CN110891861A - 用于提供用于提供电能用的电的设备的驱动功率的传动机构设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及尤其基于燃气涡轮机的传动机构设备，所述传动机构设备优选地能够用于混合动力‑电地驱动的空中交通工具。所述传动机构设备的驱动部段产生加速了的气体流，所述气体流在所述传动机构设备的燃气涡轮机中被进一步处理，以用于产生推力。此外，所述传动机构设备包括具有用于提供用于多个电的发电机的驱动功率的多个功率涡轮机的功率涡轮机部段。所述功率涡轮机如下地设立，使得所述功率涡轮机能够单单由于与离开所述燃气涡轮机的、加速了的气体流的直接的相互作用、也就是说单单通过所述气体流本身并且尤其没有借助于到所述驱动部段的能够运动的构件中的一个处的机械的耦联被驱动。

Description

用于提供用于提供电能用的电的设备的驱动功率的传动机构 设备和方法

技术领域

本发明涉及尤其基于燃气涡轮机（Gasturbine，有时称为气体涡轮机）的传动机构设备（Triebwerkseinrichtung，有时称为引擎设备），所述传动机构设备优选地能够用于电地或混合动力-电地（hybrid-elektrisch，有时称为混合电地）驱动的空中交通工具（Luftfahrzeug，有时称为飞机）。

背景技术

为了驱动空中交通工具如例如飞机或直升机，调查和使用基于电的或混合动力-电的驱动***的构思作为对于迄今常用的内燃机的备选方案。这种混合动力-电的驱动***通常（当然除了其它的、在此未提及的构件之外）具有至少一个内燃机以及与所述内燃机机械地耦联的电的发电机。内燃机（其作为传动机构例如能够基于具有压缩机、燃烧腔室和涡轮机部段的传统的燃气涡轮机）串联地或并联地集成到驱动***中并且在提及的示例中在运行状态中借助于所述内燃机的涡轮机部段来驱动电的发电机。相应于此地，发电机本身提供电能供使用，所述电能根据发电机的期望的使用例如能够存储在电池中和/或能够供应给电动马达。所述电动马达例如能够得以用于驱动空中交通工具的推进器件。

在这种***中，发电机为了功率输出而优选地集成到传动机构中。例如，在这些应用中相对小的发电机通过多个轴与燃气涡轮机的高压轴耦联。典型地，提供以多个MW的数量级的功率的发电机被放置到与传动机构本身相同的轴线（Achse）上。然而，原则上由于这种集成和这两个构件的在此采用的（umgesetzte）耦联而产生如下问题，即在于发电机中存在有故障情况时，传动机构或燃气涡轮机必须被切断。这一贯地（konsequenterweise，有时称为符合逻辑地）导致功率损失并且导致对于空中交通工具的必要时紧要的（kritischen，有时称为危急的）故障情况。在空中交通工具的电的运行的情况下，在驱动***中的故障情况能够导致空中交通工具的坠落、尤其与对于乘客的相应的危险相联系并且通常伴随有巨大的财物损害。

在混合动力-电的驱动器的情况下（在其中，典型地经永久激励的（permanenterregte）发电机与涡轮机如所描述的那样耦联），这种问题还没有被考虑并且也还没有被解决。在具有传统的驱动器（在其中，内燃机产生用于装载电器（Bordelektronik）的高的电的功率）的空中交通工具的情况下，多个发电机通过联结器（Kupplungen）和复杂的、多级的传动器与相应的传动机构的所谓的高压轴连接。还能够考虑的是，发电机与低压轴耦联。在于发电机中的一个发电机中存在有故障情况时，所述一个发电机通过相应的联结器与传动机构分离。这种联结器对于大的发电机（如所述大的发电机在混合动力-电的驱动器中被需要的那样）还是能够考虑的，然而所述联结器由于较高的功率等级（Leistungsklasse）而变得非常重和大，这使对于这种应用的构思不能使用。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明如下备选的可行方案，即对于尤其空中交通工具的混合动力-电的驱动器而言，在避免上面提及的问题的情况下给一个或多个电的发电机提供所需要的驱动功率供使用（zur Verfügung zu stellen）。

所述任务通过在权利要求1中所描述的传动机构设备以及通过在权利要求7中所描述的方法来解决。从属权利要求描述有利的设计方案。

用于驱动交通工具、尤其混合动力-电的空中交通工具并且用于提供用于提供电能用的电的设备的驱动功率的相应的传动机构设备具有驱动部段以及功率涡轮机部段。驱动部段设立成用以为了产生用于驱动交通工具的推力而提供加速了的气体流。用于提供用于电的设备的驱动功率的功率涡轮机部段具有至少一个第一功率涡轮机。所述功率涡轮机、也就是说其转子本身具有连接装置、也就是说轴或用于将功率涡轮机的转子与轴连接的至少一个设备，藉由所述连接装置，第一功率涡轮机能够与电的设备的第一电的发电机、也就是说与所述发电机的转子机械地耦联，以用于驱动所述发电机。在此，功率涡轮机部段的功率涡轮机中的每个功率涡轮机如下地构造和布置，使得所述每个功率涡轮机能够单单由于与加速了的气体流的直接的相互作用被驱动。表述“单单由于直接的相互作用”应该在此得以表达的是，一个或多个功率涡轮机的驱动仅仅通过气体流L本身并且尤其没有借助于到驱动部段的能够运动的构件中的一个处、例如到所述驱动部段的轴处的机械的耦联来进行。

因此，作为本发明的基础的构思在于，将提供用于驱动电的发电机的驱动功率的功率涡轮机部段与燃气涡轮机或与所述燃气涡轮机的轴等机械地解耦并且单单借助于加速了的气体流来驱动所述功率涡轮机部段。

电的设备如下地构造，使得由电的设备提供的电能能够被供应给交通工具的一个或多个消耗器，其中，消耗器例如是用于驱动交通工具的电动马达和/或用于存储和之后提供由设备提供的电能的电池。还能够考虑的是，消耗器是交通工具的装载电网的部件。

电的设备能够包括第一发电机以及一个或还多个另外的电的发电机。相应于此地，多个电的消耗器还能够以电能来供给，其中，尤其能够考虑的是，不同的消耗器必要时具有关于电能的不同的要求、例如不同的运行电压以及功率等级。

功率涡轮机部段同样能够除了第一功率涡轮机之外还包括一个或多个另外的功率涡轮机。在此，功率涡轮机部段例如能够构造为具有多个涡轮机级的涡轮机，其中，多个功率涡轮机中的每个被实现为涡轮机级中的一个。备选地，能够设置有单独的功率涡轮机。

功率涡轮机沿气体流的流动方向看彼此相继地布置，其中，功率涡轮机中的每个功率涡轮机、也就是说所述每个功率涡轮机的转子具有相应的连接装置、也就是说轴或用于将功率涡轮机的转子与轴连接的至少一个设备，藉由所述连接装置，相应的功率涡轮机能够与相应的电的发电机、也就是说与所述发电机的转子机械地耦联，以用于驱动所述发电机。由此存在有相应地由功率涡轮机和发电机构成的多个独立的***，这一方面保证***的冗余（Redundanz）和/或如已经表明的那样开启如下可行方案，即对不同类型的电的消耗器进行供给。

在功率涡轮机部段中，尤其针对每个电的发电机设置有专用的功率涡轮机，其中，相应地所述功率涡轮机中的一个相应地与电的发电机中的一个机械地耦联。因此设置成，针对每个发电机存在有专用的功率涡轮机，以便由此创造最大的独立性。

在用于提供用于电的设备（所述电的设备用于提供用于交通工具、尤其混合动力-电的空中交通工具的消耗器的电能）的驱动功率的方法中，能够采用所描述的传动机构设备。传动机构设备的驱动部段提供加速了的气体流L并且所述加速了的气体流L被导引到功率涡轮机部段的第一功率涡轮机。加速了的气体流直接与第一功率涡轮机相互作用并且由此驱动所述第一功率涡轮机。由此尤其单单以气体流L直接驱动的第一功率涡轮机因此（inder Folge）提供用于电的设备或用于相应的发电机的驱动功率的至少一部分。

第一电的发电机在充分利用（Ausnutzung）由第一功率涡轮机提供的驱动功率的情况下被驱动并且由此本身提供用于消耗器的电能的至少一部分。

电的设备能够除了第一发电机之外还包括一个或多个另外的电的发电机。功率涡轮机部段同样能够除了第一功率涡轮机之外还包括一个或多个另外的功率涡轮机。在此，给功率涡轮机中的每个配属有电的发电机中的一个，其中，加速了的气体流L与功率涡轮机中的每个功率涡轮机直接相互作用并且驱动所述每个功率涡轮机，并且由此以气体流L直接驱动的功率涡轮机中的每个功率涡轮机给配属于所述每个功率涡轮机的电的发电机提供驱动功率的至少一部分。

另外的优点和实施方式从附图和相应的描述中得出。

附图说明

在下面借助附图更详细地阐释本发明和示例性的实施方式。在所述附图中，在不同的图中的相同的构件通过相同的附图标记进行表征。

其中：

图1示出根据本发明的具有耦联到其处的电的发电机的传动机构的示意性的图示。

具体实施方式

应该注意的是，如“轴向”、“径向”、“切向”等概念涉及在相应的图中或在相应地描述的示例中得以使用的轴或轴线。换言之，轴向、径向、切向这些方向始终涉及转动件（Läufers）的转动轴线。在此，“轴向”描述平行于旋转轴线的方向，“径向”描述垂直于旋转轴线（朝所述旋转轴线或还离开所述旋转轴线）的方向，并且“切向”是如下运动或方向，所述运动或方向相对于旋转轴线以恒定的径向的间距并且在恒定的轴向位置的情况下圆形地围绕旋转轴线指向。

此外，应该预防性地提到，在下面为了简化而较频繁地会说到的是，例如涡轮机旋转或所述涡轮机被置于旋转中，涡轮机通过轴与另外的构件连接、例如与压缩机或与发电机连接，涡轮机被驱动，涡轮机本身驱动构件、例如发电机等等。借此当然始终是指，相应地不是涡轮机本身旋转等，而是相应的活动（Aktivität）由相应的涡轮机的转子来实施或相应的性质适用于涡轮机的这样的转子。也就是说例如，不是涡轮机本身被置于旋转中，而是当然所述涡轮机的转子被置于旋转中，并且例如不是涡轮机作为整体通过轴与发电机连接，而是转子通过轴与发电机耦联。尽管有语言的这种简化，仍然能够从如下出发，即对于本领域技术人员来说清楚的是，实施方案如所描述的那样相应地涉及涡轮机的转子。

图1示意性地并且简化地示出传动机构1，所述传动机构能够在空中交通工具中、例如在飞机中得以使用，以用于所述空中交通工具的驱动。传动机构1在此如下地被示出或定向，使得所述传动机构在运行状态中由空气或气体流L从左向右穿流，从而所述传动机构在运行中产生向左指向的推力，所述推力会引起传动机构1或未示出的飞机向左的运动。

传动机构1具有驱动部段100。所述驱动部段包括风机110，所述风机布置在传动机构1的进口10处，在所述进口处，空气被吸入到传动机构1中。风机110将被吸入的空气沿轴向的方向加速，从而所述空气被供应给传动机构1的燃气涡轮机120。

燃气涡轮机120具有高压压缩机121以及燃烧腔室122和涡轮机部段123。由风机110加速的空气L首先到达高压压缩机121，所述高压压缩机压缩供应给其的空气。由此压缩了的空气接着到达燃烧腔室122，在所述燃烧腔室中，传动燃料（Treibstoff，有时称为推进燃料）、例如煤油被供应给经供应的、压缩了的空气。传动燃料-空气混合物在燃烧腔室122中被燃烧，这引起气体的强烈的温度提高和相应的压力和体积增大，造成空气或气体流L从燃烧腔室122出来的强烈的加速。

接着燃烧腔室122，也就是说，在所述燃烧腔室的下游跟着的是燃气涡轮机120的涡轮机部段123，所述涡轮机部段例如具有高压涡轮机124和低压涡轮机125。

从燃烧腔室122排出的气体首先到达高压涡轮机124中，所述高压涡轮机相应于此地被置于旋转中。高压涡轮机124通过轴126与压缩机121机械地连接，从而高压涡轮机124能够通过轴126来驱动压缩机121。

在高压涡轮机124中部分地卸压的气体接着到达低压涡轮机125并且驱动所述低压涡轮机或将所述低压涡轮机置于旋转中。低压涡轮机125本身通过轴127与风机110机械地连接，从而低压涡轮机125能够通过轴127来驱动风机110。根据总***的配置，低压涡轮机125还能够通过可选的传动器128与风机110耦联。

到目前所描述的传动机构1以及其功能基本上相应于现有技术，因此放弃陈述更详细的细节。

除了常用的构件之外，在此所描述的传动机构1还具有用于提供用于空中交通工具的一个或多个电的消耗器301、302、303的电能的设备200。消耗器301、302、303例如能够是用于驱动空中交通工具的电动马达、空中交通工具的装载电网和/或用于在此期间（zwischenzeitlichen）存储所提供的电能的电池。

设备200包括导引涡轮机部段210，所述导引涡轮机部段具有至少一个功率涡轮机211，而优选地并且在图1中相应于此地示出地具有多个功率涡轮机211、212、213。功率涡轮机211、212、213布置在涡轮机部段123的下游，从而离开涡轮机部段123或其低压涡轮机125的气体流L彼此依次地流入并且穿流功率涡轮机211、212、213并且将所述功率涡轮机由此分别置于旋转中或驱动所述功率涡轮机，从而所述功率涡轮机本身能够分别提供用于后置的构件的驱动功率。在此，功率涡轮机211、212、213能够构造为单独的功率涡轮机，但或者能够构造为共同的、较大的功率涡轮机210的涡轮机级211、212、213。

此外，设备200包括具有至少一个电的发电机221、而优选地具有多个电的发电机221、222、223的发电机部段220。理想地，在发电机部段220中的发电机的数量相应于在功率涡轮机部段210中的功率涡轮机的数量。发电机221、222、223分别以本身已知的方式工作，也就是说，每个发电机221、222、223例如具有带有定子线圈的定子以及带有永磁体的转子。所述线圈和所述磁体能够与彼此电磁地相互作用，从而在旋转的转子的情况下在线圈中感应出电压。所述电压能够在相应的发电机的相应的电的接触部处作为电能被量取。

功率涡轮机211、212、213中的每个通过相应的轴231、232、233与发电机221、222、223中的刚好一个连接，从而由涡轮机211、212、213提供的驱动功率能够通过相应的轴231、232、233被提供给相应的发电机221、222、223。相应于此地，相应的功率涡轮机211、212、213驱动与其连接的发电机231、232、233或所述发电机的转子，从而被驱动的发电机231、232、233以在上面表明了的方式提供用于消耗器301、302、303的电能。因此，给每个发电机231、232、233配属有单独的功率涡轮机211、212、213。

在所描述的配置的情况下证实为有利的是，发电机221、222、223分别通过独立的涡轮机211、212、213被驱动，也就是说，借助于如下涡轮机211、212、213被驱动，所述涡轮机尤其没有与传动机构1的驱动部段100的轴126、127中的一个耦联，所述涡轮机最终保证空中交通工具的驱动。功率涡轮机211、212、213虽然经由通过风机110和/或通过燃气涡轮机部段120加速了的气体流L进行驱动，然而不存在到驱动部段100处的机械的耦联。因此，功率涡轮机211、212、213的驱动仅仅由于气体流L与涡轮机211、212、213或与所述涡轮机的转子和涡轮机叶片的直接的相互作用来进行。也就是说，当然除了例如在传动机构1的壳体处的支架等之外，功率涡轮机211、212、213没有与传动机构1的其余的对于空中交通工具的驱动相关的构件机械地连接。功率涡轮机211、212、213通过离开涡轮机部段123的气体流并且（对于如下情况，即传动机构1构造为外周流传动机构）通过相应的外周流（Mantelstrom，有时称为表皮涡流）进行驱动。

为了清楚明了，功率涡轮机部段210包括仅仅三个功率涡轮机211、212、213。然而清楚的是，还能够设置有多于或少于三个功率涡轮机。相应的情况（Entsprechendes）适用于发电机部段220。

Claims (9)

1.传动机构设备（1），用于驱动交通工具、尤其混合动力-电的空中交通工具，并且用于提供用于提供电能用的电的设备（200）的驱动功率，所述传动机构设备具有

- 驱动部段（100），所述驱动部段设立成用以为了产生用于驱动所述交通工具的推力而提供加速了的气体流L，

- 功率涡轮机部段（210），其用于提供用于所述电的设备（200）的驱动功率，所述功率涡轮机部段具有至少一个第一功率涡轮机（211），其中，所述第一功率涡轮机（211）具有连接装置（231），藉由所述连接装置，所述第一功率涡轮机（211）能够与所述电的设备（200）的第一电的发电机（221）机械地耦联，以用于驱动所述发电机（221），

其中，

- 所述功率涡轮机部段（210）的功率涡轮机（211、212、213）中的每个功率涡轮机如下地构造和布置，使得所述每个功率涡轮机能够由于与所述加速了的气体流L的直接的相互作用被驱动。

2.根据权利要求1所述的传动机构设备（1），其特征在于，所述电的设备（200）如下地构造，使得由所述电的设备（200）提供的电能能够被供应给所述交通工具的消耗器（301、302、303），其中，所述消耗器（301、302、303）是用于驱动所述交通工具的电动马达或用于存储和之后提供由所述设备（200）提供的电能的电池。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的传动机构设备（1），其特征在于，所述电的设备（200）包括所述第一电的发电机（221）以及至少一个另外的电的发电机（222、223）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的传动机构设备（1），其特征在于，所述功率涡轮机部段（210）包括所述第一功率涡轮机（211）以及至少一个另外的功率涡轮机（212、213），所述第一功率涡轮机和所述至少一个另外的功率涡轮机沿所述气体流L的流动方向看彼此相继地布置，其中，所述功率涡轮机（211、212、213）中的每个具有相应的连接装置（231、232、233），藉由所述连接装置，相应的功率涡轮机（211、212、213）能够与相应的电的发电机（221、222、223）机械地耦联，以用于驱动所述发电机（221、222、223）。

5.根据权利要求3和4所述的传动机构设备（1），其特征在于，在所述功率涡轮机部段（210）中，针对每个电的发电机（221、222、223）设置有专用的功率涡轮机（211、212、213），其中，相应地所述功率涡轮机（211、212、213）中的一个相应地与所述电的发电机（221、222、223）中的一个电的发电机机械地耦联，以便驱动所述一个电的发电机。

6.根据权利要求4至5中任一项所述的传动机构设备（1），其特征在于，所述功率涡轮机部段（210）是具有多个涡轮机级（211、212、213）的涡轮机，其中，所述功率涡轮机（211、212、213）中的每个被实现为所述涡轮机级中的一个。

7.用于在使用根据权利要求1至6中任一项所述的传动机构设备（1）的情况下提供用于电的设备（200）的驱动功率的方法，所述电的设备用于提供用于交通工具、尤其混合动力-电的空中交通工具的消耗器（301、302、303）的电能，其中，

- 所述传动机构设备（1）的驱动部段（100）提供所述加速了的气体流L并且所述加速了的气体流L被导引到所述功率涡轮机部段（210）的第一功率涡轮机（211），

- 所述加速了的气体流L直接与所述第一功率涡轮机（211）相互作用并且驱动所述第一功率涡轮机，以及

- 由此以所述气体流L直接驱动的第一功率涡轮机（211）提供用于所述电的设备（200）的驱动功率的至少一部分。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一电的发电机（221）在充分利用由所述第一功率涡轮机（211）提供的驱动功率的情况下被驱动并且由此提供用于所述消耗器（301、302、303）的电能的至少一部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电的设备（200）包括所述第一电的发电机（221）以及至少一个另外的电的发电机（222、223），并且所述功率涡轮机部段（210）包括所述第一功率涡轮机（211）以及至少一个另外的功率涡轮机（212、213），其中，给所述功率涡轮机（211、212、213）中的每个配属有所述电的发电机（221、222、223）中的一个，其中，

- 所述加速了的气体流L与所述功率涡轮机（211、212、213）中的每个功率涡轮机直接相互作用并且驱动所述每个功率涡轮机，以及

- 由此以所述气体流L直接驱动的功率涡轮机（211、212、213）中的每个功率涡轮机给配属于所述每个功率涡轮机的电的发电机（221、222、223）提供所述驱动功率的至少一部分。

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