喷气式发动机组件和生成电力的方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]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。
[0002]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。三轴燃气涡轮发动机包括第三个、中压(IP)转轴。
[0003]燃气涡轮发动机还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)、燃油栗、液压栗(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。与燃气涡轮发动机耦连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。
[0004]已知使用恒速发电机和变频发电机(VFG)来从燃气涡轮发动机的压力轴提取动力。同步三相发电机的电压和频率在其直接由转轴驱动时是转轴速度的函数。由于在发动机工作期间每个转轴的速度可能是波动的，因而所生成电力的电压和频率也可能波动。这些电力波动对航空器的电力系统带来问题，这要求有恒定的电压和频率。因此，为了解决这个问题，使用了变速箱，其中变速箱将转轴机械耦连到发电机，这里变速箱被配置成不管转轴速度为何，以将输出期望的电压和频率的恒定的速度驱动发电机。例如，变速箱可以用于HP转轴，其中变速箱的速度输入与速度输出的比将转轴的机械速度降低到发电机的期望工作速度之内。典型地，恒定频率的发电机(CFG)的标准速度是四极机器在12，000 RPM下产生用于航空器系统的400赫兹的输出。
【发明内容】
[0005]在一个方面，喷气式发动机组件包括具有至少一个转轴和发电机的喷气式发动机。发电机进一步包括:同步电动机，其包括转子和定子，其中转子可操作耦连到至少一个转轴，使得转子的速度随着转轴的速度而变化；以及电子换向器，其相对于转子的旋转控制转子的磁场的旋转，使得同步电动机以预定频率生成电力。
[0006]在另一方面，一种从具有定子和转子的发电机生成具有预定频率的电力的方法，转子由变速发动机旋转，该方法包括相对于转子的旋转控制转子的磁场的旋转，从而以预定频率生成电力。
【附图说明】
[0007]在附图中:
图1是按照本发明的实施例用于航空器的燃气涡轮发动机的示意横截面图。
[0008]图2是按照本发明的实施例用于航空器的发电机组件的横截面图。
[0009]图3是按照本发明的实施例的发电机组件可旋转的轴的示意图。
[0010]图4是沿图2的线4-4截取的局部截面图，显示了按照本发明的实施例的主机转子。
[0011]图5是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第一周期被通电。
[0012]图6是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第二周期被通电。
[0013]图7是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第三周期被通电。
[0014]图8是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第四周期被通电。
[0015]图9是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第五周期被通电。
[0016]图10是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第六周期被通电。
[0017]图11是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第七周期被通电。
[0018]图12是按照本发明的实施例的主机转子的示意图，其中磁极在一个序列的第八周期被通电。
【具体实施方式】
[0019]尽管本发明可以在使用生成电力的发电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涡扇发动机，诸如GeneralElectric GEnx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。
[0020]图1是用于航空器的燃气涡轮发动机10的示意横截面图，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:风扇区段12(包括风扇14)、增压器或低压(LP)压缩机16、高压(HP)压缩机18、燃烧区段20、HP涡轮机22和LP涡轮机24。即轴或转轴26将HP涡轮机22驱动连接到HP压缩机18，并且LP轴或转轴28将LP涡轮机24驱动连接到LP压缩机16和风扇1LHP涡轮机22包括HP涡轮机转子30，其具有安装于转子30边缘上的涡轮机叶片32。
[0021 ]发动机进一步包括安装于燃气涡轮航空器发动机之上或燃气涡轮航空器发动机内部的同步发电机组件34。发电机组件34可以安装于包含风扇的燃气涡轮发动机的吸气区域的外侧上或者高压压缩区域附近的中心上。在发电机组件34的外部提供至少一个电压输出，以提供向发电机34和来自发电机34的电力传递。如图所示，该电力连接由电力电缆36传输，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组件34。发电机组件34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预定400Hz频率下的三相115V AC。可以构想到交替生成的相、电流和电压。
[0022]参照图2，发电机组件34包括可旋转的轴38、同步主机40、四个励磁机42、44、46、48和永磁发电机(PMG)50。可旋转的轴38由间隔开的轴承52支撑。主机40和PMG 50中的每一个具有相应的转子54、56和对应的相应的定子58、60。第一励磁机42具有第一励磁机转子62和对应的第一励磁机定子64。第二励磁机44具有第二励磁机转子66和对应的第二励磁机定子68。第三励磁机46具有第三励磁机转子70和对应的第三励磁机定子72。第四励磁机48具有第四励磁机转子74和对应的第四励磁机定子76。转子54、56、62、66、70、74安装到可旋转的轴38，以用于相对于旋转地固定于发电机组件34内的定子58、60、64、68、72、76的旋转。定子58、60、64、68、72、76可以安装到发电机组件34的外壳部分的任何适当零件上。
[0023]在所示的实施例中，主机40位于发电机组件34的后面，而PMG 50定位于发电机组件34的前面。励磁机42、44、46、48定位于主机40和PMG 50之间的发电机组件34中。可以构想到主机40、励磁机42、44、46、48和PMG 50在其它位置，可获得专利的范围不应当由任一单个的实施例限制。例如，可以构想到其中励磁机42、44、46、48位于主机40的两侧上的备选的定位。
[0024]图3图示了发电机组件34的示意图。可旋转的轴38通过机械耦连件78与发动机10的至少一个转轴(显示为HP转轴26)耦连。在这个意义上，HP转轴26提供来自发动机10的轴向旋转的直接来源，使得可旋转的轴38的速度并因此转子54、56、62、66、70、74的速度随着HP转轴26的速度而变化。
[0025]示出PMG转子56，其具有带有至少两个磁极的永磁铁。PMG定子60与PMG转子56电磁对准，并包括设置成沿导线L1、L2、L3提供三相输出的绕组，该输出经由公共电子换向器80供应到公用供电线，再到励磁机定子64、68、72、76。PMG定子60进一步包括转子速度传感器94，转子速度传感器94被配置成将指示旋转的