器，所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件各自机械地独立于彼此限定旋转速度，所述电机被配置成传输从一个可旋转部件产生的电能以向另一可旋转部件提供旋转。
方法1000包括：在1010处，调整电机的电耦合到第一可旋转部件的第一转子组件处的第一负载，使得第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况而改变；在1020处，调整电机的电耦合到第二可旋转部件的第二转子组件处的第二负载，使得第二可旋转部件的第二速度基于发动机状况而改变；以及在1015处，转移从第一可旋转部件或第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。
例如，在方法1000和发动机10的各种实施例中，电机100可以被配置成使得第一转子组件101处的第一负载相对于第二转子组件102处的第二负载之间能够实现相反关系。在一个实施例中，方法1000可以包括在1012处经由第一转子组件和第一可旋转部件来产生电能。例如，在发动机10的操作期间，经由联接到作为第一可旋转部件110的LP线轴的第一转子组件101处的第一负载来产生电能。可以增大第一负载以造成降低LP线轴的第一速度的阻力。
在各种实施例中，在步骤1015处转移从第一可旋转部件、第二可旋转部件或两者产生的电能包括将电能传输到电耦合到涡轮机器的一个或多个设备。在一个实施例中，所述设备可以包括飞行器、陆基或海基船只等，或各种子系统，诸如但不限于热管理系统、环境控制系统、发动机或飞行器照明或电力系统、电风扇推进系统、或一般需要电能的其他系统。作为另一非限制性实例，设备的操作者可以基于发动机状况而选择性地调整第一负载、第二负载或两者。在各种实施例中，操作者可以包括控制器(例如，控制器210)或手动调整(例如，操作人员、机械触发器或开关等)。
方法1000可进一步包括在1014处将电能从第一转子组件传输到第二转子组件。例如，可以将从第一定子111和第一转子101产生的电能传输到第二定子112和第二转子102以促进或辅助作为第二可旋转部件120的HP线轴的旋转。因此，第二可旋转部件120可以在从燃烧气体86产生的电能的混合动力源以及从第一可旋转部件110、第一定子组件111和第一转子组件101产生的第一电负载上操作。
在一个实施例中，方法1000可进一步包括：在1002处使第二可旋转部件以第二速度旋转，从而限定最小稳态第二速度；在1004处，增大第一转子组件处的第一负载；以及在1006处，经由增大的第一负载来降低第一可旋转部件的第一速度。在其他各种实施例中，方法1000可以包括在1003处至少基于第二可旋转部件的第二速度而使第一可旋转部件以第一速度旋转。例如，方法1000在1003处可以包括产生燃烧气体，诸如关于图1至图2所述，以产生推力来操作第一可旋转部件。
在各种实施例中，电能可以从第一定子111和第一转子101产生并进行传输以在发动机10处于低功率状态时促进第二可旋转部件120的旋转。例如，联接到飞行器的发动机10可以在第二可旋转部件120的最小稳态第二速度(即，发动机10的启动或点火之后的最小稳态速度)下操作，使得发动机10产生用于热管理系统、环境控制系统、发动机和飞行器电力系统等的动力和空气供应。增大第一转子组件101和第一定子组件111处的第一负载则会降低第一可旋转部件110(例如，LP线轴)的第一旋转速度，这会减小发动机10的输出推力，同时为飞行器和发动机系统提供足够的空气和能量。减小的输出推力可以减少飞行器制动系统的磨损和劣化。在各种实施例中，第一转子组件101和第一定子组件111处的第一负载可以使第一可旋转部件110的第一旋转速度相对于在近似无负载被施加到第一可旋转部件110的情况下限定的最小稳态第一速度而降低高达约50％。
在一个实施例中，使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转是基于燃料-空气比、压缩机出口压力、涡轮机间温度、涡轮机出口温度或废气温度中的至少一者。如本领域中一般理解的那样，可以各自测量燃料-空气比、压缩机出口压力、涡轮机间温度、涡轮机出口温度和废气温度。
在方法1000的一个实施例中，在1006处可以在发动机10的启动期间执行经由增大的第一负载来降低第一可旋转部件的第一速度。例如，当第一可旋转部件110的第一旋转速度从静止或风磨速度增大时，方法1000可以用于从第一可旋转部件产生最小输出推力，因为燃烧气体提供第一可旋转部件的旋转，诸如关于图1至图2所示和所述的。施加到第一可旋转部件110的第一负载可以将第一速度相对于在近似无负载被第一转子组件101和第一定子组件111施加到第一可旋转部件110的情况下限定的最小稳态第一速度降低高达约50％。
在各种实施例中，“从静止”可以被定义为约零转/分钟(RPM)。在其他实施例中，“风磨速度”一般可以限定基本上因空气速度或作用在旋转部件(例如，风扇组件14的风扇叶片42)上的空气力而导致的旋转速度，这与从燃烧气体或电能得到的能量不同。
在其他各种实施例中，发动机10的低功率状况可进一步包括联接到飞行器以用于实现推进推力的发动机10可以在空转或飞行器滑行期间(例如，飞行器在起飞之前或着陆之后向跑道的移动和从跑道的移动)操作的一个或多个发动机状况。一般提供的方法1000的实施例可以减小发动机10的输出推力、减少燃料消耗，并且减少系统(诸如但不限于飞行器制动器)的磨损和劣化。
在其他实施例中，方法1000的实施例可以用于在启动(例如，初始旋转以提供用于点火的空气)、点火或一个或多个低功率状况(例如，次空转、空转等)期间控制第一可旋转部件110或第二可旋转部件120的旋转速度。例如，方法1000可以用于增大或减小第一旋转部件110和第二旋转部件120处的负载，以在每个可旋转部件110、120处归一化或更均匀地分配热能来减轻弓形转子启动。
方法1000可进一步包括在1008处至少部分地基于来自第二转子组件的电能而使第二可旋转部件以第二速度旋转。例如，促进第二可旋转部件120(例如，HP线轴)在低功率状况(例如，最小稳态第二速度)下旋转可以通过减少在期望的低功率状况下旋转第二可旋转部件120所需的燃料量来减少在低功率状况下的燃料燃烧。由此，方法1000可进一步包括在1009处减小燃烧区段(例如，燃烧区段26)处的燃料流量，使得使第二可旋转部件以第二速度旋转是至少部分地基于从第一可旋转部件产生的电能。例如，将第二可旋转部件120作为诸如前述的混合动力源来操作可以提供足够量的电能来旋转第二可旋转部件120，使得经由减少燃料流量来减少经由燃烧气体86的能量的量，从而改进在低功率状况下的燃料效率。经由从第一可旋转部件110和燃烧气体86产生的电能来减小燃烧区段26处的燃料流量并使第二可旋转部件120旋转可能造成第二速度相对于仅经由燃烧气体86来旋转第二可旋转部件120的情况近似无变化。
在另一实施例中，使第二可旋转部件以第二速度旋转可以包括至少基于来自第一可旋转部件的电能来增大第二可旋转部件的旋转速度。例如，由于风磨，可以从第一可旋转部件110产生电能，诸如从风扇组件14的风扇叶片42产生电能。在一个实施例中，风磨可以在发动机10联接到的飞行器在高处并且空气力提供第一可旋转部件110的旋转时发生。电机100可以因风磨而从第一可旋转部件110得到电能并且将电能传输到第二可旋转部件120以增大第二可旋转部件120的旋转速度。例如，第二可旋转部件120的旋转速度的增大可以增大通过核心发动机16的空气流以用于高处重新点燃(即，当在高处时启动和点燃发动机10)。因此，方法1000可进一步包括将燃料流提供到燃烧区段并且在高处点燃燃料和空气混合物。
方法1000可进一步包括在1022处经由第二转子组件和第二可旋转部件来产生电能。例如，在发动机10的操作期间，经由联接到作为第二可旋转部件120的HP线轴的第二转子组件102处的第二负载产生电能。可以增大第二负载以造成降低HP线轴的第二速度的阻力。因此，方法1000可进一步包括在1024处增大第二转子组件处的第二负载水平；以及在1026处，经由增大从第二转子组件102和第二定子组件112产生的第二负载来降低第二可旋转部件的第二速度。
在各种实施例中，方法1000进一步包括在1028处将电能从第二转子组件传输到第一转子组件；并且在1030处，至少部分地基于来自第一转子组件的电能而使第一可旋转部件以第一速度旋转。例如，可以将从第二定子112和第二转子102产生的电能传输到第一定子111和第一转子101以促进或辅助作为第一可旋转部件110的LP线轴的旋转。
在各种实施例中，降低第二可旋转部件的第二速度是进一步基于压缩机图400。简单地参考图4，大体上提供了本领域中一般已知的压缩机图的示例性实施例。压缩机图400一般可以提供至少失速裕度、喘振裕度、压缩机的操作压力比、或压缩机的操作速度。因此，压缩机图400可以用于确定压缩机的当前或期望的操作状况，诸如相对于失速裕度、喘振裕度、操作压力比或操作速度中的一者或多者来确定。压缩机图400还可用于确定对在诸如关于图1至图3所述的第一可旋转部件110和第二可旋转部件120处施加或移除的负载的调整或控制。虽然压缩机图400在本文中一般作为图表或曲线图提供，但应了解，其中提供的数据或信息(诸如以下进一步描述的)可以被限定为数据库、表格、函数、图表、曲线图等中的一者或多者来，并且可进一步在控制器(例如，控制器210)内进行存储、利用、操纵或更新。
压缩机图400一般由第一轴线401上的压缩机区段21的压缩机(例如，LP压缩机22、HP压缩机24)处的空气流率和诸如在第二轴线402处所示的压缩机区段21处的压缩机的压力比(例如，压缩机出口处的下游压力与压缩机入口处的上游压力的比)限定。限定一条或多条速度线410。例如，速度线410一般可以限定转子叶片尖端的恒定旋转或校正速度(例如，根据标准日的海平面处的环境条件校正的流体质量流率，如在本领域中一般已知的)。压缩机图400进一步限定工作或操作线420。操作线420一般限定发动机10一般相对于速度线410操作的点。压缩机图400进一步限定喘振线415。喘振线415一般限定某个区域，在此区域上方流动是不稳定的，诸如造成跨压缩机的翼型的流动分离，并且最终基本上完全地破坏通过压缩机的流动。在压缩机区段21的操作中一般不期望有压缩机喘振，压缩机喘振可能最终造成发动机10部分或完全地故障。
操作线420与喘振线415之间的裕度一般限定压缩机的喘振裕度。返回参考图3，方法1000可以用于减小喘振裕度，诸如以改善压缩机性能，同时还使压缩机区段21和发动机10能够安全操作。例如，方法1000在1010处，并且在各种实施例中，进一步在1014处，可以用于控制或调整第二可旋转部件120的第二旋转速度，诸如以减轻压缩机失速或压缩机喘振。在一个实施例中，方法1000可以用于降低第二可旋转部件120的第二旋转速度，诸如通过经由第二定子组件112和第二转子组件102来增大第二可旋转部件120处的第二负载。在需要时，降低第二可旋转部件120的旋转速度可以使得压缩机能够更远离喘振线415(图4)操作。
在另一实施例中，方法1000可以用于提高第二可旋转部件120的第二旋转速度，诸如通过经由第二定子组件112和第二转子组件102来减小第二可旋转部件120处的第二负载。在一个实施例中，提高第二旋转速度可进一步包括改变到燃烧区段26的燃料流量，诸如减小或增大燃料流量，诸如先前上述。
返回参考图3，在本文中一般提供和描述的电机例100的实施例可进一步包括轴承组件、用于轴承组件的润滑剂流体系统、起动机电动机、交流发电机/发电机、热管理系统(例如，燃料、油、液压流体和/或空气热交换器)或其组合中的一者或多者。例如，除了定子组件115之外，电机100可进一步包括用于润滑剂流体系统的一个或多个泵、液箱、阻尼器、供应导管、扫气导管、缓冲流体导管等。电机100可进一步包括减速装置，诸如变速器或齿轮组件、气动或液压减速组件等，所述减速装置可以降低从LP轴36到风扇转子38的旋转速度。在其他各种实施例中，电机100可进一步包括减速装置，所述减速装置可以降低从HP线轴(诸如第二可旋转部件120)到第二转子组件112的旋转速度，诸如以限定第二转子组件112相对于第二定子组件102的更有用或更有效的操作速度。
返回参考图1，发动机10还可包括控制器210。通常，控制器210可以与任何适当的基于处理器的装置相对应，包括一个或多个计算装置。例如，图1示出了可以包括在控制器210内的合适的部件的一个实施例。
如图1所示，控制器210可以包括处理器212和相关存储器214，所述处理器和相关存储器被配置成执行各种计算机实施的功能(例如，执行本文所公开的方法、步骤、计算等)。本文所用术语“处理器”不仅是指包含在计算机中的所属领域中所谓的集成电路，还指控制器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)以及其他可编程电路。另外，存储器214一般可以包括一个或多个存储器元件，所述存储器元件包括但不限于计算机可读介质(例如，随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(例如，闪存存储器)、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)、数字多功能光盘(DVD)和/或其他合适的存储器元件，或它们的组合。在各种实施例中，控制器210可以限定全权限数字发动机控制器(FADEC)、推进器控制单元(PCU)、发动机控制单元(ECU)或电子发动机控件(EEC)中的一者或多者。
如图所示，控制器210可以包括存储在存储器214中的控制逻辑216。控制逻辑216可以包括指令，所述指令当由一个或多个处理器212执行时致使一个或多个处理器212执行操作，诸如方法1000及其实施例中概括的那些。因此，指令可以包括方法1000的一个或多个步骤。另外，操作可以包括执行方法1000的一个或多个步骤。另外，控制逻辑216可以包括压缩机图400(图4)的实施例。在各种实施例中，压缩机图400可以限定在执行方法1000的一个或多个步骤时可参考的表格、曲线或函数。
另外，如图1所示，控制器210还可包括通信接口模块230。在各种实施例中，通信接口模块230可以包括用于发送和接收数据的相关电子电路。因此，控制器210的通信接口模块230可以用于从电机100、第一可旋转部件110和第二可旋转部件120接收数据。另外，通信接口模块230还可用于与发动机10的任何其他合适的部件通信，所述其他合适的部件包括被配置成监视发动机10的一个或多个操作参数的任何数量的传感器，所述一个或多个操作参数诸如但不限于第一可旋转部件110的第一速度、第二可旋转部件120的第二速度、到燃烧区段26的燃料流量(或用于计算燃料流量的压力、体积、面积或其他几何形状、或燃料密度等)、发动机10周围和通过所述发动机的空气80、82的压力、温度、密度等。应了解，通信接口模块230可以是合适的有线和/或无线通信接口的任何组合，并且因此可以经由有线和/或无线连接通信地联接到发动机10的一个或多个部件。
在本文中一般提供的用于操作包括电机100的涡轮机器10的结构和方法1000的实施例可以通过将电机100嵌入在发动机10的多个线轴(例如，LP线轴和HP线轴)处并基于发动机操作来将能量传输到每个线轴和从每个线轴传输出能量来改进总体发动机性能和可操作性。在偏离航空设计点或等效物的条件下，诸如在非设计条件(例如，启动、点火、次空转、空转、中等功率、高处重新点火等)下，能量可以在LP线轴与HP线轴之间进行交换和传输以减少燃料燃烧、提高发动机效率、提高发动机性能、并维持或提高发动机的可操作性裕度。
另外，在本文中一般提供的结构和方法1000的各种实施例可以用于调整飞行器或其他设备从哪个可旋转部件提取电能。例如，方法1000可以用于经由以下方式来基本上或完全地从第一可旋转部件110提取电能：增大第一负载和减小第二负载，使得经由第二可旋转部件120提取最小电能或甚至是提取不到电能。作为另一实例，方法1000可以用于经由以下方式来基本上或完全地从第二可旋转部件120提取电能：通过增大第二负载和减小第一负载，使得经由第一可旋转部件110提取最小电能或甚至是提取不到电能。
作为又一实例，飞行器或其他设备可以从第一可旋转部件110和第二可旋转部件120两者提取电能。在各种实施例中，方法1000可以用于从第一可旋转部件110提取高达约95％的电能，并且从第二可旋转部件120提取至多约5％的电能。在其他实施例中，方法1000可以用于从第二可旋转部件120提取高达约95％的电能，并且从第一可旋转部件110提取至多约5％的电能。
在各种实施例中，从第一可旋转部件110和第二可旋转部件120提取的电能的一部分可以是至少基于发动机操作状况或其变化。例如，在相对低功率的发动机操作状况期间，飞行器或其他设备可以基本上或完全地从第一可旋转部件110提取电能。作为另一实例，在相对中等或高功率的发动机操作状况期间，飞行器或其他设备可以基本上或完全地从第二可旋转部件120提取电能。另外，在本文中一般提供的结构和方法1000可以实现第一可旋转部件110和第二可旋转部件120之间的电能提取的选择性控制或切换。
本说明书使用各个实例来公开本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包含的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也应在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于操作涡轮机器的方法，所述涡轮机器包括：第一可旋转部件和第二可旋转部件，所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件各自机械地独立于彼此限定旋转速度；以及电机，所述电机电耦合到所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件，使得相对于所述第一可旋转部件和所述第二可旋转部件的负载水平是可调整的，所述方法包括：
调整电耦合到所述第一可旋转部件的所述电机的第一转子组件处的第一负载，使得所述第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况和所述第一负载而增大或减小；
调整电耦合到所述第二可旋转部件的所述电机的第二转子组件处的第二负载，使得所述第二可旋转部件的第二速度基于所述发动机状况和所述第二负载而减小或增大；以及
转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。
2.如权利要求1所述的方法，其中调整所述第一转子组件处的所述第一负载水平相对于调整所述第二转子组件处的所述第二负载水平成相反关系。
3.如权利要求1所述的方法，其中转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能包括将电能传输到电耦合到所述涡轮机器的一个或多个设备。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转，从而限定最小稳态第二速度。
5.如权利要求4所述的方法，其进一步包括：
增大所述第一转子组件处的所述第一负载水平。
6.如权利要求5所述的方法，其进一步包括：
经由增大所述第一负载水平来降低所述第一可旋转部件的所述第一速度。
7.如权利要求4所述的方法，其中使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转是基于燃料-空气比、压缩机出口压力、涡轮机间温度、涡轮机出口温度或废气温度中的至少一者。
8.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：
经由所述第一转子组件和所述第一可旋转部件来产生电能；
将电能从所述第一转子组件传输到所述第二转子组件；以及
至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转。
9.如权利要求8所述的方法，其进一步包括：
减小燃烧腔室处的燃料流量，使得至少部分地基于来自所述第二转子组件的所述电能而使所述第二可旋转部件以所述第二速度旋转造成所述第二速度近似没有变化。
10.一种限定径向方向和轴向方向的涡轮机器，所述涡轮机器包括：
第一可旋转部件，其中所述第一可旋转部件可旋转达第一速度；
第二可旋转部件，其中所述第二可旋转部件机械地独立于所述第一速度可旋转达第二速度；
电机组件，所述电机组件包括：
第一转子组件，所述第一转子组件设置在所述第一可旋转部件处；
第二转子组件，所述第二转子组件设置在所述第二可旋转部件处；以及
定子组件，所述定子组件设置在所述第一可旋转部件与所述第二可旋转部件之间；以及
控制器，所述控制器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存储指令，所述指令在由所述一个或多个处理器执行时致使所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括：
调整电耦合到所述第一可旋转部件的所述电机的第一转子组件处的第一负载，使得所述第一可旋转部件的第一速度基于发动机状况和所述第一负载而增大或减小；
调整电耦合到所述第二可旋转部件的所述电机的第二转子组件处的第二负载，使得所述第二可旋转部件的第二速度基于所述发动机状况和所述第二负载而减小或增大；以及
转移从所述第一可旋转部件或所述第二可旋转部件中的至少一者产生的电能。
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