包括由自由涡轮驱动的设备的自由涡轮式涡轮机的制作方法

本发明涉及航空自由涡轮式涡轮机的通用领域，特别是用于涡轮喷气发动机或涡轮发电机，并且更具体地用于此类涡轮机的结构，所述结构在不损害设备的运行的情况下，允许在涡轮机的启动过程中经由自由涡轮驱动设备。

背景技术：

0、现有技术

1、一种用于直升机的自由涡轮式涡轮机通常包括气体发生器和由气体发生器产生的气体流旋转地驱动的自由涡轮，以及可连接到气体发生器，特别地用于在涡轮机的启动阶段中使气体发生器旋转的可逆电机。

2、通常，气体发生器包括旋转地连接的至少一个压缩机和一个涡轮机。工作原理如下：进入涡轮喷气发动机的冷空气在被送往燃烧室之前由于压缩机的旋转而被压缩，在所述燃烧室中冷空气与燃料混合。在燃烧过程中燃烧的气体随后以高速排出。

3、然后在气体发生器的涡轮中发生首次膨胀，在此过程中，气体发生器提取驱动压缩机和设备所需的能量。气体发生器的涡轮并不吸收被燃烧气体的所有动能，并且过量的动能相当于由气体发生器产生的气体流。气体发生器因此对自由涡轮提供动能，使得在自由涡轮中发生二次膨胀，所述二次膨胀将该动能转换为机械能，以便驱动接收构件，例如直升机的旋翼。

4、在涡轮喷气发动机或通常涡轮机的启动阶段，有必要旋转地驱动气体发生器，即旋转地驱动连接到涡轮机的压缩机连同所连接的不同设备项。如引言中所述，这正是可逆电机的作用之一，所述可逆电机通常是能够作为发电机可逆地运行的电动机。

5、如图1所示，其示意性地示出了现有技术的用于启动的自由涡轮式涡轮机，电机运行中的电机1驱动气体发生器3的机械轴2，直到通过燃料的燃烧持续该机械轴的旋转。在启动阶段中，通过以电动机模式运行的可逆电机使气体发生器的轴旋转此外还可以驱动设备项，所述设备项在该图中未示出并且可由轴2经由附件传动箱驱动。这可以对涡轮机供给燃料和油，使空气在压缩机4中循环，并因此将压缩空气输送到燃烧室5中以开始燃烧。该燃烧然后产生用于旋转地驱动燃气轮机3的涡轮6的气体流，之后在没有电机辅助的情况下，由涡轮机6旋转地驱动压缩机4和设备，这表示气体发生器3独立地运行，意味着涡轮机的启动阶段结束。

6、此外，对于如图1所示的涡轮机，接合在自由涡轮9的轴8上的接收器7，诸如在可用时与主传动箱相关联的第二电机或直升机转子，可以满足供给机械功率或产生高功率的需求。

7、在图1所示的涡轮机上，诸如燃料泵和油泵等设备经由附件传动箱机械地连接到气体发生器3的轴2。

8、需要抽取机械能以被旋转地驱动的设备项，例如泵，也被称为附件，并且通常安装在附件传动箱上，所述附件传动箱包括至少一个齿轮系以适配附件的旋转速度。

9、一旦完成了启动阶段，已知在发电机运行模式下使用可逆电机以产生非推进电能(例如28v干线)，从而对电气设备供电。通过从气体发生器3的轴2抽取机械功率，电机1产生电能，从气体发生器抽取的旋转动能由所述电机转换成电能。

10、如果不需要电力发电的话，该电机1可以是非可逆的并且由单个启动器组成。

11、图2以实线示出了气体发生器3的轴2的额定值以及以虚线示出了自由涡轮9的轴8的额定值随时间和涡轮式发电机的可能构造的变化。可以看出的是，这两个轴的额定值的变化是独立的。还指出了从启动阶段的退出点。

12、对于具有自由涡轮以及使用可逆电机的常规启动系统的涡轮喷气发动机，在发电机运行模式下，从用于由可逆电机1产生电力的气体发生器的轴的机械抽取对气体发生器的性能产生不利影响。

13、这是因为，在飞行过程中，由电机1和设备从气体发生器抽取的机械功率的变化表现为发动机的作业线在压缩机映射图上的移动。该移动对应于必须对其作出规定的喘振裕度，其后果是：

14、-通过禁止以最佳压力比使用压缩机以不利于发动机的作业线的优化；

15、-因此降低稳定性能，影响了单位燃料消耗。

16、对于此类构造，一种用于避免从气体发生器抽取机械功率来发电的解决方案包括使用一台用于启动功能的带有分离离合器系统的电机，以及使用另一台用于图1所示的发电功能的固定到自由涡轮的电机，这在质量和成本方面很不利，除了实际上很少使用之外。

17、文献fr 2 929 324公开了一种用于在不添加特定发电机的情况下启动自由涡轮式涡轮机的已知结构。相对于如图1所示包括两台电机的涡轮机，该技术方案可以降低总质量和成本，并提高涡轮式发电机的可靠性。本文献中描述的技术方案包括一种使用两个自由轮的切换系统，其可以启动自由涡轮式涡轮喷气发动机的气体发生器，然后通过从自由涡轮轴抽取机械能来产生非推进电能。经由气体发生器和附件传动箱保持驱动该设备。

18、通过避免从气体发生器抽取动能的缺点，特别是由于在飞行过程中由电机抽取的机械功率的变化所导致的发动机的作业线在压缩机映射图上的移动的问题，该解决方案特别地可以提高气体发生器的瞬态性能。

19、具有两个自由轮的该结构对于直升机涡轮机的情况很有利，以避免在启动阶段中经由电机驱动主转子。特别地，由于涡轮机的自由涡轮械地连接到主转子，在启动阶段不能分离的自由涡轮的轴和主转子之间的连接将需要使至少能量存储系统的尺寸过大，使得电机能够获得足够能量以旋转地驱动整体动力线(包括主转子)。

20、为了提高自由涡轮式涡轮机的性能，经由自由涡轮驱动涡轮机的所有设备也会是有益的。但是，由于燃料泵的性能与其转速相关联，在启动阶段之后的自由涡轮的速度变化将不允许或将严重地影响燃料系统组件的设计来保证涡轮机的正确启动。

技术实现思路

1、为此，本发明提供了一种自由涡轮式涡轮机，其驱动一个或多个具有足够功率的电机，所述电机具有可以优化质量、成本和可靠性的简化开关系统。

2、在本发明的主题中，提供了一种涡轮机，其包括具有第一机械轴的气体发生器、至少一个可逆电机、具有第二机械轴并由气体发生器产生的气体流旋转地驱动的自由涡轮、附件传动箱、直升机环境中的机械动力传输装置以及连接到附件传动箱的至少一个附件。

3、根据本发明的技术特征，涡轮机还包括第一机械连接装置，其设置为在第一构造中使所述第一机械轴机械地连接到附件传动箱并且在第二构造中使所述第一机械轴从附件传动箱机械地分离，以及第二机械连接装置，其设置为在第一构造中使所述第二机械轴机械地连接到附件传动箱并且在第二构造中使所述机械轴从所述附件传动箱机械地分离，电机的尺寸被设计成在涡轮机的启动过程中驱动气体发生器和所述至少一个附件。

4、根据本发明的涡轮机包括一个电机和两个机械连接装置，这既可以共同实现启动气体发生器和在电机上产生高电功率的功能，又可以在机械传输时避免自由涡轮和转子在启动阶段中由电机驱动，这可以减少启动时的惯性和阻力扭矩。此外，一旦启动了涡轮机，该构造允许自由涡轮驱动附件和转子。特别地，电机可以启动附件的旋转以及气体发生器的旋转，直到气体发生器能够独立地运行，因为一旦自由涡轮超过某一功率，在所述功率以上第二机械连接装置将第二机械轴机械地连接到附件传动箱，电机可以通过由自由涡轮经由附件传动箱驱动而在发电机模式下运行，从而对其他部件供电。

5、此外，在运行过程中自由涡轮轴断裂的情况下，根据本发明的结构可以直接地影响附件(包括燃料泵)的驱动，其具有立即切断发动机的直接效果，并且因此限制自由涡轮的超速。该结构具有在超速情况下保护自由涡轮的作用。

6、根据涡轮机的第一方面，涡轮机可还包括电机的控制单元，所述控制单元设置为在涡轮机的启动过程中使电机置于电动机模式，并且当第二连接装置处于其第一构造中时使电机置于发电机模式。

7、一旦气体发生器达到了允许其独立运行的额定值，通过使气体发生器从附件传动箱分离，减少了由电机输送的电力(等于自由涡轮的额定功率)，因为所需的能量现在仅为驱动附件所需的能量。

8、在气体发生器的独立运行和自由涡轮连接到附件传动箱以允许电机在气体发生器模式下运行之间的过渡阶段因此可以保持设备项或附件的转速足够高以保证其正确运行，在所述过渡阶段中电机继续以电动机模式运行但仅用于附件。

9、根据涡轮机的第二方面，第二机械连接装置从涡轮机的启动阶段处于其第二构造，直到第二机械轴或第二机械连接装置的运行参数已经超过了功率阈值，在所述功率阈值以上自由涡轮处于功率构造，这允许其在没有电机协助的情况下驱动所述至少一个附件。

10、对应于阈值的运行参数值优选地大于在第一轴到达离开启动阶段的速度阈值时所述运行参数具有的值，在所述阈值之上自由涡轮处于其功率构造。换言之，在气体发生器变得独立的时刻之后，出现了阈值，在所述阈值以上自由涡轮能够驱动这些附件。一旦第二机械轴或电机的所述参数已经超过了功率阈值，电机设置为在气体发生器模式下运行。

11、根据涡轮机的第三方面，第一机械连接装置可包括第一自由轮，第二机械连接装置可包括第二自由轮。

12、根据涡轮机的第四方面，第一机械连接装置和第二机械连接装置可包含在附件传动箱的壳体中。

13、因此，附件传动箱的小齿轮可以适配机械地连接到第一机械轴(即气体发生器)的设备(例如燃料泵或油泵)的速度。

14、根据涡轮机的第五方面，涡轮机可还包括连接到第一机械轴以不断地将额外附件直接地连接到气体发生器的额外附件传动箱。

15、在本发明的另一方面中，提供了一种具有旋转翼的飞行器，其包括至少一个如上所限定的涡轮机、主传动箱，以及在自由涡轮和所述主传动箱之间的机械连接装置。