CN117605576A - 包括用于启动燃气涡轮发动机的电机的推进系统 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机包括：涡轮机，该涡轮机包括绕中心轴线旋转的低压(LP)线轴和高压(HP)线轴；电动马达，该电动马达机械地联接到LP线轴，用于选择性地旋转LP线轴；启动机组件，该启动机组件机械地联接到HP线轴，用于选择性地旋转HP线轴；和控制器，该控制器与电动马达和启动机组件可操作地通信，控制器被配置为在发动机启动期间操作电动马达以旋转LP线轴并操作启动机组件以旋转HP线轴。

Description

包括用于启动燃气涡轮发动机的电机的推进系统

优先权信息

本申请要求2022年8月22日提交的印度专利申请号202211047645的优先权。

技术领域

本申请大体上涉及包括电机的燃气涡轮发动机。

背景技术

燃气涡轮发动机用作各种应用的动力源，例如用于飞行器推进。燃气涡轮发动机具有许多不同的配置，但通常包括涡轮机和转子组件。在涡轮风扇发动机的情况下，转子组件可被配置为由涡轮机驱动的管道式风扇组件。在涡轮螺旋桨发动机的情况下，涡轮机可与旋转以产生推力的暴露的螺旋桨可操作地联接。

涡轮机有时被称为燃气涡轮或核心涡轮发动机，通常包括高速线轴和低速线轴。燃烧区段接收加压空气，该空气与燃料混合并在燃烧室内燃烧以产生燃烧气体。燃烧气体首先被提供到高速线轴的高速涡轮，驱动高速线轴，并且随后被提供到低速线轴的低速涡轮，驱动低速线轴。转子组件或涡轮螺旋桨发动机中的螺旋桨通常联接到低速线轴。

用于启动燃气涡轮发动机的改进的系统和机构将在本领域受到欢迎。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且使能的公开，包括其最佳模式。

图1提供了根据本主题的示例实施例的飞行器的示意性俯视平面图。

图2提供了根据本主题的示例实施例的图1的示例性飞行器的燃气涡轮发动机的侧视图。

图3提供了根据本主题的示例实施例的图2的示例性燃气涡轮发动机的立体剖视图。

图4提供了根据本主题的示例实施例的联接到电机的图2的示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图5提供了根据本主题的示例实施例的在具有电动马达的混合电力配置中启动燃气涡轮发动机的方法。

图6提供了根据本主题的示例实施例的在具有电动马达的混合电力配置中启动燃气涡轮发动机的方法。

图7提供了根据本主题的示例实施例的示例计算系统。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的当前实施例，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号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代本公开的相似或类似的部分。

本文使用的词语“示例性”意指“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或有利于其他实施方式。

如本文所使用的，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来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。

此外，如本文所使用的，术语“轴向”或“轴向地”指的是沿着发动机的纵向轴线的维度。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“前”是指朝向发动机入口的方向，或者与另一个部件相比相对更靠近发动机入口的部件。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“后”或“后面”是指朝向发动机喷嘴的方向，或者与另一个部件相比相对更靠近发动机喷嘴的部件。术语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线(或中心线)和发动机外圆周之间延伸的维度。径向向内是朝向纵向轴线，而径向向外是远离纵向轴线。

术语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流向的方向。

术语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征间接联接、固定或附接，除非本文另有规定。

除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。

在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则这样的范围被识别并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以独立地彼此组合。

在燃气涡轮发动机的启动期间，包括启动机马达的启动系统可用于将核心加速到预定速度，此后可实现足够的核心流和压力以开始点火并导致稳定的发动机操作。此时，启动系统可以脱离接合。然而，此启动过程可能需要几分钟，并且还可能存在可靠性问题。例如，在一些情况下，穿过涡轮机的气流可能不足以支持发动机操作。因此，燃气涡轮发动机可利用在启动期间使发动机的低压旋转的外部马达或马达/发电机，以实现更快且更可靠的启动。因此，具有用于改善发动机启动的一个或多个特征的燃气涡轮发动机将是有用的。更具体地说，具有一个或多个特征的燃气涡轮发动机在冷启动条件和重新点火情况下(例如，在飞行中停机之后)都能更快、更可靠地启动，将是特别有益和有用的。

本公开的主题大体上涉及一种用于推进系统的混合电力配置，该推进系统包括燃气涡轮发动机，例如涡轮螺旋桨发动机，该燃气涡轮发动机包括联接到发动机的低速线轴的电动马达，用于提供推进动力并在发动机正常启动或重新点火(例如，在飞行中停机的情况下)期间提供帮助。另外，混合配置可包括联接到发动机的高速线轴的附件齿轮箱和启动机马达和/或选择性地接合以互连低速线轴和高速线轴的离合器。以这种方式，混合配置可以减少发动机启动或重新点火期间线轴之间的惯性滞后。此外，发动机启动和重新点火可能更快且更可靠。在飞行中停机和随后重新点火的情况下，重新点火包络线(例如，可以成功执行重新点火时的条件)可以被扩展。电动马达可以用作冗余系统，即，作为安装有附件齿轮箱的启动-发电机机构的备用系统。另外，当前公开的配置可促进或实现地面上/飞行中停机期间的左发动机和右发动机同时启动能力和交叉进给启动能力。

图1提供了根据本公开的示例性实施例的具有混合电力推进系统200的示例性飞行器50的俯视平面示意图。如图所示，对于该实施例，飞行器50是固定翼飞行器。在其他实施例中，飞行器50可以是其他合适类型的飞行器，例如旋翼飞行器、垂直起降飞行器、倾转旋翼机、飞艇、无人驾驶飞行器等。飞行器50在第一端52和第二端54之间延伸，例如沿着纵向轴线L。在图1所示的实施例中，第一端52是飞行器50的前端，而第二端54是飞行器50的后面或后端。

飞行器50包括机身56和一对机翼58，每个机翼从机身56横向向外延伸。飞行器50可以包括用于控制飞行器50的推进和运动的各种控制表面。示例控制表面包括升降舵、方向舵、副翼、扰流板、襟翼、缝翼、空气制动器或配平装置等。各种致动器、伺服马达和其他装置可用于操纵飞行器50的各种控制表面和可变几何形状部件。此外，如上所述，飞行器50包括用于产生推力的混合电力推进系统200。更特别地，对于该实施例，混合电力推进系统200可以是并联混合电力推进系统、串联混合电力推进系统、串并联混合电力推进系统或任何其他混合推进配置。

如图1所示，混合电力推进系统200包括安装到飞行器50的机翼58的一个或多个发动机100。每个发动机100可以是任何合适的航空机械扭矩源。例如，在所描绘的实施例中，发动机100是燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机可被配置为涡轮螺旋桨发动机(如图1所示)，或其他合适类型的燃气涡轮发动机，例如涡轮风扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机等。在替代实施例中，发动机100可以是活塞驱动发动机或某种其他类型的内燃机，例如火箭发动机。此外，在一些实施例中，飞行器50可以包括单个发动机或两个以上的发动机。

图2和图3提供了图1的飞行器50的发动机100的各种视图。特别地，图2提供了发动机100的侧视图，并且图3提供了发动机100的立体剖视图。作为参考，燃气涡轮发动机100限定了轴向方向A、径向方向R和围绕轴向方向A延伸360度(360°)的周向方向C(图3)。燃气涡轮发动机100还限定了沿轴向方向A延伸的纵向或轴向中心线102。燃气涡轮发动机100通常沿着轴向方向A在第一端104和第二端106之间延伸，对于该实施例，第一端104和第二端106分别是前端和后端。

一般而言，燃气涡轮发动机100包括气体发生器或涡轮机108。如图3所示，涡轮机108通常以串联流动布置包括压缩机区段110、燃烧区段112、涡轮区段114和排气区段116。核心空气流动路径118从环形入口120延伸到排气区段116的一个或多个排气出口122，使得压缩机区段110、燃烧区段112、涡轮区段114和排气区段116处于流体连通。

压缩机区段110可以包括一个或多个压缩机，例如高压压缩机(HPC)和低压压缩机(LPC)。对于该实施例，压缩机区段110包括四级轴向单离心压缩机。特别地，压缩机包括压缩机定子轮叶和转子叶片(未标记)的连续级，以及定位在定子轮叶和转子叶片的轴向级的下游的叶轮(未标记)。燃烧区段112包括逆流燃烧器(未标记)和一个或多个燃料喷嘴(未显示)。涡轮区段114可以限定一个或多个涡轮，例如高压涡轮(HPT)和低压涡轮(LPT)。对于该实施例，涡轮区段114包括用于驱动压缩机区段110的压缩机的两级HPT 126。HPT 126包括定子轮叶和涡轮叶片(未标记)的两个连续级。涡轮区段114还包括驱动螺旋桨齿轮箱130的三级自由或动力涡轮128，该螺旋桨齿轮箱130又驱动螺旋桨组件150(图2)。排气区段116包括一个或多个排气出口122，用于将燃烧产物导向到环境空气。

仍参考图3，涡轮机108可以包括一个或多个轴。对于该实施例，燃气涡轮发动机100包括压缩机轴132和自由或动力轴134。压缩机轴132驱动地将涡轮区段114与压缩机区段110联接，以驱动压缩机的旋转部件。动力轴134驱动地联接动力涡轮128，以驱动螺旋桨齿轮箱130的齿轮系136，该齿轮系136又经由扭矩输出或螺旋桨轴138以减少的每分钟转数(RPM)可操作地向螺旋桨150(图2)提供动力和扭矩。螺旋桨轴138的前端包括法兰139，该法兰139为附接到涡轮机108的螺旋桨组件150提供安装接口。

螺旋桨齿轮箱130被包围在齿轮箱外壳140内。对于该实施例，外壳140包围周转齿轮系136，其包括星形齿轮142和绕星形齿轮142设置的多个行星齿轮144。行星齿轮144被配置为围绕星形齿轮142旋转。环形齿轮146定位在星形齿轮142和行星齿轮144的轴向前方。随着行星齿轮144绕星形齿轮142旋转，扭矩和动力被传输到环形齿轮146。如图所示，环形齿轮146可操作地联接到螺旋桨轴138或以其他方式与螺旋桨轴138集成。在一些实施例中，齿轮系136还可以包括径向设置在多个行星齿轮144和星形齿轮142之间或多个行星齿轮144和环形齿轮146之间的附加行星齿轮。此外，齿轮系136还可以包括附加环形齿轮。

如上所述，涡轮机108经由动力轴134将动力和扭矩传递到螺旋桨齿轮箱130。动力轴134驱动星形齿轮142，星形齿轮142又驱动星形齿轮142周围的行星齿轮144。行星齿轮144又驱动环形齿轮146，环形齿轮146与螺旋桨轴138可操作地联接。这样，从动力涡轮128提取的能量支持螺旋桨轴138的操作，并且通过动力齿轮系136，动力轴134的相对高的RPM被降低到对于螺旋桨150更合适的RPM。

如上所述，涡轮机108与螺旋桨150可操作地联接。例如，螺旋桨150可以机械地联接到发动机100的前部，例如，如图2所示，经由如图3所示的法兰139。如上所述，涡轮区段114可以包括驱动螺旋桨齿轮箱130的动力涡轮128，该螺旋桨齿轮箱130又驱动螺旋桨组件150(图2)。应当理解，螺旋桨150可以以任何其他合适的方式联接到涡轮机108，同时保持在本主题的范围内。

一般而言，每个螺旋桨150被配置为当被发动机100驱动时产生推力。螺旋桨150包括多个螺旋桨叶片152。在一些实施例中，螺旋桨150的叶片152可通过多个叶片桨距角(例如通过致动机构的激活)统一调节。叶片152的桨距调节可导致螺旋桨150根据叶片152的叶片角产生更多或更少的推力。螺旋桨150和涡轮机108的各种部件能够绕轴向中心线102或更一般地，轴向方向A旋转。

参考图2，在燃气涡轮发动机100的操作期间，由箭头156指示的一定体积的空气经过多个螺旋桨叶片152，这些螺旋桨叶片152沿着周向方向C彼此周向地间隔开并且绕轴向方向A(并且更具体地对于本实施例，轴向中心线102)设置。螺旋桨组件150包括旋转器168，旋转器168具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个螺旋桨叶片152。旋转器168能够与螺旋桨叶片152一起绕轴向方向A旋转，并且包围螺旋桨组件150的各种部件，例如，轮毂、螺旋桨桨距致动器、活塞/气缸致动机构等。由箭头158指示的空气的第一部分被引导或导向到涡轮机108外部以提供推进力。由箭头160指示的空气的第二部分被引导或导向通过燃气涡轮发动机100的环形入口120。

如图3所示，空气的第二部分160通过环形入口120进入并且向下游流动到压缩机区段110，在该实施例中压缩机区段110是沿着轴向方向A的向前方向。随着空气的第二部分160流过压缩机区段110并向下游流向燃烧区段112时，空气的第二部分160被逐渐压缩。

由箭头162指示的压缩空气流入燃烧区段112，在燃烧区段112中燃料被引入，与压缩空气162的至少一部分混合，并且被点燃以形成燃烧气体164。燃烧气体164向下游流动进入涡轮区段114，导致涡轮区段114的旋转构件旋转，这又支持压缩机区段110和螺旋桨组件150中分别联接的旋转构件的操作。特别地，HPT 126从燃烧气体164中提取能量，导致涡轮叶片旋转。HPT 126的涡轮叶片的旋转导致压缩机轴132旋转，并且结果，压缩机的旋转部件绕轴向方向A旋转。以类似的方式，动力涡轮128从燃烧气体164中提取能量，这使得动力涡轮128的叶片绕轴向方向A旋转。动力涡轮128的涡轮叶片的旋转导致动力轴134旋转，这又驱动螺旋桨齿轮箱130的动力齿轮系136。

螺旋桨齿轮箱130又以降低的RPM和期望的扭矩量将由动力轴134提供的动力传输到螺旋桨轴138。螺旋桨轴138又驱动螺旋桨组件150，使得螺旋桨叶片152绕轴向方向A旋转，并且更具体地对于该实施例来说，绕燃气涡轮发动机100的轴向中心线102旋转。由166表示的排出气体，通过排气出口122离开涡轮机108到环境空气。

应当理解，本文描述的示例燃气涡轮发动机100仅通过示例的方式提供。例如，在其他示例实施例中，发动机可包括任何合适数量或类型的压缩机、涡轮、轴、级等。附加地，在一些示例实施例中，燃气涡轮发动机可包括任何合适类型的燃烧器，并且可以不包括所描述的示例逆流燃烧器。还应当理解的是，发动机可以被配置为与螺旋桨可操作地联接的任何合适类型的发动机。例如，在一些实施例中，发动机可以被配置为往复式或活塞式发动机。另外，应当理解，本主题可以应用于任何合适类型的螺旋桨或风扇配置(例如，包括牵引机和推进器配置)或者与其一起使用。

现在还参考图4，将更详细地描述混合电力推进系统200。如上所述，推进系统200通常可包括一个或多个燃气涡轮发动机，例如，诸如图1至3中所示的燃气涡轮发动机100。具体来说，如图1所示，推进系统200包括两个燃气涡轮发动机100(即，每个机翼58上有一个)，每个燃气涡轮发动机100都可操作地联接到螺旋桨150，以向飞行器50提供推力。根据示例性实施例，推进系统200可以包括辅助电气支撑装置，如下文更详细地描述的。

如图4所示，燃气涡轮发动机100可以包括涡轮机202(例如，可以与涡轮机108相同或类似)。涡轮机202可以包括低压(LP)线轴204和高压(HP)线轴206，其绕中心轴线(例如，例如轴向中心线102)旋转。如下文更详细地解释的，混合电力推进系统200的方面通常配置用于支持发动机启动(例如，在飞行前启动燃气涡轮发动机100)和/或发动机重新点火(例如，停机或飞行中发生故障后重新启动燃气涡轮发动机100)。

因此，在示例性实施例中，推进系统200或燃气涡轮发动机100可包括启动机组件210，启动机组件210机械地联接到HP线轴206，用于例如在发动机启动期间选择性地旋转HP线轴206。例如，启动机组件210通常可包括启动机马达212和联接到HP线轴206的附件齿轮箱214。具体地，例如，启动机马达212可通过附件齿轮箱214联接到HP线轴206。

根据示例性实施例，启动机马达212可通过附件齿轮箱214联接到涡轮机202的HP线轴206。更具体地，涡轮机202包括齿轮系216，该齿轮系216在连接点处联接到HP线轴206，并且延伸到附件齿轮箱214中。以这种方式，附件齿轮箱214可以在发动机启动或重新点火期间将旋转动力从启动机马达212传递到发动机100的HP线轴206。

虽然启动机组件210的操作在本文中被描述为在机动应用中使用，但是应当理解，启动机组件210还可以用作发电机，例如用于为机械地联接到附件齿轮箱214的一个或多个附件系统提供动力。以这种方式，附件齿轮箱214可以将旋转动力从发动机100的HP线轴206传递到启动机马达212。启动机马达212将从HP线轴206接收的旋转能转换成电能，电能可输送到发动机100的各种部件，例如，发动机100或结合有发动机100的飞行器50的一个或多个附件系统。因此，启动机马达212可用作发电机。

一般而言，启动机组件210可以电联接到任何合适的电源，用于提供电力来操作启动机马达212并旋转HP线轴206。例如，根据所示实施例，启动机组件210与启动机电源220电联接。更具体地，根据图4的所示实施例，启动机电源220是直流(DC)电源，例如地面电源单元(GPU)或机载电池。在发动机启动期间，启动机马达212可以从启动机电源220汲取电力，并例如经由附件齿轮箱214开始HP线轴206的旋转。

另外，推进系统200可包括电动马达240，电动马达240机械地联接到LP线轴204，用于选择性地旋转LP线轴204。例如，电动马达240可以通过任何合适的传动装置或齿轮装置机械地联接到LP线轴204。具体地，根据所示实施例，电动马达240可通过驱动轴242和齿轮箱244机械地联接到LP线轴204。

电动马达240可以从任何合适的电源汲取能量。例如，根据示例性实施例，推进系统200可包括电联接到电动马达240的马达电源250。更具体地，根据示例性实施例，马达电源250可以是三相交流(AC)电源。例如，马达电源250可以包括电池、燃料电池、基于氢的电力供应源或任何其他电源。

值得注意的是，根据示例性实施例，电动马达240与启动机组件210电分离或隔离。以这种方式，电动马达240和启动机组件210可以独立和/或同时操作，以分别选择性地旋转LP线轴204和HP线轴206。

参考图4，燃气涡轮发动机100还可以包括离合器组件，该离合器组件可操作地联接到LP线轴204和HP线轴206。例如，离合器组件可以是线轴间离合器260，其通常被配置为选择性接合以在LP线轴204和HP线轴206之间传输扭矩。具体地，线轴间离合器260定位在LP线轴204和HP线轴206之间，以在某些操作(例如启动操作)期间选择性地将LP线轴204联接到HP线轴206。这种配置可以允许启动机组件210和/或电动马达240用于启动或协助启动涡轮机202。更具体地，对于图4所示的实施例，线轴间离合器260定位在LP线轴204和HP线轴206之间，在沿着燃气涡轮发动机100的轴向方向A与燃烧区段112对齐或定位在燃烧区段112的前方的位置处，以及沿着轴向方向A与高速压缩机对齐或位于高速压缩机的后方。当线轴间离合器260将LP线轴204联接到HP线轴206时，这种配置可以允许线轴间离合器260上的平衡扭矩。

然而，将理解，在其他实施例中，线轴间离合器260可以定位在任何其他合适的位置处。例如，在其他示例性实施例中，如图4中的幻影中所描述的，线轴间离合器260可以定位在燃烧区段112前方的任何合适位置处，例如沿轴向方向A与高速压缩机对齐或定位在高速压缩机的前方，例如沿轴向方向A定位在高速压缩机的前方。这种配置可以通过其与燃烧区段112的间隔来提供较冷的线轴间离合器260，从而减少线轴间离合器260过早磨损的可能性。

在操作期间，线轴间离合器260可以确保低速/低压系统(LP线轴204)在周向方向C上旋转得不比高速/高压系统(HP线轴206)快。根据示例性实施例，线轴间离合器260可以是单向离合器，其被配置为根据一个或多个操作条件(例如LP线轴204和HP线轴206上的相对旋转速度和扭矩)被动地接合和脱离接合。然而，应当理解，根据替代实施例，线轴间离合器260可以是主动控制的离合器。

例如，在启动操作期间，启动机马达212可以通过启动机电源220接收电力，并且将这种电力转换成机械动力，该机械动力通过附件齿轮箱214和齿轮系216传输到HP线轴206，从而在周向方向C上旋转HP线轴206。线轴间离合器260可以通过这种旋转接合，使得HP线轴206跨线轴间离合器260在周向方向C上相应地旋转LP线轴204(反之亦然)。

这种操作可以继续直到燃气涡轮发动机100已经到达起燃点。如本文所用，术语“起燃点”是指其中LP线轴204和/或HP线轴206以足以向燃烧区段112提供一定量的气流以实现燃烧区段112的点火和持续燃烧的速度旋转的旋转速度。此时，燃烧区段112可产生燃烧气体来驱动HP线轴206，并且HP线轴206可具有(来自燃烧气体的)额外的力，促使HP线轴206在周向方向C上比LP线轴204旋转得更快。线轴间离合器260在这一点上可以被动地/自动地脱离接合，允许HP线轴206在周向方向C上比LP线轴204旋转得更快。

如所指出的，线轴间离合器260可被配置为单向离合器。例如，应当理解，在至少某些示例性方面，线轴间离合器260可以被配置为楔块离合器。这种楔块离合器它们包括定位在内圈和外圈之间的多个楔块。内圈可固定到LP线轴204或与LP线轴204一体形成，并且外圈可联接到HP线轴206。当内圈相对于外圈逆时针旋转时，或者当外圈比内圈旋转得更快时，多个楔块基本上不对这种运动提供阻力。相反，当内圈试图相对于外圈顺时针旋转(周向方向C)时，多个楔块绕它们各自的旋转轴线中的每一个旋转，并且将内圈锁定到外圈，使得不允许内圈在顺时针方向上与外圈的相对旋转。

然而，应当理解，在其他实施例中，可以使用任何其他合适的线轴间离合器260。例如，在其他示例性实施例中，线轴间离合器260可以是主动致动的两级离合器，可以是任何其他合适形式的单向离合器等。

根据示例性实施例，推进系统200还可包括控制器270，该控制器270与启动机组件210、电动马达240、线轴间离合器260以及混合电力推进系统200和/或燃气涡轮发动机100的其他部件可操作地通信，用于调节系统操作，例如，在发动机启动或重新点火期间。例如，根据示例性实施例，控制器270可以被配置为操作电动马达240以旋转LP线轴204，并且可以在发动机启动过程期间同时操作启动机组件210以旋转HP线轴206。此外，根据示例性实施例，控制器270可以操作离合器组件以在发动机启动过程期间接合或机械地联接LP线轴204和HP线轴206。

尽管本文将启动机组件210和电动马达240描述为并联操作以分别驱动HP线轴206和LP线轴204，但应理解，根据替代实施例，电动马达240可在没有启动机组件210的情况下使用。例如，电动马达240可以在发动机启动过程期间旋转LP线轴204，并且离合器组件260可以接合以也旋转HP线轴206(其中启动机组件210脱离接合)。此外，应当理解，电动马达240可以用于混合电力推进系统200内的替代目的。例如，根据示例性实施例，电动马达240可以机械地联接到发动机螺旋桨(例如，诸如螺旋桨150)，用于选择性地向旋转螺旋桨150提供动力以提供推力。在这方面，例如，启动机马达212可以用于在飞行前操作期间更快地加速螺旋桨150。更具体地，电力可以被提供给电动马达240，并且被转换成通过齿轮箱244提供给LP线轴204的旋转动力，以直接帮助加速螺旋桨150。在一些实施例中，螺旋桨150与发动机100机械地联接，与电动马达240并联，例如，以避免系统的单一故障失效。在替代实施例中，螺旋桨150与发动机100机械地联接，与电动马达240串联。

再次参考图1，飞行器50可以包括一个以上的燃气涡轮发动机，并且混合电力推进系统200可以包括启动机组件210和用于每个发动机的电动马达240。因此，与第一燃气涡轮发动机相关联的第一电动马达和与第二燃气涡轮发动机相关联的第二电动马达可以同时操作以启动第一发动机和第二发动机，从而减少飞行器50的总启动时间。此外，应当理解，来自每个燃气涡轮发动机的电动马达240可以电联接在电力总线280上。因此，电力可以在发动机之间传递，以便于交叉进给启动。在这方面，例如，如果一个发动机在飞行途中停止操作并且需要发动机重新启动，则来自另一个发动机的电动马达的电力可以通过电力总线280传输，以支持需要重新启动的发动机的电动马达的操作。推进系统200还可以包括一个或多个功率转换器、调节器、处理装置、半导体开关、能量存储装置和/或其他电子部件(未示出)，这些电子部件联接到电力总线280以调节或控制电力流。

图5提供了用于使用混合电力推进系统控制燃气涡轮发动机的示例方法300的流程图。例如，方法300可以被实施为控制图1的运载器50的发动机100和/或螺旋桨150。然而，方法300可以被实施为控制与螺旋桨可操作地联接的其他发动机。方法300的一些或全部可以通过本文公开的混合电力推进系统200来实施。此外，将理解，在不偏离本主题的范围的情况下，示例性方法300可以以各种方式被修改、适配、扩展、重新排列和/或省略。

如图所示，步骤310可包括确定燃气涡轮发动机的发动机启动被请求。在这方面，当飞行器50在停机坪上并准备起飞时，飞行员可以提供启动燃气涡轮发动机100的命令。根据其他实施例，发动机在飞行中可能由于各种原因而停机，并且可能需要发动机重新启动或重新点火。任何一种情况都可能导致需要发动机启动。

步骤320包括在发动机启动过程期间，同时操作电动马达以旋转燃气涡轮发动机的低压线轴(例如，LP线轴204)和操作启动机组件以旋转燃气涡轮发动机的高压线轴(例如HP线轴206)。在这方面，例如，启动机组件210可以使用启动机马达212经由附件齿轮箱214和齿轮系216向HP线轴206施加扭矩。同时，电动马达240可以旋转驱动轴242，并且可以经由齿轮箱244将扭矩施加到LP线轴204。以这种方式，可以减少或完全消除线轴之间的滞后，从而可以提高发动机启动速度。如上所述，根据示例性实施例，发动机启动可能根本不需要启动机组件210，使得推进系统200依靠电动马达240来旋转LP线轴204以促进发动机启动，例如，在线轴间离合器260的帮助下来旋转HP线轴206。根据其他实施例，可以省略线轴间离合器260，并且电动马达240可以将足够的气流引入涡轮机202中，从而使其能够在不需要启动机组件210和线轴间离合器260的情况下达到启动/起燃速度。

步骤330包括接合离合器组件以在发动机启动期间机械地联接LP线轴和HP线轴。在这方面，通过使用线轴间离合器260联接LP线轴204和HP线轴206的旋转，启动机组件210和电动马达240可一起操作以将燃气涡轮发动机100旋转到点火速度。根据替代实施例，电动马达240可驱动LP线轴204并且线轴间离合器260可将扭矩传递到HP线轴206，而不需要启动机组件210。

现在参考图6，示出了根据本主题的示例实施例的在具有电动马达的混合电力配置中启动燃气涡轮发动机的方法400。例如，方法400可被实施为控制图1的运载器50的发动机100和/或螺旋桨150。然而，方法400可以被实施为控制与螺旋桨可操作地联接的其他发动机。方法400的一些或全部可以通过本文公开的混合电力推进系统200来实施。此外，将理解，在不偏离本主题的范围的情况下，示例性方法400可以以各种方式被修改、适配、扩展、重新排列和/或省略。

如图所示，步骤410包括在系统控制器(例如，诸如下面讨论的计算系统500)处接收各种发动机操作参数。根据示例实施例，这些操作参数可包括LP线轴和HP线轴的瞬时速度以及相应的线轴截止速度。另外，接收到的发动机操作参数可包括瞬时马达扭矩和/或最大允许马达扭矩。可以根据替代实施例获得其他发动机操作参数或系统参数，例如以便于方法400的实施以及燃气涡轮发动机的启动或操作。

步骤420可包括在燃气涡轮发动机的启动或重新点火阶段期间增加电机的马达扭矩。例如，在继续以上示例的示例中，电动马达240可以经由齿轮箱244将扭矩施加到LP线轴204以开始旋转并将速度提升到所需的启动速度或支持操作所需的发动机点火速度。步骤430可包括监测或检查发动机操作限制。在这方面，例如，控制器可以监测齿轮箱扭矩、马达扭矩和/或LP和HP线轴速度以确保它们在限制内。应当理解，步骤430还可以包括监测推进系统的其他参数。如果操作在限制范围内，则电机可以继续施加扭矩并将发动机的速度提升到目标速度。相比之下，如果达到或超过在步骤430处检查的限制，则步骤440可包括检查所有关键燃气涡轮和电气系统参数以获得成功启动。就此而言，例如，步骤440可包括确定LP线轴已达到与成功的发动机启动相关联的目标速度，例如足以促进燃烧和发动机操作。

步骤450包括确定发动机是否已成功启动。如果发动机启动不成功，则方法400进行到步骤460，在步骤460中报告故障或者重新启动或重试启动过程。如果已经发生重复的启动故障，则步骤460可以包括使电机断开连接以防止进一步施加扭矩，直到可以诊断并解决问题为止。相反，如果步骤450导致确定燃气涡轮发动机已成功启动，则步骤470可包括使电机断开连接并且不向燃气涡轮发动机提供进一步的扭矩。

图7提供了根据本主题的示例实施例的示例计算系统500。计算系统500可以包括一个或多个计算装置510。例如，计算装置510中的一个可以是本文描述的控制器270。计算装置510可以包括一个或多个处理器510A和一个或多个存储器装置510B。一个或多个处理器510A可以包括任何合适的处理装置，例如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑装置和/或其他合适的处理装置。一个或多个存储器装置510B可以包括一种或多种计算机可读介质，包括但不限于非暂时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储器装置。

一个或多个存储器装置510B可存储可由一个或多个处理器510A访问的信息，包括可由一个或多个处理器510A执行的计算机可读指令510C。指令510C可以是当由一个或多个处理器510A执行时使得一个或多个处理器510A执行操作的任何指令集。在一些实施例中，指令510C可以由一个或多个处理器510A执行以使一个或多个处理器510A执行操作，例如计算系统500和/或计算装置510被配置用于的任何操作和功能，例如用于控制发动机100(图1)和/或螺旋桨150(图1)的操作，如本文所述。因此，方法300和/或方法400可以至少部分地由计算系统500的一个或多个计算装置510来实施。指令510C可以是用任何合适的编程语言编写的软件或者可以在硬件中实施。附加地和/或替代地，指令510C可以在处理器510A上的逻辑上和/或虚拟上独立的线程中执行。存储器装置510B还可存储可由处理器510A访问的数据510D。例如，数据510D可包括指示各种螺旋桨速度阈值以及本文描述的其他潜在项目或设置的数据。

计算装置510还可以包括用于例如与系统500的其他部件通信(例如，经由网络)的网络接口510E。网络接口510E可以包括用于与一个或多个网络连接的任何合适的部件，包括例如发射器、接收器、端口、控制器、天线和/或其他合适的部件。一个或多个外部装置，例如外部遥控器，可以被配置为从计算装置510接收一个或多个命令或者向计算装置510提供一个或多个命令。

本文讨论的技术参考基于计算机的系统和由基于计算机的系统采取的动作以及发送到基于计算机的系统和从基于计算机的系统发送的信息。应当理解，基于计算机的系统的固有灵活性允许部件之间和部件之中的任务和功能的多种可能的配置、组合和划分。例如，本文讨论的过程可以使用单个计算装置或组合工作的多个计算装置来实施。数据库、存储器、指令和应用程序可以在单个系统上实施，也可以分布在多个系统上。分布式部件可以顺序或并行操作。

尽管各种实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。

进一步的方面由以下条项的主题提供：

一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机，所述涡轮机包括绕中心轴线旋转的低压(LP)线轴和高压(HP)线轴；电动马达，所述电动马达机械地联接到所述LP线轴，用于选择性地旋转所述LP线轴；启动机组件，所述启动机组件机械地联接到所述HP线轴，用于选择性地旋转所述HP线轴；和控制器，所述控制器与所述电动马达和所述启动机组件可操作地通信，所述控制器被配置为在发动机启动期间操作所述电动马达以旋转所述LP线轴并操作所述启动机组件以旋转所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：离合器组件，所述离合器组件可操作地联接到所述LP线轴和所述HP线轴，其中所述控制器与所述离合器组件可操作地通信，并且进一步被配置为接合所述离合器组件以在所述发动机启动期间机械地联接所述LP线轴和所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中当所述电动马达和所述启动机组件同时操作时，所述离合器组件接合。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述电动马达电联接到三相交流(AC)马达电源。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述马达电源包括电池、燃料电池或电力供应源。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述启动机组件包括：启动机马达；和附件齿轮箱，所述附件齿轮箱联接到所述HP线轴，并且其中所述启动机马达通过所述附件齿轮箱联接到所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述启动机组件电联接到直流(DC)启动机电源。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述启动机电源包括地面电源单元或机载电池。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述电动马达与所述启动机组件电分离或隔离。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机是用于飞行器的推进系统的第一发动机，其中所述电动马达与所述推进系统的第二发动机电联接，用于在所述第二发动机的发动机启动期间选择性地提供动力。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机是第一发动机，并且所述电动马达是用于飞行器的推进系统的第一电动马达，其中所述推进系统进一步包括第二电动马达，所述第二电动马达电联接到所述推进系统的第二发动机，并且其中所述第一电动马达和所述第二电动马达能够操作以同时启动所述第一发动机和所述第二发动机。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：螺旋桨，其中所述电动马达机械地联接到所述螺旋桨，用于选择性地提供用于旋转所述螺旋桨的动力。

根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述燃气涡轮发动机是涡轮螺旋桨发动机。

一种用于包括燃气涡轮发动机的飞行器的混合电力推进系统，所述燃气涡轮发动机包括绕中心轴线旋转的低压(LP)线轴和高压(HP)线轴，所述混合电力推进系统包括：电动马达，所述电动马达机械地联接到所述LP线轴，用于选择性地旋转所述LP线轴；启动机组件，所述启动机组件机械地联接到所述HP线轴，用于选择性地旋转所述HP线轴；和控制器，所述控制器与所述电动马达和所述启动机组件可操作地通信，所述控制器被配置为在发动机启动期间操作所述电动马达以旋转所述LP线轴并操作所述启动机组件以旋转所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的混合电力推进系统，进一步包括：离合器组件，所述离合器组件可操作地联接到所述LP线轴和所述HP线轴，其中所述控制器与所述离合器组件可操作地通信，并且进一步被配置为接合所述离合器组件以在所述发动机启动期间机械地联接所述LP线轴和所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的混合电力推进系统，其中所述电动马达电联接到三相交流(AC)马达电源，并且所述启动机组件电联接到直流(DC)启动机电源。

一种操作燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括绕中心轴线旋转的低压(LP)线轴和高压(HP)线轴；电动马达，所述电动马达机械地联接到所述LP线轴，用于选择性地旋转所述LP线轴；和启动机组件，所述启动机组件机械地联接到所述HP线轴，用于选择性地旋转所述HP线轴，所述方法包括：确定发动机启动被请求；和在发动机启动期间，同时操作所述电动马达以旋转所述LP线轴和操作所述启动机组件以旋转所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的方法，其中所述燃气涡轮发动机进一步包括离合器组件，所述离合器组件可操作地联接到所述LP线轴和所述HP线轴，所述方法进一步包括：在所述发动机启动期间接合所述离合器组件以机械地联接所述LP线轴和所述HP线轴。

根据任何前述条项所述的方法，其中所述燃气涡轮发动机是用于飞行器的混合电力推进系统的第一发动机，其中所述电动马达与所述混合电力推进系统的第二发动机电联接，所述方法进一步包括：在所述第二发动机的发动机启动期间选择性地向所述第二发动机提供动力。

根据任何前述条项所述的方法，其中所述燃气涡轮发动机是第一发动机，并且所述电动马达是用于飞行器的混合电力推进系统的第一电动马达，其中所述混合电力推进系统进一步包括第二电动马达，所述第二电动马达电联接到所述混合电力推进系统的第二发动机，所述方法进一步包括：操作所述第一电动马达和所述第二电动马达以同时启动所述第一发动机和所述第二发动机。

该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的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没有实质差异的等效结构元件，则这样的其他示例旨在落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括绕中心轴线旋转的低压(LP)线轴和高压(HP)线轴；

电动马达，所述电动马达机械地联接到所述LP线轴，用于选择性地旋转所述LP线轴；

启动机组件，所述启动机组件机械地联接到所述HP线轴，用于选择性地旋转所述HP线轴；和

控制器，所述控制器与所述电动马达和所述启动机组件可操作地通信，所述控制器被配置为在发动机启动期间操作所述电动马达以旋转所述LP线轴并操作所述启动机组件以旋转所述HP线轴。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括：

离合器组件，所述离合器组件可操作地联接到所述LP线轴和所述HP线轴，其中所述控制器与所述离合器组件可操作地通信，并且进一步被配置为接合所述离合器组件以在所述发动机启动期间机械地联接所述LP线轴和所述HP线轴。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中当所述电动马达和所述启动机组件同时操作时，所述离合器组件接合。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述电动马达电联接到三相交流(AC)马达电源。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述马达电源包括电池、燃料电池或电力供应源。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述启动机组件包括：

启动机马达；和

附件齿轮箱，所述附件齿轮箱联接到所述HP线轴，并且其中所述启动机马达通过所述附件齿轮箱联接到所述HP线轴。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述启动机组件电联接到直流(DC)启动机电源。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述启动机电源包括地面电源单元或机载电池。

9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述电动马达与所述启动机组件电分离或隔离。

10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述燃气涡轮发动机是用于飞行器的推进系统的第一发动机，其中所述电动马达与所述推进系统的第二发动机电联接，用于在所述第二发动机的发动机启动期间选择性地提供动力。