专利名称：涡扇发动机的高压转子和低压转子的可变耦合的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转机械的耦合方法与装置，且更具体地涉及涡扇机械的高压(HP)和低压(LP)涡轮轴的耦合。
技术背景燃气涡轮发动机通常包括后面依次有燃烧室与高和低压涡轮的一 或几个压缩机。这些发动机部件被串联流动连通地布置并绕环状外壳内 的发动机纵轴中心线设置。在工作过程中由各个涡轮和压缩机空气驱动 该压缩机。该压缩机空气是与燃料混合的并在燃烧室中点火以产生热的 燃烧气体。该燃烧气体经过高和低压涡轮流动，该涡轮引出由热燃烧气 体产生的能量以驱动压缩机，并产生辅助的输出功率。该发动机功率既可作为轴功率也可以作为轴向推力传输以驱动飞 行中的飞行器。例如，在其它可旋转的负荷中，如涵道涡扇发动机中的 风扇转子，或燃气涡轮螺旋桨发动机中的螺旋桨，从高和低压涡轮引出 功率以驱动各个风扇转子和螺旋桨。应该理解，在工作中，涡扇发动机的个别部件要求不同的功率参 数。例如，由桨叶端速度将风扇旋转速度限制到一定程度，同时由于风 扇直径非常大，所以旋转速必需4艮低。另一方面，因中心压缩机4艮小的 直径，所以可在较高的旋转速度驱动它。因此，具有独立的功率传输装 置的分立的高与低压涡轮对于飞行器燃气涡轮发动机中的风扇与中心压 缩机是必需的。此外由于在较高旋转速度的涡轮是最有效的，因此较低 速度涡轮驱动风扇要求附加的级以引出需要的功率。设计许多新的飞行器系统以提供比目前飞行器系统上那些更大的电 负荷。目前已开发的商业班机设计的电力系统规范可能要求目前商业班 机的高达两倍的电功率。这一增加的电功率的要求必需从驱动飞行器的 发动机的机械功率得到。当在较低的功率水平操纵飞行器时，例如，当 从高空无工作下降时，从发动机机械功率引出此附加电功率可以降低效 率以适当操作发动机。传统地，在燃气涡轮发动机中从高压(HP)发动机转子引出电功率。HP发动机转子的较高工作速度使它成为机械功率的理想源以驱动与发动 机连接的发电机。但是，希望从发动机内的附加源引出功率，而不是唯 一地依赖HP发动机转子以驱动发电机。LP发动机转子提供功传输的替代 源，但是，LP发动机转子的较低的速度典型地要求使用齿轮箱，由于低 速发电机通常大于在较高速度工作的类似额定的发电机。但是，当发动 机在较低的功率水平(例如，在或接近高空空转下降、出租车低功率等) 工作时从发动机引出的此附加功率可能导致降低的发动机可操作性。因 此有时希望通过由某些其它方法传输扭矩和功率以增加在此转子上可能的功率大小。发动机内的另一功率源是低压(LP)转子，该低压转子典型地在比 HP转子低得多的速度，以及在较宽的速度范围上工作。提倡这种低速度 机械功率源而不转型导致不实际大的发电机。已经提出对这种转型的许 多解决办法，包括各种形式的常规传动装置、机械的齿轮传动、以及机 电结构。一种解决方案是使用第三、中间压力UP)的转子以独立地驱动发 电机的涡轮发动机。但是此第三转子有时需要耦合到HP转子。用于耦合 IP与HP转子的装置是机械离合器或粘性耦合机构。2005年5月24日公布的、题为"具有扭矩调节性能的差动齿轮传 动涡轮发动机"的美国专利NO. US 6895741公开一种具有三轴的机械齿 轮传动发动机。通过应用附加的周转齿轮装置机械地耦合风扇、压缩机、 和涡轮轴。通过使用电磁机械和功率转换设备有效齿轮比是可变的。由曰本的Toyada Machine Works Ltd.制造的扭矩传感[Torsen ]差速器是一种无电子控制装置、离合器或粘性耦合装置的机械装置。已 知该Torsei^差速器是用于所有车轮驱动车辆的。当发动机扭矩相等地 分配到所有车轮时，该差速器是开放的。如果一或几个车轮开始失去牵 引力，则该扭矩差速器使得Torse浐差速器中的齿轮啮合。典型地设计 Torsei^具有这样的齿轮比或位移比，该齿轮比确定作用到牵引车轮的扭 矩相对于作用到打滑车轮的扭矩的大小。Torse浐差速器典型地用于所有 车轮驱动车辆中前后车轮之间的传输功率。该Torsen⑧差速器实际在打滑出现之前传输扭矩到稳定的车轮。因此，所需要是为耦合发动机中以预估速度旋转的多轴的系统以引 出功率。发明内容本发明涉及在涡轮扇发动机中的若干个旋转机械之间可变化地传输 机械扭矩的系统。该系统耦合涡扇发动机内以不同速度旋转的旋转轴以 便可控制地在它们之间传输功率。为了在系统中传输功率，通过将较高 和较低速度的发动机轴耦合到磁性齿轮箱而获得固定的齿轮比。然后可以在周转齿轮系内使用扭矩传感机构以从LP转子到HP转子传输功率， 因而降低从HP转子的需要的功率引出。另外可以使用取决于行星齿轮箱 的特性的磁性装置代替周齿轮箱。这一装置提供去除机械地耦合发动机 转子需要的优点。此控制的功率传输对于从发动机引出增加的机械功率 的量，或者在增强动态发动机性能方面，可能是特别有利有。由于完全 由磁力在发动机转子与辅助负荷之间传输功率，因此存在机会以解耦任 何或所有负荷以适合操作的要求。为了发动机的起动可以从LP转子解耦 HP转子，作为一个例子，或者可以解耦转子以便通过去除其它部件的耦 合惯性以增加瞬时的响应。在优选实施例中，提供附加的齿轮传动以便 允许操作性的整个范置。本发明的另 一优点是完成发动机轴之间可变化 的功率传输而没有发动机轴之间的机械连接。在另一方面本明涉及燃气涡轮发动机。该涡轮发动机包括压缩机、 燃烧室、串联流动连通安排并绕环形外壳内发动机的纵轴设置的高压涡 轮和低压渴轮。在工作过程中，由高压涡轮和低压涡轮以及压缩机空气 驱动压缩机。还设置可变化的耦合器部分以将高压转子和低压转子耦合 以驱动涡轮发动机的发电机。该可变化的耦合器部包括具有第一输入部 分、第二输入部分、输出轴的差速器齿轮部分。电磁可变变速器具有可 独立地旋转的内转子部分和可独立地旋转的外转子部分。该内转子部分 既与高压转子耦合也与低压转子耦合，同时外(转子)部分连接到其余 的转子，以便在高压转子与低压转子之间传递扭矩。差速器齿轮部分在 高压转子与低压转子之间并联地与电磁可变变速器连接。发电机机械地耦合到输出轴。设置差速器齿轮输部分以平衡高压转子、低压转子、以 及输出轴的输出速度以驱动发电机。设置电磁可变变速器(EVT)以便可 控制地将功率从低压转子耦合到高压转子。可以将本发明放置在发动机艙或壳体的内部或外部。尽管结合涡扇 发动机描述本发明的可变磁性齿轮箱，但是在本发明的范围内考虑将可变磁性耦合应用到任何要求可变扭矩传递的机械设备，例如，混合的汽 车变速器。在本发明某些情况中，也可能希望将额外的功率耦合到HP转子上。 当从LP转子到HP传输功率并使之可能时，可构形功率分离更多地向着 HP转子。这可能导致负荷处的较低速度范围。为了实现此附加耦合的机 构及其益处都处在本发明的范围以内并在下面更详细说明。为了耦合额外功率到HP转子的一种公开的系统使用电磁可变变速器 (EVT)。该ETV允许从LP转子到HP转子的可控制的扭矩耦合，当从 HP转子添加的功率是需要时。通过提供此功能，可以选择开放式差速器 的比率以偏置功率引出更多地从HP。也可以用行星齿轮箱(PGB)代替开 放式差速器，因为PGB完成分离扭矩和速度的相同功能。这样，减小差 速器输出(或PGB传输器)的速度范围。依次，这就允许发电机的尺寸 定得更合适，同时连接的功率系统的电力工作频率也更合适。这就能使 使用要求有较小系统的EVT成为可能。耦合额外功率到HP转子的另一种方法是通过应用有限滑动差速器。 在传统的汽车应用中，有限滑动差速器通过提供额外扭矩到较慢的车轮 (并小于较快的车轮)，防止车轮速度的偏离大于预想的量。这有助于 确保传输到二车轮的功率保持在要求的范围内。同样的原理应用在本发 明中，在那里HP转子和LP转子到差速器的输入速度是这样的，即在某 些发动机工作状态中差速器的滑动限制机构啮合并且更强地从HP转子偏 置扭矩传递。提供这种扭矩偏置的一种系统是TorseiT差速器。该 Tors enTM差速器部分地取决于摩擦使用推力板传递扭矩，但是它不需要离 合器或摩擦盘，该盘典型地受到较高的磨损率。本发明允许从可组合的和动态系统中的涡扇发动机的任意发动机转 子引出功率。它还为比可能的更小的发电机系统提供可能以从LP转子涡轮引出功率。此处，本发明在飞行器构架电功率系统设计中提供较大的 容量，同时最小化对发动可操作性的影响。耦合来自LP转子涡轮与HP 转子涡轮扭矩二者的扭矩提供对功率引出问题的解决办法。此外，使用 具有差速器(或PGB )的扭矩耦合系统能使不同尺寸与型号的机械有互操 作性。此外，EVT装置的应用允许扭矩的控制耦合，而没有HP转子与LP 转子涡轮之间的任何机械接触。本发明的滑动限制差速器能使扭矩偏置 以进一步改善负荷处的工作速度范围。从以下优选实施例的更详描述，以举例方式，结合说明本发明原理 的附图而进行的，本发明的其它特征与优点将是显而易见的。
图l是示范的飞行器涡扇燃气涡轮发动机的示意的纵剖视图。图2是描述ETV装置的功率流程图，以在发动机转子之间偏置扭矩 同时分配功率到发电机。图3是在发本明的Torsen差速器局部视图。 图4是电磁可变变速器的横剖面示意图。在任何可能的地方，贯穿整个附图将使用相同的标号表示相同或相 像的零件。
具体实施方式
图1中表示的是示范的涡扇发动机10，具有通常轴向延伸的轴线或 中心线12，通常以向前的方向14和向后的方向16延伸。涵道涡扇发动 机10包括核心发动机18 (也称为气体发生机)，该气体发生机包括高压 压缩机20、燃烧室22、和高压涡轮(HPT) 23，它具有一排高压涡轮叶 片24，所有的设置成串联、轴向流动的关系。高压压缩机20的高压压缩 机叶片64由一较大直径环形核心发动机轴26以驱动的啮合固定地连接 到高压涡轮叶片24，该核心发动机轴绕发动机10的中心线12同轴设置 以形成高压转子21。核心发动机18中的燃烧室22将来自高压压缩机20的压力空气与 燃料混合并点火产生的燃料与空气的混合物以产生燃烧气体。由高压涡 轮叶片24从这些气体引出某些功，该叶片驱动高压压缩机20。从核心发 动机18排放该燃烧气体进入功率涡轮或低压涡轮(LPT) 27，该涡轮具有 一排低压涡轮叶片28。该低压涡轮叶片28固定地安装到较小直径的环状 低压轴30，该轴绕核心发动机轴26内的发动机10的中心线同轴地设置 形成低压转子29。该低压轴30旋转轴向地分隔开发动机风扇部分35的 笫一与第二级风扇31与33。该第一与第二级风扇31与33包括通常径 向地向外延伸并分别地圆周向分隔开第一与笫二级风扇叶片32与36的 第一和第二级排。风扇旁路管道40包围第二级风扇33和核心发动机18。从低压涡轮27排放中心排放空气流170以便与经过后面可变面积的旁路喷射器 (VABI) 53从风扇旁路管道40排放的旁路空气流178混合。混合发生 在尾管道69中，在该管道中形成排入气流，该气流经可变面积排气喷咀 122被排放。可以使用可选择的后燃烧器130的增加发动机10的推力势 能。其次参照图4，电磁可变变速器(EVT)包括空心的圆柱形外转子 部分114和空心的圆柱形内转子部分112。该内转子部分112被放置在 外转子部分114的中心孔内。该转子部分112、 114是互相独立地可旋转。 该内转子部分112在外转子部分114内可独立地旋转。该外转子部分114 可独立地圆周地绕内转子部分112旋转。该外转子部分114具有若干个 绕内或第一表面120分隔开的永久磁铁对118。该磁铁118构形成对并 面对空气隙。该空气隙置于外转子部分与内转子部分之间。外和内转子 部分的另一个具有若干绕磁性可渗透芯子部分分隔开的槽。该外转部分 与内转子部分可在一个方向同步地旋转。响应外转子部分与内转子部分 的共同旋转，在若干个永久磁铁对、空气间隙和内转子部分芯子之间产 生磁流通路。该磁流通路在线圏中感应电功率并造成要在内转子部112 与外转子部分I"之间传输的机械功率。在当前二旋转轴之间的扭矩传递是通过该二轴之间无任何机械连接 的旋转电磁场实现的。感应场电流是产生电磁场需要的全部。该电磁可变变速器(ETV) IIO包括二个旋转部件， 一个内转子112 和一个外转子114。该内转子112和外转子114 二者在同一方向绕共同 轴线116旋转。该内转子112具有多个面向外转子114的内表面120的 永久磁极对118。转子芯128在结构上类似于外流式PM电机中的永久磁 铁(PM)转子。EVT的更详细说明在美国专利申请(尚未获得)中陈述， 该专利授予发本明的代理人并与此同一日期申请的，此外通过参考其全 部内容包括该专利。参照图2，将差速器或行星齿轮组50连接到发动机10的HP转子52 和LP转子以便能在该二转子之间的要求的比率分配功率。与差速器与行 星齿轮组50并联，是当需要时电磁可变变速器(ETV)可控制地将功率 从LP转子52耦合到HP转子54。然后该差速器50被耦合到发电机58 以产生功率。对于给定的发动机工作状态，从每个转子52、 54引出的功 率可以根据在差速器齿轮箱50处应用的各个速度分开。例如若HP转子54的速度是10000转/分，而LP转子52的速度是1000转/分，在齿 轮传动之后HP转子54的速度以2: 1的比率下降而LP转子52的速度以 5: l的比率升高，则在差速器50二相对的输入62、 64处的最终速度将 是5000转/分，同时该差速器支架也将是5000转/分。由于负荷被施加 到差速器输出，所以扭矩跨越差速器输入相同地分开同时由于相对的输 入在速度上匹配，所以每一个引出的功率是相等的。随着发动机10改变 状态，因而HP转54与LP转子52之间的功率分开也改变。由差器输出 供给的负荷既可以是电的也可以是机械的负荷。当出现发动机速度增加 时，具有较大相对速度化的转子将得到负荷的较大分配。尽管它对于承 受较大负荷分配的一个转子可能不是优化的，但负荷传递是这种装置的 一个必要特性。齿轮组50采用齿轮系，该轮系以基于其相对尺寸的固定 速度关系工作，HP和LP齿轮的尺寸是不同的以便实现要求的速度比。每 个轴上的扭矩必须相等以保持稳态工作。由于功率等于扭矩乘速度，所 以传递到每个轴上的总功率正比于该轴自转的速度。以相同的扭矩在比 较高速度时轴自转必定传递较大功率。这可称之为"速度分离"装置而 不是"功率分离，，装置。这一耦合也减轻从LP转子52放出功率的问题， 该LP转子通常具有;f艮宽的速度范围。转子52、 54之间的宽的速度变化 造成在设计发电机和动力系统以适应不同速度和速度范围中的难度。耦 合HP转子54与LP转子52的另一装置是机械离合器或粘性耦合机构。 粘性耦合器包括在密封壳体内具有两组板，该壳体充满粘稠流体。板的 一组连接到输出轴的每一个。在正常状态下两组板和粘性流体以相同速 度自转。当一转子比另一转子较快地自转时，该组板对应于比另一转子 较快地自转的转子。在板之间粘附加的粘性流体试图追上较快的盘，拖 着较慢的盘一起。这就传递更大扭矩到较慢运动的转子。此外，发电机和动力系统更有效地在和推荐较低的速度范围工作 (即，最大速度对最小速度之比)。HP转子54与LP转子52的机械耦 合能够平均二转子的速度和速度范围。例如，若LP转子52具有4至1 的速度范围而HP转子54具有2至1的速度范围，则负荷的最终速度范 围将是3至1。能使较小和较简单的发电机用作负荷而不试图设计发电机 或动力系统以适应较宽的速度范围，也通过使用简单的行星齿轮箱(未 表示)实现此齿轮耦合，在该处使行星式的太阳和环齿轮在齿轮尺寸与 节距上相同。对这种行星齿轮组， 一种可能的装置包括啮合到太阳齿轮的转子和啮合到环齿轮的另一转子，以及啮合负荷的托架。当使用行星 啮轮组时，从转子的要求的输入齿轮比将是不同的，但是，可以满足与 齿轮耦合完全相同的数学条件。图3表示Torser差速器齿轮箱50的局部视图。该差速器齿轮箱50 被耦合到HP转子54与LP转子52以分配功率。设置轴60以便从差速器 运行到发电机(未表示)。该差速器50允许HP转子54和LP转子变换 它们的速度到差速器并平均二转子52、 54的速度以产生更有效工作的机 械10。尽管已经参照优选实施例描述了本发明，但技术人员要理解，可以 完成各种变化同时等效体可以替代其部件而不偏离本发明主要的范围。 此处，可以进行许多修改以适合本发明指出的情况与材料而不偏离其主 要范围。因此，试图不将本发明局限于作为想要施本发明的最佳模式公 开的特殊实施例，但是本发明将包括处于所附权利要求范围内的所有实 施例。部件列表 10 涡扇发动机12中心线14向前的方向16向后的方向18核心发动机20高压压缩机21高压转子22燃烧室23高压涡轮(HPT)24高压涡轮叶片26核心发动机轴27低压涡轮(LPT)28低压涡轮叶片29低压转子30低压轴31第一级风扇32第一级风扇叶片33第二级风扇35发动机风扇部分36 第二级风扇叶片40风扇旁路管道58发电机60 Torsen轴62第一差速器输入64第二差速器输入69尾管110电磁可变变速器(ETV)112内转子部分114外转子部分118永久磁铁极对120第一内表面122可变面积排气喷咀128转子芯130后燃烧器170中心排放空气流178旁路空气流。
权利要求
1、用于可变耦合高压转子(54)与低压转子(52)以驱动涡扇发动机(10)的发电机(58)的系统，该系统包括差速器齿轮部分(50)，具有第一输入部分(62)、第二输入部分(64)、以及输出轴；电磁可变变速器(110|)，具有独立地可旋转的内转子部分(112)和独立的外转子部分(114)，该内转子部分(112)与高压转子(54)和低压转子(52)的一个耦合，同时该外转子部分(114)连接到另一转子(52、54)，以便在高压转子(54)与低压转子(52)之间传递扭矩；差速器齿轮部分(50)，在高压转子(54)与低压转子(52)之间与电磁可变变速器(110)并联连接；发电机(58)，机械地耦合到输出轴；其中设置差速器齿轮部分(50)以平衡高压转子(54)的旋转速度、低压转子(52)的旋转速度、和发电机(50)的输出轴的输出速度，所述电磁可变变速器EVT(110)被布置为可控制地从低压转子(54)耦合动力到高压转子(52)。
2、 权利要求l的系统，其中高压转子(54)被连接到第一输入部分 (62 ),而低压转子(52 )被连接到第二输入部分(64 )。
3、 权利要求1的系统，其中低压转子(52 )被连接到第一输入部分 (62 )，而高压转子(54 )被连接到第二输入部分(64 )。
4、 权利要求l的系统，其中差速器齿轮部分(50)是行星齿轮箱。
5、 权利要求l的系统，其中差速器齿轮部分(50)是开放式差速齿 轮箱。
6、 权利要求l的系统，其中差速器齿轮部分(50)是限制滑动的差 速器或Torsen差速器。
7、 权利要求l的系统，其中差速器齿轮部分(50)包括至少一个粘 性耦合器。
8、 一种为可变地耦合涡扇发动机(10)的高压转子(54)与低压转 子(52)以驱动发电机(58)的方法，该方法包括以下步骤提供差速器齿轮部分(50)和电磁可变变速器(110); 将电磁可变变速器(110 )与高压转子(54 )和低压转子(52 )耦合； 通过EVT (110)可控制地在高压转子(54)和低压转子(52)之间传递扭矩；在高压转子(54)与低压转子(52)之间将差速器齿轮部分(50) 并联地与电磁可变变速器(110)连接；平衡高压转子(54)的旋转速度、低压转子(52)的旋转速度、以 及差速器齿轮部分(50)的输出轴的输出的速度；及通过机械耦合发电机(50)到输出轴而驱动发电机(58)。
9、 权利要求8的方法，还包括根据预定的输入速比的预定比例确定对负荷的功率传递比率的步骤。
10、 权利要求8的方法，还包括根据对HP和LP转子(54、 52 )之 一的预定选择从LP或HP (52、 54)之一耦合扭矩到另一转子(54、 52) 的步骤。
全文摘要
本发明提供涡扇发动机的高压转子和低压转子的可变耦合。其中一种用于在涡扇发动机(10)的若干旋转机械之间可变化地传递机械扭矩的系统。使用二个装置，在该处该第一装置依靠行星磁性齿轮箱(50)的磁性以耦合磁性机械。使用该第二装置以可变化地控制磁性机械之间的扭矩传递。该系统耦合涡扇发动机(10)内以不同速度旋转的旋转轴(52、54)以便可控制地传输功率。为了在系统中传输功率。通过耦合较高和较低速度发动机轴(52、54)到周转磁性齿轮箱(50)获得固定的齿轮传动比。
文档编号F02C7/36GK101230802SQ20071019692
公开日2008年7月30日 申请日期2007年12月6日 优先权日2006年12月6日
发明者J·D·范丹, J·M·凯恩, M·V·德雷克塞尔 申请人:通用电气公司