CN112211732A

CN112211732A - 气体涡轮引擎发电机

Info

Publication number: CN112211732A
Application number: CN202010601456.9A
Authority: CN
Inventors: 乔纳森·P·布兰得利
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2021-01-12
Also published as: EP3763931A1; US20210010384A1; GB201910011D0; US11230942B2

Abstract

本发明提供了一种飞行器气体涡轮引擎(10)，所述飞行器气体涡轮引擎包括被布置成联接涡轮(17)和压缩机(13)的主引擎轴(22)，所述主引擎轴(22)限定轴向方向(9)。所述气体涡轮引擎(10)还包括联接到所述主引擎轴(22)的至少一个径向延伸的输出轴(27)以及联接到所述径向延伸的输出轴(22)的径向延伸的电机(25a,25b)。

Description

气体涡轮引擎发电机

技术领域

本公开涉及气体涡轮引擎的电机以及包括电机的气体涡轮。

背景技术

飞行器气体涡轮引擎为飞行器提供推进功率和电功率。因此，此类引擎包括用于提供电功率的电机，诸如发电机。还可提供被构造成驱动诸如油泵和燃料泵的流体泵的呈马达形式的另外的电机。

随着电功率需求的增加，以及电动马达越来越多地用于替代飞行器中的液压马达和气动马达，飞行器上的电机的尺寸相对于气体涡轮引擎的尺寸稳定地增加。因此，在有限的可用空间内封装此类机器变得越来越困难。

图1示出了用于气体涡轮引擎的电机的常规封装布置结构。气体涡轮引擎1包括主引擎压缩机轴2，该主引擎压缩机轴在引擎1操作时旋转。主引擎轴2经由第一组锥齿轮4联接到输出轴3。输出轴3继而通过第二组锥齿轮6联接到角驱动轴5。电机7联接到角驱动轴5。考虑到传动装置，这种布置结构是笨重、复杂且低效的。

还提出了另选的布置结构，包括诸如图2所示的所谓的“嵌入式发电机”。在嵌入式布置结构中，电机7A安装在气体涡轮引擎1A的压缩机8A的径向向内的环形空间内，并且由主引擎轴2A直接驱动。这种布置结构提供了有效的封装，但给维护带来了困难，并且要求电机在热环境中操作。

本发明寻求提供一种改进的封装布置结构。

发明内容

根据第一方面，提供了一种飞行器气体涡轮引擎，该飞行器气体涡轮引擎包括：

主引擎轴，所述主引擎轴被布置成联接涡轮和压缩机，所述主引擎轴限定轴向方向；

至少一个径向延伸的输出轴，所述至少一个径向延伸的输出轴联接到所述主引擎轴；和

径向延伸的电机，所述径向延伸的电机联接到所述径向延伸的输出轴。

发明人已经发现，通过将电机重新取向为径向取向并且将电机联接到输出轴，可提供一种布置结构，该布置结构是更轻、更紧凑和更有效中的至少一种。

电机可直接联接到径向延伸的输出轴。有利地，鉴于传动装置的减小，此类布置结构是紧凑且有效的。

另选地，电机可通过减速齿轮箱联接到径向延伸的输出轴。有利地，可使用高速输出轴，其可以相对低的扭矩传递高功率。另一方面，电机可相对缓慢地旋转，这可允许使用可具有高功率密度的大半径电机。

电机可包括被构造成提供原动力以在起动模式下起动气体涡轮引擎的电动马达，并且可包括被构造成当处于运行模式时生成电功率的发电机。

电机可包括轴向磁通电机，其中电机的定子相对于电机的转子轴向偏移。因此，电机对于给定功率可具有更小的轴向深度，这大大增加了该布置结构的封装效率。另选地，电机可包括径向磁通电机，其中电机的定子沿电机的转子径向向内或径向向外。

气体涡轮引擎可包括围绕主引擎轴周向排列的多个径向延伸的输出轴。每个径向延伸的输出轴可联接到相应的径向延伸的电机。因此，代替单个电机，提供了围绕引擎的圆周分布的若干电机。这提供了若干优点，包括进一步增加的封装以及增加的冗余，因为电机可在输出驱动轴或电机失效的情况下继续操作。

气体涡轮引擎可包括通过低压轴联接到低压涡轮的低压压缩机或风扇，并且输出轴可联接到低压轴。气体涡轮引擎可包括通过高压轴联接到高压涡轮的高压压缩机，并且输出轴可联接到高压轴。低压轴和高压轴可以是同轴的，并且低压轴可以设置成沿高压轴长度的至少一部分沿高压轴径向向内。

低压压缩机可定位在高压压缩机的轴向前方。

气体涡轮引擎可包括联接到主引擎轴的风扇。

一个或多个输出轴可在高压压缩机与低压压缩机之间的轴向空间处联接到主引擎轴。通常，至少在一些引擎设计中，引擎在该点处变窄然后再次变宽，这意味着发电机可设置在该区域内，使得引擎整体上为近似圆柱形。因此，提供了大大改进的封装。

电机可包括永磁电机。永磁电机具有高功率密度，因此能够进一步减轻重量，并提高封装效率。

本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，气体涡轮引擎可包括风扇减速齿轮箱，该风扇减速齿轮箱接收来自一个或多个主引擎轴的输入并且将驱动输出至风扇，以便以比主引擎轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自主引擎轴或者间接地来自主引擎轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。主引擎轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转（其中，风扇以更低的速度旋转）。

如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。

齿轮箱可被布置成由被构造成（例如在使用中）以最低旋转速度旋转的芯轴（例如上述示例中的第一芯轴）来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被构造成（例如在使用中）以最低旋转速度旋转的芯轴（例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴）来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是第一现有气体涡轮引擎的截面侧视图；

图2是第二现有气体涡轮引擎的截面侧视图；

图3是根据本公开的第一气体涡轮引擎的截面侧视图；

图4是从图3的气体涡轮引擎的正面和一侧观察的等轴视图；

图5a是图3的气体涡轮引擎的电机的截面侧视图；

图5b是图5a的电机沿线A-A的截面侧视图；

图6是用于图3的气体涡轮引擎的另选电机的截面侧视图；和

图7是根据本公开的第二气体涡轮引擎的截面侧视图。

具体实施方式

图3示出了具有主旋转轴线9的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇13，该推进式风扇生成两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括压缩机14、燃烧设备15、高压涡轮16、低压涡轮17和核心排气喷嘴18。短舱19围绕气体涡轮引擎10并限定旁路导管20和旁路排气喷嘴21。旁路气流B流动通过旁路导管50，该旁路导管由呈核心短舱24的形式的径向内壁界定。风扇13经由低压轴22附接到低压涡轮17并由该低压涡轮驱动。压缩机14通过高压轴13联接到高压涡轮16。高压轴22和低压轴23包括主引擎轴，也称为核心引擎轴，因为它们将扭矩直接从主引擎涡轮16、17传递到引擎10的其他部件。

在使用中，核心气流A被压缩机14加速和压缩，并被引导至燃烧设备15中，在该燃烧设备中核心气流A与燃料混合，并且该混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过喷嘴18排出之前通过高压涡轮16和低压涡轮17膨胀，从而驱动高压涡轮和低压涡轮以提供一些推进推力。高压涡轮16通过高压轴13驱动压缩机14。风扇13为高压、低旁路比率的多级风扇的形式。考虑到风扇13的高压力比率，风扇13可被视为另外的压缩机。

气体涡轮引擎包括电机布置结构，该电机布置结构被构造成产生电功率和/或提供原动力以起动引擎。电机布置结构包括至少一个并且在这种情况下四个电机25a-d（其中的两个电机在图3中示出，第三电机在图4中示出，并且第四电机25d未示出，但在第三电机25c的相反侧上），这些电机围绕风扇短舱19排列。

每个电机设置在大致位于风扇13和压缩机14之间的位置处。在该位置，短舱19的外部线路向内收缩，然后在下游轴向向外膨胀。因此，提供了其中可设置电机的空间31。如果电机可完全设置在该空间内，则引擎10的总宽度可减小到与旁路导管基本上相同，然后电机将代表最大的部分。因此，具有此类小引擎安装的飞行器可被制造得更符合空气动力学，并且因此更快、更节省燃料或航程更长。然而，该空间相对较小，因此提供一种其中电机完全或至少大部分被限制到该空间的安装布置结构是非常具有挑战性的。

每个电机限定轴线26。从图3可以看出，每个电机25a-d的轴线相对于引擎纵向轴线9为大致径向的，即每个电机25a、25b的轴线26大致垂直于引擎纵向轴线9。这通过将没有中间锥齿轮变速箱的相应电机安装到径向驱动轴27形式的输出轴（即不改变旋转轴线以使其与主引擎轴22、23平行）来实现。

每个径向驱动轴27经由锥齿轮布置结构28联接到低压轴22。锥齿轮布置结构28定位在设置在低压压缩机13和高压压缩机14之间的轴向空间51中，并且包括第一锥齿轮29，该第一锥齿轮与低压轴22一起旋转并且与第二锥齿轮30和第三锥齿轮31啮合，这些锥齿轮围绕径向驱动轴27的轴线旋转。第三电机和第四电机设置有第四锥齿轮和第五锥齿轮（未示出）。

因此，径向驱动轴27经由锥齿轮布置结构28由低压轴22驱动，其中电机25a、25b作为发电机操作，并且当电机25a、25b作为起动马达操作时，低压轴22由电机25a、25b驱动。

电机25a、25b可不直接由径向驱动轴27驱动，并且在该实施方案中，替代地由中间减速齿轮箱41a、41b联接，该中间减速齿轮箱设置在每个径向驱动轴27的径向外端处邻近相应的电机25a、25b。

图4示出了气体涡轮引擎10的前部的等轴视图。可以看出，鉴于电机25a、25b、25c的径向轴线和相对小尺寸的电机，电机布置结构可被装配在空间31内，使得引擎10的总直径减小。尽管如此，电机25a-d的总功率是相对较高的，部分原因是由多个径向驱动轴27实现的机器的多样性。电机的这种多样性还提供了冗余，使得在一个电机或径向驱动器27失效的情况下，另一个电机可继续操作。鉴于电机25a-d自身的架构，提供了额外增加的功率密度和改进的封装。

图5示出了用于气体涡轮引擎10的第一电机25a。每个电机25为永磁轴向磁通电机的形式。该机器包括机器转子32，该机器转子经由减速齿轮箱41a联接到径向驱动轴27。可以看出，减速齿轮箱是行星齿轮箱的形式，包括齿轮箱41a的太阳输入齿轮60。太阳齿轮60与多个行星齿轮62啮合，该多个行星齿轮继而与环形齿轮64啮合。环形齿轮保持静止，而行星齿轮安装到行星架66，该行星架被允许旋转并且继而安装到机器转子32，从而使机器转子32相对于径向驱动轴27以减小的速度旋转。

电机25a的转子32包括多个永磁体33，该多个永磁体附接到转子的轴向表面并且如图5b中所示布置。永磁体隔着气隙35面向定子34。每个定子包括多个电绕组（未示出），该多个电绕组可用电流通电以使该机器能够用作马达，或者将通过与转子33的旋转磁场相互作用而被通电以用作发电机。

可以看到，来自永磁体33和定子绕组的磁通量沿轴向方向（即平行于电机25a的旋转轴线26的方向）散发。因此，电机25a可被描述为轴向磁通电机。此类机器可具有高功率密度和短轴向长度，因为功率与机器的直径而不是轴向长度有关。因此，高功率电机可设置有径向主轴线27，同时总体上保持气体涡轮引擎10的小的总直径。已经发现，将减速齿轮箱结合在径向驱动轴和机器转子32之间对于轴向磁通机是特别有利的，因为轴向磁通机倾向于具有相对大直径的转子，因此这种布置结构导致较低的转子尖端速度，并且因此导致转子32上的较低应力。

图6a和图6b示出了可用于代替电机25a-d的另选电机125。机器125是永磁体、径向磁通电机的形式。该机器包括直接联接到径向驱动轴27的机器转子132。转子132包括多个永磁体133，该多个永磁体附接到转子的环形外表面并且如图6B中所示布置。永磁体133隔着气隙135面向定子134。每个定子135包括多个电绕组（未示出），该多个电绕组可用电流通电以使该机器能够用作马达，或者将通过与转子133的旋转磁场相互作用而被通电以用作发电机。

可以看到，来自永磁体133和定子绕组的磁通量沿径向方向（即垂直于电机125的旋转轴线126）散发。因此，电机125可被描述为径向磁通电机。此类机器可具有高功率密度和与同等的轴向磁通机相比相对长的轴向长度，因为功率与机器的轴向长度而不是直径有关。

图7示出了呈齿轮传动的、高旁路比率的气体涡轮引擎210的形式的另选气体涡轮引擎210。引擎210包括进气口212和推进式风扇213，该推进式风扇生成两股气流：核心气流A和旁路气流B。风扇213与风扇13的不同之处在于，仅提供了单个低压级。然而，与核心211相比，风扇具有大得多的直径，并且因此限定高旁路比率。气体涡轮引擎210包括接收核心气流A的核心211。该引擎核心211以轴流式串联包括低压压缩机214a、高压压缩机214b、燃烧设备215、高压涡轮216、低压涡轮217和核心排气喷嘴218。短舱219围绕气体涡轮引擎210并限定旁路导管250。旁路气流B流动通过旁路导管250，该旁路导管由核心短舱224形式的径向内壁界定。风扇213经由低压轴222和减速齿轮箱240附接到低压涡轮217并由该低压涡轮驱动。低压涡轮还驱动低压压缩机214a。高压压缩机214b通过高压轴223联接到高压涡轮216。轴222、223绕纵向轴线219旋转。

低压涡轮217驱动低压轴222，该低压轴联接到齿轮箱240的太阳轮、太阳齿轮252。太阳齿轮与多个行星齿轮253啮合，该多个行星齿轮继而与静止保持的环形齿轮254啮合。行星齿轮安装到行星架，该行星架继而安装到风扇213，从而使风扇与低压涡轮217相比以降低的速度旋转。

气体涡轮引擎210还包括电机布置结构，该电机布置结构被构造成产生电功率和/或提供原动力以起动引擎。电机布置结构类似于第一实施方案的布置结构，并且同样包括至少一个并且在这种情况下四个电机225a-d（其中的两个电机在图7中示出），这些电机布置结构在核心短舱224内沿由压缩机214a、214b限定的核心气体流动路径径向向外排列。电机225a-d同样直接联接到相应的径向驱动轴227，该径向驱动轴继而经由锥齿轮布置结构由低压轴222驱动。同样因此，电机可设置在气体涡轮引擎核心的直径内，而不增加核心的直径，从而提供具有高水平冗余的轻量、有效、致密的封装。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选构型。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外示例的方式，图7中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴，这意味着通过旁路导管的流具有其自己的喷嘴，该喷嘴与核心引擎喷嘴20分开，并径向地在该核心引擎喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，通过旁路导管的流和通过核心的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前（或上游）混合或组合。一个或两个喷嘴（无论是混合的还是分流的）可具有固定的或可变的面积。

虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子（其中风扇级未被短舱围绕）或例如涡轮螺旋桨引擎。

气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向方向（与旋转轴线9对准）、径向方向（在图1中从下到上的方向）和周向方向（垂直于图1视图中的页面）。轴向方向、径向方向和周向方向相互垂直。

可使用不同类型的电机。例如，可使用混合轴向/径向磁通机。永磁机可用感应机代替。这些机器可联接到高压轴，或者可在齿轮箱之后（即，在齿轮箱的输出侧，此处速度降低）联接到低压轴。这些机器可物理地定位在旁路短舱内，或者沿旁路和/或核心气体流动路径径向向内。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

例如，径向输出轴不必完全径向地延伸，即它们不必完全垂直于引擎纵向方向，前提是输出轴径向地延伸一定程度，即不平行于引擎纵向方向。例如，输出轴可朝轴向向前或向后方向稍微成角度，以便提供改进的封装。

电机可安装在不同的位置，并且可联接到不同的轴。例如，电机可联接到高压轴。在包括三个单独的卷轴的气体涡轮引擎中，电机可联接到低压轴、中压轴或高压轴中的任一者。

电机可以是不同类型的。例如，一个或多个机器可包括感应机。这些电机可设置在不同的位置，诸如在引擎核心内、沿核心气体流动路径径向向内或者可定位在引擎旁路短舱内。

Claims

1.一种飞行器气体涡轮引擎，所述飞行器气体涡轮引擎包括：

2.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述电机直接联接到所述径向延伸的输出轴。

3.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述电机通过减速齿轮箱联接到所述径向延伸的输出轴。

4.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述电机包括以下中的至少一者：电动马达，所述电动马达被构造成提供原动力以在起动模式下起动所述气体涡轮引擎；以及发电机，所述发电机被构造成当处于运行模式时生成电功率。

5.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述电机包括轴向磁通电机，其中所述电机的定子相对于所述电机的转子轴向偏移。

6.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述电机包括径向磁通电机，其中所述电机的定子沿所述电机的转子径向向内或径向向外。

7.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述气体涡轮引擎包括围绕所述主引擎轴周向排列的多个径向延伸的输出轴。

8.根据权利要求7所述的气体涡轮引擎，其中每个径向延伸的输出轴直接联接到相应的径向延伸的电机。

9.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述气体涡轮引擎包括通过低压轴联接到低压涡轮的低压压缩机或风扇，并且能够包括通过高压轴联接到高压涡轮的高压压缩机。

10.根据权利要求9所述的气体涡轮引擎，其中一个或多个输出轴联接到所述低压轴和所述高压轴中的一者。

11.根据权利要求10所述的气体涡轮引擎，其中一个或多个输出轴在所述高压压缩机与所述低压压缩机之间的轴向空间处联接到所述主引擎轴。

12.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述电机包括永磁电机。

13.根据权利要求1所述的气体涡轮引擎，其中所述气体涡轮引擎包括风扇减速齿轮箱，所述风扇减速齿轮箱接收来自一个或多个主引擎轴的输入并且将驱动输出至风扇，以便以比所述主引擎轴低的旋转速度驱动所述风扇。