具有可变减速比的行星减速齿轮的飞机涡轮发动机的制作方法

本发明涉及一种具有行星减速齿轮的飞机涡轮发动机，其允许实现连续可变的减速比。

背景技术：

涡轮发动机包括气体发生器，该气体发生器包括至少一个压缩机级、燃烧室和至少一个涡轮级。由于压缩机，空气在压力下被送入燃烧室。空气与燃料混合，点燃并用于驱动涡轮机。从涡轮机取回动力以机械地驱动压缩机。

根据预期的应用，可使用涡轮发动机，例如，以便：

-通过使用离开涡轮机(涡轮喷气发动机)的热气体推进飞机，或

-通过取回驱动涡轮风扇或螺旋桨(涡轮螺旋桨发动机)或转子(涡轮发动机或代表辅助动力单元的apu)的机械动力来推进飞机。通常有两种方法来取回动力：

ο直接从气体发生器的主体取回(在气体发生器是联动涡轮机类型的情况下)。

ο从涡轮机的一个级取回(气体发生器是自由涡轮机类型)。

由压缩机转子、涡轮转子和连接这些转子的轴形成的单元称为(旋转)主体。

在某些应用中，例如直升机，涡轮发动机可具有整体式主体(图1和图2)。整体式主体可与联动涡轮机(图1)或自由涡轮机(图2)相关联，即涡轮机与气体发生器连接或不连接。

当所需动力变得太高时，气体发生器需要第二主体，在某些情况下需要第三主体。

在涉及具有联动涡轮机的直升机涡轮发动机的上述应用中，机械动力直接从气体发生器取回。由于直升机的转子必须在所有飞行阶段期间以接近恒定的速度旋转，因此气体发生器以恒定速度运行。因此，可观察到以下优点和缺点：

-气体发生器的功能限于联动涡轮机中的恒定速度，所述速度由转子的目标速度和传动链的恒定减速比设定，

-发动机对瞬态的响应性很好，因为气体发生器已经以所需的(高)速度旋转，压缩机的压缩速率立即可用，

-在全动力时，发动机更靠近泵送线，同时提供良好的压缩机产量。

-在低动力时，气体发生器快速旋转，导致部分负载的产量低。

-简化的发动机架构，

-当启动发动机时需要使用离合器以避免驱动转子，

-考虑到气体发生器的惯性，电子超速保护就足够了(不存在屏蔽)。

在自由涡轮机架构中，气体发生器的转速是可变的并且与转子的转速无关。自由涡轮机由离开涡轮机的气体驱动。气体发生器的速度根据提供给自由涡轮机的动力而增加。在该解决方案中，压缩机尤其被优化为与泵送线平行工作，从而确保令人满意的压缩机产量。因此，可观察到以下优点和缺点：

-气体发生器的功能限于自由涡轮机模式下的操作线，自由涡轮机的速度由转子的目标速度和传动链的恒定减速比设定，

-在整个飞行范围内令人满意的发动机产量，

-几乎永久的泵送裕度，使驾驶更容易，

-复杂的发动机架构(自由涡轮机及其具有油膜压缩的减震器上的轴承，影响盘的直径的横向超临界轴)，

-复杂的超速保护系统(屏蔽)，和

-由于气体发生器的速度幅度高，因此响应性有限。

还已知经由连接到低压体的行星减速齿轮驱动涡轮发动机的风扇，如文献fr-a1-2817912中所述。

因此，一方面，lp涡轮机可更快地旋转，从而减少了必要的级的数量，另一方面，风扇的直径可随着缓慢旋转而增加。该解决方案简化了气体发生器的架构，但增加了一个组件：减速齿轮。减速比是恒定的，能够以不同的方式优化风扇和hp涡轮机，因为风扇和hp涡轮机能够以不同的速度旋转。这种优化可在特定的操作点上实现，但不能适应飞机的不同飞行阶段。

选择上述行星齿轮系的减速比能够实现优化，但不允许气体发生器自由适应变化的需求。

为了克服这个问题，文献us-b-8,181,442提出了一种环形无级变速器(cvt)，其能够通过行星的角位置选择环形cvt的减速比。因此，该技术使得可通过采用“联动涡轮机”架构类型来简化气体发生器。这种环形传动装置的缺点是仅依靠摩擦来传递运动。因此可传递低扭矩，或者需要非常高的预载荷。

对于直升机应用，该解决方案具有以下优点：

-如果它与联动涡轮机相关联，则通过消除横向超临界轴、减小圆盘直径、消除自由涡轮机的屏蔽，允许简化发动机架构(在成本和重量方面进步)，并且

-实现对压缩机领域中整个领域的探索以及优化发动机性能的策略。

然而，它具有以下缺点：它不能使转子脱离，需要使用离合器，并且不允许传递高扭矩，从环形cvt下游施加额外的传动。

最后，文献fr-a1-2405367还公开了一种涡轮发动机，其减速齿轮具有环形齿轮，该环形齿轮被配置为选择性地固定到涡轮发动机的定子以及与所述定子断开。

文献wo-2015/006153-a2和文献us-2014/290265-a1的一个实施例各自描述和示出了一种涡轮发动机，其减速齿轮具有环形齿轮，该环形齿轮被配置成旋转以改变减速比。然而，驱动装置不能可靠地被阻挡，因为它们不能固定到涡轮发动机的定子上。

文献wo-2015/006153-a2中的其他实施例描述并表示一种涡轮发动机，其减速齿轮具有行星齿轮架，该行星齿轮架被配置为被旋转地驱动以改变减速齿轮的减速比，并且可选择性地固定到涡轮发动机的壳体上。然而，减速齿轮的行星齿轮架和驱动装置之间的联接的选择不能提供合适的减速比范围。

本发明提供对上述现有技术的改进。

技术实现要素：

为此目的，本发明公开了一种飞机涡轮发动机，包括至少一个旋转体，该旋转体包括通过转子轴相互连接的压缩机转子和涡轮转子，该涡轮发动机被配置为经由行星减速齿轮通过所述轴驱动构件，所述减速齿轮包括：至少一个第一元件，可旋转地固定到所述轴上；至少一个第二元件，被配置为可旋转地固定到所述构件上；和至少一个第三元件，被配置为选择性地固定到涡轮发动机的定子上以及从所述定子断开，所述涡轮发动机包括用于旋转地驱动所述第三构件的装置，所述装置被配置为当所述第三元件与所述定子断开时以引导速度驱动所述第三元件，其特征在于，所述第三元件通过制动装置连接到所述定子，并且所述驱动装置包括到所述第三元件的机械连接装置，以及其动力来自于所述涡轮发动机或涡轮发动机外部的源的机械取回装置，驱动装置被配置成使得由取回装置取回的动力通过连接装置传递到所述第三元件，以便旋转地驱动所述第三元件；在从涡轮发动机取回的情况下建立旁路可避免使用外部动力源。

因此，行星减速齿轮被引导，即第三元件的速度被引导，以便在合适的速度范围内控制来自减速齿轮的输出速度，即第二元件和构件的速度。与减速比不被引导的现有技术不同，其减速比在此可适于在不同的操作点处优化涡轮发动机的性能，和/或修改输出速度设定点。

根据本发明的涡轮发动机可包括单独地或组合地采用的以下特征中的一个或多个：

-所述第三元件是减速齿轮的外部环形齿轮，

-在从涡轮发动机取回的情况下，所述机械取回装置被配置成从所述旋转体或从所述构件取回动力。在从旋转体取回的情况下，取回发生在减速齿轮的上游，以及在取回发生在构件上的情况下，取回发生在减速齿轮的下游，

-所述机械取回装置连接到所述减速齿轮的所述元件之一，

-所述取回装置是可逆的，即它们能够操作为发电机或电动机，

-所述机械连接装置通过电子、电气或液压回路连接到所述机械取回装置，和

-涡轮发动机是直升机的涡轮发动机，所述构件是直升机旋翼，或者涡轮发动机是飞机的涡轮螺旋桨发动机或涡轮发动机，所述构件是螺旋桨或风扇或apu，所述构件是设备的一部分。

本发明还涉及一种用于控制上述类型的涡轮发动机的方法，其特征在于，该方法至少包括：

-使转子轴脱离的步骤，在该步骤期间，第三元件可自由旋转；和/或

-联动减速齿轮模式下的操作步骤，在该步骤期间，第三元件被制动装置阻挡。

根据该方法的另一个特征，更具体地与一种涡轮发动机关联，该涡轮发动机包括机械取回装置和用于旋转地驱动由通过电路相互连接的电动机-发电机组成的第三元件的装置，该方法包括：

-启动步骤，在该步骤期间，涡轮发动机由形成机械取回装置的电动机-发电机和用于旋转地驱动第三元件的装置中的至少一个启动，和/或

-涡轮发动机辅助阶段，在其瞬时速度，通过形成机械取回装置的电动机-发电机和用于旋转地驱动第三元件的装置中的至少一个发生，和/或

-提供apu动力的步骤，在该步骤期间，第二元件不被旋转地驱动和/或阻挡，并且其中，形成机械取回装置的电动机-发电机和用于旋转地驱动第三元件的装置中的至少一个由涡轮发动机驱动。

根据该方法的另一个特征，更具体地与一种涡轮发动机关联，其中，机械取回装置是减速齿轮和构件，该方法进一步包括：

-构件的制动步骤，在该步骤期间，至少形成机械取回装置的电动机-发电机从所述构件取回动力，和/或

-提供动力峰值的步骤，在该步骤期间，形成机械取回装置的电动机-发电机从外部动力源向所述构件提供动力，和/或

-电动滑行步骤，在该步骤期间，涡轮发动机关闭，形成机械取回装置的电动机-发电机从外部动力源向所述构件提供动力。

附图说明

通过阅读作为示例提供而非限制性的以下描述并且参考附图，更好地理解本发明，本发明的其他细节、特征和优点将变得更加清楚，在附图中：

-图1和图2是具有整体式气体发生器的涡轮发动机的示意图和纵向截面图，分别处于联动涡轮模式和自由涡轮模式；

-图3是具有减速齿轮的涡轮发动机的纵向截面图；

-图4是图3的一部分的较大比例视图；

-图5是涡轮发动机的减速齿轮的透视图和示意图；

-图6是图4的视图，示出了本发明的具体特征；

-图7和8是根据本发明的涡轮发动机的高度示意图，并且示出了本发明的实施例；和

-图9和10是根据本发明的涡轮发动机的高度示意图，并且示出了本发明的另一个实施例。

具体实施方式

在上面的描述中已经简要地说明了图1和图2。它们示出了包括单个旋转体的整体式飞机涡轮发动机。在图1中，涡轮发动机包括连接到气体发生器主体的涡轮机，并且在图2中，涡轮发动机包括安装在涡轮机和气体发生器主体下游的自由涡轮机。

图3和图4示意性地示出了飞机双体式旁路涡轮发动机10。

涡轮发动机10传统上包括气体发生器12，气体发生器12包括低压压缩机14、高压压缩机18、燃烧室20、高压涡轮22和低压涡轮16。在以下描述中，术语“上游”和“下游”将在涡轮发动机内的气体流动的主方向f上取得，该方向f平行于涡轮发动机的纵向轴线a。

低压压缩机14和低压涡轮16的转子形成低压或lp主体，并通过以轴线a为中心的低压或lp轴24相互连接。类似地，高压压缩机18和高压涡轮22的转子形成高压或hp主体，并且通过以轴线a为中心并围绕lp轴24布置的高压或hp轴相互连接。

此外，涡轮发动机10在气体发生器12的前面包括风扇28。该风扇28绕轴线a旋转并且被包围在风扇壳体30中。风扇28由lp轴24通过布置在lp主体和风扇28之间的减速齿轮32间接驱动，减速齿轮32轴向定位在风扇28和lp压缩机14之间。驱动风扇28的减速齿轮32的存在允许更大的风扇直径，从而实现更高的稀释率，因此可节省燃料。

图3和图4的减速齿轮32包括行星减速齿轮系。应该注意的是，按照惯例，当减速齿轮的环形齿轮被旋转地固定或被配置成旋转地固定时，齿轮系被称为行星齿轮。

如图5中更清楚地示出的，行星减速齿轮32包括以轴线a为中心并旋转地固定到低压轴24的行星轴50，行星轴50定位在所述轴24的上游延伸部中。

减速齿轮32进一步包括外部环形齿轮52和行星齿轮54，行星齿轮54与外部环形齿轮52和行星轴50接合并由行星齿轮架轴56支撑。

在行星减速齿轮32中，环形齿轮52固定到中间流动路径43的定子壳体上，并且行星齿轮架56可旋转地固定到风扇58的轴上，风扇58通常通过风扇盘支撑风扇叶片。

图6表示本发明的一个重要特征，根据该特征，在这种情况下，减速齿轮32的环形齿轮52通过制动装置60连接到中间流动路径隔室43的定子壳体。

在制动位置，构件60将环形齿轮52固定到定子。然后，减速齿轮32的功能类似于具有给定减速比的传统行星减速齿轮。在引导位置，构件60使环形齿轮52与定子脱离，然后环形齿轮52可由驱动装置82引导。

在示出本发明的各种实施例的图7和以下附图中，上述元件用相同的附图标记标识。

图7和图8示出了本发明的第一实施例。在这种情况下，原理是引导减速齿轮32的环形齿轮52的转速，以引导来自减速齿轮32的输出速度，即由减速齿轮驱动的构件80的速度，这在上述示例中是风扇，但在涡轮螺旋桨发动机的情况下也可以是螺旋桨，或者在直升机涡轮发动机或apu的情况下是旋翼。

涡轮发动机包括用于在环形齿轮52通过制动装置60从壳体脱离时旋转地驱动环形齿轮52的装置82。在所提供的示例中，驱动装置通过机械连接装置84连接到环形齿轮，并且连接到用于机械地从电动机获取动力的装置85。如图8所示，机械连接装置和取回装置之间的连接通过电动、液压或电子回路86实现。换句话说，涡轮发动机的一部分动力被取回并通过回路86路由以便旋转地驱动环形齿轮。

选择用于驱动环形齿轮的方法需要较小的扭矩，因此，相对于另一种解决方案，允许实现具有减小的尺寸和重量的驱动装置82。

在图7和图8的情况下，取回装置位于减速齿轮32的下游(相对于机械传动的方向)，位于减速齿轮和由减速齿轮驱动的构件80之间。取回装置85可通过小齿轮88或类似元件机械地连接到减速齿轮的输出轴，如所示的示例中所看到的。

在图9和图10的情况下，取回装置85位于减速齿轮32的上游，位于减速齿轮和气体发生器90之间。取回装置85可通过小齿轮88或类似元件机械连接到减速齿轮的输入轴，如所示的示例中所看到的。

驱动装置82可包括至少一个电动机，并且取回装置85可包括至少一个发电机。应该注意的是，电动机和发电机的联轴器可根据应用而变化。在本文中，具有轴的同轴电动机/发电机具有一些关系(由专用传动系统同步或旋转地驱动)。更传统的齿轮传动装置也是可能的。

上述装置82，85可以是液压的或电动的，可以是可逆的(被驱动或电动机)。

上述解决方案根据若干单独步骤定义涡轮发动机的操作。

因此，上述解决方案具有克服上述环形cvt系统的两个缺点的优点，即：

-它们能够脱离转子轴24，使环形齿轮自由旋转。因此，特别是对于涡轮发动机应用，不再需要使用额外的离合器(在成本和重量方面进步)，

-它们允许通过主要机械动力传动装置传递高扭矩；不再需要使用额外的减速齿轮(再次，在成本和重量方面进步)。

然而，需要额外的动力源来伺服控制环形齿轮，在该示例中，环形齿轮由转向分支b的构件实现。

出于明显的安全原因，该系统可在转向分支b的构件发生故障的情况下具有安全系统。调节系统的故障可能导致环形齿轮的释放，这将使电动机脱离并导致电动机发生超速。默认关闭的制动装置60理想地可实现该功能。

可定义保护规则以允许实施制动装置60。涡轮发动机将表现得像具有联动涡轮的涡轮发动机，环形齿轮的阻挡导致减速齿轮32转换成传统的行星系中的被引导的环形齿轮。

应注意的是，电路系统86允许多种可能性。在电动转向系统的情况下，可通过使用现有的电动机来执行涡轮发动机的启动。因此，维持专用的传统发电机/启动机不再有用(在重量方面进步)。

此外，应该注意的是，相对于图7和图8中所示出的第一实施例，图9和图10中所示出的第二实施例有助于启动涡轮发动机。

在第一实施例中，优选地，启动由定义的规则控制，例如使用取回装置85和由电动机-发电机组成的驱动装置82，电动机-发电机配置成交替地用作电动机或发电机。

类似地并且对于两个实施例，可使用转向回路的两个电动机-发电机，以便

-在瞬态期间辅助主电动机，

-通过使用可用电力启用快速启动，和

-根据需要通过使用主旋翼的惯性启用快速启动。

一旦启动，发动机可驱动减速齿轮32的一个发电机以提供飞机所需的动力(apu模式)，同时确保直升机的旋翼或飞机的螺旋桨不被旋转地驱动。例如，这可如下实现：

-在第一实施例中，通过用发电机82从环形齿轮获取动力来阻挡减速齿轮32的输出(例如，利用发电机-取回装置85-和制动装置)。

-在第二实施例中，通过从发电机85获取动力并使环形齿轮自由旋转。

因此，在第一实施例中，环形齿轮32的发电机85可有利地代替btp发电机。实际上，发电机85在涡轮发动机应用中以恒定速度被驱动。

类似地，在第一实施例的情况下，环形齿轮32的发电机85可用于在着陆后、当飞机在地面上时制动转子。根据所选择的发电机85技术，发电机可代替直升机制动器或简单地辅助直升机制动器。在任何情况下，发电机可用于取回转子的能量，例如为电池再充电。

类似地，在第一实施例的情况下，减速齿轮32的发电机85可使得更容易提供功率浪涌(尽管限制在大约100kw)以通过从外部源(例如：apu，电池)电取回来辅助飞行员自动旋转。

类似地，在第一实施例的情况下，减速齿轮32的发电机85可使得更容易向飞机的螺旋桨或风扇提供动力以进行电动滑行。因此，可考虑当电动机关闭时由电气系统旋转地驱动的螺旋桨。在这种情况下，动力必须来自外部动力源：

-电池

-apu，或

-另一台用于多发动机飞机的正在运行的电动机。

本发明将允许：

-在与联动涡轮机相关联的减速齿轮32的情况下：

ο消除横向超临界轴、减小圆盘直径、去除屏蔽，

ο根据自由选择的速度和功率使用气体发生器，实现不同的驾驶策略和性能进步，同时允许宽的输出速度设定点，

ο不必使用离合器启动电动机，

-在与自由涡轮机相关联的减速齿轮32的情况下：

ο在优化的工作范围内使用自由涡轮机，同时实现宽的输出转速设定点，

-通过行星齿轮系同时提供减速齿轮和连续可变功能，

-保持与已识别的混杂解决方案兼容，而不会导致重量增加，因为电动机-发电机已经存在用于减速齿轮32：

ο重启、快速重启和瞬态辅助，

ο发生器和btp的公有化(第一实施例)，

ο在发动机运行且旋翼或螺旋桨停止的情况下启用apu模式，

ο涡轮发动机的自动旋转的辅助和涡轮螺旋桨发动机的电动滑行的辅助(低)，和

ο在输出轴上使用电动机进行主转子制动(第一实施例)。

当应用于整体式飞机涡轮发动机时，本发明特别有利，因为它对瞬时速度提供了很好的响应性，压缩机的压缩率可立即获得。此外，这种类型的涡轮发动机提供简化的架构。