包括可逆式電機的渦輪發動機的製作方法

2023-05-23 19:38:31

專利名稱：包括可逆式電機的渦輪發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪領域，尤其涉及用於直升機、飛機之類航空器的渦輪發動機 和渦輪螺旋槳發動機領域以及這些類型的發動機的其他可能應用領域。本發明尤其涉及一種專門用於直升機的渦輪發動機，該渦輪發動機包括氣體發生 器和由氣體發生器所生成的氣流驅動而旋轉的自由渦輪，該渦輪發動機還包括耦接到氣體 發生器的可逆式電機，所述可逆式電機適於在渦輪發動機啟動階段使氣體發生器旋轉。
背景技術：
通常，氣體發生器包括耦接在一起旋轉的至少一個壓縮機和渦輪。工作原理如下 進入渦輪發動機的新鮮空氣在輸送到與燃料混合的燃燒室之前由於壓縮機的旋轉而被壓 縮。燃燒過的氣體隨後被高速排出。隨後，這種氣體最初在氣體發生器的渦輪中膨脹，使得渦輪從中提取出驅動壓縮 機所需的能量。氣體發生器的渦輪沒有吸收燃燒過的氣體的所有動能，剩餘的動能相當於氣體發 生器所生成的氣流。該氣流由此把動能提供給自由渦輪，使得氣體在自由渦輪中二次膨脹，用於把其 動能轉換成機械能以驅動從動部件，諸如直升機轉子。在啟動渦輪發動機時，需要驅動氣體發生器旋轉，換言之驅動耦接到渦輪的壓縮 機旋轉。如上所述，這是可逆式電機的一個具體作用，這本身是從其他地方可以知道的，並 且電動機通常還適於作為發電機工作在可逆方式。通過使用作為電動機工作來驅動壓縮機旋轉的可逆式電機，可以使得空氣流經壓 縮機並且由此把壓縮空氣弓I入燃燒室從而開始燃燒。燃燒隨後產生能使渦輪被驅動旋轉的氣流，由此渦輪直接驅動壓縮機旋轉，這意 味著氣體發生器以獨立(self contained)方式工作，換言之渦輪發動機確實已經啟動。已知的是，裝配這種渦輪發動機的航空器包括需要電力供電的電氣裝備。例如，在直升機中，需要為裝配的諸如像電子控制項器、暖氣、空調、機械絞盤之類的 電氣裝備提供電力。到目前為止，在飛行中，已經使用可逆式電機來為電氣裝備輸送電力。為此，如文 獻EP 1712761所述，電機作為發電機工作並且由氣體發生器驅動旋轉，將從氣體發生器獲 取的旋轉動能轉換成電能。然而，在直升機中，從氣體發生器獲取動能包含以下不足。在飛行中，改變電機從氣體發生器獲取的機械能的量導致發動機的運行線在壓縮 機範圍中的移位。該移位對應於需要得到保證的抽運餘量(pumping margin)，從而產生以下結果·阻止以最佳壓縮比使用壓縮機，使發動機運行線的最優化變得惡化；以及·從而降低了穩定性能，影響具體的耗油量。

發明內容
本發明的一個目的是提出一種專門用於直升機的渦輪發動機以彌補上述不足。本發明通過以下事實實現上述目的，可逆式電機還被設計成在渦輪發動機啟動後 耦接到自由渦輪從而生成電力。換言之，在飛行中，作為發電機工作的可逆式電機的旋轉有利地由自由渦輪驅動， 使得有利地從自由渦輪得到用於轉換成電能的動能。發明人觀察到，與從氣體發生器獲取動能相比，從自由渦輪得到相同量的動能對 渦輪發動機效率的影響明顯較小。這是由於這種渦輪發動機的熱力學循環的特殊結構造成 的。結果，本發明的渦輪發動機在不過多地降低發動機效率的情況下能夠有利地提供 電力。此外，在飛行中，裝配了本發明的渦輪發動機的直升機的飛行能力受到較小影響， 只要保持氣體發生器的用於加速的性能即可。此外，在本發明中，用於啟動氣體發生器和提供電力的是同一個可逆式電機。有利地，可逆式電機經由第一可停用耦接裝置耦接到氣體發生器的軸部，所述可 逆式電機經由第二可停用耦接裝置耦接到自由渦輪的軸部，並且第一和第二耦接裝置被配 置成不同時激活。術語「可停用耦接裝置」用來表示所述耦接裝置可以位於激活位置上，其中連接到 所述耦接裝置的部件耦接在一起，或者位於停用位置上，其中所述部件斷開耦接，應當理解 的是，術語「部件」涵蓋了電機、氣體發生器和自由渦輪。在本發明中，在第一耦接裝置被激活時，第二耦接裝置被停用，S卩，可逆式電機與 氣體發生器耦接的同時與自由渦輪斷開耦接，相反地，在第二耦接裝置被激活時，第一耦接 裝置被停用，即電機耦接到自由渦輪的同時與氣體發生器的斷開耦接。在不超出本發明的範圍的情況下，還可以提供中間位置，在該位置處，第一和第二 耦接裝置同時被停用。根據本發明，在第一耦接裝置被激活時，可逆式電機作為電動機工作，以在啟動渦 輪發動機時驅動氣體發生器旋轉。相應地，在第二耦接裝置被激活時，可逆式電機作為發電機工作，從而通過從自由 渦輪得到動能來產生電力，這發生在渦輪發動機啟動之後，即基本上處於在飛行中。因為第一和第二耦接裝置不會被同時激活，所以不會有出現自由渦輪驅動氣體發 生器旋轉的危害情況的危險。有利地，第一耦接裝置和/或第二耦接裝置包括自由輪。使用自由輪的優勢在於，不需要外部操作者以電子方式或機械方式控制自由輪。這種自由輪通常由輪轂和安裝在輪轂上用於旋轉的外圍套環。輪轂可以驅動外圍 套環旋轉，但是反過來外圍套環不可以驅動輪轂。因而，只有在輪轂在被稱作「嚙合方向」的 預定方向轉動時才可以驅動套環。另外，輪轂和外圍套環彼此自由旋轉。具體地說，在自由輪的輪轂驅動外圍套環旋轉時，可停用耦接裝置被激活，相反 地，在自由輪的輪轂沒有驅動外圍套環旋轉時，可停用耦接裝置被停用。
優選地，第一耦接裝置包括第一自由輪，第二耦接裝置包括第二自由輪，並且第一 和第二自由輪相對地安裝。術語「相對地安裝」用來表示第一自由輪可以傳送來自電機的旋轉扭矩，而第二自 由輪可以把旋轉扭矩傳送給電機。有利地，第一耦接裝置和/或第二耦接裝置還包括減速齒輪。術語「減速齒輪」用來表示一個或多個減速級，例如包括齒輪系。從其他方面可以 了解這種減速齒輪。由於氣體發生器和自由渦輪通常旋轉得比可逆式電機快得多，所以減速齒輪用於 使可逆式電機的轉速與自由渦輪和氣體發生器的速度相匹配。有利地，第一耦接裝置包括具有第一減速係數的第一減速齒輪，而第二耦接裝置 包括具有第二減速係數的第二減速齒輪，並且第一和第二減速係數的比值小於第一極限值。優選地，選擇第一極限值使得第一和第二自由輪不同時嚙合。優選地，第一極限值與氣體發生器的標稱速度和自由渦輪的標稱速度的比值成比 例。優選地，比例係數嚴格地小於1。在本發明的另一實施例中，可逆式電機還適於耦接到氣體發生器從而用於產生電 力。優選地，可逆式電機適於在渦輪發動機啟動之後和在自由渦輪以低速旋轉或者實 際被阻止時耦接到氣體發生器，使得作為發電機工作的可逆式電機通過從氣體發生器得到 動能有利地輸送電力。有利地，可逆式電機適於通過第三可停用耦接裝置耦接到氣體發生器的軸部，並 且以每次僅激活第一耦接裝置、第二耦接裝置和第三耦接裝置中的一個的方式配置所述耦 接裝置。換言之，在第三耦接裝置被激活時，第一和第二耦接裝置被停用，即可逆式電機僅 經由第三耦接裝置耦接到氣體發生器，同時與自由渦輪斷開耦接。優選地，第三耦接裝置不同於第一耦接裝置。優選地，第三耦接裝置包括第三自由輪。有利地，第一和第三自由輪被相對地安裝。因此，第一和第三自由輪不會同時嚙合。優選地，但並非必須地，第三耦接裝置還包括齒式離合器形成裝置。在這種情況下，齒式離合器用於激活或停用第三耦接裝置，同時第三自由輪有利 於離合器接合和離合器分開，只要以零扭矩執行這些動作即可。在另一變型實施例中，第三耦接裝置包括代替齒式離合器和第三自由輪的液壓耦 接器。在本發明的渦輪發動機具有三個自由輪時，第三耦接裝置還有利地包括具有第三 減速係數的第三減速齒輪，並且第二減速係數和第三減速係數的比值大於第二極限值。以在飛行中氣體發生器不驅動作為發電機工作的可逆式電機旋轉的方式選擇第
二極限值。優選地，該第二極限值與氣體發生器的標稱速度和自由渦輪的標稱速度的比值成比例。優選地，比例係數嚴格地大於1。


在閱讀作為非限定示例給出的實施例的以下描述時，可以更好地理解本發明並且 更好地展示其優勢。該描述參考附圖，其中圖1是本發明的渦輪發動機的截面圖；圖2是本發明的第一實施例的示意圖，其中渦輪發動機包括第一和第二耦接裝 置；圖3是本發明的第二實施例的示意圖，其中渦輪發動機包括第一、第二和第三耦 接裝置；以及圖4是如圖3所示的本發明的第二實施例的示意圖，其中耦接裝置還包括齒式離
O
具體實施例方式圖1是構成本發明第一實施例的專用於旋轉直升機轉子(未示出)的渦輪發動機 10的示意圖，渦輪發動機10包括氣體發生器12和適於通過氣體發生器12所產生的氣流來 驅動而旋轉的自由渦輪14。自由渦輪14安裝在軸部16上，軸部16把旋轉運動傳送到諸如直升機主轉子之類 的從動部件。圖1所示的渦輪發動機10屬於把從前端排出的能量經由共軸輸送的類型。在不 超出本發明的範圍的情況下，自由渦輪式渦輪發動機完全可以屬於通過外軸輸送前端排出 的能量的類型，或者實際上可以是屬於在後端排出能量的類型的自由渦輪式渦輪發動機。氣體發生器包括轉軸18和燃燒室24，轉軸18具有安裝在其上的壓縮機20和渦輪 22，在沿轉軸18的軸向看氣體發生器12時，燃燒室24在軸向上位於壓縮機20與渦輪22 之間。渦輪發動機10呈現有外殼26，外殼配備有空氣入口 28，新鮮空氣通過該空氣入口 28進入氣體發生器12中。新鮮空氣在進入到氣體發生器12的殼體之後由壓縮機20壓縮，壓縮機將新鮮空 氣輸送到燃燒室24的入口從而使之與燃料混合。在燃燒室24發生的燃燒使得燃燒過的氣體以高速向渦輪22排出，從而有驅動氣 體發生器12的轉軸18旋轉的效果，由此驅動壓縮機20。氣體發生器12的轉軸18的轉速由燃料進入到燃燒室24的流速來確定。儘管動能被渦輪22吸取，但是離開氣體發生器的氣流呈現出巨大的動能。從圖1中可以理解的是，氣流F被導向自由渦輪14，從而具有使氣體在自由渦輪 14內膨脹的效果，由此使渦輪葉輪和軸部16處於旋轉狀態。渦輪發動機10還包括可逆式電機30，該可逆式電機30具體由適於作為發電機逆 向工作的電動機組成。可逆式電機30經由第一可停用耦接裝置32以機械方式耦接到氣體發生器12的
6轉軸18。更準確地說，如圖2所示，第一可停用耦接裝置32包括第一自由輪34和第一減速 齒輪36，第一減速齒輪36優選地包括具有第一減速係數Kl並且位於轉軸18與第一自由輪 34之間。以下列方式安裝第一自由輪在可逆式電機30作為電動機工作時(第一耦接裝置 被激活)可逆式電機30的轉軸38的旋轉能夠驅動氣體發生器12的轉軸18旋轉，相反，氣 體發生器12的轉軸18的旋轉不會驅動可逆式電機30的轉軸38的旋轉(第一耦接裝置被 停用)。換言之，第一自由輪34隻能夠把旋轉扭矩從可逆式電機30傳送到氣體發生器12， 但不能將旋轉扭矩從氣體發生器12傳送到可逆式電機30。因而，可逆式電機30的轉軸38的旋轉適於驅動氣體發生器12的轉軸18的旋轉 從而使其啟動。一旦氣體發生器12啟動，可逆式電機不再驅動氣體發生器12的旋轉。有利地，選擇第一減速係數Kl使得可逆式電機的速度與啟動發動機所需的速度 範圍相匹配。根據本發明，可逆式電機30還適於有利地經由第二耦接裝置40耦接到自由渦輪 14，使得所述可逆式電機在作為發電機工作時適於由自由渦輪14驅動旋轉從而提供電力。如圖2所示，第二耦接裝置40包括第二自由輪42，第二自由輪42類似於第一自由 輪34並且連接到可逆式電機的轉軸38。第二耦接裝置40還包括位於第二自由輪42與自由渦輪的軸部16之間的第二減 速齒輪44。第二減速齒輪44具有按照將可逆式電機的速度調整到使其提供電力所需的速度 範圍的方式選擇的第二減速係數K2。安裝第二自由輪42使得其僅能夠把旋轉扭矩從自由渦輪14的軸部16向電機30 的轉軸傳送。換言之，由於第二自由輪，可逆式電機30可以由自由渦輪14驅動(第二耦接裝置 被激活)但不能驅動所述自由渦輪(第二耦接裝置被停用)。在自由渦輪14驅動可逆式電機30旋轉時，電機作為發電機工作並且產生電力。如圖2所示，第一和第二自由輪被相對地安裝。具體地說，第一和第二自由輪呈現出相反的嚙合方向。因而，在作為電動機工作的可逆式電機驅動氣體發生器的轉軸18旋轉時(第一自 由輪嚙合，即，第一耦接裝置被激活)，第二自由輪沒有把旋轉扭矩從可逆式電機傳送到自 由渦輪14的軸部16 (第二耦接裝置被停用)。相反地，在自由渦輪14的軸部16驅動作為發電機工作的可逆式電機30的轉軸38 旋轉時(第二自由輪嚙合，即第二耦接裝置被激活)，布置成第一自由輪不把旋轉扭矩從可 逆式電機的轉軸38傳送到氣體發生器的轉軸18 (第一耦接裝置被停用)。如圖2所示，第一自由輪和第二自由輪均連接到可逆式電機30的轉軸38。為了避免自由渦輪14驅動氣體發生器12的轉軸18旋轉，需要第一自由輪不被齧
I=I O為此，可以如下以任選方式選擇第一和第二減速齒輪的減速係數Kl和K2，例如Kl , Α |100%NG|— </lmin * Tj-lT
K2 誦 |100%NTL|其中· 100% NG為氣體發生器12的轉軸18的標稱轉速；· 100% NTL為自由渦輪14的軸部16的標稱轉速；以及· 為比例係數，優選地等於最小比值
NG(t) _0] _，Vt。換言之，第一和第二減速係數Kl和K2的比值小於第一極限值Li，其中
Τ1 , |100%NG|= ^對於第一極限值Ll來說，本發明人發現在渦輪發動機工作期間，第一和第二耦接 轉軸從未同時被激活。參考圖3，對本發明的第二實施例進行說明。本發明的第二實施例中的渦輪發動機與圖2的第一實施例不同之處在於，可逆式 電機30還適於耦接到氣體發生器的轉軸18，具體說是經由第三可停用耦接轉軸50耦接到 氣體發生器的轉軸18，第三可停用耦接轉軸50適於在氣體發生器12的轉軸18與作為發電 機工作的可逆式電機30的轉軸38之間傳送旋轉扭矩，從而有利地在自由渦輪旋轉得沒有 快到使可逆式電機30能夠生成電力時來產生電力。例如，把第三耦接轉軸50布置成在自由渦輪14被阻止或者低速轉動時，特別是在 直升機位於地面時要被激活。在這種情況下，氣體發生器12由此驅動電機30的旋轉從而產生電力，要強調的 是，由於直升機位於地面，所以在這種情況下，沒有發生直升機的上述飛行問題。有利地，第一、第二和第三耦接裝置被配置成每次僅激活所述耦接裝置中的一個。具體地說，在第三耦接裝置50被激活時，即在氣體發生器驅動可逆式電機旋轉以 用作發電機時，第一耦接裝置32和第二耦接裝置40被停用。如圖3所示，第三耦接裝置50包括第三自由輪52和第三減速齒輪54，第三自由輪 52優選地類似於第一自由輪3，第三減速齒輪54具有第三減速係數K3，並置於第三自由輪 52與氣體發生器12的轉軸18之間。具體地說，第三耦接裝置50的工作原理類似於第一耦接裝置和第二耦接裝置的 工作原理。為了確保在飛行中氣體發生器12不驅動作為發電機工作的可逆式電機30的旋
轉，除了有關減速係數Kl和K2的上述條件之外，如下選擇減速係數K2和K3是適當的
K3|100%NG|
Γ01131 —>β *-!-L
L0113」K2 ρ腿 |100%NTL|其中β max為比例係數，優選地等於最大比值 NG⑴ w『NT^'Vt換言之，第三和第二減速係數K3和K2的比值大於第二極限值L2，其中
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權利要求
一種專門用於直升機的渦輪發動機(10)，所述渦輪發動機包括氣體發生器(12)和由氣體發生器所生成的氣流(F)驅動而旋轉的自由渦輪(14)，所述渦輪發動機還包括耦接到所述氣體發生器的可逆式電機(30)，所述可逆式電機適於在發動渦輪發動機啟動階段使所述氣體發生器旋轉，所述渦輪發動機的特徵在於所述可逆式電機還被設計成在渦輪發動機啟動之後耦接到所述自由渦輪(14)用以產生電力。
2.如權利要求1所述的渦輪發動機，其特徵在於所述可逆式電機(30)經由第一可停 用耦接裝置(32)耦接到氣體發生器的軸部(18)，所述可逆式電機(30)經由第二可停用耦 接裝置(40)耦接到所述自由渦輪的軸部，以及配置第一可停用耦接裝置和第二可停用耦 接裝置使之不同時啟動。
3.如權利要求2所述的渦輪發動機，其特徵在於第一可停用耦接裝置和/或第二可 停用耦接裝置(32，40)包括自由輪(34，42)。
4.如權利要求3所述的渦輪發動機，其特徵在於第一可停用耦接裝置(32)包括第一 自由輪(34)，第二可停用耦接裝置(40)包括第二自由輪(42)，以及第一自由輪(34)和第 二自由輪(42)相對地安裝。
5.如權利要求3或4所述的渦輪發動機，其特徵在於第一可停用耦接裝置和/或第 二可停用耦接裝置還包括減速齒輪(36，44)。
6.如權利要求5所述的渦輪發動機，其特徵在於第一可停用耦接裝置(32)包括具有 第一減速係數(Kl)的第一減速齒輪(36)，而第二可停用耦接裝置(40)包括具有第二減速 係數(K2)的第二減速齒輪(44)，並且第一減速係數和第二減速係數的比值小於第一極限 值(Li)。
7.如權利要求1-6中任一項所述的渦輪發動機，其特徵在於可逆式電機(30)還適於 耦接到氣體發生器(12)用以產生電力。
8.如權利要求2和7所述的渦輪發動機，其特徵在於可逆式電機(30)適於通過第三 可停用耦接裝置耦接到氣體發生器的軸部，並且以每次僅啟動第一可停用耦接裝置、第二 可停用耦接裝置和第三可停用耦接裝置中的一個的方式配置這些耦接裝置。
9.如權利要求8所述的渦輪發動機，其特徵在於第三可停用耦接裝置(50)包括第三 自由輪(52)。
10.如權利要求3和9所述的渦輪發動機，其特徵在於第一自由輪(34)和第三自由 輪(52)相對地安裝。
11.如權利要求8-10中任一項所述的渦輪發動機，其特徵在於第三可停用耦接裝置 (50)還包括齒式離合器形成的裝置(60)。
12.如權利要求6和權利要求8-11中任一項所述的渦輪發動機，其特徵在於第三可 停用耦接裝置(50)還包括具有第三減速係數(K3)的第三減速齒輪(54)，並且第二減速系 數和第三減速係數的比值大於第二極限值(L2)。
全文摘要
本發明涉及專門用於直升機的渦輪發動機(10)，其包括氣體發生器(12)和由氣體發生器所生成的氣流(F)驅動而旋轉的自由渦輪(14)，其中渦輪發動機還包括可以耦接到氣體發生器的可逆式電機(30)，所述可逆式電機能夠在渦輪發動機啟動階段使氣體發生器旋轉。本發明的特徵在於可逆式電機(30)還可以在渦輪發動機啟動之後耦接到自由渦輪(14)用以生成電力。
文檔編號F02C3/10GK101981276SQ200980110488
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月24日 優先權日2008年3月25日
發明者吉恩-盧克·弗雷拉, 奧利弗·白德瑞, 傑拉爾德·森傑, 莫妮克·福斯 申請人:渦輪梅坎公司