CN107696812B - 油电混合动力系统及具有其的垂直起降飞行汽车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油电混合动力系统及具有其的垂直起降飞行汽车，该油电混合动力系统包括设置于迎风面的进气道及与进气道连通用于对经进气道进入的空气进行增压的增压系统；增压系统包括压气机，压气机的入口连通进气道的出口，压气机的出口连通燃气发生器的气流入口，燃气发生器上设有燃料进口及多个燃气出口，多个燃气出口分别经燃气管道连通至多个涡轮风扇推力器，多个涡轮风扇推力器用于给飞行器的起降提供升力和/或调节飞行器的飞行姿态；油电混合动力系统还包括用于提供驱动力的电机及供电给电机的电池模块，电机经切换装置连接压气机和/或地面行驶机构，以实现驱动地面行驶机构与驱动压气机间的切换控制。
Description
技术领域
本发明涉及汽车发动机领域，特别地，涉及一种油电混合动力系统。此外，本发明还涉及一种包括上述油电混合动力系统的垂直起降飞行汽车。
背景技术
汽车是目前人们出行最主要的交通方式，但是常用的小汽车只能在修建的道路上行驶，遇到道路障碍或者无路可走时，驾驶员往往束手无策。飞行汽车既可以在道路上行驶，也可以在空中飞行，是解决道路障碍、边远地区交通和未来城市三维交通问题的有力工具，具有广阔的发展前景。
1917年，美国格伦·柯蒂斯发明了第一辆飞行汽车AutoPlane，在普通汽车顶部增加了翼展12.3米的双层翼，车尾安装4叶片螺旋桨，采用8缸活塞式内燃机动力，但未能实现飞行。此后几十年，随着汽车技术与航空技术的发展，很多人进行了尝试，如：沃尔多·沃特曼(1937)、莫尔顿·泰勒(1949)、保罗·莫勒(1991)。虽然汽车飞起来了，但都未能获得商业成功。
2006年，荷兰PAL-V公司推出了一款名为Liberty的三轮飞行概念汽车，2009～2012年进行了飞行测试，目前已进入商业量产阶段。该车在车顶安装了可折叠收放的螺旋桨，在道路行驶时螺旋桨紧固在车顶；需要飞行时，展开螺旋桨、尾桨和尾翼即变身为直升飞机。
2009年3月，美国Terrafugia公司制造的2座飞行汽车“Transition”实现了首飞。该车的双侧下单翼可竖直折叠在车门附近，采用一台功率73.5kW的四缸活塞发动机做动力，驱动尾部螺旋桨进行水平起降，车重440kg。2012年该公司推出了新一代4座飞行概念汽车TF-X，采用一台300马力活塞发动机和分布式电池作为混合动力。需要飞行时，车身两侧的可折叠机翼象鸟的翅膀一样展开，安装在机翼末端的两台电动倾转旋翼发动机工作，以实现垂直起降，但是电机功率超过兆瓦。巡航飞行时，机翼上的电动旋翼停止工作并收起旋翼叶片，活塞发动机驱动车尾的涵道风扇提供推力，同时带动发动机给电池充电。
2013年9月，斯洛伐克的AeroMobil公司试飞了一款2座飞行汽车“空中移动”。该车采用钢制框架和碳纤维复合材料外壳，流线型驾驶舱，重量450kg。安装在车顶的水平机翼可朝车后方向旋转，两翼合并形成平面车顶，车尾安装有螺旋桨。该车采用活塞发动机做动力，在地面行驶时发动机驱动车轮前进，飞行时通过传动轴驱动车尾的螺旋桨推进，只需200米跑道即可水平起飞。2017年该公司推出“空中移动”3.0商业版，续航达750km。
以色列的城市航空公司(Urban Aeronautics)公开了一款适用于城市飞行的垂直起/降飞行汽车X-Hawk。在前/后车身部各安装了一台涵道螺旋桨以产生升力，涵道进/出口有叶片方向可调的百叶窗，可以改变升力大小和方向。在车尾上部安装两台小型涵道螺旋桨提供水平推力。采用两台TBD涡轴发动机提供动力，单台最大功率1640kW，最大飞行速度259km/h，最大起飞重量4173kg。
国内西安美联航空技术有限公司推出了一款2座四轮底盘的飞行汽车模型，在车顶和车尾安装螺旋桨，采用航空活塞发动机作为动力。中航工业直升机所也公开展示了一款六旋翼飞行汽车模型。2017年，广州亿航智能驾驶有限公司推出了世界第一辆全电动、4旋翼、自动驾驶载人飞行器“亿航-184”。
从飞行汽车的发展历程看，主要分为水平起降和垂直起降两大类。水平起降需要一定长度的跑道，垂直起降则需要大功率发动机。很显然，垂直起降的适用性更强，是未来发展趋势。
飞行汽车采用的动力系统主要有三类：一种是采用活塞式内燃机驱动螺旋桨作为飞行动力，但是活塞发动机的功率/重量比低，要实现垂直起飞很困难。一种是采用航空涡轴发动机驱动螺旋桨或者涵道风扇作为飞行动力，这是传统直升机的发展思路。第三种是采用电机驱动多个旋翼作为动力，这是未来最有前景的发展方向。近年来，随着电池储能技术的快速发展，已有多种电动旋翼的小型飞行器、载人飞行器产品，纯电力驱动的汽车已进入商业量产阶段。但由于目前电池的储能密度还远远低于燃油，垂直起降的纯电动飞行汽车还难以实现。
发明内容
本发明提供了一种油电混合动力系统及具有其的垂直起降飞行汽车，以解决垂直起飞/降落需要大升力而依靠纯电力的电池功率不足问题，避免采用涡轴发动机驱动螺旋桨噪声大、安全性差等技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供一种油电混合动力系统，用于给飞行器提供驱动力，该油电混合动力系统包括设置于迎风面的进气道及与进气道连通用于对经进气道进入的空气进行增压的增压系统；
增压系统包括压气机，压气机的入口连通进气道的出口，压气机的出口连通燃气发生器的气流入口，燃气发生器上设有燃料进口及多个燃气出口，多个燃气出口分别经燃气管道连通至多个涡轮风扇推力器，多个涡轮风扇推力器用于给飞行器的起降提供升力和/或调节飞行器的飞行姿态；
油电混合动力系统还包括用于提供驱动力的电机及供电给电机的电池模块，电机经切换装置连接压气机和/或地面行驶机构，以实现驱动地面行驶机构与驱动压气机间的切换控制。
进一步地，多个涡轮风扇推力器包括设置于飞行器中轴线上且靠近尾端的主涡轮风扇推力器及对称设置于飞行器中轴线两侧的两个辅助涡轮风扇推力器，各涡轮风扇推力器对应的燃气管道上均设置用于调节燃气流量的燃气调节器。
进一步地，电机、切换装置及压气机共轴设置，均位于飞行器的中轴线上。
进一步地，电池模块包括多个蓄电电池组，多个蓄电电池组对称分布于飞行器上。
进一步地，主涡轮风扇推力器设置于旋转推力架上，旋转推力架连接用于控制其旋转角度的驱动机构。
进一步地，涡轮风扇推力器包括涡轮、风扇及连接二者的转轴，涡轮、风扇及转轴经支座固定于涵道管的管壁上。
进一步地，燃气管道延伸进入涵道管内，燃气管道依次经燃气集气腔、燃气喷管连通涡轮，涡轮的出口设置用于对涡轮废气进行膨胀做功的涡轮尾罩。
进一步地，涡轮风扇推力器上还设置用于将涡轮的动力转换为电能以给电池模块充电的发电机，发电机的电机转子固定于转轴上，发电机的电机定子固定于支座上。
进一步地，支座的外侧设置整流蒙皮和/或风扇的风扇盘上设置用于对进入涵道管内的来流进行引流的整流锥。
根据本发明的另一方面，还提供一种垂直起降飞行汽车，包括车体，车体上设置上述的油电混合动力系统。
本发明具有以下有益效果：
本发明油电混合动力系统及具有其的垂直起降飞行汽车，其包括供电的电池模块及由燃料化学能驱动的燃气发生器，采用由电机驱动的压气机对空气进行压缩后，再经燃气发生器产生高压燃气，进而通过多个涡轮风扇推力器实现飞行器的升力控制，可以实现汽车的垂直起飞和降落，且可以切换至电力驱动模式，完全满足城市道路交通要求，由于没有外露的旋转部件，比采用螺旋桨的动力方案安全性高，产生的噪音小，更适合在城市和紧密的自然环境中飞行；此外，本发明压气机、燃气发生器、涡轮风扇推力器相对独立，分布式布置，与航空涡轴发动机相比，解除了压气机、燃烧室、涡轮之间的强耦合关系，结构简单，推力调节控制更容易实现。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例垂直起降飞行汽车的结构示意图；
图2是本发明优选实施例中涡轮风扇推力器的结构示意图。
附图标记说明：
1、进气道；
2、离合器；
3、电机；
4、压气机；
5、燃气发生器；
6、燃气管道；
7、燃气调节器；
8、涡轮风扇推力器；801、涡轮；802、风扇；803、转轴；804、风扇盘；
805、风扇叶片；806、轴承；807、支座；808、支撑架；809、整流蒙皮；
810、燃气集气腔；811、燃气喷管；812、涡轮尾罩；813、涵道管；
814、电机转子；815、电机定子；816、整流锥；
9、旋转推力架；
10、蓄电电池组；
11、车轮。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明针对垂直起降飞行汽车的动力需求，提出了一种油电混合动力系统方案。在道路行驶时，采用电池供电、电机驱动车轮，是完全的电动汽车；飞行时把电机切换到驱动空气压缩机，对小流量空气进行压缩，通过压缩空气和汽油燃烧产生的燃气去驱动涡轮风扇和发电机，为汽车提供垂直起降和飞行动力，在巡航飞行时为电池充电。
参照图1，本发明的优选实施例中，本实施例以飞行汽车为例对该油电混合动力系统进行说明。该油电混合动力系统包括设置于迎风面的进气道1及与进气道1连通用于对经进气道1进入的空气进行增压的增压系统；本实施例增压系统包括压气机4，压气机4的入口连通进气道1的出口，压气机4的出口连通燃气发生器5的气流入口，燃气发生器5上设有燃料进口及多个燃气出口，多个燃气出口分别经燃气管道6连通至多个涡轮风扇推力器8，多个涡轮风扇推力器8用于给飞行器的起降提供升力和/或调节飞行器的飞行姿态。本实施例油电混合动力系统还包括用于提供驱动力的电机3及供电给电机3的电池模块，电机3经切换装置连接压气机4和/或地面行驶机构，以实现驱动地面行驶机构与驱动压气机4间的切换控制。
本实施例中，当汽车在陆地正常行驶时，由电机3直接驱动汽车的车轮11提供动力。当需要飞行时，垂直起飞/降落要求发动机提供足够的升力以克服汽车重量和载荷重量，单纯依靠电力能源是不现实的。为了降低垂直起飞/降落的电力需求，本实施例采用三个涡轮风扇推进器提供升力。在汽车后部布置一个升力较大的主涡轮风扇推进器，垂直起飞后逐渐调转喷气方向至水平方向，为飞行提供动力。在前部两侧各布置一个升力较小的涡轮-风扇推力器，在起飞阶段提供垂直升力，同时可用于汽车姿态平衡控制。
本实施例中，优选地，多个涡轮风扇推力器8包括设置于飞行器中轴线上且靠近尾端的主涡轮风扇推力器及对称设置于飞行器中轴线两侧的两个辅助涡轮风扇推力器，各涡轮风扇推力器8对应的燃气管道6上均设置用于调节燃气流量的燃气调节器7。具体到本实施例中，燃气调节器通过管道与左涡轮风扇推力器、右涡轮风扇推力器、主涡轮风扇推力器的涡轮入口相连。左涡轮风扇推力器、右涡轮风扇推力器布置在汽车前部两侧，主涡轮风扇推力器布置在汽车后部，并安装在旋转推力架9上，旋转推力架9连接用于控制其旋转角度的驱动机构。该驱动机构为电力或者液压驱动机构，以经旋转推力架9调整主涡轮风扇推力器的旋转角度。当汽车垂直起飞到一定高度后，旋转推力架9逐步旋转，带动主涡轮风扇推力器转向水平方向，为飞行提供水平方向推力。
本实施例中，切换装置为离合器2，通过离合器2实现电机3驱动地面行驶机构或者电机3驱动压气机4的切换控制。优选地，电机3安装在汽车车体前部中心位置，离合器2、电机3及压气机4共轴设置，均位于飞行器的中轴线上，使得整体结构紧凑。优选地，电池模块包括多个蓄电电池组10，多个蓄电电池组10对称分布于飞行器上，采用分布式电池组供给电源，可以极大满足动力驱动需求，且对称布置以满足车体平衡需求。
具体工作时，空气从进气道1进入压气机4，通过压气机压缩提高到5～10个大气压力。压气机4由电机3驱动，电机3由多个蓄电电池组10供给电源。增压后的空气进入燃气发生器5与喷入的燃料进行燃烧，产生温度1200K的燃气通过燃气管道6分别供给左涡轮风扇推力器、右涡轮风扇推力器和主涡轮风扇推力器，驱动其涡轮转动，涡轮带动各自的风扇旋转产生推力。在燃气管道上分别设置燃气调节器7，用于调节分配进入三个涡轮风扇推力器的燃气流量。当汽车垂直起飞到一定高度后，旋转推力架9逐步旋转，带动主涡轮风扇推力器转向水平方向，为飞行提供水平方向推力。
本实施例中，电机3带动压气机4将小流量的空气压缩5～10个大气压。优选地，燃气发生器5的燃料入口设置电机泵，用于将增压后的燃料泵入。本实施例中，压气机4可以采用轴流式压气机，亦可以采用离心式压气机。优选地，采用离心式压气机，其结构简单、体积小、重量轻。
参照图2，本实施例中，涡轮风扇推力器8包括涡轮801、风扇802及连接二者的转轴803，涡轮801、风扇802及转轴803经支座807固定于涵道管813的管壁上。
本实施例中，整流锥816安装在风扇盘804上，风扇叶片805安装在风扇盘轮毂上。风扇盘804与涡轮801通过转轴803固定连接，转轴803由两个轴承806固定在支座807上，支座807经支撑架808固定至涵道管813内壁上。
本实施例中，燃气管道6一端固定在涵道管壁上，另一端连接燃气集气腔810上。燃气集气腔810是一环形空腔，焊接在支座807上，在燃气集气腔810和支座807上的涡轮室之间，设置了两个斜切的收缩-膨胀型的燃气喷管811。涡轮盘后设置有锥形涡轮尾罩812。支座807的外侧设置了整流蒙皮809，整个涡轮-风扇-支座组合体由支撑架808固定在涵道管813的管壁上。
优选地，涡轮风扇推力器8上还设置用于将涡轮的动力转换为电能以给电池模块充电的发电机，发电机的电机转子814固定于转轴上，发电机的电机定子815固定于支座807上。
从燃气发生器5产生的燃气经过燃气调节器7后，由燃气管道6进入燃气集气腔810稳定压力后，经由燃气喷管811加速后去驱动涡轮801，涡轮801通过转轴803带动风扇盘804和发电机的电机转子814旋转。通过风扇叶片805对来流空气进行加速产生推力/升力，同时可以根据蓄电池组10的电力状态打开发电机的电力输出，对电池组充电。涡轮废气通过涡轮尾罩812进一步膨胀，与涵道管813内的高速空气混合排出，可以增加推力，同时降低涡轮排气温度和噪声。优选地，本实施例中，在发生故障失去动力的紧急情况下，发电机能转入电动机工作模式，驱动风扇提供一定升力，降低事故等级。
本实施例油电混合动力系统工作过程如下：
1)在道路正常行驶时，电机直接驱动汽车前轮提供动力；
2)需要飞行时，电机切换到驱动压气机工作模态，带动压气机工作；
3)压缩空气进入燃气发生器后，喷入燃料后点火，燃气发生器开始工作；
4)燃气通过燃气管路进入三个涡轮风扇推力器的涡轮，驱动涡轮转动，涡轮带动风扇产生升力，还可带动发电机输出电力；
5)控制电机转速和电机泵转速以调节压缩空气量和燃油供给量；控制燃气管路调节器的开度，分配进入前、后涡轮风扇推力器的燃气流量。通过以上两种途径控制总升力，以及前、后推力器的升力大小；
6)垂直起飞到一定高度后，这时通过旋转推力架逐步把主涡轮风扇推力器调整至水平方向，产生水平推力；
7)平飞加速到一定速度后，升力主要靠机翼提供，逐步关闭左、右两个涡轮风扇推力器，进入巡航飞行状态，这时主涡轮风扇推力器的发电机可以给电池充电；
8)接近目的地时，通过调节器逐步打开左、右两个涡轮风扇推力器，通过旋转推力架把主涡轮风扇推力器逐步旋转至垂直方向；
9)汽车慢慢降落后，收起车顶可伸展机翼，电机切换到驱动前车轮模式，恢复道路行驶。
本实施例垂直起降飞行汽车具有以下有益效果：
1)、本实施例油电混合动力系统可以实现汽车的垂直起飞和降落，与水平起降的飞行汽车相比，不需要专门的起/降道路。
2)、当汽车在道路行驶时，本实施例油电混合动力系统完全转换到电力驱动模式，完全满足城市道路交通要求。
3)、本实施例的涵道式涡轮风扇推力器，没有外露的旋转部件，比采用螺旋桨的动力方案安全性高，产生的噪音小，更适合在城市和紧密的自然环境中飞行。
4)、当汽车飞行时，本实施例油电混合动力系统由电力能源与燃料化学能共同提供，电机只用于压缩小流量空气，风扇由涡轮驱动产生推力，与采用纯电力直接驱动涵道风扇的方案相比，所需电力功率小50％以上。
5)、本实施例的涵道式涡轮风扇推力器与发电机进行一体化设计，在巡航飞行时可为电池充电。在发生故障失去动力的紧急情况下，发电机可转入电动机工作模态，驱动风扇提供一定升力，降低事故等级。
6)、本实施例油电混合动力系统的压气机、燃气发生器、涡轮风扇推力器相对独立，分布式布置。与航空涡轴发动机相比，解除了压气机、燃烧室、涡轮之间的强耦合关系，结构简单，推力调节控制更容易实现。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种油电混合动力系统，用于给飞行器提供驱动力，其特征在于，所述油电混合动力系统包括设置于迎风面的进气道(1)及与所述进气道(1)连通用于对经所述进气道(1)进入的空气进行增压的增压系统；
所述增压系统包括压气机(4)，所述压气机(4)的入口连通所述进气道(1)的出口，所述压气机(4)的出口连通燃气发生器(5)的气流入口，所述燃气发生器(5)上设有燃料进口及多个燃气出口，所述多个燃气出口分别经燃气管道(6)连通至多个涡轮风扇推力器(8)，所述多个涡轮风扇推力器(8)用于给所述飞行器的起降提供升力和/或调节所述飞行器的飞行姿态；
所述油电混合动力系统还包括用于提供驱动力的电机(3)及供电给所述电机(3)的电池模块，所述电机(3)经切换装置连接所述压气机(4)和/或地面行驶机构，以实现驱动所述地面行驶机构与驱动所述压气机(4)间的切换控制；
所述涡轮风扇推力器(8)包括涡轮(801)、风扇(802)及连接二者的转轴(803)，所述涡轮(801)、所述风扇(802)及所述转轴(803)经支座(807)固定于涵道管(813)的管壁上，所述燃气管道(6)延伸进入所述涵道管(813)内，所述燃气管道(6)依次经燃气集气腔(810)、燃气喷管(811)连通所述涡轮(801)，所述涡轮(801)的出口设置用于对涡轮废气进行膨胀做功的涡轮尾罩(812)。
2.根据权利要求1所述的油电混合动力系统，其特征在于，
所述多个涡轮风扇推力器(8)包括设置于所述飞行器中轴线上且靠近尾端的主涡轮风扇推力器及对称设置于所述飞行器中轴线两侧的两个辅助涡轮风扇推力器，各涡轮风扇推力器(8)对应的燃气管道(6)上均设置用于调节燃气流量的燃气调节器(7)。
3.根据权利要求1所述的油电混合动力系统，其特征在于，
所述电机(3)、所述切换装置及所述压气机(4)共轴设置，均位于所述飞行器的中轴线上。
4.根据权利要求1所述的油电混合动力系统，其特征在于，
所述电池模块包括多个蓄电电池组(10)，所述多个蓄电电池组(10)对称分布于所述飞行器上。
5.根据权利要求2所述的油电混合动力系统，其特征在于，
所述主涡轮风扇推力器(8)设置于旋转推力架(9)上，所述旋转推力架(9)连接用于控制其旋转角度的驱动机构。
6.根据权利要求1所述的油电混合动力系统，其特征在于，
所述涡轮风扇推力器(8)上还设置用于将涡轮的动力转换为电能以给所述电池模块充电的发电机，所述发电机的电机转子(814)固定于所述转轴上，所述发电机的电机定子(815)固定于所述支座(807)上。
7.根据权利要求1所述的油电混合动力系统，其特征在于，
所述支座(807)的外侧设置整流蒙皮(809)和/或所述风扇(802)的风扇盘(804)上设置用于对进入所述涵道管(813)内的来流进行引流的整流锥(816)。
8.一种垂直起降飞行汽车，包括车体，其特征在于，所述车体上设置如权利要求1至7任一所述的油电混合动力系统。
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