CN101417592B - 装有涡轮发动机的旋翼飞行器的改进 - Google Patents

装有涡轮发动机的旋翼飞行器的改进 Download PDF

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Abstract

本发明涉及装有涡轮发动机的旋翼飞行器的改进。该旋翼飞行器(10)有主旋翼(11)、涡轮发动机(13)、联接于旋翼和发动机而能使发动机驱动旋翼的传动机构(MGB)。发动机有通过轴(15、15a、15b、16、18)连接于传动机构(MGB)的自由涡轮(132)。这种旋翼飞行器包括外部压缩机(19)，其布置成由自由涡轮(132)或由电动机驱动，这种旋翼飞行器还有把外部压缩机(19)连接于发动机的空气输送管道(21)，用于把已被外部压缩机压缩的空气输送到发动机的空气进口(22)。

Description

装有涡轮发动机的旋翼飞行器的改进
技术领域
本发明涉及可用在装有一台或多台涡轮发动机的旋翼飞行器上的改进。
本发明的技术领域是直升机制造业。
背景技术
旋翼飞行器有至少一个装有翼片的旋翼，有时其称之为主旋翼，其在转动起来时给旋翼飞行器提供升力和推进力。
一架旋翼飞行器有一或两或三台用于驱动主旋翼的发动机，以及可能还有一个反扭矩旋翼，以及还有各种附件(特别是交流发动机和一个或几个泵)。
也被称为主齿轮箱(MGB)的传动机构把发动机的输出轴连接于主旋翼的轴，尤其是传动机构包括减速器。专利文件US3002710、US3255825和US4811627中都举例描述了这样的传动机构。
每台发动机有轴流式和/或离心式压缩机，其一般包括多个形成对应数量的压缩级的叶轮，还有约束成随压缩机转动的第一涡轮；发动机还有被称为动力涡轮或自由涡轮的第二涡轮，其在流过发动机的气流的方向上处于第一涡轮的下游，并且其一般是在同一轴线上。
自由涡轮安装成相对于第一涡轮自由转动并可将燃气流作用在它的各个叶片上的推力转变成“驱动”机械扭矩；这个驱动扭矩由自由涡轮的轴并随后通过一般是包括在发动机里的减速器以及由发动机的输出轴传递，而这个输出轴可以是延伸于发动机的旁边和外部，例如平行于压缩机和第一和第二涡轮的公共转动轴线。
驱动旋翼飞行器所需要的驱动功率，根据预期的旋翼飞行器性能以及根据环境因素，特别是旋翼飞行器的平飞速度、它的机载重量、环境温度、大气压力、和/或飞行高度，可能大不相同。
而且，特别是，由涡轮发动机发出的功率随着大气压力和/或飞行高度的变化而有相当大的变化。
虽然在某些情况下通过增加一台发动机以及通过相应地改变动力传动机构可在某种程度上做到使现有直升机匹配于需要有更高功率等级的要求/使命，但是为了改变传动机构，需要进行专门的设计、研制，以及需要进行试验，这是非常耗时和耗钱的。
那种作法还容易搞成采用几台单机功率小的发动机，但不幸的是，单机功率小的发动机的燃料消耗率比单机功率大的发动机的大。
还有，适当功率的特别是大功率的发动机的设计、研制和试验同样是耗时和耗钱的事。
发明内容
本发明的目的是对这种状况提出一个补救方法，至少可做到部分地补救。
在本发明的一个方面，提出给旋翼飞行器装上独立于涡轮发动机(即在涡轮发动机的外面)的附加的外部空气压缩机，以及将外部压缩机的出口连接到发动机的进口的空气输送管道，以便将已由外部压缩机压缩的空气供给到涡轮发动机的进口。
本发明可通过增大(各)发动机内包括的内部压缩机进口处的空气压力来使(各)发动机发出的机械功率增大，而无需改变(各)发动机，所述进口处空气压力的增大可由(各)发动机之外的外部压缩机来达到。
优选的是，在常态的温度和压力条件下，以及在其常态转速下，外部压缩机具有在约1.01到约2的范围内，尤其是在1.05到1.5的范围内的压缩比。
在一个优选实施例中，外部压缩机包括单个装有叶片的运动(moving)叶轮，也就是只有一个压缩级，并且是轴流叶轮式的。在其它的实施例中，外部压缩机可以有多个轴流式和/或离心式叶轮，即有多个压缩级。
外部压缩机的(各)叶轮可包括能够改变叶片的节距的装置，以便能改变可得到的压缩量。
外部压缩机可布置成由发动机直接或间接驱动，为此，可将外部压缩机布置成由自由涡轮驱动，在可行时，可通过减速器和/或传动轴，或由旋翼飞行器的主传动机构(MGB)驱动，或者，将其布置成由电动机驱动，而这个电动机是通过发电机例如交流发电机和电池从发动机或从MGB汲取动力。
特别是在采用电驱动的情况中，外部压缩机可包括用于改变其转速的装置，于是，该装置可用于改变可得到的压缩量。
同样优选的是，旋翼飞行器还可包括设置在将外部压缩机连接到发动机的管道内的热交换器，可将这个热交换器连接于输送流体(水、空气、油、冷却流体)的回路，让流体流经热交换器进行循环而冷却已被外部压缩机压缩的空气。
在一个特定实施例中，涡轮发动机可以有两个输出轴：第一输出轴，其与发动机的内部压缩机和第一涡轮的公用的轴处在同一轴线上，并且延伸于这个公共轴的内部，这个第一输出轴可用于驱动推动推进器和/或外部压缩机；和第二输出轴，其可用于通过MGB机构驱动旋翼飞行器的主旋翼。
特别是，在外部压缩机是由MGB驱动时，可将其布置在MGB之前(所谓“前”是相对于指旋翼飞行器的前进方向而言)。相反，在外部压缩机是由发动机的输出轴驱动时，可将其布置在MGB之后。
有两台发动机的旋翼飞行器可以具有单台外部压缩机，让它给两台发动机提供压缩空气；或者它可以具有两台外部压缩机，让它们分别给两台发动机供气。
在以上任一构造中，可将由(各)外部压缩机压缩的空气输送给两台发动机，或只输送给两台之一。
可将电动机驱动的调气门安装在将(各)外部压缩机连接到各发动机的管道内。
本发明可使旋翼飞行器在巡航中的燃料消耗率降低。
本发明可提供一个简单、紧凑、且不昂贵的***，其可使旋翼飞行器的发动机发出的驱动功率增大。
附图说明
本发明的其它方面、特点和优点将在下面参照附图进行的说明中显现出来，这些附图表示出本发明的非限制性的优选实施例。
图1是本发明的第一实施例的简化示意图，其表示出旋翼飞行器的涡轮发动机和用于涡轮发动机的外部“增压器”压缩机，其中压缩机由发动机驱动；
图2是本发明的另一实施例的示意性平面图，示出装有两台涡轮发动机和一台外部加压的压缩机的旋翼飞行器的，其中压缩机是两台发动机共用的；
图3是本发明的再一实施例的示意性侧视图；
图4是本发明的再一实施例的示意性平面图，其中旋翼飞行器装有两台涡轮发动机和两台外部压缩机；
图5是本发明的再一实施例的示意性立体图，表示旋翼飞行器的两台涡轮发动机(未示)两个各自的输出轴和旋翼飞行器升力旋翼之间的动力传动机构，还表示出了两台外部压缩机和它们各自的用于由发动机和/或MGB驱动的机构；以及
图6是本发明的再一实施例的示意立体图，表示两台外部压缩机是怎样安装在用于给旋翼飞行器的两台涡轮发动机供气的两个空气供给管道内。
具体实施方式
参照图2到6，本发明涉及直升机10和其它旋翼飞行器，其上至少一个装有叶片12的升力和推进旋翼11由一台或多台涡轮发动机13驱动而绕大致垂向的轴线14旋转。
主齿轮箱(MGB)把每台发动机的输出轴15、16连接于主旋翼的轴17，这个齿轮箱尤其包括减速器(见图5)。
如图1所示，每台发动机包括内部压缩机130和约束成与内部压缩机130一起旋转的第一涡轮131。发动机还包括自由涡轮132，其相对于气体流过发动机的方向133处在第一涡轮的下游。
自由涡轮产生驱动力矩，其由自由涡轮的轴134传递，然后经减速器135由发动机的输出轴15传递，这个输出轴沿着平行于内部压缩机130和第一和第二涡轮131、132的公共转动轴线136的轴线150，延伸于发动机的旁边和外部。
(各)发动机13就这样驱动MGB的输入轴18(图1、3、5)。
图1表示的功率增大***包括有别于发动机的外部空气压缩机19和依序相继布置在用于输送空气的管道21内的空气冷却器20，该管道21把外部压缩机19连接到发动机13的空气进口22。
外部压缩机19包括装有叶片的叶轮，该叶轮安装成绕轴线190旋转并由轴15通过分别固定于轴15和该外部压缩机叶轮的齿轮23、24驱动而旋转。
进入管道21的空气25通过外部压缩机19时被压缩，离开外部压缩机19的已压缩空气26流过热交换器20时被冷却，并且离开热交换器20的已冷却的压缩空气27通过发动机13的空气进口22进入发动机13。
在对应于图2的实施例中，外部压缩机19由轴191驱动而旋转，而轴191由用于驱动主旋翼的MGB驱动。
外部压缩机19布置在MGB之前，而两台发动机13是布置在MGB之后，热交换器20和管道21部分地延伸于MGB之前以及部分地延伸于MGB的两侧，管道21把外部压缩机19连接于发动机13的空气进口22。
参照图3，轴线150上的两个轴15a和15b把发动机13的出口减速器135的输出连接于MGB的输入轴18。表示为皮带的传动***把轴15a连接于外部压缩机19的轴191，以便通过发动机的输出轴15a、15b驱动外部压缩机。
外部压缩机的叶轮布置在安装在管道21的空气进口内的过滤器或格栅28的下游。
在图4所示的实施例中，两台发动机13各自的输出轴15和16沿着大致平行且水平的两个相应的纵向轴线150、160延伸，每个轴驱动相应的外部压缩机19。
两台外部压缩机19布置在MGB的两侧，并在其后，靠近两个空气输送管道21的相应侧向空气进口210。
每个管道21设有一个分支21a，其可把被每个外部压缩机19压缩的空气的一部分输送到热交换器(辐射器)29，用于冷却MGB的润滑剂。
图4中，首先可以看到，涡轮发动机的输出轴15、16是“通轴”，也就是，它们沿着发动机的内部压缩机和涡轮机的相应纵向轴线延伸，其次可以看到，发动机的相应空气进口22是“切向的”或称“侧向的”。
参照图5，两台发动机的相应输出轴15、16通过啮合于轴15、16并且啮合于固定于轴18和轴33的另一个齿轮32的两个齿轮30、31驱动MGB的输入轴18，其中轴33用于驱动图中没有表示的反扭矩旋翼或称“尾旋翼”。
一对锥齿轮34用于从轴16驱动轴36，以及另一对锥齿轮35用于从轴36驱动外部压缩机19的轴191。
虽然图5中只表示出一台由轴16驱动的外部压缩机，但是应能理解，在相同于或类似于图4和6所示的旋翼飞行器装有用于两台发动机的两台外部增压器的构造的构造中，可以由轴15通过与包括零件34到36的装置完全相同的装置来驱动第二外部压缩机，图5中只表示出这种装置的一部分以避免将其表示得不清楚。
图6表示出装有两台外部压缩机19的直升机的一部分，这两台外部压缩机布置在穿过MGB的左侧和右侧的两个管道21内，并且是在两台发动机13之前。
在没有表示出来的各变化方案中，每台外部压缩机可由一台可变速电动机驱动而转动，而且，外部压缩机的运动叶片的节距可以是可调的，以便能改变可得到的压缩比。
应能理解，以上说明尚未周详，而是可以对本发明做出各种改变、添加或删减。

Claims (17)

1.一种旋翼飞行器(10)，包括主旋翼(11)和带有自由涡轮(132)的涡轮发动机(13)，所述涡轮发动机通过轴(15、15a、15b、16、18)连接于传动机构(MGB)并且设有空气进口(22)，所述传动机构(MGB)联接于所述旋翼(11)的轴和所述涡轮发动机(13)的输出轴而能使所述涡轮发动机(13)驱动所述旋翼，
其特征在于，所述进口(22)处的空气压力由外部压缩机(19)增加，所述外部压缩机位于所述涡轮发动机(13)外面，并且布置成由所述传动机构(MGB)驱动，即，由所述传动机构(MGB)驱动的轴(191)驱动，其中所述传动机构(MGB)由所述自由涡轮(132)驱动，或者所述传动机构由电动机驱动，其中所述电动机通过发电机和电池由所述传动机构(MGB)提供动力，同时空气输送管道(21)将所述外部压缩机(19)连接于所述涡轮发动机，从而将已被所述外部压缩机(19)压缩的空气递送到所述涡轮发动机的进口(22)。
2.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机(19)布置成由所述自由涡轮(132)通过减速器(135)、轴(15、15a、15b、16、36)、以及所述传动机构(MGB)驱动。
3.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，还包括布置在所述外部压缩机和所述发动机之间的所述空气输送管道(21)内的热交换器(20)，该热交换器连接于流体输送回路，用于冷却已被所述外部压缩机压缩的空气(26)。
4.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机，在常态的温度和压力条件下，对于其常态转速，具有在1.01到2的范围内的压缩比。
5.如权利要求4所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机，在常态的温度和压力条件下，对于其常态转速，具有在1.05到1.5的范围内的压缩比。
6.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机只有一个装有叶片的运动叶轮，即包括单个压缩级，并且是轴流叶轮式的。
7.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机包括装有叶片的运动叶轮和用于改变所述叶片的节距的装置。
8.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机布置成由电动机驱动，所述电动机通过交流发电机和电池由所述发动机或所述传动机构提供动力，以及其中，所述外部压缩机包括用于改变其转速的装置。
9.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述发动机有两个输出轴：第一输出轴，所述第一输出轴与所述发动机的内部压缩机(130)和第一涡轮(131)共用的轴(137)在同一轴线上，用于驱动推动推进器和/或所述外部压缩机；第二输出轴，所述第二输出轴用于通过所述传动机构驱动所述旋翼飞行器的主旋翼。
10.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机相对于所述旋翼飞行器的前进方向在所述传动机构之前。
11.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机相对于所述旋翼飞行器的前进方向位于所述传动机构之后。
12.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，装有两台发动机和向两台发动机递送压缩空气的单台外部压缩机。
13.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，装有两台发动机和供给两台发动机中的相应发动机的两台外部压缩机。
14.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，装有两台发动机，其中将由所述外部压缩机压缩的空气递送到两台发动机或它们之一。
15.如权利要求14所述的旋翼飞行器，其特征在于，包括布置在将所述外部压缩机连接到所述发动机的空气输送管道内的电动机驱动的调气门。
16.如权利要求11所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机位于所述传动机构的两侧。
17.如权利要求1所述的旋翼飞行器，其特征在于，所述外部压缩机包括多个运动叶轮。
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