包括受控的机械联接设备的涡轮轴发动机、配备有这种涡轮轴发动机的直升机以及用于优化这种直升机的零功率超级怠速速度的方法与流程

本发明涉及一种用于配备多引擎直升机、尤其是双引擎直升机的涡轮轴发动机。本发明还涉及一种用于优化这种多引擎直升机、尤其是双引擎直升机的零功率超级怠速模式的方法。

背景技术：

直升机通常设有至少两个涡轮轴发动机，该至少两个涡轮轴发动机以取决于直升机的飞行情况的速度运行。在下文自始至终地，在除了包括起飞、爬升、着陆或悬停飞行的转换阶段之外的所有飞行阶段期间，在已知为缩写AEO(全部发动机运转，All Engines Operative)的模式下，当直升机以正常情况前进时，该直升机被称为处于巡航飞行状况。在下文自始至终地，当直升机必须使全部的安装功率可用时，即，在包括起飞、爬升、着陆的转换阶段期间以及在称为缩写OEI(单发动机失效，One Engine Inoperative)的、涡轮轴发动机中的一个发生故障的模式期间，该直升机被称为处于临界飞行状况。

已知的是，当直升机处于巡航飞行状况时，涡轮轴发动机以小于其最大连续功率(在后文中为PMC)的低功率水平运行。在某些布置中，在巡航飞行期间由涡轮轴发动机提供的功率能够小于最大起飞功率(在后文中为PMD)的50％。这些低功率水平造成了比耗量(在后文中为Cs)，该比耗量被定义为涡轮轴发动机的燃烧室每小时的燃料消耗与由所述涡轮轴发动机提供的功率之间的关系，该比耗量比PMD的Cs高出约30％，并且这些低功率水平因此造成了在巡航飞行期间燃料的过度消耗。

最后，在地面上的待机阶段期间，飞行员通常更愿将各个涡轮轴发动机置于怠速模式，以确信能够重新启动该涡轮轴发动机。因此，尽管未提供任何功率，涡轮轴发动机仍继续消耗燃料。

同时，涡轮轴发动机还是过尺寸的，以能够确保飞行过由航空器制造商所指定的整个航程，以及尤其确保在高的高度和在炎热的天气中飞行。这些尤其当直升机具有接近于其最大起飞质量的质量时非常有限制性的飞行点仅在某些直升机的特定的使用情况下会遇到。结果，虽然尺寸被设置以能够提供这样的功率，但是某些涡轮轴发动机从来不会在这种情况下飞行。

这些过尺寸的涡轮轴发动机在质量与燃料消耗方面是不利的。为了减小该消耗，在上文所描述的所有飞行情况(巡航飞行、OEI模式、滑行、悬停飞行或在地面上待机)下，可以将涡轮轴发动机中的一个置于待命模式。则活动的发动机以更高的功率水平运行以提供所有必需的功率，并且因此处于更有利的Cs水平。

如已知的，直升机的涡轮轴发动机包括气体发生器和自由涡轮，该自由涡轮由气体发生器供给动力，以提供功率。传统地，气体发生器由供应用于在压缩空气中燃烧燃料的室的空气压缩机构成，该压缩机对涡轮递送热的气体以用于使气体部分地膨胀，该涡轮通过驱动轴使压缩机旋转。气体则驱动自由动力传输涡轮。自由涡轮通过齿轮箱将动力传输到直升机的旋翼。

在FR1151717和FR1359766中，申请人提出了用于根据下述的可能性优化直升机的涡轮轴发动机的比耗量的方法：使至少一个涡轮轴发动机处于被称为连续飞行模式的稳定的飞行模式，以及使至少一个涡轮轴发动机处于特定的待命模式，该至少一个涡轮轴发动机可根据需求以紧急的方式或者以常规的方式脱离该特定的待命模式。当飞行状况的变化需要启动处于待命的涡轮轴发动机时，例如，当直升机将即将从巡航飞行状况转换到着陆阶段时，脱离待命模式进行的转换被称为“常规”。脱离待命模式进行的这种常规的转换发生在介于10秒钟到1分钟之间的时间段内。当活动的发动机发生失效或动力不足时，或者当飞行情况突然变得困难时，脱离待命模式进行的转换被称为“紧急”。脱离待命模式进行的这种紧急的转换发生在小于10秒钟的时间段内。

申请人尤其提出了以下两种待命模式：

-被称为常规超级怠速的待命模式，在该待命模式下，燃烧室点火，并且气体发生器的轴以介于标称速度的20％到60％之间的速度进行旋转，

-被称为辅助超级怠速的待命模式，在该待命模式下，燃烧室点火，并且气体发生器的轴通过机械辅助以介于标称速度的20％到60％之间的速度进行旋转。

常规超级怠速模式的缺点在于运行温度，该运行温度变得越来越高以至于尝试达到更低的怠速。然而，在该模式下这具有使燃料消耗最小化的优点。

辅助超级怠速模式使得能够改善该运行温度的问题，同时进一步降低了燃料消耗。然而，这需要使用电气、气动或液压的驱动机械和对应的联轴器。

另外，现在出现了实现下述超级怠速模式的技术问题：该超级怠速模式不再是机械辅助的并且较小地受到涡轮轴发动机的温度的限制。因此，所解决的技术问题是：提供一种涡轮轴发动机，该涡轮轴发动机使得能够提供这种改进的超级怠速模式。

发明目的

本发明目的在于提供一种涡轮轴发动机，该涡轮轴发动机能够具有超级怠速模式，在该超级怠速模式下，燃烧室点火并且气体发生器的轴以介于标称速度的20％到60％之间的速度旋转，并且该超级怠速模式较小地受涡轮轴发动机的运行温度的影响而且不由外部驱动设备机械辅助。

因此，本发明目的在于提供一种能够具有新的超级怠速模式的涡轮轴发动机。

本发明目的还在于提供一种双引擎直升机，该双引擎直升机包括至少一个根据本发明的涡轮轴发动机。

本发明目的还在于提供一种用于优化根据本发明的双引擎直升机的零功率超级怠速模式的方法，该双引擎直升机包括至少一个根据本发明的涡轮轴发动机。

技术实现要素：

为此，本发明涉及一种涡轮轴发动机，该涡轮轴发动机包括能够被旋转的气体发生器和被所述气体发生器的气体旋转的自由涡轮。

根据本发明的涡轮轴发动机的特征在于，该涡轮轴发动机包括用于所述气体发生器和所述自由涡轮的受控的机械联接的设备，该设备能够机械地连接所述气体发生器和所述自由涡轮，以及能够一旦所述气体发生器的旋转速度达到预定的阈值速度则按照指令进行连接。

因此，根据本发明的涡轮轴发动机使得能够机械地以及按照指令连接气体发生器和自由涡轮。用于连接气体发生器和自由涡轮的指令取决于气体发生器的旋转速度。因此，根据本发明的涡轮轴发动机使得能够以不需要召用外部驱动机械的方式机械地辅助气体发生器的旋转。动力直接从涡轮轴发动机的自由涡轮获得并且通过联接设备进行传递。

有利地并且根据本发明，受控的机械联接设备能够机械地连接所述气体发生器和所述自由涡轮，以及能够一旦所述气体发生器的旋转速度小于所述预定的阈值速度则按照指令进行连接，而且能够一旦所述气体发生器的所述旋转速度大于所述预定的阈值速度则按照指令将所述气体发生器和所述自由涡轮分离。

因此，根据本发明的这一方面，当气体发生器以小于预定的阈值速度的速度旋转时，受控的联接设备使得能够驱使自由涡轮驱动气体发生器。换言之，根据本发明的配备有用于气体发生器和自由涡轮的受控的机械联接的设备的涡轮轴发动机使得能够按照指令将涡轮轴发动机从被称为自由-涡轮的构型(或模式)切换到被称为连接-涡轮的构型(或模式)，在该自由-涡轮的构型下，气体发生器和自由涡轮是机械独立的，在该连接-涡轮的构型下，气体发生器和自由涡轮是机械连接的。

有利地，选择预定的阈值速度以使得当涡轮轴发动机处于超级怠速模式时，即，当自由涡轮不再产生任何扭矩并且以小于所述涡轮所连接到的航空器的齿轮箱的入口处的速度的速度自由旋转时，气体发生器和自由涡轮不能够机械地连接。由于驱使自由涡轮比其在零扭矩时的稳态速度更慢地旋转，因此这将提供发动机扭矩，该发动机扭矩将使得气体发生器能够驱动压缩机，因此对应于连接-涡轮构型。

因此，可将根据本发明的涡轮轴发动机置于超级怠速模式，在该超级怠速模式期间，自由涡轮驱动气体发生器，使得能够降低涡轮轴发动机的热部件的温度并且降低燃料消耗。

有利地并且根据本发明，阈值速度取决于所述气体发生器的标称速度。

根据本发明的这一方面，阈值速度直接取决于气体发生器的标称速度。

有利地并且根据该变型，在[20％.N1，60％.N1]的范围之内选择阈值速度，其中N1是所述气体发生器的所述标称速度。

换言之，一旦气体发生器的旋转速度下降到对应于一怠速模式(在这里定义为介于气体发生器的标称速度的20％到60％之间)的阈值之下，则根据该变型的涡轮轴发动机从自由-涡轮模式切换到连接-涡轮模式。

有利地并且根据本发明，所述受控的机械联接设备包括：

-用于读取代表所述气体发生器的所述旋转速度的信息的读取装置，

-用于机械地连接到所述气体发生器的轴与机械地连接到所述自由涡轮的轴之间的可逆的机械联接的装置，

-用于基于代表所述气体发生器的所述旋转速度的所述信息以及基于所述阈值速度来控制所述联接装置的装置。

有利地并且在一变型中，联接设备进一步包括用于通过来自于发动机计算机的指令对所述联接装置进行授权的装置，该发动机计算机之前已经要求发动机被置于待命模式。

根据本发明的这一方面，读取装置使得能够获取代表气体发生器的旋转速度的信息。控制装置使得能够解译该信息并且将其与阈值速度相比较。如果发现旋转速度低于阈值速度，以及如果发动机计算机之前确实已经要求发动机被置于待命模式，则指令被发送到确保气体发生器与自由涡轮之间的机械联接的联接装置，因此将涡轮轴发动机切换到连接-涡轮模式。该机械联接通过中间轴实现，该中间轴分别机械地连接到气体发生器和自由涡轮。

全文自始至终地，术语“轴”指示能够进行旋转和传输扭矩的装置。因此，该轴可以是纵向延伸的轴，但也可以仅是小齿轮。

这些联接装置可以是任何种类的。根据有利的变型，这些联接装置从包括至少一个摩擦离合器、棘爪和设有同步器的棘爪的组中选择。

设有同步器的棘爪使得能够在卡抓之前使轴的各自的速度同步，使得能够比当没有同步器时更好地操控速度差。

有利地，这些联接装置被设计为使得能够在初步的联接阶段期间在机械地连接到所述气体发生器的轴与机械地连接到所述自由涡轮的轴之间进行暂时的滑动。

有利地，根据本发明的涡轮轴发动机进一步包括用于自发地对所述气体发生器和所述自由涡轮进行机械联接的设备，一旦所述气体发生器的旋转速度与所述自由涡轮的旋转速度的比值达到预定的阈值，则该设备能够机械地和自发地连接所述气体发生器和所述自由涡轮。对所述气体发生器的旋转速度与所述自由涡轮的旋转速度的比值而言的该阈值尤其小于当受控的联接设备启动时所得到的阈值，这样使得当自由涡轮以其标称速度旋转同时被联接到旋翼时，气体发生器比其在怠速飞行期间的旋转速度快不超过10％至20％地进行旋转。

根据另一个实施例的涡轮轴发动机除了当气体发生器到达阈值速度时用于受控的机械联接的设备之外还包括用于自发的机械联接的设备。与受控的机械联接设备不相似的，气体发生器与自由涡轮之间通过自发的机械联接设备进行的机械连接不取决于气体发生器的旋转速度，而是取决于气体发生器的旋转速度与自由涡轮的旋转速度的比值。

因此，根据本发明的该变型的涡轮轴发动机使得能够当达到预定的情况时驱使自由涡轮驱动气体发生器。换言之，根据本发明的设有用于自发地将气体发生器和自由涡轮机械联接的设备的涡轮轴发动机使得能够自动地和自发地将涡轮轴发动机从被称为自由-涡轮的构型切换到被称为连接-涡轮的构型，而不需要外部的辅助和/或控制设备。因此，从自由模式到连接模式进行的该切换不仅取决于气体发生器的旋转速度，而且还取决于气体发生器的旋转速度与自由涡轮的旋转速度的比值。

有利地并且根据该变型，一旦速度的比值小于所述预定的阈值，则所述自发的机械联接设备能够机械地和自发地将所述气体发生器和所述自由涡轮连接，并且一旦所述比值大于所述预定的阈值，则该自发的机械联接设备能够自发地将所述气体发生器和所述自由涡轮分离。

有利地，尤其是在快速的俯仰期间在旋翼的转数下降的情况下，接近于怠速的连接-涡轮运行改善了暂态性能。这是因为之后气体发生器以大于在自由-涡轮模式下处于零功率所需的速度的速度旋转。因此，甚至在燃气轮机开始加速之前，发动机在自由涡轮上非常快速地产生与自由-涡轮涡轮轴发动机在该速度下会具有的值对应的随之发生的功率，加上由快速地到达加速度限值产生的额外的功率。

有利地并且根据该变型，所述自发的机械联接设备包括至少一个连接第一轴和第二轴的自由轮，该第一轴与所述气体发生器共同具有减速比K1，该第二轴与自由涡轮共同具有减速比K2，所述自由轮被布置为使得一旦所述速度的比值小于比值K2/K1，则所述自由涡轮通过所述轴和所述自由轮自发地驱动所述气体发生器。

有利地，根据该变型的涡轮轴发动机包括刚性地连接到中间轴的启动器-发电机，所述自发的机械联接设备包括两个将所述中间轴分别连接到所述第一轴和所述第二轴的自由轮，该第一轴与所述气体发生器共同具有减速比K1，该第二轴与自由涡轮共同具有减速比K2，所述轮被布置为使得一旦速度的比值小于比值K2/K1，则所述自由涡轮通过所述轴和所述自由轮自发地驱动所述气体发生器。此外，当所述启动器-发电机作用为发电机时，刚性地连接到中间轴的所述启动器-发电机因此被自由涡轮驱动，当所述启动器-发电机作用为启动器时，所述启动器-发电机驱动气体发生器。

本发明还涉及一种双引擎直升机，其特征在于，该双引擎直升机包括至少一个根据本发明的涡轮轴发动机。

本发明还涉及一种用于优化包括至少一个涡轮轴发动机的双引擎直升机的零功率超级怠速模式的方法，该至少一个涡轮轴发动机包括能够被旋转的气体发生器和被所述气体发生器的气体旋转的自由涡轮，其特征在于，该方法包括下述的步骤：一旦所述气体发生器的旋转速度达到预定的阈值速度，则对所述气体发生器和所述自由涡轮进行受控的机械联接。

有利地，根据本发明的方法进一步包括下述的步骤：一旦所述气体发生器的旋转速度与所述自由涡轮的旋转速度的比值达到预定的阈值，则自发地对所述气体发生器和自由涡轮进行机械联接。

本发明还涉及一种涡轮轴发动机、一种直升机和一种用于优化零功率超级怠速模式的方法，其通过在上文或下文中提及的全部或者某些特征来组合地表征。

附图说明

通过阅读以下完全以非限制性示例的方式给出并且涉及附图的说明，本发明的其它目的、特征和优点将显现，在附图中：

图1为根据本发明的第一实施例的涡轮轴发动机的示意图，

图2为根据本发明的第二实施例的涡轮轴发动机的示意图，

图3为根据本发明的第三实施例的涡轮轴发动机的示意图。

具体实施方式

如在图中示出的，根据本发明的涡轮轴发动机包括气体发生器5和自由涡轮6，该自由涡轮由气体发生器5供给动力。如已知的，气体发生器5包括至少一个对室8进行供应的空气压缩机7，该室用于在压缩空气中燃烧燃料并且将热的气体供应到至少一个涡轮9以用于使气体部分地膨胀，该涡轮通过驱动轴10使压缩机7旋转。气体还驱动自由动力传输涡轮6。该自由涡轮6包括动力传输轴11，该动力传输轴通过自由轮12连接到动力传输齿轮箱(在图中未示出)。该自由轮12使得能够防止涡轮轴发动机的机械锁定导致动力传输齿轮箱的机械锁定，以及相关地，防止导致直升机的其上安装有所述涡轮轴发动机的旋翼的机械锁定。

根据本发明的涡轮轴发动机进一步包括用于气体发生器5和自由涡轮6的受控的机械联接的设备40，该设备能够机械地连接气体发生器5和自由涡轮6，并且一旦气体发生器的旋转速度NGG小于预定的阈值速度则按照指令进行连接。在本文自始至终地，气体发生器的旋转速度NGG指示气体发生器的驱动轴10的旋转速度。以同样的方式，自由涡轮的旋转速度NTL指示自由涡轮的驱动轴11的旋转速度。

该阈值速度例如被确定为30％.N1，其中N1为气体发生器的标称旋转速度。换言之，当涡轮轴发动机处于怠速模式下时，受控的机械联接设备40能够确保气体发生器与自由涡轮之间的联接。一旦气体发生器的旋转速度NGG大于阈值速度，则气体发生器与自由涡轮彼此机械地独立。

根据图中的实施例，控制设备40包括机械地连接到气体发生器5的轴42和机械地连接到自由涡轮的轴43。控制设备40进一步包括用于读取代表气体发生器5的所述旋转速度NGG的信息的读取装置。这些读取装置例如包括安装在气体发生器5的轴上的速度传感器，并且因此所提供的信息是气体发生器5的速度的直接测量值。控制设备进一步包括用于可逆地联接两个轴42、43的联接装置41和用于控制这些联接装置41的装置。

根据一实施例，联接装置41包括摩擦离合器，诸如离心式离合器、锥式离合器、单盘式离合器或多盘式离合器。这种联接装置具有使得能够在处于第一联接阶段的轴之间滑动的优点。根据一实施例，用于控制该摩擦离合器的装置为类似驱动器的液压的或电气的控制装置。此外，控制装置包括模块，该模块能够接收气体发生器的速度的测量值并且能够将所述测量值与阈值速度进行比较。这种模块例如是软件元件、软件程序的子单元，或者是硬件元件或硬件元件与软件子程序的组合。

根据另一个实施例，联接装置41包括可选地配备有用于更好地操控速度差的同步器的棘爪，使得能够直接地联接轴42和43。

图2和图3示出了两个实施例，在这两个实施例中，涡轮轴发动机进一步包括用于自发地对气体发生器5和自由涡轮6进行机械联接的设备20。一旦气体发生器5的轴10的旋转速度与自由涡轮6的轴11的旋转速度的比值小于预定的阈值，则该自发的机械联接设备20能够机械地和自发地将气体发生器5和自由涡轮6连接，以及一旦该比值高于该预定的阈值，则该设备能够自发地将气体发生器5和自由涡轮6分离。

根据第一实施例并且如图3所示，该自发的机械联接设备20包括机械地连接到气体发生器5的轴10的轴22。所述轴22和10在其之间具有减速比K1。

自发的机械联接设备20进一步包括机械地连接到自由涡轮6的轴11的轴23。所述轴23和11在其之间具有减速比K2。

自发的机械联接设备20进一步包括布置在轴22和23之间的自由轮21。

因此，轴22的旋转速度等于K1.NGG，其中NGG为气体发生器5的轴10的旋转速度。

轴23的旋转速度等于K2.NTL，其中NTL为自由涡轮6的轴11的旋转速度。

自由轮21被定向以使得轴23能够通过所述自由轮21驱动轴22。

如果轴23的旋转速度小于轴22的旋转速度，则两个轴是独立的。否则，两个轴被连接。

换言之，如果遵循以下方程式则轴是独立的：K2.NTL＜K1.NGG。因此，如果比值NGG/NTL＞K2/K1，则轴是独立的。

因此，如果速度比值小于或等于K2/K1，则发动机扭矩从自由涡轮6传输到气体发生器5。

换言之，当比值NGG/NTL小于或等于K2/K1时，联系图3所描述的自发的机械联接设备20使得能够机械地和自发地将气体发生器5和自由涡轮6连接，因此，该比值作用为预定的阈值。一旦比值NGG/NTL超过K2/K1，设备还使得能够自发地将气体发生器5和自由涡轮6分离。

如果气体发生器5的旋转速度NGG小于阈值速度，则受控的机械联接设备40确保气体发生器5和自由涡轮6通过联接装置41机械地联接。当该联接已生效时，比值NGG/NTL变得显著地大于K2/K1。因此，自发的机械联接设备20是非活动的并且自由轮21滑动。因此，两个控制设备20、40是彼此完全相容的。

根据第二实施例并且如图2所示，涡轮轴发动机进一步包括启动器-发电机30。在该情况下，除了联系图2进行描述的轴22和23之外，联接设备包括刚性地连接到启动器-发电机30的中间轴25。

联接设备20进一步包括将中间轴25连接到轴23的第一自由轮26。所述设备进一步包括将中间轴25连接到轴22的第二自由轮24。

以与图3的实施例相同的方式，轴22的旋转速度等于K1.NGG，轴23的旋转速度等于K2.NTL。

轮26、24被定向，以使得刚性地连接到启动器-发电机30的中间轴25能够驱动轴22，以及轴23能够驱动刚性地连接到启动器-发电机30的中间轴25。

如果比值NGG/NTL等于K2/K1，则两个自由轮26、24同时驱动。

因此，如果比值NGG/NTL小于或等于K2/K1，则轴10、11机械地连接并且发动机扭矩从自由涡轮6传输到气体发生器5。

因此，如果比值NGG/NTL大于K2/K1，则轴机械地独立。启动器-发电机30由自由涡轮驱动(当作用为发电机时)或者驱动气体发生器(当作用为启动器时)。

换言之，当比值NGG/NTL小于或等于K2/K1时，联系图2进行描述的自发的机械联接设备20还使得能够机械地和自发地将气体发生器5和自由涡轮6连接。一旦比值NGG/NTL超过K2/K1，设备还使得能够自发地将气体发生器5和自由涡轮6分离。此外，在该实施例中发电机和/或启动器功能是可行的。

如果气体发生器5的旋转速度NGG小于阈值速度，则受控的机械联接设备40确保气体发生器5和自由涡轮6通过联接装置41机械地联接。当该联接已生效时，比值NGG/NTL变得显著地大于K2/K1。因此，自发的机械联接设备20是非活动的并且两个自由轮21、26中的至少一个滑动。因此，两个控制设备20、40是完全彼此相容的。

本发明还涉及一种用于优化双引擎直升机的零功率超级怠速模式的方法，该直升机包括至少一个根据所描述的实施例中的一个所述的涡轮轴发动机。

因此，这种方法包括下述的步骤：一旦气体发生器5的旋转速度NGG小于预定的阈值速度，则将气体发生器5和自由涡轮6机械地联接。

有利地，通过根据所描述的实施例中的一个所述的涡轮轴发动机来实施根据本发明的方法。有利地，根据所描述的实施例中的一个所述的涡轮轴发动机实施根据本发明的方法。