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CN114076034A - 包括嵌入式电机和相关冷却系统的燃气涡轮发动机 - Google Patents

包括嵌入式电机和相关冷却系统的燃气涡轮发动机 Download PDF

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CN114076034A CN202110949892.XA CN202110949892A CN114076034A CN 114076034 A CN114076034 A CN 114076034A CN 202110949892 A CN202110949892 A CN 202110949892A CN 114076034 A CN114076034 A CN 114076034A
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米罗斯洛·索巴尼克
克里斯托弗·德拉梅特
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General Electric Co
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General Electric Co
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Abstract

一种燃气涡轮发动机，包括位于燃气涡轮发动机前部的风扇。压缩机区段和涡轮区段以串行流动顺序布置。压缩机区段和涡轮区段一起限定核心气流路径。旋转构件可与压缩机区段的至少一部分和涡轮区段的至少一部分一起旋转。电机联接到旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于核心气流路径的内侧。外壳至少部分地包围电机。外壳至少部分地限定外壳内的第一冷却气流路径，第一冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕电机的第一冷却气流缓冲腔。第一冷却气流路径与位于外壳外部的第二冷却气流路径连通，第二冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕外壳的第二冷却气流缓冲腔。冷却管道向第一冷却气流路径提供加压空气，使得空气沿提供第一冷却气流缓冲腔和第二冷却气流缓冲腔的第一冷却气流路径和第二冷却气流路径两者流动。

Description

包括嵌入式电机和相关冷却系统的燃气涡轮发动机
技术领域
本说明书大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及包括嵌入式电机和用于冷却电机的相关冷却系统的燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机经常用作飞行器推进系统的一部分。燃气涡轮发动机可包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。空气由风扇提供到压缩机区段，在压缩机区段中空气被压缩并输送到燃烧区段。在燃烧区段中空气与燃料混合并且然后燃烧。然后将燃烧气体输送到涡轮区段，其在将燃烧气体输送到排气区段之前驱动涡轮区段。
在操作期间，燃气涡轮发动机内的温度可能升高。为了管理燃气涡轮发动机的温度升高，可提供用于从燃气涡轮发动机的各种部件去除热能的各种冷却系统。燃气涡轮发动机的某些部件可能比其他部件更擅长处理温度升高。例如，可能需要限制可嵌入燃气涡轮发动机内的电机的温度升高。
发明内容
根据本公开的实施例，一种燃气涡轮发动机，包括位于燃气涡轮发动机的前部的风扇。压缩机区段和涡轮区段以串行流动顺序布置。压缩机区段和涡轮区段一起限定核心气流路径。旋转构件可与压缩机区段的至少一部分和涡轮区段的至少一部分一起旋转。电机联接到旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于核心气流路径的内侧。外壳至少部分地包围电机。外壳至少部分地限定外壳内的第一冷却气流路径，第一冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕电机的第一冷却气流缓冲腔。第一冷却气流路径与位于外壳外部的第二冷却气流路径连通，第二冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕外壳的第二冷却气流缓冲腔。冷却管道向第一冷却气流路径提供加压空气，使得空气沿提供第一冷却气流缓冲腔和第二冷却气流缓冲腔的第一冷却气流路径和第二冷却气流路径流动。
根据本公开的另一个实施例，一种燃气涡轮发动机，包括位于燃气涡轮发动机的前部的风扇。压缩机区段和涡轮区段以串行流动顺序布置。压缩机区段和涡轮区段一起限定核心气流路径。旋转构件可与压缩机区段的至少一部分和涡轮区段的至少一部分一起旋转。电机联接到旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于核心气流路径的内侧。外壳至少部分地包围电机。外壳至少部分地限定外壳内的冷却气流路径。冷却管道与位于罩下空间中的冷却鼓风机组件连通。冷却管道与冷却气流路径连通，使得空气沿冷却气流路径流动。
根据本公开的另一个实施例，提供了一种使用燃气涡轮发动机的方法。燃气涡轮发动机包括位于燃气涡轮发动机的前部的风扇。压缩机区段和涡轮区段以串行流动顺序布置。压缩机区段和涡轮区段一起限定核心气流路径。旋转构件可与压缩机区段的至少一部分和涡轮区段的至少一部分一起旋转。电机联接到旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于核心气流路径的内侧。当燃气涡轮发动机关闭时，位于燃气涡轮发动机内部的冷却鼓风机组件用于控制电机的温度。
根据另一个实施例，提供了一种使用发动机的方法。该方法包括发动机，该发动机包括核心罩、罩下空间和与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机。发动机操作并关闭。在发动机关闭之后或期间，设置在罩下空间中的鼓风机操作并且由鼓风机产生的强制空气通过至少一个冷却管道。冷却管道包括位于电机附近的端部，以将由鼓风机产生的冷却空气提供给电机。
本文描述的燃气涡轮发动机及其使用方法的附加特征、实施例和优点将在下面的详细描述中阐述，并且部分地对于本领域技术人员来说将是显而易见的是，基于本文公开的教导，这些特征、实施例和优点预期并考虑在本公开的范围内。
应当理解，前面的一般描述和下面的详细描述都描述了各种实施例，并且旨在提供用于理解本文描述和要求保护的主题的性质和特征的概述或框架。附图被包括以提供对各种实施例的进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分。附图示出了本文描述的各种实施例，并且与描述一起用于解释本文描述和要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
图1是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的包括电机的燃气涡轮发动机的示意剖视图；
图2是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图1的燃气涡轮发动机的一部分的示意立体图，包括电机的位置以及电气系统和用于冷却电气系统和电机的冷却系统；
图3是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的包括电机的图1的燃气涡轮发动机的后部的示意剖视图；
图4是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图3的电机的发电机转子子组件的示意侧视图；
图5是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图3的电机的发电机定子子组件的示意侧视图；
图6A是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的包括冷却系统的图1的燃气涡轮发动机的示意剖视图；
图6B是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的图1的燃气涡轮发动机的另一实施例的示意剖视图；和
图7是根据本文示出和描述的一个或多个实施例的使用中的图3的后部和电机的示意剖视图。
具体实施方式
本文描述的实施例大体涉及燃气涡轮发动机，其包括嵌入式电机和用于冷却电机的相关冷却系统。燃气涡轮发动机可包括以串行流动顺序布置并一起限定核心气流路径的压缩机区段和涡轮区段。旋转构件(例如轴、线轴等)可与压缩机区段和涡轮区段的至少一些部分一起旋转。电机嵌入在燃气涡轮发动机内。电机可与旋转构件一起旋转，并且沿燃气涡轮发动机的径向方向至少部分地在核心气流路径的内侧与旋转构件同轴地定位。电机可以是由旋转构件驱动的发电机。
燃气涡轮发动机包括冷却电机的冷却系统，由于电机在燃气涡轮发动机中的向后位置，冷却系统可能是需要的。特别地，电机可以在径向方向上至少部分地位于核心气流路径的内侧。可以提供至少部分地包围电机的外壳。外壳可以至少部分地限定外壳内的第一冷却气流路径，第一冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕电机的第一冷却气流缓冲腔。第一冷却气流路径可以与位于外壳外部的第二冷却气流路径连通，第二冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕外壳的第二冷却气流缓冲腔。这些多个冷却气流缓冲腔可以提供一个在另一个径向内侧的多个绝缘体层，其可以在操作期间使电机与核心气流路径内的热操作温度隔离。冷却系统还可以包括与冷却鼓风机组件连通的冷却管道。冷却鼓风机组件可以位于燃气涡轮发动机内的罩下空间中。在发动机关闭期间或之后，冷却管道可以沿第一和第二冷却气流路径引导冷却空气，使得空气沿第一和第二冷却气流路径流动。
参考图1，示例性燃气涡轮发动机10可被构造成用于安装在飞行器上的机翼或机身。在一些实施例中，燃气涡轮发动机10还可用于提供动力。燃气涡轮发动机10包括：风扇区段12，其包括风扇14；压缩机区段16；以及涡轮区段18。风扇区段12、压缩机区段16和涡轮区段18可包括一个或多个转子盘20，转子盘20包括从其径向延伸的转子叶片。空气被吸入燃气涡轮发动机10并被风扇14加速。空气或其至少一部分在压缩机区段16中被压缩并被输送到燃烧室，在燃烧室中空气与燃料混合并燃烧，从而产生热燃烧气体。燃烧气体通过涡轮区段18，涡轮区段18从燃烧气体中提取机械功以使附接的压缩机区段16转动，从而进一步压缩上游空气以产生自持过程。燃烧气体通过喷嘴区段22排出。
燃气涡轮发动机10限定平行于纵向中心线23延伸的轴向方向A、垂直于轴向方向A延伸的径向方向R以及绕轴向方向A延伸的周向方向C。燃气涡轮发动机10包括风扇区段12和在轴向方向上位于风扇区段12下游的核心区段24。
燃气涡轮发动机10包括管状核心罩30，其至少部分地限定环形入口32。核心罩30以串行流动关系包围：压缩机区段16，其包括增压器或低压(LP)压缩机34和高压(HP)压缩机36；燃烧区段38，其包括燃烧室；涡轮区段18，其包括高压(HP)涡轮40和低压(LP)涡轮42；以及喷射排气喷嘴区段22。压缩机区段16、燃烧区段38和涡轮区段18一起限定从环形入口32延伸通过LP压缩机34、HP压缩机36、燃烧区段38和HP涡轮40的核心气流路径44。第一轴或线轴45将HP涡轮40驱动地连接到HP压缩机36。第二轴或线轴48将LP涡轮42驱动地连接到LP压缩机34和风扇14。
风扇区段12包括风扇14，风扇14具有以间隔开的方式联接到盘49的多个风扇叶片46。风扇叶片46大体沿径向方向R从盘49向外延伸。盘49被可旋转的前毂50覆盖，前毂50在空气动力学上成形为促进空气流过多个风扇叶片46。示例性风扇区段12包括周向围绕风扇14和/或核心区段24的至少一部分的环形风扇壳或外机舱52。外机舱52由多个周向间隔的支柱相对于核心区段24被支撑，支柱也用作出口导向轮叶54。外机舱52的下游区段56在机舱的外部分上延伸，以在其间限定旁通气流通道58。
燃气涡轮发动机10包括电机60，电机60可与风扇14一起旋转并位于尾锥65内。电机60是同轴安装到第二轴48并可与其一起旋转的发电机。在其他实施例中，电机60的轴线可以从第二轴48的轴线径向偏移并且可以进一步倾斜于第二轴48的轴线，使得电机60可以定位在至少部分地位于核心气流路径44内侧的任何合适的位置。在一些实施例中，电机60可与第一轴45一起旋转。
图1中描绘的燃气涡轮发动机10仅作为示例提供。在其他示例性实施例中，燃气涡轮发动机10可以用其他类型的利用嵌入式电机的燃气涡轮发动机代替而不会损失清晰度。示例包括涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、开式转子或感应风扇发动机。
参考图2，燃气涡轮发动机10的一部分的立体图被示意性地示出并且大体上描述了电气系统62和冷却系统64。电气系统62包括设置在燃气涡轮发动机10的后部66中的电机60。后部66轴向地设置在燃气涡轮发动机10的核心区段24的下游。电机60将由燃气涡轮发动机10产生的机械能(例如，从核心区段24中产生的排气产生)转换成电能，该电能可用于为燃气涡轮发动机10的电气装置或设置在结合有燃气涡轮发动机10的飞行器上的其它位置的部件供电。将电机60定位在燃气涡轮发动机10的后部66中可使电机60易于维护、修理和更换。电机60可以经由一组连接被集成到燃气涡轮发动机10中，这些连接可以被移除而无需侵入性地拆卸整个燃气涡轮发动机10，例如无需从飞行器的机翼移除燃气涡轮发动机10。
将电机60定位在后部66中提供了可接近性，但可能为燃气涡轮发动机10产生额外的设计考虑。经由核心区段24产生的排气可以处于相对较高的温度(例如，在各种实施例中超过大约700℃或更高)，这使得冷却电机60是有益的。此外，燃气涡轮发动机10的后部66可能不直接连接到包含燃气涡轮发动机10的飞行器(例如，燃气涡轮发动机10可以经由从外机舱52(图1)延伸的挂架连接到飞行器的机翼，外机舱52从核心区段24径向向外设置)。鉴于此，为了将经由电机60产生的电力提供给飞行器的其他部分，电力被导向通过燃气涡轮发动机10。
鉴于前述，电气系统62包括导向通过冷却系统64的连接组件70。连接组件70包括将电机60导电地连接到转换器72的多个电连接器73(例如，电力电缆)。例如，电机60可以从旋转的LP轴48中的机械能产生交流(“AC”)电力信号，该电力经由连接组件70被导向到转换器72(位于发动机的前部分中)。转换器72可以从AC电力信号产生DC电压以传送到飞行器上的其他位置(例如，经由电气通信总线)。转换器72和连接组件70的结构可以至少部分地取决于电机60的结构和能力而变化。例如，在各种实施例中，电机60可以产生具有任意数量相(例如，一相、两相、三相、四相等)的AC电力信号。连接组件70可以包括多组电连接器，每组电连接器包括与经由电机60产生的AC电力信号中的相数相对应的多个电连接器。连接组件70的电连接器的组数可以取决于实施方式而变化。在连接组件70中结合多个不同组电连接器可以提供电连接冗余，即使其中一组电连接器在操作期间发生故障，电连接冗余也有助于向转换器72提供AC电力信号。
冷却系统64将冷却空气从空气源导向到电机60，以将电机60维持在期望的温度范围内，尽管电机60被设置为靠近经由核心区段24产生的相对高温的排气。冷却系统64可包括与空气源流体连通的阀组件74(也见图6A)。在实施例中，阀组件74可以由控制器控制(例如，FADEC控制)或者阀组件74可以在发动机关闭期间或之后启动预设时间段。替代地，鼓风机可以基于电机或核心罩内其他地方附近的温度传感器操作一段时间。在启动鼓风机时(在关闭期间或之后)，阀组件74被打开并且冷却空气被吸入冷却系统64。冷却系统64还可以包括旁通管道76，其可用于绕过阀组件74。冷却鼓风机组件81可经由控制器控制以在阀组件74关闭的时间段期间操作。无论燃气涡轮发动机10的操作状态如何，都可以使用旁通管道76和冷却鼓风机组件81向电机60提供冷却空气。冷却鼓风机组件81可由飞行器或专供冷却鼓风机组件81使用的另一动力源提供动力。
冷却系统64可以包括多个不同的管道，该管道具有在燃气涡轮发动机10内的各个位置处在不同方向上延伸的结构。如图所示，冷却系统64包括主管道78、周向管道80和多个发电机冷却管道82。主管道78、周向管道80和多个发电机冷却管道82可设计成提供足够的空间以将连接组件70导向到电机60，同时减少对燃气涡轮发动机10的空气动力性能的影响。
阀组件74控制通过主管道78的气流。主管道78将冷却空气朝向电机60所在的后部66引导。周向管道80将冷却空气分成周向部分并且围绕涡轮后框架86的核心罩30在周向方向上引导冷却空气。在实施例中，多个发电机冷却管道82将冷却空气的每个周向部分分成经由涡轮后框架86的支柱88提供给电机60的冷却部分。在一些实施例中，冷却系统64包括四个发电机冷却管道82，其经由涡轮后框架86的四个单独支柱88向电机60提供冷却空气。应当注意的是，燃气涡轮发动机10的任何合适的现有结构都可以制成被构造为将冷却空气引导到期望位置的冷却管道。在实施例中，发电机冷却管道82延伸穿过支柱88进入与电机60流体连通的发电机联接器，以冷却电机60。每个发电机冷却管道82可附接到支柱88的外端90中的一个，以将冷却空气提供到由附接有发电机管道82的支柱88限定的内腔中。
连接组件70的电连接器73延伸穿过主管道78、周向管道80、多个发电机冷却管道82和涡轮后框架86的支柱88，以将转换器72导电地连接到电机60。在实施例中，电连接组件70的各组电连接器延伸穿过冷却系统64的管道的不同组合，以将电机60的不同部分(例如，终端)连接到转换器72。例如，电连接器的第一子集92可以被引导通过周向管道80的第一部分，并且电连接器的第二子集94可以被引导通过周向管道80的第二部分。电连接器的第一子集92和第二子集94可以被进一步划分，使得电连接器的基线组96被导向通过每个发电机管道82、通过支柱88中的一个并且进入发电机联接器，以电连接到电机60。
参考图3，示出了嵌入燃气涡轮发动机10的涡轮区段18内(特别是尾锥65中)的电机60。电机60通过发电机转子子组件100附接到第二轴48。电机60包括发电机转子子组件100和发电机定子子组件102。发电机转子子组件100包括固定地连接到发电机转子子组件100的转子支撑构件106的发电机转子104。转子支撑构件106包括外支撑部分108和内支撑部分110，外支撑部分108直接连接到发电机转子104，内支撑部分110使用连接器112连接到第二轴48并经由外支撑部分108间接连接到发电机转子104。外支撑部分108和内支撑部分110在接头113处相遇，在外支撑部分108和内支撑部分110之间形成等于或小于180度的角度。连接器112包括轴向部分114和径向部分116，轴向部分114直接连接到第二轴48，径向部分116从轴向部分114径向延伸，并且连接器112连接到转子支撑构件106的内支撑部分110。
连接器112可以可移除地安装到第二轴48。简要地参考图4，发电机转子组件100可以通过简单地移除尾锥65并在轴向方向上向后释放发电机转子子组件100而从第二轴48移除。甚至可以在不从飞机上移除燃气涡轮发动机10的情况下完成电机60的接近和移除。
返回参考图3，发电机定子子组件102包括发电机定子124，发电机定子124固定地连接到包括定子支撑构件126的连接歧管125和连接到连接歧管125的冷却歧管127。冷却歧管127连接到连接歧管125，在横截面中形成L形支撑结构，用于绕第二轴48支撑发电机定子124(图5)。定子支撑构件126包括轴向支撑构件132，发电机定子124位于轴向支撑构件132上，轴向支撑构件132包括多个冷却剂腔133，冷却剂腔133可以从液体冷却剂源接收冷却剂液体(例如油)，以控制在操作期间发电机定子124的温度。轴向支撑构件132在连接到安装凸缘138的安装凸片136处连接到连接歧管125的中间支撑构件134。冷却歧管127的中间支撑构件139连接到连接歧管125的中间支撑构件134。中间支撑构件134从形成冷却歧管127的端部的径向支撑构件135轴向延伸。径向支撑构件135在冷却歧管127的内支撑构件137和外支撑构件140之间径向延伸。
连接歧管125的定子支撑构件126包括定子连接结构129，定子连接结构129从安装凸缘138轴向延伸到夹紧构件142，夹紧构件142用于绕发电机定子124的后向部分夹紧。安装凸片136可用于将发电机定子子组件102连接到安装凸缘138，安装凸缘138连接到支撑结构145，支撑结构145是涡轮后框架86的一部分。安装凸片136还可以包括或形成用于绕发电机定子124的前向部分夹紧的夹紧构件150。可以提供轴承组件148，轴承组件148允许第二轴48相对于支撑结构145和发电机定子子组件102旋转，同时为支撑结构145和尾锥65提供径向支撑。
冷却歧管127还包括外支撑构件140和另一中间支撑构件152。外支撑构件140和中间支撑构件152都使用紧固件154(例如螺栓)连接到发电机联接器158，紧固件154也通过另一个紧固件156连接到尾锥65。隔热罩159限定外壳160，外壳160轴向和径向地绕电机60从发电机联接器158和冷却歧管127延伸。隔热罩159可由任何合适的材料(例如陶瓷、铝、钢等)形成。如本文所用，“隔热罩”是指在减少到电机的对流、传导和辐射热传递中的一个或多个中有效的结构。
在发动机操作期间，发电机转子104和发电机定子124一起操作以在第二轴48旋转时产生电力。在一些实施例中，发电机转子104包括绕发电机定子124周向分布的多个永磁体，使得发电机转子104绕发电机定子124的旋转产生AC电力信号。发电机定子124可以包括经由导体162导电地连接到电连接器164的多个绕组。电连接器164可由冷却歧管127支撑以与发电机联接器166连接。
电连接器164是被构造为在电联接到发电机定子124的电连接器164和电线170之间提供导电连接的电联接器。例如，电线170可以导向通过涡轮后框架86的支柱88中的一个。电连接器164可具有位于由冷却歧管127提供的连接腔174中的第一部分172和在冷却歧管127与发电机联接器166之间延伸的第二部分176。如下文将描述的，发电机联接器166可用于将冷却空气导向进入并通过外壳160，以从电机60移除热量。
简要地参考图1，从燃气涡轮发动机10移除电机60的过程可包括经由其铰接部分打开核心罩30以促进对涡轮后框架86的接近的步骤。由元件171表示的后蒙皮然后可以经由与核心罩30的螺栓连接被移除。然后可以经由螺栓连接移除尾锥65以使得电机60可接近。
再次参考图3，在移除尾锥65之后，然后可以通过移除紧固件154来移除隔热罩159，这也将冷却歧管127和连接歧管125的外端与涡轮后框架86分离。在移除外壳160之后，转子支撑构件106然后可以从第二轴48脱离以允许整个发电机转子子组件100从第二轴48移除，从而提供对发电机定子子组件102的接近。然后可移除将安装凸缘138联接到安装凸片136的紧固件，使得整个发电机定子子组件102(包括冷却歧管127和连接歧管125)能够在后方向上从燃气涡轮发动机10移除(例如，在从润滑系统向电机60供应油的油管线被移除之后)。因此，从燃气涡轮发动机10移除电机60可以以减少的步骤数量发生，而不会干扰燃气涡轮发动机10的除尾锥65和核心罩30之外的其他部件的任何机械联接。
电机60在燃气涡轮发动机10内定位和连接的方式有助于接近和移除电机60，而无需移除设置在涡轮后框架86前方或径向内侧的燃气涡轮发动机10的部件。当燃气涡轮发动机10设置在飞行器的机翼上时，以这种相对非侵入性方式接近电机60有利于电机60的各种部件的维护或更换，这减少了如果电机60需要维修飞行器可能无法使用的时间。此外，电机60连接到燃气涡轮发动机10的各种部件的方式提供了用于从燃气涡轮发动机10移除电机60的简化流程。
参考图6A，如上所述，燃气涡轮发动机10包括用于从电机60移除热量的冷却系统64。冷却系统64包括阀组件74，阀组件74控制来自空气源(例如来自压缩机区段16和/或风扇区段12)的冷却空气流。特别地，图6A示出了燃气涡轮发动机10的核心区段24的实施例，其中风扇区段12与核心区段24相邻。HP压缩机36包括多级旋转叶片和静止轮叶，它们都被压缩机壳180包围。
燃气涡轮发动机10可以可选地结合用于控制增压器失速裕度的可变排气阀(“VBV”)系统。VBV系统包括安装在风扇毂框架202内的一个或多个可变排气阀200。可变排气阀200在燃气涡轮发动机10的低功率操作期间(例如在怠速时)打开，用于排出一部分压缩空气。可变排气阀200可以在燃气涡轮发动机10的高功率操作时(例如在巡航或起飞期间)关闭，因为可能不需要排气。当可变排气阀200打开时，空气从增压器流动路径穿过风扇毂框架202并进入旁通管道，或更一般地进入外机舱52外部的旁通空间。在所示示例中，发动机10包括至少一个旁通管道206，其限定从风扇毂框架202到与旁通流动路径192连通的排气口204的气流路径。在一些实施例中，主管道78可以连通地连接到旁通管道206以从其接收冷却空气。在一些实施例中，主管道78可连接到压缩机区段16的上游位置以从其接收冷却空气。
冷却系统64包括可以连通地连接到旁通管道206的主管道78。提供旁通管道206以从风扇朝向旁通流动路径192抽取空气。抽取的空气可用作冷却空气，因为冷却空气的温度低于没有冷却空气的后部66中的操作温度。特别地，冷却空气可用于冷却尾锥65(图7)中的电机60。
发动机核心区段24被核心罩30围绕(包含在其中)，核心罩30限定旁通流动路径192的内侧边界，风扇旁通空气在该内侧边界上流动。所示的是管道式涡轮风扇，其包括风扇14或由外机舱52围绕的多个风扇中的一个，外机舱52与核心罩30间隔开并且限定旁通流动路径192的外侧边界。在该示例中，旁通流动路径192也可以被称为“风扇管道”。或者，在开式转子发动机的情况下，将不存在外机舱52并且旁通流动路径192将仅由核心罩30的外表面界定。核心罩30的内侧空间被称为“罩下空间”194。在实践中，罩下空间194可以例如通过通风口196(图1中示意性示出)通向周围的外部环境。出于本公开的目的，被称为发动机内部的事物是指位于由外机舱52或核心罩30(在诸如不存在外机舱52的开式转子发动机的情况下)包围的空间内的事物。
主管道78可以完全或至少部分地位于罩下空间194内。主管道78具有与旁通管道206流体连通的一个或多个入口，由元件209表示。在一些实施例中，主管道78的入口209直接连接到旁通流动路径192，连接或不连接到旁通管道206。主管道78还具有与周向管道80流体连通的出口，由元件210表示，周向管道80与多个发电机冷却管道82(图2)流体连通。
阀组件74可以并入主管道78内并且包括可操作以控制通过主管道78的气流的一个或多个阀。作为一个示例，阀组件74可以包括阀214，阀214可以是可控阀，可控阀包括可在打开和关闭构造之间移动的流动控制元件。在打开构造中，通过主管道78的气流被流动控制元件允许，而在关闭构造中，通过主管道78的气流被流动控制元件阻止。在一些实施例中，阀214可以具有可变中间构造，其允许将空气流调节到预定最小和最大流速之间的选定气流速率。作为示例，在正常发动机操作期间，阀214可以允许高达约100％的冷却空气总流动速率从旁通管道206通过主管道78，例如高达约70％，例如高达约50％，例如高达约25％，例如高达约10％，例如在约10％至约90％之间，例如在约30％至约70％之间。
旁通管道76可具有在阀组件74上游的位置处流体连接到主管道78的入口216。旁通管道76可具有出口218，出口218在阀组件74下游的位置处流体连接到主管道78。旁通管道76的入口216和出口218可以在阀组件74的相对侧，使得当阀214处于关闭构造时冷却气流可以绕过阀组件74。
旁通管道76包括在入口216和出口218之间的冷却鼓风机组件81。冷却鼓风机组件81可以是可操作以从入口216朝向出口218吹送、泵送或移动冷却气流的任何设备。用于操作冷却鼓风机组件81的动力源可以是机械的、液压的、气动的或电动的。例如，鼓风机转子可以联接到电动机。在一个示例中，电动机可以是AC感应电动机或DC电动机。电动机可利用由飞机提供的动力源，或可利用其自身的动力源，例如，在冷却鼓风机组件内部。此外，冷却鼓风机组件81的尺寸可设计成提供足够的排放压力和流动速率用于冷却电机60，这可以至少部分地取决于燃气涡轮发动机的尺寸。此外，可以控制冷却鼓风机组件81的速度以自动地和/或响应于用户输入改变空气速度。例如，由冷却鼓风机组件81提供的体积空气流动速率可以在约8.5m3/min(300cfm)至约28.3m3/min(1000cfm)之间的任何位置。
当燃气涡轮发动机10运行时，阀组件74处于打开构造并且鼓风机组件81处于非活动状态。旁通管道76被从旁通管道206和/或旁通流动路径192行进的冷却空气加压。冷却空气通过阀组件74进入周向管道80，然后通过发电机冷却管道82。图6A示出了转换器72位于旁通流动路径192中的实施例。图6B示出了转换器192位于机舱52中的另一个实施例。
图7示出了冷却空气226流过支柱88中的一个并在电线170旁边流动。冷却空气226可以从电线170移除热量，然后流入壳体228，壳体228也可以是发电机联接器166的壳体。在一些实施例中，壳体228和支柱88形成发电机冷却管道82的至少一部分。在一些实施例中，冷却管道82位于支柱88内。冷却空气226通过一对冷却空气出口230和232流出支柱88。冷却出口230和232可以在周向方向上绕第二轴48是连续的，或者可以包括绕第二轴48在周向方向上间隔开的多个出口。冷却空气出口230和232可以在径向方向上间隔开，冷却空气出口230定位成比冷却空气出口232更靠近外支撑构件140，并且冷却空气出口232定位成比冷却空气出口230更靠近内支撑构件137。应该注意的是，为了简单起见，图7仅表示仅通过尾锥65的径向部分的剖视图，并且可以有多组开口和绕尾锥65的圆周的气流。
冷却空气出口230和232的尺寸和布置可以设置为提供两个单独的流入空气路径234和236，它们通向电机60。径向支撑构件135可包括允许冷却空气流入冷却歧管127的开口，由元件238和240表示。支撑构件134、137、140和152形成冷却通道241和243并且可以将冷却空气引导到连接歧管125和外壳160中。冷却通道241和243可以绕第二轴48周向连续地或间断地延伸。一些冷却气流233可以被导向导体162和电连接器164。
冷却通道241和243的尺寸和形状、冷却鼓风机组件81的速度以及阀组件74的位置和设置可用于提供通过每个冷却通道241和243的总空气流的预选百分比。例如，沿流入空气路径234行进的总空气流(即，通过主管道78的流)的百分比可以不同于沿流入空气路径236行进的总流量的百分比。在其他示例中，沿流入空气路径234和236行进的空气流百分比可以大致相同。
流入空气路径234通过由元件246表示的开口设置在外支撑构件140和中间支撑构件152之间，并进入外壳160。流入空气路径236通过由元件248表示的开口设置在内支撑构件137和中间支撑构件134之间，并进入外壳160。流入气流路径234、236可具有大约相同或不同的横截面区域尺寸。流入气流路径234和236产生在位置A撞击电机60的端部绕组的前部分的空气流(例如，每个在总空气流的约5％至约50％之间，例如在约5％至约30％之间)。气流路径236的空气流在第一气流249和第二气流251之间分配，第一气流249在位置A撞击电机60的端部绕组(例如，在总空气流的约5％至约30％之间)，第二气流251位于发电机定子124的径向下方以在位置B撞击电机60的后绕组(例如，在总空气流的约30％至约70％之间)。
一旦进入外壳160，冷却空气也可以穿过发电机转子104和发电机定子124之间的间隙250，并从电机60移除热量，特别是从发电机转子子组件100的部件(例如磁体)移除热量。转子支撑构件106的内支撑部分110可以在发电机定子124和定子连接结构129的周围沿着内冷却气流路径252向前引导使用过的冷却空气。隔热罩159还可以在发电机转子104的周围向后引导使用过的冷却空气。如本文所用，术语“使用过的冷却空气”是指已从电机带走热量的冷却空气。使用过的冷却空气，即使已经从电机中移除了热量，仍可能具有足够低的温度以在电机60和排气之间提供热缓冲。
为此，发电机转子子组件100和外壳160的隔热罩159可以在外壳160内限定第一冷却气流路径256，第一冷却气流路径256向后流动并且至少部分地限定至少部分地绕电机60的第一冷却气流缓冲腔258。第一冷却气流路径256可包括总气流的约15％至约65％。此外，发电机定子子组件102和涡轮后框架86的转子支撑构件106限定外壳160外部的第二冷却气流路径260，第二冷却气流路径260向前流动然后竖直地沿涡轮后框架86流动并且通过由元件262表示的开口向后流动，通过发电机联接器158。通过凸缘和凸片136、138的一个或多个开口245可以控制沿第二冷却气流路径260的空气流量。在一些实施例中，涡轮后框架86可包括热毯，由至少部分地围绕外壳160的元件161表示。该热毯161可以进一步将电机60与涡轮区段内的温度隔离。在一些实施例中，还可以在尾锥65上提供热毯。第二冷却气流路径260可包括来自主管道64的总气流的约35％至约85％之间的。第二冷却气流路径260至少部分地限定至少部分地围绕外壳160的第二冷却气流缓冲腔264。第一冷却气流路径256和第二冷却气流路径260可以经由外壳160彼此流体连通。第一冷却气流路径256可通过隔热罩159中的开口270引出外壳160，而第二冷却气流路径260可沿着核心气流路径行进。路径256和260都可以遇到并流出尾锥65。
还参考图6A，当燃气涡轮发动机10关闭时，阀组件74被置于关闭构造并且鼓风机组件81被启动。在关闭时，回热可能开始发生，这可能会升高电机60的温度。“峰值回热温度”是指燃气涡轮发动机关闭之后电机60的最高温度。在一些实施例中，峰值回热温度可保持在低于约200℃。鼓风机组件81用于通过使用旁通管道206的冷却空气对旁通管道76加压。如上所述在燃气涡轮发动机10的操作期间，冷却空气穿过主管道78，进入周向管道80，然后通过发电机冷却管道82，从而形成第一和第二冷却气流缓冲腔258和264。
上述喷气涡轮发动机包括冷却系统，冷却系统帮助从电机(例如，发电机组件)移除热量并产生多个热障以减少电机上的外部热负载。任何合适的空气源都可以用于冷却，例如来自压缩机区段和/或来自涡轮风扇的旁通管道。冷却空气可由位于核心罩下方的主管道输送。旁通管道可以在相对端连接到主管道，以在阀组件关闭时允许冷却空气绕过阀组件。冷却鼓风机组件可以设置在由飞行器动力提供动力的旁通管道中，使得即使在燃气涡轮发动机停用时也可以将冷却空气输送到电机。这种旁通布置可以限制发动机关闭之后电机的温度升高。
如本文所用，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，对“一”部件的引用包括具有两个或更多个此类部件的方面，除非上下文另有明确指示。
范围在本文中可以表示为从“约”一个特定值和/或到“约”另一个特定值。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值表示为近似值时，通过使用先行词“约”，将理解特定值形成另一个实施例。将进一步理解，每个范围的端点相对于另一个端点而言是重要的，并且独立于另一个端点。术语“约”可以包括在特定值的百分之十以内(例如在特定值的百分之五以内，例如在特定值的百分之二以内，例如在特定值的百分之一以内)的任何值。
如本文所用的方向术语(例如上、下、右、左、前、后、顶部、底部、上方、下方)仅参考所绘制的图而作出，并不旨在暗示绝对取向，除非另有明确说明。术语“轴向”和“纵向”均指平行于燃气涡轮发动机中心线的方向，而“径向”指与纵向方向垂直的方向。术语“切向”和“周向”是指相互垂直于径向和纵向方向的方向。术语“向前”或“前”是指在操作期间穿过或围绕部件的气流的上游位置，而术语“向后”或“后”是指在操作期间下游的位置。这些方向性术语仅用于描述的方便，并且也不需要由此描述的结构的特定取向。
除非另有明确说明，否则本文中阐述的任何方法绝不旨在被解释为要求其步骤以特定顺序执行，也绝不旨在要求任何设备特定取向。因此，在任何方面，如果方法权利要求实际上没有叙述其步骤所遵循的顺序，或者任何设备权利要求实际上没有叙述单个部件的顺序或取向，或者在权利要求或说明书中没有另外具体说明步骤被限于特定顺序，或者没有叙述设备部件的特定顺序或取向，决不旨在推断出顺序或取向。这适用于任何可能的非明确解释基础，包括：与步骤安排、操作流程、部件顺序或部件取向有关的逻辑问题；源自语法组织或标点符号的简单含义；以及说明书中描述的实施例的数量或类型。
进一步的方面由以下条项中的主题提供：
1.一种燃气涡轮发动机，包括：风扇，所述风扇位于所述燃气涡轮发动机的前部；以串行流动顺序布置的压缩机区段和涡轮区段，所述压缩机区段和所述涡轮区段一起限定核心气流路径；旋转构件，所述旋转构件能够与所述压缩机区段的至少一部分和所述涡轮区段的至少一部分一起旋转；电机，所述电机联接到所述旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于所述核心气流路径的内侧；外壳，所述外壳至少部分地包围所述电机，所述外壳至少部分地限定所述外壳内的第一冷却气流路径，所述第一冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕所述电机的第一冷却气流缓冲腔，所述第一冷却气流路径与位于所述外壳外部的第二冷却气流路径连通，所述第二冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕所述外壳的第二冷却气流缓冲腔；以及冷却管道，所述冷却管道向所述第一冷却气流路径提供加压空气，使得所述空气沿提供所述第一冷却气流缓冲腔和所述第二冷却气流缓冲腔的所述第一冷却气流路径和所述第二冷却气流路径两者流动。
2.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却管道与包括所述风扇或所述压缩机区段或所述风扇和所述压缩机区段两者的空气源连通。
3.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却管道与包括冷却鼓风机组件的空气源连通，所述冷却鼓风机组件位于所述电机前方。
4.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，包括尾锥，其中所述电机位于所述尾锥中。
5.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述外壳至少部分地由至少部分地绕所述电机延伸的隔热罩限定。
6.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述电机包括：发电机转子子组件，所述发电机转子子组件包括发电机转子和连接到所述发电机转子的转子支撑构件，所述转子支撑构件安装到所述旋转构件，使得所述发电机转子与所述旋转构件一起旋转；以及发电机定子子组件，所述发电机定子子组件包括连接到歧管的发电机定子，所述歧管连接到涡轮后框架的支撑结构。
7.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中热毯覆盖所述涡轮后框架或尾锥或所述涡轮后框架和所述尾锥两者的表面，所述电机位于所述尾锥中。
8.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一冷却气流路径设置在所述发电机转子子组件和所述隔热罩之间。
9.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述第二冷却气流路径设置在所述隔热罩和尾锥之间。
10.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却管道与主管道连通，所述主管道与风扇旁通管道或所述压缩机区段或所述风扇旁通管道和所述压缩机区段两者连通。
11.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括与所述主管道连通的具有相对端的冷却空气旁通管道，所述冷却空气旁通管道包括冷却鼓风机组件。
12.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括连接到所述主管道的阀组件，所述阀组件具有允许冷却气流经由所述阀组件通过所述主管道的打开构造和禁止冷却气流经由所述阀组件通过所述主管道的关闭构造。
13.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阀组件包括位于所述冷却空气旁通管道的所述相对端之间的阀。
14.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却鼓风机组件位于罩下空间内。
15.一种燃气涡轮发动机，包括：风扇，所述风扇位于所述燃气涡轮发动机的前部；以串行流动顺序布置的压缩机区段和涡轮区段，所述压缩机区段和所述涡轮区段一起限定核心气流路径；旋转构件，所述旋转构件可与所述压缩机区段的至少一部分和所述涡轮区段的至少一部分一起旋转；电机，所述电机联接到所述旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于所述核心气流路径的内侧；外壳，所述外壳至少部分地包围所述电机，所述外壳至少部分地限定所述外壳内的冷却气流路径；以及冷却管道，所述冷却管道与位于罩下空间中的冷却鼓风机组件连通，所述冷却管道与所述冷却气流路径连通，使得空气沿所述冷却气流路径流动。
16.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却鼓风机组件从飞行器或专用于所述冷却鼓风机组件的动力源接收动力。
17.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却管道与从所述冷却鼓风机组件接收空气的主管道连通，所述主管道与风扇旁通管道或所述压缩机区段或所述风扇旁通管道和所述压缩机区段两者连通。
18.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括与所述主管道连通的具有相对端的冷却空气旁通管道，所述旁通管道包括冷却鼓风机组件。
19.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括连接到所述主管道的阀组件，所述阀组件具有允许冷却气流经由所述阀组件通过所述主管道的打开构造和禁止冷却气流经由所述阀组件通过所述主管道的关闭构造。
20.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阀组件包括位于所述旁通管道的所述相对端之间的阀。
21.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括一个或多个控制器，所述一个或多个控制器在所述燃气涡轮发动机停用时关闭所述阀并启动所述冷却鼓风机组件，使得气流通过所述旁通管道。
22.根据任何前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却管道向多个出口提供空气，所述多个出口在所述外壳内提供多个冷却气流路径。
23.一种方法，包括：使用燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：风扇，所述风扇位于所述燃气涡轮发动机的前部；以串行流动顺序布置的压缩机区段和涡轮区段，所述压缩机区段和所述涡轮区段一起限定核心气流路径；旋转构件，所述旋转构件能够与所述压缩机区段的至少一部分和所述涡轮区段的至少一部分一起旋转；电机，所述电机联接到所述旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于所述核心气流路径的内侧；并且当所述燃气涡轮发动机关闭时，使用位于所述燃气涡轮发动机内部的冷却鼓风机组件来控制所述电机的温度。
24.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括使用所述冷却鼓风机组件将所述电机的峰值回热温度维持在小于约200℃。
25.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括启动所述冷却鼓风机组件长达两个小时。
26.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括启动所述冷却鼓风机组件超过三十分钟。
27.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括启动所述冷却鼓风机组件长达一个小时。
28.根据任何前述条项所述的方法，其中所述电机位于至少部分地由至少部分地包围所述电机的隔热罩形成的外壳中，所述外壳至少部分地限定所述外壳内的冷却气流路径，所述方法进一步包括将所述冷却气流路径划分成多个冷却气流路径。
29.根据任何前述条项所述的方法，其中划分所述冷却气流路径的步骤包括提供具有总气流的第一百分比的第一冷却气流路径和具有总气流的第二百分比的第二冷却气流路径，所述总气流的第二百分比与所述总气流的第一百分比相同或不同。
30.根据任何前述条项所述的方法，其中冷却管道通过主管道与所述冷却鼓风机组件连通，所述冷却管道与所述冷却气流路径连通，使得所述空气沿所述冷却气流路径流动。
31.根据任何前述条项所述的方法，其中所述主管道与风扇旁通管道连通，所述风扇旁通管道与风扇旁通流动路径连通，所述方法进一步包括仅引导从所述风扇旁通管道流过所述风扇旁通管道的冷却空气的一部分通过所述主管道。
32.根据任何前述条项所述的方法，其中所述主管道与风扇旁通流动路径连通。
33.一种方法，包括：使用包括核心整流罩、下罩空间和与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机的发动机；操作所述发动机；关闭所述发动机；以及在发动机关闭之后或期间，操作设置在所述下罩空间中的鼓风机，其中由所述鼓风机产生的强制空气穿过至少一个冷却管道，所述冷却管道包括位于电机附近的端部以将由所述鼓风机产生的冷却空气提供到所述电机。
34.根据任何前述条项所述的方法，其中在关闭之后操作所述鼓风机一段时间，以维持所述电机的峰值回热温度小于约200℃。
35.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括启动所述鼓风机长达两个小时。
36.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括启动所述鼓风机超过三十分钟。
37.根据任何前述条项所述的方法，进一步包括启动所述鼓风机长达一个小时。
38.根据任何前述条项所述的方法，其中所述管道的所述端部联接到至少部分地包围所述电机的外壳。
39.根据任何前述条项所述的方法，其中所述发动机包括旁通管道，所述方法进一步包括打开通向所述旁通管道的阀，从而将所述鼓风机置于与所述旁通管道流体连通。
40.根据任何前述条项所述的方法，其中所述旁通管道是风扇旁通管道。
对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下，可以对本文描述的实施例进行各种修改和变化。因此，本说明书旨在涵盖本文描述的各种实施例的修改和变化，前提是这些修改和变化落入所附权利要求及其等同物的范围内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：
风扇，所述风扇位于所述燃气涡轮发动机的前部；
以串行流动顺序布置的压缩机区段和涡轮区段，所述压缩机区段和所述涡轮区段一起限定核心气流路径；
旋转构件，所述旋转构件能够与所述压缩机区段的至少一部分和所述涡轮区段的至少一部分一起旋转；
电机，所述电机联接到所述旋转构件并且在径向方向上至少部分地位于所述核心气流路径的内侧；
外壳，所述外壳至少部分地包围所述电机，所述外壳至少部分地限定所述外壳内的第一冷却气流路径，所述第一冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕所述电机的第一冷却气流缓冲腔，所述第一冷却气流路径与位于所述外壳外部的第二冷却气流路径连通，所述第二冷却气流路径至少部分地限定至少部分地围绕所述外壳的第二冷却气流缓冲腔；以及
冷却管道，所述冷却管道向所述第一冷却气流路径提供加压空气，使得所述空气沿提供所述第一冷却气流缓冲腔和所述第二冷却气流缓冲腔的所述第一冷却气流路径和所述第二冷却气流路径两者流动。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述冷却管道与包括所述风扇的空气源连通。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述冷却管道与包括冷却鼓风机组件的空气源连通，所述冷却鼓风机组件与位于所述电机前方的所述风扇不同。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，包括尾锥，其中所述电机位于所述尾锥中。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述外壳至少部分地由至少部分地绕所述电机延伸的隔热罩限定。
6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述电机包括：
发电机转子子组件，所述发电机转子子组件包括发电机转子和连接到所述发电机转子的转子支撑构件，所述转子支撑构件安装到所述旋转构件，使得所述发电机转子与所述旋转构件一起旋转；以及
发电机定子子组件，所述发电机定子子组件包括连接到歧管的发电机定子，所述歧管连接到涡轮后框架的支撑结构。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中热毯覆盖所述涡轮后框架或尾锥，或所述涡轮后框架和所述尾锥两者的表面，所述电机位于所述尾锥中。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第一冷却气流路径设置在所述发电机转子子组件和所述隔热罩之间，并且所述第二冷却气流路径设置在所述隔热罩和尾锥之间。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述冷却管道与主管道连通，所述主管道与风扇旁通管道连通，其中具有相对端的冷却空气旁通管道与所述主管道连通，所述冷却空气旁通管道包括冷却鼓风机组件。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括连接到所述主管道的阀组件，所述阀组件具有允许冷却气流经由所述阀组件通过所述主管道的打开构造和禁止冷却气流经由所述阀组件通过所述主管道的关闭构造。
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