CN107284677B - 用于飞机的油电混合推进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于飞机的油电混合推进系统。该油电混合推进系统包括发动机、油门杆传感器、大气参数传感器、能源管理模块、常规燃料模块和锂电池组，油门杆传感器用于感测飞机动力需求信号且连接至能源管理模块以将飞机动力需求信号传递至能源管理模块，大气参数传感器用于感测大气参数且连接至能源管理模块以将大气参数传递至能源管理模块，常规燃料模块和锂电池组连接至能源管理模块且连接至发动机，能源管理模块根据来自油门杆传感器的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器的大气参数，确定由常规燃料模块或锂电池组驱动发动机。本发明的用于飞机的油电混合推进系统能起到以下有益技术效果：能满足对于高性能发动机的经济性和环保性相关要求。

Description

用于飞机的油电混合推进系统
技术领域
本发明涉及用于飞机的油电混合推进系统。
背景技术
随着相关技术手段的进步，现有的民用航空发动机在性能指标上已经有了显著的进步，例如耗油率和污染物排放指标相比此前有了较大幅度的降低。但是，另一方面而言，随着国际社会和民航组织对民用航空发动机在经济性和环保性上越来越高的要求，如何使航空发动机满足日益增长的高性能要求，仍是一项长期面临的重要问题。
目前而言，航空发动机主要是通过压缩气体加热膨胀做功，将化学能转化为机械能。虽然增加发动机压比和燃烧室出口温度可以提高整机的热效率从而降低耗油率，但是受限于设计水平、加工水平、材料能力和冷却技术的水平，现有航空发动机的涡轮前温度已接近安全使用的极限值，很难有明显程度的提高。由于航空发动机使用化学燃料作为其动力来源，在燃烧中必然会产生NOx、CO、UHC等污染物，造成环境的污染。
因此，希望能有一种用于飞机的推进系统，其能满足对于高性能发动机的经济性和环保性相关要求。
发明内容
本发明的一个目的在于，提供一种用于飞机的推进系统，其能满足对于高性能发动机的经济性和环保性相关要求。
本发明的以上目的通过一种用于飞机的油电混合推进系统来实现，所述用于飞机的油电混合推进系统包括发动机、油门杆传感器、大气参数传感器、能源管理模块、常规燃料模块和锂电池组，所述油门杆传感器用于感测飞机动力需求信号且连接至所述能源管理模块以将飞机动力需求信号传递至所述能源管理模块，所述大气参数传感器用于感测大气参数且连接至所述能源管理模块以将大气参数传递至所述能源管理模块，所述常规燃料模块和所述锂电池组连接至所述能源管理模块且连接至所述发动机，所述能源管理模块根据来自所述油门杆传感器的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器的大气参数，确定由所述常规燃料模块或所述锂电池组驱动所述发动机。
根据上述技术方案，本发明的用于飞机的油电混合推进系统能起到以下有益技术效果：能满足对于高性能发动机的经济性和环保性相关要求。具体地说，相比起普通内燃机，新能源电池具有较高的能量转化率，并且可采用模块化的设计方法，结构简单，易于维护。对于锂电池组而言，使用过程中不会产生任何污染物。
较佳的是，当飞机处于大推力工况时，所述能源管理模块确定由所述常规燃料模块驱动所述发动机；当飞机处于小推力工况时，所述能源管理模块确定由所述锂电池组驱动所述发动机。
较佳的是，所述用于飞机的油电混合推进系统还包括燃料电池，所述燃料电池连接至所述能源管理模块且连接至所述锂电池组，所述能源管理模块根据来自所述油门杆传感器的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器的大气参数，确定启动所述燃料电池以由所述燃料电池向所述锂电池组充电或关闭所述燃料电池。
较佳的是，当飞机处于大推力工况时，所述能源管理模块确定启动所述燃料电池以由所述燃料电池向所述锂电池组充电；当飞机处于小推力工况时，所述能源管理模块确定关闭所述燃料电池。
较佳的是，所述用于飞机的油电混合推进系统还包括第一热交换器，所述第一热交换器连接至所述能源管理模块且用于将所述燃料电池所产生的高温排气引导至经发动机压气机压缩的压缩气体。
较佳的是，所述用于飞机的油电混合推进系统还包括第二热交换器，所述第二热交换器连接至所述能源管理模块且用于将所述燃料电池所产生的高温排气引导至所述锂电池组。
较佳的是，当所述大气参数传感器感测到大气温度低于临界温度时，所述能源管理模块启动所述第二热交换器；当所述大气参数传感器感测到大气温度高于临界温度时，所述能源管理模块关闭所述第二热交换器。
较佳的是，所述发动机包括电动机、减速器、低压轴和低压风扇，所述电动机和所述减速器设置于所述发动机的整流锥内，所述电动机通过所述减速器与所述低压轴相连接，从而经由所述低压轴驱动所述低压风扇，所述电动机由所述锂电池组供电。
较佳的是，当飞机处于大推力工况且由所述常规燃料模块驱动所述发动机时，所述能源管理模块还确定由所述发动机向所述锂电池组充电。
较佳的是，所述发动机为带有低压风扇的双转子涡扇发动机。
附图说明
图1是本发明一实施例的用于飞机的油电混合推进系统的设计方案简图。
图2是本发明一实施例的用于飞机的油电混合推进系统中的发动机剖面图。
图3是本发明另一实施例的用于飞机的油电混合推进系统的设计方案简图。
图4是本发明另一实施例的用于飞机的油电混合推进系统中的发动机剖面图。
附图标记列表：
1、电动机；
2、低压轴；
3、减速器；
4、低压风扇；
5、整流锥；
6、发动机；
7、油门杆传感器；
8、大气参数传感器；
9、能源管理模块；
10、锂电池组；
11、第一热交换器；
12、压气机；
13、燃烧室；
14、燃料电池；
15、第二热交换器。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
图1是本发明一实施例的用于飞机的油电混合推进系统的设计方案简图。图2是本发明一实施例的用于飞机的油电混合推进系统中的发动机剖面图。图3是本发明另一实施例的用于飞机的油电混合推进系统的设计方案简图。图4是本发明另一实施例的用于飞机的油电混合推进系统中的发动机剖面图。
如图1-2所示，根据本发明的一实施例，一种用于飞机的油电混合推进系统包括发动机6、油门杆传感器7、大气参数传感器8、能源管理模块9、常规燃料模块和锂电池组10，油门杆传感器7用于感测飞机动力需求信号且连接至能源管理模块9以将飞机动力需求信号传递至能源管理模块9，大气参数传感器8用于感测大气参数且连接至能源管理模块9以将大气参数传递至能源管理模块9，常规燃料模块和锂电池组10连接至能源管理模块9且连接至发动机6，能源管理模块9根据来自油门杆传感器7的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器8的大气参数，确定由常规燃料模块或锂电池组10驱动发动机6。
这样，由于能源管理模块根据需要在必要时确定由锂电池组驱动发动机，降低了污染物排放，满足了对于高性能发动机的经济性和环保性相关要求。具体地说，通过引入锂电池组，例如在小推力工况下发动机由常规化学能动力切换到电能，这样能源的利用率可以提高，由于锂电池组在使用中不产生任何化学污染物，因此减小了对环境的污染。此外，由于采用电能推动风扇时，高压压气机和燃烧室等部件不再工作，没有高温高压的气体流经内涵，这样可以有效降低发动机整机噪声。
为了附图清楚起见，在图1中没有示出常规燃料模块，但本领域技术人员可以理解，常规燃料模块连接至能源管理模块9且连接至发动机6。较佳的是，常规燃料可以是常规化学燃料，例如航空燃油。
较佳的是，大气参数传感器8和油门杆传感器7分别将诸如大气温度、大气压力等的大气参数和飞机动力需求信号传递给能源管理模块9，能源管理模块9根据发动机6所处环境和推力需求，控制锂电池组10的电源开关和匹配输出功率，从而控制电动机1的转速，通过低压轴2驱动低压风扇4，使其始终保持在最佳工作转速范围内。除此之外，能源管理模块9还可负责控制燃料电池14和热交换器的启动和关闭(详见下文)。
较佳的是，如图2所示，发动机6为带有低压风扇4的双转子涡扇发动机。
较佳的是，如图2所示，发动机6包括电动机1(具有驱动/发电功能，如超导电机)、减速器3(如星形传动齿轮)、低压轴2和低压风扇4，电动机1和减速器3设置于发动机6的整流锥5内，电动机1通过减速器3与低压轴2相连接，从而经由低压轴2驱动低压风扇4(即，带动低压风扇4转动)，电动机1由位于飞机机身内的锂电池组10供电。
较佳的是，当飞机处于起飞、爬升的大推力工况时，能源管理模块9确定由常规燃料模块驱动发动机6，即，停止锂电池组10向电动机1供电，也就是说，发动机6采用燃油动力方式获取动力。当飞机处于巡航、降落的小推力工况时，能源管理模块9确定由锂电池组10驱动发动机6，即，允许锂电池组10接通电动机1，也就是说，发动机6采用锂电池动力方式获取动力。
在本申请中，所谓“大推力工况”是指飞机起飞、爬升时所处的工况，此时飞机需要较大的推力；所谓“小推力工况”是指飞机巡航、降落时所处的工况，此时飞机需要较小的推力。例如，对于载客150人左右的中型飞机而言，大推力工况通常需要10－15吨推力，小推力工况通常需要2－3.5吨推力。
较佳的是，当飞机处于大推力工况且由常规燃料模块驱动发动机6时，能源管理模块9还确定由发动机6通过电动机1向锂电池组10充电。
较佳的是，如图3-4所示，用于飞机的油电混合推进系统还可包括燃料电池14(较佳的是高温燃料电池，例如固体氧化物燃料电池SOFC)，燃料电池14连接至能源管理模块9且连接至锂电池组10，能源管理模块9根据来自油门杆传感器7的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器8的大气参数，确定启动燃料电池14以由燃料电池14向锂电池组10充电或关闭燃料电池14。
较佳的是，当飞机处于起飞、爬升的大推力工况时，发动机6采用燃油动力方式获取动力，能源管理模块9确定启动燃料电池14进行电化学反应以由燃料电池14向锂电池组10充电；当飞机处于巡航、降落的小推力工况时，发动机6采用锂电池动力方式获取动力，能源管理模块9确定关闭燃料电池14。
较佳的是，如图4所示，用于飞机的油电混合推进系统还可包括第一热交换器11，第一热交换器11连接至能源管理模块9且用于将燃料电池14所产生的高温排气引导至经发动机压气机12压缩的压缩气体。这样，燃料电池14所产生的高温排气通过第一热交换器11加热经发动机压气机12压缩的压缩气体，气体在燃烧室13中需要的燃油量减小，从而达到提高经济性和减少污染排放的目的。具体地说，由于被加热了的压缩空气在燃烧过程中带来了额外的能量(由高温排气所提供)，所以降低了燃油的消耗，并实现低污染物排放的目的。
较佳的是，如图3所示，用于飞机的油电混合推进系统还可包括第二热交换器15，第二热交换器15连接至能源管理模块9且用于将燃料电池14所产生的高温排气引导至锂电池组10。这样，燃料电池14所产生的高温排气或余热通过第二热交换器15传送至锂电池组10，从而保持锂电池组在高空低温环境下的性能。
较佳的是，当大气参数传感器8感测到大气温度低于临界温度时(例如飞机爬升到一定高度后)，能源管理模块9启动第二热交换器15，燃料电池14的余热进入到锂电池组10内以维持其最佳性能；当大气参数传感器8感测到大气温度高于临界温度时(例如飞机下降到一定高度后)，能源管理模块9关闭第二热交换器15。该临界温度例如位于-10－0℃的范围内。
以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本领域技术人员将会理解，上述具体实施方式并不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以在以上公开内容的基础上进行多种修改，而不超出本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于飞机的油电混合推进系统，所述用于飞机的油电混合推进系统包括发动机、能源管理模块、常规燃料模块和锂电池组，所述常规燃料模块和所述锂电池组连接至所述能源管理模块且连接至所述发动机，其特征在于，所述用于飞机的油电混合推进系统还包括油门杆传感器和大气参数传感器，所述油门杆传感器用于感测飞机动力需求信号且连接至所述能源管理模块以将飞机动力需求信号传递至所述能源管理模块，所述大气参数传感器用于感测大气参数且连接至所述能源管理模块以将大气参数传递至所述能源管理模块，所述能源管理模块根据来自所述油门杆传感器的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器的大气参数，确定由所述常规燃料模块或所述锂电池组驱动所述发动机。
2.如权利要求1所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，当飞机处于大推力工况时，所述能源管理模块确定由所述常规燃料模块驱动所述发动机；当飞机处于小推力工况时，所述能源管理模块确定由所述锂电池组驱动所述发动机。
3.如权利要求1所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，还包括燃料电池，所述燃料电池连接至所述能源管理模块且连接至所述锂电池组，所述能源管理模块根据来自所述油门杆传感器的飞机动力需求信号和来自大气参数传感器的大气参数，确定启动所述燃料电池以由所述燃料电池向所述锂电池组充电或关闭所述燃料电池。
4.如权利要求3所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，当飞机处于大推力工况时，所述能源管理模块确定启动所述燃料电池以由所述燃料电池向所述锂电池组充电；当飞机处于小推力工况时，所述能源管理模块确定关闭所述燃料电池。
5.如权利要求4所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，还包括第一热交换器，所述第一热交换器连接至所述能源管理模块且用于将所述燃料电池所产生的高温排气引导至经发动机压气机压缩的压缩气体。
6.如权利要求4所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，还包括第二热交换器，所述第二热交换器连接至所述能源管理模块且用于将所述燃料电池所产生的高温排气引导至所述锂电池组。
7.如权利要求6所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，当所述大气参数传感器感测到大气温度低于临界温度时，所述能源管理模块启动所述第二热交换器；当所述大气参数传感器感测到大气温度高于临界温度时，所述能源管理模块关闭所述第二热交换器。
8.如权利要求1所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，所述发动机包括电动机、减速器、低压轴和低压风扇，所述电动机和所述减速器设置于所述发动机的整流锥内，所述电动机通过所述减速器与所述低压轴相连接，从而经由所述低压轴驱动所述低压风扇，所述电动机由所述锂电池组供电。
9.如权利要求2所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，当飞机处于大推力工况且由所述常规燃料模块驱动所述发动机时，所述能源管理模块还确定由所述发动机向所述锂电池组充电。
10.如权利要求1所述的用于飞机的油电混合推进系统，其特征在于，所述发动机为带有低压风扇的双转子涡扇发动机。
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