CN107701313A - 一种油电混合航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油电混合航空发动机，包括进气道、压气机、燃烧室和喷管，气流通过进气道进入压气机，压缩后再进入燃烧室，燃烧后通过喷管排出，包括蓄电池，所述发动机内不设置有涡轮，所述蓄电池向电机输出电源，由电机驱动压气机工作；本发明中最大的创新点就在于在发动机中取消了涡轮及相应的冷却系统，降低研制和生产费，解决了目前涡轮前总温受限制的问题；采用油电混合，用电机驱动压气机，从而降低使用成本，减法污染物排放；没有涡轮提取气流的膨胀功和冷却系统的损耗，发动机推力更大。

Description

一种油电混合航空发动机

技术领域

本发明属于发动机领域，具体是涉及到航空发动机中适用于马赫3以下的飞行器。

背景技术

世界各国及相关组合机构对民用航空发动机排放要求越来越严格，为减小排放，先进的燃烧技术、分布式电推进得到广泛研究。但到目前为止，蓄电池的能量密度仍然偏小，无法满足分布式电推进需要。

为增大航空发动机的推力和推重比，需要涡轮前总温尽可能高。但受航空发动机受材料和冷却技术的限制，涡轮前总温不能太高(当世界先进航空发动机的涡轮前总温可达2000K)，受涡轮前总温的限制，发动机压比偏低，热力循环的热效率偏低，油耗偏大。另外航空发动机的涡轮叶片长期工作于高温、高压环境，这使得涡轮叶片的生产成本高、使用寿命短，制约了航空发动机使用的经济性。

由于高温燃气的影响，当前的航空发动机需要对涡轮叶片进行冷却，这就要设计一个冷气系统，从压气机引气、然后从涡轮叶片的小孔吹出；这不仅增加了航空发动机的系统复杂度，还增加流动损失、降低航空发动机的热效率及推力。

涡轮为旋转部件，需要有轴承及润滑系统。为避免涡轮轴承温度过高，需要引气对涡轮轴承附近的部件进行冷却，并阻止涡轮级间泄漏的高温燃气倒灌。而在现实使用中，常常存在涡轮叶片孔堵塞、高温燃气倒灌到轴承处而发生烧蚀。

压气机与涡轮连在同根轴，转速和功率相同，这导致航空发动机的压气机与涡轮的匹配问题；同时高压旋转部件位于低压旋转部件之间，只有采用空间轴才能实现多转轴设计。另外压气机与涡轮中间隔着燃烧室，转轴需要穿过燃烧室中间，这使得结构异常复杂，采用多转轴设计较为困难。因此当前航空发动机通常只有1-2个转轴，仅英国罗.罗公司发展3转轴发动机。

为提高发动机推力、减少发动机污染物排放、并使发动机的使用更经济，有必要基于当前技术发展一种油电混合航空发动机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油电混合航空发动机，同时取消涡轮，规避高温材料和冷却技术的限制，实现更大的推力、更少的排放、更低的研发和生产使用成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种油电混合航空发动机，包括进气道、压气机、燃烧室和喷管，气流通过进气道进入压气机，压缩后再进入燃烧室，燃烧后通过喷管排出，包括蓄电池，所述发动机内不设置有涡轮，所述蓄电池向电机输出电源，由电机驱动压气机工作。

根据权利要求1所的一种油电混合航空发动机，其特征在于所述电机设置在气压机的轮毂内，所述电机包括线圈绕组和磁体，所述线圈绕组与压气机轮盘为一体。

在上述技术方案中，所述压气机具有若干级，压气机的轮毂内设置有若干个电机，每一个电机独至少驱动一级压气机。

在上述技术方案中，所述燃烧室为流线形回转结构，从压气机一端到喷管端燃烧室回转半径逐步减小。

在上述技术方案中，发动机的工作流程为：在点火阶段，利用电机驱动压气机，在压气机到怠速转速后，往燃烧室喷入燃油，并点火，在发动机点火并稳定工作后，发动机进入怠速状态；增加发动机供油，发动机进入最大爬升状态，推力最大，滑跑起飞，飞行到指定高度和速度后，减小供油和调节个部件系统，发动机进入巡航状态。

在上述技术方案中，发动机的工作流程为：在点火阶段，利用电机驱动压气机，在压气机到怠速转速后，往燃烧室喷入燃油，并点火，在发动机点火并稳定工作后，发动机进入怠速状态；增加发动机供油，发动机进入最大爬升状态，推力最大，滑行起飞，飞行到指定高度和速度后，减小供油和调节个部件系统，发动机进入巡航状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中最大的创新点就在于在发动机中取消了涡轮及相应的冷却系统，降低研制和生产费，解决了目前涡轮前总温受限制的问题；采用油电混合，用电机驱动压气机，从而降低使用成本，减法污染物排放；没有涡轮提取气流的膨胀功和冷却系统的损耗，发动机推力更大。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

其中：1是进气道，2是压气机，3是燃烧室，4是喷管，5是电机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

如图1 、图2所示，本发明所述的发动机包括进气道、压气机、燃烧室、喷管、电机共五个核心组成部分，一改传统的发动机结构，去掉了涡轮叶片，不再由涡轮叶片对空气进行压缩增压。

本发明中去掉涡轮叶片后最大的改进就在于对压气机进行了改进，压气机表面的叶片以前是有与涡轮同轴带动转动，而本发明采用独立的电机来驱动叶片转动。本发明中在压气机的轮毂内设置若干个电机，每一个电机带动轮毂表面的一个叶片转动，本发明中的电机采用线圈绕组和磁体组成，电机的电源由蓄电池供电，而蓄电池采用记载蓄电池。

本发明中的电机的线圈绕组和气压机的轮盘为一体结构，并且结合永磁体构成一个直流电机，当线圈中输入来自热射流磁电装置的直流电压，电机就能开始工作并带动气压机叶片进行转动，实现气压机的工作。

本发明中在上述的所有基础上，因为取消掉了传统的涡轮叶片，使得气压机的体积大幅度减小，因此，气压机的体积减小使得气压机轮毂与发动机外壁之间构成的燃烧室的结构发生变化。燃烧室由传统的环形结构改成本方案的弧形结构，从气压机一端到喷管一端燃烧室的弧度逐步增加，如图2所示。这种结构的改进使得燃烧后的气体快速膨胀并迅速有喷管喷出产生极大的推力，相比现有的发动机结构功率提升更加显著。

整个发动机的工作原理和现有的发动机是一致的，其具体工作过程为：

在飞行器停飞阶段，利用机场外接电源对蓄电池进行充电，并加注燃油；

在准备起飞时，利用机场拖车将飞行器拖至跑道飞行等候区域；

在点火阶段，首先使飞行器的刹车工作；然后接通电机电源，利用电机驱动压气机；在压气机到怠速转速后，往燃烧室喷入燃油，并点火；

在发动机点火并稳定工作后，发动机进入怠速状态，等待起飞命令；

接到起飞命令后，关闭飞行器刹车，增加发动机供油，发动机进入最大爬升状态，推力最大，滑行起飞；

到飞行到指定高度和速度后，减小供油和调节个部件系统，发动机进入巡航状态。

上述发动机地面起动可采用插电式起动、电池起动和微型燃气轮机起动三种方案。在采用插电式起动时，电机外接机场电源，在带动压气机工作后喷油燃烧，完成起动后脱开电源；采用电池起动时，起动时为电机供电，起动后发动机为电池充电；采用微型燃气轮机起动时，起动过程与现有航空发动机一致。其电机可以位于压气机前或者压气机轮毂内；当电机位于压气机轮毂内时，需要电机和压气机融合设计。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种油电混合航空发动机，包括进气道、压气机、燃烧室和喷管，气流通过进气道进入压气机，压缩后再进入燃烧室，燃烧后通过喷管排出，其特征在于包括蓄电池，所述发动机内不设置有涡轮，所述蓄电池向电机输出电源，由电机驱动压气机工作。

2.根据权利要求1所的一种油电混合航空发动机，其特征在于所述电机设置在气压机的轮毂内，所述电机包括线圈绕组和磁体，所述线圈绕组与压气机轮盘为一体。

3.根据权利要求2所的一种航空发动机，其特征在于所述压气机具有若干级，压气机的轮毂内设置有若干个电机，每一个电机独至少驱动一级压气机。

4.根据权利要求1所的一种油电混合航空发动机，其特征在于所述燃烧室为流线形回转结构，从压气机一端到喷管端燃烧室回转半径逐步减小。

5.根据权利要求1-4任一所的一种油电混合航空发动机，其特征在于发动机的工作流程为：在点火阶段，利用电机驱动压气机，在压气机到怠速转速后，往燃烧室喷入燃油，并点火，在发动机点火并稳定工作后，发动机进入怠速状态；增加发动机供油，发动机进入最大爬升状态，推力最大，滑跑起飞，飞行到指定高度和速度后，减小供油和调节个部件系统，发动机进入巡航状态。