CN116507792A - 包括由自由涡轮所驱动的设备的自由涡轮式涡轮机 - Google Patents

Abstract

公开了一种涡轮机，包括：燃气发生器(13)，设置有第一轴(18)；至少一个可逆电机(11)；自由涡轮(12)，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；附件齿轮箱(14)；以及至少一个附件(15、16)。在涡轮机(10)的所有运行阶段期间，所述至少一个电机(11)经由附件齿轮箱(14)机械地联接至所述第二机械轴(17)，附件齿轮箱(14)联接到至少一个附件(15、16)，并且涡轮机(10)还包括单个机械联接装置(20)，用于将所述第一机械轴(18)以第一配置机械地联接至附件齿轮箱(14)，并且将所述第一机械轴(18)以第二配置从附件齿轮箱(14)机械地脱离联接。

Description

包括由自由涡轮所驱动的设备的自由涡轮式涡轮机

技术领域

本发明涉及航空自由涡轮式涡轮机，特别地用于涡轮发电机的涡轮机的一般领域，并且，更特别地，具有这种涡轮机的结构的涡轮发电机，该结构使得能够经由自由涡轮驱动设备，而不会在涡轮机启动期间损害设备的运行。

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和设备所必需的能量。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以及与其连接的设备的各种零件旋转。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。在启动阶段期间以马达模式运行的可逆电机对燃气发生器的轴的旋转还可驱动设备(该图中未示出)，该设备可以经由附件齿轮箱由轴2驱动。这使之可以为涡轮机供应燃料和油，并且使压气机4中的空气循环，并且因此将压缩空气带入燃烧室5，以便开始燃烧。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和设备被涡轮6旋转而无需电机的辅助，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所示的涡轮发电机，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，必须向装配飞机的所有电转子供应电力。

在如图1所示的涡轮机上，设备(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。

需要获取机械能以便被旋转的设备(例如泵)也被称为附件，并且通常安装在包括至少一个齿轮系的附件齿轮箱上，以便调节附件的旋转速度。

一旦启动阶段终止，已知在发电机运行模式下使用可逆电机，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。还指示了从启动阶段退出的点。

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1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齿轮箱驱动。

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至少使能量存储系统过大尺寸，以便使得电机具有足够的能量，以能够使整个运动链(包括主转子)旋转。

然而，这种系统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，自由涡轮的轴不联接至飞行器的旋翼的转子。换言之，这种系统对于自由涡轮式涡轮发电机而言相对太重且复杂，其中自由涡轮轴系的惯性通常较低。

为了改善自由涡轮式涡轮机的性能，还能够经由自由涡轮来驱动涡轮机的所有设备也将是有利的。然而，由于燃料泵的性能与其旋转速度相关联，因此，在启动阶段之后自由涡轮的速度的演变将不允许或强烈地影响燃料系统组件的设计，以保证涡轮机的正确启动。

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。

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；附件齿轮箱；以及联接至附件齿轮箱的至少一个附件。

根据本发明的技术特征，在涡轮机的所有运行阶段期间，电机经由附件齿轮箱机械地联接至所述第二机械轴，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用于以第一配置将所述第一机械轴机械地联接至附件齿轮箱，并且以第二配置将所述第一机械轴从附件齿轮箱机械地脱离联接，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、自由涡轮和所述至少一个附件。

根据本发明的涡轮机包括电机和单个自由轮，因此使得可以使用电机相互地用于燃气发生器的启动功能和高功率发电，并且一旦涡轮机启动，则使得自由涡轮能够驱动附件。实际上，它使之可以同时启动附件(自由涡轮和燃气发生器)的旋转，直到燃气发生器可以自主地运行，然后继续驱动自由涡轮和附件，直到自由涡轮也可以自主地运行。一旦自由涡轮处于自主旋转，电机可以在发电机模式下运行，并且，因此向其他元件供应电力。

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。

在涡轮机的涡轮发电机应用中，一个或多个电机的尺寸被确定用于产生高水平的电力(例如，用于推进力)，并且当它们在马达模式中使用时，可以在启动阶段期间容易地传递用于驱动燃气发生器、自由涡轮和设备所需的扭矩。实际上，在这样的应用中，自由涡轮轴系的惯性低，因为其不联接至直升机转子，例如仅电机的动力链和转子。

此外，根据本发明的结构使之可以在运行期间自由涡轮轴断裂的情况下，直接地影响附件(包括燃料泵)的驱动，具有立即关闭马达和因此限制自由涡轮的超速的直接作用。这种结构具有保护自由涡轮超速的作用。

根据涡轮机的第一方面，涡轮机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，并且在第一机械轴的速度超过从启动阶段退出的速度阈值时，将电机置于发电机模式。

一旦燃气发生器已经达到能够实现其自主运行的速度，通过将燃气发生器从附件齿轮箱脱离联接，待由电机输送的电能(直到自由涡轮的自主运行)减小，因为现在所需的能量的量仅对应于用于驱动自由涡轮和附件的能量的量。

在燃气发生器的自主运行与自由涡轮的自主运行之间的过渡阶段，在该过渡阶段期间，电机继续以马达模式运行，但仅用于附件和自由涡轮，因此使得可以保持设备或附件的旋转速度足够高，以确保它们的正确运行。

根据涡轮机的第二方面，电机可以配置成从涡轮机的启动阶段，以马达模式运行，直到第二机械轴或所述电机的运行参数已超过阈值，在该阈值处，自由涡轮被称为是自主的。与自由涡轮是自主的阈值相对应的运行参数的值优选地大于当第一轴达到用于从启动阶段退出的速度阈值时，所述运行参数具有的值。换言之，在燃气发生器已经变得自主时的时间之后，自由涡轮是自主的阈值到达。一旦第二机械轴或电机的参数已经超过自由涡轮是自主的阈值，电机被配置成在发电机模式下运行。

可以通过控制扭矩或速度产生启动阶段和过渡阶段。第二机械轴的运行参数可以是其速度或其机械扭矩。

根据涡轮机的第三方面，控制单元被配置为在马达模式下控制电机：

-根据从涡轮机的启动直到燃气发生器的点火的第一和第二机械轴的旋转速度，然后

-根据驱动第一机械轴和第二机械轴直至燃气发生器自主运行所需的扭矩水平，然后

-根据第一和第二机械轴的旋转速度，直到第二机械轴的所述参数已经超过自由涡轮是自主的阈值，

控制单元在与涡轮机的计算机相互作用的同时控制电机。

在检测点火之前的速度控制使得可以保持在优选的点火窗口中，换言之，其中成功点火的机会最高的速度间隔。

在过渡阶段期间，换言之，在燃气发生器脱离联接之后且在进入电机的发电机模式之前的速度控制使得可以在过渡期间通过补偿被联接至附件齿轮箱的附件上的扭矩变化而保持恒定的速度。

随着自由涡轮所传递的扭矩增加，在过渡阶段期间由电机提供的扭矩将减小，直到它最终被抵消。

根据涡轮机的第四方面，机械联接装置可以包括自由轮。

根据涡轮机的第五方面，联接装置可被容纳在附件齿轮箱的壳体中。

因此，附件齿轮箱的小齿轮使得可以调节机械地联接至第一机械轴，换言之，联接至燃气发生器的设备(诸如燃料泵或油泵)的速度，还确保从启动阶段开始，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的机械端上的输入速度，始终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。

根据涡轮机的第七方面，当机械联接装置处于其第一配置时，附件齿轮箱可以被配置成改变自由涡轮与燃气发生器之间的齿轮齿数比。

根据涡轮机的第七方面，附件齿轮箱可以被布置，并且可连接在机械联接装置与第二机械轴之间。

附件齿轮箱使之可以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。

该配置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。

根据涡轮机的第七方面，涡轮机可以进一步包括附加的附件齿轮箱，该附加的附件齿轮箱连接至第一轴，以便将附加的附件永久地直接地联接至燃气发生器。

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示出了根据实施方式的用于控制图3的涡轮机的启动的方法的逻辑图。

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包括轴17，该轴17永久地机械地连接至附件齿轮箱14。附件齿轮箱14机械地联接至电机11。因此，电机11与自由涡轮12之间的运动链不包括任何脱离联接的装置，从而使得可以在涡轮机10的所有运行阶段期间，特别地在启动阶段和发电阶段期间，使涡轮机12联接至电机11。

附件齿轮箱14同样机械地联接至燃料泵15和油泵16两者。在其他实施方式中，其他附件可以机械地联接至附件齿轮箱14。

燃气发生器13包括轴18，该轴18经由单个机械联接装置20连接且机械地联接至附件齿轮箱14。单个机械联接装置20被配置成用于在第一配置下将燃气发生器13的轴18机械地联接至附件齿轮箱14上，并且在第二配置下用于从附件齿轮箱14机械地脱离联接，以便特别地将燃气发生器的轴18从轴17和电机11脱离联接。燃气发生器13的轴18因此经由附件齿轮箱14选择性地联接至电机11。

机械联接装置20包括自由轮。

涡轮机10还包括电机11的控制单元30，该控制单元配置成在涡轮机10的启动阶段期间将电机11置于马达模式，并且当它检测到自由涡轮能够自主地运行时将电机11置于发电机模式。

联接装置20被机械地配置成在涡轮机10的启动期间使电机11经由轴18机械地联接至燃气发生器13。

此外，联接装置20被机械地配置成一旦燃气发生器13达到用于从启动阶段退出的速度阈值，就将燃气发生器从电机11脱离联接。

图4示出了根据本发明的实施方式的用于控制涡轮机10的启动的方法的逻辑图。

图5以图示地示出了在使用图4的方法其启动期间，以实线示出了图3的燃气发生器13的轴18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。

涡轮机10的启动方法包括第一步骤405，其中，电机11被置于马达模式，并且启动，以便开始自由涡轮12和燃气发生器13的轴17和18经由附件齿轮箱14的旋转。实际上，在通过电机11旋转附件齿轮箱14的期间，机械联接装置20，其可以是自由轮，自动传递用于旋转燃气发生器13所需的扭矩。从在第一步骤405中启动电机11开始，电机11例如由控制单元30控制，然后在第二步骤410中根据其联接至附件齿轮箱14的机械轴的旋转速度来控制，以使得燃气发生器13的轴17的旋转速度保持在点火窗口中，换言之，保持在用于使燃气发生器燃烧室的成功点火的机会最大化的指定速度范围中。对于该控制，控制单元30可以包括电子处理单元，诸如计算机，并且接收关于电机11的轴或燃气发生器13的轴17的速度的信息，这两个速度彼此成比例，其中换算系数专用于附件齿轮箱14的齿轮系。

在第三步骤415中，检查燃气发生器13的燃烧室是否被点燃。只要没有检测到燃气发生器13的点火，就维持电机11的速度控制。

另一方面，一旦在步骤415中检测到燃气发生器13的点火，则在第四步骤420中，根据作为电机11的旋转速度的函数的扭矩的预定曲线来控制电机11的扭矩。

在第五步骤425中，将燃气发生器的轴18的旋转速度与燃气发生器的自主运行的阈值进行比较。例如，相对于燃气发生器可以自主运行的旋转速度的值，限定用于燃气发生器13的自主运行的阈值。只要燃气发生器13的轴18的旋转速度没有达到与用于燃气发生器13的自主运行的阈值对应的值，电机11的扭矩控制就在第四步骤420中继续执行。

另一方面，一旦达到阈值，则在第六步骤430中，根据能够实现附件(诸如燃料泵15和油泵16)的正确运行的阈值对电机11进行速度控制，并且限制从电网获取的电力。

在第七步骤435中，例如，在由电机所传递的扭矩水平和/或在相应的阈值处的其旋转速度之间进行比较，在阈值处自由涡轮可以自主地运行，换言之，在阈值处由燃气发生器13所传送的流量足以引起自由涡轮12的旋转或使其加速。只要在自由涡轮12上可供使用的功率不允许由电机所传送的扭矩被减小，从而使其能够维持其设定点速度，或者只要不存在旋转速度的正变化，则在第六步骤420中根据速度设定点继续执行电机11的控制。

另一方面，一旦达到阈值，在第八步骤440中，电机11改变运行模式。电机11从马达模式切换到发电机模式。

因此，电机11可以作为发电机来运行，并且从自由涡轮12的轴17的旋转产生电力，该轴17由自由涡轮12的旋转运动所驱动，该自由涡轮自身由燃气发生器13所输送的气流驱动。

在燃气发生器13的自主运行与自由涡轮12的自主运行之间的过渡阶段，在此期间，电机11继续以马达模式运行，但仅确保附件和自由涡轮12的驱动，因此使得可以保持设备或附件的旋转速度足够高，以确保它们的正确运行。

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 (9)

1.一种涡轮机(10)，包括：燃气发生器(13)，所述燃气发生器装配有第一机械轴(18)；至少一个可逆电机(11)；自由涡轮(12)，所述自由涡轮装配有第二机械轴(17)，并且被燃气发生器(13)所产生的气流引起旋转；附件齿轮箱(14)；以及联接至附件齿轮箱(14)至少一个附件(15，16)，

其特征在于，在涡轮机(10)的所有运行阶段期间，所述至少一个电机(11)经由附件齿轮箱(14)机械地联接至所述第二机械轴(17)，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用于在第一配置下将所述第一机械轴(18)机械地联接至附件齿轮箱(14)，并且在第二配置下将所述第一机械轴(18)从附件齿轮箱(14)机械地脱离联接，电机(11)的大小被确定成用于引起燃气发生器(13)、以及所述至少一个附件(15，16)和自由涡轮(12)在涡轮机(10)的启动期间旋转。

2.根据权利要求1所述的涡轮机(10)，进一步包括所述至少一个电机(11)的控制单元(30)，所述控制单元(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，并且当它检测到自由涡轮能够自主地运行时，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(10)，其中，电机(11)被配置成用于从涡轮机(10)的启动阶段在马达模式下运行，并且直到第二机械轴(17)或电机(11)的机械参数中的一个机械参数已经超过在阈值处自由涡轮(12)是自主的该阈值，一旦所述第二机械轴(17)或电机(11)的所述参数已经超过在阈值处自由涡轮(12)是自主的阈值，所述电机被配置成用于在发电机模式下运行。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中，控制单元(30)被配置为在马达模式下控制电机(11)：

-根据从涡轮机(10)启动直到燃气发生器(13)点火的第一机械轴和第二机械轴(17和18)的旋转速度，然后

-根据驱动第一机械轴和第二机械轴(17和18)直至燃气发生器(13)自主运行所需的扭矩水平，然后

-根据第一机械轴和第二机械轴(17和18)的旋转速度，直至第二机械轴(17)的所述参数已经超过在阈值处自由涡轮(12)是自主的该阈值。

5.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机(10)，其中，机械联接装置(20)包括自由轮。

6.根据权利要求1至5之一所述的涡轮机(10)，其中，机械联接装置(20)容纳在附件齿轮箱(14)的壳体中。

7.根据权利要求1至6之一所述的涡轮机(10)，其中，附件齿轮箱(14)被配置成当机械联接装置(20)处于其第一配置时，改变自由涡轮(12)与燃气发生器(13)之间的齿轮齿数比。

8.根据权利要求1至5之一所述的涡轮机(10)，其中，附件齿轮箱(14)被布置，并且能够被连接在机械联接装置(20)与第二机械轴(17)之间。

9.根据权利要求1至8之一所述的涡轮机，进一步包括附加地连接至第一轴(18)的附件齿轮箱，以用于将附加的附件永久地直接地联接至燃气发生器(13)。