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CN105339597A - 带有发电机的涡轮风扇发动机 - Google Patents

带有发电机的涡轮风扇发动机 Download PDF

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CN105339597A CN201380077256.6A CN201380077256A CN105339597A CN 105339597 A CN105339597 A CN 105339597A CN 201380077256 A CN201380077256 A CN 201380077256A CN 105339597 A CN105339597 A CN 105339597A
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Abstract

涡轮风扇发动机包括具有可旋转的风扇和发电机的涡轮发动机。发电机进一步包括主机、励磁机、以及用于控制主机的励磁的发电机控制单元。转子组件位于叶片中的一个内，并且定子组件沿转子组件的旋转路径设置，借此涡轮发动机的运转使风扇旋转，风扇使转子组件沿其旋转路径旋转经过定子组件以发电。

Description

带有发电机的涡轮风扇发动机
背景技术
涡轮发动机，并且特别是燃气涡轮发动机(也称为燃烧式涡轮发动机)是从经过发动机到许多个涡轮机叶片上的燃烧气体的流中提取能量的旋转式发动机。燃气涡轮发动机已经用于陆地和海上运输和发电，但是最常用于诸如飞机(包括直升机)的航空应用。在飞机中，燃气涡轮发动机用于推进航空器。
燃气涡轮发动机可以具有两个或更多个转轴(spool)，包括低压(LP)转轴和高压(HP)转轴，低压转轴提供整个推进系统的大部分推力，高压转轴通过沿向后方向引导排出气体而驱动一个或更多个压缩机，并产生附加的推力。
燃气涡轮发动机还可使用一个或更多个转轴的机械动力来给诸如发电机、启动器/发电机、永磁交流发电机(PMA)、燃油泵、液压泵(例如航空器上除了推进之外所需的功能的设备)的许多不同的附件供能。例如，现在的航空器需要用于航空电子设备、电动机和其它电子设备的电力。与燃气涡轮发动机联接的发电机将发动机的机械动力转换成为附件提供电力的电能。
通过使用发动机的压力转轴来旋转发电机转子并因此生成电力，发电机从燃气涡轮发动机中提取机械动力来生成用于航空器的电力。一个生成的电信号的示例为400Hz处的115VAC。
发明内容
一方面，一种涡轮风扇发动机包括具有带有多个叶片的可旋转的风扇的涡轮发动机，、具有围绕叶片的一部分的机舱、以及发电机。发电机进一步包括：主机，其具有主转子绕组和主定子绕组；励磁机，其具有励磁机转子绕组和励磁机定子绕组；整流器，其将励磁机转子绕组电连接到主转子绕组；以及发电机控制单元(GCU)，其电联接到励磁机定子绕组和主定子绕组，并且通过向励磁机定子绕组供电来控制主机的励磁。主转子绕组和励磁机转子绕组限定转子组件，转子组件位于至少一个叶片内，并且主定子绕组和励磁机定子绕组限定定子组件，定子组件沿转子组件的旋转路径固定地位于机舱内，借此涡轮发动机的运转使风扇旋转，风扇使转子组件沿其旋转路径旋转经过定子组件以发电。
附图说明
在附图中：
图1是按照本发明的一个实施例的涡轮风扇发动机的透视图。
图2是沿图1的线2-2截取的局部截面图，其显示了按照本发明的一个实施例的定子和转子组件。
图3是显示按照本发明的第二实施例的启动机/发电机组件的示意图。
具体实施方式
尽管本发明的实施例可以在使用生成电力的燃气涡轮发动机的任何环境中实施，但当前考虑在喷气式发动机环境中实施，其中发电机典型地称作电动机或电机。因此，对当前考虑的环境的简要概述应当有助于更全面了解本发明。燃气涡轮发动机可以是可变速的涡扇发动机，诸如GeneralElectricGEnx或CF6系列发动机，它们通常用在现代民用和军用航空，或者燃气涡轮发动机也可以是各种已知的其它燃气涡轮发动机，诸如涡轮螺旋桨发动机或涡轮轴发动机。燃气涡轮发动机还可以具有补燃器(afterburner)，其焚烧低压涡轮机区域下游的额外的燃料量，以增加排出气体的速度，并由此提高推力。
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机10的透视图，其作为本发明的实施例将证明是有优点的环境的示例。发动机10以下游顺序流关系包括：驱动轴12，其包括诸如低压(LP)风扇区段14的可旋转的风扇，该风扇区段具有多个LP风扇叶片16；以及低压(LP)涡轮区段18，其具有多个LP涡轮叶片20。驱动轴12通过例如间隔的轴承(未显示)的允许旋转的发动机10元件支撑。发动机10进一步包括机舱24(示出为虚线轮廓)，其围绕风扇叶片16和涡轮叶片20中的每一组，并且沿发动机10的长度的至少一部分轴向延伸。
通过使用诸如驱动轴12和LP风扇区段16的旋转元件以形成发电机的转子和诸如机舱24的静止构件以形成定子来使发电机与喷气式发动机一体地形成。具体来说，如图所示，每个LP风扇叶片16进一步包括集成在每个叶片16的径向尖端内的转子组件22。尽管转子组件22被描述为集成在每个叶片16的径向尖端内，但预期可以采用将组件22紧固到叶片16的替代方案，诸如机械紧固、粘合剂等。机舱24进一步包括多个定子组件26，其固定地位于机舱24内，围绕机舱24隔开，并且沿LP风扇叶片16的转子组件22的旋转路径轴向排列。
驱动轴12被配置成用于相对于机舱24的旋转，使得转子组件22的旋转路径与固定的定子组件26轴向对齐。机舱24另外包括发电机控制单元(GCU)28，其固定地位于机舱24内。定子组件26和GCU28可以集成在机舱24内，或者它们可以使用紧固到机舱24的替代方案，诸如机械紧固，粘合剂等。定子组件26可以成套地围绕机舱24布置或成组。另外，GCU28可以根据需要备选地位于发动机10、机舱24或航空器的另一部分内。
图2是沿图1的线2-2截取的局部截面图，其显示了按照本发明的一个实施例的发电机30以及转子组件22和定子组件26。应理解，尽管图2仅示出了转子组件22与定子组件26之间的单个相互作用，但是如在图2和后文中使用的用语“发电机30”是指所有的转子组件22与定子组件26的共同的相互作用。
发电机30包括主机34、励磁机36和永磁发电机(PMG)38。转子组件22包括主转子40、励磁机转子42和PMG转子44。定子组件26包括对应的主定子46、励磁机定子48和PMG定子50。PMG转子44显示为具有带有至少拥有两极的永久磁铁。PMG定子50与PMG转子44电磁对齐，并且包括绕组，该绕组布置成沿导体54提供用于供应到GCU28的单相输出。尽管图示了PMG38，但是应理解，PMG38是可选的构件。例如，本发明的实施例可预想到没有可选的PMG38，其中备选的供能源(诸如电池)沿导体54提供供应到GCU28的输出。
励磁机定子48包括经由导体54电联接到GCU28的绕组，并且与励磁机转子42电磁对齐。励磁机转子42包括绕组，其布置成提供与整流器52电联接的单相输出，前述联接经由导体54实现。整流器52的一个示例可以是基于二极管的整流器，用于将单相输入整流为直流输出。
主定子46包括布置成经由导体54与GCU28电联接的绕组，并且主定子46与主转子40电磁对齐。主转子40包括用于经由导体54接收整流器52的直流输出的绕组。
GCU28电联接到发电机30的每个定子组件26，并且可操作地配置成将电流从一个或更多个PMG定子50电子切换至一个或更多个励磁机定子48或励磁机定子48的组。在此意义上，GCU28能够通过选择性地向励磁机定子48的绕组供电来控制主机34的励磁而控制当前实施例中的电力的生成。此外，尽管每个单独的转子组件22和定子组件26相互作用可只在PMG定子50的绕组内生成单相位或脉冲，但是所有的转子和定子组件22，26相互作用的累积效果可以结合以在GCU28处产生三相位或多相位。例如，单独的转子和定子组件22，26可只从PMG44相互作用中发电，但是可能不能在主机34中发电，或者反之亦然。选择的电子开关可能是可变的，基于驱动轴12的旋转速度，所需的电压或频率生成，或者基于转子组件22与定子组件26之间相互作用来定时的。如果期望直流输出，GCU28可以进一步具有整流器(未显示)以整流由PMG定子50或主定子46接收的电流。
至少一个电压输出提供在发电机30的外部以提供电力至发电机30和来自发电机30的传送。如图所示，该功率连接从GCU28接收，并且输送到发电机输出端32，并可以提供交流电、多相和恒定电压输出中的至少一个，其中接地基准来自发电机30。发电机30可以另外以预定频率(诸如在预定极限内的恒定频率或可变频率)生成电力。生成的电力的一个示例包括在400Hz频率下的三相115VAC。可以构想到交替生成的相、电流和电压。
在运转中，涡轮风扇发动机10的燃烧驱动LP涡轮机18，其继而使驱动轴12旋转，从而促使LP风扇区段14生成推力。这还会使具有转子组件22的每个LP风扇叶片16沿其旋转路径旋转，使得其与径向间隔的定子组件26的每次相互作用均作为用于发电的发电机30。在这个意义上，驱动轴12提供来自变速发动机10的直接轴向旋转源，使得驱动轴12的速度、并因此LP风扇叶片16的速度随发动机10的速度而变化。
具体来说，旋转PMG转子44在PMG定子50的绕组中生成单相输出，从而向GCU28供给功率。GCU28选择性地给励磁机定子48的目标绕组通电(energize)以创建磁场。励磁机转子42的旋转生成单相功率，其通过整流器52转换成直流电力并供应到主转子40的绕组。主转子40相对于主机定子58旋转，从而生成由GCU28接收的单相功率输出，该单相功率输出可进一步相加由所有转子组件22和定子组件26生成的总电力，并且将所生成的功率供应到发电机输出端32，并因此供应到航空器。取决于抽取功率的电力负载的类型，由每个转子组件22和定子组件26生成的功率可以在被负载使用之前经历进一步的处理。例如，GCU28可相加由用于生成的功率的每一个相位的转子组件22和定子组件26的特定套或组生成的电力，或者GCU28可以改变频率或变换所生成的功率的电压至所需或预定的特性。在一个示例中，相加的电力在400Hz处以115VAC生成。
图3示出了根据本发明的第二实施例的备选的启动机/发电机(S/G)130。第二实施例类似于第一实施例；因此，类似的部分将用类似的数字加上100来表示，应理解，除非另作说明，否则第一实施例的类似部分的描述应用于第二实施例。第一实施例和第二实施例之间的差异在于，第二实施例中的S/G130提供启动功能以开始驱动轴12旋转来启动发动机10或S/G130中的发电。
GCU28布置成与具有第一位置和第二位置的启动控制开关168电子地联接，其中当开关处于第一位置中时定子GCU28连接到外部电源(例如单相启动机驱动器170)，从而允许功率经过GCU28至励磁机定子48中的绕组，并且其中当开关处于第二位置中时GCU28与单相启动机驱动器170断开连接。
启动机驱动器170包括电源172和控制器174，该控制器174能够调整启动机驱动器170功率输出的频率。可以预期到内部电源和外部电源的示例，包括另一个正在运行的发动机的功率输出，常见的三相壁式插座，甚至是直流(DC)电源。在此实施例中，当开关处于第一位置中时，GCU28或控制器174可以选择性地控制哪个定子组件26从启动机驱动器170接收功率。
在此实施例中，发动机10和/或S/G130以两个不同的模式运转：启动模式和运行模式，其中启动模式运转以提供驱动轴12的启动扭矩和加速度，而运行模式运转为典型的发电机，诸如在第一实施例中。启动模式开始时，驱动轴12未旋转并且控制开关168处于第一位置以接收从启动机驱动器170到励磁机定子48的绕组的功率输入。
从此状态开始，来自启动机驱动器170的功率输入通过选择性地供应功率至以动态发展或预定的顺序的特定定子组件26中的励磁机定子48的绕组来产生旋转磁场。选择性地供应至励磁机定子48中的绕组的功率继而在励磁机转子42的绕组上感生电流。随后的感生的电流在励磁机转子42和LP风扇叶片16上生成足够的扭矩，以开始附接的驱动轴12的旋转。
一旦驱动轴12达到可运转的发动机10频率或者S/G130达到可运转的发电频率，模式从启动模式变化为运行模式。在此模式变化时，启动控制开关168从第一位置切换到第二位置，并且S/G130开始类似于第一实施例中的发电机30而运转。
除了以上附图中所示的实施例和构造之外，本发明预期许多其他可能的实施例和构造。例如，尽管每个LP风扇叶片16图示为具有一体的转子组件22，但构想的是较少的叶片16可以具有一体的转子组件22。例如，构想在每隔一个LP风扇叶片16、每三个叶片16或者仅在单个叶片16中具有一体的转子组件22的实施例。此外，具有位于单个LP风扇叶片16中的若干转子组件22的当前发明构想的实施例，以及其中所有转子组件22位于不同叶片中的实施例。
此外，尽管机舱24图示为环绕风扇和涡轮叶片16，20组，但是构想备选实施例可以仅环绕发动机10或叶片16、20的部分径向区段。相对地，定子组件26可只环绕发动机10或叶片16、20的部分径向区段。备选实施例的另一个示例提供了与转子组件22的数目相等的定子组件26的数目，并可布置成使组件22、26之间的旋转相互作用是同时的或者可以例如在组件22、26组中偏移。
此外，除了上述实施例以外或替代上述实施例，构想本发明的实施例，其中LP涡轮叶片20具有至少部分被定子组件26环绕的转子组件22。构想转子组件22、定子组件26的构造、分组和发电的上述实施例应用于LP涡轮叶片20实施例。此外，备选定子组件26组的构造可以允许超过一个三相输出的生成。
在本发明的又一个实施例中，每个转子组件22中的整流器52可共同地由驱动轴12处的更坚固整流器替换，诸如基于二极管的旋转整流器。在这些实施例中，每个励磁机转子42处生成的单相电力，或者由多个励磁机转子42生成的收集的多相功率可以在驱动轴12中相加并且供应到所有主转子40，或者根据上述实施例选择性地供应到一个或许多个主转子40。
在S/G130实施例的又另一个示例中，电源172可以备选地经由GCU28将启动电流施加到主定子46的绕组上，以在主转子40上生成启动扭矩，并因此在驱动轴12上生成启动扭矩。在S/G130的又一个实施例中，电源172可以额外地在发动机在飞行期间运转的同时以启动模式运转，以便在例如LP风扇区14中提供额外的旋转扭矩，以在混合推进系统中产生额外推力。此外，可以重新布置各种部件的设计和放置，使得能够实现许多不同的相符构造。
本文中公开的实施例提供了一种具有成一体的发电机的发动机。上述实施例中可以实现的一个优势在于，上述实施例替换或减小了对典型的航空器发电机系统的需求，并且移除了将高压或低压发动机链接到发电机所需求的相关机械连接。此外，发电机的效率由于LP风扇叶片的长度而被改善，LP风扇叶片的长度能够产生更高水平的扭矩。由于叶片在运转期间的高速度，这在磁场中生成极高变化速率，从而进一步改善效率。
上述实施例的另一个优势在于，上述实施例还移除或减小了对定子冷却的需求，因为定子组件被单独地小功率供能，并且分散在整个风扇箱周围。此外，发动机的该区域通过LP风扇吸入的大量空气冷却，并且遍及飞行的所有阶段经历环境空气温度，例如巡航高度期间的-50摄氏度。上述实施例由于通过定子组件或其他被包括的构件生成的热量水平而额外地减小或移除对整流罩防冰装置的需求。
在上述实施例的又一个优势中，设计还是高度冗余的，因为每个定子组件均为整装单元并且隔离于所有其他定子组件运转。如果一个定子组件发生故障，则发电机将由于剩余的定子组件而继续运行。类似地，转子组件散布越过多个风扇叶片，并且任意单独的风扇叶片或转子组件的故障不会促使整个发电机故障。
在上述实施例的另一个优势中，设计进一步移除对冲压空气涡轮机(RAT)的需要，因为发电机将由于在空气流过发动机时LP风扇区段的“风车旋转”动作而继续起作用，即使发动机燃烧器已停止运转。
在上述实施例的又一个优势中，在机载生成足够的电力(例如使用燃料电池)的混合式发动机中，实施例可以用于在煤油燃料燃烧发动机故障时产生推力。备选地，在机载生成足够的电力的混合式发动机中，实施例可以与燃烧式发动机组合提供额外的推力，从而减少可燃燃料的使用。
在上述实施例的又一个优势中，发电机可以为发动机或发电机提供启动功能，而无需额外的启动设备。上面列出的技术优势减少零件、减少维护、增加冗余度并且提高发动机和发电机系统的可靠性。
在设计航空器部件时，要解决的重要因素是大小、重量和可靠性。上述发动机和发电机系统具有使系统能够发电的较少数量的零件，从而使得整个系统固有地更为可靠。这些优势导致更轻的重量、更小的大小、改善的性能并提高的系统可靠性。零件的较少数目和减少的维护将引起更低的生产成本和更低的运转成本。此外，发电的提高的冗余性固有地提高系统的可靠性。降低重量和大小与飞行期间的竞争优势有关。
本书面说明书使用示例来公开包括最佳模式的本发明，还使得任意本领域技术人员可实践本发明，包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员可想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求书的范围内。
零件列表
10发动机
12驱动轴
14LP风扇区段
16LP风扇叶片
18LP涡轮区段
20LP涡轮叶片
22转子组件
24机舱
26定子组件
28发电机控制单元(GCU)
30发电机
32发电机输出端
34主机
36励磁机
38永磁发电机(PMG)
40主转子
42励磁机转子
44PMG转子
46主定子
48励磁机定子
50PMG定子
52整流器
54导体
130启动机/发电机(S/G)
168启动控制开关
170单相启动机驱动器
172电源
174控制器。

Claims (15)

1.一种涡轮风扇发动机，包括：
涡轮发动机，其包括带有多个叶片的可旋转的风扇；
机舱，其具有包围所述叶片的一部分；以及
发电机，包括：
主机，其具有主转子绕组和主定子绕组；
励磁机，其具有励磁机转子绕组和励磁机定子绕组；
整流器，其将所述励磁机转子绕组电联接到所述主转子绕组；以及
发电机控制单元(GCU)，其电联接到所述励磁机定子绕组和所述主定子绕组，并且通过向所述励磁机定子绕组供电来控制所述主机的励磁；
其中所述主转子绕组和所述励磁机转子绕组限定转子组件，所述转子组件位于所述叶片中的至少一个内，并且所述主定子绕组和所述励磁机定子绕组限定定子组件，所述定子组件沿所述转子组件的旋转路径固定地位于所述机舱内，借此所述涡轮发动机的运转使所述风扇旋转，所述风扇使所述转子组件沿其旋转路径旋转经过所述定子组件以发电。
2.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，进一步包括若干转子组件，并且所述若干转子组件中的至少一些位于以下项中的至少一项内：单个叶片和不同叶片。
3.根据权利要求2所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所有的所述叶片具有转子组件。
4.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，进一步包括若干定子组件，其沿所述旋转路径围绕所述机舱隔开。
5.根据权利要求4所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，定子组件的数量等于转子组件的数量。
6.根据权利要求4所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述定子组件围绕所述机舱布置并分组，以生成多相电力。
7.根据权利要求6所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述GCU以预定频率从所述布置和分组的定子组件输出所生成的电力和GCU相加的生成的电力中的至少一个。
8.根据权利要求7所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述预定频率是恒定的预定频率和400Hz处的115VAC中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述转子组件和可旋转的风扇中的至少一个包括所述整流器。
10.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，进一步包括永磁发电机(PMG)，其具有形成所述定子组件的一部分的PMG定子绕组和形成所述转子组件的一部分的PMG永久磁铁。
11.根据权利要求10所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述PMG定子绕组电联接到所述GCU并且向所述GCU供电。
12.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述GCU选择性地供电以向励磁机绕组通电。
13.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，每个励磁机转子绕组与整流器输入端电联接，并且每个主转子绕组与整流器输出端电联接。
14.根据权利要求1所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，进一步包括启动机/发电机，其包括交流电源以向所述励磁机定子绕组和所述主定子绕组中的至少一个施加启动电流，其中施加所述启动电流生成使所述可旋转的风扇旋转的扭矩。
15.根据权利要求14所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述启动电流经由所述GCU施加。
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