CN105993118A - 用于航空器的发电机 - Google Patents

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CN105993118A CN201380081219.2A CN201380081219A CN105993118A CN 105993118 A CN105993118 A CN 105993118A CN 201380081219 A CN201380081219 A CN 201380081219A CN 105993118 A CN105993118 A CN 105993118A
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Abstract

用于航空器的发电机包括：燃气涡轮发动机，其具有限定排气腔体的排气区段，燃烧排气通过排气腔体沿限定排气向量的方向排出；以及磁流体动力发电机，其具有形成磁场的磁场发生器，磁场具有垂直于排气向量的至少一些磁场线，并且磁流体动力发电机具有相对于排气区段而布置的至少一个电极对，其包括至少一个正电极和至少一个负电极，其中携带在排气中的带电粒子的沿着排气向量的移动在至少一个电极对处产生DC功率输出。

Description

用于航空器的发电机
背景技术
涡轮发动机且特别是燃气涡轮发动机还称为燃烧涡轮发动机，其为旋转发动机，旋转发动机从通过发动机传送到多个涡轮叶片上的燃烧气体流抽取能量。燃气涡轮发动机一直用于陆地和海上移动和功率产生，但是最普遍用于航空应用，诸如用于飞机，包括直升飞机。在航空器中，燃气涡轮发动机用于航空器的推进。
燃气涡轮发动机还通常提供功率用于多个不同的附件，诸如发电机、起动器/发电机、永磁体交流发电机(PMA)、燃料泵和液压泵，例如，在航空器上需要的用于推进之外的功能的装备。在航空器中，燃气涡轮发动机典型地提供机械功率，发电机将该机械功率变换成对附件提供功率所需要的电能。
发明内容
一种用于航空器的发电机包括：燃气涡轮发动机，其具有限定排气腔体的排气区段，燃烧排气通过排气腔体沿限定排气向量的方向排出；以及磁流体动力发电机，其具有形成磁场的磁场发生器，磁场具有垂直于排气向量的至少一些磁场线，并且磁流体动力发电机具有相对于排气区段而布置的至少一个电极对，其包括至少一个正电极和至少一个负电极，其中携带在排气中的带电粒子沿着排气向量的移动在至少一个电极对处产生DC功率输出。
附图说明
在图中：
图1为根据本发明的第一实施例的用于航空器的燃气涡轮发动机的示意性横截面图，其具有磁流体动力发电机。
图2为根据本发明的第一实施例的沿着图1的线2-2得到的局部截面图，其显示磁流体动力发电机的轴向组装。
图3为根据本发明的第一实施例的示意图，其相对于磁流体动力发电机的电极位置示出磁场线和粒子流。
图4为根据本发明的第二实施例的示意图，其相对于磁流体动力发电机的电极位置示出磁场线和粒子流。
图5为根据本发明的第三实施例的示意图，其相对于磁流体动力发电机的电极位置示出磁场线和粒子流。
图6为根据本发明的第四实施例的示意图，其相对于磁流体动力发电机的电极位置示出磁场线和粒子流。
图7为根据本发明的第五实施例的示意图，其相对于磁流体动力发电机的电极位置示出磁场线和粒子流。
具体实施方式
本发明的描述的实施例涉及从航空器发动机的功率抽取，并且更具体而言涉及电功率系统结构，其使得能够从涡轮发动机，优选燃气涡轮发动机产生电功率。但是，将理解，本发明不限于此，并且大体应用于非航空应用中的电功率系统结构，诸如其它移动应用以及非移动工业、商业和住宅应用。
图1为用于航空器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图，航空器具有磁流体动力(MHD)发电机38。发动机10包括处于下游串联流关系的风扇区段12、压缩机区段15、燃烧区段20、涡轮区段21和排气区段25。风扇区段12包括风扇14，并且压缩机区段15包括增压器或低压(LP)压缩机16、高压(HP)压缩机18。涡轮区段21包括HP涡轮22和LP涡轮24。发动机10可进一步包括将HP涡轮22传动地连接到HP压缩机18的HP轴或轴杆26，以及将LP涡轮24传动地连接到LP压缩机16和风扇14的LP轴或轴杆28。HP涡轮22包括HP涡轮转子30，其具有安装在转子30的周缘处的涡轮叶片32。叶片32从叶片平台34沿径向向外延伸到径向外叶片尖部36。
排气区段25可包括排气喷嘴40和MHD发电机38，排气喷嘴40可进一步包括内表面48和外表面50。排气喷嘴40的内表面48限定排气腔体41。MHD发电机包括磁场产生设备，例如，至少一个可激励螺线管42、电磁体或永磁体，以及至少一个正电极44和至少一个负电极46，它们限定电极对。如显示的那样，螺线管42可由排气喷嘴40的外表面50可操作地支承和/或与排气喷嘴40的外表面50联接，而电极44、46可由喷嘴40的内表面48可操作地支承和/或与喷嘴40的内表面48联接。电极44、46沿着排气喷嘴40的轴向长度构造，并且显示为定位在喷嘴40的下游后部。设想到备选构造，其中螺线管42和/或电极44、46的任何组合由排气喷嘴40的内或外表面48、50支承和/或与排气喷嘴40的内或外表面48、50联接。设想到其它备选构造；其中，螺线管42和/或电极44、46由备选结构元件支承和/或与备选结构元件联接。
燃气涡轮发动机10运行成使得风扇14的旋转将空气吸入HP压缩机18，HP压缩机18压缩空气且将压缩空气输送到燃烧区段20。在燃烧区段20中，压缩空气与例如可包括带电粒子的燃料混合，并且空气/燃料混合物被点燃、膨胀且产生高温排气。可仍然包括带电粒子的发动机排气向下游经过，传送通过HP和LP涡轮22、24，产生机械力用于驱动相应的HP和LP轴杆26、28，其中排气最终从发动机10的后部沿排气向量52指示的方向排出到排气腔体41中。如显示，排气喷嘴40、排气腔体41和排气向量52沿着基本类似轴向方向延伸。另外，带电粒子可备选地或另外通过备选构件引入排气腔体41中，例如，通过喷射喷嘴或排气环。
图2从沿着排气喷嘴40的轴向透视示出MHD发电机38。如显示，正电极44沿着排气喷嘴40的第一径向节段54的至少一部分延伸，并且负电极46沿着喷嘴40的第二径向节段56的至少一部分延伸。另外，虽然电极44、46显示为相对于排气腔体41位于沿竖向对准的彼此相反的侧44、46，但是设想到备选构造，其中相反的电极44、46相对于竖向或水平轴线对准或偏移。还设想到本发明的实施例，其中螺线管42相对于竖向或水平轴线对准或偏移。
图3从透视图示出MHD发电机38的运行。在运行期间，螺线管42被激励，以产生通过排气腔体41的磁场58，磁场58将基本垂直于排气向量52。随着携带在热排气中的带电粒子沿着排气向量52相对于磁场58行进和/或行进通过磁场58，磁场58相应地将粒子吸引或排斥向相应的电极44、46，并且跨越电极对44、46而产生DC电压输出60。在最基本的描述中，MHD发电机38通过使导体(排气的带电粒子)移动通过磁场58来运行，以从排气的热能和动能(总称为，来自排气的焓)产生电流。因为产生的电流的量在数学上与排气中的带电粒子的量相关，所以添加剂或离子材料，诸如碳粒子或碳酸钾可例如包括在燃料或燃烧中，以增大特定电压输出60，减小特定电压输出60和/或使特定电压输出60以功率应用为目标。设想到额外的添加剂和离子材料。在产生电压输出60之后，离开排气腔体41的排气将具有更低温度，并且因此，具有更高气体密度。更高气体密度导致更高排气质量流率，并且当与排气速度52耦合时，导致发动机推进效率增加。
电压输出60可例如提供功率给电联接的DC负载、航空器功率系统，或可进一步与转换器/变换器联接，转换器/变换器可改变电压输出60。修改电压输出60的示例可包括将输出60变换成例如270 VDC，或将输出60转换成AC功率输出，其可进一步供应到AC负载。
设想到电极44、46的备选构造，例如，其中电极44、46定位在排气区段25的更上游或下游。还设想到电极44、46和螺线管42的另外的构造，使得正和负电极44、46的位置反过来，和/或螺线管42构造成产生与显示的相反的磁场58。
图4示出根据本发明的第二实施例的备选MHD发电机138。第二实施例类似于第一实施例；因此，相同部件以增加了100的相同标号来表示，要理解，第一实施例的相同部件的描述适用于第二实施例，除非另外阐述。第一实施例和第二实施例之间的差异在于，MHD发电机138包括第二组正和负电极170、172，其沿着排气喷嘴40沿轴向定位，使得在MHD发电机138的运行期间第二对电极170、172产生第二电压输出174。备选地，设想到，各个电极对44、46、170、172可彼此沿轴向偏移和/或可电串联连接，以产生更大的单个电压输出。另外，设想到，各个电极对44、46、170、172可具有与一个或多个其它电极44、46、170、172不同的物理构造(例如更长、更短和/或径向节段)。可包括额外的电极对以产生需要的任何数量的不同的电压输出。
图5示出根据本发明的第三实施例的备选MHD发电机238。第三实施例类似于第一和第二实施例；因此，相同部件以增加了200的相同标号来表示，要理解，第一和第二实施例的相同部件的描述适用于第三实施例，除非另外阐述。第三实施例的差异在于，与第一实施例中相比，MHD发电机238的正电极244、270各自沿着排气喷嘴40的第一径向节段254的更大的环状部分延伸，并且与第一实施例中相比，负电极246、272各自沿着喷嘴40的第二径向节段256的更大的环状部分延伸。另外，电极272、270、246、244中的各个通过导体280电串联连接，导体280可沿着内表面48、外表面50延伸，或与排气喷嘴40集成，使得MHD发电机238产生单个电压输出260。设想到各个电极244、246、270、272可具有与一个或多个其它电极244、246、270、272不同的物理构造(例如更长、更短和/或径向节段254、256)。
图6示出根据本发明的第四实施例的备选MHD发电机338。第四实施例类似于第一、第二和第三实施例；因此，相同部件将以增加了300的相同标号来表示，要理解，第一、第二和第三实施例的相同部件的描述适用于第四实施例，除非另外阐述。第四实施例的差异在于，第一组串联连接电极272、270、246、244与通过第二导体382连接的第二组类似串联连接电极386、384、390、388交织，使得第一组串联连接电极272、270、246、244和第二组串联连接电极386、384、390、388产生相应的第一电压输出260和第二电压输出374。
图7示出根据本发明的第五实施例的备选MHD发电机438。第五实施例类似于第一、第二、第三和第四实施例；因此，相同部件将以增加了400的相同标号来表示，要理解，第一、第二、第三和第四实施例的相同部件的描述适用于第五实施例，除非另外阐述。第五实施例的差异在于第一组电极472、470、490、488的备选串联连接，它们通过第一导体480联接且产生第一电压输出460，并且差异在于第二组电极486、484、446、444的串联连接，它们通过第二导体482联接且产生第二电压输出474。第五实施例的另一个差异在于，第二组电极486、484、446、444在任一轴向端上侧面为第一组电极472、470、490、488的电极对。
本公开设想到上面的图中显示之外的许多其它可行实施例和构造。例如，设想到电极构造的额外的排列。在另一个示例中，电极、电极对或电极环中的一个或多个可相对于排气向量斜对地偏移，或垂直于排气向量。另外，各种构件的设计和布置可重新安排，使得可实现多个不同的顺列构造。
本文公开的实施例提供MHD发电机，其与燃气涡轮发动机集成。可在上面的实施例中实现的一个优点在于，上面描述的实施例能够产生排气焓和/或将排气焓变换成电，以对电子装置提供功率。这会增加涡轮发动机的总的发电效率的效率。另外，发电效率的增加可允许相对于传统类型的航空器发电机减小重量和大小。备选地，MHD发电机的发电量可提供冗余的电功率用于航空器，改进航空器功率系统可靠性。
可在上面的实施例中实现的另一个优点在于，排气焓变换成电会降低排气温度，这会增加排气密度。增加气体密度导致增加动量，并且因而增加燃气涡轮发动机的推进效率。增加推进效率可导致改进航空器的运行或燃料效率。
当设计航空器构件时，要解决的重要因素在于大小、重量和可靠性。上面描述的MHD发电机将能够利用最小功率变换装备提供经调整的AC或DC输出，从而使整个系统固有地更可靠。这导致更低重量、更小大小、增加性能和增加可靠性的系统。减小重量和大小与飞行期间的竞争性优点相关联。
在还未描述的程度上，各种实施例的不同的特征和结构可如期望的那样彼此结合地使用。一个特征可能未示出在所有实施例中不意图理解为其不可在所有实施例中，而是为了简化描述这样做。因而，不同的实施例的各种特征可如期望的那样混合和匹配，以形成新的实施例，不管是否清楚地描述新的实施例。本文描述的特征的组合或置换由本公开覆盖。在示例性实施例之间的主要差异与电极对的构造相关，并且这些特征可以任何适当的方式组合，以改变上面描述的实施例和产生其它实施例。
此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (15)

1. 一种用于航空器的发电机，包括：
燃气涡轮发动机，其具有限定排气腔体的排气区段，燃烧排气通过所述排气腔体沿限定排气向量的方向排出；以及
磁流体动力发电机，其具有形成磁场的磁场发生器，所述磁场具有垂直于所述排气向量的至少一些磁场线，并且所述磁流体动力发电机具有相对于所述排气腔体而布置的至少一个电极对，其包括至少一个正电极和至少一个负电极，其中携带在所述排气中的带电粒子沿着所述排气向量的移动在所述至少一个电极对处产生DC功率输出。
2. 根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述磁场发生器进一步包括至少一个螺线管，其构造成产生所述磁场。
3. 根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，进一步包括转换器/变换器，其构造成改变所述DC功率输出。
4. 根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述转换器/变换器转换所述DC功率输出。
5. 根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述至少一个电极对相对于所述排气向量斜对地偏移。
6. 根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述至少一个电极对相对于所述排气向量沿轴向间隔开。
7. 根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述至少一个正电极和所述至少一个负电极相对于所述排气腔体彼此相反地定位。
8. 根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，包括多个电极对。
9. 根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述多个电极对产生多个DC功率输出。
10. 根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，进一步包括至少一些串联连接电极对，其与至少第二电极对沿轴向交替。
11. 根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，进一步包括至少第一串联连接电极对组，其通过至少第二串联连接电极对组沿轴向分开。
12. 根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述至少一个正电极至少包括至少一个部分正电极环，其沿着所述排气区段沿着第一径向节段延伸，并且所述至少一个负电极包括至少一个部分负电极环，其沿着所述排气区段沿着第二径向节段延伸，并且其中所述至少一个正电极环和所述至少一个负电极环限定电极环对。
13. 根据权利要求12所述的发电机，其特征在于，进一步包括多个电极环对，其沿着所述排气区段的轴向长度而构造，并且其中，所述电极环对的至少一部分串联构造，以产生至少一个DC功率输出。
14. 根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述至少一个电极环对相对于所述排气向量斜对地偏移。
15. 根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述排气区段进一步包括内表面和外表面，并且所述至少一个电极对支承在所述内表面或所述外表面中的至少一个上。
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