航空发动机起动系统、起动方法及航空发动机

摘要

本发明涉及一种航空发动机起动系统、起动方法及航空发动机，其中，航空发动机起动系统包括：第一电磁部件和第二电磁部件，第一电磁部件设在航空发动机的外机匣(2)上，第二电磁部件设在航空发动机压气机的至少一级转子叶片(A)上，第一电磁部件和第二电磁部件能够在通电时产生相对变化的磁场，以便在航空发动机起动时驱动压气机转子(3)旋转。本发明的起动系统相当于通过集成式设计将压气机转子和外机匣变为类似于无刷电机的结构，能够在起动时直接控制压气机转子至预定转速，不需要配合传动系统，从而简化了起动系统的整体结构，不仅可以减小额外占用的空间，还能减少起动系统的质量。

说明书

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种航空发动机起动系统、起动方法及航空发动机。

背景技术

起动系统是航空发动机的重要组成部分，航空发动机点火之前，需要通过外部能量驱动其转子(一般为高压压气机及高压涡轮)高速旋转为燃烧室提供足够的高压空气，以满足起动要求。其一般工作过程为：首先，起动系统驱动转子到达点火转速；接着燃油流入燃烧室进行点火；当转子到达脱开转速时起动系统与转子脱离。

目前，涡扇航空发动机中应用较广的其中一种是高压空气起动系统，典型的高压空气起动系统主要包括：带减速机构的空气涡轮、离合器、与转子连接的附件齿轮箱。在高压空气的驱动下，空气涡轮通过离合器、附件齿轮箱驱动转子转动，最终实现起动功能。该起动系统通过机械零部件就能实现起动功能，简单可靠，但需要较为复杂的传动机构，且在引气过程中可能会降低发动机的热效率。

另一种目前较为先进的是采用电机起动系统，典型的电机起动系统包括：驱动电机、与转子连接的附件齿轮箱。驱动电机通过附件齿轮箱带动转子转动，最终实现起动功能。该起动结构不会影响发动机的效率，相比于高压空气起动结构需求的质量较小，但需要复杂的传动机构，对电机的性能要求也较高。

由此可见，高压空气起动系统和电机起动系统均需要引入复杂的传动机构，才能使转子到达预定转速，这必然会增加起动系统结构复杂性以及整体质量。

发明内容

本发明的目的是提出一种航空发动机起动系统、起动方法及航空发动机，该起动系统能够以较为简单的结构实现对航空发动机的起动。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种航空发动机起动系统，第一电磁部件和第二电磁部件，所述第一电磁部件设在航空发动机的外机匣上，所述第二电磁部件设在所述航空发动机压气机转子的至少一级转子叶片上，所述第一电磁部件和所述第二电磁部件能够在通电时产生相对变化的磁场，以便在所述航空发动机起动时驱动所述压气机转子旋转。

进一步地，所述第一电磁部件包括第一线圈，所述第一线圈环设在所述外机匣的外周上。

进一步地，所述第二电磁部件包括设在至少一级所述转子叶片上的多个第二线圈，设在同一级所述转子叶片上的多个所述第二线圈分别与该级的各个所述转子叶片相对应。

进一步地，所述第二电磁部件设在第一级所述转子叶片上。

进一步地，所述第一电磁部件和所述第二电磁部件之间能够实现单向或双向无线电力传递。

进一步地，所述第一电磁部件包括第一电力传递模块，所述第二电磁部件包括多个第二电力传递模块，所述第一电力传递模块和多个所述第二电力传递模块之间能够实现单向或双向无线电力传递。

进一步地，所述第一电磁部件和所述第二电磁部件的至少一个包括可充电的电源。

进一步地，所述电源设在所述第一电磁部件中，所述第一电磁部件还包括第一线圈，所述电源用于向所述第一线圈供电。

进一步地，所述第一电磁部件还包括控制部件，所述控制部件包括电流控制模块，用于控制所述第一电磁部件的通电参数。

进一步地，所述控制部件还包括起动判断模块，用于在需要连接起动系统与所述航空发动机时，向所述第一电磁部件和所述第二电磁部件通电；在所述压气机转子到达预定转速时，切断所述第一电磁部件和/或所述第二电磁部件的通电。

进一步地，所述第一电磁部件还包括控制部件，所述控制部件还包括模式选择模块，用于在起动系统工作于电机模式时，控制所述第一电力传递模块向多个所述第二电力传递模块无线传递电力；在所述起动系统工作于发电机模式时，控制多个所述第二电力传递模块为所述第一电力传递模块无线传递电力。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种航空发动机，包括上述实施例所述的航空发动机起动系统。

为实现上述目的，本发明第三方面提供了一种航空发动机起动系统的起动方法，包括如下步骤：

向所述第一电磁部件和所述第二电磁部件通电，使两者之间产生相对变化的磁场，以便在所述航空发动机起动时驱动压气机转子旋转；

当所述压气机转子到达预定转速时，切断所述第一电磁部件和/或所述第二电磁部件的通电。

进一步地，所述第一电磁部件包括第一线圈、用于向所述第一线圈供电的可充电电源和与所述电源并联的第一电力传递模块，所述第二电磁部件包括第二线圈和多个第二电力传递模块，所述第一电力传递模块和多个所述第二电力传递模块之间能够实现无线充电，向所述第一电磁部件和所述第二电磁部件通电，使两者之间产生相对变化的磁场的步骤具体包括：

通过所述电源为所述第一电力传递模块充电；

通过所述第一电力传递模块为多个所述第二电力传递模块无线传递电力；

通过各个所述第二电力传递模块分别为所述第二线圈供电，使所述第二线圈产生固定磁场；

控制所述第一线圈中的电流，使所述第一线圈产生变化磁场。

进一步地，还包括如下步骤：

当起动系统工作在发电机模式时，控制多个所述第二电力传递模块为所述第一电力传递模块无线传递电力。

基于上述技术方案，本发明的航空发动机起动系统，通过在航空发动机的外机匣上设置第一电磁部件，并在压气机的至少一级转子叶片上设置第二电磁部件，当向第一电磁部件和第二电磁部件通电时就能够在两者之间产生相对变化的磁场，从而在航空发动机起动时驱动压气机转子旋转。此种起动系统相当于通过集成式设计将压气机转子和外机匣变为类似于无刷电机的结构，能够在起动时直接控制压气机转子至预定转速，不需要配合传动系统，从而简化了起动系统的整体结构，不仅可以减小额外占用的空间，还能减少起动系统的质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明航空发动机起动系统的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明航空发动机起动系统安装在航空发动机中的一个实施例的结构示意图；

图3为本发明航空发动机起动方法的一个实施例的流程示意图；

图4为本发明航空发动机起动方法的一个具体实施例的流程示意图。

附图标记说明

1－起动系统；2－外机匣；3－压气机转子；4－燃烧室；5－高压涡轮；6－低压涡轮；7－风扇转子；11－电源；12－第一电力传递模块；13－第一线圈；14－第二线圈；15－第二电力传递模块；16－控制部件；31－高压压气机转子；32－低压压气机转子；A－转子叶片。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

航空发动机对起动系统的功能要求主要包括如下几个方面：(1)起动系统能在规定时间内将发动机转子加速到规定转速；(2)在发动机转子达到点火转速后，起动系统应能够根据需求与发动机脱开；(3)若发动机转子转速低于目标转速时，起动系统应能够根据需求与发动机重新连接。

为了简化起动系统的结构，本发明提供了一种航空发动机起动系统，在一个示意性的实施例中，参考图1和图2所示，包括：第一电磁部件和第二电磁部件，第一电磁部件设在航空发动机的外机匣2上，第二电磁部件设在航空发动机压气机转子3的至少一级转子叶片A上，压气机转子3包括沿着进气方向依次设置的低压压气机转子32和高压压气机转子31，第二电磁部件优选地设置在高压压气机转子31上。其中，第一电磁部件和第二电磁部件各自在通电时均能产生磁场，而且在第一电磁部件和第二电磁部件之间要能够形成相对变化的磁场，以便在航空发动机起动时驱动压气机转子3旋转。

为了形成相对变化的磁场，可以对第一电磁部件和第二电磁部件中的其中一个通交流电，以产生变化的磁场，对另外一个通直流电，以产生恒定的磁场；或者也可对第一电磁部件和第二电磁部件通入不同变化频率的交流电，以使两个电磁部件均产生变化的磁场。

本发明的航空发动机起动系统，相当于将第一电磁部件和第二电磁部件分别集成设置在航空发动机的外机匣2和压气机转子3上，将外机匣2和压气机转子3转变为类似于无刷电机的结构，这种集成设计的方式能够直接驱动压气机转子3转动，并根据起动需求控制压气机转子3达到预定转速，不需要配合中间传动系统，也省去了额外设置电机或空气涡轮等部件，从而简化了起动系统的整体结构，不仅可以减小额外占用的空间，还能减小起动系统的质量。

而且，该起动系统1仍然保留了发动机传统的轴承支撑方式，从而降低了技术实现难度，能够提高发动机运行的可靠性。另外，由于采用电磁驱动的方式实现起动，去除了机械式离合器，可以进一步简化起动系统的结构，并延长使用寿命。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，第一电磁部件包括第一线圈13，结合外机匣2的结构形式，将第一线圈13环设在外机匣2的外周上，参考图2，第一线圈13可以通过整周缠绕的方式设置在外机匣2的外周上。

在本发明的另一个实施例中，第二电磁部件包括设在至少一级转子叶片A上的多个第二线圈14，设在同一级转子叶片A上的多个第二线圈14分别与该级的各个转子叶片A相对应。也就是说，同一级的转子叶片A中，各个转子叶片A上均设有一个第二线圈14，这种线圈的布置形式是结合压气机转子3的结构特点来设计的。

在可选的设置形式中，可以在压气机转子3的任一级转子叶片A上设置多个第二线圈14，也可以在至少两级转子叶片A上设置多个第二线圈14。对于后一种情况，第一线圈13在外机匣2长度方向的设置位置应该与设有第二线圈14的转子叶片A相对应，在具体实现时，可使每级设有第二线圈14的转子叶片A分别对应一组独立的第一线圈13，也可使设有第二线圈14的至少两级转子叶片A共同对应一组第一线圈13。

在一个优选的实施例中，第二电磁部件设在第一级转子叶片A上。例如，在图2所示的实施例中，将第二电磁部件设在高压压气机转子31的第一级转子叶片A上。由于第一级转子叶片A的转动直径较大，驱动力臂较长，所需要的驱动力较小，因此该实施例可以有效降地低起动系统的驱动力要求。

在上述的各个实施例中，在起动系统1工作时，为了使得第一电磁部件和第二电磁部件之间产生变化的磁场，需要向第一电磁部件和第二电磁部件通电。

在一种实现形式中，可以在第一电磁部件和第二电磁部件中分别设置独立的电源以分别实现供电，或者也可通过外部电源实现供电。

在另一种实现形式中，只在第一电磁部件和第二电磁部件的其中一个当中设置电源11，第一电磁部件和第二电磁部件之间能够实现单向或双向无线电力传递，即起动系统1的供电基于无线充电技术，以通过一个电源11同时实现两个电磁部件的供电。

对于一种较佳的结构中，第一电磁部件包括第一电力传递模块12，第一电力传递模块12与电源11和第一线圈13并联设置，第二电磁部件包括多个第二电力传递模块15，每个第二电力传递模块15均与一个第二线圈14连接，第一电力传递模块12和第二电力传递模块15之间能够实现单向或双向无线电力传递。

每一个电力传递模块均包括能量发送单元和能量接收单元，其实现无线传输能量的原理为：当两个单元调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上就会发生共振，此时就可以交换彼此的能量。

本发明的实施例可采用电感式无线充电模块，其具体工作过程为：能量发送单元中的送电线圈产生一定频率的交流电，当送电线圈与能量接收单元中的受电线圈的磁场振动频率相同时，送电线圈对受电线圈的定向能量传输达到最大值，次级线圈中产生一定的电流，从而将电能从其中一个电力传递模块转移到另一个电力传递模块。

在采用无线电力传递的实施例中，可以只在第一电磁部件和第二电磁部件的其中一个当中设置电源11。为了满足反复利用及长期工作的需求，电源11最好选取可充电的电源11，例如蓄电池等。

更优地，考虑到外机匣2是静止的，而且第一线圈13便于通过电源11进行供电，将电源11设在第一电磁部件中，用于向第一线圈13供电，电源11的两极分别与第一线圈13的两端连接。

对于上述的各个实施例，为了实现对起动系统的工作过程进行控制，第一电磁部件还包括控制部件16，控制部件16包括电流控制模块，用于控制第一电磁部件中第一线圈13的通电参数，包括控制电流的大小和频率，以产生不同形式的磁场。通过对通电参数进行控制，可使起动系统在规定时间内将压气机转子3加速到规定转速，从而满足起动系统1的功能需求(1)。

将控制部件16和电源11均设置于第一电磁部件中的优点在于，外机匣2位于压气机转子3的外部，在安装附件时可操作性较强；而且外机匣2的外表面上有较为充裕的空间安装附件，而转子叶片A上的空间很有限，安装难度也较大，且每一级中各个转子叶片A上的第二线圈14不容易实现统一供电或控制，实现方式较为复杂；另外，压气机转子3在旋转时受到的离心力和振动会对附件的寿命产生影响，而静止状态的外机匣2则可获得较优的环境条件。

为了满足起动系统的功能需求(2)和(3)，在一个进一步的实施例中，控制部件16还包括起动判断模块，用于在需要连接起动系统1与航空发动机时，主要包括初始起动发动机以及发动机转子转速低于目标转速的情况，向第一电磁部件和第二电磁部件通电；在压气机转子3到达点火转速时，切断第一电磁部件和/或第二电磁部件的通电，将起动系统1与发动机脱开。

在另一个改进的实施例中，为了实现能量的充分利用，由外机匣2和压气机转子3形成的类似于无刷电机的结构具有两种工作模式，在需要对发动机进行起动或者依靠起动系统1进行辅助工作时，以电机的模式工作，起动系统1可正向驱动压气机转子3，将电能转换为压气机转子3的机械能；在发动机处于正常工作模式时，以发电机模式工作，起动系统可将压气机转子3的机械能转换为电能，并存储在可充电式的电源11中，以备下次起动工作时使用。该实施例既可正向驱动压气机转子3又可反向为电源11充电，同一系统可同时实现起动和发电功能，能够实现能量的回收利用，为优化发动机的发电设备提供了一条可行的途径。

具体地，控制部件16还包括模式选择模块，用于在起动系统1工作于电机模式时，控制第一电力传递模块12向多个第二电力传递模块15无线传递电力；在起动系统工作于发电机模式时，控制多个第二电力传递模块15为第一电力传递模块12无线传递电力。该具体实施例要求第一电力传递模块12和第二电力传递模块15之间能够实现双向无线电力传递。

为了使本领域技术人员清楚地获知起动系统1中各个部件的连接关系，下面将对图1所示航空发动机起动系统的具体结构进行说明。第一电磁部件包括：可充电的电源11、第一电力传递模块12、第一线圈13和控制部件16，其中，第一线圈13缠绕在外机匣3的外表面上，电源11的两极分别连接第一线圈13的两个引出端，第一电力传递模块12与电源11并联设置，控制部件16串联设置在第一线圈13所在的回路中。第二电磁部件设置在高压压气机转子31的第一级转子叶片A上，包括与转子叶片A的数量相应的第二线圈14和第二电力传递模块15，各个第二线圈14之间相互独立，第二线圈14沿着转子叶片A的宽度方向设置，第二电力传递模块15与第二线圈14的两个引出端连接。

其次，本发明还提供了一种航空发动机，包括上述各个实施例所述的起动系统1。航空发动机优选为涡扇航空发动机等。

在一个实施例中，如图2所示，发动机沿着进气方向依次包括：风扇转子7、低压压气机转子32、高压压气机转子31、燃烧室4、高压涡轮5和低压涡轮6，其中，在高压压气机转子31的外部设有外机匣2，高压压气机转子31和高压涡轮5相连。起动系统1中的第二电磁部件优选设置在高压压气机转子31上，以实现更加快速的起动过程，起动系统1能够带动高压压气机转子31和高压涡轮5转动。

图2为将图1所示的起动系统安装在航空发动机上的结构示意图，在起动工作时，电源11为第一电力传递模块12供电，第一电力传递模块12无线传输电力至第二电力传递模块15，第二电力传递模块15再为第二线圈14供电，使得压气机转子3的第一级转子叶片A产生固定磁场。同时，通过控制部件16控制第二线圈14中电流的大小和频率，使其产生变化磁场。以类似无刷电机的方式，压气机转子3相对于外机匣2转动且转速逐渐增加。当压气机转子3达到预设的点火转速后，第一电力传递模块12不再为第二电力传递模块15无线传输电力，实现起动系统1与发动机的脱离。

此时通过燃油喷嘴将燃油喷入燃烧室4，这时通过风扇转子7吸入的气体经过压气机3压缩后在燃烧室4内与燃油混合点火，并通过尾部的低压涡轮6进行喷火，为压气机3的转子提供动力，辅助外部气体进一步吸入，以加快气体压缩。从风扇转子7进入的气体一部分用于压缩，另一部分从外机匣2冲出，与低压涡轮6喷出的动力一起作为向前的推动力。

在工作过程中如果需要重新连接起动系统1与发动机，只需再次执行上述步骤即可。

当发动机处于平稳工作状态时，可以利用发动机工作时的机械能为电源11充电，这时由控制部件16控制第二电力传递模块15为第一电力传递模块12无线传输电力，压气机转子3转动的机械能就能够转换为电能在电源11中存储，以备下次起动工作时使用或者为发动机附近的其它电子部件供电。

因而，本发明的航空发动机能够在满足起动需求的基础上，至少可具备如下优点之一：

(1)由于此种起动系统1能够直接驱动压气机转子3转动，因而对压气机转子3的控制更加灵活精确，以为发动机的成功点火提供保障。

(2)此种起动系统1集成设置在外机匣2和压气机转子3上，且不需要配合传动系统，能够为发动机中其它零部件的设置提供更充裕的空间，还能简化发动机的整体结构，同时有利于减重。

(3)此种起动系统1能够实现电能和机械能的双向转换，在需要启动时，以电机模式工作，在正常工作时，以电动机模式工作，这种双向工作模式可减少发动机工作时的能量浪费，同时也为优化发动机的发电设备提供了可行的途径。

另外，本发明还提供了一种航空发动机的起动方法，基于上述各实施例的起动系统1，在本发明的一种实现方式中，如图3所示，包括如下步骤：

步骤101、向第一电磁部件和第二电磁部件通电，使两者之间产生相对变化的磁场，以便在航空发动机起动时驱动压气机转子3旋转；

步骤102、当压气机转子3到达预定转速时，切断第一电磁部件和/或第二电磁部件的通电。步骤101和102的先后顺序由发动机的工况来决定。该实施例的航空发动机起动方法能够直接地控制压气机转子的转速以实现起动，转速控制更加灵活精确，能够为发动机的成功点火提供保障。

在一种具体的实现方式中，结合图1所示的起动系统1，步骤101中向第一电磁部件和第二电磁部件通电，使两者之间产生相对变化的磁场具体包括：

步骤201、通过电源11为第一电力传递模块12充电；

步骤202、通过第一电力传递模块12为多个第二电力传递模块15无线传递电力；

步骤203、通过各个第二电力传递模块15分别为第二线圈14供电，使第二线圈14产生固定磁场；

步骤204、控制第一线圈13中的电流，使第一线圈13产生变化磁场。

在该实施例中，步骤202和204可由控制部件61来执行。步骤202应该位于步骤201和203之前执行，步骤204的顺序无严格限制。通过无线传递电力实现供电的方式，不仅能够减少电源11的数量，还能减少内部接线，从而简化起动系统1的结构，并提高起动系统1工作的可靠性。

在此基础上，若起动系统1能够实现能量双向转换，本发明的起动方法还可包括如下步骤：当起动系统1工作在发电机模式时，控制多个第二电力传递模块15为第一电力传递模块12无线传递电力。该实施例能够提高能量的利用率，具体优点已在前面的主题中详细给出，这里就不再给出。

以上对本发明所提供的一种航空发动机起动系统、起动方法及航空发动机进行了详细介绍。在上述三个主题中提到的技术特征和有益技术效果均能够相互引用和借鉴。

本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。