飞行器动力架构的制作方法

本发明涉及一种飞行器动力架构。特别地，本发明涉及一种包括燃气涡轮机和动力传动齿轮箱的架构，例如直升机或类似的旋翼飞行器的主传动齿轮箱(涡轮轴发动机架构)，或固定翼螺旋桨飞行器的传动齿轮箱(涡轮螺旋桨发动机架构)。

背景技术：

现有技术特别地包括专利申请ep-a1-2974964、fr-a1-3003514、fr-a1-3019219、fr-a1-2992630、fr-a1-2914697和fr-a1-2962404。

飞行器动力架构是指使得从飞行器能够产生推进能量并将该推进能量通过动力传动齿轮箱传动到推进元件的架构，该推进元件例如是旋翼或螺旋桨。

该动力架构包括燃气涡轮机，该燃气涡轮机产生这种推进能量并将该推进能量传输到动力传动齿轮箱，该动力传动齿轮箱使用这种动力通过转子以旋转推进元件。

燃气涡轮机在飞行器中的安装响应于多种约束，特别是在空间需求方面以及将燃气涡轮机保持在飞行器中适当位置方面。

传统上，燃气涡轮机附接到飞行器发动机隔室的至少一个机械层，并且优选地还附接到动力传动齿轮箱，因为目的是将由燃气涡轮机产生的能量传输到这种动力传动齿轮箱。为了管理燃气涡轮机相对于动力传动齿轮箱的相对运动，通过增加连杆、万向节、球形接头和未对准恢复系统，这些部件会增加架构的质量，使得该附接部变得更加复杂。

为了减少质量并限制附接部的复杂性，提出一种解决方案，该解决方案是通过燃气涡轮机的自由涡轮机的动力轴将燃气涡轮机直接设置在动力传动齿轮箱中，并在燃气涡轮机和动力传动齿轮箱之间增加保持系统。这消除了管理燃气涡轮机和动力传动齿轮箱之间的未对准的需要。

然而，在这种构造中，燃气涡轮机仅在一端处保持在适当位置。另一端是悬臂的，多余的质量会在与主传动齿轮箱的连接中导致高的机械应力。特别地，与燃气涡轮机相连的某些设备，例如油泵、燃油泵、冷却单元、除氧器、交流发电机等，以及燃气涡轮机的启动器/发生器，或外部设备都连接到箱，该箱被称为附件齿轮箱，回收燃气涡轮机产生的部分能量。这种附件齿轮箱和所有这些设备都固定在燃气涡轮机周围，以受益于产生的能量，并在这种悬臂构造中表示重要的质量。

因此，发明人寻求解决方案以克服这些缺点。

技术实现要素：

本发明目的在于克服已知的动力架构的至少一些缺点。

特别地，在本发明的至少一个实施例中，本发明目的在于提供一种动力架构，该动力架构使得在燃气涡轮机与动力传动齿轮箱成一体的构造中能够减少悬臂质量。

在至少一个实施例中，本发明的目的还在于提供一种动力架构，该动力架构具有减少的质量和复杂性。

在本发明的至少一个实施例中，本发明的目的还在于提供一种动力架构，该动力架构可以受益于飞行器的机载网络的协助。

在本发明的至少一个实施例中，本发明的目的还在于提供一种动力架构，该动力架构使得能够减少应用于附件齿轮箱的约束。

为此目的，本发明关系到一种飞行器动力架构，包括：

-动力传动齿轮箱，该动力传动齿轮箱位于第一隔室中，并且被构造成将机械能传输到转子，

-燃气涡轮机，该燃气涡轮机位于通过隔板与第一隔室分隔开的第二隔室中，包括燃气发生器和自由涡轮机，自由涡轮机通过燃气涡轮机的动力轴连接到动力传动齿轮箱，

-附件齿轮箱，该附件齿轮箱被构造成通过吸收由燃气发生器产生的部分能量为附件设备供应能量，

附接在飞行器上的燃气涡轮机通过动力轴设置在主传动齿轮箱中，并且通过保持系统将燃气涡轮机连接到主传动齿轮箱，

其特征在于：

-燃气涡轮机包括第一电机，该第一电机被构造成在燃气涡轮机运转时吸收由燃气发生器产生的一部分能量，并且将所吸收的能量转换为电能，

-附件齿轮箱位于第一隔室中，并且包括第二电机，该第二电机被构造成在燃气涡轮机运转时为附件设备供应动力，并且接收由第一电机传输的电能。

因此，根据本发明的动力架构通过将燃气涡轮机的附件齿轮箱移动到另一位置(即，另一隔室)，使得能够减少燃气涡轮机的悬臂质量。

为了确保附件齿轮箱总是使用由燃气涡轮机产生的一部分能量运行，第一电机(例如启动器/发生器)安装在燃气涡轮机上，并且当燃气涡轮机运行时，第一电机以发生器模式运行，并为附件齿轮箱供应动力。

通过提高电设备(例如启动器/发生器)的性能，特别是相对于所产生的动力(对于发生器而言)或所消耗的动力(对于电马达而言)，通过减少电设备的质量，使这种构造成为可能。

将附件齿轮箱移动到第一隔室还具有其他优点。包含燃气涡轮机的第二隔室被认为是飞行器的“热区”，因为由于燃气涡轮机的运行，那里的温度是高的，然而第一隔室被认为是“冷区”，因为它不包含任何产生大量热量的部件。第一隔室和第二隔室之间的隔板使得能够维持这些温差。

出于相同的原因，与包括燃气涡轮机的第二隔室相比，第一隔室受到的振动和污染(例如油云)的约束较少。

因此，附件齿轮箱在温度、振动和污染方面受到的应力较少，因此提供了更好的可靠性。另外，附件齿轮箱更靠近转子的轴线，这导致飞行器中的质量重新定位并减少不平衡。

通过传输电或机械动力，附件齿轮箱仍可为位于第二隔室中的设备供应能量，例如，使燃气涡轮机运行所需的设备，例如油泵、燃油泵、冷却单元、除氧器、交流发电机等。

有利地并且根据本发明，燃气涡轮机仅可通过设置在主传动齿轮箱中的动力轴和通过将燃气涡轮机与主传动齿轮箱连接的保持系统而附接在飞行器上。

有利地并且根据本发明，转子支撑旋翼或螺旋桨。

根据本发明的这个方面，动力架构用于借助旋翼或螺旋桨来升起和/或推进飞行器。

有利地并且根据本发明，第一电机是启动器/发生器。

根据本发明的这个方面，第一电机还被构造成在燃气涡轮机关闭或处于待机模式时启动燃气发生器。

有利地并且根据本发明，第二电机是电马达。

有利地并且根据本发明，第一电机和第二电机是无刷电机，并且被构造成以超过每分钟50000转的额定速度运行。

根据本发明的这个方面，这种电机的使用使得动力架构的质量能够显著减少，并且特别地有助于减少燃气涡轮机上的悬臂质量。

有利地并且根据本发明，附件设备包括燃气涡轮机的燃料泵和油泵，所述泵位于第二隔室中。

根据本发明的这个方面，与燃气涡轮机的运行有关的附件设备可以位于燃气涡轮机附近的第二隔室中，附件齿轮箱停留在第一隔室中。当涉及燃气涡轮机的直接运行时，其他附件设备也可以位于第二隔室中，例如油冷却单元风扇、空气调节压缩机等。

有利地并且根据本发明的最后一个方面，燃气涡轮机的燃料泵和油泵是电的，并以由附件齿轮箱供应的电能为动力。

根据本发明的这个方面，电泵的使用减少了动力架构的质量并且促进了两个隔室之间的能量传动。

有利地并且根据本发明，第一电机和第二电机被构造成接收电能或将电能供应给飞行器的机载电网络。

根据本发明的这个方面，当第一电机是启动器/发生器时，第一电机可以在启动器运行中，使用来自飞行器电系统的电能来启动燃气涡轮机，并且可以在发生器运行中，为网络供应电能，以为飞行器的其他设备供应动力。

有利地并且根据本发明，燃气发生器包括直接连接到自由涡轮机的高压涡轮机。

在这种“联动涡轮机”型架构中，燃气发生器的轴和动力轴是机械连接的。

有利地并且根据本发明，动力传动齿轮箱包括传动元件，该传动元件包括锥齿轮。

根据本发明的这个方面，传动元件被构造成：即使动力传动齿轮箱和燃气涡轮机以任何角度定向，仍调节转子的转速。

本发明还涉及一种飞行器，该飞行器包括连接到旋翼或螺旋桨的转子，其特征在于，该转子由根据本发明的动力架构驱动旋转。

有利地并且根据本发明，燃气涡轮机相对于旋翼或螺旋桨的旋转轴线以任何角度定向。

本发明还关系到一种动力架构和一种飞行器，其特征在于结合了以上或以下所提到的全部或部分特征。

附图说明

当阅读以下仅以非限制性的方式并且参照附图给出的说明时，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动力架构的局部截面的示意图，

-图2为根据本发明的第二实施例的动力架构的局部截面的示意图，

-图3为根据本发明的实施例的动力架构的电架构的示意图。

具体实施方式

以下的成果为示例。虽然说明书提到一个或多个实施例，但这不一定意味着每次参照均关系到同一实施例，或特征仅适用于一个实施例。不同实施例的简单特征也可被组合，以提供其它的实施例。在附图中，出于说明和清楚的目的，不严格遵照比例和比率。

图1示意性地表示根据本发明的第一实施例的飞行器的动力架构10的局部截面。

动力架构10特别地包括动力传动齿轮箱12、燃气涡轮机14和附件齿轮箱16。

动力传动齿轮箱12使得将由燃气涡轮机产生的能量能够传动到绕着由动力传动齿轮箱12驱动的转子13旋转的推进元件，例如旋转翼或推进螺旋桨。当飞行器是直升机时，动力传动齿轮箱通常被称为主传动齿轮箱(缩写为mgb)。

燃气涡轮机14包括燃气发生器18，该燃气发生器18以已知的方式通过对来自空气入口20的空气进行压缩和燃烧而产生气流。气流通过燃气发生器18的第一涡轮机膨胀以使得气流自身能够旋转，然后处在燃气涡轮机14的自由涡轮机22中。在自由涡轮机的出口处，废气穿过废气出口24排出。

燃气涡轮机14还包括动力轴26，该动力轴26将自由涡轮机22连接到动力传动齿轮箱12并使得在这两个元件之间能够进行动力传动。动力传动齿轮箱12通常包括一组传动元件28，例如周转齿轮系，特别是行星减速齿轮或具有常规外齿的链轮链，使得能够调节转子13的转速。

根据动力传动齿轮箱12和燃气涡轮机14的相对布置，传动元件28也可以用于传输动力，然而主传动齿轮箱12和燃气涡轮机具有不同的旋转方向(例如，如果它们垂直或成任何角度)。例如，传动元件28可以包括具有一致轴线的锥齿轮。

动力传动齿轮箱12位于第一隔室30中，而燃气涡轮机14位于第二隔室32中，第一隔室30和第二隔室32通过隔板34分隔开。为了避免由于两个隔室的相对运动引起的机械问题，一方面燃气涡轮机14通过动力轴设置在主传动齿轮箱12中，并且另一方面通过保持系统36将燃气涡轮机14直接连接到主传动齿轮箱12。

第二隔室32是所谓的“热”隔室，因为该第二隔室32包含燃气涡轮机14，燃气涡轮机14由于在那里发生燃料燃烧而成为强大的热源。出于相同的原因，第二隔室32也受到振动和污染(燃料、油等)。相比之下，第一隔室30是所谓的“冷”隔室，因为在那里没有发生如此大的热反应。

在根据现有技术的动力架构中，附件齿轮箱直接固定到燃气涡轮机，并连接到燃气发生器的轴，以吸收其产生的部分能量，优选地在空气入口侧。因此，在将燃气涡轮机设置在动力传动齿轮箱中的构造中，附件齿轮箱的质量是悬臂的，并造成结构和应力问题。

为了解决这些问题，附件齿轮箱16偏置并且位于第一隔室中。为了使得附件设备41a、41b、41c能够供应动力，它不像在现有技术中那样直接从燃气发生器中获取能量，而是通过第一电机(例如启动器/发生器38)获取能量，该第一电机固定在燃气发生器的轴上并且当燃气涡轮机14运行时产生电能；该电能通过电连接40传输到附件齿轮箱的第二电机(例如电马达42)。该电马达42将接收到的电能转变成可以为附件设备供以动力的机械能。附件齿轮箱也可以直接将电能传输到电动力设备，例如燃气涡轮发动机的燃油泵和油泵，它们可以是电的。

在下面的描述中，第一电机将被描述为启动器/发生器，第二电机将被描述为电马达。当然，第一电机和第二电机不限于这些示例。

当燃气涡轮机14关闭或处于待机模式时，启动器/发生器38还可用于启动燃气涡轮机14。为此，启动器/发生器可通过电连接连接到机载动力供应设备，或可替代地连接到另一个电能源，例如电池。

启动器/发生器38经常在空气入口20处位于燃气发生器的上游，特别是由于热应力的原因。

优选地，启动器/发生器38和电马达42是具有高转速(超过50000rpm)的无刷电机。在现有技术中，这些马达通常是无刷马达和低转速马达(大约12000rpm)：与现有技术相比，无刷马达的使用减少了启动器/发生器和电马达的质量。通过金属氧化物半导体场效应晶体管碳化硅(mosfetsic)或氮化镓(gan)技术和非常高速数字内核的使用能够显著地实现这种无刷电机和高速电机的使用。现有技术的晶闸管或绝缘栅双极型晶体管(igbts)不具有以如此高的速度驱动无刷电机的技术能力。

图2示意性地表示根据本发明的第二实施例的动力架构的局部截面。

在这个实施例中，燃气涡轮机114以与第一实施例相反的定向布置：空气入口120和废气出口124颠倒，并且自由涡轮机122相对于主传动齿轮箱112位于燃气涡轮机114的相反端处。因此，为了设置在燃气涡轮机114中，动力轴126被认为是穿过的，因为动力轴126穿过燃气涡轮机114到达主传动齿轮箱112。第一电机，这里是启动器/发生器138，总是位于空气入口侧。其余的运行类似于根据本发明的第一实施例的动力架构。

图3示意性地表示根据本发明的实施例的动力架构的电架构。

如图1和图2所示，启动器/发生器38回收由燃气涡轮机14的燃气发生器产生的一部分能量。为了传动由此产生的电能，电架构包括电转换器46a，该电转换器46a从启动器/发生器38到电网以ac/dc(整流器)模式运行，并且从电网到启动器/发生器38以dc/ac(逆变器)模式运行。电网络包含到其他被连接的电设备的所有连接，特别是到电马达42的所有连接，该电马达也通过电转换器46b(逆变器或整流器)连接，并通过dc/dc类型的电转换器46c(斩波器)连接到机载网络48。特别是，斩波器可以是谐振和降压-升压型的双向转换器。机载网络48包括能量存储元件50。

因此，从启动器/发生器38接收电能的电马达42可以将机械能供应到辅助设备，例如通过齿轮54。

在根据本发明的动力架构的电架构中，到机载动力供应设备48的连接不是强制的。

根据本发明的实施例，电架构还可包括缓冲存储器52。