包括电激活燃料供给泵的涡轮发动机和涡轮发动机燃料供应方法

摘要

本发明涉及包括涡轮发动机轴和泵吸模块(100)的航空器涡轮发动机，该泵吸模块包括结构外壳(9)、连接涡轮发动机轴的泵轴(11)、安装在所述泵轴(11)上和安装在结构外壳内侧的涡轮发动机燃料供给泵(3)以及安装在泵轴(11)上和适于旋转地驱动泵轴(11)以致动供给泵(3)或适于被泵轴(11)旋转地驱动以给涡轮发动机的设备(8)供应电力的电装置(5)。电装置包括安装在供给泵的移动部件(32)的外周边的转子元件(51)以及安装在结构外壳的内周边的定子元件(52)。

说明书

本发明涉及航空器的涡轮发动机，特别地直升机涡轮轴发动机的燃料供应的领 域。

参考图1，直升机涡轮轴发动机常规地包括主高压泵PHP，后者抽吸直升机的 大容量箱2中燃料，以将它输送给涡轮轴发动机的计量仪4。高压泵PHP是容积类 型的和安装在涡轮轴发动机的轴1上，以输送是速度函数的燃料流，在该速度，涡 轮轴发动机的轴1被驱动。常规地，由涡轮发动机的附件箱10，本领域技术人员已 知其英语名称“齿轮箱”驱动涡轮发动机的轴1。在已知的方式中，涡轮轴发动机 也包括辅助低压泵PBP，后者与高压泵PHP一起安装在涡轮轴发动机的轴1上，如 图1中所示。

还是参考图1，涡轮轴发动机通常地包括过滤装置2’，后者常规地包括燃料过 滤器、滤筒、钟形外罩和旁路(转换)。在燃料喷射到涡轮轴发动机的燃烧室中以前， 这种过滤装置2’可以纯化燃料。

当必须替换过滤装置2’的燃料过滤器或滤筒时，从过滤装置2’排干燃料，并且 空气穿入到过滤装置2’中。为了打开涡轮轴发动机，必需再次用燃料填充过滤装置 2’。燃料泵PBP、PHP没有帮助，因为它们连接到涡轮轴发动机的轴1。在过滤器 替换期间，空气穿入到燃料回路中，由于位于燃料箱和涡轮轴发动机之间供应管道 的重力，这可以导致完全的排空。当停止涡轮轴发动机时，燃料泵PBP、PHP保持 闲置。在已知的方式中，为了排除该缺陷，直升机包括引动泵，也称为“增压泵”， 其独立于涡轮轴发动机和可以将来自于位于直升机下部中燃料箱2的燃料升高朝向 涡轮轴发动机2，该涡轮轴发动机位于直升机上部中。引动泵可以用燃料填充过滤 装置2’和供应管道，以实现涡轮轴发动机的启动。

为了减小直升机的质量和为了降低其复杂性，已经建议从直升机省略引动泵。 为了用燃料填充过滤装置2’，那么必须例如，通过手动泵实施维护步骤，这必须固 定直升机，而这具有缺点。

为了排除这些缺陷中至少一些缺陷，本发明的目的是提出用于涡轮轴发动机， 更通常地用于涡轮发动机的燃料泵吸模块，其能够实现涡轮轴发动机的快速启动， 与过滤装置中和供应管道中所存在的燃料量无关。

为此，本发明涉及用于航空器的涡轮发动机，包括涡轮发动机轴和泵吸模块， 该泵吸模块包括：

-泵轴，连接到涡轮发动机的轴，

-用于给涡轮发动机供应燃料的泵，安装在所述泵轴上和适于根据涡轮发动机 的轴的转速来输送燃料流，和

-电装置，其安装在所述泵轴上和适于根据第一操作模式，驱动所述泵轴旋转， 以致动供给泵，并且根据第二操作模式，被所述泵轴驱动旋转，以给涡轮发 动机的设备供应电力。

当涡轮发动机停止时，电装置可以通过有利的方式启动涡轮发动机，而不考虑 在其中供给泵箱被提前供应的启动之前时刻，供应管道和过滤装置的燃料填充水平。 由此可以减少维护的持续时间，该维护为了改变过滤装置的燃料过滤器，因为不必 实施手动填充。而且，利用本发明，可以快速和可靠地引动涡轮发动机的启动，引 动与启动和与点火阶段分离。本发明更特别地应用于直升机，该直升机不包括燃料 供给泵，也就是说增压泵。

优选地，泵吸模块包括联结/分离装置，适于根据第一操作模式分离涡轮发动机 的轴和泵轴，并且根据第二操作模式联结它们。

因此，联结/分离装置有利地可以独立使泵激活，用于涡轮发动机轴的旋转。可 以有利地激活泵，而不驱动涡轮发动机的轴。

优选地，配置联结/分离装置，以当涡轮发动机轴的转速大于或等于泵轴的转速 时，联结涡轮发动机轴和泵轴。因此，保证了特别地在飞行中燃料供给泵的可靠驱 动，同时保护涡轮发动机的轴。

优选地，联结/分离装置是被动的，这限制了成本和增加了其可靠性。联结/分离 装置优选地具有空转轮的形式。

涡轮发动机优选地包括涡轮发动机的数字调节器，其适于控制电装置的操作模 式。涡轮发动机优选地包括连接电装置的电设备，以当涡轮发动机轴和泵轴联结时 由电装置供电。由此，例如FADEC类型的数字调节器可以控制电装置和由电装置 供电。

本发明优选地涉及作为特定类型的涡轮发动机的用于直升机的涡轮轴发动机。

本发明也涉及给包括涡轮发动机轴和泵吸模块的航空器涡轮发动机供应燃料的 方法，该泵吸模块包括联结到涡轮发动机轴的泵轴，安装在所述泵轴上和适于根据 涡轮发动机轴的转速输送燃料流、用于给涡轮发动机供应燃料的泵，和安装在所述 泵轴上的电装置，该方法中：

-在涡轮发动机的启动阶段之前或同时，电装置驱动泵轴旋转，以在引动阶段 期间致动供给泵；

-涡轮发动机启动后，由泵轴驱动电装置旋转，以给涡轮发动机的设备供应电 力。

利用本发明的方法，电能用于在引动阶段期间给供给泵供电和当涡轮发动机启 动时产生该电能。因此，本发明的电装置满足双功能。

在涡轮发动机的启动期间，优选地分离涡轮发动机的轴和泵轴，并且涡轮发动 机启动后联结它们。因此，当涡轮发动机停止时，它受到保护，因为涡轮发动机的 轴与泵轴分离，涡轮发动机的轴没有收到联结。

优选地，当涡轮发动机的轴达到大于泵轴转速的转速时，联结涡轮发动机的轴 和泵轴。因此，当涡轮发动机的启动生效时，涡轮发动机的轴驱动泵。

更优选地，因为航空器能够从涡轮发动机的轴的阈值速度飞行，所以在低于所 述阈值速度的联结速度，涡轮发动机的轴和泵轴联结。因此，限制了联结期间故障 情况下事故的风险，因为可能的故障只能发生在地面上。

优选地，通过时间延迟分开引动阶段和启动阶段，并且由此可以独立地激活供 给泵，以在涡轮发动机启动之前启动供应回路。举例说明，由此可能独立地填充涡 轮发动机的过滤装置和在随后阶段启动涡轮发动机。

当阅读仅仅通过实施例和参考附图所给出的下面描述时，将更好地理解本发明， 其中：

图1表示根据现有技术的涡轮发动机的示意性图示(已经提到)。

图2A表示根据本发明泵吸模块的第一实施方式的图示。

图2B表示根据本发明泵吸模块的第二实施方式的图示。

图2C表示根据本发明泵吸模块的第三实施方式的图示。

图3A表示具有根据本发明的泵吸模块的涡轮发动机的第一实施方式的示意性 图示。

图3B表示具有根据本发明的泵吸模块的涡轮发动机的第二实施方式的示意性 图示。

图3C表示具有根据本发明的泵吸模块的涡轮发动机的第三实施方式的示意性 图示。

图4A表示图2A的泵吸模块的电动机模式中操作的示意性图示。

图4B表示图2A的泵吸模块的发电机模式中操作的示意性图示。

图5表示根据本发明的泵吸模块的第一特定实施方式的示意性图示。

图6表示根据本发明的泵吸模块的第二特定实施方式的示意性图示。

图7到图10表示根据电装置的控制和涡轮发动机的启动控制，涡轮发动机的主 动轴的转速(实线)和泵轴的转速(虚线)。

应该注意到为了实施本发明，图以更详细地方式公开了本发明，并且所述的图 适合时当然可以用于给本发明更好的定义。

参考图3A示例了根据本发明的涡轮发动机的第一实施方式，涡轮发动机包括 旋转轴1，在该实施例中由涡轮发动机的附件箱10驱动它旋转，本领域技术人员更 熟知附件箱的英语名称“齿轮箱”。当然，本发明可以应用于涡轮发动机的任何旋转 轴。当启动涡轮发动机时，附件箱10驱动涡轮发动机的轴1旋转，如图3A中箭头 所示。

图3A的涡轮发动机常规地包括大容量的燃料箱2和如上所述的过滤装置2’， 该过滤装置包括例如，燃料过滤器、滤筒、钟形外罩和旁路(转换)。涡轮发动机常 规地包括计量仪4，适于分配来自于涡轮发动机中油箱2的燃料。在该实施例中， 计量仪4通过供应管道连接燃料箱。

为了使燃料从箱2沿着路线输送给计量仪4，涡轮发动机也包括一个或几个供 给泵。举例说明，参考图3A，涡轮发动机包括诸如上述的高压泵PHP，适于沿着 路线将燃料从过滤装置2’输送朝向计量仪4，但是同样地泵吸模块100适于沿着路 线将燃料从箱2输送朝向过滤装置2’。

换而言之，在图3A中所示的该第一实施方式中，用根据本发明的泵吸模块100 替换根据现有技术的图1的涡轮发动机的低压泵PBP。

当然，在任何类型的涡轮发动机的配置中，泵吸模块100可以替代任何燃料供 给泵，与它是高压泵(PHP)或低压泵(PBP)无关。举例说明，图3B示出涡轮发 动机的第二配置，其中泵吸模块100代替涡轮发动机的低压供给泵，包括由涡轮发 动机的分离的轴所驱动的两个泵。当然，根据本发明的泵吸模块100还可以替代高 压泵PHP。

相似地，根据本发明的泵吸模块100可以替代涡轮发动机的供给泵，包括如图 3C所示的单个供给泵。

泵吸模块100

参考图2A示出了泵吸模块100的第一实施方式。泵吸模块100包括泵轴11， 泵轴11上安装有供给泵3和电装置5，如图2A中所示，泵轴11通过联结/分离装 置7联结涡轮发动机的轴1。

供给泵3

在供给泵3所安装在其上的泵轴11的旋转期间，供给泵3被激活。优选地，供 给泵3是容积泵，其输送在供给管道20中的燃料流，该燃料流是泵轴11转速的函 数。优选地，供给管道20连接大容量燃料箱2，后者流体地流到涡轮发动机的过滤 装置2’。

电装置5

根据第一操作模式，电装置5适于驱动泵轴11旋转。由此，电装置5的第一操 作模式被称为“电动机操作模式”。而且，根据第二操作模式，电装置5适于输出泵 轴11上的机械能，以供应给涡轮发动机的至少一台电设备8。因此，电装置5的该 第二操作模式被称为“发电机操作模式”。

举例说明，电装置5连接电网，用于启动其上安装有涡轮发动机，特别地直升 机的涡轮发动机的航空器。电装置5优选地适于连接以机载电网电压供电的电网。

因此，有利地，当不驱动旋转涡轮发动机的轴1时，也就是说，当涡轮发动机 停止时，电装置5可以激活供给泵3。一旦涡轮发动机启动，电装置5就可以输出 泵轴11上的机械动力，以将其转换为电能和供电给涡轮发动机的一台电设备8。

举例说明，电装置5电连接涡轮发动机的数字调节器6，熟知后者的英文首字 母缩写FADEC，该数字调节器6可以控制涡轮发动机的操作模式。优选地，数字 调节器6通过电力接口连接电装置5。因此，数字调节器6可以控制电装置5的操 作模式和由后者供电。

联结/分离模块7

优选地，泵吸模块100包括联结/分离装置7，适于当电装置5通过发电机模式 起作用时，联结涡轮发动机的轴1到泵轴11，并且，当电装置5通过电动机模式起 作用时，分离它们。因此，有利地，当电装置5驱动泵轴11时，涡轮发动机的轴1 不被驱动，这保护了涡轮发动机的轴1和用于驱动涡轮发动机的轴1的元件，例如 齿轮箱10。

联结/分离装置7优选地具有空转轮7的形式，优选地用燃料润滑该空转轮7， 以方便其维护。根据优选的实施方式，配置联结/分离装置7，以当涡轮发动机的轴 1的转速大于或等于泵轴11的转速时，联结涡轮发动机的轴1和泵轴11，以实现泵 轴11的连续驱动。

根据优选的方面，联结/分离装置7是被动的，以允许根据涡轮发动机的轴1和 泵轴11的转速的自动联结/分离。举例说明，分离装置7具有空转轮、超程的离合 器或离心，例如液压装置的形式。

当然，联结/分离装置7也可以是主动装置。举例说明，主动的联结/分离装置 具有齿轮箱、行星齿轮系或离合器的形式。

参考图2A的泵吸模块100，电装置5安装在联结/分离装置7和供给泵3之间。 当然其它的泵吸模块100的配置也是同样可能的。举例说明，供给泵3可以安装在 联结/分离装置7和电装置5之间，如图2B中所示。

前面以分离元件的形式描述过供给泵3、联结/分离装置7和电装置5，然而， 当然，它们可以都组合在一起或在模块中。举例说明，在泵吸模块100中，供给泵 3包括电装置5，如图2C中所示。

举例说明，图5和图6表示根据本发明的泵吸模块100的两个特定的实施方式， 包括供给泵3、电装置5和联结/分离装置7。

图5的泵吸模块5

如图5中所示，泵吸模块100包括结构外壳9，外壳9中布置有吸入凸缘81， 以从燃料箱2抽吸燃料，和输送凸缘82，以供应例如，图2中所示涡轮发动机的过 滤装置2’。泵吸模块100包括安装在结构外壳9内的燃料供给泵3。参考图5，泵3 包括第一固定的中心部件31，其连接到结构外壳9，包括连接到输送凸缘82的中空 输送轴和其固定的中心部分31外侧所安装的移动部件32。泵3的移动部件32安装 在结构外壳9的固定外部冠83内。换而言之，泵吸模块100从其中心轴线开始从内 部到外部包括泵的固定部件31，然后泵3的移动部件32和最后连接结构外壳9的 外部冠83。

泵吸模块100包括动力输出元件84，其通过空转轮7连接泵3的移动部件32， 该空转轮7确保联结/分离，如图5中所示。在该实施例中，齿轮箱10的涡轮发动 机的轴1适于连接动力输出元件84，以驱动移动部件32。换而言之，移动部件32 对应于如前所述的泵轴11，空转轮适于联结/分离涡轮发动机的轴1和泵轴11，该 涡轮发动机的轴1连接动力输出元件84，该泵轴11连接泵3。

泵3的移动部件32的旋转可以有利地从吸入凸缘81抽吸燃料到输送凸缘82。 供给泵3可以是内齿轮油泵类型的齿轮、液环/侧向通道、凸角、螺杆泵等。在该实 施例中，空转轮7是滚子空转轮。

泵3的移动部件32包括在其外周边上的转子元件51，而结构外壳9的固定外 部冠83的内周边包括定子元件52，这样以形成电装置5，该电装置5能够实现驱动 泵3的移动部件32(电动机操作模式)或实现从泵3的移动部件32的旋转的能量 回收(发电机操作模式)。

电装置5整合在泵3中可以减少所需的空间和泵吸模块100的质量。

图6的泵吸模块6

图6表示图5的泵吸模块100的优选实施方式。在该实施例中，供给泵3是带 有三个同步螺杆的螺杆泵。如图6中所示，供给泵是螺杆泵3’，包括固定的中心部 件31’和移动外部部件32’。供给泵3’有利地包括两组反螺距的螺杆，以这种方式以 补偿燃料对螺杆的径向力。

非常明确地，参考图6，供给螺杆泵3’包括在卫星轴34’内侧安装的中心螺杆 33’，该卫星轴34’安装在中空输送轴上，该中空输送轴通过中心同步齿轮35’连接输 送凸缘82。供给螺杆泵3’也包括通过卫星同步齿轮37’安装在卫星轴34’上的卫星螺 杆36’，如图6中所示。

在该实施例中，螺杆泵3’的移动部件32’包括径向供给通道38’，并且螺杆33’、 36’包括输送通道39’。当激活螺杆泵3’时，燃料从供给凸缘81循环朝向螺杆泵3’ 的移动部件32’的径向供给通道38’，朝向螺杆33’、36’的输送通道39’，以最后被 引导到连接输送凸缘82的中空输送轴。

常规地，燃料泵吸模块100同样地包括用于固定到涡轮发动机的设备，以实现 装置与涡轮发动机的整合。

实施方式

现在将描述用于图2A中所配置的涡轮发动机的图3A的泵吸模块100的实施方 式，当然，该描述以相似的方式适于泵吸模块的任何实施方式和涡轮发动机的任何 配置。

将描述当电装置5以电动机模式起作用时(图4A)和当电装置5以发电机模式 起作用时(图4B)时，泵吸模块100的操作。

参考图4A，为了启动关闭的涡轮发动机，电装置5从数字调节器6接收控制命 令C，以使电装置5以电动机模式M起作用。电装置5驱动泵轴11旋转(步骤M1)， 这激活供给泵3，它可以抽吸燃料箱2中的燃料，以将燃料供应给过滤装置2’(步 骤M2)。在这种状态下，当泵轴11的转速高于涡轮发动机的轴1的转速时，联结/ 分离装置7将泵轴11从涡轮发动机的轴1分离。

因此，涡轮发动机的轴1不被驱动旋转，这保护了停止的涡轮发动机的附件箱 10。

因此，在启动期间，电装置5激活供给泵3，但是不激活停止的涡轮发动机的 附件箱10。这种电装置5是有利的，因为它几乎不需要空间，并且可以启动涡轮发 动机，而不考虑过滤装置2’中燃料的水平。供给泵3可以根据需要而被激活，与涡 轮发动机的操作状态无关，这可以在任何时刻给涡轮发动机供应燃料。如下面将要 详细描述的电装置5激活和涡轮发动机启动的控制分布曲线的描述期间，为了替换 涡轮发动机的燃料过滤器，这是特别地有利的。

参考图4B，一旦启动涡轮发动机，涡轮发动机的附件箱10就驱动涡轮发动机 的轴1旋转(步骤G1)。在这种状态下，当泵轴11的转速低于涡轮发动机的轴1 的转速时，联结/分离装置7联结泵轴11到涡轮发动机的轴1。因此，涡轮发动机的 轴1的旋转驱动泵轴11的旋转(步骤G2)，这激活供给泵3，它可以抽吸燃料箱2 中燃料，以将燃料供应给过滤装置2’(步骤G3)。更优选地，电装置5从数字调节 器6接收命令指令，这样电装置5以发电机模式G起作用。电装置5输出泵轴11 上的机械动力，并且将它转换为电能，以及给涡轮发动机的电设备8供电。

控制分布曲线

图7到图10表示用于泵吸模块100电装置5激活(CE)和涡轮发动机的启动 (CT)的不同控制分布曲线。电装置5的控制命令CE理解为是以电动机模式起作 用的电装置5对供给泵3的驱动。在这些图中，涡轮发动机轴V1(实线)和泵轴 V11(虚线)的转速V被表示为电装置5和涡轮发动机的控制分布曲线的函数。

图7表示当停止涡轮发动机(CT＝0)时，电装置5的激活(CE＝1)。在该控制 期间，只有泵轴11被驱动，这可以供应泵，以例如在滤筒替换后，用燃料填充过滤 装置2’。用燃料填充过滤装置2’是自动的，并且不需要任何维护步骤，该维护步骤 必须固定其上安装有涡轮发动机的航空器。因此，图7的控制分布曲线图称为引动 阶段PA。

图8表示图7的引动阶段PA后的启动阶段PD，在启动阶段PD，涡轮发动机 打开(CT＝1)。参考图8，在启动阶段PD期间，不激活电装置5(CE＝0)，并且当 涡轮发动机的轴的转速V1大于泵轴的转速V11时，联结/分离装置7联结涡轮发动 机的轴1到泵轴11。因此，轴1、11的速度曲线V1、V11在启动阶段的过程中结 合，如图8所示。在该实施例中，还是参考图8，引动阶段PA接着是时间延迟TE， 然后是启动阶段PD。因此，引动阶段PA是先于启动之前的阶段，并且目的是保证 在控制涡轮发动机的有效启动之前，用燃料供应过滤装置2’。当然，引动阶段PA 可以直接地跟着启动阶段PD。

图9表示引动阶段PA和伴随的启动阶段PD。在该实施例中，涡轮发动机打开 (CT＝1)，同时电装置5打开(CE＝1)。在该阶段，泵轴11的速度V11很快地增加， 以允许供给泵3的激活。另一方面，涡轮发动机1的轴的速度V1缓慢地增加，以 允许(在启动、加速、地面怠速等)阶段中涡轮发动机的速度增加。

在控制分别曲线开始，涡轮发动机的轴1的速度V1小于泵轴11的速度。联结 /分离装置7将涡轮发动机的轴1从泵轴11分离。当涡轮发动机的轴1的速度V1 等于或超过泵轴11的速度V11时，在图9中标记为A的联结点，联结/分离装置7 联结涡轮发动机的轴1和泵轴11。

有利地，当引动阶段PA和启动阶段PD是伴随的时，减少了涡轮发动机的启 动时间。

泵轴11的转速V11优选地适于对应于小于其飞行速度的涡轮发动机的转速。 因此，当航空器还在地面上时，涉及联结点A是必要的。这可以限制联结故障情况 下的风险和由此增加安全性。

作为变化形式，参考图10，引动阶段PA和伴随的启动阶段PD可以先于预备 引动阶段PA’，在该预备引动阶段，激活泵3由电装置5以降低的转速V11’驱动旋 转。这种预备引动阶段PA’可以设定泵轴11以速度增量旋转，这有助于涡轮发动机 的轴1和泵轴11的顺利联结。当然，引动阶段PA也可以直接地跟着时间延迟TE。