專利名稱：燃氣渦輪發動機總成及其組裝方法
技術領域：
一般來說，本發明涉及燃氣渦輪發動機，更具體地說，涉及一種配置成用于起動燃氣渦輪發動機并且還配置成用于產生電力的系統。
背景技術：
與飛機一起使用的至少一些已知的燃氣渦輪發動機包括核心發動機，該核心發動機具有串行流布置的用于壓縮進入發動機的氣流的壓縮機、用于燃燒燃料和空氣的混合物的燃燒室以及用于從燃燒室排出的氣流中提取能量以便產生推力的低壓和高壓渦輪。
隨著飛機輔助設備功率需求的增加，也不斷地需要在高于沒有功率增加需求的其它發動機的空轉速度下運轉燃氣渦輪發動機。更具體地說，燃氣渦輪發動機空轉速度的增加使得能夠在不犧牲壓縮機失速余量的情況下滿足功率增加需求。但是，空轉速度的增加也會產生高于飛行空轉降落操作和/或在地面空轉操作過程中所需的發動機推力等級。隨著時間的推移，在這樣的空轉操作過程中在增大的推力等級下連續運行會增加維修成本，并且增大的燃料流量要求也會增加飛機運行費用。
發明內容
在一個方面，提供一種用于組裝燃氣渦輪發動機的方法，該燃氣渦輪發動機包括核心燃氣渦輪發動機、低壓渦輪、起動器和發電機。該方法包括將起動器聯接到核心燃氣渦輪發動機；并將發電機聯接到低壓渦輪。
在另一個方面，提供一種用于燃氣渦輪發動機的起動器/發電機系統。該系統包括聯接到核心燃氣渦輪發動機的起動器和聯接到低壓渦輪的發電機。
在又一個方面，提供一種燃氣渦輪發動機總成。該燃氣渦輪發動機總成包括核心燃氣渦輪發動機、低壓渦輪和起動器/發電機系統，該起動器/發電機系統包括聯接到核心燃氣渦輪發動機的起動器和聯接到低壓渦輪的發電機。
圖1是包括實例性起動器/發電機系統的燃氣渦輪發動機總成的簡化示意圖； 圖2是如圖1所示的燃氣渦輪發動機總成和起動器/發電機系統的簡化示意圖； 圖3是如圖1和圖2所示的起動器/發電機系統的徑向外部的橫截面圖； 圖4是如圖1和圖2所示的起動器/發電機系統的徑向內部的橫截面圖；以及 圖5是如圖3和圖4所示的起動器/發電機系統的一部分的端視圖。
具體實施例方式 圖1是具有縱軸11的燃氣渦輪發動機總成10的橫截面圖。圖2是如圖1所示的燃氣渦輪發動機總成10的簡化示意圖。燃氣渦輪發動機總成10包括風扇總成12和核心燃氣渦輪發動機13。核心燃氣渦輪發動機13包括高壓壓縮機14、燃燒室16和高壓渦輪18。在該實例性實施例中，燃氣渦輪發動機總成10還包括低壓渦輪20和多級增壓壓縮機22。燃氣渦輪發動機總成10具有進氣側28和排氣側30。第一轉子軸31將風扇總成12、增壓器22和低壓渦輪20聯接在一起，并且第二轉子軸32將壓縮機14和高壓渦輪18聯接在一起。
在工作中，空氣流過風扇總成12，并且氣流的第一部分經過通道流過增壓器22。從增壓器22中排出的壓縮空氣經過通道流過壓縮機14，在壓縮機14中，氣流被進一步壓縮并輸送到燃燒室16。來自燃燒室16的熱燃燒產物(未示出)用于驅動渦輪18和20，并且渦輪20用于通過軸31來驅動風扇總成12和增壓器22。燃氣渦輪發動機總成10可以在設計工況操作條件和變工況操作條件之間的操作條件范圍內運行。
燃氣渦輪發動機總成10還包括起動器/發電機系統100，該系統100包括起動器102和發電機104。盡管本文將起動器102描述成用于起動核心燃氣渦輪發動機13的裝置，但應了解，起動器102也可由燃氣渦輪發動機13來驅動，且它可充當發電機。此外，盡管本文將發電機104描述成受到低壓渦輪20的驅動以便產生電能的設備，但應了解，發電機104也可驅動低壓渦輪20以便于在下文將論述的各種操作條件過程中重新起動燃氣渦輪發動機總成10。燃氣渦輪發動機總成10還包括電動機/發電機110、發電機/電動機120和附件機匣130，下文將對它們進行論述。
圖3是如圖1和圖2所示的起動器/發電機系統100的徑向外部的橫截面圖。在該實例性實施例中，起動器102包括電動機/發電機110、聯接到電動機/發電機110并由電動機/發電機110驅動的電動機軸112以及聯接到傳動軸112的傳動小齒輪114。發電機104包括發電機/電動機120、聯接到發電機/電動機120并由發電機/電動機120驅動的發電機軸122以及聯接到傳動軸122的傳動小齒輪124。在該實例性實施例中，電動機/發電機110和發電機/電動機120各自聯接到附件機匣130，該附件機匣130聯接到核心燃氣渦輪發動機13。
起動器/發電機系統100還包括聯接到電動機/發電機110的第一傳動軸150和聯接到發電機/電動機120的第二傳動軸152。第一傳動軸150具有內徑154，第二傳動軸152具有外徑156。在該實例性實施例中，外徑156小于內徑154，因而第一傳動軸150基本上包圍第二傳動軸152。具體來說，第二傳動軸152的外徑156小于第一傳動軸150的內徑154，因而第二傳動軸152可以位于第一傳動軸150內。
第一傳動軸150包括第一末端160和聯接到第一末端160的小齒輪162。在該實例性實施例中，傳動小齒輪114和小齒輪162都是錐齒輪，它們配置成使得傳動小齒輪114和小齒輪162相互嚙合，并且使得傳動小齒輪114旋轉時帶動小齒輪162旋轉。第二傳動軸152包括第一末端164和聯接到第一末端164的小齒輪166。在該實例性實施例中，傳動小齒輪124和小齒輪166都是錐齒輪，它們配置成使得傳動小齒輪124和小齒輪166相互嚙合，并且使得傳動小齒輪124旋轉時帶動小齒輪166旋轉。
圖4是如圖1、2和3所示的起動器/發電機系統100的徑向內部的橫截面圖。圖5是如圖4所示的起動器/發電機系統100的徑向內部的端視圖。
在該實例性實施例中，第一傳動軸150還包括第二末端170和聯接或用花鍵連接到第二末端170的小齒輪172。此外，燃氣渦輪發動機總成10還包括聯接或用花鍵連接到第二轉子軸32的環齒輪174。在該實例性實施例中，小齒輪172和環齒輪174都是錐齒輪，它們配置成使得小齒輪172和環齒輪174相互嚙合，并且使得軸32旋轉時帶動環齒輪174旋轉，并且因此帶動小齒輪172旋轉。第二傳動軸152還包括第二末端180和聯接或用花鍵連接到第二末端180的小齒輪182。此外，燃氣渦輪發動機總成10還包括聯接或用花鍵連接到第一轉子軸31的環齒輪184。在該實例性實施例中，小齒輪182和環齒輪184都是錐齒輪，它們配置成使得小齒輪182和環齒輪184相互嚙合，并且使得軸31旋轉時帶動環齒輪184旋轉，并且因此帶動小齒輪182旋轉。如圖3和圖4所示，可以將軸150和152制作成包括一個或多個軸部分，這個或這些軸部分聯接在一起形成單個相應軸，并且因此簡化了總成。視情況，在不影響本文所述的發明范圍的情況下，也可以將軸150和152制作成單一組件。
如圖4所示，起動器/發電機系統100還包括多個軸承總成，這些軸承總成利于將軸150和152保持在燃氣渦輪發動機總成10內的正確位置。具體來說，起動器/發電機系統100包括第一差動軸承190和第二差動軸承192，它們各自聯接在軸150和152之間。盡管這里就一對差動軸承190和192描述了本發明，但應了解，當將軸150和152制作成單一組件時，可以利用單個差動軸承190。差動軸承190和192各自包括緊固到軸150的旋轉外圈200和緊固到軸152的旋轉內圈202。每個差動軸承190和192還包括多個滾動元件204，它們分別位于外圈200和內圈202之間。差動軸承190和192各自利于將軸152保持在相對于軸150基本固定的方向，同時允許軸152獨立于軸150旋轉。
起動器/發電機系統100包括第三軸承210，該第三軸承210聯接在軸150和燃氣渦輪發動機總成10的結構組件之間，以便支撐軸150，同時仍允許軸150相對于該結構組件旋轉。第三軸承210包括聯接到軸150的旋轉內圈212、緊固到該結構組件的靜止外圈214。第三軸承210還包括多個滾動元件216，它們分別位于內圈212和外圈214之間。
起動器/發電機系統100包括第四軸承220，在該實例性實施例中，第四軸承220是配置成將軸150保持在燃氣渦輪發動機總成10內的基本固定的方向的滾柱軸承。第四軸承220包括聯接到軸150的旋轉內圈222、緊固到該結構組件的靜止外圈224以及分別位于內圈222和外圈224之間的多個滾動元件226。
在組裝過程中，將起動器102聯接到核心燃氣渦輪發動機13，并將發電機104聯接到低壓渦輪20。具體來說，將起動器102和發電機104各自聯接到附件機匣130。將第二傳動軸152插入到第一傳動軸150中。然后，將第一傳動軸150聯接到起動器102和核心燃氣渦輪發動機13之間，并將第二傳動軸152聯接到發電機104和低壓渦輪20之間。
在工作過程中，開動起動器102以便起動核心燃氣渦輪發動機13。具體來說，開動起動器102以使軸150旋轉，并且因此帶動核心燃氣渦輪發動機13旋轉和起動，這在本領域眾所周知。在該實例性實施例中，起動核心燃氣渦輪發動機13會帶動低壓渦輪20旋轉，從而使發電機104產生電能。另外，在飛行或其它操作過程中，可以利用發電機104來重新起動燃氣渦輪發動機。具體來說，因為發電機104包括發電機/電動機120，所以向發電機104供應電能時會使發電機104充當起動器。具體來說，因為發電機104通過軸152聯接到低壓渦輪20，所以將發電機104作為電動機進行操作時會使軸152帶動低壓渦輪20旋轉，并且因此重新起動燃氣渦輪發動機總成10。此外，在選定的操作條件過程中，可以利用核心燃氣渦輪發動機13來驅動起動器102，從而使起動器102充當發電機以利于產生額外電能，飛機可以利用該額外電能來應對峰值功率負荷情形。具體來說，燃氣渦輪發動機總成10還包括離合器230，該離合器230聯接在起動器102和軸32之間，使得在選定的操作條件過程中，可以脫開離合器230，以便使軸32驅動起動器102以產生電能。例如，在該實例性實施例中，離合器230是超速離合器，以便使離合器230在發動機啟動過程中嚙合。視情況，當需要時，將控制信號傳輸給離合器230，使得離合器230不會超速，并且使得起動器102充當發電機來產生電能。
這里描述了配置成當在低推力條件下操作發動機時從發動機提取相對大量的功率的燃氣渦輪發動機總成。這里描述的起動器/發電機系統配置成同時從核心燃氣渦輪發動機和低壓渦輪中提取功率以便共享負荷要求。例如，在地面起動過程中，起動器接合高壓壓縮機，從而轉動高壓壓縮機，以便在點燃燃燒室之前在核心燃氣渦輪發動機中形成氣流。視情況，在風車起動過程中，聯接到低壓渦輪的發電機可以利用它的發電機/起動器-電動機來產生用于推動高壓壓縮機加速的功率，以便點燃燃燒室。
結果，從低壓渦輪和風扇總成提取額外能量，以便支持不斷增加的電力需求。具體來說，新飛機被設計成需要由發動機附件機匣上的發電機驅動的異常大量的電力。因此，在空轉條件過程中的功率要求需要發動機在高于所需的空轉速度下運轉，以便維持足夠的壓縮機空轉余量。這導致發動機的推力等級高于飛行空轉降落點和地面空轉條件所需的推力等級，這意味著飛機剎車的維修成本以及典型短程任務的過度燃料燃燒代價。
但是，本文描述的系統同時從兩個軸分出功率，以便共享負荷要求。因此，本文描述的系統相對易于安裝，同時還提供了解決這個問題的低重量方法。此外，本文描述的系統允許在地面空轉條件過程中具有減小的推力以便減少飛機剎車維修，減少了灰塵吸入，并減小了飛行空轉推力，從而改善了飛行情況并改善了短程燃料燃燒，同時仍允許在高功率提取條件過程中保持足夠的壓縮機失速余量。
盡管就多個具體實施例描述了本發明，但本領域的技術人員將了解，本發明可以在權利要求的精神和范圍內進行修正。
零件清單
權利要求
1.一種用于燃氣渦輪發動機(10)的起動器/發電機系統(100)，所述燃氣渦輪發動機包括核心燃氣渦輪發動機(13)和聯接到所述核心燃氣渦輪發動機的低壓渦輪(20)，所述起動器/發電機系統包括
聯接到所述核心燃氣渦輪發動機的起動器(102)；以及
聯接到所述低壓渦輪的發電機(104)。
2.如權利要求1所述的起動器/發電機系統(100)，還包括
聯接在所述起動器(102)和所述核心燃氣渦輪發動機(13)之間的第一傳動軸(150)；以及
聯接在所述發電機(104)和所述低壓渦輪(20)之間的第二傳動軸(152)，其中所述第一傳動軸基本上包圍所述第二傳動軸。
3.如權利要求2所述的起動器/發電機系統(100)，還包括聯接在所述第一和第二傳動軸(150，152)之間的差動軸承(190)。
4.如權利要求2所述的起動器/發電機系統(100)，還包括
聯接到所述核心燃氣渦輪發動機(13)的環齒輪(174)；以及
聯接到所述第一傳動軸(150)的傳動小齒輪(172)，所述傳動小齒輪與所述環齒輪相互嚙合，使得開動所述起動器(102)時會帶動所述核心燃氣渦輪發動機旋轉。
5.如權利要求2所述的起動器/發電機系統(100)，還包括
聯接到所述低壓渦輪(20)的環齒輪(184)；以及
聯接到所述第二軸(152)的傳動小齒輪(182)，所述傳動小齒輪與所述環齒輪相互嚙合，使得所述低壓渦輪旋轉時會帶動所述發電機(104)旋轉。
6.如權利要求2所述的起動器/發電機系統(100)，其特征在于，所述起動器(102)包括聯接到所述第一傳動軸(150)的電動機/發電機(110)，所述電動機/發電機配置成當在第一模式下工作時轉動所述核心燃氣渦輪發動機(13)并且當在第二模式下工作時產生電能。
7.如權利要求2所述的起動器/發電機系統(100)，其特征在于，所述發電機(104)包括聯接到所述第二傳動軸(152)的電動機/發電機(110)，所述電動機/發電機配置成當在第一模式下工作時產生電能并且當在第二模式下工作時轉動所述低壓渦輪(20)。
8.一種燃氣渦輪發動機總成(10)，包括
核心燃氣渦輪發動機(13)；
低壓渦輪(20)；以及
起動器/發電機系統(100)，所述起動器/發電機系統(100)包括
聯接到所述核心燃氣渦輪發動機的起動器(102)；和
聯接到所述低壓渦輪的發電機(104)。
9.如權利要求8所述的燃氣渦輪發動機總成(10)，還包括聯接到所述低壓渦輪(20)的風扇總成(12)。
10.如權利要求8所述的燃氣渦輪發動機總成(10)，還包括
聯接在所述起動器(102)和所述核心燃氣渦輪發動機(13)之間的第一傳動軸(150)；以及
聯接在所述發電機(104)和所述低壓渦輪(20)之間的第二傳動軸(152)，其中所述第一傳動軸基本上包圍所述第二傳動軸。
全文摘要
提供一種用于燃氣渦輪發動機(10)的起動器/發電機系統(100)。燃氣渦輪發動機包括核心燃氣渦輪發動機(13)和聯接到核心燃氣渦輪發動機的低壓渦輪(20)。起動器/發電機系統包括聯接到核心燃氣渦輪發動機的起動器(102)和聯接到低壓渦輪的發電機(104)。
文檔編號F02C7/36GK101153559SQ20071016291
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月27日 優先權日2006年9月27日
發明者T·O·莫尼茨, P·庫克, R·J·奧爾蘭多 申請人:通用電氣公司