CN114728704A - 用于直升机的推进系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于直升机的推进系统(1)，其包括具有联动涡轮的涡轮轴发动机(2)和能够作为电动马达操作的电机(3)，所述涡轮轴发动机(2)和所述电机(3)能够在旋转中驱动既定联接到旋转机翼(6)的至少一个主旋翼(5)，其特征在于，其包括用于在旋转中在所述电机(3)的旋翼(3a)和所述涡轮轴发动机(2)的旋翼(2a)之间联接和断开联接的构件(14)，所述联接和断开联接的构件(14)能够允许所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)在所述推进系统(1)的第一状态中借助于所述电机(3)在旋转中被驱动，且能够允许所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)和所述电机(3)的所述旋翼(3a)在所述推进系统(1)的第二状态中在旋转中被解除联接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于直升机的推进系统。
背景技术
直升机通常配备有主旋翼，所述主旋翼驱动旋转机翼以确保其提升和推进。还已知如何为直升机配备也称为抗扭矩旋翼(ATR)的尾旋翼，以抵消主旋翼施加在直升机机身上的扭矩。
为了使主旋翼以及(必要时)抗扭矩旋翼旋转，直升机配备有包括涡轮轴发动机的推进系统。涡轮轴发动机可以包括所谓的自由涡轮或所谓的联动涡轮。
在自由涡轮发动机的情况下，第一涡轮(被称为高压涡轮)驱动发动机的压缩机，而第二涡轮(被称为低压涡轮)连接到齿轮箱(也被称为主齿轮箱或MGB)。后者允许在将扭矩传输到直升机的主旋翼之前降低速度。自由涡轮发动机称为“双轴”发动机。
在联动涡轮发动机的情况下，所有压缩机或涡轮级附接到单个轴杆。这些马达称为“单轴”马达。整个发动机组合件通过此单轴直接连接到主齿轮箱。
尽管具有较复杂的结构，但是自由涡轮发动机能够在各种操作速度的范围内接近最佳效率操作。
相比之下，具有联动涡轮的涡轮轴发动机具有不太复杂的结构但仅一个最佳操作点。以不同于此最佳操作点的速度操作发动机会导致效率显著下降。
由于这些各种约束，当前在使用中的涡轮轴发动机是自由涡轮发动机。如上文指出，此些涡轮轴发动机具有复杂的架构，需要较大数目的零件且制造和维护的规模及成本较高。
还已知如何使用包括涡轮轴发动机和主电动马达的混合式推进系统。主电动马达的功能是在直升机操作的某些特定阶段期间提供额外扭矩，尤其是在起飞和着陆期间。涡轮轴发动机还与具有比功能是启动涡轮轴发动机的主电动机低的功率的辅助电动马达相关联。
本发明旨在降低此推进系统的复杂性、成本和规模。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于直升机的推进系统，其包括具有联动涡轮的涡轮轴发动机和能够作为电动马达操作的电机，所述涡轮轴发动机和所述电机能够在旋转中驱动既定联接到旋转机翼的至少一个主旋翼，所述推进系统的特征在于，其包括用于在旋转中在电机的旋翼和涡轮轴发动机的旋翼之间联接和断开联接的构件，所述联接和断开联接的构件能够允许涡轮轴发动机的旋翼在推进系统的第一状态中借助于电机在旋转中被驱动，且能够允许涡轮轴发动机的旋翼和电机的旋翼在推进系统的第二状态中在旋转中被解除联接。
允许主旋翼由涡轮轴发动机和/或电机驱动的混合式推进系统的使用使得有可能操作涡轮轴发动机，以便提供接近涡轮轴发动机的最佳操作点的最大连续功率，且作为电动马达操作电机以便在例如起飞或着陆阶段等瞬时操作阶段中向主旋翼递送额外功率。
电机还可经设定大小且用于在涡轮轴发动机故障或功能失常的情况下驱动主旋翼。电机因而提供冗余功能。
应注意，在具有联动涡轮的涡轮轴发动机中，所有压缩机或涡轮级附接到单个轴杆，从而形成涡轮轴发动机的输出轴杆。
此外，根据本发明的推进系统使得有可能使用电机启动涡轮轴发动机，而不需要如现有技术的情况中那样仅仅专用于启动功能的额外电机。此外，因为用于启动的电机具有高功率电平，所以启动所需的时间可显著缩短。
此外，联接和断开联接的构件允许涡轮轴发动机和电机的旋翼在旋转中解除联接，尤其是在涡轮轴发动机或电机发生故障的情况下，从而导致所述旋翼中的一个的抗扭矩或阻滞。
电机还可能够作为发电机操作。或者，电动马达和发电机的功能可以由两个单独的组件执行。
电机的旋翼和/或涡轮轴发动机的旋翼可经由减速器连接到主旋翼。
确切地说，减速器可由主齿轮箱的齿轮形成。
推进系统可包括抗扭矩旋翼，所述涡轮轴发动机和所述电机能够旋转所述抗扭矩旋翼。
推进系统可具有用于提升的两个同心旋翼，在此情况下不需要抗扭矩旋翼。
电机的旋翼和/或涡轮轴发动机的旋翼可经由减速器连接到主旋翼。
涡轮轴发动机和/或电机可能够驱动减速器，所述减速器能够驱动发电构件以将电力提供到直升机的电接收器。
辅助齿轮箱可能够驱动用于润滑推进系统的移动零件的油泵，以及用于将燃料供应到涡轮轴发动机的燃料泵。
电接收器可以是例如用于为直升机的驾驶舱或辅助功能供电的元件、用于为电池或电储存构件再充电的构件、用于使电机冷却的构件。
电机的旋翼可经由第一减速比率连接到主旋翼，涡轮轴发动机的旋翼经由第二减速比率连接到主旋翼，第一减速比率不同于第二减速比率。
减速比率是主旋翼的旋转速度和电机的旋翼或涡轮发动机的旋翼的旋转速度之间的比率。
电机的旋翼可经由第一减速比率连接到主旋翼，涡轮轴发动机的旋翼经由第二减速比率连接到主旋翼，第一减速比率与第二减速比率相同。
涡轮轴发动机和电机的旋翼的轴线可同轴或平行。
主旋翼的轴线可垂直或平行于涡轮轴发动机和电机的旋翼的轴线。
所述联接和断开联接的构件可以是无源的。
换句话说，联接和断开联接的构件不具有致动器以确保联接功能和断开联接功能之间的状态的改变，也不具有任何相关联的控制构件。
所述联接和断开联接的构件因此例如不由具有受控致动器的离合器形成。
这降低推进系统的复杂性且增加其可靠性。
所述联接和断开联接的构件可确保一种不可逆类型的断开联接，使得除例如维护操作者的干预外，不再可能实现断开联接之后的联接。
所述联接和断开联接的构件可包括第一移动部件和第二移动部件，其能够围绕轴线枢转且能够沿着所述轴线相对于彼此在所述部件的闭合位置和打开位置之间平移移动，所述部件包括能够在第一部件相对于第二部件的第一旋转方向上在旋转中联接所述部件的终点止动(end-stop)互补构件，所述部件还包括凸轮，所述凸轮能够致使第一部件相对于第二部件与趋向于使所述部件在平移中朝向其闭合位置返回的返回构件逆向地朝向其打开位置平移移位，所述联接和断开联接的构件还包括能够确保当第一部件相对于第二部件朝向其打开位置的平移移位超出阈值时停用返回构件的构件。
可例如通过返回构件的易碎部分来确保此停用，所述易碎部分的破裂在平移移位超出所述阈值时发生。
凸轮可由第一部件和第二部件上的互补倾斜表面形成。
所述联接和断开联接的构件可包括允许第一扭矩从第一轴杆传递到第二轴杆的第一自由轮，以及允许第二扭矩从第二轴杆传递到第一轴杆的第二自由轮，所述第二自由轮与可在第二扭矩超出阈值时断裂的易碎部件相关联。
第一轴杆可连接到涡轮轴发动机的旋翼和/或电机的旋翼。
第二轴杆可连接到主旋翼和/或抗扭矩旋翼。
抗扭矩旋翼由主旋翼驱动。
因此，在正常操作中，扭矩经由第一自由轮从涡轮轴发动机或电机传输到主旋翼或抗扭矩旋翼。在发生故障的情况下，涡轮轴发动机或电机的旋翼归因于功能失常乃至旋翼的阻滞而产生阻力扭矩，从而致使扭矩经由第二自由轮传递。如果此阻力扭矩过高，则易碎部件断裂，从而断开联接。
在又一变型中，联接和断开联接的构件仅包括易碎部件，其可能在经由所述易碎部件传输的扭矩超出阈值时断裂。
在又一变型中，联接和断开联接的构件包括卡爪系统，其由致动器控制使得卡爪系统可在旋转联接位置和断开联接位置之间移动。
涡轮轴发动机可提供总推进功率的50％和60％之间，其余部分由电机提供。
电机和涡轮轴发动机可由例如油等流体的回路经由电机和涡轮轴发动机共同的回路润滑和/或冷却。涡轮轴发动机即使在其发生故障的情况下也可润滑或冷却。
电机和/或涡轮轴发动机可沿着水平或竖直轴线延伸。
本发明还涉及一种具有上述类型的推进系统的直升机。
附图说明
[图1]是根据本发明的第一实施例的推进系统的示意图，
[图2]是根据本发明的第二实施例的推进系统的示意图，
[图3]是根据本发明的第二实施例的推进系统的示意图，
[图4]是根据本发明的第一实施例的联接和断开联接的构件的示意图，其中移动部件处于闭合位置，
[图5]是对应于图4的视图，其中移动部件处于打开位置，
[图6]是根据本发明的第二实施例的联接和断开联接的构件的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的用于直升机的推进系统1。此包括具有联动涡轮的涡轮轴发动机2，和能够作为电动马达操作的电机3。
涡轮轴发动机2和电机3能够经由主齿轮箱4、既定联接到旋翼6从而形成单个提升旋翼的主旋翼5，以及位于直升机机身后部的横梁的末端处的抗扭矩旋翼7旋转。
当然，本发明不限于此架构，且还可在两个同心旋翼确保提升的情况下使用，因而不再必须存在抗扭矩旋翼。
确切地说，电机3的旋翼3a经由由主齿轮箱的齿轮8形成的第一减速器连接到主旋翼5，所述第一减速器提供主旋翼5的转速和电机3的旋翼3a的转速之间第一速度比率。此外，涡轮轴发动机2的旋翼2a经由第二减速器连接到主旋翼5，所述第二减速器提供主旋翼5的速度和电机3的旋翼3a的速度之间的第二速度比率。第二减速器由主齿轮箱4的齿轮9和减速器13的齿轮系的齿轮10形成，所述齿轮系的齿轮位于涡轮轴发动机2的旋翼和与主齿轮箱4协作的中间驱动轴杆11之间。第一速度比率不同于第二速度比率。推进系统1还允许经由减速器13的齿轮10驱动至少一个附件12。
中间驱动轴杆11还用于驱动抗扭矩旋翼7。
联接和断开联接的构件14插入于涡轮轴发动机2的旋翼和减速器13的齿轮10之间。这些是无源的，即，其不具有致动器以确保联接功能和断开联接功能之间的状态的改变，也不具有任何相关联的控制构件。
如图4和5中所示出，联接和断开联接的构件14包括连接到减速器13的齿轮10的第一移动部件15，以及连接到涡轮轴发动机2的旋翼2a的第二移动部件16，其能够围绕所述旋翼2a的轴线枢转且能够相对于彼此沿着所述轴线在所述部件15、16的闭合位置(图4)和打开位置(图5)之间平移移动。部件15、16包括能够在第一部件相对于第二部件的第一旋转方向上在旋转中联接所述部件15、16的终点止动互补构件17，所述部件15、16还包括形成凸轮的互补倾斜表面18，所述凸轮能够致使第一部件15相对于第二部件16与趋向于使所述部件15、16在平移中朝向其闭合位置返回的返回构件19逆向地朝向其打开位置平移移位。
联接和断开联接的构件14还包含能够确保在第一部件15相对于第二部件16朝向其打开位置的平移移位超出阈值时停用返回构件19的构件。可例如通过返回构件的易碎部分来确保此停用，所述易碎部分的破裂在平移移位超出所述阈值时发生。
因此，在对应于图4的正常操作情况中，涡轮轴发动机2可旋转推进系统的其余部分，特定来说主旋翼5和防旋转旋翼。此实施例还允许启动扭矩从电机3经由部件15、16转移到涡轮轴发动机2。在此情况下，所传输的扭矩不足以沿着X轴移动第一和第二部件15、16使其充分隔开，因此未达到断裂点。
在涡轮轴发动机2发生故障的情况下，例如在涡轮轴发动机2的旋翼2a发生阻滞的情况下，旋翼2a施加高于前述阈值的高阻力扭矩，以便致使停用返回构件19且使部件15、16断开联接，因此使涡轮轴发动机2与推进系统1的其余部分隔离。
图6示出所述联接和断开联接的构件、允许第一扭矩从连接到涡轮轴发动机2的旋翼2a的第一轴杆传递到连接到推进系统的其余部分(例如，连接到减速器13)的第二轴杆的第一自由轮20，以及允许第二扭矩从第二轴杆传递到第一轴杆的第二自由轮21的另一实施例，所述第二自由轮21与可在第二扭矩超出阈值时断裂的易碎部件22相关联。
因此，在正常操作情况中，扭矩可经由第一自由轮20从涡轮轴发动机2传输到主旋翼5或抗扭矩旋翼7。在发生故障的情况下，涡轮轴发动机2的旋翼2a归因于功能失常乃至旋翼2a的阻滞而产生阻力扭矩，从而致使扭矩经由第二自由轮21传递。如果此阻力扭矩过高，则易碎部件22断裂，从而致使涡轮轴发动机2与推进系统1的其余部分断开联接。
应注意，自由轮21的末端处的减速比率被设定为确保在正常操作中自由轮21归因于输入和输出之间的旋转速度差而断开连接。
此实施例还允许启动扭矩从电机3经由部件15、21传递到涡轮轴发动机2。在此情况下，经传输以确保启动的扭矩不足以使易碎部件22断裂。
图2示出根据第二实施例的推进系统1，其不同于上文描述的推进系统之处在于，涡轮轴发动机2的旋翼2a和电机的旋翼3a连接到同一轴杆，或连接到两个同轴轴杆，所述两个同轴轴杆在旋转中与充当减速器且布置于与主变速箱4的壳体共同的壳体中的特定齿轮系13的相同齿轮23成一体式。此实施例减小推进系统1的规模和大小。然而，此设计要求涡轮轴发动机2的旋翼2a和电机3的旋翼3a具有基本上相同的操作速度，即相同的旋转速度。
并且，在此实施例中，附件12可附接到主齿轮箱壳体4且联接到齿轮系13的齿轮。此特征不依赖于所使用的实施方案的形式。
图3示出根据第三实施例的推进系统，其不同于先前参考图2所展示的推进系统之处在于，电机3的旋翼3a与涡轮轴发动机2的旋翼2a平行且偏移。电机3的旋翼3a经由充当减速器的特定齿轮系13的齿轮24连接到驱动轴杆11，涡轮轴发动机2的旋翼2a经由联接和断开联接的构件14以及齿轮系13的齿轮25连接到驱动轴杆11。
Claims (10)
1.一种用于直升机的推进系统(1)，其包括具有联动涡轮的涡轮轴发动机(2)和能够作为电动马达操作的电机(3)，所述涡轮轴发动机(2)和所述电机(3)能够在旋转中驱动既定联接到旋转机翼(6)的至少一个主旋翼(5)，其特征在于，其包括用于在旋转中在所述电机(3)的旋翼(3a)和所述涡轮轴发动机(2)的旋翼(2a)之间联接和断开联接的构件(14)，所述联接和断开联接的构件(14)能够允许所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)在所述推进系统(1)的第一状态中借助于所述电机(3)在旋转中被驱动，且能够允许所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)和所述电机(3)的所述旋翼(3a)在所述推进系统(1)的第二状态中在旋转中被解除联接。
2.根据权利要求1所述的推进系统(1)，其特征在于，所述电机(3)的所述旋翼(3a)和/或所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)经由减速器连接到所述主旋翼(5)。
3.根据权利要求1或2所述的推进系统(1)，其特征在于，其包括抗扭矩旋翼(7)，所述涡轮轴发动机(2)和所述电机(3)能够在旋转中驱动所述抗扭矩旋翼。
4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的推进系统(1)，其特征在于，所述涡轮轴发动机(2)和/或所述电机(3)能够驱动减速器(13)，所述减速器能够驱动用于为所述直升机的电接收器供电的发电构件。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的推进系统(1)，其特征在于，所述电机(3)的所述旋翼(3a)经由第一减速比率连接到所述主旋翼(5)，所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)经由第二减速比率连接到所述主旋翼(5)，所述第一减速比率不同于所述第二减速比率。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的推进系统(1)，其特征在于，所述电机(3)的所述旋翼(3a)经由第一减速比率连接到所述主旋翼(5)，所述涡轮轴发动机(2)的所述旋翼(2a)经由第二减速比率连接到所述主旋翼(5)，所述第一减速比率与所述第二减速比率相同。
7.根据权利要求1到6中任一项所述的推进系统(1)，其特征在于，所述联接和断开联接的构件(14)为无源的。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的推进系统(1)，其特征在于，所述联接和断开联接的构件(14)包括第一移动部件(15)和第二移动部件(16)，其能够围绕轴线枢转且能够沿着所述轴线相对于彼此在所述部件(15、16)的闭合位置和打开位置之间平移移动，所述部件(15、16)包括终点止动互补构件(17)，所述终点止动互补构件(17)能够在所述第一部件(15)相对于所述第二部件(16)的第一旋转方向上在旋转中联接所述部件(15、16)，所述部件(15、16)还包括凸轮(18)，所述凸轮能够致使所述第一部件(15)相对于所述第二部件(16)与趋向于使所述部件(15、16)朝向其闭合位置返回的返回构件(19)逆向地朝向其打开位置平移移位，所述联接和断开联接的构件(14)还包括能够确保当所述第一部件(15)相对于所述第二部件(16)朝向其打开位置的所述平移移位超出阈值时停用所述返回构件(19)的构件。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的推进系统(1)，其特征在于，所述联接和断开联接的构件(14)包括允许第一扭矩从第一轴杆传递到第二轴杆的第一自由轮(20)，以及允许第二扭矩从所述第二轴杆传递到所述第一轴杆的第二自由轮(21)，所述第二自由轮(21)与易碎部件(22)相关联，所述易碎部件(22)可在所述第二扭矩超出阈值时断裂。
10.一种直升机，其包括根据权利要求1到9中任一项所述的推进系统(1)。
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