CN110273757A

CN110273757A - 电力发电机系统

Info

Publication number: CN110273757A
Application number: CN201910198805.4A
Authority: CN
Inventors: D.P.斯科森
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2019-09-24
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: CN110273757B; US10961863B2; EP3540198B1; EP3540198A1; US20190284948A1; GB201804128D0

Abstract

一种电力发电机系统具有：输入轴，多个输出轴以及多个发电机。所述系统进一步具有配置为控制齿轮切换布置的控制器。控制器在输出轴的旋转频率达到较窄的旋转频率范围的界限时，通过依次执行以下步骤来改变输出轴的齿轮比：（i）使选择的一个发电机与负载断开连接，使得其余连接的发电机增加它们的电力输出，以继续向负载供应总电力，（ii）改变输入轴与断开连接的选择的发电机的输出轴之间的齿轮比，使得选择的发电机的输出轴的旋转频率远离频率界限，以保持在较窄的旋转频率范围内，（iii）将选择的发电机重新连接到负载，并且（iv）依次对各个其他发电机重复步骤（i）至（iii），直到多个发电机的齿轮比被改变。

Description

电力发电机系统

技术领域

本公开涉及一种电力发电机系统。

背景技术

航空燃气涡轮发动机通常具有电力发电机作为发动机驱动附件，以满足飞机电力需求。传统上，这种发电机安装在发动机风扇壳或核心外部的附属齿轮箱上并由其驱动。齿轮箱通过齿轮箱和轴系统由发动机转子中的一个提供动力。这通常是发动机的高压转子。

飞机电气和电子系统的尺寸取决于它们必须适应的频率范围。因此，有利的是限制这一频率范围，并且方便的是发动机的高压转子自然具有窄的频带。然而，从高压转子吸收大量机械动力会对发动机的可操作性产生不利影响。

因此，期望能从发动机的中压或低压转子为发电机提供动力。但是，这些转子具有比高压转子宽得多的速度范围。例如，在地面空转时，涡轮风扇的风扇可能仅以其最大速度的12%旋转。这表示对应转子中的8:1速度范围，这对于发电频率范围是不可接受的。通常，大约2:1或更低的发电频率范围是可接受的。将发电机尺寸确定成使转子速度最小化，并且以较高的速度管理其电力输出将不具有竞争力，因为低频发电机的非常大的尺寸。替代地，通过使用集成驱动发电机（IDG）可以实现有限的频率范围，所述IDG具有恒定速度液压驱动，以从更宽的输入速度范围实现窄的输出速度范围。但是，IDG本质上效率低，从发动机核心提取的电力比需要的多，并且需要大型冷却器来去除余热。因此，它们通常只在电力需求相对小的地方使用。

因此，期望的是使用齿轮箱输送有限的（例如，传统的2:1）速度范围。但是，速度切换的齿轮箱的问题是，不可能中断机身动力需求，以卸下齿轮箱用于齿轮切换。双离合器变速器可能可以避免这个问题，但在高扭矩下切换可能会导致严重的离合器磨损。具有两个全额定发电机，使得一个可以在另一个改变齿轮时接管也是可能的，但这将引起与携带两倍所需发电机能力相关的重量上的弊端。

发明内容

本公开提供了一种如所附权利要求中所述的电力发电机系统、燃气涡轮发动机和控制电力发电机系统的方法。

本公开至少部分地基于这样的认识，即特定的发电机通常可以在有限的时间段（通常以秒计数）内承受严重（例如，100%）过载，并且因此可以通过在显著较短的时间段（例如，200 ms）内执行齿轮改变来避免两个全额定发电机的重量上的弊端。这样，有可能只携带所需的发电机能力，并且然后以两个或更多个阶段切换，而不会中断飞机的电力输送。

因此，本公开的第一方面提供一种电力发电机系统，其具有：

用于接收旋转输入驱动的输入轴；

多个输出轴，所述多个输出轴通过相应的齿轮切换布置连接到输入轴，从而在输入轴与各个输出轴之间提供不同的齿轮比；以及

通过相应的输出轴旋转提供动力的多个发电机，发电机的电力输出被组合以为负载供应总电力；

其中，输入轴在旋转频率范围内操作，并且齿轮切换布置配置为切换输入轴与输出轴之间的齿轮比，使得输出轴在较窄的旋转频率范围内操作；

所述系统进一步具有控制器，所述控制器配置为控制齿轮切换布置，控制器在输出轴的旋转频率达到较窄的旋转频率范围的界限时通过依次执行以下步骤来改变输出轴的齿轮比：

（i）使选择的一个发电机与负载断开连接，使得其余连接的发电机增加其电力输出，以继续向负载供应总电力，

（ii）改变输入轴与断开连接的选择的发电机的输出轴之间的齿轮比，使得选择的发电机的输出轴的旋转频率远离频率界限，以保持在较窄的旋转频率范围内，

（iii）将选择的发电机重新连接到负载，并且

（iv）依次对各个其他发电机重复步骤（i）至（iii），直到多个发电机的齿轮比被改变。

因此，发电机系统能够承受宽的输入旋转频率范围，能够使其由例如涡轮风扇燃气涡轮发动机的风扇系统驱动。更具体地，通过齿轮切换布置的适当控制，它可以将宽的输入频率范围变为窄的输出频率范围和相应地窄的输出电压范围。由于所述系统具有多个发电机，各个发电机都能够在该或各个相应的发电机依次卸下和齿轮切换时承受短期过载，因此可以避免切换过程中的输出电力的中断。

本公开的第二方面提供一种具有根据第一方面所述的电力发电机系统的燃气涡轮发动机，输入轴可操作地连接到发动机的转子上，以接收旋转输入驱动。燃气涡轮发动机可以是涡轮风扇发动机（例如，齿轮涡轮风扇），其转子可操作地连接到驱动发动机的推进风扇的输入轴。方便地，控制器可以是发动机的电子发动机控制器的一部分。

本公开的第三方面提供一种控制电力发电机系统的方法，所述电力发电机系统具有：

用于接收旋转输入驱动的输入轴；

所述方法包括依次执行以下步骤：

（i）当输出轴的旋转频率达到较窄的旋转频率范围的界限时，使选择的一个发电机与负载断开连接，使得其余连接的发电机增加其电力输出，以继续向负载供应总电力，

（iii）将选择的发电机重新连接到负载，并且

因此，所述方法的电力发电机系统可以是第一方面的电力发电机系统。

现在将阐述本公开的可选特征。这些特征可单独地或与本公开的任何方面以任何组合应用。

方便地，电力发电机系统可以具有两个输出轴和两个相应的发电机，或三个输出轴和三个相应的发电机。

方便地，各个齿轮切换布置可以配置成提供输入轴与相应的输出轴之间的两个或三个不同的齿轮比。

齿轮切换布置可包括一个机构，以在各个发电机与输入轴之间施加预定的角度关系以用于与各个齿轮切换布置相关的不同齿轮比，从而使发电机在输出轴的齿轮比发生任何改变之前和之后都彼此同相地操作。这允许发电机的电力输出组合在一条总线上。所述机构可以包括用于各个齿轮切换布置的不同齿轮比的相应组的犬齿。例如，如果犬齿位于输出轴上，则各个发电机的发电机极数可以是相应的组的犬齿数量的整数倍。作为另一个实例，如果犬齿位于输入轴上，则每组犬齿的数量乘以相应的齿轮比可以是各个发电机的发电机极数的整数因子。

齿轮切换布置可以具有速度匹配系统，例如，同步啮合系统，用于在改变齿轮比时匹配齿轮速度。附加地或替代地，步骤（ii）可以包括将电力输入断开连接的选择的发电机中或从其提取电力，以匹配其输出轴的转速，从而与齿轮比的改变相符合。

发电机可以是永磁发电机。

在一些应用（特别是那些重量通常不是关键因素的应用，如船用或风力涡轮机应用）中，发电机系统携带在任一时间不使用的冗余发电机能力可以是有益的。例如，发电机系统可以具有三个电气发电机，其中两个在任一时间齿轮切换，并且其中一个保持作为离线备用，以便如果其他发电机中的一个出现故障，需要将其关闭和离线，则使其上线并齿轮切换。因此，各个齿轮切换布置可以配置为允许其输出轴与输入轴可连接和可断开连接的。

附图说明

现在将参考附图，通过实例描述本公开的实施例，其中：

图1示出了管道风扇燃气涡轮发动机的纵向横截面；

图2示意性地示出了图1的发动机的电力发电机系统；

图3示意性地示出了图2的系统的两级齿轮切换的发电机负载与时间的曲线图；以及

图4示意性地示出了图2的系统的齿轮变化中输入轴和发电机的转速和输出频率与时间的曲线图。

具体实施方式

现在将参考附图来讨论本公开的方面和实施例。其他的方面和实施例对本领域技术人员而言将是明显的。

参见图1，管道风扇燃气涡轮发动机通常表示为10，并具有主和旋转轴线X-X。发动机包括按轴向流动顺序的空气入口11、推进风扇12、中压压缩机13、高压压缩机14、燃烧设备15、高压涡轮机16、中压涡轮机17、低压涡轮机18和核心发动机排出喷嘴19。机舱21通常包围发动机10，并限定空气入口11、旁通管道22和旁通排出喷嘴23。

在操作期间，进入入口11的空气通过风扇12加速，以产生两个气流：第一气流A进入中压压缩机13，而第二气流B通过旁通管道22以提供推进推力。在将空气输送到高压压缩机14之前，中压压缩机13压缩导入其中的空气流A，在高压压缩机14处发生进一步的压缩。

从高压压缩机14排出的压缩空气被导入燃烧设备15中，在此其与燃料混合并且混合物燃烧。然后，生成的热燃烧产物在通过喷嘴19排出之前膨胀通过并驱动高、中和低压涡轮机16、17、18，以提供额外的推进推力。高、中和低压涡轮分别通过合适的互连轴驱动高和中压压缩机14、13以及风扇12。

可应用于本公开的其他燃气涡轮发动机可以具有其他的构造。举例来说，这种发动机可以具有其他数量的互连轴（例如，两个）和/或其他数量的压缩机和/或涡轮。发动机可以包括设置在从涡轮到压缩机和/或风扇的传动系中的齿轮箱。

在图2中示意性地示出的，发动机具有电力发电机系统。发电机系统具有齿轮箱模块30和发电机模块40。齿轮箱模块的输入轴31通过适当的中间驱动以接收取自发动机的中压或低压转子的旋转输入。输入轴通过相应的齿轮切换布置连接到两个输出轴32a、32b。每个齿轮切换布置为输入轴与相应的输出轴之间的齿轮提供高33a、中33b和低33c齿轮比选项。这些布置允许输入轴与任一输出轴之间的齿轮比独立于输入轴与另一输出轴之间的齿轮比而更改。然后输出轴延伸通过到发电机模块，在此它们驱动两个发电机41a、41b的转子。这两个发电机的电力输出通常在同一飞机总线上组合，以向由飞机电气系统提供的负载供应总电力。方便地，发电机系统可以定位在尾部轴承室中或附属齿轮箱上。

因此，在正常操作中，电力负载在两个发电机41a、41b之间分担。为了在输入轴31的速度改变时将电力输出保持在电压和频率界限内，发电机系统具有控制器，所述控制器为输出轴41a、41b选择最合适的齿轮比。方便地，控制器可以是发动机的EEC（电子发动机控制器）的元件。

更具体地，控制器首先卸下第一个发电机41a（即，断开其与总线的连接），使得另一个发电机41b自然增加其电力输出，以供应整个系统负载。这种临时布置去除了输入轴31与输出轴32a之间的主动齿轮上的扭矩，能够使齿轮箱模块30在无扭矩条件下改变第一发电机的齿轮比，有助于去除传动系统冲击，并且避免对离合器的需求。然后将第一发电机重新连接到总线上，以恢复其对负载的电力输出。一旦该恢复完成，第二发电机41b就立即重复卸下、齿轮改变和重新加载的步骤，而第一发电机继而临时增加其电力输出，以供应整个系统负载。之后，两个发电机都连接到总线上，并分担供应全飞机负载的责任。

飞机的电气构架通常由多个网络组成，每个网络都由相应的发电机供给，并且负载根据需要从一个网络切换到另一个网络，以保持均匀的供电并管理发电机故障或飞行中发动机停机等。因此，所述构架能够适应电源之间的切换，并且从而可以类似地适应第一发电机41a恢复与第二发电机41b卸下之间的（短）时段，在此时段期间，两个发电机可以彼此异相地操作。

通过认识到发电机通常可以承受几秒钟的严重过载（在本实例中为100%），其实质上大于改变齿轮所需的大约200 ms的时间，发电机系统避免了具有两个全额定发电机的重量上的弊端。特别是，短时间的齿轮切换可以有效地消除发电机中的热瞬变。因此，发电机41a、41b的尺寸可定为满足正常操作所需的发电机能力（即，在本实例中，尺寸定为满足总负荷的仅50%），并且然后如上述的在两个阶段中齿轮切换，而不会中断飞机的电力输送。图3示意性地示出了这种两级齿轮切换的发电机负载与时间的曲线图，并假设总负载为200kW。图4示意性地示出了输入轴31和发电机41a、41b在齿轮从低齿轮比33c改变为中齿轮比33b，且最终到高齿轮比33a期间转速和输出频率与时间的曲线图。

为了能够使两个发电机41a、41b在每次齿轮改变之前和之后都能彼此同相地操作，使得它们可以连接到同一飞机总线上，可提供机构，以对于每个齿轮切换布置的不同齿轮比33a至33c，在每个发电机与输入轴31之间施加预定的角度关系。例如，所述机构可为基于用于每个齿轮切换布置的每个齿轮比的相应组的犬齿(dog teeth)。如果犬齿位于输出轴上，通过确保每个发电机的发电机极数是犬齿组中犬齿数量的整数倍，当两个发电机以相同的速度被驱动时，两个发电机可以保持同相，并且因此可以在一个机身电气总线上分担电力负载。如果犬齿位于输入轴上，则通过确保每组犬齿的数量乘以相应的齿轮比是每个发电机的发电机极数的整数因子，可以实现类似的结果。附加地或替代地，为了更好地避免传动系统冲击，齿轮切换布置可以具有同步啮合或其他速度匹配系统，以在改变齿轮比时匹配齿轮速度。

总的来说，上述发电机系统允许从燃气涡轮的低压转子中提取动力，从而实现更高负载和更高效的核心发动机。它还能够从这个转子生成，而没有其他可以用在其位置上的可变速度驱动系统中固有的热损耗。例如，IDG的效率为80-90%，并且连续可变变速器（CVT）的效率为90-95%，而机械齿轮（如上述发电机系统中使用的那些）的效率可以大于99%。因此，尺寸估计表明，发电机系统可以制造得比基于加上CVT的或在IDG上的单个发电机的同等额定系统轻得多，并且不再有对牵引流体、温度限制等的随之而产生的需求。此外，发电机系统可以实现这些效能，而不会有传动系统的粗糙感(harshness)和动力中断，这是具有在齿轮切换期间不能卸下的单个发电机的系统中固有的。

发电机系统的另一个优点是，齿轮切换布置允许在发生内部故障的情况下使特定的发电机断开连接。相比于绕线磁场发电机，这有助于永磁发电机的应用，永磁发电机具有期望的重量和性能特征，但受累于成问题的故障情况。在有故障的永磁发电机断开连接时，剩余的发电机可以暂时过载，同时飞机的电力需求降低到可维持水平（不需要剩余的发电机的进一步齿轮切换），但如有必要，两个发电机都可以断开连接。

避免传动系统冲击的另一个选项是，当发电机与负载断开连接时，向发电机输入电力或从发电机提取电力，以使其速度与输入速度相匹配。当发电机具有大的惯性时，例如，它是启动发电机或其他电机发电机时，这可能是特别有价值的方法。电力电子设备、变频控制或类似设备可以用于控制电力的输入或提取。

尽管关于图2至图4的上述发电机41a、41b的尺寸相同，但有可能的是发电机具有不同尺寸。

尽管上述发电机系统具有两个发电机，但所述系统可以具有两个以上的发电机。例如，三个发电机或更多以允许在一个发电机发生故障的情况下保持齿轮切换能力。三个发电机系统的发电机的尺寸可定为使得每个发电机提供1/3负载，或者三个发电机中每个的尺寸可定为提供1/2负载，以实现完全冗余。

尽管以上描述是关于航空燃气涡轮发动机的，但发电机系统的其他潜在用途是船用和工业用燃气涡轮发动机。事实上，更通常地，发电机系统可以给宽输入速度范围的容限很重要的情况（例如，在风力或潮汐涡轮机中）带来好处。

虽然已经结合上述示例性实施例描述了本发明，但在给出本公开时本领域技术人员将清楚许多等效的修改和变化。因此，上述发明的示例性实施例被认为是说明性的而非限制性的。此外，在确定保护范围时，应适当考虑等同于权利要求中限定的元素的任何元素。在不脱离本发明范围的情况下，可以对所描述的实施例做出各种修改。

Claims

1.一种电力发电机系统，具有：

用于接收旋转输入驱动的输入轴；

多个输出轴，所述多个输出轴通过相应的齿轮切换布置连接到所述输入轴，从而提供所述输入轴与各个输出轴之间的不同的齿轮比；以及

通过相应的输出轴旋转提供动力的多个发电机，所述发电机的电力输出被组合，以向负载供应总电力；

其中，所述输入轴在旋转频率范围内操作，并且所述齿轮切换布置配置为切换所述输入轴与所述输出轴之间齿轮比，使得所述输出轴在较窄的旋转频率范围内操作；

所述系统进一步具有控制器，所述控制器配置为控制所述齿轮切换布置，所述控制器在所述输出轴的旋转频率达到所述较窄的旋转频率范围的界限时通过依次执行以下步骤来改变所述输出轴的齿轮比：

（i）使选择的一个所述发电机与所述负载的断开连接，使得其余连接的发电机增加其电力输出，以继续向所述负载供应总电力，

（ii）改变所述输入轴与所述断开连接的选择的发电机的输出轴之间的齿轮比，使得所述选择的发电机的输出轴的旋转频率远离频率界限，以保持在所述较窄的旋转频率范围内，

（iii）将所述选择的发电机重新连接到所述负载，并且

（iv）依次对各个其他发电机重复步骤（i）至（iii），直到所述多个发电机的齿轮比被改变。

2.根据权利要求1所述的电力发电机系统，其特征在于，所述电力发电机系统具有两个输出轴和两个相应的发电机，或三个输出轴和三个相应的发电机。

3.根据权利要求2所述的电力发电机系统，其特征在于，各个齿轮切换布置配置为提供所述输入轴与相应的输出轴之间的两个或三个不同的齿轮比。

4.根据权利要求1所述的电力发电机系统，其特征在于，所述齿轮切换布置包括机构，以在各发电机与输入轴之间施加预定的角度关系，用于与各个齿轮切换布置相关的不同齿轮比，从而使所述发电机在所述输出轴的齿轮比的任何改变之前和之后都彼此同相地操作。

5.根据权利要求4所述的电力发电机系统，其特征在于，所述机构包括用于各个齿轮切换布置的不同齿轮比的相应组的犬齿。

6.根据权利要求1所述的电力发电机系统，其特征在于，所述齿轮切换布置具有速度匹配系统，用于在改变齿轮比时匹配齿轮速度。

7.根据权利要求1所述的电力发电机系统，其特征在于，步骤（ii）包括将电力输入所述断开连接的选择的发电机中或从所述断开连接的选择的发电机提取电力，以匹配其输出轴的转速，从而与齿轮比的改变相符合。

8.根据权利要求1所述的电力发电机系统，其特征在于，所述发电机是永磁发电机。

9.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机具有根据权利要求1所述的电力发电机系统，所述输入轴可操作地连接到所述发动机的转子上，以接收旋转输入驱动。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机为涡轮风扇发动机，可操作地连接到所述输入轴的转子驱动所述发动机的推进风扇。

11.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述控制器是所述发动机的电子发动机控制器的一部分。

12.一种控制电力发电机系统的方法，所述电力发电机系统具有：

用于接收旋转输入驱动的输入轴；

其中，所述输入轴在旋转频率范围内操作，并且所述齿轮切换布置配置为切换所述输入轴与所述输出轴之间切换齿轮比，使得所述输出轴在较窄的旋转频率范围内操作；

所述方法包括依次执行以下步骤：

（i）当所述输出轴的旋转频率达到所述较窄的旋转频率范围的界限时，使选择的一个所述发电机与所述负载的断开连接，使得其余连接的发电机增加其电力输出，以继续向所述负载供应总电力，

（iii）将所述选择的发电机重新连接到所述负载，并且

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤（ii）包括将电力输入所述断开连接的选择的发电机中或从所述断开连接的选择的发电机提取电力，以匹配其输出轴的转速，从而与齿轮比的改变相符合。