改进的用于混合动力飞机的传动装置的制作方法

本发明涉及混合动力飞机领域，该混合动力飞机包括至少一个诸如涡轮轴发动机或涡轮螺旋桨发动机之类的涡轮机，用于诸如直升机或飞机之类的飞行设备。特别地，本发明涉及一种用于混合动力飞机的传动装置，以及一种包括这样的传动装置的混合动力飞机。

背景技术：

1、以已知的方式，特别是用于直升机的涡轮机(例如涡轮轴发动机)包括具有燃气发生器的燃气涡轮和由燃气发生器产生的气流旋转驱动的自由涡轮。此外，除了此涡轮机之外，混合动力飞机一般还包括联接到燃气发生器的可逆电机，使得在涡轮机的启动阶段期间旋转燃气发生器、或者在飞行中确保飞机的非推进电气需求。

2、常规地，燃气发生器至少包括压缩机和旋转地联接的涡轮。操作原理如下：进入燃气涡轮的冷空气在被送往燃烧室与燃料混合之前由于压缩机的旋转而被压缩。然后，由于燃烧而被燃烧的气体被高速排出。然后，在燃气发生器的涡轮中发生第一膨胀，在此期间，燃气发生器提取驱动压缩机所需的能量。燃气发生器的涡轮并不吸收燃烧气体的所有动能，进而过量的动能对应于燃气发生器所产生的气流。燃气发生器所产生的气流因此向自由涡轮供应动能而使得在自由涡轮中发生第二膨胀，该第二膨胀将此动能转换为机械能以驱动接收构件——诸如直升机的旋翼。

3、在涡轮机的启动阶段，需要旋转驱动燃气发生器，即旋转驱动与涡轮相联接的压缩机。如上所述，这正是可逆电机的作用之一，还已知的，可逆电机通常是能够作为发电机可逆地操作的电动马达。

4、通过作为马达操作的可逆电机对压缩机进行旋转驱动，具体地可以使压缩机中的空气循环并由此将压缩空气输送到燃烧室中以启动燃烧。然后，该燃烧产生气流，使得能够旋转驱动涡轮，之后压缩机由涡轮直接旋转驱动，这意味着燃气发生器独立操作，表明涡轮机的启动阶段结束。众所周知，飞机——如上所述的涡轮机特别地集成到其中——包括需要被供以电能的电气设备。例如，对于直升机来说，需要向其配备的电气设备(诸如例如电气控制、加热、空调和升降设备)供应电能。

5、迄今，在飞行中，使用可逆电机来为电气设备供应电力。为此，此时作为发电机操作的电机由燃气发生器旋转驱动，从燃气发生器中汲取的旋转动能由所述电机转换为电能。然而，对于直升机来说，从燃气发生器中汲取能量是有缺点的。在飞行过程中，电机从燃气发生器中汲取的机械功率的变化表现为压缩机图中发动机操作线的移动。此移动对应于需要提供的喘振裕度，其结果是由于禁止在最佳压力比下使用压缩机而危害了发动机操作线的优化，并因此降低了稳定的性能，且其中影响了燃料消耗率。

6、文献fr2929324通过允许同一台电机通过驱动燃气发生器启动发动机、然后通过从自由涡轮机中汲取功率来作为发电机操作而解决了此问题。该解决方案特别使得可以避免从燃气发生器汲取功率并由此提高了燃气涡轮的消耗率。然而，此设计不允许向直升机的主旋翼注入机械功率来例如用于自动旋转辅助。

7、电气系统的设备(存储装置、转换装置、电机)的功率密度和可靠性的提高现在使得可以设想将主旋翼制造成是混合动力的，即拥有至少一个连接到主旋翼并能够向其输入功率的电机。此功率补充了涡轮的功率，特别是允许对于瞬态阶段(资源、起飞等)的功率贡献、用以释放燃气涡轮并优化其寿命的功率贡献、以及在燃气涡轮损失的情况下在有限的时间段内的100％电气操作。此外，可以使用该电机发电(用于正常功耗和/或给电池充电)。

8、为了实现这些功能，一个或多个电机的功率必须为远远超过通常使用的发电机/起动器的功率，通常为一百或数百千瓦，而不是10千瓦左右。因此，希望将两种类型的电机(涡轮的发电机/起动器以及连接到旋翼的电机)合在一起。

9、已知这样的电机的使用，特别是在若干种混合结构的情况下，可以实现各种功能，诸如启动燃气发生器、在地面发电或向主旋翼供应电力。

10、然而，所提出的结构不允许电机实现某些功能。特别地，这些结构仅允许电机在启动期间向燃气发生器输入功率。既不可以用一个电机连续地从直升机的旋翼上汲取功率，也不可以用另一电机连续地将此功率重新注入燃气发生器。更确切地说，燃气发生器的飞行辅助仅通过每次使用时致动至少一个可锁定的自由轮或离合器来实现。然而，这样的可锁定的自由轮或离合器系统倾向于频繁使用，并且与高临界性相关。换言之，考虑到这些可离合部件所关联的功能的频繁使用，故障风险相当大，从而限制了设备的可靠性。此外，这样的结构不能确保最优的冗余级别，并且还涉及大量的部件和连接结构。

11、文献fr3066444公开了用于在涡轮机的旋翼之间进行功率传输的混合结构的其他示例。

12、然而，此文献中提出的结构不可以解决直升机应用中特有的主旋翼和自由涡轮可能失调的某些类型的功能。举例而言且并非限制性地，不允许通过电机向传动装置注入功率的自动旋转辅助，或在发动机自由轮下游为机载系统供电的发电，特别是在涡轮机发生故障之后。

13、最后，本文献中描述的结构要求发动机周边有两台可逆电机，并且能够使用四个可分开的联接系统在两个旋转方向上转动。由于存在许多常见的故障模式，这种与发动机周边的高度集成以及所需的联接装置的数量是直升机使用的障碍。

14、因此，需要一种传动装置，其设计至少部分地解决上述缺点。

技术实现思路

1、本公开涉及一种用于混合动力飞机、特别是直升机的传动装置，该飞机包括至少一个涡轮机以及主旋翼，所述涡轮机具有至少一个燃气发生器、由燃气发生器产生的气流旋转驱动的自由涡轮，该传动装置包括第一可逆电机和第二可逆电机，该第一可逆电机能够通过第一可停用联接装置联接到自由涡轮的轴并且能够联接到主旋翼，该第二可逆电机能够通过第二可停用联接装置联接到燃气发生器的轴，并且能够通过第三可停用联接装置联接到主旋翼，第二可停用联接装置构造为当第二电机在第一旋转方向上旋转时启用，并且第三可停用联接装置构造为当第二电机在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转时启用。

2、术语“可停用联接装置”应理解为是指联接装置可以处于连接至所述联接装置的构件被联接的启用位置，或处于所述构件脱开联接的停用位置，应理解的是，术语“构件”应理解为是指电机、主旋翼、燃气发生器和自由涡轮。

3、根据本公开的传动装置是特别有利的，因为这两个电机是专用的，以便实现互补功能，同时共同提供临界功能所需的冗余水平，以提高飞行安全性。更确切地说，第一电机可以提供从自由涡轮或主旋翼的汲取，从而不影响燃气发生器的性能，或者可以提供向主旋翼注入功率，从而在某些操作阶段辅助主旋翼。此外，第二电机可以应用成在一个旋转方向上机械地联接到燃气发生器，并且在另一个旋转方向上机械地联接到主旋翼。特别地，在第一旋转方向上旋转的第二电机不但允许与燃气发生器的联接以在地面上启动该燃气发生器，而且也允许与燃气发生器的联接以补充某些飞行阶段的热力学功率，例如用于过渡阶段的辅助或用于发动机操作点的修改。

4、此外，在第一旋转方向上旋转的第二电机可以用于在飞行中重新启动燃气发生器，例如在其中发生故障后，而无需启用另一个机械部件，诸如离合器。此外，即使当在第一旋转方向上使用第二电机来在飞行中重新启动发电机时，也可以并行地使用第一电机来驱动主旋翼。

5、此外，在第二旋转方向上旋转的第二电机可以在第一电机出现故障时驱动主旋翼作为第一电机的替代，或者在需要额外功率贡献的某些飞行阶段中对第一电机进行补充。

6、因此，根据本公开的设计结构的优点在于：通过限制部件和连接结构的数量而是简单的，同时确保了良好的冗余水平，并使得能够实现大量功能，进而由此提高设备的可靠性。附加地，根据本发明，第二可逆电机使得可以启动或辅助燃气发生器或主旋翼。在一个特别的实施方式中，单个启动的系统还可以通过从燃气发生器汲取而供电来给地面上的电池充电，或者在例如第一电机发生故障的情况下供电。

7、在某些实施方式中，第一、第二和第三可停用联接装置包括自由轮。

8、自由轮的一个好处是，它不需要由外部操作员进行电子或机械控制。此外，自由轮具有高度的可靠性。这样的自由轮一般由轮毂和可旋转地安装在轮毂上的周边冠部组成。轮毂一般可以旋转驱动周边冠部，但周边冠部不能旋转驱动轮毂。应该注意的是，在某些情况下，自由轮设置为使得周边冠部可以旋转驱动轮毂，但轮毂不能旋转驱动周边冠部，而不损害本发明的原理。此外，轮毂只可以在轮毂相对于冠部沿预定方向(这将被称为“接合方向”)转动时驱动冠部。在相反的情况下，轮毂和周边冠部相对于彼此自由旋转。在这种情况下，当自由轮的轮毂旋转驱动周边冠部时，可停用联接装置被启用，并且反之，当自由轮的轮毂不旋转驱动周边冠部时，可停用联接装置被停用。在没有诸如离合器或爪之类的其它联接装置的情况下，使用自由轮作为不同构件之间的联接元件的事实提高了传动装置的可靠性。

9、在某些实施方式中，第一电机构造为在发电机模式或马达模式下操作，在发电机模式下，第一电机由传动构件和主旋翼旋转驱动，传动构件和主旋翼本身可以通过第一联接装置由自由涡轮驱动，如此以产生电能，在马达模式下，其向主旋翼输入功率。

10、因此，第一电机可以在不从燃气发生器中汲取功率的情况下产生电能，这使得可以提高燃气涡轮的消耗率。此外，本公开的传动装置允许同时由第一电机向主旋翼以及由第二电机向燃气发生器贡献电功率。

11、在某些实施方式中，该装置包括旋翼制动器，该旋翼制动器能够设置在自由涡轮与主旋翼之间，可在防止自由涡轮驱动主旋翼的制动位置与允许自由涡轮驱动主旋翼的自由位置之间移动。

12、更确切地说，第一电机和自由涡轮联接到主旋翼，而设置在运动链上的可移动旋翼制动器允许其被锁定。在启动过程中，灼热的气体驱动自由涡轮。通过第一联接装置连接到主旋翼的自由涡轮可以在旋翼制动器处于自由位置时是自由的、或者在旋翼制动器处于锁定位置时由旋翼制动器锁定。因此，该锁定位置可以锁定自由涡轮，并由此锁定主旋翼，特别是在大风中启动的情况下。

13、在某些实施方式中，第一电机构造为沿与主旋翼的旋转方向相反的方向旋转，如此以制动自由涡轮对主旋翼的驱动。换言之，第一电机构造为产生阻力矩，使得能够抵消驱动主旋翼的自由涡轮的转矩。因此，第一电机可以实现在前一段中描述的旋翼制动器的功能，而不需要使用旋翼制动器。因为旋翼制动器是一个昂贵的部件，必须定期检查和更换，所以这种替代方案是有利的。其还存在飞行中无意间启用的风险。因此，这种替代方案可以限制成本并提高装置的可靠性。

14、在某些实施方式中，该装置包括设置在旋翼制动器与自由涡轮之间的爪形离合器、或离合器，该爪形离合器可在自由涡轮的轴同主旋翼联接的联接位置与自由涡轮的轴同主旋翼脱开联接的脱开联接位置之间移动，第一电机在爪形离合器上游联接到自由涡轮，使得自由涡轮即使在爪形离合器处于脱开联接位置时也能够向第一电机输入电功率。

15、术语“上游”是指机械能向主旋翼的循环方向，换言之，沿“自由涡轮-主旋翼”的方向。在某些操作阶段，需要在保持旋翼锁定的同时产生电功率。因此，爪形离合器到脱开联接位置的过渡允许使用旋翼制动器，同时保持自由涡轮点燃以向第一电机产生电功率，而不会损坏自由涡轮。

16、在某些实施方式中，第一电机与第二电机电连接，使得该装置能够通过第一电机和沿第一旋转方向旋转的第二电机将电功率从主旋翼传送到燃气发生器。

17、在某些飞行阶段中，可能需要将功率从主旋翼传送到燃气发生器。在这种情况下，连接到主旋翼和自由涡轮的第一电机来汲取功率，该功率以电流的形式传输到第二电机，第二电机通过在第一旋转方向上旋转经由第二联接装置将该功率送至燃气发生器。在燃气发生器与主旋翼之间交换电功率的事实使得可以修改涡轮的操作点，以在相同的燃气涡轮寿命内增加通过主旋翼的净功率，或者在通过直升机的主旋翼的相同功率下增加燃气涡轮的寿命。

18、在某些实施方式中，第二联接装置包括锁定装置，该锁定装置可在燃气发生器不能旋转驱动第二电机的自由位置与燃气发生器能够旋转驱动第二电机而使第二电机从燃气发生器中汲取电功率的锁定位置之间移动。

19、在某些实施方式中，该装置构造为使得由第二电机从燃气发生器汲取的电功率被传送到第一电机。

20、锁定装置是一种能够迫使第二电机与燃气发生器之间联接的装置。例如，当联接装置包括自由轮和锁定装置时，自由轮是所谓的“可锁定自由轮”，使得在锁定位置，自由轮的轮毂可以旋转驱动可锁定的自由轮的周边冠部。换言之，燃气发生器能够旋转驱动第二电机。换言之，第二电机可以用于从燃气发生器汲取功率，并由此在地面上以apu(辅助电源单元)模式向机载网络供应电功率，例如用于为电池充电。这也使得可以在有必要时(例如在燃气涡轮关闭的情况下)更快地降低燃气发生器的转速。此外，由此在第二电机上产生的电功率可以通过第一电机与第二电机之间的电连接而由第一电机使用。

21、在某些实施方式中，该装置包括构造成控制第一电机、第二电机、锁定装置、旋翼制动器和爪形离合器的控制单元。

22、本公开还涉及一种混合动力飞机，特别是直升机，包括具有至少一个燃气发生器、由燃气发生器产生的气流旋转驱动的自由涡轮的涡轮机、主旋翼，并包括前述实施方式中任一项所述的传动装置。术语“混合动力飞机”应理解为是指这样的飞机：其包括可旋转驱动主旋翼的热机和可向热机输入功率的至少一个电机。

23、在某些实施方式中，混合动力飞机是直升机。