CN111206991B - 带有叠加式齿轮箱的混合电力推进 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机，其包括核心发动机、风扇区段和包括太阳齿轮的叠加式齿轮箱。多个中间齿轮啮合到所述太阳齿轮并支撑在齿轮架中，并且环形齿轮围绕所述中间齿轮。所述核心发动机驱动所述太阳齿轮，并且来自所述叠加式齿轮箱的输出驱动所述风扇区段。电动马达耦合到所述叠加式齿轮箱的一部分，以通过所述叠加式齿轮箱提供一部分动力来驱动所述风扇区段。

Description

带有叠加式齿轮箱的混合电力推进

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括风扇区段、压缩机区段、燃烧室区段和涡轮区段。进入压缩机区段的空气经过压缩并被输送到燃烧区段，在燃烧区段中其与燃料混合并被点燃以产生高能排气流。高能排气流通过涡轮区段膨胀，以驱动压缩机和风扇区段。压缩机区段通常包括低压压缩机和高压压缩机，并且涡轮区段包括低压涡轮和高压涡轮。

燃气涡轮发动机的尺寸被设计成为起飞和爬升到巡航高度提供足够的推力。一旦进入巡航，就只需要一小部分的发动机推进能力。因此，燃气涡轮发动机操作的大部分在小于最大推进状态下发生。此外，虽然可以采用替代性电力推进系统，但是由电池向电动马达供电所提供的能量密度远小于燃料的能量密度，且因此电力推进系统对于大多数商用飞行器应用而言是不实用的。

涡轮发动机制造商继续探索进一步改善发动机性能，包括对热效率、传递效率和推进效率的改善。

发明内容

除其他可能的部件外，根据本公开的示例性实施方案的燃气涡轮发动机包括核心发动机、风扇区段和叠加式齿轮箱，所述叠加式齿轮箱包括太阳齿轮。多个中间齿轮啮合到太阳齿轮并支撑在齿轮架中，并且环形齿轮围绕中间齿轮。核心发动机驱动太阳齿轮，并且来自叠加式齿轮箱的输出驱动风扇区段。电动马达耦合到叠加式齿轮箱的一部分，以通过叠加式齿轮箱提供一部分动力来驱动风扇区段。

在前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，环形齿轮包括内齿轮齿，所述内齿轮齿啮合到中间齿轮；和外齿轮齿，所述外齿轮齿啮合到由电动马达驱动的驱动齿轮。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，驱动齿轮支撑在由电动马达驱动的驱动轴上，并且驱动轴是单独的并独立于驱动太阳齿轮的核心发动机轴。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，当电动马达未致动时，单向离合器自动将环形齿轮耦合到燃气涡轮发动机的静态结构上。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，单向离合器包括单向机械楔块离合器。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，风扇区段包括由叠加式齿轮箱的齿轮架驱动的轴。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，电动马达耦合到电池系统。核心发动机驱动发电机为电池系统充电。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，由核心发动机和电动马达产生的动力提供海平面起飞推力。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，核心发动机的最大推进能力小于海平面起飞推力。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，使电动马达停用，使得只有核心发动机在巡航运行条件下提供推力。

除其他可能的部件外，根据本公开的示例性实施方案的另一燃气涡轮发动机包括核心发动机，所述核心发动机包括压缩机区段，所述压缩机区段被构造成将压缩空气传送到燃烧室区段，所述燃烧室区段被构造成将压缩空气与燃料结合，并且点燃结合后的空气和燃料以产生用于驱动涡轮区段的高能气流。涡轮区段被构造成驱动沿发动机纵向轴线设置的涡轮轴。风扇区段被构造成产生推进推力。风扇区段包括轴和叠加式齿轮箱，所述叠加式齿轮箱包括太阳齿轮；多个中间齿轮，所述多个中间齿轮啮合到太阳齿轮并支撑在齿轮架中；和环形齿轮，所述环形齿轮围绕中间齿轮。涡轮轴被构造成驱动太阳齿轮，并且来自叠加式齿轮箱的输出被构造成驱动轴。电动马达耦合到叠加式齿轮箱的一部分，以通过叠加式齿轮箱提供辅助动力来驱动风扇区段。耦合装置被构造成当电动马达不驱动叠加式齿轮箱的一部分时，自动地将叠加式齿轮箱的所述部分耦合到静态结构。

在前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，环形齿轮包括内齿轮齿，所述内齿轮齿啮合到中间齿轮；和外齿轮齿，所述外齿轮齿啮合到由电动马达驱动的齿轮系。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，由电动马达驱动的驱动齿轮独立于涡轮轴，并且以不同于涡轮轴的速度来单独旋转。耦合装置包括单向机械楔块离合器。

在任一前述燃气涡轮发动机的另一实施方案中，通过由核心发动机和电动马达产生的动力提供海平面起飞推力。核心发动机的最大推进能力小于海平面起飞推力。

除其他可能的步骤外，根据本公开的示例性实施方案的操作燃气涡轮发动机的方法包括将核心发动机耦合到叠加式齿轮箱的第一部分，并且将电动马达耦合到叠加式齿轮箱的第二部分。风扇通过叠加式齿轮箱驱动，利用来自核心发动机和电动马达两者的动力来产生起飞推力。在巡航运行条件期间，仅利用来自核心发动机的动力通过叠加式齿轮箱来驱动风扇。

在操作燃气涡轮发动机的前述方法的另一实施方案中，叠加式齿轮箱的第一部分包括被啮合以驱动多个中间齿轮的太阳齿轮。第二部分包括围绕中间齿轮的环形齿轮。所述方法还包括响应于电动马达未驱动环形齿轮，将环形齿轮联接到燃气涡轮发动机的静态结构。

在操作燃气涡轮发动机的任一前述方法的另一实施方案中，响应于期望的发动机推力超过单独核心发动机的推力产生能力而致动电动马达以驱动环形齿轮，并提供补充动力。

在操作燃气涡轮发动机的任一前述方法的另一实施方案中，在巡航运行条件期间，利用核心发动机向电池系统充电以向电动马达提供动力。

虽然不同的示例具有图示中所示的特定部件，但是本发明的实施方案不限于那些特定组合。可以将示例中的一个的部件或特征中的一些与示例中的另一个的特征或部件组合使用。

本文所公开的这些和其他特征可通过下面的说明书和附图得到最好的理解，下面是附图的简要说明。

附图说明

图1A是示例性燃气涡轮发动机实施方案的示意图。

图1B是另一示例性燃气涡轮发动机实施方案的示意图。

图2是示例性混合推进系统的示意表示。

图3是示例性叠加式齿轮箱实施方案的示意图。

图4是混合推进系统的示例性操作循环的示意图示。

具体实施方式

图1A示意性地示出了燃气涡轮发动机20。在本文中，将燃气涡轮发动机20公开为双转子涡轮风扇发动机，其通常包括风扇区段22和核心发动机72。核心发动机72包括压缩机区段24、燃烧室区段26和涡轮区段28。风扇区段22沿发动机舱18内限定的旁通管道中的旁通流动路径B驱动空气，并且还沿核心流动路径C驱动空气，用于对空气进行压缩并输送到燃烧室区段26中，然后通过涡轮区段28使空气膨胀。虽然在所公开的非限制性实施方案中作为双转子涡轮风扇燃气涡轮发动机进行描述，但是应当理解，因为本教导可以应用于其他类型的发动机，包括三转子结构、涡轮风扇和涡轮螺旋桨发动机以及使用石油基燃料的其他飞行器推进系统，所以本文描述的概念不限于使用双转子涡轮风扇。

示例性发动机20通常包括低速转子30和高速转子32，所述低速转子30和高速转子32被安装成经由若干轴承系统38相对于发动机静态结构36围绕发动机中心纵向轴线A旋转。应当理解，可选地或另外地，可以在各个位置处设置各种轴承系统38，并且为了适应于具体应用，可以改变轴承系统38的位置。

低速转子30通常包括互连的内轴40、第一(或低压)压缩机44和第一(或低压)涡轮46。内轴40通过变速机构连接到风扇区段22来以低于低速转子30的速度驱动风扇叶片42，在示例性燃气涡轮发动机20中，所述变速机构被示出为齿轮传动架构48。高速转子32包括外轴50，所述外轴50将第二(或高压)压缩机52和第二(或高压)涡轮54互连。在示例性燃气涡轮20中，燃烧室56布置在高压压缩机52和高压涡轮54之间。发动机静态结构36的中间涡轮框架58通常可以布置在高压涡轮54和低压涡轮46之间。中间涡轮框架58还支撑涡轮区段28中的轴承系统38。内轴40和外轴50同心并经由轴承系统38围绕发动机中心纵向轴线A旋转，所述发动机中心纵向轴线A与它们的纵向轴线共线。

核心气流由低压压缩机44压缩，然后由高压压缩机52压缩，在燃烧室56中与燃料混合并燃烧，然后通过高压涡轮54和低压涡轮46膨胀。中间涡轮框架58包括位于核心气流路径C中的翼面60。涡轮46、54响应于膨胀而旋转地驱动各低速转子30和高速转子32。应当理解，可以改变风扇区段22、压缩机区段24、燃烧室区段26、涡轮区段28和齿轮传动架构48的位置中的每一者位置。例如，齿轮传动架构48可以位于低压压缩机44的后部，并且风扇叶片42可以位于齿轮传动架构48的位置的前部或后部，或者甚至位于涡轮区段28的后部。

在一个示例中，发动机20是高旁通齿轮传动飞行器发动机。在另外的示例中，发动机20的旁通比大于约六(6)，其中在示例性实施方案中大于约十(10)，齿轮传动架构48是诸如行星齿轮系或其他齿轮系的周转齿轮系，具有大于约2.3的齿轮减速比，并且低压涡轮46的压力比大于约五。在一个公开的实施方案中，发动机20的旁通比大于约十(10:1)，风扇直径显著大于低压压缩机44的风扇直径，并且低压涡轮46的压力比大于约五(5:1)。低压涡轮46的压力比是在低压涡轮46的入口前测量的压力与在排气喷管前的低压涡轮46的出口处压力的相关关系。齿轮传动架构48可以是周转齿轮系，例如行星齿轮系或其他齿轮系，其中齿轮减速比大于约2.3:1且小于约5:1。然而，应当理解，上述参数仅是齿轮传动架构发动机的一个实施方案的示例，并且本发明可应用于包括直接驱动涡轮风扇的其他燃气涡轮发动机。

由于高旁通比，旁通流B提供大量的推力。发动机20的风扇区段22被设计成用于特定的飞行条件——通常在约0.8马赫和约35000英尺(10668米)下巡航。在0.8马赫和35000英尺(10668米)的飞行条件下，发动机处于其最佳油耗状态——也称为“稳定巡航(bucketcruise)推力比油耗(‘TSFC’)”——为正燃烧的燃料(以lbm为单位)除以在该最小点发动机所产生的推力(以lbf为单位)的工业标准参数。“低风扇压力比”是指在没有风扇出口导叶(“FEGV”)系统的情况下，仅跨风扇叶片的压力比。根据一个非限制性实施方案，如本文公开的低风扇压力比小于约1.45。“低修正风扇叶端速度”是以英尺/秒为单位的实际风扇叶端速度除以[(Tram°R)/(518.7°R)]^0.5工业标准温度修正值。根据一个非限制性实施方案，本文公开的“低修正风扇叶端速度”小于约1150英尺/秒(350.5米/秒)。

示例性燃气涡轮发动机包括风扇区段22，在一个非限制性实施方案中，所述风扇区段22包括少于约26个风扇叶片42。在另一非限制性实施方案中，风扇区段22包括少于约20个风扇叶片42。此外，在一个所公开的实施方案中，在34处示意性地指示，低压涡轮46包括不超过约6个涡轮转子。在另一非限制性示例实施方案中，低压涡轮46包括约3个涡轮转子。风扇叶片42的数量和低压涡轮转子的数量之间的比在约3.3和约8.6之间。示例性低压涡轮46提供驱动力来旋转风扇区段22，且因此，低压涡轮46中的涡轮转子34的数量和风扇区段22中的叶片42的数量之间的关系公开了增加了动力传递效率的示例性燃气涡轮发动机20。

示例性发动机20包括通常在62处指示的混合推进系统，所述混合推进系统具有旋转驱动齿轮70的电动马达66，在高推力需求条件期间，所述电动马达66与核心发动机72结合驱动齿轮传动架构48的一部分。高推力需求条件包括起飞和着陆操作，其中最大推力用于增加高度和操纵飞行器。一旦飞行器达到巡航高度，所需推力的量则显著小于起飞期间所需的推力。因此，在巡航时，电动马达66停用，且核心发动机72通过齿轮传动架构48驱动风扇区段22。混合推进系统62利用来自电动马达66的动力补充由核心发动机72产生的动力，以使核心发动机72的尺寸和动力能力能够降低。在飞行器的高推力需求运行期间，电动马达66对来自核心发动机72的动力进行补充。

在图1A公开的示例性实施方案中，电动马达66通过平行于发动机轴线A的轴68对驱动齿轮70进行驱动。参考图1B，在20'处指示的另一发动机实施方案包括驱动轴66'，所述驱动轴66'横向于发动机轴线A设置，并且驱动与设置在齿轮驱动架构48上的从动齿轮相对应的锥驱动齿轮70'。此外，应当理解，虽然以不同的定向示出了示例性马达66、66'，但是电动马达66、66'相对于齿轮驱动架构48的其他位置和定向也处于本公开的预期和范围内。

参考图2和图3，并继续参考图1，齿轮传动架构48是叠加式齿轮箱，其具有耦合到由低压涡轮46驱动的内轴40的太阳齿轮74。太阳齿轮74啮合到由旋转齿轮架78支撑的多个中间齿轮76。环形齿轮80围绕中间齿轮76，并与驱动齿轮70啮合。环形齿轮80耦合到图2中示意性示出的环形齿轮轴88。环形齿轮轴88由轴承94支撑以与环形齿轮80一起旋转。

环形齿轮轴88包括啮合驱动齿轮70的齿轮齿的外齿轮齿82。内齿轮齿84啮合到中间齿轮76。环形齿轮轴88通过耦合装置选择性地耦合到发动机静态结构36。在一个公开的示例中，耦合装置是单向机械楔块离合器86。虽然作为示例公开了楔块离合器，但是其他单向离合器构造也在本公开的预期和范围内。离合器86允许驱动齿轮70旋转以旋转环形齿轮80。然而，当电动马达66不运行时，离合器86防止由中间齿轮76驱动环形齿轮80。示例性单向机械离合器86在没有外部致动器或控制器的情况下自动地防止电动马达66通过驱动齿轮70反向驱动。

电动马达66、驱动轴68和驱动齿轮70沿轴线16设置，所述轴线16与发动机纵向轴线A间隔开。由此，电动马达66可相对于内轴40单独和独立地旋转。此外，电动马达66、驱动轴68和驱动齿轮70可以不同于内轴40的速度旋转，以通过叠加式齿轮箱48来提供补充动力。

驱动齿轮70的尺寸被设计成以确定的速度驱动环形齿轮80，以提供产生期望量的推进推力所需的补充动力。因此，驱动齿轮70和环形齿轮80之间的传动比使电动马达66能够提供飞行器运行所需的风扇区段产生推进推力所需的补充输入动力。

电动马达66由在90处示意性地示出的电池系统中存储的电能提供动力。电池系统90可以包括任何已知的电力存储装置和系统。电池系统90被公开为耦合到由核心发动机72提供动力的发电机装置92。发电机装置92向电池系统90充电，以保持驱动电动马达66所需的电力水平。在最小推力要求运行条件下，发电机92可以持续地向电池系统90充电或被啮合以向电池系统90充电。在高推力需求条件期间，发电机92可被解耦，以使核心发动机72能够将所有动力都集中在产生推进推力上。在低推力需求运行条件期间，发电机92可以由核心发动机72提供动力，以向电池系统90充电。应当理解，也可以利用其他充电方案和装置，并且这些其他充电方案和装置也处于本公开的预期内。

在高推力需求条件下运行时，例如在起飞期间，电动马达66和核心发动机72两者都向叠加式齿轮箱48提供动力输入。核心发动机72通过内轴40驱动太阳齿轮74。太阳齿轮74继而驱动中间齿轮76，所述中间齿轮76旋转耦合到风扇轴46的齿轮架78。电动马达66驱动环形齿轮80以进一步驱动齿轮架78旋转，并且提供驱动风扇42所需的动力以产生所需的推进推力。

在低推力需求条件期间运行时，核心发动机72驱动太阳齿轮74，且因而驱动中间齿轮76和齿轮架78。齿轮架78驱动风扇轴64和风扇42。电动马达66停用并且离合器86啮合以防止环形齿轮80绕轴线A旋转。因此叠加式齿轮箱48仅由核心发动机72提供动力。核心发动机72可以驱动发电机92以向电池系统90充电，以保持高推力需求条件期间驱动电动马达所需的动力水平。

参考图4，继续参考图2和图3，在94处指示示出在所公开的飞行器运行循环中的推力需求的图。虑及时间98，推力96被示出用于不同的运行条件。最大推力要求位于100处指示的起飞和爬升运行条件期间。在高推力需求运行条件期间，电动马达66被致动并补充由核心发动机72提供的动力。电动马达66保持运行，直到推力需求下降，如本公开的示例所示在102处指示的巡航条件期间。在巡航条件102期间，核心发动机72单独运行以提供动力来产生所需推力。因为巡航条件102下的推力要求低于峰值推力条件，所以不需要电动马达66来补充动力。此外，所公开的核心发动机72的尺寸被设计成提供足以产生巡航条件102期间所需推力的动力。因此，减小了核心发动机72的尺寸和推进能力，使核心发动机72的尺寸和构造能够被设计成在巡航条件下更有效地运行。

如所理解的，在每个运行周期期间的大部分运行时间处于较低推力巡航运行条件。因此，核心发动机72的尺寸可以被设计成仅提供足以在巡航条件期间提供推力的动力。在较高推力需求条件期间，电动马达66被啮合以补充动力。

在着陆运行条件期间，电动马达66可被重新啮合以补充来自核心发动机72的动力。电动马达66可以改变输入到叠加式齿轮箱48的动力，以适应不同的推力需求。还应当理解，在其他运行时段期间，电动马达66可以响应于超过核心发动机72的动力能力的推力需求而被重新啮合。

因此，所公开的混合推进系统62能够减小核心发动机的尺寸，同时保持可用动力以适应高推力需求运行。

虽然已经公开了示例性实施方案，但是本领域普通技术人员将认识到，本公开不仅仅是实质性说明书，并且某些修改也将落入本公开的范围内。为此，应当研究所附权利要求来确定本公开的范围和内容。

Claims (12)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

核心发动机；

风扇区段；

叠加式齿轮箱，其包括太阳齿轮；多个中间齿轮，所述多个中间齿轮啮合到所述太阳齿轮并支撑在齿轮架中；和环形齿轮，所述环形齿轮围绕所述中间齿轮，所述核心发动机驱动所述太阳齿轮，并且来自所述叠加式齿轮箱的输出驱动所述风扇区段；以及

电动马达，其耦合到所述叠加式齿轮箱的一部分，以通过所述叠加式齿轮箱来提供一部分动力以驱动所述风扇区段；

单向离合器，所述单向离合器在所述电动马达未致动时自动地将所述环形齿轮耦合到所述燃气涡轮发动机的静态结构上，其中所述单向离合器包括单向机械楔块离合器；

其中所述环形齿轮包括内齿轮齿，所述内齿轮齿啮合到所述中间齿轮；和外齿轮齿，所述外齿轮齿啮合到由所述电动马达驱动的驱动齿轮。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述驱动齿轮支撑在由所述电动马达驱动的驱动轴上，并且所述驱动轴是单独的并独立于驱动所述太阳齿轮的核心发动机轴。

3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述风扇区段包括由所述叠加式齿轮箱的所述齿轮架驱动的轴。

4.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述电动马达耦合到电池系统，并且所述核心发动机驱动发电机来为所述电池系统充电。

5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中通过由所述核心发动机和所述电动马达产生的动力提供海平面起飞推力。

6.如权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中所述核心发动机的最大推进能力小于所述海平面起飞推力。

7.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中所述电动马达停用，使得仅所述核心发动机在巡航运行条件下提供推力。

8.一种燃气涡轮发动机，包括：

核心发动机，其包括压缩机区段，所述压缩机区段被构造成将压缩空气传送到燃烧室区段，所述燃烧室区段被构造成将所述压缩空气与燃料结合，并且点燃所结合的空气和燃料以产生用于驱动涡轮区段的高能气流，所述涡轮区段被构造成驱动沿发动机纵向轴线设置的涡轮轴；

风扇区段，其被构造成产生推进推力，所述风扇区段包括轴；

叠加式齿轮箱，其包括太阳齿轮；多个中间齿轮，所述多个中间齿轮啮合到所述太阳齿轮并支撑在齿轮架中；和环形齿轮，所述环形齿轮围绕所述中间齿轮，所述涡轮轴被构造成驱动所述太阳齿轮，并且来自所述叠加式齿轮箱的输出被构造成驱动所述轴；

电动马达，其耦合到所述叠加式齿轮箱的一部分，以通过所述叠加式齿轮箱提供辅助动力来驱动所述风扇区段；以及

耦合装置，其被构造成在所述电动马达不驱动所述叠加式齿轮箱的一部分时，自动地将所述叠加式齿轮箱的所述部分耦合到静态结构；

其中由所述电动马达驱动的驱动齿轮独立于所述涡轮轴，并且能够以不同于所述涡轮轴的速度单独旋转，并且所述耦合装置包括单向机械楔块离合器；

其中所述环形齿轮包括内齿轮齿，所述内齿轮齿啮合到所述中间齿轮；和外齿轮齿，所述外齿轮齿啮合到由所述电动马达驱动的齿轮系。

9.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其中通过由所述核心发动机和所述电动马达产生的动力提供海平面起飞推力，并且其中所述核心发动机的最大推进能力小于所述海平面起飞推力。

10.一种操作燃气涡轮发动机的方法，包括：

将核心发动机耦合到叠加式齿轮箱的第一部分；

将电动马达耦合到叠加式齿轮箱的第二部分；

利用来自所述核心发动机和所述电动马达两者的动力，通过所述叠加式齿轮箱驱动风扇，以产生起飞推力；以及

在巡航运行条件期间，仅利用来自所述核心发动机的动力，通过所述叠加式齿轮箱来驱动所述风扇；

其中所述叠加式齿轮箱的所述第一部分包括被啮合以驱动多个中间齿轮的太阳齿轮，并且所述第二部分包括围绕所述中间齿轮的环形齿轮，并且所述方法还包括响应于所述电动马达未驱动所述环形齿轮而将所述环形齿轮耦合到所述燃气涡轮发动机的静态结构，其中，所述燃气涡轮发动机还包括单向离合器，所述单向离合器被构造成在所述电动马达未致动时自动地将所述环形齿轮耦合到所述燃气涡轮发动机的静态结构上，其中所述单向离合器包括单向机械楔块离合器。

11.如权利要求10所述的方法，包括响应于期望的发动机推力超过单独核心发动机的推力产生能力而致动所述电动马达以驱动所述环形齿轮，并提供补充动力。

12.如权利要求11所述的方法，包括在所述巡航运行条件期间，利用所述核心发动机向电池系统充电以向所述电动马达提供动力。