CN116490682A - 包括与自由涡轮联接的可逆电机的自由涡轮式涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

公开了一种涡轮发电机(10)，特别地用于电驱动的旋翼飞行器，包括设置有第一轴(18)的燃气发生器(13)、至少一个可逆电机(11)和自由涡轮(12)，所述自由涡轮机设置有第二轴(17)，并且由燃气发生器(13)所产生的气流引起旋转。第二轴(17)在涡轮发电机(10)的所有运行阶段期间联接到至少一个电机(11)，并且涡轮发电机(10)还包括单个机械联接装置(20)，其用于在电机(11)以马达模式运行时将所述第一机械轴(18)联接到所述第二机械轴(17)，并且在电机(11)以发电机模式运行时将所述第一机械轴(18)从所述第二机械轴(17)机械地脱离联接。

Description

包括与自由涡轮联接的可逆电机的自由涡轮式涡轮发电机

技术领域

本发明涉及航空涡轮机的一般领域，更特别地，涉及自由涡轮式涡轮发电机的燃气发生器与自由涡轮之间的切换。

背景技术

用于直升机的自由涡轮式涡轮轴发动机通常地包括燃气发生器和由燃气发生器所产生的气流引起旋转的自由涡轮以及可逆电机，该可逆电机可以联接至燃气发生器，特别地以便在涡轮轴发动机的启动阶段期间旋转燃气发生器。

常规地，燃气发生器包括至少一个压气机和旋转地联接的涡轮。运行原理如下：进入涡轮轴发动机的新鲜空气在被送至燃烧室之前由于压气机的旋转而被压缩，在燃烧室中新鲜空气与燃料混合。然后，在燃烧期间燃烧的气体以高速排出。

然后，在燃气发生器的涡轮中存在第一膨胀，在此期间，燃气发生器获取用于驱动压气机所必需的能量。燃气发生器的涡轮不吸收燃烧气体的所有动能，并且过量动能对应于由燃气发生器所产生的气流。因此，这向自由涡轮提供动能，使得其在自由涡轮中产生第二膨胀，该第二膨胀将该动能转换成机械能，以便驱动接收构件，诸如直升机的转子。

在涡轮轴发动机的启动阶段期间，有必要使燃气发生器旋转，换言之，使联接至涡轮的压气机旋转。如前序部分所述，这正是可逆电机的作用之一，该可逆电机最经常是能够作为发电机可逆地运行的电动机。

如图1中所示的，图1示意性地示出了根据现有技术的自由涡轮式涡轮机，用于在马达运行中启动，电机1驱动燃气发生器3的机械轴2，直到通过燃料燃烧维持其转动。自由涡轮9的轴8从燃气发生器的轴2机械地脱离联接，电机1不驱动轴8。然后，自由涡轮机9由离开燃气发生器的气流唯一地驱动。由作为马达运行的电机1使压气机旋转确实可以使得空气在压气机4中循环，并且因此将压缩空气带入到燃烧室5中，以便启动燃烧。该燃烧然后产生用于旋转燃气涡轮3的涡轮6的气流，在此之后，压气机4被涡轮6直接地旋转，这意味着燃气发生器3自主地运行，反映了涡轮轴发动机的启动阶段的结束。

此外，对于如图1所示的自由涡轮式涡轮发电机，可以提供第二电机7，接合在自由涡轮9的轴8上的第二电机7使其能够满足高发电的需要。

已知的是，这种涡轮轴发动机特别地要结合在其中的飞行器包括许多需要被供电的电气部件。例如，对于具有电力推进的竖直起飞和着陆的飞行器，必须向装配飞行器的所有电转子供应电力。

在如图1所示的涡轮机上，设备或附件(如燃料泵和油泵)经由附件齿轮箱被机械地连接到燃气发生器3的轴2上。

一旦启动阶段终止，已知在发电机运行模式下使用电机1，如果它是可逆电机，以产生非推进电力(例如，28V电网)，以便向电气设施供电。电机1通过从燃气发生器3的轴2获取机械动力来产生电力，从燃气发生器获取的旋转的动能被所述电机转换成电能。

如果不需要发电，该电机1可以是不可逆的，并且包括简单的启动器，诸如启动器马达。

图2示出了作为时间和涡轮发电机的可能配置的函数，以实线示出了燃气发生器3的轴2的速度的演变，并且以虚线示出了自由涡轮9的轴8的速度的演变。可见，两个轴的速度的演变是独立的。还指示了与从启动阶段退出的时间对应的点。

对于具有自由涡轮和使用可逆电机的常规启动系统的涡轮轴发动机，从燃气发生器的轴获取机械动力被用于通过发电机运行模式下的可逆电机产生电力，会影响燃气发生器的性能。

实际上，在飞行期间，电机1和设备从燃气发生器所获取的机械动力的变化导致在压气机领域中发动机的工作线的移动。该移动对应于必须提供的泵送余量，这导致：

-通过禁止在最佳压力水平下使用压气机，不利于发动机工作线的优化；

-由此降低所稳定的性能，对单位消耗量产生影响。

通过这种配置，一种不从发电机轴获取机械动力以便发电的解决方案在于使用具有离合器释放系统的用于启动功能的电机，以及与自由涡轮轴整合的用于发电功能的另一个电机，如图1所示，这在重量和成本方面是不利的，并且在实践中很少使用。

在文献FR 2 929 324中披露了一种已知的结构，该结构允许启动自由涡轮式涡轮发电机，而不增加特定的启动器。与如图1中包括两个电机的涡轮机相比，这个技术方案使之可以减少总重量和成本，并且增加涡轮发电机的可靠性。在本文件中描述的技术方案包括使用两个自由轮的切换系统，其能够实现自由涡轮式涡轮轴发动机的燃气发生器的启动，然后通过从自由涡轮轴获取机械能来产生非推进的电力。设备保持经由燃气发生器和附件箱驱动。

该解决方案使得可以，特别地，通过避免从燃气发生器获取动能的缺点，以及特别地，避免由于在飞行期间由电机所获取的机械动力的变化而导致的在压气机领域中发动机的工作线的移动的问题，来改进燃气发生器的瞬态性能。

在直升机涡轮机的背景下，具有两个自由轮的这种结构是有利的，以便在启动阶段期间不经由电机驱动主转子。实际上，由于涡轮机的自由涡轮机械地连接至主转子，因此，自由涡轮的轴与主转子之间的在启动阶段期间不能脱离联接的联接件将需要使电机和能量存储系统过大尺寸，以便驱动每个部件旋转。

然而，这样的系统保持相对地重、昂贵且复杂。然而，它不适用于电驱动的旋翼飞行器的自由涡轮式涡轮发电机的情况，其中，自由涡轮机的轴排他地或基本上专用于通过从轴获取的机械动力的电机来供应电能。特别地，该现有技术系统不适用于自由涡轮的轴没有联接至相对高惯性的机构(诸如，例如飞行器的旋翼的转子)的情况。换言之，这种系统对于自由涡轮式涡轮发电机而言太重且复杂，其中自由涡轮轴系的惯性通常较低。

发明内容

为此目的，本发明提出了一种自由涡轮式涡轮机，该涡轮机驱动具有足够功率的一个或多个电机，装配有简化的切换系统，该切换系统能够优化重量、成本和可靠性。涡轮机产生的有用能量变得唯一地是电的，并且因此自由涡轮仅被机械地连接到一个或多个电机。

在本发明的目的中，公开了一种涡轮机，其包括：燃气发生器，该燃气发生器装配有第一机械轴；至少一个可逆电机；自由涡轮，该自由涡轮装配有第二机械轴，并且由燃气发生器所产生的气流引起旋转。

根据本发明的技术特征，所述第二机械轴在涡轮机的所有运行阶段期间被直接地机械地连接到所述至少一个电机，并且涡轮机进一步包括单个机械联接装置，该单个机械联接装置被配置成在第一配置中将第一机械轴机械地联接到第二机械轴，并且在第二配置中将第一机械轴与第二机械轴机械地脱离联接。该电机的大小被确定成用于在涡轮机的启动期间驱动燃气发生器和自由涡轮两者。

因此，根据本发明的涡轮机的结构使得可以仅具有单个机械联接装置，诸如自由轮，这使得可以简化切换系统，并且特别地，与已知的解决方案相比，以减少重量和成本，同时增加切换系统的可靠性。

在涡轮发电机型涡轮机的应用中，例如用于电驱动的旋翼飞行器的应用中，一个或多个电机的尺寸被确定为产生高水平的电力(用于推进能)，并且能够在启动阶段期间容易地输送用于驱动燃气发生器和自由涡轮所需的大扭矩。实际上，在这种应用中，自由涡轮轴系的惯性相对较低，因为其不联接到相对较高的惯性机构，例如直升机主转子。因此，该轴系的低惯性可以基本上对应于具有电机的转子的动力链。或者，自由涡轮轴可以联接到相对低惯性的机构，例如来自飞行器的旋翼的多转子组的转子，而翼组件还包括由涡轮发电机的至少一个发电机电驱动的至少一个转子。

通常，根据本发明的涡轮发电机型涡轮机的应用不会阻止自由涡轮机将机械能与电能并行地供应，此时该机械能与所产生的电能相比保持相对适度。

根据涡轮机的第一方面，涡轮机优选地可以进一步包括电机的控制单元，控制单元被配置成在涡轮机的启动期间将电机置于马达模式，并且当燃气发生器变得自主时，将电机置于发电机模式。

优选地，控制单元可以被配置成用于在第一机械轴的速度超过启动阶段输出速度阈值时，检测燃气发生器是自主的。

根据涡轮机的第二方面，机械联接装置可以包括自由轮，该自由轮被配置成使得第一机械轴在其从第二机械轴机械地脱离联接时，以大于第二机械轴的旋转速度的速度转动。

自由轮可以仅在一个方向上在两个轴之间传递动力。燃气发生器可以决不驱动自由涡轮机。

根据涡轮机的第三方面，涡轮机还可以包括具有与数量1不同的齿轮齿数比的至少一个中间小齿轮，所述至少一个中间小齿轮安装在自由轮与第二机械轴之间和/或安装在自由轮与第一机械轴之间。

这使得可以调节自由轮的端处的旋转速度，并且连接不一定以相同的旋转速度旋转的两个轴。

例如，通过技术考虑或通过为了驱动附件而需要获取动力来确定齿轮齿数比。但是也为了确保，在启动阶段之外，自由轮的输入速度，换言之，在联接至第二机械轴的自由轮的机械端上的输入速度总是小于自由轮的输出速度，换言之，在联接至第一机械轴的自由轮的机械端上的输出速度。这是在燃气发生器和自由涡轮的整个标称工作范围内，因此在启动阶段之外的情况。目标是确保自由涡轮的动力不能被传递到将产生联动的涡轮发动机的燃气发生器。

一个或多个中间小齿轮能够实现通过考虑齿轮齿数比的符号来改变齿轮齿数比，换言之，通过提供确保两个轴反向旋转的能力的可能性，同时确保结合了辅助功能。

在一个实施方式中，控制单元可以被配置为当由自由涡轮的轴在自由轮的输出上所施加的扭矩超过扭矩阈值时，检测燃气发生器是自主的。

在另一实施方式中，控制单元可以被配置为当自由轮的输入和输出开始以不同的速度旋转时，检测燃气发生器是自主的。

根据涡轮机的第三方面，涡轮机还可包括附件箱，设备的零件机械地联接至该附件箱。

因此，附件箱的小齿轮使得可以改变诸如燃料泵或油泵的附件的速度，该附件机械地联接至第一机械轴，换言之，联接至燃气发生器。

根据涡轮机的第四方面，在自由涡轮式涡轮机仅使用单个电机的情况下，电机可由自由涡轮的机械轴直接地驱动，并且优选地无需中间动力小齿轮。

优选地，电机可以具有等于或接近自由涡轮的标称旋转速度的标称旋转速度。

该构造使得可以在发动机关闭之后改善通风的效率，两个轴被同时驱动。

附图说明

图1已经描述的是根据现有技术的自由涡轮式涡轮机的简化示意图。

图2已经描述的是图1的涡轮机的燃气发生器的轴的速度以及自由涡轮的轴的速度作为时间和涡轮发电机的可能配置的函数的演变的图示。

图3是根据本发明的实施方式的自由涡轮式涡轮机的图。

图4是图3的涡轮机的电机、燃气发生器和自由涡轮机之间的机械联接装置的示意图。

图5是图3的涡轮机的燃气发生器的轴的速度以及自由涡轮的轴的速度作为时间和涡轮发电机的可能配置的函数的演变的图示。

具体实施方式

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的自由涡轮式涡轮机10。

涡轮机10包括电机11、自由涡轮12、燃气发生器13、附件齿轮箱14、燃料泵15和油泵16。

自由涡轮12包括永久地机械地连接到电机11的轴17，换言之，在涡轮机10的所有运行阶段期间，特别地启动阶段和发电阶段。电机11与轴17之间的这种机械连接可以直接进行，使得轴17和电机11的转子以相同的速度旋转。还可以通过减速齿轮间接地制造它，其方式为获得这两个构件之间的不同旋转速度，特别地在这两个构件的标称旋转速度被提供为不同的情况下。

附件箱14包括多个机械输出联接器，第一机械输出联接器机械地连接和联接到燃料泵15，并且第二机械输出联接器机械地连接和联接到油泵16。在其他实施方式中，其他附件可以机械地联接到附件箱14的其他机械输出联接器。

燃气发生器13包括轴18，该轴18永久地连接且机械地联接到附件箱14。

涡轮机10还包括单个机械联接装置20，该机械联接装置20被配置成在第一配置中将燃气发生器13的轴18机械地联接到自由涡轮12的轴17，并且在第二配置中将两个轴17和18机械地脱离联接。

如在图4中所示，机械联接装置20的可能的实施方式包括自由轮21以及安装在自由轮21与燃气发生器13的轴18之间的中间小齿轮22。自由轮21对应于机械联接装置20的机械元件，使得可以将自由涡轮12的轴17联接至燃气发生器13的轴18，或不联接至燃气发生器13的轴18。中间小齿轮22包括整体安装在同一小齿轮轴22C上的具有不同直径的两个轮22A和22B，以便具有不同于1的齿轮齿数比，并且因此具有不同于燃气发生器13的轴18的旋转速度的自由涡轮12的轴17的旋转速度。

在涡轮机构造成使自由涡轮12的轴17相对于燃气发生器13的轴18反向旋转的替代方案中，机械联接装置20将进一步包括在自由轮21与中间小齿轮22之间的传动级(诸如附加小齿轮)。

如图3所示，涡轮机10进一步包括电机11的控制单元30，该控制单元被配置成在涡轮机10的启动阶段期间将电机11置于马达模式，并且当燃气发生器13变得自主，并且因此不再需要由电机11驱动时，将电机11置于发电机模式。可以通过检测燃气发生器13的轴18的速度超过所谓的启动阶段输出速度阈值的时间来进行控制单元30对燃气发生器的自主性的检测。替代地，如果机械联接装置20包括自由轮，则可以通过测量自由涡轮的轴17在自由轮的输出上所施加的扭矩来进行控制单元30的这种检测，该自由轮的输出机械地连接到燃气发生器13的轴18。如果该扭矩被抵消或变得小于接近零的阈值，则这意味着电机11不再驱动燃气发生器13：其已变得自主。作为另一个替代方案，控制单元30的这种检测可以通过检测自由轮的输入和输出开始以不同的速度旋转的时间来执行。实际上，当燃气发生器13变得自主时，自由轮的输出不再以与输入相同的速度转动；该自由轮的输出开始更快地旋转。

联接装置20被机械地配置成在涡轮机10的启动期间，将电机11经由轴17和18机械地联接到自由涡轮12和燃气发生器13。实际上，自由轮21的输出处的旋转速度(轴18的旋转速度的图像)为零或等于自由轮21的输入速度(轴17的旋转速度的图像)，自由轮被连接，换言之，被机械地接合，并且允许扭矩在轴17与轴18之间传递。

此外，当燃气发生器13变得自主，并且达到启动阶段输出速度阈值(电机不再作为马达启动)时，联接装置20机械地配置为断开两个轴17和18的连接。实际上，电机11不再处于“马达”模式，它将由自由涡轮12驱动，这将在自由轮21的端部处引起速度差，导致其断开连接，换言之，导致其机械脱离接合。因此，电机11可以作为发电机运行，并且从自由涡轮12的轴17的旋转产生电力，该轴由自由涡轮机12的旋转运动驱动，该自由涡轮机自身由燃气发生器13输送的气流驱动。

可替代地，在对应于图3的图的设计中，有可能具有一种布置，其中，自由轮的机械输出端通过附件箱14被联接到第一机械轴(燃气发生器的轴18)。因此，可以将该机械输出端直接地联接到附件箱的齿轮系的小齿轮，燃气发生器的轴直接地联接到同一齿轮系的另一小齿轮，使得自由轮的输出与燃气发生器的轴之间的齿轮齿数比可以与数字1不同。

图5以实线示出了图3的燃气发生器13的轴2的速度，并且以虚线示出了图3的涡轮机10的自由涡轮12的轴17的速度，作为时间和涡轮发电机的可能配置的函数的演变。

通过比较图2的曲线图和图5的曲线图，可以看出根据本发明的涡轮机10的结构使得能够同时增加燃气发生器13和自由涡轮机12的速度，直到达到启动阶段输出阈值。在启动阶段之后，电机11的转速可以暂时地减少在自由涡轮机处可供使用的功率足以以恒定速度驱动组件(自由涡轮机和电机)的时间。

根据本发明的自由涡轮式涡轮机因此使之可以优化切换系统的重量、成本和可靠性，并且因此优化涡轮机的重量、成本和可靠性。

Claims (10)

1.一种自由涡轮式涡轮发电机类型的涡轮机(10)，特别地用于电驱动的旋翼飞行器或用于飞行器的电力需求，包括配备有第一轴(18)的燃气发生器(13)、至少一个可逆电机(11)和自由涡轮(12)，所述自由涡轮设置有第二机械轴(17)，并且由燃气发生器(13)所产生的气流引起旋转，

其特征在于，所述第二机械轴(17)在涡轮机(10)的所有运转阶段期间机械地连接至所述至少一个电机(11)，并且，

涡轮机(10)进一步包括单个机械联接装置(20)，该单个机械联接装置被配置成用于当电机(11)在马达模式下运行时，将所述第一机械轴(18)机械地联接到所述第二机械轴(17)，并且当电机(11)在发电机模式下运行时，将所述第一机械轴(18)从所述第二机械轴(17)机械地脱离联接，该电机(11)的大小被确定成在涡轮机(10)的启动期间，驱动气体发生器(13)和自由涡轮(12)。

2.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，进一步包括电机(11)的控制单元(30)，控制单元(30)被配置成在涡轮机(10)的启动期间将电机(11)置于马达模式，并且当气体发生器(13)变得自主时，将电机(11)置于发电机模式。

3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，控制单元(30)被配置成当第一机械轴(18)的速度超过启动阶段输出速度阈值时，检测气体发生器(13)是自主的。

4.根据权利要求1至3之一所述的涡轮机(10)，其中，机械联接装置(20)包括自由轮(21)，所述自由轮被配置成使得第一机械轴(18)在其从第二机械轴(17)机械地脱离联接时，以大于第二机械轴(17)的旋转速度的速度转动。

5.根据权利要求4所述的涡轮机(10)，进一步包括至少一个中间小齿轮(22)，所述中间小齿轮具有不同于数1的齿轮齿数比，所述至少一个中间小齿轮(22)被安装在自由轮(21)与第二机械轴(17)之间和/或被安装在自由轮(21)与第一机械轴(18)之间。

6.根据权利要求2和4的组合或权利要求2、4和5的组合的涡轮机，其中，控制单元(30)被配置成当由自由涡轮(12)的轴(17)在自由轮的输出上所施加的扭矩超过扭矩阈值时，检测燃气发生器(13)是自主的。

7.根据权利要求2和4的组合或权利要求2、4和5的组合的涡轮机，其中，控制单元(30)被配置成当自由轮(21)的输入和输出开始以不同的速度旋转时，检测燃气发生器(13)是自主的。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮机(10)，进一步包括附件箱(14)，所述附件箱机械地联接至第一机械轴(18)，并且设备(15，16)的零件机械地联接至所述附件箱。

9.根据权利要求8所述的涡轮机(10)，其中，涡轮机(10)包括单个电机(11)，由自由涡轮(12)的机械轴(17)直接地驱动所述电机(11)。

10.根据权利要求9所述的涡轮机(10)，其中，电机(11)具有等于或接近自由涡轮机(12)的标称旋转速度的标称旋转速度。