阅读说明：本技术 两个涡轮轴发动机的布置 (Arrangement of two turboshaft engines ) 是由 拉杜·塞勒吉恩 于 2018-06-19 设计创作，主要内容包括：这种布置包括交织的两个涡轮轴发动机(10,20),以便通过热交换器(16,26)交换热能,该热交换器提高了这两个涡轮轴发动机的效率,而不会大大增加压头损失,因为用于交换器的管道(19,29)是短的并且包括单个弯曲。(This arrangement comprises two turboshaft engines (10, 20) interleaved so as to exchange thermal energy through a heat exchanger (16, 26) which increases the efficiency of the two turboshaft engines without substantially increasing the head loss, since the ducts (19, 29) for the exchanger are short and comprise a single bend.)

两个涡轮轴发动机的布置

技术领域

本发明的主题是两个涡轮轴发动机的布置。

背景技术

被称为“回热循环涡轮轴发动机”的一些涡轮轴发动机是已知的，其通过热交换器提高效率，该热交换器对废气的部分热能进行回热循环。在图6中所示的已知设计中，热交换器1被设置在燃烧室2上游的涡轮轴发动机的流的冷部段中，例如被设置在高压压缩机3与该室之间。于是，燃烧气体在热部段内循环，该热部段包括涡轮4以及在涡轮3的出口处的管道5。压缩气流通过经由热交换器1穿过管道5而从废气中接收能量，因此该气流在到达燃烧室2之前进行预热。然而，必须使管道5中的气体的路径转向并伸长，以便使所述气体在机器的燃烧室2的前方穿过，这大大增加了压头损失并且降低了期望提高的涡轮轴发动机的效率。

使气体路径复杂化和增加压头损失的相同缺点可以归因于与上述设计类似的设计，其中(参考图7)，热交换器1位于紧接在涡轮4之后的排气装置处，或者(参考图8)，热交换器1被设置在机器的旁边：在这些设计中的第一种设计中，源自高压压缩机3的压缩空气流过管道5，该管道沿着涡轮4和燃烧室2的长度两倍地延伸，以便到达热交换器1，唯一的优点在于避免对涡轮发动机的排气装置进行任何修改；在第二种设计中，必须分别通过与图7中的管道类似的管道6以及与图6中的管道类似的管道5使压缩气体和废气转向。应当注意，管道5和6还具有许多方向的改变和弯曲，这造成与该管道的长尺寸类似的压头损失。

发明内容

本发明的主题是一种涡轮轴发动机的布置，该布置首先能够通过使热交换器所需的气体管道伸长率、压头损失以及重量和整体尺寸的相应增加最小化来更好地利用热交换对这些气流热回收方法进行表征。与诸如图6至图8中所示的那些常规的回热循环的涡轮轴发动机构造相比，通过减小气体管道的长度、复杂性和重量，可以实现多个优点：降低了整体开发成本，降低了整体重量和尺寸，并且通过提高循环的热效率而提高了性能水平。

本发明还通过紧凑且简单的设备利用了从涡轮轴发动机的能量供应，这在诸如直升机的狭窄环境中特别有用。

在一般形式中，本发明首先包括两个涡轮轴发动机，这两个涡轮轴发动机中的每一个包括燃烧室上游的冷部段和在燃烧室下游的热部段，该冷部段包括可以或不可以进行机械连接的一个或多个轴流压缩机或离心流压缩机，该热部段包括一个或多个轴流涡轮或内向流涡轮，其特征在于，涡轮轴发动机通过两个热交换器进行联接，第一个热交换器使来自第一个涡轮轴发动机的冷部段的输出空气流与来自第二个涡轮轴发动机的热部段的输出气流形成热交换关系，并且第二个热交换器使来自第一个涡轮轴发动机的热部段的输出气流与来自第二个涡轮轴发动机的冷部段的输出空气流形成热交换关系。

此外，涡轮轴发动机的旋转轴线是平行的并且流沿着涡轮轴发动机的流动方向是相反的，涡轮轴发动机中的每一个包括从涡轮轴发动机获取动力的动力输出设备，并且本发明的特征在于，该涡轮轴发动机中的每一个包括驱动轴，驱动轴通过各自的机械传动装置连接到动力输出设备的每一个，每个机械传动装置包括传动轴，传动轴位于彼此的延续部分中，并且其中，驱动轴在传动轴之间以及在涡轮轴发动机的主要部分之间沿垂直于涡轮轴发动机的方向延伸。

代替使热交换发生在穿过涡轮轴发动机的相同气流的两个连续部分之间，该交换发生在相邻并交织的涡轮轴发动机之间。这种布置涉及对涡轮轴发动机的构造进行非常小的改变，因此需要更短的气体路径的伸长和减少的压头损失。减小了由两个涡轮轴发动机形成的系统的整体尺寸，由此使彼此热联接的涡轮轴发动机也相邻。与不包含热回收的涡轮轴发动机相比，在实践中可以预计节省例如18％至20％的燃料消耗，这相比根据图6至图8的设备能更好地节省燃料消耗(利用常规热交换器节省14％至18％的燃料消耗)。

安装有热交换器的涡轮轴发动机中的每一个的冷部段部分可以对应于位于沿流体流动方向并且与燃烧室相邻的最后一个压缩机(特别是高压压缩机)的下游的区域，并且涡轮轴发动机中的每一个的相应的热部段部分可以对应于最后一个涡轮的下游的排气装置。

根据一种重要的可能性，涡轮轴发动机中的每一个可以包括热部段中的没有机械连接到冷部段的自由涡轮，然而，该自由涡轮包括通向外部的动力输出轴，该动力输出轴允许从燃烧气体中提取机械动力。因此，在涡轮轴发动机之间实现了更大的操作独立性，特别是当动力输出装置通向两个涡轮轴发动机共有的轴或另一个输出机构时，因为即使例如涡轮轴发动机中的一个停止了，仍可能驱动该输出机构。

因此，在一种构造中利用本发明的布置，该布置进一步包括驱动轴，该驱动轴通过各自的机械传动装置连接到自由涡轮的动力输出装置中的每一个，并因此该驱动轴允许将这些自由涡轮获得的动力输出组合在一起。

对于本发明可以考虑的一种重要应用是直升机推进系统的应用，因此，该布置的输出轴是承载提升螺旋桨(4)的轴。因此，该设备在直升机的内部占据非常小的空间并且没有受到布局限制或者受到非常少的布局限制。因此，获得了该设备的特别紧凑的布置。

附图说明

通过阅读参考以下附图给出的本发明的一些实施例(不排除其他实施例)的详细描述将更好地理解本发明的不同方面、特征和优点：

-图1是本发明的示意图；

-图2示出了本发明的第一可能实施例；

-图2A、图2B和图2C示出了一些可能的替代性实施例；

-图3、图4和图5分别以单独的方式、以及从上方观察的俯视图和在直升机内的侧视图示出了第二实施例；

-以及在上文描述的图6、图7和图8示出了具有集成热交换器的涡轮轴发动机的已知实施例。

具体实施方式

图1是本发明的整体图。该图示出了两个涡轮轴发动机10和20，这两个涡轮轴发动机中的每一个包括在燃烧室12或22上游的冷部段11或21以及在该燃烧室下游的热部段13或23。除了热交换器16或26，冷部段11和21通常还包括压缩机(在这种情况下包括两个压缩机：一个低压压缩机14或24以及一个高压压缩机15或25)；并且热部段13和23包括高压涡轮17或27以及该高压涡轮下游的低压涡轮18或28。冷部段11和21、热部段13和23以及燃烧室12和22形成所谓的涡轮轴发动机10和20的主要部分。

涡轮轴发动机10和20的主要部分是直线的、并排设置的、平行的、但气流沿相反方向流动，并且这些主要部分轴向地偏移，使得涡轮轴发动机中的每一个的燃烧室12和/或22基本上在另一个涡轮轴发动机20或10的低压涡轮28或18的前方延伸。因此，在最后的涡轮的下游的排气装置设置有弯管19和29，该弯管通过与另一个涡轮轴发动机20或10交联而使源自低压涡轮18和28的热气体穿过另一个涡轮轴发动机20或10的热交换器26或16，从而允许该热气体的大部分热量传递到进入燃烧室22或12的冷流。弯管19和29是短的，并且通过由于单个弯曲对气体的方向进行简单地改变而导致低的额外压头损失。

这种布置可以应用于涡轮发电，该涡轮发电可以与用于推进的常规驱动系统结合而在诸如飞行器或陆地车辆的交通工具中使用。图2中描述了这种应用。因此，已经进行描述的涡轮轴发动机10和20中的每一个用于借助于一种如下的设备来驱动发电机30或31，该设备在弯管19或29中包括自由涡轮32或33，所述自由涡轮在低压涡轮18或28的紧接下游并且在热交换器16或26的紧接上游，并且自由涡轮驱动通向发电机30或31的动力输出轴34或35。之所以称其为自由涡轮32和33(在这种情况下为涡轮轴发动机10和20的最后的涡轮)是因为这些自由涡轮与涡轮轴发动机的转子的其他部分没有任何机械连接：特别地，这些自由涡轮既不连接到其他涡轮，也不连接到压缩机。因此，大部分的气体压力能量以这种方式被回收。如上文中所提到的，为了提高涡轮轴发动机10和20的效率，该涡轮轴发动机的大部分热能在热交换器16和26中被回热循环。可以考虑其他动力输出装置，诸如齿轮或置于涡轮轴发动机10和20上的其他位置的装置，这些动力输出装置将例如从该涡轮轴发动机侧向地伸出，而不是在将涡轮连接到压缩机的轴的延续部分中伸出。

图2A示出了替代性实施例，由此动力输出轴不是从自由涡轮32或33沿相反的方向被引导，而是沿相同的方向被引导，其中，该动力输出轴中的一个(具有附图标记36而不是35)通过在与之相关联的涡轮轴发动机20的中心间隙53内延伸而穿过该涡轮轴发动机，该中心间隙贯穿该涡轮轴发动机的整个转子；因此，电荷装置(charges)30和31是相邻的。

如图2B中所示，这种设计的一种演变将包括由单个电荷装置37代替电荷装置30和31，该电荷装置通过齿轮箱38连接到两个动力输出轴34和36，以便捕获由这两个轴同时传递的动力。图2C示出了替代性实施例，其中，动力输出轴34和35是图2中所示的那些动力输出轴，但是这两个动力输出轴均通过在该输出轴39上间隔开的正齿轮或其他动力传递构件连接到单个电荷装置37的单个输出轴39。具有两个正齿轮的这种布置可以适用于齿轮箱38。

现在将参考图3、图4和图5描述本发明的一个典型的实施例。该设备在这种情况下被应用于直升机40的提升和推进。涡轮轴发动机10和20被直接设置在飞行器的客舱的天花板的下方，围绕客舱上方的提升螺旋桨42的轴41。如图2中所示，自由涡轮32和33位于涡轮轴发动机10和20的弯管19和29中的每一个中，并且动力输出轴34和35终止于涡轮轴发动机10和20的外部，并且通过该动力输出轴可以收集由自由涡轮32和33捕获的动力。这是通过传动装置43和44实现的，每个传动装置从相应的动力输出轴34或35开始包括正齿轮45或46、传动轴47或48以及锥齿轮49，该锥齿轮是两个传动装置43和44共有的并且刚性地连接到螺旋桨轴41。动力输出轴34和35彼此平行并且在弯管19和20的上游与涡轮轴发动机10和20的主要部分同轴，并且与驱动压缩机和涡轮(就低压涡轮18而言)的轴同轴。传动轴47和48平行于动力输出轴34和35并且在彼此之间以及在彼此的延续部分中延伸，直至设备的围绕涡轮轴发动机10和20的中心区域。螺旋桨轴41通过垂直于主平面延伸而穿入该中心区域，涡轮轴发动机10和20在该主平面中延伸(在本申请中，该平面对于直升机而言是水平的，并且当直升机不倾斜时，螺旋桨轴41是竖直的)。锥齿轮49包括使螺旋桨轴41旋转的轮50和两个带齿小齿轮51和52，这两个带齿小齿轮与传动轴47和48成一体并且均与轮50啮合。由于这种布置，螺旋桨轴在涡轮轴发动机10和20之间、特别是在该涡轮轴发动机的主要部分之间、在弯管19和29之间以及在动力输出轴34和35的轴线之间穿过；该螺旋桨轴沿与这些均为水平的部件垂直的方向延伸。因此，这种布置非常紧凑。这种布置可以是完全对称的，因此传动轴47和48处于彼此的延续部分中；因此，传动轴沿彼此相反的旋转方向旋转，动力输出轴34和35以及涡轮轴发动机10和20的转子也沿彼此相反的旋转方向旋转；这与类似的涡轮轴发动机10和20兼容，因为它们沿相反方向定向。

涡轮轴10和20的启动导致自由涡轮32和33以及传动轴47和48旋转，使得传动装置43和44共同驱动螺旋桨轴41。在两个涡轮轴发动机10和20中的一个发生故障的情况下，设备给予维持直升机所需的动力，但是其热效率低于额定工作时的热效率。在这种紧急情况下，其余的涡轮轴发动机所节省的成本并不重要。

这种布置特有的一个优点在于，即使通向涡轮轴发动机的燃料流被切断，也能够使用有缺陷的涡轮轴发动机。参考图2，在涡轮轴发动机20上发生故障的情况下，并且如果通向该涡轮轴发动机的燃料流被切断，则涡轮轴发动机10仍然以全功率运行。结果，在热交换器16中，在离开涡轮32的热流与来自涡轮轴发动机20的冷流之间发生热交换(非常低的质量流率)。结果，涡轮轴发动机20将被设定为仅通过热交换器16中的能量传递而运动。取决于热交换器16的性能水平(在效率和压头损失方面)，如果自由涡轮33没有通过专用设备进行减速，则可以使该自由涡轮产生有用的机械动力，而无需在涡轮轴发动机20的室中燃烧燃料。在这种降级运行模式中，涡轮轴发动机20成为涡轮轴发动机10的辅助能量回收系统。因此，本发明的设备可以在多转子或单转子模式下运行，以推进直升机40。

前述实施例将适用于与直升机的推进和电能的产生不同的其他应用。

不同实施例的涡轮轴发动机可以是相似的(如本文中所示)或不同的。