CN102689691B - 能够悬浮的飞行器 - Google Patents
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Abstract
一种能够悬浮的飞行器(1)，包括：驱动装置(7)；和至少一个排气管(8、8′)，连接到驱动装置(7)的出口，以从飞行器排放由燃料燃烧产生的废气。排气管(8、8′)的至少部分具有热电转化回路(15)，用来通过塞贝克效应将排气管(8，8′)内外部之间由于所述废气的流动而产生的温度梯度转化为电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够悬浮的飞行器，特别是一种直升飞行器(直升机)(以下仅仅通过实例来进行描述)或者一种可以垂直升降的飞行器。
背景技术
众所周知，最小化燃料消耗和减少CO2的排放是直升机工业的一个大问题。
在该领域的研究也主要集中于提高飞行安全、扩展燃料航程以执行远程任务、以及显著提高速度和加速性能，特别是在严酷飞行条件(如高海拔飞行)下的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够悬浮的飞行器，设计通过简单、低成本的方法去实现上述目的中的至少一个。
根据本发明，提供了一种能够悬浮的飞行器，其包括驱动装置；和至少一个排气管，其连接到所述驱动装置的出口以从飞行器排放燃料燃烧产生的废气，该飞行器的特点在于，所述排气管的至少部分包括热电转换回路，以通过塞贝克效应将排气管内外部(内外侧)之间由于所述废气的流动而产生的温度梯度转化为电能。
附图说明
将通过结合相关附图举例的方式对本发明优选的、非限制性的实施例进行描述，附图中：
图1示出了根据本发明的教导的直升机的透视图，为清除起见将相关部件移除。
图2示出了图1所示直升机的排气管的放大透视图，其配备有用于产生电能的热电模块，为清楚起见将相关部件移除。
图3示出了图2所示排气管的热电模块的放大分解视图。
图4示出了将图2和3所示热电模块产生的电能提供给直升机的电气负载的框图。
图5示出了图2所示的排气管的轴向截面放大图。
图6示出了图5所示排气管的一个变型的轴向截面放大图。
具体实施方式
图1中的标号1所示为整个直升机，其基本上包括：机身2，容纳全体机务人员和机上设备；主旋翼3，安装在机身2的中央部分的顶部4上，并且其绕着轴线A旋转以撑住(sustain)直升机1；以及尾旋翼5，其被安装在从机身2的后端部凸出的尾鳍6上，并且绕着与轴线A交叉的轴线B进行旋转。
直升机1也包括位于机身2顶部中心部分的已知的驱动装置7(仅示意性示出)，该装置用来通过没有示出的对应的传动方式来驱动尾旋翼5和主旋翼3。
直升机1包括两个排气管8(只有一个在图1中示出)，其连接到驱动装置7的对应出口，用以从直升机1中排出由燃料燃烧产生的废气。
如图1所示，除了将废气排到大气中的端部之外，排气管8在相应的凹部(bay)9(在图1中只有一个被示出)中延伸，该凹部形成于机身2的顶部4中，并且通过由向前飞行产生的外部气流或者甚至简单地通过主旋翼3的运动而产生的外部气流进行通风。
排气管8是相同的，为了简化起见仅仅描述其中之一。
如图2和5所示，排气管8有一个纵轴线E，并且包括：进气部10，与驱动装置7的对应出口相连；中间部11，其中，进行第一废气冷却阶段；和排气部12，将完全冷却的废气从所述排气部排到大气中。
排气管8的至少中间部11有利地包括热电转换回路15，用于基于塞贝克效应将在排气管8的内外部之间由于废气流动而产生的温度梯度转换成电能。
排气管8包括用于将外部气流部分地导入排气管8中的两个空气入口13。
空气入口13形成于排气管8的中间部11的入口，靠近进口部10；详细来说，空气入口13被设置在热电转换回路15的相对于废气在排气管8中流动的方向的上游。
空气入口13相对于排气管8的轴线E倾斜并且沿着废气流动方向朝向所述轴线E汇集，使得外部气流和废气混合并且在热电回路15中局部降低该废气的温度。
由于空气入口的倾斜，空气入口13将外部气流沿着与废气相同的流向传导进入排气管8，使得同废气进行混合且不妨碍其前进并局部降低其温度。实际上，空气入口13通过低成本和直接方式实现了作用于热电转换回路15上的温度梯度的有效控制，并防止热电转换回路15的最大工作温度过高。
如图2、3和5所示，热电转换回路15包括串并联网络的热电模块16，当驱动装置7工作时，该串并联网络的热电模块经历温度梯度。
如图3所示，每个热电模块16包括多个半导体结电池(semiconductorjunctioncell)20，其固定在优选为陶瓷的基板21上。
更具体地，电池20分为P型和N型，被固定于两个陶瓷板22之间，或许由例如碲化铋制成。
每个热电模块16还包括电连接装置23，以同其它的热电模块16以及直升机1的电气系统相连接。
在本发明图5所示的实施例中，热电模块16被固定于排气管8的壁24的对应于中间部11的一部分的外侧。
更具体地，壁24覆盖有绝热材料层25，热电模块16固定于绝热材料层上(如粘上)。换句话说，绝热材料层25被置于壁24和热电模块16之间。
选择绝热材料层25的厚度和热传导性，使得当直升机1飞行时，热电模块16所经受的排气管8内部的温度不会超过模块16的最大工作温度。
如图5所示，热电模块16在外侧覆盖有散热装置26，所述的外侧即为绝热材料层25的相对侧，散热装置26由例如铝合金或者基于石墨烯的材料制成。
所述结构确保了，热电模块16经历所期望的温度梯度，也就是，在模块16的同散热装置26相接触的外侧和模块16的同绝热材料层25相接触的内侧之间所期望的温差。
在本发明优选的实施例中，热电模块16被分组，每组包括给定数量的串联模块16，串联连接的模块16的数量是通过将直升机1的电气系统的电压VO(正常为28Vdc)除以每个模块16的供应电压VM而得出的。
如此计算出的成组的模块16进而彼此平行连接，以使热电回路15的总电阻降到最小。
图4示意性示出了热电模块16如何在直升机1上使用。
更具体地说，热电模块16通过DC/DC转换单元27和分布单元28而与直升机1上的多个电气负载C相连。
在所示的解决方案中，电气负载C由直升机1的主电池和辅电池以及不涉及安全性的非关键任务负载所限定，不涉及安全性的非关键任务负载例如辅助收音机、视频下行传输、视频照相机、辅助显示器、探照灯、绞盘等。
转换单元27稳定施加于电气负载C上的电压，以防止由于温度变化导致热电模块16的电压的显著波动。
转换单元27的输入阻抗优选为可调的，例如，根据热电模块16的温度进行调节，也就是通过向热电模块16提供热电偶；转换单元27将从热电模块16传送到电气负载C的能量最大化，并确保与负载C兼容的输出电压最小。
分布单元28包括多个开关29，用来将相应的电气负载C选择性连接到转换单元27。
通过分布单元28(也就是开关29的闭合)提供到电气负载C的电能被控制单元30根据可用电能和直升机的工作形态而控制。
控制单元30根据转换单元27发出的相关信号或者内部算法(无需内部检测)来计算可用电能。
控制单元30的作用如下：
-监控能量连接和直升机1的电池的充电状况；
-在需要时对电池进行充电；
-控制开关；
-断开对于不需要的电气负载的供电；以及
-诊断直升机1的电气负载C和发电机的故障。
图6中的标号8′表示根据本发明的变型的排气管整体，示出了其部件，在可能的情况下，使用了与已经描述的排气管8的相应或等同部件相同的附图标记。
在这种情形下，热电模块16整体地限定了排气管8′的壁24的位于中间部11的至少一部分。
热电模块16彼此机械地连接并且连接至壁24的其余部位。
通过上述描述，根据本发明的直升机1的优点将是清楚的。
特别地，所述的解决方案用来将在废气中损失的部分热能转换成为电能。
如所述的那样，从废气中收集的电能被直接用于给直升机的主辅电池充电和给直升机的其他电气负载C供电，所以减少了驱动装置7的能量输出。事实上，在现有技术的所知解决方案中，直升机1的主电池和辅电池以及电气负载C是通过连接到驱动装置7的相应发动机提供电能的。
直接将热电模块16连接到直升机1的电池和其他电气负载C，明显节省了燃料、增加航程，以及减少有害物质的排放，特别是CO2。
因为减轻了给电池充电和给其他电气负载C供电的工作，正常安装于直升机1上的发电机可以缩小型号以减少重量和体积。
相似地，由于电池在所有飞行条件(例行和紧急)下被恒定充电，所以电池可以相对于传统解决方案而缩小型号，且不再受制于保障规则(certificationregulations)，其要求具有充足储备电能，以便在紧急条件下为关键电气负载供电至少30分钟。
所有上述减重可使燃料进一步节省(通过减少直升机的总重量)。
在所有飞行条件下的额外的塞贝克效应电能还为在高海拔或低地面条件下的电能限制提供了解决方案。
另一个重要优点是在两个发动机都失灵时具有的安全性，通过热电回路15形成额外电源，为直升机1上的关键电气负载提供电能。
所述创新解决方案还具有的优点是，增加冷却盈余(margin)，从而减少排气管8，8′中的热应力。
所述和所图解的解决方案还具有延长的工作寿命，且无需使用旋转部件、不要求特别维护。
最后，通过将排气管8，8′中的热转化成为电能，所述系统减少了直升机1的热轨迹，这在军事上具有重要优点。
显然，在不背离所附权利要求所限定的保护范围的情况下，对所述和所图解的直升机1能够作各种变化。
特别地，同“初级”模块相对，热电模块16可以被改进为“超级模块”，每个都定义有电气子网以增加每个模块的电量输出。
另外，散热装置26可以被整合到排气管8，8′的结构装配中。
Claims (11)
1.一种能够悬浮的飞行器(1)，包括：驱动装置(7)；和至少一个排气管(8,8')，连接到所述驱动装置(7)的出口，以从所述飞行器排放由燃料燃烧所产生的废气，其中，
所述排气管(8,8')的至少部分包括热电转化回路(15)，用来通过塞贝克效应将排气管(8,8')的内外部之间由于所述废气的流动产生的温度梯度转化为电能，其中所述排气管(8,8')包括用于将外部飞行气流导入所述排气管(8，8')中的至少一个空气入口(13)，其特征在于：
所述空气入口(13)设置在所述热电转化回路(15)的相对于废气在所述排气管(8，8')中流动的方向的上游，以及
所述空气入口(13)相对于所述排气管(8，8')的轴线(E)倾斜，并沿着所述废气的流动方向朝向所述轴线(E)汇集，以使外部气流与所述废气混合并在所述热电转化回路(15)处局部地降低所述废气的温度。
2.根据权利要求1所述的飞行器，其中，所述热电转化回路(15)包括经历所述温度梯度的热电模块(16)的串并联网络。
3.根据权利要求2所述的飞行器，其中，每个所述热电模块(16)包括固定在基板(21)上的多个半导体结电池(20)。
4.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述排气管(8')包括限定用于所述废气的通道的壁(24)；并且所述热电模块(16)限定所述壁(24)的至少部分。
5.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述排气管(8)包括限定用于所述废气的通道的壁(24)；并且所述热电模块(16)固定于所述壁(24)外侧。
6.根据权利要求5所述的飞行器，其中，绝热材料层(25)置于每个所述热电模块(16)与固定有所述热电模块(16)的所述壁(24)之间。
7.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述排气管(8，8')包括固定于所述热电模块(16)的外侧的散热装置(26)。
8.根据权利要求2所述的飞行器，其中，所述热电模块(16)被分组，每组包括预定数量的串联的热电模块(16)；所述热电模块(16)的组彼此并联连接。
9.根据权利要求2所述的飞行器，进一步包括：多个电气负载(C)；以及DC/DC转化单元(27)，所述DC/DC转化单元(27)将所述热电模块(16)连接到所述电气负载(C)，并且稳定施加至所述电气负载(C)的电压。
10.根据权利要求9所述的飞行器，进一步包括多个开关(29)，用于将所述电气负载(C)选择性地连接到所述转化单元(27)；以及控制单元(30)，用于根据可用电能和所述飞行器(1)的工作形态来开启/闭合所述开关(29)。
11.根据权利要求9或10所述的飞行器，其中，所述电气负载(C)包括所述飞行器(1)的电池。
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