CN109707643B - 具有高速发电功能的轴流压气机结构及燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高速发电功能的轴流压气机结构及具有该结构的燃气涡轮发动机，所述轴流压气机的转子与发电机转子形成为一体化结构，压气机机匣与发电机定子为一体化结构，有效简化了发动机‑发电机系统的结构，减小了发动机‑发电机系统的体积和结构重量，降低了设计和制造成本，提高了系统的可靠性；使用通过压气机转子通道的气流对发电机进行冷却，有效降低了高速发电机的冷却难度，简化了发电机的冷却结构；发电转子与燃气做功转子机械分离，可保证发电转子的恒转速运行，有效提高发电的电力品质。

Description

具有高速发电功能的轴流压气机结构及燃气涡轮发动机

技术领域

本发明属于航空电力推进技术领域，涉及一种压气机，具体涉及一种压气机与发电机一体化的具有高速发电功能的轴流压气机结构，以及具有该压气机结构的燃气涡轮发动机，应用于航空电力推进系统的燃气涡轮发动机与高速发电机混合动力系统。

背景技术

燃气轮机发电由于具有效率高、经济性好等特点在工业发电中应用广泛。由于发电机、电池等电力系统的尺寸大、重量大，严重降低了动力系统的比功率或者功重比，因此，传统的由热力发动机、发电机、电池和电动机组成的动力系统很难用于航空电力推进。

用燃气涡轮发动机驱动高速发电机发电的混合动力系统由于体积和重量的大幅降低，是航空电力推进系统发展的一个重要方向。目前，发电机广泛采用的转子主要结构型式为图1所示的轮齿式结构。高速发电机用于航空电力推进存在以下几个问题：1)体积和重量大，特别是发动机的结构变得更为复杂，增加了设计和制造的难度和成本；2)高速发电机由于发热量大而存在散热困难，需要进行强效换热设计的问题，额外增加了发电机的结构复杂性；3)发电机与发动机转子直联，由于发电机与发动机的特性差异导致发动机控制系统复杂且转速调节的稳定性较差，即发电品质较差。

发明内容

针对现有技术所存在的以上技术问题，结合航空燃气涡轮发动机的特点，本发明提出了一种具有高速发电功能的轴流压气机及具有该结构的燃气涡轮发动机，其中轴流压气机的转子与发电机转子、以及压气机机匣与发电机定子均形成为一体化结构，有效简化了发动机-发电机系统的结构，减小了发动机-发电机系统的体积和结构重量，降低了设计和制造成本，提高了系统的可靠性；使用通过压气机转子通道的气流对发电机进行冷却，有效降低了高速发电机的冷却难度，简化了发电机的冷却结构；发电转子与燃气做功转子机械分离，可保证发电转子的恒转速运行，有效避免发电机突卸载荷而飞车的情况，有效提高发电的电力品质。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种具有高速发电功能的轴流压气机结构，包括一体化转子、一体化机匣和压气机静子，所述压气机静子同轴设置在所述一体化转子的下游，所述一体化转子、压气机静子形成一完整的发动机压气机级，其特征在于，

所述一体化转子包括轴流转子叶片和叶轮盘，所述轴流转子叶片沿周向均布在所述叶轮盘上，每一所述轴流转子叶片由航空翼型沿展向积叠构型，且每一所述轴流转子叶片均采用铁磁性材料制成，使得所述一体化转子既形成为轴流压气机转子，又形成为发电机转子，既用于压缩空气也用于发电，

所述一体化机匣同轴套设在所述一体化转子的外围，且在所述一体化机匣对应所述一体化转子的轴向位置处设置一环形支撑，所述环形支撑上布置有发电机定子线圈，使得所述一体化机匣既形成为压气机机匣，又构成为发电机定子，所述轴流转子叶片与所述一体化机匣之间的通道构成压气机的气流通道，来流通过该气流通道时，一方面被所述一体化转子压缩为高压气体，另一方面可吸收所述一体化转子与一体化机匣发电产生的热量。

优选地，所述环形支撑上沿周向均布有多个磁铁铁芯，每一所述磁铁铁芯上设有一线圈绕组，所述磁铁铁芯及线圈绕组构成所述发电机定子线圈。

优选地，为同时保证发电效率和压缩效率，所述轴流转子叶片的轴向安装角β设置为15°～35°。本专利的发明人发现，为提高发电效率，则要求轴流转子叶片的轴向安装角宜接近0°设置，即将轴流转子叶片沿轴向设置；而为提高压缩效率，则要求轴流转子叶片拥有较大的叶片安装角，为同时保证发电效率和压缩效率，本专利经过优化后获得轴流转子叶片的最佳轴向安装角β设置为15°～35°。

进一步地，所述轴流转子叶片最大厚度T与叶片弦长C的比值T/C设置为8％～15％。本专利中的一体化转子兼具发电机转子和轴流压气机转子双重功能，为提高发电机转子的功率密度，需要增大轴流转子叶片和机匣的重合面积，而为了提高作为压气机转子时叶片的抗弯能力，需要增加轴流转子叶片的最大厚度，因而本专利中将轴流转子叶片最大厚度T与叶片弦长C的比值T/C设置为8％～15％。

根据本发明的另一方面，还提供了一种燃气涡轮发动机，包括沿轴向依次设置的压气机低压转子、压气机高压转子和涡轮，其中，

所述压气机低压转子为本发明的上述具有高速发电功能的轴流压气机，

所述压气机低压转子、压气机高压转子分别由不同的涡轮驱动，

发动机运行时，通过改变所述压气机高压转子的转速以调节发动机的发电量，发动机状态变化时，高速发电的轴流压气机转子保持转速恒定，从而提高发电机输出电力的品质。

同现有技术相比，本发明所提出的具有高速发电功能的轴流压气机结构及具有该结构的燃气涡轮发动机具有以下特点：1)结构紧凑、体积小、可靠性高：发电机与轴流压气机转子、机匣一体化，有效简化了发动机-发电机系统的结构，减小了发动机-发电机系统的体积和结构重量，降低了设计和制造成本，提高了系统的可靠性；2)简化的冷却结构：可使用通过轴流压气机气流通道的气流对发电机进行冷却，有效降低了高速发电机的冷却难度，简化了发电机的冷却结构；3)发电品质好：压气机低压转子采用本发明的轴流压气机结构，并使其与压气机高压转子机械分离并由不同的涡轮独立驱动，二者仅存在气动联接关系，可保证发电转子的恒转速运行，有效提高发电的电力品质。

附图说明

图1为现有发电机所采用的轮齿式转子结构示意图；

图2为本发明的燃气涡轮发动机结构示意图；

图3为本发明的压气与发电一体化转子结构的侧视图；

图4为本发明的具有发电功能的轴流压气机结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明提出的具有高速发电功能的轴流压气机结构及具有该结构的燃气涡轮发动机，见图2～4。该轴流压气机主要由一体化转子1、一体化机匣2和压气机静子3组成。一体化转子1主要由轴流转子叶片11和叶轮盘12组成。区别于传统发电机转子的关键之处在于，该轴流转子叶片11具有发动机轴流压气机叶片的翼型结构，即轴流转子叶片11由航空翼型沿展向积叠构型，见图3。为了能够与定子相互运动时能产生电能，每一轴流转子叶片11均采用铁磁性材料制成，从而使一体化转子1既是发电机的转子又是压气机的转子，既用于发电也用于压缩空气。一体化机匣2同轴套设在一体化转子1的外围，且在一体化机匣2对应一体化转子1的轴向位置处设置一环形支撑23，环形支撑23上沿周向均布有多个磁铁铁芯21，每一磁铁铁芯21上设有一线圈绕组22，磁铁铁芯21及线圈绕组22构成发电机定子线圈，见图4。同时，一体化转子1与处于其下游的压气机静子3组成了一个完整的发动机压气机级。该轴流转子叶片11与一体化机匣2之间的空间形成为气流通道，该通道允许发动机气流通过，气流可吸收一体系化转子1和一体化机匣2发电产生的热量，对其进行有效冷却。

本专利发现，为提高发电效率，则要求轴流转子叶片的轴向安装角宜接近0°设置，即将轴流转子叶片沿轴向设置；而为提高压缩效率，则要求轴流转子叶片拥有较大的叶片安装角，为同时保证发电效率和压缩效率，为保证发电效率和压缩效率，见图3，本专利经过优化后获得轴流转子叶片11的最佳轴向安装角β设置为15°～35°。由于本专利中的一体化转子兼具发电机转子和轴流压气机转子双重功能，为提高发电机转子的功率密度，需要增大轴流转子叶片和机匣的重合面积，而为了提高作为压气机转子时叶片的抗弯能力，需要增加轴流转子叶片的最大厚度，因而本专利中将轴流转子叶片11的最大厚度T通过厚度与叶片弦长的比值T/C确定，设置为8％～15％。

如图2所示，本发明的上述具有高速发电功能的轴流压气机结构可应用于燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机包括由具有发电功能的一级轴流压气机形成的压气机低压转子、轴流压气机转轴4、发动机高压转子5、燃烧室以及换热器6等组成，其中，轴流压气机转轴4上设置一体化转子1。一体化转子1与发动机高压转子4结构相互独立，分别由不同的燃气涡轮驱动，完全由气动方式联接。发动机稳定运行时一体化转子1转速恒定，发动机状态变化时，通过改变压气机高压转子5的转速以适应发动机的状态变化量，而一体化转子1则保持转速恒定，从而提高发电机输出电力的品质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (3)

1.一种燃气涡轮发动机，包括具有高速发电功能的轴流压气机、压气机高压转子和燃气涡轮，所述轴流压气机包括一体化转子、一体化机匣和压气机静子，所述压气机静子同轴设置在所述一体化转子的下游，所述一体化转子、压气机静子形成一完整的发动机压气机级，其特征在于，

所述一体化转子包括轴流转子叶片和叶轮盘，所述轴流转子叶片沿周向均布在所述叶轮盘上，每一所述轴流转子叶片由航空翼型沿展向积叠构型，且每一所述轴流转子叶片均采用铁磁性材料制成，使得所述一体化转子既形成为轴流压气机转子，又形成为发电机转子，既用于压缩空气也用于发电，

所述一体化机匣同轴套设在所述一体化转子的外围，且在所述一体化机匣对应所述一体化转子的轴向位置处设置一环形支撑，所述环形支撑上布置有发电机定子线圈，使得所述一体化机匣既形成为压气机机匣，又构成为发电机定子，

所述轴流转子叶片与所述一体化机匣之间的通道构成压气机的气流通道，来流通过该气流通道时，一方面被所述一体化转子压缩为高压气体，另一方面可吸收所述一体化转子与一体化机匣发电产生的热量；

为同时保证发电效率和压缩效率，所述轴流转子叶片的轴向安装角β设置为15°～35°；

所述压气机高压转子设置在所述轴流压气机的下游，所述轴流压气机的一体化转子与压气机高压转子在结构上相互独立，并分别由不同的燃气涡轮驱动，发动机稳定运行时，所述轴流压气机的一体化转子的转速恒定，发动机状态变化时，通过改变所述压气机高压转子的转速以适应发动机的状态变化量，以保持所述轴流压气机的一体化转子的转速恒定，从而提高发电机输出电力的品质。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述环形支撑上沿周向均布有多个磁铁铁芯，每一所述磁铁铁芯上设有一线圈绕组，所述磁铁铁芯及线圈绕组构成所述发电机定子线圈。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述轴流转子叶片最大厚度T与叶片弦长C的比值T/C设置为8％～15％。

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