CN116986000A - 一种电辅助应急的直升机动力系统及传动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辅助应急的直升机动力系统及传动方法。所述直升机动力系统包括涡轴发动机组，所述涡轴发动机组包括若干涡轴发动机，所述涡轴发动机包括涡轴发动机本体和与所述涡轴发动机本体转动连接的电起动机，所述涡轴发动机本体还转动连接有传动系统，还包括辅助电机和机载电力单元。本发明通过机载电力单元的设置，可满足应急功率需求、起动电源功率需求、直升机用电需求，同时还可以减小涡轴发动机和传动系统的重量和设计复杂度；通过所述涡轴发动机与机载电力单元构成油电混合推进系统，可有效提高燃油利用率，进而提高直升机航程。

Description

一种电辅助应急的直升机动力系统及传动方法

技术领域

本发明属于直升机发动机技术领域，特别涉及一种电辅助应急的直升机动力系统及传动方法。

背景技术

目前直升机动力系统主要由涡轴发动机和传动系统组成，使直升机具有垂直起降、空中悬停、高度机动性等独特性能，广泛应用于侦查、攻击和运输等军用领域和抢险救灾、地质勘探、油田开发等民用领域。其中，涡轴发动机主要作为直升机的动力装置，主要输出轴功率；传动系统将涡轴发动机产生的功率传输到旋翼和尾桨。

除轻型直升机以外，一般直升机均配置了2台或以上涡轴发动机作为动力，涡轴发动机的功率输出轴通过联轴器与直升机传动系统连接，因涡轴发动机功率输出轴通常转速较高，而直升机旋翼转速较低，因此传动系统具有减速传动作用。

双发配置的直升机的可靠性较单发高，因为2台发动机都失效的概率较低。当双发直升机出现单发失效停车时，通常情况下，另一台正常工作的发动机会提高功率输出，以便满足直升机返航降落的需要，这称之为应急状态，通常发动机的应急状态功率比最大连续功率大5％，但发动机应急状态通常有时间限制，最多为30分钟。且现有动力系统存在以下几个问题：

(1)为满足安全性和适航性要求，绝大多数涡轴发动机和传动系统一般需要设计应急状态，当一台发动机失效后，直升机飞行所需要的功率将由剩余发动机切换至应急状态后提供。应急状态导致发动机和传动系统的设计难度增大，重量也增大。

(2)传统动力系统的直升机在载重量较小时(如空机返程等)，需要的发动机功率远低于发动机设计功率，导致发动机工作状态较低，燃油利用率较低。

(3)一般传统涡轴发动机配备起发电机，需要专门的电源通过起发电机起动发动机；在发动机运行时，又通过起发电机提取发动机核心机功率为直升机提供电源，即该电机同时可作为起动机使用，也可作为发电机使用。因此该电机需要与涡轴发动机的燃气发生器转子连接才能达到这一目的，在作为发电机使用时，会导致发动机工作点向喘振边界移动，降低发动机的喘振裕度，更容易发生喘振。

基于此，本发明提供了一种辅助应急的直升机动力系统及传动方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种辅助应急的直升机动力系统及传动方法。

本发明的第一目的可以通过以下技术方案实现：

一种辅助应急的直升机动力系统，包括涡轴发动机组，所述涡轴发动机组包括若干涡轴发动机，所述涡轴发动机包括涡轴发动机本体和与所述涡轴发动机本体转动连接的电起动机，所述涡轴发动机本体还转动连接有传动系统，还包括辅助电机和机载电力单元；

所述辅助电机与所述传动系统转动连接；

所述机载电力单元与所述电起动机电连接；

所述辅助电机与所述机载电力单元电连接。

进一步地，所述涡轴发动机组中涡轴发动机的数目至少为2。

进一步地，所述辅助电机与所述机载电力单元之间双向输送电能。

进一步地，所述涡轴发动机本体包括壳体、动力涡轮转子和燃气发生器转子；

所述动力涡轮转子固定连接有功率输出轴；

所述燃气发生器转子固定连接有副旋转轴；

所述功率输出轴和所述副旋转轴分别与所述壳体转动连接。

进一步地，所述电起动机的输出端与所述副旋转轴转动连接。

进一步地，所述功率输出轴与所述传动系统转动连接。

本发明的第二目的可以通过以下技术方案实现：

一种辅助应急的直升机动力系统的传动方法，包括：

机载电力单元为电起动机提供电能，所述电起动机转动启动涡轴发动机本体；

所述涡轴发动机本体驱动传动系统。

所述的辅助应急的直升机动力系统的传动方法，还包括：

所述涡轴发动机本体驱动传动系统，所述传动系统驱动辅助电机。

所述的辅助应急的直升机动力系统的传动方法，还包括：

所述机载电力单元电驱动辅助电机，所述辅助电机驱动传动系统。

所述的辅助应急的直升机动力系统的传动方法，所述机载电力单元为直升机飞控系统和环控系统提供电源。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种辅助应急的直升机动力系统及传动方法，通过机载电力单元的设置，可满足应急功率需求、起动电源功率需求、直升机用电需求，同时还可以减小涡轴发动机和传动系统的重量和设计复杂度；

通过所述涡轴发动机与机载电力单元构成油电混合推进系统，可有效提高燃油利用率，进而提高直升机航程；

通过机载电力单元、辅助电机和涡轴发动机的组合设置，实现多种传动方法(路径)，达到以下目的：

涡轴发动机启动时，经过机载电力单元的供能，驱动电起动机，进而启动涡轴发动机；

涡轴发动机运行时，机载电力单元为直升机环控系统等供电，减少从涡轴发动机核心机提取电功率，可有效提高发动机喘振裕度，进而提高安全性；

在直升机应急状态时，所述机载电力单元电驱动所述辅助电机，所述辅助电机传动传动系统，为直升机旋翼提供功率，满足应急状态功率需求，使得涡轴发动机和传动系统无需设计应急状态，提高了涡轴发动机和传动系统使用寿命；

在直升机在功率较小范围作业时，所述涡轴发动机本体驱动传动系统，所述传动系统驱动辅助电机，所述辅助电机为机载电力单元充电，有效提升发动机负载，提高发所述涡轴动机工作状态，从而使所述涡轴发动机在高效区工作，提高燃油利用率；

直升机在高功率范围作业时，机载电力单元供能，驱动电起动机，承担所述涡轴发动机部分工作功率，此时所述机载电力单元起到调节系统功率的作用，使得所述涡轴发动机可长时工作在高效率区，解决了涡轴发动机低状态运行时燃油利用效率低的问题。

本发明中的机载电力单元可在涡轴发动机负载较小时充电，也可以在直升机停运状态充电，有效降低碳排放；

本发明的辅助应急的直升机动力系统可应用于双发及以上的多发直升机，应用范围广。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的一种辅助应急的直升机动力系统的框架结构图；

图2示出了根据本发明实施例的一种辅助应急的直升机动力系统的结构结构示意图；

图3示出了本发明实施例中涡轴发动机的结构示意图；

图中：

10、涡轴发动机本体；11、燃气发生器转子；12、壳体；13、动力涡轮转子；14、功率输出轴；15、副旋转轴；20、电起动机；30、机载电力单元；40、辅助电机；50、传动系统；60、直升机旋翼。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，根据本发明实施例的一种辅助应急的直升机动力系统，包括涡轴发动机组、传动系统50、辅助电机40和机载电力单元30；

所述传动系统50固定连接直升机旋翼60，所述传动系统50包括若干齿轮和若干齿轮轴组成，具有减速作用，再驱动直升机旋翼60；

如图2所示，所述涡轴发动机组包括若干涡轴发动机，所述涡轴发动机包括涡轴发动机本体10和电起动机20，所述电起动机20与所述涡轴发动机本体10转动连接，所述电起动机20用于所述涡轴发动机本体10的启动；

所述涡轴发动机本体10与所述传动系统50转动连接，所述涡轴发动机本体10与所述传动系统50能够相互驱动；

所述辅助电机40与所述传动系统50转动连接，所述辅助电机40与所述传动系统50能够相互驱动；

所述机载电力单元30与所述电起动机20电连接，所述机载电力单元30为所述电起动机20提供电源，如图1中箭头(箭头表示电能传输方向)所示；

所述辅助电机40与所述机载电力单元30电连接，所述辅助电机40与所述机载电力单元30之间双向输送电能，如图1中箭头(箭头表示电能传输方向)所示。

在本实施例中，所述涡轴发动机组中涡轴发动机的数目为2；所述涡轴发动机组中涡轴发动机的数目还可为2以上中的任意一个数字，如3、4、5、6……等，所述涡轴发动机组中涡轴发动机的数目可根据直升飞机设计功率进行变动设计。

在本实施例中，如图3所示，所述涡轴发动机本体10包括壳体12、动力涡轮转子13和燃气发生器转子11；

所述动力涡轮转子13固定连接有功率输出轴14，所述功率输出轴14与所述传动系统50转动连接

所述燃气发生器转子11固定连接有副旋转轴15；

所述功率输出轴14和所述副旋转轴15分别与所述壳体12转动连接；

所述电起动机20的输出端与所述副旋转轴15转动连接，所述电起动机20获得电能时，所述电起动机20的输出端发生转动，进而带动所述副旋转轴15转动，使得所述所述燃气发生器转子11转动，实现所述涡轴发动机本体10的启动；

所述燃气发生器转子11发送转动，再次带动副旋转轴15转动，在涡轴发动机本体10包括壳体12产生气流，进而带动所述动力涡轮转子13转动，进而带动所述功率输出轴14旋转，最终传动传动系统50，进而使得直升机旋翼60旋转，实现所述涡轴发动机的运行。

在本发明的某些实施例中提供了一种辅助应急的直升机动力系统的传动方法，包括：

涡轴发动机启动时，所述机载电力单元30为所述电起动机20提供电能，所述电起动机20的输出轴旋转，进而传动副旋转轴15转动启动涡轴发动机本体10；

所述涡轴发动机本体10通过功率输出轴14传动传动系统50，实现直升机旋翼60的旋转，实现直升机的起飞。

所述辅助应急的直升机动力系统的传动方法，还包括：

当直升机在功率较小范围(小于50％起飞功率状态)作业时，所述涡轴发动机本体10驱动传动系统50，所述传动系统50驱动辅助电机40，所述辅助电机40为机载电力单元30充电，有效提升发动机负载，提高发所述涡轴动机工作状态，从而使所述涡轴发动机在高效区工作，提高燃油利用率。

所述辅助应急的直升机动力系统的传动方法，还包括：

当一台涡轴发动机失效后，所述机载电力单元30电驱动所述辅助电机40，所述辅助电机40传动传动系统50，为直升机旋翼60提供功率，满足应急状态功率需求。

所述辅助应急的直升机动力系统的传动方法，还包括：

当直升在高功率范围作业时，所述辅助电机40为所述机载电力单元30提供电源，驱动所述电起动机20，传动所述涡轴发动机本体10转动，承担所述涡轴发动机部分工作功率。

在本发明实施例中，所述机载电力单元30为涡轴发动机控制系统提供电源备份，为直升机飞控系统和环控系统提供电源；

所述机载电力单元30包括电池和能源控制模块，为本领域技术人员常识，在此，本实施例不再赘述；

所述机载电力单元30的大小可根据应急功率需求的大小调整机载电力单元30，使用范围广。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种辅助应急的直升机动力系统，包括涡轴发动机组，所述涡轴发动机组包括若干涡轴发动机，所述涡轴发动机包括涡轴发动机本体(10)和与所述涡轴发动机本体(10)转动连接的电起动机(20)，所述涡轴发动机本体(10)还转动连接有传动系统(50)，其特征在于，还包括辅助电机(40)和机载电力单元(30)；

所述辅助电机(40)与所述传动系统(50)转动连接；

所述机载电力单元(30)与所述电起动机(20)电连接；

所述辅助电机(40)与所述机载电力单元(30)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种辅助应急的直升机动力系统，其特征在于，所述涡轴发动机组中涡轴发动机的数目至少为2。

3.根据权利要求1所述的一种辅助应急的直升机动力系统，其特征在于，所述辅助电机(40)与所述机载电力单元(30)之间双向输送电能。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种辅助应急的直升机动力系统，其特征在于，所述涡轴发动机本体(10)包括壳体(12)、动力涡轮转子(13)和燃气发生器转子(11)；

所述动力涡轮转子(13)固定连接有功率输出轴(14)；

所述燃气发生器转子(11)固定连接有副旋转轴(15)；

所述功率输出轴(14)和所述副旋转轴(15)分别与所述壳体(12)转动连接。

5.根据权利要求4所述的一种辅助应急的直升机动力系统，其特征在于，所述电起动机(20)的输出端与所述副旋转轴(15)转动连接。

6.根据权利要求4所述的一种辅助应急的直升机动力系统，其特征在于，所述功率输出轴(14)与所述传动系统(50)转动连接。

7.一种辅助应急的直升机动力系统的传动方法，其特征在于，所述辅助应急的直升机动力系统包括权利要求1-6所述的辅助应急的直升机动力系统，包括：

机载电力单元(30)为电起动机(20)提供电能，所述电起动机(20)转动启动涡轴发动机本体(10)；

所述涡轴发动机本体(10)驱动传动系统(50)。

8.根据权利要求7所述的一种辅助应急的直升机动力系统的传动方法，其特征在于，还包括：

所述涡轴发动机本体(10)驱动传动系统(50)，所述传动系统(50)驱动辅助电机(40)。

9.根据权利要求7所述的一种辅助应急的直升机动力系统的传动方法，其特征在于，还包括：

所述机载电力单元(30)电驱动辅助电机(40)，所述辅助电机(40)驱动传动系统(50)。

10.根据权利要求7-9任一项所述的一种辅助应急的直升机动力系统的传动方法，其特征在于，所述机载电力单元(30)为直升机飞控系统和环控系统提供电源。