CN1902389A - 混合式发动机附件动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于从燃气轮机发动机产生附件动力的系统。系统包括用于监视至少一个参数的电子控制装置，该参数提供有关动力需求初期变化的信息，由控制装置操作的控制阀，该控制阀用于在瞬态期间响应于至少一个监视参数供给来自发动机的放气和气动装置，该气动装置用于接收放气和产生动力，以便使安装在飞行器上的设备工作。气动装置可以是空气涡轮机或气动集成发电机。

Description

混合式发动机附件动力系统
技术领域
本发明涉及用于从燃气轮机发动机产生附件动力的方法和系统。特别地，本发明涉及混合式发动机附件动力系统，其能改善燃气轮机发动机的工作特性。
背景技术
从燃气轮机发动机抽取的马力典型地合并到机械式变速箱，该变速箱由动力输出轴驱动，该动力输出轴直接连接发动机中的一根主传动轴。变速箱以这种方式安装，以便帮助发动机驱动的所有附件的随后连接，这些附件例如燃料泵、油泵、液压泵、发电机等。变速箱体现燃气轮机机械轴动力到附件机械轴动力的传递。
燃气轮机发动机的高压压缩机沿着工作线10在稳态下工作，如图1所示，当增加转子速度时，流量和压力比也增加。压缩机的极限工作特性是失速线12，超过该失速线就不能维持稳定的压缩机气流。在给定气流的情况下，压缩机工作线10压力比低于失速线12的压力比，以便为发动机的瞬态工作提供余量。在发动机加速期间，压缩机偏离稳态工作线10，沿着瞬态工作线14移动。对于典型的高压压缩机，加速期间瞬态工作线14的特征在于减少了发动机工作范围内的失速余量。附件动力需求负面影响瞬态工作，如图2所示其减少可用失速余量的量。
与发动机高压转子连接的一系列齿轮组和传动轴通过机械手段为燃气轮机附件提供动力。飞机系统的电力和液压动力，以及机油和燃料泵的驱动动力都由安装在发动机上的附件动力传动系提供。如图2所示，高程度的轴动力抽取减少了发动机瞬态工作的可用失速余量的量。
存在若干可利用的选择，以便允许瞬态工作在这些限制之内。发动机加速度的速率可以减缓；然而，在紧急情况比如排除故障期间这可能与飞行器安全矛盾。提高最小怠速高转子速度，增加怠速推力，从而将怠速降低到最大动力推力范围，同时还允许较低的加速度速率和瞬态偏移。这可能又与飞行器操作矛盾，因为较高的怠速速度导致较高的怠速推力，这要求减少较高的飞机阻力。对于给定的用于下降剖面的飞机怠速必要条件和用于飞机安全的发动机推力响应，压缩机瞬态偏移基本上是固定的，相对于附件动力对高压转子的影响要求一些降压。
压气机放气可用于使压缩机的工作线下降从而远离喘振线。该技术被普通使用；然而，它具有若干缺陷，例如增加的发动机噪声冲击，以及高温排气与组合式发动机通风罩结构的兼容性。
因此需要这样一种系统，其允许同时降低机械轴动力负荷和系统容量，以便在低动力时吸收和利用压缩机放气的能量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种系统，其中，发动机气压动力可用于为飞行器上工作的附件提供动力，同时改善燃气轮机压缩机工作线距离压缩机喘振线的余量。
本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法使用发动机气压动力为飞行器上工作的附件提供动力，同时改善燃气轮机压缩机工作线距离压缩机喘振线的余量。
上述目的通过本发明的系统和方法实现。
根据本发明，提供一种混合式发动机附件动力系统。系统广泛地包括用于监视至少一个参数的装置，该参数提供有关动力需求初期变化的信息，用于在瞬态期间响应于至少一个监视参数供给来自发动机的放气的装置，和气动装置，该气动装置用于接收放气和产生动力，以便使安装在飞行器上的设备工作。
此外根据本发明还提供一种用于从燃气轮机发动机产生发动机附件动力的方法。方法广泛地包括以下步骤：监视至少一个参数，该参数提供有关动力需求初期变化的信息，在瞬态期间响应于至少一个监视参数从发动机放气，和将放气供给到气动装置，该气动装置用于产生动力，以便使安装在飞行器上的设备工作。
本发明的混合式发动机附件动力系统的其他细节和除此之外的其他目的和优势将在下面详细的说明书和附图中阐明，附图中相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
图1是阐明燃气轮机发动机的工作线和喘振线的图表；
图2是燃气轮机发动机的可用失速余量与推力的对比图表；
图3是根据本发明的混合式发动机附件动力系统的结构示意图；
图4是本发明混合式发动机附件动力系统的第一实施例的示意图；
图5是本发明混合式发动机附件动力系统的第二实施例的示意图；
图6是本发明混合式发动机附件动力系统的第三实施例的示意图；
图7是本发明混合式发动机附件动力系统的第四实施例的示意图；
图8是本发明混合式发动机附件动力系统的第五实施例的示意图；
图9是本发明混合式发动机附件动力系统的第六实施例的示意图；
图10是在本发明混合式发动机附件动力系统的各种实施例中使用的气动装置的剖面图。
具体实施方式
本发明涉及一种混合式机械/气动附件驱动系统，其允许同时降低机械轴动力负荷和系统容量，以便在低动力时吸收和利用压缩机放气的能量。通过组合若干已存在的控制和动力生成组件的功能，可改善或最佳化发动机瞬态工作。在本发明的系统中，发动机安装的动力生成系统在正常的稳态工作条件下可仅仅使用机械动力工作，在瞬态期间可组合气动动力和机械动力。正如在此处使用的，术语“瞬态”指动力需求的任何变化，不论该变化是因发动机状态变化而导致的发动机动力需求变化，或者因任何附件状态变化而导致的任何机械或电的动力需求变化。在一些飞行状态下，在稳态期间将气动和机械动力组合在一起工作也可能是希望的。通过在瞬态期间或在任何其他的工作点开启压缩机放气，可使工作线下降，增加失速余量(图1中的B点)。放出的空气被导向气动装置，其减少对来自燃气轮机发动机高压转子的机械轴动力的需要。减少机械动力需求使压缩机工作线下降，如图1的线18所示，还允许给定的瞬态偏移，以及改善失速余量。
图3是根据本发明的混合式发动机附件动力系统的结构示意图；该图阐明具有高压压缩机90的发动机40，该高压压缩机连接转子轴92。动力从转子轴92通过机械输出轴(未显示)传递到变速箱46。变速箱46用于产生驱动附件装置的动力，例如起动机/发电机52和未显示的潜在的其他装置，例如另一个发电机。该系统还包含气动装置42，其如下所述用于提供动力，以便驱动变速箱46和/或附件。同样如下所述，装置42接收来自瞬态工作期间压缩机90或发动机40的另一个部分的放气，以便减轻转子轴92上的负荷，从而增加失速余量。
现在参考图4，显示根据本本发明的混合式发动机附件动力系统的第一实施例。如上所述，系统30可用来调节飞行器上燃气轮机发动机或附件的稳态和瞬态特性。系统30利用气动或电子控制装置32。在优选实施例中，控制装置32可以是完全授权的数字发动机控制装置(FADEC)；然而，可替换地，控制装置32可以是气动控制装置，其接收来自传感器的输入，该传感器指示需要卸载变速箱扭矩和打开到气动涡轮驱动装置的气压动力。装置32可控制发动机燃料流量，以便调节发动机包括稳态和瞬态特性的工作，该装置可以是本技术领域中已知的任何适当的FADEC装置。装置32还具有在瞬态期间控制发动机压缩机放气的能力。装置32还设置为通过下列检测方法中的一个或多个了解变速箱发电机动力需求：(1)输入座舱信号34，其指示飞行器动力需求变化；(2)来自电力发电机控制装置的输入信号37，其指示动力需求变化；(3)表示传动轴上扭矩变化的输入信号39，例如发电机传动轴，其通过传感器41检测，优选地安装在轴上，指示动力需求变化；和/或(4)表示一个或多个发电机动力需求变化的输入信号36。输入信号36可以是来自用于控制由发电机产生的动力的装置的信号，或者来自监视发电机输出的传感器的信号。这些信号中的任何一个或所有这些信号向装置32指示动力需求的增加或减少是初期的，因而瞬态即将发生或是正在发生。
装置32在接收到指示动力需求变化的信号后，接着将信号传输到阀38，该信号导致阀开启或调节。当阀38开启时，发动机放出空气，例如来自压缩机90的放气，例如发动机40的高压压缩机，或者来自发动机40的另一部分的放气，该放气供给到气动装置42，例如气动集成发电机。作为本发明系统的一部分，表示阀位置的信号通过反馈回路44传输到装置32。
气动装置42可以是本技术领域中已知的任何适当的装置，其用于将机械轴动力传递到变速箱46，以便驱动附件，例如燃料泵、脱油器、永磁交流发电机(PMA)、润滑油泵、液压泵、发电机和/或一个或多个起动机/发电机。可替换地，装置42可以是本技术领域中已知的任何适当的装置，其用于传递电力，以便驱动一个或多个上述附件或任何其他的需要动力的附件。用于装置42的气动装置的适当例子包括，但不限制于，空气涡轮机、气动辅助动力装置、涡轮增压器、气动起动器、涡轮泵，以及其它用于产生动力的气动装置。无论是电的或机械的动力，其都由装置42传递以便驱动附件，该动力调节任何附加的发电机负荷，降低发动机转子轴上的动力需求。
通过利用控制装置32可获得的信息，该信号与压缩机放气操作或时间表有关，以及与发电机负荷需求有关，装置32能控制气压动力抽取。控制气压动力抽取可以减少发动机工作负荷，改善压缩机工作线喘振余量。
在图5的实施例中，气动装置42′是安装到变速箱46的空气涡轮机。空气涡轮机可以是本技术领域中已知的任何适当的装置，其用于输出机械动力，该机械动力通过本技术领域中已知的任何适当装置传输到变速箱46中的主齿轮传动轴50。如该图所示，空气涡轮机使轴50旋转，该轴通过本技术领域中已知的任何适当的动力传递装置连接若干附件装置，例如齿轮和轴装置。以这种方式驱动的附件装置包括起动机/发电机52、燃料泵54、脱油器56、PMA 58、润滑油泵60、和液压泵62。熟悉本技术领域的人员会意识到这种或相当的装置也可用于驱动其他机械装置，例如发电机。
如前所述，来自发动机40的压缩机90或发动机40的另一部分的放气通过电子控制装置32控制阀的操作供给到空气涡轮机42′。
图6阐明图5所示系统的变体。在该变体中，空气涡轮机42′不是安装在变速箱46上。相反空气涡轮机42′在飞行器上的别处，来自空气涡轮机42′的机械动力通过齿轮和轴装置70传递到轴50，该齿轮和轴装置包括锥齿轮装置72和牵引轴74，该牵引轴通过齿轮装置76连接轴50。熟悉本技术领域的人员会认识到其它装置也能发挥作用，其适当地相当于本申请中描述的本发明实施例。
图7阐明根据本发明混合式发动机附件动力驱动的另一个变体。在该变体中，空气涡轮机42不是安装在变速箱46上。相反，空气涡轮机42安装在飞行器上的别处。必要时，来自压缩机90或燃气轮机发动机40的其它部分的放气通过阀38供给到空气涡轮机42。阀38如上所述被电气控制装置32操作或调节。驱动空气涡轮机42，以便向发电机61提供动力。由空气涡轮机42供给到发电机61的动力可以是机械轴动力或电力，这依赖于所用的空气涡轮机的类型。发电机61的电输出接着供给到飞行器上的系统或飞行器上的任何附件，该飞行器需要电力以便使系统和/或附件工作。熟悉本技术领域的人员会认识到其它装置也能发挥作用，其适当地相当于本发明混合式发动机附件动力系统的该变体。
图8阐明根据本发明的混合式发动机附件动力系统的另一个实施例。在该实施例中，空气涡轮机42安装在变速箱46的端部。空气涡轮机42驱动轴45，该轴45通过本技术领域中已知的任何适当的动力传递装置或者齿轮装置47依次驱动轴50和连接各种附件的轴，这些附件包括但不限于起动机/发电机52、燃料泵54、脱油器56、PMA 58、润滑油泵60，和液压泵62。如果希望，空气涡轮机42可用于向其他附件例如发电机(未显示)提供动力。如上所述，流到空气涡轮机42的放气流量由阀(未显示)控制，该阀由电子控制装置32例如FADEC开启或调节。熟悉本技术领域的人员会认识到其它装置也能发挥作用，其适当地相当于本发明混合式发动机附件动力系统的该变体。
图9阐明根据本发明的混合式发动机附件动力系统的另一个实施例。在该实施例中，空气涡轮机42安装在变速箱46的端部。空气涡轮机42驱动轴45，以便向发电机61提供机械轴动力，该发电机也安装在变速箱46的端部。发电机61的输出可用来驱动飞行器上很多类型的动力系统或附件。如果希望，发电机61的输出可用于通过本技术领域中已知的任何动力传递装置向各种附件提供动力，这些附件包括但不限于起动机/发电机52、燃料泵54、脱油器56、PMA 58、润滑油泵60、和液压泵62。如上所述，流到空气涡轮机42的放气流量由阀(未显示)控制，该阀由电子控制装置32例如FADEC开启或调节。熟悉本技术领域的人员会认识到其它装置也能发挥作用，其适当地相当于本发明混合式发动机附件动力系统的该变体。
图10阐明可在本发明的任何混合式发动机附件动力系统中使用的气动装置42。装置42是具有涡轮80的气动涡轮驱动装置。装置42可安装在变速箱上，如果希望，可通过凸缘82安装。装置42产生的机械动力可通过花键84传递到轴。使用该系统的一个优势在于，离开出口86的排气流可被排放到下通风罩区域，进入飞行器外的风道，进而进入发动机的核心排气区域，或者一些其它场所。另一个优势在于使放气排放膨胀通过驱动系统，可降低排气温度和速率，从而减少排气噪声，并改善与发动机通风罩结构的兼容性。
通常，图4-9的所有系统都可以下列方式工作。在发动机稳态变化期间，例如发动机减速度低于规定的发动机高转子速度，或者在附件动力需求变化期间，控制装置32命令发动机放气系统开启。放气被导向气动装置42或42′，其依次产生辅助的附件驱动动力，该动力或者是机械的，或者或是电的。一旦通过加速特性中的最小喘振余量点，发动机放气系统就可关闭，从而改善发动机性能。
本发明的混合式发动机附件动力系统可与任何燃气轮机发动机一起使用，该燃气轮机发动机包括但不限于单转子、2-转子、3-转子燃气轮机发动机。
很明显根据本发明提供的混合式发动机附件动力系统完全满足上述目的、方式和优势。虽然本发明已经在其特殊实施例的上下文中得到描述，但对熟悉本技术领域的人员来说，在阅读上述说明书后，其它的选择、修改和变化是显而易见的。因此，将这些选择、修改和变化包括在后附权利要求书的宽泛范围内。

Claims (32)

1.一种用于从燃气轮机发动机产生附件动力的方法，包括以下步骤：
监视至少一个参数，该参数提供有关动力需求初期变化的信息；
在瞬态期间响应于所述至少一个监视参数，从所述发动机放气；以及，
将所述放气供给到气动装置，该气动装置产生动力，以便使安装在飞行器上的设备工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监视步骤包括输入座舱信号，该信号向完全授权的数字发动机控制装置指示飞行器动力需求变化。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监视步骤包括输入来自电力发电机控制装置的信号，该信号向完全授权的数字发动机控制装置指示动力需求变化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监视步骤包括输入表示传动轴上扭矩变化的信号，该信号向完全授权的数字发动机控制装置指示动力需求变化。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监视步骤包括向完全授权的数字发动机控制装置输入表示至少一个发电机的动力需求的信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监视步骤包括向电子控制装置输入表示动力需求的至少一个信号，所述放气步骤包括为控制阀提供来自所述电子控制装置的输出信号，以便使来自所述发动机高压压缩机的所述放气流动到所述气动装置。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括将表示控制阀位置的信号反馈到所述电子控制装置。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供给步骤包括将所述放气供给到气动集成发电机，用于供给动力，以便驱动与变速箱连接的至少一个附件。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括使用所述气动集成发电机产生电力，将所述电力供给到所述至少一个附件。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括使用所述气动集成发电机产生机械轴动力，将所述机械轴动力供给到所述变速箱，用于驱动动力传递装置，以便为所述至少一个附件提供动力。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供给步骤包括将所述放气供给到安装在变速箱上的空气涡轮机，用于产生机械轴动力，以便通过动力传递装置驱动至少一个附件。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述附件包括安装到所述变速箱的发电机，还包括将所述空气涡轮机产生的所述机械轴动力传递到所述发电机。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供给步骤包括将所述放气供给到通过至少一根轴与变速箱连接的空气涡轮机，用于提供机械轴动力，以便至少通过动力传递装置驱动至少一个附件。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述供给步骤包括将所述放气供给到空气涡轮机，以及将来自所述空气涡轮机的动力传递到发电机，以便为至少一个飞行器系统提供动力。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述气动装置产生的动力驱动发电机、起动机/发电机、燃料泵、脱油器、PMA、润滑油泵、和液压泵中的至少一个。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放气步骤和所述放气供给步骤减少对来自所述发动机高压转子的机械轴动力的需求，使压缩机工作线下降，从而允许瞬态偏移，同时改善失速余量。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括使放气排放膨胀通过所述气动装置，以便降低排气温度和速率，从而减少排气噪声，并改善与发动机通风罩结构的兼容性。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括将来自所述气动装置的所述放气排放到下通风罩区域。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括一旦通过加速特性中的最小喘振余量点，就停止所述放气的供给。
20.一种用于从燃气轮机发动机产生附件动力的系统，所述系统包括：
用于监视至少一个参数的装置，该参数提供有关动力需求初期变化的信息；
用于在瞬态期间响应于所述至少一个监视参数供给来自所述发动机的放气的装置；以及，
气动装置，其用于接收所述放气和产生动力，以便使安装在飞行器上的设备工作。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述监视装置包括发动机电子控制装置，其接收有关动力需求初期变化的至少一个输入信号。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述发动机电子控制装置包括完全授权的数字电子控制装置。
23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述放气供给装置包括控制阀，该阀被来自所述发动机电子控制装置的信号开启或调节。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述控制阀在开启位置时允许来自所述发动机高压压缩机的放气流向所述气动装置。
25.根据权利要求23所述的系统，还包括反馈回路，其用于将表示控制阀位置的信号传输到所述发动机电子控制装置。
26.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置包括气动集成发电机，其用于提供电力，以便使至少一个附件工作，该附件从下面选择：发电机、起动机/发电机、燃料泵、脱油器、PMA、润滑油泵、和液压泵。
27.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置包括气动集成发电机，其用于向变速箱提供机械动力，以便使至少一个附件工作，该附件从下面选择：发电机、起动机/发电机、燃料泵、脱油器、PMA、润滑油泵、和液压泵。
28.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置包括安装在变速箱上的空气涡轮机，其用于向变速箱提供机械轴动力，以便使至少一个附件工作，该附件从下面选择：发电机、起动机/发电机、燃料泵、脱油器、PMA、润滑油泵、和液压泵。
29.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置包括通过轴和齿轮装置连接变速箱轴的空气涡轮机，所述空气涡轮机向所述变速箱提供机械轴动力，以便使至少一个附件工作，该附件从下面选择：起动机/发电机、燃料泵、脱油器、PMA、润滑油泵、和液压泵。
30.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置包括连接变速箱的空气涡轮机，还包括发电机，该发电机连接所述变速箱，被所述空气涡轮机驱动。
31.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置包括空气涡轮机，还包括被所述空气涡轮机驱动的发电机，该发电机用于向安装在飞行器上的至少一个系统提供动力。
32.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，所述气动装置的工作增加了所述发动机高压压缩机的可用失速余量的量。
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