專利名稱：集成無刷式起動器/發(fā)電器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航空燃氣渦輪發(fā)動機起動器(starter)和發(fā)電器(generator)。
背景技術(shù)：
航空燃氣渦輪發(fā)動機典型地包括由核心發(fā)動機跟隨的風(fēng)扇區(qū)段，核心發(fā)動機以串行流配置具有壓縮進入發(fā)動機的氣流的壓縮器、燃燒燃料和空氣的混合物的燃燒器和由低壓渦輪區(qū)段跟隨的高壓渦輪區(qū)段，低壓渦輪區(qū)段從由核心發(fā)動機排出的氣流中提取能量以給產(chǎn)生推力的風(fēng)扇區(qū)段提供功率。飛行器和航空發(fā)動機輔助設(shè)備由發(fā)動機通過連接到發(fā)動機輔助齒輪箱的功率輸出軸機械驅(qū)動。在安裝到齒輪箱的輔助設(shè)備中有用于起動燃氣渦輪發(fā)動機的起動器馬達和用于為飛行器產(chǎn)生電能的發(fā)電器。已知提供單一起動器/發(fā)電器以提供起動和發(fā)電。稱為有刷式和無刷式(brushless)的帶有和不帶有電刷的起動器/發(fā)電器眾所周知地在航空燃氣渦輪發(fā)動機中用于發(fā)電和起動。已知利用空氣和/或油冷卻器用于冷卻起動器/發(fā)電器。在這種單元中的發(fā)電受限于安培數(shù)并且經(jīng)常要求復(fù)雜的冷卻器械，包括冷卻風(fēng)扇和管道，其引起要求用于利用電刷的氣冷起動器/發(fā)電器的功率和燃料消耗寄生流。非常期望減少航空燃氣渦輪發(fā)動機起動器/發(fā)電器的重量同時增加安培輸出的值。非常期望減少用于起動器/發(fā)電器的冷卻器械的數(shù)量和復(fù)雜性。非常期望減少要求用于利用電刷的氣冷式起動器/發(fā)電器的功率和燃料消耗寄生流。

發(fā)明內(nèi)容
航空燃氣渦輪發(fā)動機無刷式起動器/發(fā)電器包括能夠旋轉(zhuǎn)地安裝在定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子和用于利用來自發(fā)動機輔助齒輪箱的冷卻油以冷卻轉(zhuǎn)子和定子的油冷卻系統(tǒng)，其中，定子安裝在殼體內(nèi)。轉(zhuǎn)子固定地安裝在轉(zhuǎn)子軸上并且油冷卻系統(tǒng)包括布置在轉(zhuǎn)子內(nèi)的轉(zhuǎn)子熱交換器。起動器/發(fā)電器的示范實施例還包括具有圍繞殼體的油套用于冷卻定子的定子熱交換器。油冷卻系統(tǒng)的示范實施例為干腔(dry cavity)油冷卻系統(tǒng)，其防止冷卻油進入轉(zhuǎn)子與定子之間的空氣縫隙。定子熱交換器的示范實施例包括圍繞殼體的有槽管道和連接到在有槽管道中的環(huán)形進口和出口歧管的軸向延伸的軸向通道。該軸向延伸的軸向通道可為從有槽管道的內(nèi)表面延伸進有槽管道的軸向延伸溝槽。轉(zhuǎn)子熱交換器的示范實施例包括布置在轉(zhuǎn)子軸中的柱形內(nèi)部管道和圍繞該內(nèi)部管道并且連接到該內(nèi)部管道的環(huán)形外部管道。無刷式起動器/發(fā)電器可結(jié)合在航空燃氣渦輪發(fā)動機集成無刷式起動器/發(fā)電器系統(tǒng)中，其中該無刷式起動器/發(fā)電器安裝到發(fā)動機輔助齒輪箱。轉(zhuǎn)子延伸進齒輪箱并且可操作地連接到在齒輪箱內(nèi)的功率輸出軸或者連接到齒輪系，其可操作地連接到在齒輪箱內(nèi)的功率輸出軸。轉(zhuǎn)子軸可由在輔助齒輪箱中的軸承能夠旋轉(zhuǎn)地支撐。轉(zhuǎn)子軸可由在輔助齒輪箱的齒輪箱體中的軸承能夠旋轉(zhuǎn)地支撐。


本發(fā)明的上述方面和其它特征在下文描述中結(jié)合

，其中圖1為安裝在航空燃氣渦輪發(fā)動機上的航空燃氣渦輪發(fā)動機無刷式起動器/發(fā)電器的示范實施例的截面視圖。圖2為在圖1中示出的無刷式起動器/發(fā)電器的示意視圖。圖3為用于在圖2中示出的無刷式起動器/發(fā)電器的油冷卻系統(tǒng)的示意視圖。圖4為在圖3中示出的油冷卻系統(tǒng)的軸向和周向溝槽的放大圖。圖5為在圖3中示出的油冷卻系統(tǒng)的周向溝槽的截面圖。圖6為在圖3中示出的油冷卻系統(tǒng)的環(huán)形進口歧管的截面圖。圖7為在圖3中示出的油冷卻系統(tǒng)的環(huán)形出口歧管的截面圖。圖8為用于在圖2中示出的無刷式起動器/發(fā)電器的可選油冷卻系統(tǒng)的示意視圖。
具體實施例方式圖1中所示為具有縱向軸線11的燃氣渦輪發(fā)動機10的示范實施例。發(fā)動機10 包括由通過高壓壓縮器14表示的核心發(fā)動機跟隨的風(fēng)扇區(qū)段12。高壓壓縮機14經(jīng)由第一軸32由高壓渦輪(未示出)驅(qū)動。風(fēng)扇區(qū)段12經(jīng)由第二軸31由核心發(fā)動機下游的低壓渦輪(未示出)驅(qū)動。無刷式起動器/發(fā)電器IlO(BSG)安裝到發(fā)動機輔助齒輪箱90并且包括轉(zhuǎn)子軸 80，其可操作地連接到示范的功率輸出軸100或者可選地連接到可操作地連接到在發(fā)動機輔助齒輪箱90內(nèi)的功率輸出軸100的齒輪系101 (在圖2中示意地示出)。固定地安裝在轉(zhuǎn)子軸80上的驅(qū)動軸錐齒輪70接合安裝到功率輸出軸100的功率輸出軸錐齒輪72。當(dāng)無刷式起動器/發(fā)電器110以它的起動器模式操作時，它旋轉(zhuǎn)并且通過功率輸出軸100驅(qū)動發(fā)動機，用于起動目的。當(dāng)無刷式起動器/發(fā)電器110以它的發(fā)電器模式操作時，它通過功率輸出軸100由發(fā)動機旋轉(zhuǎn)、驅(qū)動并且提供功率，用于產(chǎn)生用于飛行器的電力的目的。如在圖2中示意所示，無刷式起動器/發(fā)電器110與輔助齒輪箱90高度集成以便提供低重量和高可靠性的系統(tǒng)。無刷式起動器/發(fā)電器Iio包括放置在殼體116中的環(huán)形高速轉(zhuǎn)子112和環(huán)形固定定子114。在本文中示出的無刷式起動器/發(fā)電器110的示范實施例包括以懸垂設(shè)計安裝在轉(zhuǎn)子軸80上的轉(zhuǎn)子112，其中轉(zhuǎn)子軸80由布置在輔助齒輪箱 90的齒輪箱體122中的軸承120能夠旋轉(zhuǎn)地支撐。因而在無刷式起動器/發(fā)電器110中不要求軸承，雖然可以結(jié)合它們。本文中示出的BSG的示范實施例結(jié)合安裝在轉(zhuǎn)子軸80上的鼠籠型轉(zhuǎn)子112。參考圖3，BSG具有油冷卻系統(tǒng)34，其利用來自輔助齒輪箱90的油30以冷卻轉(zhuǎn)子 112和定子114，因而允許進一步簡化和消除一些維護。利用來自輔助齒輪箱90的油以冷卻BSG還允許要求用于氣冷有刷式起動器/發(fā)電器的起動器/發(fā)電器冷卻風(fēng)扇和關(guān)聯(lián)管道 /寄生流的消除。BSG油冷卻系統(tǒng)34結(jié)合干腔冷卻，利用干腔冷卻在BSG中產(chǎn)生的熱由發(fā)動機潤滑油系統(tǒng)通過對流和通過傳導(dǎo)移除到發(fā)動機齒輪箱。干腔油冷卻系統(tǒng)34的設(shè)計包括轉(zhuǎn)子熱交換器36和定子熱交換器38，其不容許冷卻油接觸用于BSG的絕緣體40。
不容許冷卻油在轉(zhuǎn)子112與定子114之間的空氣縫隙42中。干腔設(shè)計相對于典型的濕腔設(shè)計改進可靠性，在濕腔設(shè)計中油被容許接觸非金屬材料，諸如絕緣體。絕緣體沒有退化，因為不存在繞組上的熱油的直接沖擊。不存在懸浮在油中的腐蝕的絕緣材料，因而防止了油污染(在共用油系統(tǒng)中尤其重要)。油既不噴霧也不與空氣混合，因此不存在泡沫，并且不要求空氣/油分離器。接觸轉(zhuǎn)子的自由油的缺乏還減少了轉(zhuǎn)子的風(fēng)阻損失。轉(zhuǎn)子112利用流過BSG轉(zhuǎn)子軸80的中央?yún)^(qū)域的油通過對流進行冷卻。在本文中示出的轉(zhuǎn)子熱交換器36的示范實施例包括布置在轉(zhuǎn)子軸80中的柱形內(nèi)部管道142和圍繞內(nèi)部管道142的環(huán)形外部管道144。內(nèi)部和外部管道142、144通過可為在外部管道144上的帽的柱形交叉件145連接在一起。內(nèi)部和外部管道142、144作為用于轉(zhuǎn)子熱交換器36 的軸向流入和流出通道。從輔助齒輪箱90供應(yīng)的冷卻油在布置在轉(zhuǎn)子軸80中的內(nèi)部管道 142的內(nèi)部流入軸并且通過圍繞內(nèi)部管道142布置的環(huán)形外部管道144返回輔助齒輪箱90 齒輪箱。在圖3到6中示出的定子熱交換器38的示范實施例包括油套150。油套150利用圍繞殼體116的有槽管道151形成并且包括軸向延伸的軸向通道152或者提供單程平行油流的溝槽。有槽管道151可由擠制鋁材制成。環(huán)形進口和出口歧管154、156提供油進口和出口分配并且設(shè)計成在油套150的整個周邊上供應(yīng)均勻流。軸向延伸的軸向通道152可以是如圖5進一步所示從有槽管道151的內(nèi)表面153延伸進有槽管道151的軸向延伸溝槽。 環(huán)形進口和出口歧管154、156可以是如圖6和7分別進一步所示，分別從有槽管道151的內(nèi)表面153延伸進有槽管道151的環(huán)形溝槽。在有槽管道151和殼體116之間的0形環(huán)密封件136在歧管環(huán)形進口和出口歧管154、156的外側(cè)提供以防止油泄漏。油通過油進口 159通過安裝在BSG凸緣160上的進口油配件158供應(yīng)到進口歧管 154。油然后通過平行軸向通道152軸向流入出口歧管156并且從出口歧管156通過油出口 161偏離油進口 159180度地離開。通過提供180度分開的油進口 159和油出口 161，全部油路徑為基本相同的長度，并且油平均分配。油通過安裝在BSG凸緣160中的出口油配件162回到輔助齒輪箱90。定子芯還通過到發(fā)動機齒輪箱殼體的導(dǎo)熱進行冷卻。在圖8中示出的定子熱交換器38的可選實施例包括帶有軸向延伸的軸向通道或者提供單程平行油流的軸向管道172的鼠籠型熱交換器170。環(huán)形進口和出口管道歧管 174,176提供油進口和出口分配并且設(shè)計成供應(yīng)貫穿鼠籠型熱交換器170并且特別地通過軸向延伸的軸向管道172的均勻流。本發(fā)明已經(jīng)以示意方式描述。應(yīng)當(dāng)理解所用術(shù)語意圖為具有描述而不是限制的詞語的性質(zhì)。雖然在本文中已描述被認為是本發(fā)明的優(yōu)選的和示范的實施例，但是本發(fā)明的其它修改從本文的示教對本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該顯而易見，并且，因此期望屬于本發(fā)明的真正精神和范圍內(nèi)的所有這些修改在所附權(quán)利要求中得到保護。相應(yīng)地，期望通過專利得到保護的是在權(quán)利要求中限定和區(qū)別的發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種航空燃氣渦輪發(fā)動機無刷式起動器/發(fā)電器，包括 能夠旋轉(zhuǎn)地安裝在定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子，所述定子安裝在殼體內(nèi)，用于利用來自發(fā)動機輔助齒輪箱的冷卻油以冷卻所述轉(zhuǎn)子和所述定子的油冷卻系統(tǒng)， 所述轉(zhuǎn)子固定地安裝在轉(zhuǎn)子軸上，并且所述油冷卻系統(tǒng)包括布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的轉(zhuǎn)子熱交換器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述油冷卻系統(tǒng)包括用于冷卻所述定子的定子熱交換器，并且所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的油套。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的有槽管道和連接到在所述有槽管道中的環(huán)形進口和出口歧管的軸向延伸的軸向通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述軸向延伸的軸向通道為從所述有槽管道的內(nèi)表面延伸進所述有槽管道的軸向延伸的溝槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述轉(zhuǎn)子熱交換器包括布置在所述轉(zhuǎn)子軸中的柱形內(nèi)部管道和圍繞所述內(nèi)部管道并且連接到所述內(nèi)部管道的環(huán)形外部管道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述油冷卻系統(tǒng)包括用于冷卻所述定子的定子熱交換器并且所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的油套。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的有槽管道和連接到在所述有槽管道中的環(huán)形進口和出口歧管的軸向延伸的軸向通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述軸向延伸的軸向通道為從所述有槽管道的內(nèi)表面延伸進所述有槽管道的軸向延伸的溝槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的起動器/發(fā)電器，其特征在于，還包括所述油冷卻系統(tǒng)為干腔油冷卻系統(tǒng)，其包括用于防止冷卻油進入所述轉(zhuǎn)子與所述定子之間的空氣縫隙的裝置。
10.一種航空燃氣渦輪發(fā)動機集成無刷式起動器/發(fā)電器系統(tǒng)，包括包括能夠旋轉(zhuǎn)地安裝在定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子的無刷式起動器/發(fā)電器，所述定子安裝在殼體內(nèi)，所述無刷式起動器/發(fā)電器安裝到發(fā)動機輔助齒輪箱，所述轉(zhuǎn)子固定地安裝在轉(zhuǎn)子軸上，所述轉(zhuǎn)子軸延伸進所述齒輪箱并且可操作地連接到在所述齒輪箱內(nèi)的功率輸出軸或者連接到可操作地連接到在所述齒輪箱內(nèi)的功率輸出軸的齒輪系，用于利用來自發(fā)動機輔助齒輪箱的冷卻油以冷卻所述轉(zhuǎn)子和所述定子的油冷卻系統(tǒng)，并且所述油冷卻系統(tǒng)包括布置在所述轉(zhuǎn)子內(nèi)的轉(zhuǎn)子熱交換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述轉(zhuǎn)子軸通過在所述輔助齒輪箱中的軸承能夠旋轉(zhuǎn)地支撐。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述轉(zhuǎn)子軸通過在所述輔助齒輪箱的齒輪箱體中的軸承能夠旋轉(zhuǎn)地支撐。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述油冷卻系統(tǒng)包括用于冷卻所述定子的定子熱交換器并且所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的油套。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的有槽管道和連接到在所述有槽管道中的環(huán)形進口和出口歧管的軸向延伸的軸向通道。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述軸向延伸的軸向通道為從所述有槽管道的內(nèi)表面延伸進所述有槽管道的軸向延伸的溝槽。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述轉(zhuǎn)子熱交換器包括布置在所述轉(zhuǎn)子軸中的柱形內(nèi)部管道和圍繞所述內(nèi)部管道并且連接到所述內(nèi)部管道的環(huán)形外部管道。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述油冷卻系統(tǒng)包括用于冷卻所述定子的定子熱交換器并且所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的油套。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述定子熱交換器包括圍繞所述殼體的有槽管道和連接到在所述有槽管道中的環(huán)形進口和出口歧管的軸向延伸的軸向通道。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述軸向延伸的軸向通道為從所述有槽管道的內(nèi)表面延伸進所述有槽管道的軸向延伸的溝槽。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括所述油冷卻系統(tǒng)為干腔油冷卻系統(tǒng)，其包括用于防止冷卻油進入所述轉(zhuǎn)子與所述定子之間的空氣縫隙的裝置。
全文摘要
一種無刷式起動器/發(fā)電器包括能夠旋轉(zhuǎn)地安裝定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子和利用來自發(fā)動機輔助齒輪箱的冷卻油以冷卻轉(zhuǎn)子和定子的油冷卻系統(tǒng)，其中，定子安裝在殼體內(nèi)。轉(zhuǎn)子固定地安裝在具有布置在其中的轉(zhuǎn)子熱交換器的轉(zhuǎn)子軸上。用于冷卻定子的定子熱交換器包括圍繞殼體的油套。定子熱交換器包括圍繞殼體的有槽管道和連接到在有槽管道中的環(huán)形進口和出口歧管的軸向延伸的軸向通道。轉(zhuǎn)子軸可操作地連接到在齒輪箱內(nèi)的功率輸出軸并且通過在輔助齒輪箱的齒輪箱體中的軸承能夠旋轉(zhuǎn)地支撐。油冷卻系統(tǒng)為干腔油冷卻系統(tǒng)，其防止冷卻油進入在轉(zhuǎn)子和定子之間的空氣縫隙。
文檔編號H02K1/32GK102577033SQ201080018148
公開日2012年7月11日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月20日
發(fā)明者D·G·沙菲爾, P·D·圖特 申請人:通用電氣公司