CN110475946A - 燃气涡轮发动机转动系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机(10)包括压缩机区段，涡轮区段和附件齿轮箱(100)。用于燃气涡轮发动机的转动单元(200)包括输出组件(204)和电动机(202)，输出组件(204)构造成机械地联接到燃气涡轮发动机。电动机可操作以通过输出组件在燃气涡轮发动机的停机状态期间，以小于约五十转/分钟的转速旋转压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。

Description

燃气涡轮发动机转动系统
技术领域
本主题大体涉及用于燃气涡轮发动机的转动单元，以及使用该转动单元的方法。
背景技术
典型的飞行器推进系统包括一个或多个燃气涡轮发动机。对于某些推进系统，燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心通常以串行流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，从风扇向压缩机区段的入口提供空气，在压缩机区段中，一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气直到其到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段导向到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，然后被导向通过排气区段，例如到大气。
通常，涡轮区段内的至少一个涡轮通过可旋转的轴或线轴联接到压缩机区段内的压缩机。在燃气涡轮发动机的上述操作期间，由于其暴露至或接近燃烧气体，该线轴的温度可能相对升高。在操作燃气涡轮发动机之后，例如在燃气涡轮发动机的飞行操作之后，当燃烧气体不再流过涡轮区段以驱动涡轮时，线轴可能不再旋转。
然而，对于至少一些时间段，线轴可保持在相对升高的温度。在相对升高的温度下的空转(idle)线轴由于其相对升高的温度和至少部分地由线轴支撑的各种部件的重量而易于弯曲或其他塑性变形。因此，包括能够使弯曲或其他塑性变形的风险最小化的一个或多个特征的燃气涡轮发动机将是有用的。更具体地，包括能够使燃气涡轮发动机的飞行操作之后的弯曲或其他塑性变形的风险最小化的一个或多个特征的燃气涡轮发动机将是特别有益的。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实践本发明来学习。
在本公开的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的转动单元。燃气涡轮发动机包括压缩机区段，涡轮区段和附件齿轮箱。转动单元包括输出组件，该输出组件构造成机械地联接到燃气涡轮发动机。转动单元还包括电动机，该电动机可操作以通过输出组件在燃气涡轮发动机的停机状态期间，以小于约五十转/分钟的转速旋转压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。
在某些示例性方面，输出组件构造成连接到燃气涡轮发动机的附件齿轮箱。
另外，在某些示例性方面，转动单元还包括减速齿轮箱，其中输出组件可通过电动机越过减速齿轮箱旋转。例如，在这样的示例性方面，减速齿轮箱可具有至少约100：1的齿轮比。
此外，在某些示例性方面，转动单元还包括单向离合器，其中电动机通过单向离合器机械地连接到输出组件。例如，利用这样的示例性方面，转动单元还可包括用于润滑单向离合器的润滑油系统。
此外，在某些示例性方面，输出组件包括剪切颈部。
另外，在某些示例性方面，输出组件包括第一旋转构件和第二旋转构件，并且其中第一旋转构件和第二旋转构件一起形成单向离合器。例如，利用这样的示例性方面，第二旋转构件可构造成用于将转动单元联接到燃气涡轮发动机的附件齿轮箱。另外，利用这样的示例性方面，第二旋转构件可以限定开口，第一旋转构件可以包括延伸通过开口的延伸部，并且输出组件还可以包括弹簧构件，该弹簧构件附接到延伸部并将由第一旋转构件和第二旋转构件形成的单向离合器按压在一起。
此外，在某些示例性方面，电动机被构造为电连接到地面电源。
此外，在某些示例性方面，电动机产生小于五十瓦的最大功率。
在本公开的另一示例性方面，提供了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括压缩机区段和涡轮区段。燃气涡轮发动机还包括机械地联接到压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件的附件齿轮箱。燃气涡轮发动机还包括具有输出组件和电动机的转动单元，输出组件机械地联接到附件齿轮箱，并且电动机可操作以通过输出组件在燃气涡轮发动机的停机状态期间，以小于约五十转/分钟的转速旋转压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。
在本公开的示例性方面，提供了一种操作燃气涡轮发动机的方法。该方法包括在燃气涡轮发动机的飞行操作之后关闭燃气涡轮发动机。该方法还包括利用转动单元以小于约五十转/分钟的转速旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分。
在某些示例性方面，利用转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分包括确定转动单元内的扭矩。
例如，在某些示例性方面，确定转动单元内的扭矩包括感测来自转动单元的电动机的电流反馈，以及感测转动单元的电动机中或周围的温度。
此外，在某些示例性方面中，其中确定转动单元内的扭矩包括确定扭矩是低于预定最小阈值或是高于预定最大阈值，并且响应于确定扭矩是低于预定最小阈值或是高于预定最大阈值来停止利用转动单元的燃气涡轮发动机的旋转。
另外，在某些示例性方面，利用转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分包括使用地面电源为转动单元的电动机供电。
此外，在某些示例性方面，利用转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分包括利用转动单元通过燃气涡轮发动机的附件齿轮箱旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分。
此外，在某些示例性方面，该方法还包括启动燃气涡轮发动机以用于飞行操作，以及将转动单元的电动机与燃气涡轮发动机的附件齿轮箱被动地断开联接。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征，方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的各方面，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可实现的公开，包括其最佳模式，其参考附图，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。
图2是根据本公开的示例性实施例的附件齿轮箱和转动单元的示意图。
图3是图2的示例性转动单元的特写横截面视图。
图4是根据本公开的示例性实施例的图2的示例性转动单元的主单向离合器的轴向视图。
图5是根据本公开的示例性实施例的图2的示例性转动单元的润滑油系统的特写横截面视图。
图6是根据本公开的示例性实施例的图2的示例性转动单元的输出组件的立体图。
图7是图6的示例性输出组件的侧视横截面视图。
图8是根据本公开的示例性实施例的电动机和控制器的示意图。
图9是根据本公开的示例性方面的用于操作燃气涡轮发动机的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和说明书中的相同或相似的标记已用于指代本发明的相同或相似的部分。
如本文所用，术语“第一”，“第二”和“第三”可互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”，“一种”和“该”包括复数指代。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言用于修饰任何可允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(例如“约”，“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可能指的是在10％的范围内。这里和整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有说明。
如这里所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理设备”，“计算设备”和“控制器”)不仅限于本领域中称为计算机的那些集成电路，而是广泛地指一个或多个处理设备，包括微控制器，微计算机，可编程逻辑控制器(PLC)，专用集成电路和其他可编程电路中的一个或多个，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施例中，计算机或控制器可以另外包括存储器。存储器可以包括但不限于计算机可读介质(诸如随机存取存储器(RAM))，计算机可读非易失性介质(诸如闪存)。或者，也可以使用软盘，光盘-只读存储器(CD-ROM)，磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)。而且，在本文描述的实施例中，计算机或控制器可以包括一个或多个输入通道和/或一个或多个输出通道。输入通道可以是但不限于与操作员接口(诸如鼠标和键盘)相关联的计算机外围设备，或传感器(诸如与发动机(诸如燃气涡轮发动机)相关联的发动机传感器)，用于确定发动机的操作参数。此外，在示例性实施例中，输出通道可以包括但不限于操作员接口监视器。此外，存储器可以存储软件或其他指令，其在由控制器或处理器执行时允许控制器执行某些操作或功能，例如下面的方法300中描述的功能中的一个或多个。术语“软件”可以包括存储在存储器中或者可由存储器访问的任何计算机程序，用于由例如控制器，处理器，客户端和服务器执行。
现在参考附图，其中相同的数字在整个附图中表示相同的元件，图1是根据本发明的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面视图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机10，在此称为“涡轮风扇发动机10”。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A1(平行于提供用于参考的纵向中心线12延伸)，径向方向R1和周向方向C1(即，绕轴向方向A1延伸的方向)。通常，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所示的示例性核心涡轮发动机16通常包括基本上管状的外壳18，其限定环形入口20。外壳18以串行流动关系包围：压缩机区段，其包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，其包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；喷射排气喷嘴区段32。压缩机区段，燃烧区段26和涡轮区段一起至少部分地限定涡轮风扇发动机10的核心空气流动路径37。高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22。
对于所示的实施例，风扇区段14包括风扇38，风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40通常沿径向方向R1从盘42向外延伸。盘42由可旋转的前机舱48覆盖，该前机舱48在空气动力学上成形为促进通过多个风扇叶片40的气流。风扇叶片40和盘42一起可通过LP轴36绕纵向轴线12旋转。
如图所示，示例性涡轮风扇发动机10还包括附件齿轮箱45，附件齿轮箱45附接到燃气涡轮发动机并且机械地联接到燃气涡轮发动机的线轴。更具体地，附件齿轮箱45附接到涡轮风扇发动机10的核心涡轮发动机16，并且通过传动齿轮箱46和传动轴47机械地联接到涡轮风扇发动机10的LP线轴36。尽管未示出，但是电机(即，启动器马达/发电机)可以联接到附件齿轮箱45，用于例如启动涡轮风扇发动机10和/或一旦涡轮风扇发动机10运行就产生电力。然而，应该理解的是，在其他示例性实施例中，附件齿轮箱45可以替代地联接到燃气涡轮发动机的任何其他合适的区段，例如联接到所示的涡轮涡轮风扇发动机10的HP线轴34。
仍然参照图1的示例性实施例，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，其周向地围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。机舱50通过多个周向间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16被支撑。另外，机舱50的下游区段54在核心涡轮发动机16的外部分上延伸，以便在它们之间限定旁路气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，例如在涡轮风扇发动机10的飞行操作期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关入口60进入涡轮风扇10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，如箭头62所示的第一部分空气58被引导或导向到旁路气流通道56中，并且如箭头64所示的第二部分空气58被引导或导向到LP压缩机22中。第一部分空气62和第二部分空气64之间的比率通常称为旁通比。然后，当第二部分空气64被导向通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，第二部分空气64的压力增加，在燃烧区段26它与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被导向通过HP涡轮28，其中来自燃烧气体66的一部分热能和/或动能经由联接到外壳18的HP涡轮定子轮叶68和联接到HP轴或线轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级提取，因此使HP轴或线轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。然后燃烧气体66被导向通过LP涡轮30，其中经由联接到外壳18的LP涡轮定子轮叶72和联接到LP轴或线轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级从燃烧气体66中提取第二部分热能和动能，因此使LP轴或线轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
随后，燃烧气体66被导向通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32，以提供推进推力。同时，随着第一部分空气62在从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导向通过旁路气流通道56，第一部分空气62的压力显著增加，也提供推进推力。HP涡轮28，LP涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定热气路径78，用于将燃烧气体66导向通过核心涡轮发动机16。
然而，应当理解，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机10仅是示例性的，并且在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可以具有任何其他合适的构造。例如，在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可以构造为齿轮传动涡轮风扇发动机(即，包括减速齿轮箱)；可以不包括变距风扇叶片；可以包括任何其他合适数量的线轴，压缩机或涡轮；等等。另外，涡轮风扇发动机10可替代地构造为任何其他合适的航空燃气涡轮发动机，例如涡轮轴发动机，涡轮螺旋桨发动机，涡轮喷气发动机等。另外，涡轮风扇发动机10仍然可以替代地被构造为航改式燃气涡轮发动机(例如，用于航海应用)，工业燃气涡轮发动机或任何其他合适的燃气涡轮发动机。
现在参考图2，提供了根据本公开的示例性实施例的用于燃气涡轮发动机的示例性附件齿轮箱100的示意图。图2的附件齿轮箱100可以被构造为附接到图1的示例性涡轮风扇发动机10，类似于图1中所示的示例性附件齿轮箱45，或者可选地可以被构造为附接到任何其他合适的燃气涡轮发动机。
如图所示，示例性附件齿轮箱100通常包括围绕附件齿轮箱100的各种内部部件的外壳102。附件齿轮箱100可以在燃气涡轮发动机的外壳处(例如涡轮发动机10(参见图1)的壳18处或其内)附接到燃气涡轮发动机。附件齿轮箱100另外包括多个附件垫104，附件垫104邻近相应的多个附件齿轮106定位。每个附件齿轮106通过例如啮合齿108机械地彼此联接，以在多个附件齿轮106之间传递扭矩。另外，多个附件齿轮106中的每一个通过一个或多个支承件110在附件齿轮箱100的外壳102内被支撑。此外，对于所示的示例性实施例，每个附件齿轮106限定柱形开口112，其具有花键部分114，用于联接到相应的附件系统(未全示出)。例如，在燃气涡轮发动机的操作期间，附件系统可以附接到相应的附件垫104，并且可以包括延伸到附件齿轮箱100中的轴。附件系统的轴可以延伸通过相应的柱形开口112并且联接到相应的花键部分114，以便将附件系统机械地联接到相应的附件齿轮106。因此，附件齿轮106的旋转可相应地驱动相应的附件系统。附件系统可包括例如燃气涡轮发动机的润滑油系统等。
然而，应当理解，在其他示例性实施例中，附件齿轮箱100可包括附件垫104和附件齿轮106的任何其他合适的构造。另外，在其他示例性实施例中，多个附件齿轮106中的一个或多个可以以任何其他合适的方式联接到相应的附件系统。
特别参考图2的实施例，附件齿轮箱100可另外用于启动燃气涡轮发动机。例如，附件垫104和附件齿轮106中的至少一个是启动器齿轮106A和启动器垫104A。启动器马达/发电机116附接到启动器垫104A，并且通常包括驱动轴118，驱动轴118延伸通过附件齿轮箱100并通过花键连接120机械地联接到启动器齿轮106A。另外，启动器马达/发电机116的驱动轴118包括花键端122，其联接到传动齿轮箱46(以虚线描绘)。传动齿轮箱46又机械地联接到核心涡轮发动机16(参见例如图1)。
如将理解的，在至少某些示例性实施例中，在这种启动操作期间通过启动器马达/发电机116旋转的燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件可包括压缩机区段的压缩机和涡轮区段的涡轮，例如压缩机区段的LP压缩机22和涡轮区段的LP涡轮30。相反，一旦燃气涡轮发动机在其自身动力下操作，旋转动力可以从核心涡轮发动机16，通过传动齿轮箱46，通过驱动轴118，传递到达启动器齿轮106A，并因此传递到启动器马达/发电机116以及每个附加的附件齿轮106和附件系统。这种构造允许核心涡轮发动机16在燃气涡轮发动机的操作期间为各种附件系统提供动力。
在燃气涡轮发动机的飞行操作期间，核心涡轮发动机内的一个或多个部件的温度可以相对升高。例如，由于燃烧气体和大量空气压缩，LP轴36可处于相对升高的温度。因此，在飞行操作之后，在某些状况下，这些部件中的一个或多个可能易于“弯曲”或其他塑性变形。更具体地，这些部件中的一个或多个的重量与相对升高的温度相结合可以使部件变形。
为了防止或最小化燃气涡轮发动机内的一个或多个部件变形的风险，本公开包括转动单元200。如下面将更详细讨论的，转动单元200通常包括电动机202和输出组件204。在某些示例性实施例中，电动机202可以是例如三相电动机。另外，电动机202可以是相对小的电动机202，其构造成产生小于约50瓦的最大功率。例如，在某些示例性实施例中，电动机202可以构造成产生小于约40瓦(例如小于约30瓦，例如小于约20瓦)的最大功率。然而，应该理解的是，在其他示例性实施例中，电动机202可以替代地构造为气动或液压马达。
此外，输出组件204机械地联接到附件齿轮箱100，并且电动机202可操作，以通过输出组件204和附件齿轮箱100，在燃气涡轮发动机的停机状态(shut down condition)期间以相对低的转速旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。例如，在某些示例性方面，电动机202可以被构造成在燃气涡轮发动机的停机状态期间，以小于约50转/分钟，小于约25转/分钟，小于约10转/分钟，小于约5转/分钟，或小于约2转/分钟的转速旋转压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。应当理解，如本文所使用的，燃气涡轮发动机的“停机状态”是指燃气涡轮发动机的任何操作状态，在该任何操作状态中，部件(诸如压缩机或涡轮中的一个或多个)不是由于流过涡轮区段的燃烧气体而旋转。
此外，也如图2中所示，应当理解，对于所示实施例，转动单元200的电动机202被构造为电连接到地面电源206。如本文所用，“地面电源”是指燃气涡轮发动机以及燃气涡轮发动机附接或安装到其上的飞行器的外部的任何电源。因此，地面电源206可以指连接到电网，外部发电机或其他外部电源的电源。这样的构造可以允许转动单元200在燃气涡轮发动机的停机状态期间操作，其中燃气涡轮发动机不产生动力。值得注意的是，转动单元200的电动机202可以不直接连接到地面电源206，而是通过安装有燃气涡轮发动机的飞行器的电气系统连接到地面电源206(飞行器的电气系统连接到地面电源206)。然而，不管构造如何，可以认为转动单元200的电动机202连接到地面电源206。
然而，应当理解，在其他示例性实施例中，电动机202可以替代地被构造为电连接到任何其他电源，例如飞行器或燃气涡轮发动机内部的电源(例如，电力存储设备，诸如电池)。
现在参考图3，提供了根据本公开的示例性实施例的用于燃气涡轮发动机的转动单元200的横截面视图。在某些示例性实施例中，图3的转动单元200可以被构造为上面参考图2描述的转动单元200。因此，并且如图所示，图3的示例性转动单元200通常包括输出组件204和电动机202，输出组件204构造成机械地联接到燃气涡轮发动机，电动机202可操作，以通过输出组件204，在燃气涡轮发动机的停机状态期间以相对低的转速(在上面更全面地描述)旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。
如图所示，转动单元200包括外壳208，外壳208围绕转动单元200的各种部件中的至少一些并且将转动单元200联接到附件齿轮箱100。更具体地，转动单元200的外壳208联接到附件齿轮箱100的附件垫104，例如图2中所示的附件齿轮箱100的附件垫104中的一个或多个。
另外，外壳208围绕并包围电动机202。电动机202被构造为包括定子210和转子212的转轮内(in-runner)电动机，转子212可相对于定子210旋转并且定位在定子210的径向向内的位置处。然而，在其他示例性实施例中，电动机202可以替代地被构造为转轮外(out-runner)电动机，其中定子210替代地定位在转子212的径向内侧。如下面将更详细讨论的，对于所描绘的实施例，电动机202经由有线连接284可操作地连接到转动单元200的控制器282，并且还经由有线连接286进一步可操作地连接到电源，例如地面电源206。
仍参照图3，转子212附接到第一驱动轴并且可与第一驱动轴一起旋转，对于所示实施例，第一驱动轴是电动机驱动轴214。电动机驱动轴214通过多个支承件216在转动单元200的外壳208内被支撑。支承件216可以是滚珠支承件，辊支承件，圆锥辊支承件或任何其他合适类型的支承件中的一个或多个。
如还在图3的示例性实施例中所示，转动单元200另外包括减速齿轮箱218和主单向离合器220。第二轴222设置在外壳208内，从减速齿轮箱218延伸到主单向离合器220。主单向离合器220又连接到输出组件204。因此，如将理解的，输出组件204可通过电动机202越过减速齿轮箱218旋转，并且电动机202还通过主单向离合器220机械地连接到输出组件204。
特别参考减速齿轮箱218，减速齿轮箱218可具有任何合适的构造，用于降低第二轴222相对于电动机驱动轴214的转速。例如，在某些示例性实施例中，减速齿轮箱218可包括周转齿轮组，例如行星齿轮组。如将理解的，减速齿轮箱218因此允许电动机202以相对高的转速旋转，同时使第二轴222和燃气涡轮发动机的各个部件以相对低的转速转动。例如，在某些示例性实施例中，减速齿轮箱218具有至少约100：1的齿轮比(即，对于电动机驱动轴214的每100转，第二轴222旋转一转)。然而，在其他示例性实施例中，减速齿轮箱218可具有甚至更高的齿轮比。例如，在其他示例性实施例中，减速齿轮箱218可具有至少约150：1，至少约200：1，至少约250：1，至少约300：1，或至少约350：1的齿轮比。
另外，现在具体参见主单向离合器220，如上所述，第二轴222和电动机202通过主单向离合器220机械地连接到输出组件204。主单向离合器220被构造为被动单向离合器，因为当第二轴222相对于输出组件204在第一周向方向上旋转时它自动地传递旋转扭矩和动力，并且当第二轴222相对于输出组件204在第二周向方向(即，与第一周向方向相反的周向方向)上旋转时(例如当输出组件204比第二轴222旋转得更快时)它自动地防止旋转扭矩和动力的传递。
更具体地，对于所示的实施例，主单向离合器220构造为楔块式离合器(spragclutch)。简要地参考图4，提供了示例性主单向离合器220的示意性轴向视图。所示的示例性楔块式离合器包括定位在内座圈226和外座圈228之间的多个楔块224。内座圈226固定到第二轴222或与第二轴222一体形成，并且外座圈228联接到输出组件204。当内座圈226相对于外座圈228逆时针旋转时(至少对于所示实施例的视图)，多个楔块224基本上不提供对这种运动的阻力。相反，当内座圈226试图相对于外座圈228顺时针旋转时，多个楔块224围绕每个它们各自的旋转轴线225旋转并且将内座圈226锁定到外座圈228，使得在顺时针方向上不允许内座圈226到外座圈228的相对旋转。然而，应该理解的是，在其他实施例中，可以使用任何其他合适的主单向离合器220。
如将理解的，在转动单元200内包括主单向离合器220可以允许当燃气涡轮发动机处于停机操作状态时，电动机202旋转附件齿轮箱100的一个或多个附件齿轮106(并且又旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件)。另外，在转动单元200内包括主单向离合器220防止附件齿轮箱100的附件齿轮106的旋转通过转动单元200被传递回电机202，例如，在燃气涡轮发动机的飞行操作期间，其中附件齿轮箱100的这些部件比电动机202所希望的旋转快得多。因此，这种构造可以增加转动单元200的使用寿命。
仍然参考图3，现在还简要地参考图5，可以理解的是，转动单元200还包括用于润滑主单向离合器220的润滑油系统。图5提供了图3的转动单元200的主单向离合器220的特写横截面视图。如图所示，主单向离合器220通常包括前支承件230和后支承件232，前支承件230和后支承件232分别位于主单向离合器220的多个楔块224的前方和后方。对于所示的实施例，前支承件230和后支承件232中的每一个都构造为滚珠支承件。然而，在其他实施例中，可以提供任何其他合适的支承件构造。
另外，对于所描绘的实施例，润滑油系统包括限定在主单向离合器220的外座圈228内的润滑油输送腔234。还包括供应管线236，其通过静止到旋转的连接构件238向润滑油输送腔234提供润滑油。连接构件238是限定开口240的静止构件(即，相对于外座圈228静止)，开口240构造成与限定在外座圈228内的润滑油输送腔234对齐并在操作期间向其提供润滑油。供应管线236可以从燃气涡轮发动机的附件齿轮箱100内的润滑油喷射器(未示出)接收润滑油。另外，润滑油输送腔234在紧靠多个楔块224的径向外侧以及前支承件230和后支承件232之间限定出口242，使得在操作期间润滑油输送腔234可以向前支承件230，后支承件232和楔块224提供润滑油流245。
还如图所示，主单向离合器220的外座圈228进一步限定出口通道244，出口通道244构造成接收润滑油流245的至少一部分并将其排出到转动组件内的外腔246。外腔246又可以将这种润滑油流245提供给出口管线248，出口管线248可以将润滑油返回到附件齿轮箱100。包括根据本公开的润滑油系统可确保主单向离合器220的多个支承件(包括前支承件230和后支承件232)在操作期间被提供有期望量的润滑油。然而，应该理解的是，在其他示例性实施例中，可以提供任何其他合适的润滑油系统。
再次返回参照图3，现在也参照图6和图7，输出组件204构造成经由附件齿轮箱100将由电动机202(越过减速齿轮箱218和主单向离合器220)提供的旋转扭矩和动力转移到燃气涡轮发动机。图6提供了图3的示例性输出组件204的立体图，图7提供了图3的输出组件204的侧视横截面视图。示出的示例性输出组件204通常限定轴向方向A2，径向方向R2和周向方向C2。应当理解，所示的示例性输出组件204仅作为示例提供，并且在其他示例性实施例中，可以提供用于将转动单元200机械地联接到附件齿轮箱100的任何其他合适的输出组件或装置。
如图所示，示例性输出组件204通常包括第一旋转构件250和第二旋转构件252。第一旋转构件250包括花键端254，花键端254构造成与花键联接器256啮合，花键联接器256刚性地连接到主单向离合器220的外座圈228(参见图3)。因此，第一旋转构件250构造成将输出组件204机械地联接到主单向离合器220。类似地，第二旋转构件252包括花键区段258，花键区段258构造成与附件齿轮箱100的附件齿轮106的花键部分260联接。因此，第二旋转构件252构造成用于联接到附件齿轮箱100，并且更具体地用于将转动单元200联接到附件齿轮箱100。
如在图6中可以最清楚地看到的那样，输出组件204的第一旋转构件250和第二旋转构件252通过辅助单向离合器262联接并一起形成辅助单向离合器262。在某些示例性实施例中，辅助单向离合器262可作为转动单元200内的主单向离合器220的备用来操作。此外，对于所示的实施例，辅助单向离合器262构造为单向爪形离合器。更具体地，对于所示实施例，辅助单向离合器262由第一旋转构件250的多个齿264和第二旋转构件252的多个齿266形成。这些多个齿264,266中的每一个包括第一主动接合端268和第二被动端270。第一端268和第二端270沿输出组件204的周向方向C2定位在相应齿264,266的相对侧。第一主动接合端268各自基本上与输出组件204的轴向方向A2(即，与由轴向方向A2和径向方向R2限定的平面)对齐，使得第一旋转构件250上的齿264的第一端268可以将动力和扭矩传递到第二旋转构件252上的齿266的第一端268。相反，第二被动端270相对于输出组件204的轴向方向A2倾斜(即，与由轴向方向A2和径向方向R2限定的平面限定角度，例如大于约20度的角度)，使得第一旋转构件250上的齿264的第二端270可以不将任何大量的动力或扭矩传递到第二旋转构件252的齿266的第二端270。或者，更值得注意的是，第二旋转构件252上的齿266的第二端270可以不将任何大量的动力或扭矩传递到第一旋转构件250上的齿264的第二端270。
因此，包括根据本公开的一个或多个实施例的输出组件204可以允许输出组件204用作转动单元200内的主单向离合器220的备用。
仍参照图6和图7，可以理解，由第一旋转构件250和第二旋转构件252形成的辅助单向离合器262的操作至少部分地由于弹簧构件272而被容纳，对于所示的实施例，弹簧构件272联接(或更具体地，刚性联接)到第一旋转构件250。更具体地，对于所描绘的实施例，第二旋转构件252沿轴向方向A2在与辅助单向离合器262相对的远端276处限定开口274。另外，第一旋转构件250包括延伸部278，延伸部278大致沿轴向方向A2延伸并通过由第二旋转构件252限定的开口274。输出组件204的弹簧构件272在与第二旋转构件252的远端276间隔开的位置处附接到延伸部278。弹簧构件272延伸到第二旋转构件252，将第二旋转构件252朝向第一旋转构件250的辅助单向离合器262的齿264按压。更具体地，弹簧构件272将由第一旋转构件250和第二旋转构件252形成的辅助单向离合器262按压在一起。
值得注意的是，图3，图6和图7中描绘的示例性输出组件204还包括剪切颈部280，其在发生故障时提供剪切点。更具体地，对于所描绘的实施例，剪切颈部280限定在输出组件204的第一旋转构件250的延伸部278中，并且更具体地，还被构造为第一旋转构件250的延伸部278内的周向凹槽。因此，在例如转动单元200的主单向离合器220和/或输出组件204的辅助单向离合器262发生故障的情况下，输出组件204被构造为在剪切颈部280处剪切开，使转动单元200与附件齿轮箱100断开联接，并防止或最小化提供给转动单元200的其余部件的损坏量。
对于所描绘的实施例，转动单元200被构造成大致沿竖直方向取向，使得输出组件204的轴向方向A2也大致沿竖直方向取向(即，比水平更竖直)。因此，利用这样的构造，在输出组件204的剪切颈部280处的剪切的情况下，第二旋转构件252和第一旋转构件250的延伸部278的一部分可以凹入到附件齿轮箱100中，从而允许附件齿轮箱100和燃气涡轮发动机在不接合转动单元200的情况下操作，尽管转动单元200内发生故障。
大致返回参考图2和图3，应当理解，所示的示例性转动单元200还包括控制器282。控制器282可操作地连接到转动单元200的电动机202，并且还可操作地连接到电动机202的电源，例如地面电源206。对于所描绘的实施例，控制器282经由有线连接284可操作地连接到电动机202，并且类似地，地面电源206经由有线连接286电连接到电动机202。此外，对于所描绘的实施例，转动单元200包括位于电动机202中或周围的温度传感器288，用于确定电动机202(图3)中或周围的温度。对于所描绘的实施例，温度传感器288类似地经由有线连接290可操作地连接到控制器282。
如上所述，电动机202可操作以通过输出组件204，在燃气涡轮发动机的停机状态期间以相对低的转速旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的一个或多个部件。更具体地，对于所描绘的实施例，控制器282构造成操作电动机202，使得电动机202可以这种方式操作。在至少某些示例性方面，在燃气涡轮发动机的停机状态期间以相对低的转速旋转燃气涡轮发动机可以包括基本上连续地旋转燃气涡轮发动机至少预定的时间量(例如，至少约一小时，例如至少约两小时，例如至少约五小时)。预定的时间量与燃气涡轮发动机的某些部件充分冷却以减少变形可能性的预期时间量相关。附加地或替代地，在燃气涡轮发动机的停机状态期间以相对低的转速旋转燃气涡轮发动机可以包括以脉冲或图案化的方式旋转燃气涡轮发动机至少预定的时间量。例如，控制器282可以构造成操作转动单元200以使用某些时间间隔或模式旋转燃气涡轮发动机，包括例如：(a)开三十秒，关三十秒；(b)开两分钟，关两分钟；(c)开十秒，关五十秒；等等。
此外，对于所描绘的实施例，控制器282可以基于由电动机202通过转动单元200施加到附件齿轮箱100的扭矩来确定燃气涡轮发动机处于停机状态。例如，如果由电动机202施加的扭矩量低于预定的最小阈值，则控制器282还可以确定燃气涡轮发动机是正在操作并且比通过电动机202旋转更快地旋转，或者替代地存在故障。类似地，如果由电动机202施加的扭矩量高于预定的最大阈值，则控制器282还可以确定存在故障。然而，如果由电动机202施加的扭矩量高于预定最小阈值并且低于预定最大阈值，则控制器282可以确定转动单元200正根据需要操作，以在燃气涡轮发动机的停机状态期间以相对低的转速旋转燃气涡轮发动机。
简要地参考图8，提供图2和图3的示例性转动单元200的电动机202和控制器282的示意图，应当理解，对于所示的实施例，控制器282可以基于反馈电流来确定由电动机202通过转动单元200施加到附件齿轮箱100的扭矩。更具体地，对于所示的示例性实施例，电源206通过正电线292和负电线294连接到电动机202。提供电流传感器296，其可操作地连接到正电线292或负电线294中的一个，以在电动机202的操作期间确定来自电动机202的电流反馈。电流传感器296可操作地连接到控制器282，使得控制器282可以确定电流反馈。此外，由于电流可以基于电动机202中或周围的温度而变化，因此提供温度传感器288以确定这样的温度。温度传感器288还可操作地连接到控制器282，使得控制器282可以确定校正的电流。然后可以使用校正的电流来确定由电动机202通过转动单元200施加到附件齿轮箱100的扭矩。
在某些示例性实施例中，控制器282可以构造成操作电动机202并以预定间隔周期性地确定扭矩，以确定燃气涡轮发动机的停机状态。然而，在其他示例性实施例中，控制器282可以可操作地连接到例如燃气涡轮发动机的控制器(例如燃气涡轮发动机的FADEC)，或者包括燃气涡轮发动机的飞行器的控制器，并且可以从这种控制器接收命令或信号以确定燃气涡轮发动机在停机状态下操作。
另外，在某些示例性方面，转动单元200可以被构造为连续地或以周期性方式操作足够的时间量，以使发动机的某些部件冷却到某个阈值温度以下。例如，在某些示例性实施例中，转动单元200可以构造成操作至少约一小时，例如至少约四小时。更具体地，在某些示例性实施例中，转动单元200可以构造成操作一小时至约十小时之间，例如约三小时至约八小时之间的时间。
包括根据本公开的一个或多个示例性实施例的转动单元可以因此通过降低由于部件暴露的相对高温和被支撑部件的重量在飞行操作之后某些部件变形的可能性，来增加其所安装的燃气涡轮发动机的使用寿命。
值得注意的是，虽然转动单元200在本文中被描述为防止或最小化在飞行操作之后某些部件变形的可能性的设备，但在某些示例性实施例中，转动单元可以附加地或替代地通过其管道镜孔在燃气涡轮发动机的检查期间使用。利用这种构造，转动单元可以替代地永久地在附件齿轮箱上的任何适当位置(例如专用曲柄点)处安装在附件齿轮箱上。
现在参考图9，提供了用于操作燃气涡轮发动机的方法300的流程图。方法300可以在某些示例性方面中与上面参考图1至图8描述的示例性燃气涡轮发动机和/或转动单元中的一个或多个一起使用。因此，燃气涡轮发动机通常可包括压缩机区段，燃烧区段，涡轮区段，附件齿轮箱和转动单元。附件齿轮箱可以附接到燃气涡轮发动机的核心涡轮发动机。
该示例性方法通常包括在(302)处在燃气涡轮发动机的飞行操作之后关闭燃气涡轮发动机。在(302)处关闭燃气涡轮发动机通常可包括停止在燃气涡轮发动机的燃烧区段的燃烧室内产生燃烧气体的任何操作。通常，在包括燃气涡轮发动机的飞行器的飞行完成之后，在(302)处关闭燃气涡轮发动机。
另外，示例性方法300包括在(304)处利用转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分，例如以小于约五十转/分钟的转速。例如，在某些示例性方面，在(304)处利用转动单元旋转压缩机区段或涡轮区段的至少一部分可包括以小于约二十五转/分钟(例如小于约十转/分钟，例如小于约三转/分钟，例如小于约一转/分钟)的转速旋转压缩机区段或涡轮区段的至少一部分。附加地或替代地，在(304)处利用转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分可以包括利用转动单元以脉冲或图案化的方式旋转压缩机区段或涡轮区段的至少一部分。例如，在(304)处旋转可包括操作转动单元以使用以下模式中的一种或多种旋转压缩机区段或涡轮区段的至少一部分：(a)开三十秒，关三十秒；(b)开两分钟，关两分钟；(c)开十秒，关五十秒；等等。因此，在(304)处旋转发动机可能不必包括连续地旋转发动机。
此外，如还所示，对于所示的示例性方面，在(304)处利用发动机转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分包括在(306)处使用地面电源为转动单元的电动机供电。例如，在某些示例性方面，在(306)处使用地面电源为转动单元的电动机供电可以包括将转动单元的电动机电连接到远离燃气涡轮发动机和安装有燃气涡轮发动机的飞行器的电源，包括例如电网，发电机，远程电力存储设备等。
此外，对于所示的示例性方面，在(304)处利用发动机转动单元旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分包括在(308)处利用转动单元通过燃气涡轮发动机的附件齿轮箱旋转燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分。例如，在某些示例性实施例中，转动单元可以经由输出组件联接到齿轮箱的附件齿轮，使得旋转压缩机区段或涡轮区段的至少一部分包括利用发动机转动单元的输出组件旋转附件齿轮箱的附件齿轮。
此外，仍然对于所描绘的实施例，方法300还可以包括监控转动单元的一个或多个操作参数以控制转动单元的操作。更具体地，对于所示的示例性方面，在(304)处利用转动单元旋转压缩机区段或涡轮区段的至少一部分还包括在(310)处确定转动单元内的扭矩，或者更确切地，确定由电动机通过转动单元施加的扭矩。更具体地，在(310)处确定转动单元内的扭矩包括在(312)处感测来自转动单元的电动机的电流反馈，在(314)处感测转动单元的电动机中或周围的温度，并且在(316)处基于在(312)处感测的电流反馈和在(314)处感测的温度来确定由电动机施加的扭矩。
再次参考图9的方法300，应当理解，可以至少部分地基于在(310)处确定的扭矩来控制转动单元的操作。例如，如所描绘的，在(310)处确定扭矩还包括在(317)处确定扭矩是低于预定最小阈值或是高于预定最大阈值。当扭矩低于预定最小阈值时，可以确定燃气涡轮发动机已经开始操作(使得转动单元所附接的附件齿轮比转动单元的标称操作更快地旋转)，或者已经发生故障(例如，输出组件已在剪切颈部处剪切开)。类似地，当扭矩高于预定最大阈值时，可以类似地确定已经发生故障。
因此，对于图9中描绘的示例性方法300，在(310)处确定扭矩还包括在(318)处响应于在(317)处确定扭矩是低于预定的最小阈值或是高于预定的最大阈值来停止利用转动单元的燃气涡轮发动机的旋转。这样的步骤可以增加转动单元的使用寿命。
仍参照图9，示例性方法300还包括在(320)处启动燃气涡轮发动机以用于飞行操作，并且在(322)处将转动单元的电动机与燃气涡轮发动机被动地断开联接。在本公开的至少某些示例性方面中，可以通过在涡轮单元内包括单向离合器来实现在(322)处将转动单元的电动机与燃气涡轮发动机被动地断开联接。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域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结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的转动单元，所述燃气涡轮发动机包括压缩机区段，涡轮区段和附件齿轮箱，其特征在于，所述转动单元包括：
输出组件，所述输出组件构造成机械地联接到所述燃气涡轮发动机；和
电动机，所述电动机能够操作，以通过所述输出组件在所述燃气涡轮发动机的停机状态期间，以小于约五十转/分钟的转速旋转所述压缩机区段或所述涡轮区段的一个或多个部件。
2.根据权利要求1所述的转动单元，其特征在于，其中所述输出组件构造成连接到所述燃气涡轮发动机的所述附件齿轮箱。
3.根据权利要求1或2所述的转动单元，其特征在于，其中所述转动单元进一步包括减速齿轮箱，其中所述输出组件能够通过所述电动机越过所述减速齿轮箱旋转。
4.根据权利要求3所述的转动单元，其特征在于，其中所述减速齿轮箱具有至少约100：1的齿轮比。
5.根据前述权利要求中任一项所述的转动单元，其特征在于，其中所述转动单元进一步包括单向离合器，其中所述电动机通过所述单向离合器机械地连接到所述输出组件。
6.根据权利要求5所述的转动单元，其特征在于，其中所述转动单元进一步包括用于润滑所述单向离合器的润滑油系统。
7.根据前述权利要求中任一项所述的转动单元，其特征在于，其中所述输出组件包括剪切颈部。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转动单元，其特征在于，其中所述输出组件包括第一旋转构件和第二旋转构件，并且其中，所述第一旋转构件和所述第二旋转构件一起形成单向离合器。
9.根据权利要求8所述的转动单元，其特征在于，其中所述第二旋转构件构造成用于将所述转动单元联接到所述燃气涡轮发动机的所述附件齿轮箱。
10.根据权利要求8或9所述的转动单元，其特征在于，其中所述第二旋转构件限定开口，其中所述第一旋转构件包括延伸通过所述开口的延伸部，并且其中所述输出组件进一步包括弹簧构件，所述弹簧构件附接到所述延伸部并且将由所述第一旋转构件和所述第二旋转构件形成的所述单向离合器按压在一起。
11.根据前述权利要求中任一项所述的转动单元，其特征在于，其中所述电动机构造成电连接到地面电源。
12.根据前述权利要求中任一项所述的转动单元，其特征在于，其中所述电动机产生小于五十瓦的最大功率。
13.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：
压缩机区段和涡轮区段；
附件齿轮箱，所述附件齿轮箱机械地联接到所述压缩机区段或所述涡轮区段的一个或多个部件；和
转动单元，所述转动单元包括输出组件和电动机，所述输出组件机械地联接到所述附件齿轮箱，并且所述电动机能够操作，以通过所述输出组件在所述燃气涡轮发动机的停机状态期间，以小于约五十转/分钟的转速旋转所述压缩机区段或所述涡轮区段的所述一个或多个部件。
14.一种操作燃气涡轮发动机的方法，其特征在于，包括：
在所述燃气涡轮发动机的飞行操作之后关闭所述燃气涡轮发动机；和
利用转动单元以小于约五十转/分钟的转速旋转所述燃气涡轮发动机的压缩机区段或涡轮区段的至少一部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，其中利用所述转动单元旋转所述燃气涡轮发动机的所述压缩机区段或所述涡轮区段的至少一部分包括：
确定所述转动单元内的扭矩。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，其中确定所述转动单元内的所述扭矩包括：
感测来自所述转动单元的电动机的电流反馈；和
感测所述转动单元的所述电动机中或周围的温度。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，其中确定所述转动单元内的所述扭矩包括：
确定所述扭矩是低于预定最小阈值或是高于预定最大阈值；和
响应于确定所述扭矩是低于所述预定最小阈值或是高于所述预定最大阈值来停止利用所述转动单元的所述燃气涡轮发动机的旋转。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，其中利用所述转动单元旋转所述燃气涡轮发动机的所述压缩机区段或所述涡轮区段的至少一部分包括使用地面电源为所述转动单元的电动机供电。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，其中利用所述转动单元旋转所述燃气涡轮发动机的所述压缩机区段或所述涡轮区段的至少一部分包括利用所述转动单元通过所述燃气涡轮发动机的附件齿轮箱旋转所述燃气涡轮发动机的所述压缩机区段或所述涡轮区段的至少一部分。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括：
启动所述燃气涡轮发动机以用于飞行操作；和
将所述转动单元的电动机与所述燃气涡轮发动机的附件齿轮箱被动地断开联接。
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