CN108468602A - 一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，属于航空推进技术领域。该发动机包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮和控制器。风扇由控制器起动电源供电，风扇感应轮毂旋转，带动风扇叶片旋转，将空气引入压气机。压气机对引入的空气做功，送入燃烧室。空气经过燃烧室等温加热后，成为高温高压燃气，送入涡轮机中等熵膨胀，对涡轮叶片做功并带动涡轮感应轮毂旋转，将内能转化为动能。同时产生感应电动势，动能转换为电能。电能输入到控制器中，驱动风扇和压气机工作。本发明提升了发动机工作稳定性，提升了发动机效率和推力，给航空发动机和飞行器的设计灵活度带来了极大的提升，有助于飞行器——发动机一体化设计。

Description

一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机

技术领域

本发明属于航空推进技术领域，具体是一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机。

背景技术

喷气式航空发动机以布雷顿循环为理论基础，根据结构的不同，分为涡轮喷气式(通过尾喷管高温高速喷气产生推力)、涡轮风扇式(通过风扇加功的外涵气和尾喷管高温高速喷气产生推力)以及涡轮螺旋桨式(通过涡轮驱动螺旋桨对空气做功产生推力)几种典型类别。尽管结构上存在不同，但这些类型的发动机核心机(统称燃气发生器)工作原理几乎都遵循布雷顿循环的典型流程，即空气需要在压气机、燃烧器、涡轮中依次完成等熵压缩、等压加热、等熵膨胀，并在尾喷管中做等压排热，最终排放到大气中。

目前的喷气式航空发动机，压气机与涡轮通过刚性轴连接传扭，由空气在涡轮叶片间的等熵膨胀驱动涡轮高速旋转，再由涡轮轴将扭矩传递到压气机轴侧，并带动压气机以相同转速旋转，对空气进行等熵压缩。这一过程，整套压气机转子都必须工作在与涡轮相同转速下，这就导致了：

1.多级轴流式压气机各级叶片的设计和匹配难度很大；

2.当压气机转速偏离设计点或上游进气发生畸变时容易导致压气机“喘振”，并引发严重事故；

3.压气机与涡轮之间隔着燃烧室，这段距离需要通过一根较长的轴来连接，且为了克服轴的挠动变形和过临界转速时的弹性形变，往往轴径会设计的比较粗，增加结构重量，受燃烧室高温影响，轴自身的工况也十分恶劣；

4.风扇、压气机、燃烧室、涡轮必须设计在同一轴线上，导致发动机外形受到较大限制的同时，也使得在飞行器设计过程中必须充分考虑发动机的布置，影响了飞行器外形的进一步创新与优化。

过去，通过共轴线双转子甚至三转子、高低压压气机和涡轮的结构设计方案，可以使高低压涡轮各自工作在设计点转速上，拓宽发动机工作包线，降低“喘振”隐患，但也带来了结构更加复杂、转子系设计困难、可靠性降低等问题，且同样无法避免高低压压气机各级设计与匹配、轴中段挠动与弹性变形、发动机外形受限等问题。

发明内容

本发明为了解决双转子、三转子航空发动机轴系结构复杂、转子系设计困难、可靠性低，且同样高低压压气机各级设计与匹配困难、轴中段挠动与弹性变形较大、发动机外形受压气机涡轮同轴限制等问题，提供了一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机；

所述的航空发动机包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮和控制器。

风扇由风扇叶片、风扇感应轮毂和风扇绕线定子组成，风扇叶片安装在风扇感应轮毂上，风扇感应轮毂与风扇绕线定子同轴安装，风扇绕线定子由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，线缆与控制器的风扇控制端子连接。

压气机由若干级压气机叶片、压气机感应鼓和压气机绕线定子组成；

若干级压气机叶片包括：低压单元压气机叶片，中压单元压气机叶片，次高压单元压气机叶片以及高压单元压气机叶片；每个单元的压气机叶片分别安置在一个压气机感应鼓上。每个压气机感应鼓分别对应一个压气机绕线定子，且同轴安装；压气机绕线定子由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，每个压气机绕线定子的输出线缆分别连接控制器中各单元压气机控制端子。

燃烧室内主要完成空气的等压加热过程，通过在燃烧室内喷入燃料并与压缩空气掺混、点燃，空气温度和内能迅速上升。

涡轮包括高压涡轮叶片、低压涡轮叶片、涡轮感应轮毂和涡轮绕线定子；高低压涡轮叶片分别各安置在一个涡轮感应轮毂上。每个涡轮感应轮毂分别对应一个涡轮绕线定子，且同轴安装；涡轮绕线定子由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，每个涡轮绕线定子的输出线缆分别连接控制器的各级涡轮控制端子。

控制器主要由储能原件和控制原件组成。储能原件将涡轮发出的电能快速存储，经由控制原件分配后，再将不同功率、频率的电能快速输出到风扇和各单元压气机端子上，驱动风扇和各单元压气机工作在各自的设计转速上。

所述的多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机工作原理如下：

初始，风扇由控制器通过外界起动电源供电，风扇绕线定子上通过高频交流电产生磁场，驱动由强磁材料制成的风扇感应轮毂旋转，带动风扇叶片旋转对空气做功，将空气引入压气机。

同时，压气机绕线定子上通过控制器传输的高频交流电产生磁场，驱动由强磁材料制成的压气机感应鼓旋转，安装在压气机感应鼓上的若干级压气机旋转叶片对引入的空气做功，逐级、逐单元提升空气压力，并送入燃烧室。

经由压气机压缩后的空气经过燃烧室等温加热后，成为高温高压燃气，送入涡轮机中，在高、低压涡轮叶片间完成逐级等熵膨胀，对涡轮叶片做功并带动涡轮感应轮毂旋转，将内能逐级转化为涡轮的旋转动能。由强磁材料制成的涡轮感应轮毂旋转时，涡轮绕线定子线圈中产生感应电动势，将旋转动能又转换为了电能，完成动能到电能的循环，此时断开外接电源，形成发动机内部的循环。动能转换的电能输入到控制器中，经由控制器分配和电缆传输后，驱动风扇和压气机工作。

本发明的优点在于：

1)、一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，风扇和各单元压气机独立运转，不再需要与涡轮工作在相同转速下，使得各级压气机叶片设计、匹配难度大大降低，且通过各单元压气机转速的优化设计，有望进一步提高各级压气机的气动效率和航空发动机总增压比，大大提升发动机性能；

2)、一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，通过控制器可以根据来流条件和压气机实际工况自由调节各单元压气机转速，彻底避免压气机“喘振”问题，无需再通过额外机构做压气机防喘设计；

3)、一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，取消了风扇、压气机和涡轮之间的刚性连接，风扇、压气机和涡轮可以灵活设计支承方案，甚至有望采用无需滑油系统的磁悬浮轴承、气浮轴承等先进支承技术，并且避免了发动机轴挠动、弹性形变甚至疲劳断裂带来的可靠性隐患，提升了发动机工作稳定性；

4)、一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，风扇、压气机、燃烧室、涡轮可以按飞行器的设计需要分布式布局，不再需要工作于同一条轴线上，风扇和尾喷管都可以自由倾转角度实现矢量推进，燃烧室设计可以进一步优化，涡轮等热端部件的设计不再受空间局限，在热防护方法上有更大选择余地，此外还可以将压气机级间冷却、回热利用等原本只适用于地面燃机的技术应用到航空发动机上，大幅提升发动机效率和推力，同时也给航空发动机和飞行器的设计灵活度带来了极大的提升，有助于飞行器——发动机一体化设计。

附图说明

图1是本发明一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机的系统图；

图中：

1-风扇叶片 2-低压单元压气机叶片 3-中压单元压气机叶片

4-次高压单元压气机叶片 5-高压单元压气机叶片 6-压气机感应鼓

7-压气机绕线定子 8-燃烧室 9-涡轮绕线定子

10-涡轮感应轮毂 11-高压涡轮叶片 12-低压涡轮叶片

13-控制器 14-风扇感应轮毂 15-风扇绕线定子

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明与现有技术相比，取消了喷气式航空发动机压气机与涡轮轴的刚性连接，改用涡轮驱动发电机发电、再由所发出的电力驱动电动机带动压气机旋转；具体是一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，如图1所示，主要由风扇、压气机、燃烧室、涡轮和控制器组成；具体包括风扇叶片1、低压单元压气机叶片2、中压单元压气机叶片3、次高压单元压气机叶片4、高压单元压气机叶片5、压气机感应鼓6、压气机绕线定子7、燃烧室8、涡轮绕线定子9、涡轮感应轮毂10、高压涡轮叶片11、低压涡轮叶片12、控制器13、风扇感应轮毂14和风扇绕线定子15。

其中风扇叶片1、风扇感应轮毂14和绕线定子组成15了风扇；

风扇叶片1安装在风扇感应轮毂14上；风扇感应轮毂14主要由强磁材料制成，与风扇绕线定子15同轴安装，风扇绕线定子15由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，线缆与控制器13的风扇控制端子连接。工作时，风扇绕线定子15上通过高频交流电并产生磁场，驱动由强磁材料制成的风扇感应轮毂14旋转，带动风扇叶片1旋转对空气做功，形成发动机的推力。

低压单元压气机叶片2，中压单元压气机叶片3，次高压单元压气机叶片4以及高压单元压气机叶片5，压气机感应鼓6和压气机绕线定子7组成了压气机；

压气机整体分为低压单元，中压单元，次高压单元和高压单元，每个单元工作在不同设计转速下，各个压气机单元内又分为若干级压气机叶片，低压单元内为低压单元压气机叶片2，中压单元内为中压单元压气机叶片3，次高压单元内为次高压单元压气机叶片4，高压单元内为高压单元压气机叶片5；同一单元各级叶片安置在同一压气机感应鼓6上。压气机感应鼓6主要由强磁材料制成，压气机绕线定子7由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，每个压气机绕线定子7的输出线缆分别与控制器13的各单元压气机控制端子连接。

工作时，压气机绕线定子7上通过高频交流电并产生磁场，驱动由强磁材料制成的压气机感应鼓6旋转，安装在压气机感应鼓6上的旋转若干级压气机叶片对空气做功，逐级、逐单元提升空气压力；根据布雷顿循环原理，通过压气机对空气的等熵压缩，燃烧室8内空气压力越高，燃烧效率越高，发动机推力越大，油耗则越低。

燃烧室8内主要完成空气的等压加热过程，通过在燃烧室内喷入燃料并与压缩空气掺混、点燃，空气温度和内能迅速上升。

高压涡轮叶片11、低压涡轮叶片12、涡轮感应轮毂10和涡轮绕线定子9组成了涡轮；涡轮分为高压和低压两级，每级的叶片分别安置在一个涡轮感应轮毂10上。涡轮感应轮毂10主要由强磁材料制成，每个涡轮感应轮毂10分别对应一个涡轮绕线定子9，且同轴安装；涡轮绕线定子9由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，每个涡轮绕线定子9的输出线缆与控制器13的各级涡轮控制端子连接。

工作时，经过燃烧室8等温加热后的空气成为高温高压燃气，在高压涡轮叶片11、低压涡轮叶片12之间完成逐级等熵膨胀，通过对涡轮叶片做功、带动涡轮感应轮毂10旋转，将内能逐级转化为涡轮的旋转动能。涡轮感应轮毂10旋转时，涡轮绕线定子9线圈中产生感应电动势，将旋转动能又转换为了电能，电能输入到控制器13中，经由控制器13分配和电缆传输后，驱动风扇和压气机工作。

控制器13主要由储能原件和控制原件组成。储能原件将涡轮发出的电能快速存储，经由控制原件分配后，再将不同功率、频率的电能快速输出到风扇和各单元压气机端子上，驱动风扇和各单元压气机工作在各自设计转速上。

工作原理与过程：

所述的多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机工作时，风扇由控制器13通过外界起动电源供电，风扇绕线定子15上通过高频交流电并产生磁场，驱动由强磁材料制成的风扇感应轮毂14旋转，带动风扇叶片1旋转对空气做功，将空气引入压气机。

压气机绕线定子7上通过控制器13传输的高频交流电并产生磁场，驱动由强磁材料制成的压气机感应鼓6旋转，安装在压气机感应鼓6上的若干级压气机旋转叶片对空气做功，逐级、逐单元提升空气压力，并送入燃烧室。

经过燃烧室8等温加热后的空气成为高温高压燃气，在高压涡轮叶片11、低压涡轮叶片12间完成逐级等熵膨胀，对涡轮叶片做功、带动涡轮感应轮毂10旋转，将内能逐级转化为涡轮的旋转动能。由强磁材料制成的涡轮感应轮毂10旋转时，涡轮绕线定子9线圈中产生感应电动势，将旋转动能又转换为了电能，完成动能到电能的循环，此时断开外接电源，形成发动机内部的循环。动能转换的电能输入到控制器13中，经由控制器13分配和电缆传输后，驱动风扇和压气机工作。

因为涡轮发出的电能先传输到控制器13，因此可根据飞机飞行过程的实际需求，同时分配给单套或多套风扇、压气机组，并经由控制器13调整，使每套风扇、压气机组都工作在与飞行速度相对应工况的最优转速下。

如结合飞机的整体设计，将推力风扇灵活布置在飞机各个位置，则飞机甚至可以不依赖控制舵面，轻易实现偏航、俯仰、滚转等机动的矢量控制。

实施例：

在本发明的5KW级原理样机上对本发明进行了技术可行性验证实验。

该样机由离心压气机、高速增速齿轮箱、高速电机、燃烧室、向心涡轮、高速减速齿轮箱和高速发电机组成。其中涡轮端通过高速减速齿轮箱驱动额定转速3000RPM、额定功率5KW的电机发电，电力经简单调压、调频处理后，一部分电力用于驱动额定转速3000RPM、额定功率3KW的电机转动，并经由3:17增速比的齿轮箱，驱动离心压气机旋转，完成吸气、增压过程。剩余2KW电力向负载(风扇)输出，并形成推力，是本发明所指循环输出的净能量。

试验燃烧室采用天然气作为燃料，供气流量为0.00027立方米/秒，其燃烧可提供约9.6千瓦的能量，因此该样机的循环效率约为20.83％。后续通过优化设计，还可进一步提升本发明的循环效率。

Claims (3)

1.一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，其特征在于，包括风扇、压气机、燃烧室、涡轮和控制器；

风扇由风扇叶片、风扇感应轮毂和风扇绕线定子组成，风扇叶片安装在风扇感应轮毂上，风扇感应轮毂与风扇绕线定子同轴安装，风扇绕线定子由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，线缆与控制器的风扇控制端子连接；

压气机由若干级压气机叶片、压气机感应鼓和压气机绕线定子组成；

每级压气机叶片分别安置在一个压气机感应鼓上；每个压气机感应鼓分别对应一个压气机绕线定子，且同轴安装；压气机绕线定子由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，每个压气机绕线定子的输出线缆分别连接控制器中各单元压气机控制端子；

燃烧室内主要完成空气的等压加热过程，通过在燃烧室内喷入燃料并与压缩空气掺混、点燃，空气温度和内能迅速上升；

涡轮包括高压涡轮叶片、低压涡轮叶片、涡轮感应轮毂和涡轮绕线定子；高低压涡轮叶片分别各安置在一个涡轮感应轮毂上；每个涡轮感应轮毂分别对应一个涡轮绕线定子，且同轴安装；涡轮绕线定子由良导电体制成的线缆按一定匝数缠绕于柱状良导磁材料外部，每个涡轮绕线定子的输出线缆分别连接控制器的各级涡轮控制端子；

控制器主要由储能原件和控制原件组成；储能原件将涡轮发出的电能快速存储，经由控制原件分配后，再将不同功率、频率的电能快速输出到风扇和各单元压气机端子上，驱动风扇和各单元压气机工作在各自的设计转速上。

2.如权利要求1所述的一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，其特征在于，所述的若干级压气机叶片包括：低压单元压气机叶片，中压单元压气机叶片，次高压单元压气机叶片以及高压单元压气机叶片。

3.如权利要求1所述的一种多轴系分布式可变布雷顿循环航空发动机，其特征在于，工作原理如下：

初始，风扇由控制器通过外界起动电源供电，风扇绕线定子上通过高频交流电产生磁场，驱动由强磁材料制成的风扇感应轮毂旋转，带动风扇叶片旋转对空气做功，将空气引入压气机；

同时，压气机绕线定子上通过控制器传输的高频交流电产生磁场，驱动由强磁材料制成的压气机感应鼓旋转，安装在压气机感应鼓上的若干级压气机旋转叶片对引入的空气做功，逐级、逐单元提升空气压力，并送入燃烧室；

经由压气机压缩后的空气经过燃烧室等温加热后，成为高温高压燃气，送入涡轮机中，在高、低压涡轮叶片间完成逐级等熵膨胀，对涡轮叶片做功并带动涡轮感应轮毂旋转，将内能逐级转化为涡轮的旋转动能；由强磁材料制成的涡轮感应轮毂旋转时，涡轮绕线定子线圈中产生感应电动势，将旋转动能又转换为了电能，完成动能到电能的循环，此时断开外接电源，形成发动机内部的循环；动能转换的电能输入到控制器中，经由控制器分配和电缆传输后，驱动风扇和压气机工作。