飞机自由涡轮涡轮机的辅助装置的制作方法

本发明涉及一种具有多个涡轮发动机的飞机的自由涡轮涡轮发动机的领域。飞机可具体为直升机。应回想起，一种具有自由涡轮的涡轮发动机包括在直升机中经由超越离合器(自由轮)和主变速箱(MGB)驱动直升机的转子的动力涡轮或“自由”涡轮。

背景技术：

发动机也具有特别地包括压缩机的气体发生器、燃烧室以及高压(HP)涡轮。

减速附属变速箱用于将气体发生器的轴连接到由定子和转子构成的电动机器，所述电动机器能够同样作为电机(起动机)或发电机操作。

在运动模式下，电动机器由一电源供电，并且其产生驱动转矩，以具体出于起动发动机的气体发生器的目的驱动其旋转，从而提供起动帮助。

在发电机模式下，该电动机器由气体发生器驱动旋转，以从气体发生器获得机械功率，该功率然后转化成电能。

对于在巡航飞行情况下具有两个涡轮发动机的飞机，在文献US 2013/219905中提出了将这两个发动机中的一个置于备用模式。由于自由轮的存在，自由涡轮和主变速箱不同步。并行地，另一发动机(或其他的发动机)在增加的额定功率下操作，从而可维持正常的飞行条件。由于在操作中维护的涡轮发动机的单位消耗量更小，因而降低了系统的整体燃料消耗。

已经提出了这种备用模式的几种变型。

在第一变型中，可通过继续在其上输送燃料在缓慢的空闲额定功率上监管不同步燃气轮机的气体发生器。这可以另外使用或不使用电动机器和附属变速箱以对气体发生器供给长期辅助驱动转矩(恒速旋转的辅助)来实现。

在第二变型中，相比之下，已经提出了完全地熄灭涡轮发动机的燃烧室，同时使用回转机器以在巡航飞行阶段结束时维持该气体发生器以适用于便于再点火的速度旋转。这同样构成长期辅助(恒速旋转的辅助)。

在巡航飞行的整个持续时间中潜在地维持这些操作模式。

对于驱动气体发生器的回转机器所需要的性能，不同步发动机的正常再启动类似于在地面上开始的通常功能。这种正常再启动在开始启动和发动机已经达到一种在自由涡轮上足以产生有用力的速度的时刻之间通常持续几十秒。例如，采取这种启动以继续一种机动，诸如着陆，该机动提前用一定量时间预期，并且为了其实施，该机动需要同时操作这两个发动机。

这种启动需要加速发动机的气体发生器的旋转。通过增加燃料流量来获得这种加速度。

然而，有时需要能够迅速地恢复不同步的发动机，特别地在紧急情况下，如，如果发动机的总数是三个或更多，对于又一发动机发生故障，或者如果仅存在两个发动机，对于另一发动机发生故障。为了满足安全性要求，在紧急启动请求和以这种方式重启的发动机能够输送有用功率的时刻之间被授权的最大时间通常小于10秒。

特别地，已经关闭的发动机可以快速地启动的这一需求是维持气体发生器以如下速度旋转的原因，所述速度便于在燃烧室熄灭的操作模式中再点火。

无论气体发生器是否处于怠速情况或使其燃烧室熄灭，由于旋转组件的大量惯性以及由于来自发动机压缩机的相反扭矩，特别地对于紧急重启动优选的是施加高功率到气体发生器轴。需要在几秒钟数量级的很短时间内输送这一功率。需要估计的是，在这一很短的时间段内，与正常启动所需要的功率相比，由紧急启动系统产生的功率需要大大约五到十倍。

在其他解决方案中，US 2013/219905建议使用电能，特别地来源于超级电容器，以供给用于加速气体发生器旋转的爆发辅助。以通常方式，由于需要大量功率，具有一种在很短时间段中能够输送大量功率的电能存储构件是有利的。可经由起动机回转机器施加电功率。

在文献US 2013/086919中也提议使用两个超级电容器，每个都由相应的发电机充电，所述发电机由燃气发生器相应一个发动机的气体发生器驱动，并且每个都用于提供用于启动处于关闭状态的另一发动机的爆发功率。

在文献US 2010/058731中，爆发加速辅助被输送到涡轮轴发动机的气体发生器，特别地通过经由电动机器输送机械功率到气体发生器，所述电动机器由自由涡轮驱动旋转。

文献US 2013/219905还描述了一种涡轮发动机辅助装置。

因此，已经提出了解决方案以供给紧急重启涡轮发动机所需的高功率。

然而，在这种背景下，考虑到安全方面的风险，能够理解的是，紧急启动系统必须能够保证高水平的可用性。具体地，在作为为直升机提供推进力的唯一发动机的涡轮发动机的功率丧失的情况下，在紧急情况下重启最初处于备用模式的涡轮发动机的任何能力丧失可能导致驱动功率的全部损失。

高水平可用性的这种要求也适用于正常重启备用发动机的功能。

具体地，当第二发动机以标称方式操作时，通常在返回到双发飞行条件时重启最初处于备用模式的涡轮发动机的能力丧失，特别地当准备降落时，能够使得有必要在处于操作的发动机上利用一个不起作用发动机(OEI)应急额定功率。

应该避免这种情况，由于其增加了人员的工作量并且由于OEI应急额定值的使用对于发动机非常有害。

技术实现要素：

为了解决这些问题，提出了一种飞机自由涡轮涡轮发动机的辅助装置，所述装置包括用于为起动机回转机器的第一绕组供电以驱动所述发动机的气体发生器的第一电源设备，所述装置的特征在于，它进一步包括用于监控所述第一电源设备和所述第一绕组的监控设备，以及第二电源设备，所述监控设备致使所述第二电源设备供给电功率到所述回转机器的第二绕组，从而在所述监控设备观察到所述第一电源设备或所述第一绕组中功率不足时驱动所述气体发生器。

如以上所提到的，需要指定的是，所述第一辅助是通过由所述起动机回转机器的转子机械地驱动所述气体发生器的旋转运动辅助，以及所述第二辅助也是通过由一种起动机回转机器的转子机械地驱动所述气体发生器的旋转运动辅助，这可以是先前提到的起动机回转机器或又一起动机回转机器。

通过这些特征，如果具有所述第一绕组及其电源的电路遭受故障(或更通常地提供不足功率)，从而丧失所述第一绕组辅助所述气体发生器的全部或部分能力，然后可以通过使用所述第二绕组及其电源电路减轻困难。

起动机回转机器可以是交流电(AC)机器或直流电(DC)机器。根据所使用回转机器的结构，绕组可以是转子绕组或定子绕组。

可以使用也用于为所述第一绕组供电的元件以为所述第二绕组供电，但电源电路也可替代地完全不同和隔离，这是有利的。以下揭露这一点。

为了检测到所述第一辅助是不足的，使用监控为所述起动机回转机器、涡轮发动机的管理系统和/或发动机本身的一个或多个元件供电的监控设备。

在一个优选实施例中，所述辅助装置包括所述起动机回转机器以及同样用于在加速飞机的第二涡轮发动机的气体发生器时提供辅助的又一起动机回转机器，所述第二绕组电连接与所述另一回转机器并联到一个共用的供电路径。

这使得可共享能量源和电源设备，并且从而减少所需元件的重量。特别地，所讨论的能量源可以是当重启第二发动机时优先使用的来源，并因此在重启第一发动机的紧急情况下使用，使用第一绕组的其起动电路应发生故障。所述源可以是一种特别适用于紧急重启的能量存储元件。

所述辅助装置可包括电源转换器，并且优选地被构造，因此电源转换器传输电能到所述起动机回转机器的第二绕组，或专门到另一起动机回转机器。可使用在所述辅助装置中包括并且不能同时都处于关闭位置的一对接触器实现这一构造，从而确保电能仅传输到第二绕组或另一起动机回转机器。

在一个实施例中，在所述辅助装置包括的所述起动机回转机器是一种作为双绕组或双星机器的容错AC回转机器，所述第二绕组为其第二绕组。

以已知方式，同步或异步类型的这种交流回转机器的特征在于，缠绕在一个共同磁路上的在所述定子上的两套独立的三相绕组，每个绕组由自己的DC/AC电源转换器供电。尽管覆盖了大量的结构变型，这种机器的设计依赖于在这两个绕组的每个之间保证电绝缘以及物理、热和磁隔离的高水平的通用原理。这一分离可以确保发生在第一绕组或其DC/AC电源转换器中的电子故障，诸如例如短路或开路，对第二绕组以及从而对起动机传输辅助扭矩到气体发生器的能力没有功能影响。通过共享定子磁路和诸如转子、轴承和结构(外壳)的机械元件，与给出等价整体性能的一组两个完全独立的机器相比，这一类型的回转机器基本更紧凑并且重量更轻，同时也对内部电动故障或对电源转换器中的故障提供了高水平的公差。

双绕组机器的使用也可以仅安装一个回转机器，从而简化在涡轮发动机附属变速箱上的装配。

在一个实施例中，所述第一绕组具有如下尺寸，所述尺寸能够使其为加速辅助提供与由第二绕组所提供性能相比更好的性能。

因此，所述起动机回转机器可具有如下的尺寸，所述尺寸能够用仅被供给到所述第一绕组的电功率紧急启动(快速地启动)涡轮发动机，同时仍保持合理的整体尺寸，并且仍在非紧急情况下启动(正常启动)的能力方面提供冗余度。

在一个实施例中，所述第二绕组具有能够为加速辅助提供有与由所第一绕组所提供性能相似的性能的尺寸。

这在重启的能力方面提供了完整的冗余度，并且假设绕组和磁路具有适当的尺寸，这包括实施紧急重启的能力。

在一个实施例中，所述辅助装置具有两个电源转换器，每个都用于以受控方式分别传输电功率到所述第一和第二绕组。

这可以在检测到第一电路中故障时获得在这两个辅助之间的良好过渡。这也能够在使用两个绕组时控制加速辅助，其在紧急情况下特别地有用，由于对于这一加速度可受益于同时由每个所述绕组形成的功率。

在一个实施例中，所述辅助装置具有用于为所述第一绕组和所述第二绕组之一供电的第一电能源，所述辅助装置也被构造，因此所述第二绕组和所述第一绕组的另一个能够由不同于第一能量源的第二能量源供电，从而在一个能量源或其电动连接发生故障时提供更大的安全性。

在一个实施例中，所述装置进一步包括用于输送加速辅助到飞机的第二涡轮发动机的气体发生器的又一起动机回转机器，所述另一回转机器具有一个被称为“第三”绕组的绕组，所述辅助装置进一步包括一个被构造需要为所述第一或所述另一绕组供电的功能的电能源。

因此，在双发飞机上，对于每个发动机获得了加速辅助，同时不增加能量源，由于第一发动机的能量源也用于第二发动机。

在一个实施例中，在所述辅助装置包括的所述起动机回转机器也是一种由发动机(当其有源时)致动的发电机，所述第二绕组是在所述辅助装置中包括的第二回转机器的绕组，所述第二机器仅是一种起动机。

所述发电机可用于为在所述辅助装置或其外部包括的能量存储元件充电。

可使用所述能量存储元件以供给用于辅助气体发生器加速的电功率。在导言中提到的，这在飞机的飞行阶段中以及在只要适于重启(激活)第一发动机的紧急情况下特别地有用，在所述飞行阶段中第二发动机传输功率到飞机的旋翼以使其能够飞行。

通过具有两个不同的回转机器，仅一个用于发电，可以在这两个绕组和回转机器的磁轭上更好地标出尺寸，同时安装用于在飞行中紧急重启发动机的能量存以及同时确保物理和功能隔离，在它们被连接到这种转换器的实施例中，这增强了在这两个回转机器及其电源转换器之间正常或紧急发动机启动功能的可用性。

在一个实施例中，所述第二绕组是在所述辅助装置中包括的第二回转机器的绕组，所述第二回转机器为直流机器，并且也在所述辅助装置中包括的所述第一回转机器为交流电机。

这可以提供在优先基础上使用的用AC操作的所述第一回转机器的转矩/速度控制，以及具有从飞机的机载直流网络直接供电的紧急回转机器，所述机器目前在设置有涡轮发动机和电动起动机的大多数中小型功率的直升机中的起动机装置。

在一个实施例中，所述第一绕组由储电构件供电并且所述第二绕组由飞机的机载网络供电。因此提供一种具有本发明的辅助装置的飞机，例如双发直升机，所述第二绕组由飞机的机载网络供电。

这可以具有用于紧急重启或启动的存储功率，同时仍能够减轻储电构件的故障但不重复，这可视为在尺寸和重量方面的惩罚。

在一个实施例中，用于为所述第二绕组供电的设备包括接触器，如果监控设备观察到在加速所述气体发生器中的困难或能力丧失，例如用于使用第一绕组启动所述发动机，所述接触器关闭。

接触器是一种简单并且提供低风险故障的机电装置。

还提供了一种辅助飞机自由涡轮涡轮发动机的方法，所述方法包括通过第一电源设备为起动机回转机器的第一绕组供电以驱动所述发动机的气体发生器的步骤，所述方法的特征在于，它进一步包括监控所述第一电源设备和所述第一绕组的步骤，以及通过第二电源设备为所述回转机器的第二绕组供电以驱动所述气体发生器的步骤，如果在监控步骤中观察到第一电源设备或第一绕组中的功率不足。

附图说明

图1示出了本发明实施例的环境。

图2示出了本发明的第一实施例。

图3示出了本发明的第二实施例。

图4示出了本发明的又一实施例。

具体实施方式

参见图1，其中显示所提出的系统的一个实施例的通用电结构。其在具有两个涡轮发动机的直升机的介绍中给出。

主变速箱MGB由涡轮发动机GT1和GT2驱动。在该例中，它们是自由涡轮涡轮轴发动机。每个都具有一个气体发生器和一个经由自由轮驱动主变速箱(MGB)的动力涡轮(自由涡轮)。

通过由MGB驱动的至少两个交流发电机ALT1和ALT2在飞机上发电。尽管此通常用于重型直升机的结构对于使用本发明不是关键的，并且不构成本质特征，与关于重型飞机的传统解决方案相比，技术上优选包括从涡轮轴发动机的气体发生器驱动发电机。特别是，由于通过将一个发动机备用获得了在巡航飞行中的燃料节省，如在导言中提到的，其中备用是一种与从气体发生器获得任何功率不兼容的操作模式，特别地在安全方面，似乎相关的是从其发动机的操作方式功能上解耦飞机上机载发电。

ALT1和ALT2驱动飞机的电力网络，可用于为这一网络供电的其他能量源可以由机载辅助动力单元(APU)、一个或多个存储电池，或者实际上一地面动力单元(当在地面上时)构成。

发动机GT1和GT2各自分别具有回转机器GS1和GS2，所述回转机器GS1和GS2适于作为起动机和发电机操作，并经由一附属变速箱而机械地连接到相应发动机的气体发生器。

为了优化该装置的坚实度和重量，GS1和GS2优选具有一种机器结构，该结构适于在高速下由气体发生器驱动，因而无转子绕组，以示例和非穷举方式：带有永磁体的无刷同步电机；可变磁阻机器；或无刷鼠笼式异步机器。

在辅助装置100中包括与飞机的电力网络相独立操作的这两个机器GS1和GS2。

参见图2，其中显示辅助装置100的第一实施例。电动机器GS1和GS2是双绕组电机，或容错的AC回转机器。

这些机器由单个的磁路或磁轭和两个不同的多相定子绕组或线圈构成，GS1的标记为S11和S12，GS2的标记为S21和S22。

例如，GS1和GS2是同步或异步类型的机器。

绕组S11和S12分别连接到可逆的直流/交流电源转换器CVS1和CVS2。它们中的每个都构成在绕组的多相交流电路与由直流总线构成的直流电路之间的接口，所述直流总线将转换器连接到一储电构件。所述储电构件分别标记为S1和S2，连接它们的直流总线标记为总线1和总线2。

在本例中，储电构件是DC构件，如超级电容器、混合电容器、蓄电池或分别结合有DC/AC转换器的飞轮。

绕组S12和S21连接到相对的电源转换器，即分别连接到CVS2和CVS1。因而，绕组S12和S22在转换器CVS2的出口相互分接或并联，同时绕组S11和S21在转换器CVS1的出口相互分接。

接触器K11、K21、K12、K22的存在是用于电隔离或电连接相应的绕组S11、S21、S12、S22，它们以协同的方式操作或被驱动，使得转换器CVS1和CVS2每个都可用于在任一给定时刻控制最多单一个回转机器。因此，关闭接触器K11或K21导致打开接触器K21或K11，关闭接触器K12或K22导致打开接触器K22或K12。

假设无论如何一次仅需启动单个发动机，这组接触器及相关的控制逻辑有利地使所述电源转换器能够在这两个回转机器之间共享，从而使所需机器的数量从四个减少到两个，同时保存需要确保正常和紧急启动功能可用的冗余度水平，从而获得在重量和尺寸方面的明显改进。

一个接触器KC用于将这两个直流总线1号和2号电连接在一起，或相反使它们相互隔离。

在本例中，回转机器GS1和GS2都是发电机和起动机。当作为发电机操作时，它们由相应发动机的气体发生器驱动旋转，并且它们能够经由它们的定子绕组的一个或另一个将电能传输到存储元件S1和S2，或如果仅提供了一个存储元件，则传输到该唯一的存储元件。

一旦已经为电能存储元件充电后，则可进行单发动机飞行的阶段。在当前描述的情况下，发动机GT1输送驱动功率，同时将发动机GT2维持在一个在背景技术中所描述的备用模式中。为了重启发动机GT2，例如在着陆之前，或在发动机GT1失去功率的情况下，建议通过使用接触器KC彼此电隔离总线1和2，以确保故障不从系统的一个部分传播到另一个部分。此后接触器K21关闭，接触器K11打开，并且转换器CVS1被禁用，准备操作但不为绕组S21实际供电。

同时，接触器K22关闭，K12打开，转换器CVS2作为逆变器操作以控制在电机模式下操作的回转机器GS2，并调节其在应用作为环境的函数被优化用于正常或紧急启动发动机的关系中输送的转矩。因此启动发动机GT2的气体发生器，以使发动机能够被启动。

如果在传动系S2-CVS2-K22-S22上发生故障或不足的功率，并充分威胁加速发动机GT2的气体发生器的能力，则这由监控设备120识别。监控设备120然后导致转换器CVS1开始工作。

在一第一变型中，转换器CVS2通过使用接触器K22而从绕组S22断开，或处于备用状态，在施加等同于由转换器CVS1所实施的转矩控制关系时，电源转换器CVS1单独地作用以为绕组S21供电。因而，启动次序继续进行。尽管最初从存储构件S2获取能量，但随后从存储构件S1获取能量。

在一第二变型中，在传动系S2-CVS2-K22-S22发生部分或逐步故障的情况下，实施顺序地控制转换器的策略，转矩全部或部分地以连续方式在分支之间传递。

因此，利用这两个绕组的援助可能相互排斥，或相反是同时的。

需要指出的是，在传动系S2-CVS2-K22-S22中(包括在直流总线上)或在管理发动机GT1的系统的每个元件上，在传动系S2-CVS2-K22-S22中的故障或功率不足可由监控设备120检测，例如通过将气体发生器的加速度与一预定图表进行比较。

传动系S1-CVS1-K11-S11和在加速发动机GT1的气体发生器时的辅助以同样方式由监控设备110监控，所述监控设备110实施与监控设备120对称的作用。

在一个变型中，每个绕组S11、S12、S21和S22的尺寸在电机操作中均是足够的，使其自身能够供给紧急启动相应发动机所需的性能，并且对于正常启动更加足够。因此，在一个传动系发生故障或功率不足的情况下，正常启动和紧急启动能够用替代传动系完全地实施。

在另一变型中，仅绕组S11和S21的尺寸使它们能够单独地供给紧急启动所需的性能。然而，所有四个绕组S11、S21、S12、S22的尺寸适于使它们能够供给正常启动所需的性能。因此，在一个包括S11或S21的传动系中发生故障或功率不足的情况下，能够用替代传动系完全地实施正常启动，同时使用类似于正常启动所需的性能、使用一个绕组S12或S22来实施紧急启动。

最后，在另一变型中，绕组S11和S12(相应地S22和S21)的尺寸使它们当同时被供电时能够共同传递用于紧急启动发动机GT1(或相应地GT2)所需的扭矩和功率性能。对于这样的紧急启动，转换器CVS1和CVS2同时被激活，一个作为主转换器，另一个作为从转换器，从而以协调的方式为两个绕组供电。在这一变型中还提出绕组S11和S12(相应地S22和S21)的尺寸应适于使用仅一个绕组即可正常启动，因此，在一个所涉及的传动系中发生故障或功率不足的情况下可以确保能够在任何情况下完全地实施发动机的正常启动。

参见图3，其中描述了标记为101的辅助装置的另一实施例。该双绕组机器由两个单绕组回转机器代替。

因此，代替GS1，在发动机GT1的辅助变速箱的另一出口上存在一AC回转机器M1A，该AC回转机器M1A具有一单个定子绕组，并与另一AC回转机器M1B一起，该回转机器M1B同样具有单个定子绕组。在这一实施例中，绕组S11是机器M1A的绕组，并且绕组S12是机器M1B的绕组。所述绕组为多相绕组。

机器M1A既是发电机又是起动机，而机器M1B仅是起动机。M1B可经由一自由轮机械地连接到发动机的气体发生器，因此使得可仅对于起动模式中的最大驱动速度设计起动机，即在NG的50％到60％的范围内，而不是对于气体发生器的最大速度，即NG的100％来设计起动机。因此，在发动机处于工作状态的飞行阶段中，经由机器M1A和转换器CVS1对电能存储元件S1再充电，回转机器M1B保持静止状态。

还需规定，这两个机器M1A或M1B中的一个的尺寸使其能够在紧急启动的情况下提供所需的性能，而另一机器的尺寸仅需使其供给正常启动所需的性能。

相似的元件安装在发动机GT2的辅助变速箱上，所述电动机器被标记为M2A和M2B。

监控设备111和121监控发动机的气体发生器的加速辅助，如图2中所示，从而使电源转换器CVS1和CVS2投入运行。

参见图4，其中表示附图标记为102的辅助装置的另一实施例。机器M1B和M2B由具有刷和换向器的直流机器所代替，并被标记为D1和D2。它们各自的转子绕组S12和S21连接到直升机的机载直流网络上，该网络在包括至少一个蓄电池B的28伏直流(直流电压)下操作。接触器KB1和KB2(通常不彼此协同)用于将这些机器与该机载网络隔离，或相反地将它们连接于其上。

一单个的电能存储构件S也可在所示变型中用于替换上述实施例中的存储构件S1和S2。接触器KS1和KS2使这一构件S能够连接到转换器CVS1或转换器CVS2上。仍然可以使用如图2和3中所示的两个存储构件。

监控设备112和122监控发动机的气体发生器的加速辅助，如图2和3所示，这次用于使开关KB1和KB2切换的目的。

在防止发动机(如发动机GT1)启动的故障或功率不足时，通过使用相应的AC回转机器，即发动机GT1的机器M1A，接触器KB1关闭，直流电机D1取代，使得可实施发动机GT1的正常启动，即使不再特别地控制辅助转矩。

直流机器D1和D2可以是发电机，同时也作为起动机。如果它们不是发电机，它们可经由各自的自由轮连接到相应发动机的附属变速箱。

本发明并不局限于所描述的实施例，但扩展到在权利要求书范围的界限内的任何变型。