技术领域
[0001] 本
申请一般来说涉及飞行器发动机，并且更特定来说涉及用于使发动机接合到可旋转负载的系统和方法。
背景技术
[0002] 在
直升机中，发动机轴和直升机
转子之间的离合器允许发动机用于除了使直升机转子旋转以外的其它目的。
[0003] 常规的机械解决方案是安装接合设备（例如摩擦机构（例如，像盘式离合器或带式离合器）或液压联接件）来逐渐接合所述转子。此类接合设备需要被确定大小成传递最大
扭矩，这导致体积大且重的部件。因此，需要改进。
发明内容
[0004] 在一个方面中，提供一种飞行器发动机组件，其包括：具有发动机轴的发动机；
输出轴；在所述发动机轴和所述输出轴之间驱动接合的离合器，所述离合器具有与所述发动机轴驱动接合的第一部件和第二部件，所述离合器可在第一构造和第二构造之间操作，在所述第一构造中，所述第一部件可相对于所述第二部件旋转，并且所述发动机轴可相对于所述输出轴旋转，在所述第二构造中，所述第一和第二部件彼此接合成使得所述第一部件相对于所述第二部件的旋转受到限制，并且所述发动机轴与所述输出轴一起旋转，所述离合器被构造成经由所述第一部件和所述第二部件之间的所述接合使所述发动机轴选择性地接合到所述输出轴；可在第一
位置和第二位置之间操作的机械锁，在所述第一位置中，所述机械锁与所述离合器的所述第一部件脱离，并且在所述第二位置中，所述离合器的所述第一部件和所述第二部件固定成用于一个相对于另一个共同旋转。
[0005] 在另一方面中，提供一种飞行器发动机，其包括：具有发动机轴的间歇式内燃发动机；具有驱动地接合到所述发动机轴的
涡轮机轴的
涡轮机，所述涡轮机具有
流体连接到所述间歇式内燃发动机的排放部的涡轮机入口；可操作地连接到可旋转负载的输出轴；在所述发动机轴和所述输出轴之间驱动接合的离合器，所述离合器具有与所述发动机轴驱动接合的第一部件和第二部件，所述离合器可在第一构造和第二构造之间操作，在所述第一构造中，所述第一部件可相对于所述第二部件旋转，并且所述发动机轴可相对于所述输出轴旋转，在所述第二构造中，所述第一和第二部件彼此接合成使得所述第一部件相对于所述第二部件的旋转受到限制，并且所述发动机轴与所述输出轴一起旋转，所述离合器被构造成经由所述第一部件和所述第二部件之间的所述接合使所述发动机轴选择性地接合到所述输出轴；可在第一位置和第二位置之间操作的机械锁，在所述第一位置中，所述机械锁与所述离合器的所述第一部件脱离，并且在所述第二位置中，所述离合器的所述第一部件和所述第二部件固定成用于一个相对于另一个共同旋转。
[0006] 在仍另一方面中，提供一种操作飞行器发动机的方法，其包括：使发动机的发动机轴旋转；通过逐渐增加从所述发动机轴传递到与可旋转负载驱动接合的输出轴的扭矩的量值来开始所述可旋转负载的旋转；当所述可旋转负载达到给定旋转速度时，将所述输出轴锁定到所述发动机轴；以及增加所述可旋转负载的旋转速度使其超过所述给定旋转速度。
附图说明
[0007] 现在参考附图，其中：图1是根据一个
实施例的飞行器发动机的示意性视图；
图2是根据一个实施例的图1的飞行器发动机的接合设备的示意性视图；
图3是根据另一实施例并且可以与图1的飞行器发动机一起使用的接合设备的示意性视图；
图4是根据可以与图1的飞行器发动机一起使用的仍另一实施例的按着陆(hotel)操作模式示出的接合设备的示意性视图；并且
图5是按正常操作模式示出的图4的接合设备的示意性视图。
具体实施方式
[0008] 参考图1，大致示出飞行器发动机10，并且其包括发动机12’，发动机12’可以是任何类型的合适发动机，例如间歇式内燃发动机、
燃气涡轮发动机、电动发动机等等。在特定实施例中，发动机12’是包括各自被例如构造为汪克尔（Wankel）发动机的一个或更多个旋转单元或者一个或更多个往复
活塞的内燃发动机12。内燃发动机12驱动发动机轴14，发动机轴14用于驱动固定到飞行器发动机10的输出轴16的可旋转负载L。应理解，飞行器发动机10可以替代地被构造成驱动任何其它适当类型的负载，包括（但不限于）一个或更多个发
电机、螺旋桨、附件、转子桅杆、
压缩机或任何其它适当类型的负载或其组合。可旋转负载L可以是直升机转子。飞行器发动机10可以例如在飞行器或其它运载工具上或任何其它合适应用中用作
原动机发动机。
[0009] 在特定实施例中，内燃发动机12是包括各自被构造为
汪克尔发动机的三个旋转单元的旋转发动机，带有具有限定两个凸
角的轮廓的转子腔，所述轮廓优选地为外旋轮线，转子接收在转子腔中，其中转子的几何轴线与转子腔的轴线偏移并平行于其，并且转子具有三个沿周向方向间隔开的
顶点部分和具有向外成拱形侧面的大致三角形轮廓，从而限定具有可变体积的三个旋转
燃烧室。可替代地，内燃发动机12可以是任何类型的间歇式内燃发动机，例如活塞发动机。可替代地，可以用任何其它合适类型的发动机（例如，电动
马达）替代内燃发动机。
[0010] 在所示的实施例中，内燃发动机12是飞行器发动机10的涡轮复合发动机100的部件；涡轮复合发动机100包括用于在空气被馈送到内燃发动机12的空气入口12a之前对其进行压缩的压缩机18。如图示出，压缩机18具有流体连接到飞行器发动机10外部的环境E的入口18a以及经由管道20a流体连接到内燃发动机12的入口12a用于将压缩空气馈送到内燃发动机12的出口18b。
[0011] 在特定实施例中，涡轮复合发动机100可以如于2010年7月13日授权的Lents等人的美国
专利号7,753,036中所述或者如于2010年8月17日授权的Julien等人的美国专利号7,775,044中所述或者如于2015年10月1日公开的Thomassin等人的美国专利公开号2015/
0275749中所述或者如于2015年10月1日公开的Bolduc等人的美国专利公开号2015/
0275756中所述，其全部内容以引用方式并入本文中。
[0012] 如图示出，涡轮复合发动机100包括接收来自内燃发动机12的排气的涡轮机22。涡轮机22具有经由管道20b流体连接到内燃发动机12的排放部12b的入口22a。涡轮机22具有流体连接到环境E用于排出由内燃发动机12产生并且在其在涡轮机22中通过之后的排气的出口22b。
[0013] 在旋转发动机的情况下，内燃发动机12以排气脉冲的形式提供以高峰值速度离开的高压热气的排气流。涡轮机22可以包括单个涡轮机或者
串联流体连通的两个或更多个涡轮机级；所述两个或更多个涡轮机级可以具有彼此不同的反动比并且可以被构造成为内燃发动机的排气脉冲服务。可以想到其它构造。
[0014] 应理解，变化是可能的，并且例如可以省略压缩机和/或涡轮机、而不背离本公开的范围。
[0015] 在所示出的实施例中，压缩机18和涡轮机22与
齿轮箱24驱动接合。在所示出的实施例中，压缩机18和涡轮机22接合到同一涡轮机轴22c，涡轮机轴22c通过齿轮箱24驱动地接合到发动机轴14；涡轮机轴22c和发动机轴14平行并且彼此径向偏移。替代构造是可能的，包括（但不限于）压缩机18的转子接合到与涡轮机轴22c分开的轴（无论是否与涡轮机轴22c同轴、与发动机轴14同轴或者与两者偏移）并且例如通过齿轮箱24与涡轮机轴22c和/或发动机轴14驱动接合；和/或所述轴中的两者或更多者彼此以一角度（垂直或其它角度）延伸。
[0016] 在所描绘的实施例中，来自离开内燃发动机12的排气的
能量由涡轮机22提取；由涡轮机22提取的能量与内燃发动机12复合以经由齿轮箱24驱动发动机轴14。
[0017] 如图1中所示，齿轮箱24包括彼此
啮合的多个齿轮24a以在涡轮机轴22c和发动机轴14之间传递旋转输入。齿轮箱24可以在发动机轴14的旋转速度和涡轮机轴22c的旋转速度之间产生旋转速度比。换句话说，齿轮箱24可以增加或减小从涡轮机轴22c传递到发动机轴14的扭矩。
[0018] 在一些情况下，可能期望使内燃发动机12在不使可旋转负载L（例如，直升机转子）旋转的情况下运行。与其中发动机轴14和输出轴16两者、并且因此可旋转负载L旋转的正常操作模式相反，此类构造在下文中称为着陆操作模式。
[0019] 可以使用常规系统（例如摩擦离合器）来使发动机轴14与输出轴16驱动接合。然而，此类离合器需要能够经受由内燃发动机12产生的最大扭矩。对于飞行运载工具，重量始终是关注的重点。因此，使用能够经受内燃发动机12的最大扭矩的常规离合器可能对运载工具的性能有害。可以使用直接离合器，例如爪形离合器（dog clutch）。针对最大可传递扭矩的相同值，其重量通常小于常规摩擦离合器的重量。然而，在致动爪形离合器之前，发动机轴14的旋转速度和输出轴16的旋转速度必须等效，以避免损坏系统。
[0020] 在所描绘的实施例中，飞行器发动机10进一步包括
制动器（也称为离合器）30用于使发动机轴14选择性地接合到输出轴16并且用于起始可旋转负载L的旋转。离合器30包括与发动机轴14驱动接合的第一部件30’和第二部件30’’。离合器30可在第一构造和第二构造之间操作。在所述第一构造中，发动机轴14独立于输出轴16旋转。换句话说，在离合器30的第一构造中，发动机轴14与输出轴16驱动地脱离。在离合器30的第二构造中，发动机轴14经由离合器30将扭矩传递到输出轴16。离合器30可操作成逐渐增加从发动机轴14和输出轴16传递的
力，使得可从发动机轴14传递到输出轴16的扭矩的量值从第一构造到第二构造逐渐增加。更具体来说，在离合器30的第一构造中，第一部件30’可相对于第二部件30’’旋转，并且发动机轴14可相对于输出轴16旋转。在离合器30的第二构造中，第一和第二部件30’、
30’’彼此接合成使得第一部件30’相对于第二部件30’’的旋转受到限制，并且发动机轴14与输出轴16一起旋转。离合器被构造成经由第一部件30’和第二部件30’’之间的接合使发动机轴14选择性地接合到输出轴16。
[0021] 离合器30被确定大小成能够传递对应于至少导致可旋转负载L的旋转
加速度的最小扭矩的扭矩。在特定实施例中，离合器30能够传递对应于至少能够使输出轴16的旋转速度从静止增加到给定旋转速度的扭矩的扭矩。
[0022] 飞行器发动机10进一步包括机械锁32，机械锁32能够将发动机轴14与输出轴16锁定在一起，使得发动机轴14可旋转地锁定到输出轴16。当发动机轴14可旋转地锁定到输出轴16时，输出轴16和发动机轴14共同旋转。如上文所述，机械锁32可在其中发动机轴14可相对于输出轴16旋转的第一位置和其中发动机轴14可旋转地锁定到输出轴16的第二位置之间操作。在机械锁32的第二位置中，发动机轴14和输出轴16共同旋转。更具体来说，在第一位置中，机械锁与离合器30的第一部件30’脱离。在第二位置中，离合器30的第一部件30’和第二部件30’’固定成用于一个相对于另一个共同旋转。
[0023] 本文中，表述“共同旋转”意味着第一元件的旋转导致第二元件的旋转或者由第二元件的旋转所致，无论其是否以相同旋转速度旋转。例如，如果第一元件固定到第一齿轮并且第二元件固定到与第一齿轮啮合的第二齿轮，则第一元件的旋转引起第二元件的旋转，并且反之亦然。第一和第二齿轮可以具有不同数目个齿，使得将在第一和第二元件之间产生旋转速度比。然而，本文中，第一和第二元件将被认为共同旋转，而不管其旋转速度变化。
[0024] 在所示的实施例中，机械锁32和离合器30是接合设备40的部件。接合设备的多个实施例是可能的，下文参考图1至图5详细描述三个。
[0025] 参考图1-2，接合设备40进一步包括齿轮系34，齿轮系34包括与发动机轴14驱动接合的主动太阳齿轮34a、与输出轴16驱动接合的从动太阳齿轮34b、与主动太阳齿轮34a和从动太阳齿轮34b两者啮合的行星齿轮34c以及可旋转地
支撑行星齿轮34c的
行星架34d。
[0026] 在离合器30的第一构造中，主动太阳齿轮34a的旋转引起与其啮合的行星齿轮34c的旋转，并且由于可旋转负载L的旋转惯性，从动太阳齿轮34b保持基本不动。因此，行星架34d围绕与主动太阳齿轮34a的旋
转轴线重合的
旋转轴线A旋转。
[0027] 为引起从动太阳齿轮34b、并且因此输出轴16的旋转，必须限制行星架34d的旋转。在所描绘的实施例中，使用离合器30来限制行星架34d的旋转。更具体来说，并且如在图2中更清楚地看到，行星架34d限定表面34e，在表面34e上，可以施加摩擦以减
小行星架34d的旋转速度，并且因此，增加从动太阳齿轮34b的旋转速度。在所示的实施例中，表面34e属于位于行星架34d的外周边上的盘34f；盘34f围绕轴线A沿周向方向延伸。在此实施例中，盘34f对应于离合器30的第一部件30’。
[0028] 离合器30包括壳体30a，壳体30a固定到飞行器，使得壳体30a不动。壳体30a围绕制动构件30b，在所描绘的实施例中，制动构件30b对应于制动垫30c，在所示的实施例中，是面向彼此并且在其间接收盘34f的两个制动垫30c。制动构件30b可在其中盘34f和制动构件30b可相对于彼此旋转的自由构造和其中制动构件30b限制盘34f的旋转的制动构造之间操作。制动构件30b可以是可操作成在所述盘上施加力的任何合适设备。在此实施例中，制动构件30b对应于离合器30的第二部件30’’。
[0029] 制动垫30c可在壳体30a内移动以便选择性地与盘34f的表面34e
接触或远离其。在离合器30的第二构造中，制动垫30c在其与表面34e接触时经由盘34f在行星架34d上施加
摩擦力。制动垫30c由本领域中已知的任何合适
致动器（例如，液压致动器、螺线管等等）接合。
[0030] 在某一时刻，行星架34d停止旋转。然而，发动机轴14、并且因此主动太阳齿轮34a的旋转速度和扭矩的增加可能导致离合器30“滑动”并且行星架34d相对于制动垫30c旋转，因为离合器30仅能够经受小于发动机12的最大扭矩的最大扭矩。换句话说，因为离合器30未被构造成经受超过给定
阈值的扭矩，因此发动机轴14的加速度可能不转化为输出轴16的加速度。因此，当行星架34d停止旋转时，行星架34d通过机械锁32锁定，使得其不管发动机轴14的旋转速度和扭矩如何都保持基本上不动。
[0031] 仍然参考图2，放大示出机械锁32。如图示出，壳体30a和行星架34d的盘34f两者都限定沿着其圆周沿周向方向分布的多个孔口30d、34g；盘34f的孔口34g可与壳体30c的孔口30d对齐。机械锁32包括可在固定到离合器30的壳体30a的
外壳32b内移动的杆32a；杆32a可滑动地接收在壳体30a和盘34f两者的孔口30d、34g内。
[0032] 当行星架34d停止旋转时，杆32a沿着其纵向轴线A’移动通过壳体30的孔口30d中的一者并且通过盘34f的孔口34g中的一者，以防止行星架34d相对于壳体30a的任何进一步的旋转。在所示的实施例中，使用致动器32c来移动杆32a。致动器32c可以是任何合适类型的致动器，例如螺线管、液压致动器等等。在特定实施例中，必须向致动器32c提供能量以使所述杆从壳体30a和盘34f的孔口30d、34g中移出、从第二位置移动到第一位置。当直升机正在飞行并且
能源变成与致动器32c错误地断开连接时或者如果所述致动器故障时，这可以防止发动机轴14变成与可旋转负载L（其可以是直升机转子）驱动地脱离。在所示的实施例中，杆32a通过孔口30d、34g中的偏置构件（例如
弹簧）偏置，并且必须向致动器32c提供能量以克服由所述偏置构件产生的力。
[0033] 现在参考图3，在140处示出接合设备的另一实施例。为清楚起见，未在图4上重现图3和图4的两个接合设备40、140共同的附图标记，因为接合设备140类似于上文参考图3所述的接合设备40。然而，可旋转负载L与行星架134d、而非与从动太阳齿轮134b驱动接合。更具体来说，齿轮134h固定到行星架134d；齿轮134h与输出轴16驱动接合。齿轮134h可以与行星架134d是整体的。
[0034] 在所描绘的实施例中，由于可旋转负载L与行星架134d驱动接合，因此主动太阳齿轮34a的旋转转化为从动太阳齿轮134b的旋转，因为在行星架134d上比从动太阳齿轮134b上要克服更大的惯性。为开始行星架134d以及可旋转负载L的旋转，必须限制从动太阳齿轮134b的旋转。
[0035] 为此目的，离合器30可操作地连接到从动太阳齿轮134b。在所示的实施例中，从动太阳齿轮134b固定到截短轴134i。盘134f围绕截短轴134i沿周向方向延伸并且固定到截短轴134i。离合器30的壳体30a、制动垫30c和机械锁32如参考图3所述。差别在于，盘134f固定到截短轴134i、而非固定到行星架134d。
[0036] 在图4中描绘的实施例中，经由齿轮系34在主动太阳齿轮34a和行星架134d之间提供旋转比。在特定实施例中，对应于主动太阳齿轮34a的旋转速度对于行星架134d的旋转速度的旋转速度比为2。如本领域中已知，可以通过改变齿轮系34的齿轮的齿计数来获得其它比。
[0037] 现在参考图4-5，在240处大致示出接合设备的另一实施例。接合设备240包括离合器230’，离合器230’以可操作地联接在发动机轴14和输出轴16之间的扭矩转换器230的形式提供。扭矩转换器230包括与发动机轴14驱动接合的输入230a和与输出轴16驱动接合的输出230b。输入230a经由扭矩转换器230中包含的流体可驱动地接合到输出230b。扭矩转换器230可以是本领域中已知的任何扭矩转换器。在所描绘的实施例中，扭矩转换器230包括：
泵或
叶轮230a1，其可以是输入230a的一部分；涡轮机230b1，其可以是输出230b的一部分；以及
定子230b2，其可以是输出230b的一部分。定子230b2被构造成用于以适当入射角朝向叶轮
230a1的入口重新引导离开涡轮机230b1的流体。在特定实施例中，在离合器230’的第一构造中，在扭矩转换器230中不存在流体，使得扭矩转换器230的输入230a和输出230b可一个相对于另一个旋转。在离合器230’的第二构造中，在扭矩转换器230中存在流体，使得扭矩可经由所述流体从扭矩转换器230的输入230a传递到输出230b。
[0038] 在所描绘的实施例中，离合器230’的第一部件230’’对应于扭矩转换器230的输入230a，并且离合器230’的第二部件230’’’接合到扭矩转换器230的输出230b。更具体来说，离合器230’的第二部件230’’’对应于扭矩转换器230的涡轮机230b1；扭矩转换器230的涡轮机230b1接合到输出轴16。
[0039] 扭矩转换器230经由输入230a和输出230b的配合将扭矩从发动机轴14传递到输出轴16。在某一时刻，发动机轴14的旋转速度对应于输出轴16的旋转速度，并且发动机轴14可以经由机械锁232’与输出轴16锁定在一起。
[0040] 在本实施例中，机械锁232’是爪形离合器232，其具有与扭矩转换器230的输入230a驱动接合的第一部分232a和与输出轴16驱动接合的第二部分232b。如图5上示出，第一部分和第二部分232a、232b中的一者具有凸出构件232c（例如销），并且第一部分和第二部分232a、232b中的另一者具有凹入构件232d，例如在机械锁232’的第二位置中（图5）相应地成形为接收凸出构件232c的孔口。当发动机轴14以与输出轴16的速度大致相同的速度旋转时，使用致动器232e（其可以是上述任何种类的致动器）来使第一和第二部分232a、232b朝向彼此移动以使凸出构件232c与凹入构件232d配合。
[0041] 爪形离合器232的第一和第二部分232a、232b可以在其彼此接合的位置中偏置。偏置构件B（例如弹簧）可以在第一和第二部分232a、232b中的至少一者上施加力以维持其接合，直到能量被提供到致动器232e以使第一和第二部分232a、232b远离彼此移动以使其脱离的时刻。
[0042] 在特定实施例中，可以用
磁性离合器替代扭矩转换器230。在特定实施例中，参考图1-4所述的离合器30可以使用
磁场、而非摩擦来传递扭矩。可以想到其它构造，而不背离本公开的范围。可以在不背离本公开的范围的情况下使用上述离合器30、230’和机械锁32、232的任何组合。
[0043] 在特定实施例中，离合器和机械锁的组合允许开始可旋转负载的旋转，同时使内燃发动机已经在操作。所公开的飞行器发动机的总重量小于其中仅将被确定大小成经受内燃发动机的最大扭矩的离合器用于相等动力的构造的总重量。
[0044] 在特定实施例中，如果允许足够时间周期来使可旋转负载加速，则使可旋转负载从静止加速到空转所需的动力保持很小。在特定实施例中，时间周期从15秒变化到30秒。在特定实施例中，初始计算示出，用于经由传动系34接合可旋转负载的动力可以是内燃发动机12标称输出的一小部分，并且可以低于发动机标称输出的10%。这可以允许离合器的体积和重量的减小。在特定实施例中，机械锁的添加增加一点重量，但是仍然可以控制在可接受的极限内，因为简单特征（如滑动销、爪或
花键）可以在小且轻的
包装中承担重的负载。在特定实施例中，可以通过不旋转的部件来实现渐进式接合和锁定，从而保持简单性并且提高系统的可靠性和可维护性。
[0045] 为了操作飞行器发动机10，使发动机轴14旋转。通过逐渐增加从发动机轴14传递到与可旋转负载L驱动接合的输出轴16的扭矩的量值来开始可旋转负载L的旋转。当可旋转负载L达到给定旋转速度时，输出轴16锁定到发动机轴14，使得输出轴16和发动机轴14共同旋转。在那时，可旋转负载L的旋转速度增加超过给定旋转速度。
[0046] 在所描绘的实施例中，开始可旋转负载L的旋转包括：使主动太阳齿轮34a旋转，从而使从动太阳齿轮34b和可旋转地支撑行星齿轮34c的行星架34d中的一者旋转；输出轴16与从动太阳齿轮34b和行星架34d中的另一者驱动接合。而且，使从动太阳齿轮34b和行星架34d中的一者的旋转减速，使得使从动太阳齿轮34b和行星架34d中的另一者的旋转加速。
[0047] 如图3和图4上示出，使从动太阳齿轮34b和行星架34d中的一者减速包括在从动太阳齿轮34b和行星架34d中的另一者上施加力。在所示的实施例中，从动太阳齿轮34b和行星架34d中的一者上的力是施加在从动太阳齿轮34b和行星架34d中的所述一者的表面34e上的摩擦力。
[0048] 在所示的实施例中，将输出轴16锁定到发动机轴14包括使机械锁32从其中发动机轴14可相对于输出轴16旋转的第一位置操作到其中发动机轴14可旋转地锁定到输出轴16的第二位置。在机械锁32的第二位置中，发动机轴14和输出轴16彼此共同旋转。如图所示，操作机械锁32包括通过接合到杆32a的致动器32c移动杆32a。
[0049] 以上描述旨在仅是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，可以在不背离所公开的发明的范围的情况下对所述实施例作出改变。根据对本公开的审阅，本领域技术人员将显而易见到落入本发明的范围内的仍其它
修改，并且此类修改旨在落入所附
权利要求内。
