CN110725748A - 一种微型涡轮电混合分布式动力装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型涡轮电混合分布式动力装置，包括高速发电机、内嵌电机、涡轮发动机，所述涡轮发动机、高速发电机和内嵌电机通过花键套齿直接连接，具有高航程、低能耗的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势，油电混合动力系统，与传统的发动机和纯电动系统相比，它增加了动力系统部件的种类和组合方式,并根据飞机的飞行剖面对系统工作方式进行了优化组合，使其作为主动源的传统发动机能够在经济运行区和低排放区工作，以保证飞机良好的动力性、低排放性和低能耗性，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型涡轮电混合分布式动力装置。
背景技术
随着能源危机与环境污染的日益严重， 发展新能源飞机是一个必然趋势，虽然电作为清洁能源则是首选方案。 由于受电池技术的制约，混合能源为目前行业研究的新趋势。目前世界上多电无人机的发展较快，对高功重比涡轮发电技术有较大需求，可发挥燃油的高能量密度优势，提高无人机航程。目前我国在涡轮发电技术市场上尚未有成熟技术，没有满足实用门槛的原理样机。国内在微型燃机领域有相关产品，但功重比较低无法满足航空门槛要求，传统的涡轮发动机，其功率不能储存。采用油电混合动力系统，可以利用电池储存功率的特点，实现瞬间功率提升。因此油电混合动力可以综合燃油的高能量密度优势和电池储能优势。纯电动飞机电池的能量密度是限制其飞行航距和使用范围的重要原因。微型涡轮发电系统具有纯电动系统无可比拟的能量密度优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型涡轮电混合分布式动力装置，以解决上述技术问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：一种微型涡轮电混合分布式动力装置，包括高速发电机、发电机转子、发电机永磁体、发电机定子及绕组、发电机机壳、内嵌电机、轴流式压气机转子、轴流式压气机静子、内嵌电机转子、内嵌电机定子、内嵌电机绕组、电机机匣、内嵌电机轴承、涡轮发动机、涡轮发动机压气机、涡轮发动机扩压器、涡轮发动机燃烧室、涡轮发动机前轴承、涡轮发动机涡轮定子、涡轮发动机涡轮转子、涡轮发动机后轴承、涡轮发动机轴，其特征在于：所述涡轮发动机、高速发电机和内嵌电机通过花键套齿直接连接，所述涡轮发动机采用轴流式压气机转子、轴流式压气机静子、涡轮发动机压气机、涡轮发动机涡轮定子、涡轮发动机涡轮转子、涡轮发动机燃烧室构成，所述轴流式压气机转子安装在内嵌电机的左端，所述轴流式压气机静子安装在内嵌电机的内部，轴流式压气机转子和轴流式压气机静子按顺序交错排列，所述涡轮发动机通过涡轮发动机压气机与内嵌电机相连接，所述涡轮发动机燃烧室安装在涡轮发动机的内部两侧，所述涡轮发动机涡轮定子安装在涡轮发动机燃烧室的内侧，所述涡轮发动机涡轮转子贯穿涡轮发动机的内部，所述涡轮发动机前轴承、涡轮发动机后轴承均采用成对的角接触陶瓷球轴承，其中涡轮发动机前轴承安装于涡轮发动机扩压器处，涡轮发动机后轴承安装在涡轮发动机涡轮定子处，两个角接触轴承面对面安装，所述高速发电机安装于发动机前部，通过套齿与涡轮发动机轴直接连接，所述轴流式压气机静子安装在轴流式压气机转子的内侧，所述发电机机壳安装在高速发电机的外部，所述发电机定子及绕组安装在发电机机壳的内侧，所述发电机永磁体安装在发电机定子及绕组的内侧，所述发电机转子安装在发电机定子及绕组是左端，所述内嵌电机轴承为相背设置，安装于轴流式压气机转子与内嵌电机转子之间，轴流式压气机静子同时作为轴承的端盖，所述电机机匣通过内嵌电机定子安装在内嵌电机的两侧，所述内嵌电机绕组安装在内嵌电机的内部。
在上述技术方案基础上，所述涡轮发动机在起动过程中可以作为起动机使用，在涡轮发动机达到慢车转速后，由涡轮发动机带动高速发电机运转，涡轮发动机进气的抽吸作用带动高速发电机周围气流，用于发电机机壳的散热，涡轮发动机其承力采用外承力结构，结构刚度较大，压气机前机匣为涡轮发动机压气机主承力机匣，通过螺栓与压气机静子机匣连接，将前机匣的轴向力向外传递，二级涡轮静子机匣为次承力机匣，负责承载后轴承传出的径向力，径向力通过燃烧室外机匣传递至压气机前机匣上，同时承载二级涡轮静子的扭矩，一、二级涡轮静子之间为简单圆柱面配合，不进行定位，只做定心作用，作为气流密封与装配的轴向间隙补偿。
在上述技术方案基础上，所述涡轮发动机扩压器采用轴向径向一体化三维管式扩压器。
在上述技术方案基础上，所述涡轮发动机燃烧室采用环形回流燃烧室，包括火焰筒、输油圈、点火器、蒸发管和燃烧室壳体，且涡轮发动机涡轮定子、涡轮发动机涡轮转子安装在涡轮发动机燃烧室出口的后方。
在上述技术方案基础上，所述涡轮发动机内部嵌入有内嵌电机，用于发动机的起动及发电，电机布置于轴流式压气机与离心式压气机中间，内嵌电机定子、内嵌电机转子伸入涡轮发动机压气机的中空部分，嵌入式电机与轴流式压气机部分组合为单元体结构，内嵌电机定子的绕组电路从电机机匣的承力支板处引出。
在上述技术方案基础上，所述内嵌电机采用双极数径向式瓦片型转子磁路结构，采用耐高温双组份环氧树脂结构胶将永磁体粘贴于涡轮发动机主轴上，保护套和永磁体之间采用过盈配合，定子结构选用冷轧无取向硅钢片，依设计的绕组形式和线规进行绕组制作并进行嵌线和绝缘处理。
在上述技术方案基础上，所述内嵌电机定子采用螺旋油路油冷，内嵌电机转子的冷却采用从轴流压气机后引一股气流，经过气隙后进入空心轴腔，通过尾喷管对空心轴腔的引射作用排出，外壳采用轴流式压气机转子和涡轮发动机压气机级间气流进行风冷。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：（1）涡轮发电技术可以综合燃油的高能量密度优势和电池的储能优势；（2）油电混合分布式动力装置，可以提高动力系统的推进效率；（3）油电混合动力可以让动力的分布与传输更自由；（4）油电混合动力，与常规涡轮动力方式相比，可以更好的匹配不同状态的动力系统需求与效率；（5）油电混合动力，可以让涡轮发动机长期工作在较高的效率状态，与纯电动飞机相比，以涡轮、电混合分布式动力系统为基础的飞行器，融合了传统动力飞机和电动无人机优点，在世界范围内正成为新能源飞行器研发的新热点，油电混合动力飞机具有高航程、低能耗的特点以及技术、经济和环境等方面的综合优势，油电混合动力系统，与传统的发动机和纯电动系统相比，它增加了动力系统部件的种类和组合方式,并根据飞机的飞行剖面对系统工作方式进行了优化组合，使其作为主动源的传统发动机能够在经济运行区和低排放区工作，以保证飞机良好的动力性、低排放性和低能耗性。
附图说明
图1为本发明的装置截面图。
图中：高速发电机1、发电机转子1-1、发电机永磁体1-2、发电机定子及绕组1-3、发电机机壳1-4、内嵌电机2、轴流式压气机转子2-1、轴流式压气机静子2-2、内嵌电机转子2-3、内嵌电机定子2-4、内嵌电机绕组2-5、电机机匣2-6、内嵌电机轴承2-7、涡轮发动机3、涡轮发动机压气机3-1、涡轮发动机扩压器3-2、涡轮发动机燃烧室3-3、涡轮发动机前轴承3-4、涡轮发动机涡轮定子3-5、涡轮发动机涡轮转子3-6、涡轮发动机后轴承3-7、涡轮发动机轴3-8。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
如图所示，一种微型涡轮电混合分布式动力装置，包括：高速发电机1、发电机转子1-1、发电机永磁体1-2、发电机定子及绕组1-3、发电机机壳1-4、内嵌电机2、轴流式压气机转子2-1、轴流式压气机静子2-2、内嵌电机转子2-3、内嵌电机定子2-4、内嵌电机绕组2-5、电机机匣2-6、内嵌电机轴承2-7、涡轮发动机3、涡轮发动机压气机3-1、涡轮发动机扩压器3-2、涡轮发动机燃烧室3-3、涡轮发动机前轴承3-4、涡轮发动机涡轮定子3-5、涡轮发动机涡轮转子3-6、涡轮发动机后轴承3-7、涡轮发动机轴3-8，其特征在于：所述涡轮发动机3、高速发电机1和内嵌电机2通过花键套齿直接连接，所述涡轮发动机3采用轴流式压气机转子2-1、轴流式压气机静子2-2、涡轮发动机压气机3-1、涡轮发动机涡轮定子3-5、涡轮发动机涡轮转子3-6、涡轮发动机燃烧室3-3构成，所述轴流式压气机转子2-1安装在内嵌电机2的左端，所述轴流式压气机静子2-2安装在内嵌电机2的内部，轴流式压气机转子2-1和轴流式压气机静子2-2按顺序交错排列，所述涡轮发动机3通过涡轮发动机压气机3-1与内嵌电机2相连接，所述涡轮发动机燃烧室3-3安装在涡轮发动机3的内部两侧，所述涡轮发动机涡轮定子3-5安装在涡轮发动机燃烧室3-3的内侧，所述涡轮发动机涡轮转子3-6贯穿涡轮发动机3的内部，所述涡轮发动机前轴承3-4、涡轮发动机后轴承3-7均采用成对的角接触陶瓷球轴承，其中涡轮发动机前轴承3-4安装于涡轮发动机扩压器3-2处，涡轮发动机后轴承3-7安装在涡轮发动机涡轮定子3-5处，两个角接触轴承面对面安装，所述高速发电机1安装于发动机前部，通过套齿与涡轮发动机轴3-8直接连接，所述轴流式压气机静子2-2安装在轴流式压气机转子2-1的内侧，所述发电机机壳1-4安装在高速发电机1的外部，所述发电机定子及绕组1-3安装在发电机机壳1-4的内侧，所述发电机永磁体1-2安装在发电机定子及绕组1-3的内侧，所述发电机转子1-1安装在发电机定子及绕组1-3是左端，所述内嵌电机轴承2-7为相背设置，安装于轴流式压气机转子2-1与内嵌电机转子2-3之间，轴流式压气机静子2-2同时作为轴承的端盖，所述电机机匣2-6通过内嵌电机定子2-4安装在内嵌电机2的两侧，所述内嵌电机绕组2-5安装在内嵌电机2的内部，所述涡轮发动机3在起动过程中可以作为起动机使用，在涡轮发动机3达到慢车转速后，由涡轮发动机3带动高速发电机1运转，涡轮发动机3进气的抽吸作用带动高速发电机1周围气流，用于发电机机壳1-4的散热，涡轮发动机3其承力采用外承力结构，结构刚度较大，压气机前机匣为涡轮发动机压气机3-1主承力机匣，通过螺栓与压气机静子机匣连接，将前机匣的轴向力向外传递，二级涡轮静子机匣为次承力机匣，负责承载后轴承传出的径向力，径向力通过燃烧室外机匣传递至压气机前机匣上，同时承载二级涡轮静子的扭矩，一、二级涡轮静子之间为简单圆柱面配合，不进行定位，只做定心作用，作为气流密封与装配的轴向间隙补偿，所述涡轮发动机扩压器3-2采用轴向径向一体化三维管式扩压器，所述涡轮发动机燃烧室3-3采用环形回流燃烧室，包括火焰筒、输油圈、点火器、蒸发管和燃烧室壳体，且涡轮发动机涡轮定子3-5、涡轮发动机涡轮转子3-6安装在涡轮发动机燃烧室3-3出口的后方，所述涡轮发动机3内部嵌入有内嵌电机2，用于发动机的起动及发电，电机布置于轴流式压气机与离心式压气机中间，内嵌电机定子2-4、内嵌电机转子2-3伸入涡轮发动机压气机3-1的中空部分，嵌入式电机与轴流式压气机部分组合为单元体结构，内嵌电机定子2-4的绕组电路从电机机匣的承力支板处引出，所述内嵌电机2采用双极数径向式瓦片型转子磁路结构，采用耐高温双组份环氧树脂结构胶将永磁体粘贴于涡轮发动机主轴上，保护套和永磁体之间采用过盈配合，定子结构选用冷轧无取向硅钢片，依设计的绕组形式和线规进行绕组制作并进行嵌线和绝缘处理，所述内嵌电机定子2-4采用螺旋油路油冷，内嵌电机转子2-3的冷却采用从轴流压气机后引一股气流，经过气隙后进入空心轴腔，通过尾喷管对空心轴腔的引射作用排出，外壳采用轴流式压气机转子2-1和涡轮发动机压气机3-1级间气流进行风冷。
本发明通过发电机转子与涡轮发动机共用主轴，并将发电机置于涡轮发动机进口前端的气流通道内，将涡轮发动机进口前端原本无法利用的空间充分利用起来；在发电机前端设置轴流压气机，与涡轮发动机离心压气机形成空气的级间流动对发电机进行冷却；发电机与涡轮发动机在同一转速下工作，取消其他涡轮发动机在驱动发电机时常用的减速传动机构，实现减重；将发电机内嵌至涡轮发动机的结构中，发电机与涡轮发电机共用主轴，发电机置于涡轮发动机进口前端，使用涡轮发动机进口高马赫数气流对发电机进行风冷，省去发电机的风冷系统，从而最大程度的减轻发电机转子组件的重量和冷却系统的重量；利用涡轮发动机的高马赫数进口气流，巧妙的设计风路对发电机外壳和涡轮发动机轴承进行风冷；同时对于发电机定子组件，可利用涡轮发动机燃油对其进行油冷，一体化的冷却和润滑设计对提高涡轮发电系统的功重比非常有利；为提高燃烧效率，涡轮/电混合分布式动力燃烧室部件采用回流式环形燃烧室，大大降低了微型涡轮发动机的轴向尺寸，燃油通过12根蒸发管进入燃烧室，在蒸发管内就和部分高压空气进行混合，高温使得蒸发管内的混合气得以充分蒸发，进而在燃烧室内和高压空气进一步混合得以充分燃烧，实现燃烧室的高效，通过精心设计燃烧室的进气孔使混合油气稳定燃烧并与冷却气流充分混合，进而保证燃烧室出口温度平均，燃烧室将进行稳定点火试验、结构翘曲试验、变油气比工况稳定燃烧试验等。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微型涡轮电混合分布式动力装置，包括高速发电机（1）、发电机转子（1-1）、发电机永磁体（1-2）、发电机定子及绕组（1-3）、发电机机壳（1-4）、内嵌电机（2）、轴流式压气机转子（2-1）、轴流式压气机静子（2-2）、内嵌电机转子（2-3）、内嵌电机定子（2-4）、内嵌电机绕组（2-5）、电机机匣（2-6）、内嵌电机轴承（2-7）、涡轮发动机（3）、涡轮发动机压气机（3-1）、涡轮发动机扩压器（3-2）、涡轮发动机燃烧室（3-3）、涡轮发动机前轴承（3-4）、涡轮发动机涡轮定子（3-5）、涡轮发动机涡轮转子（3-6）、涡轮发动机后轴承（3-7）、涡轮发动机轴（3-8），其特征在于：所述涡轮发动机（3）、高速发电机（1）和内嵌电机（2）通过花键套齿直接连接，所述涡轮发动机（3）采用轴流式压气机转子（2-1）、轴流式压气机静子（2-2）、涡轮发动机压气机（3-1）、涡轮发动机涡轮定子（3-5）、涡轮发动机涡轮转子（3-6）、涡轮发动机燃烧室（3-3）构成，所述轴流式压气机转子（2-1）安装在内嵌电机（2）的左端，所述轴流式压气机静子（2-2）安装在内嵌电机（2）的内部，轴流式压气机转子（2-1）和轴流式压气机静子（2-2）按顺序交错排列，所述涡轮发动机（3）通过涡轮发动机压气机（3-1）与内嵌电机（2）相连接，所述涡轮发动机燃烧室（3-3）安装在涡轮发动机（3）的内部两侧，所述涡轮发动机涡轮定子（3-5）安装在涡轮发动机燃烧室（3-3）的内侧，所述涡轮发动机涡轮转子（3-6）贯穿涡轮发动机（3）的内部，所述涡轮发动机前轴承（3-4）、涡轮发动机后轴承（3-7）均采用成对的角接触陶瓷球轴承，其中涡轮发动机前轴承（3-4）安装于涡轮发动机扩压器（3-2）处，涡轮发动机后轴承（3-7）安装在涡轮发动机涡轮定子（3-5）处，两个角接触轴承面对面安装，所述高速发电机（1）安装于发动机前部，通过套齿与涡轮发动机轴（3-8）直接连接，所述轴流式压气机静子（2-2）安装在轴流式压气机转子（2-1）的内侧，所述发电机机壳（1-4）安装在高速发电机（1）的外部，所述发电机定子及绕组（1-3）安装在发电机机壳（1-4）的内侧，所述发电机永磁体（1-2）安装在发电机定子及绕组（1-3）的内侧，所述发电机转子（1-1）安装在发电机定子及绕组（1-3）是左端，所述内嵌电机轴承（2-7）为相背设置，安装于轴流式压气机转子（2-1）与内嵌电机转子（2-3）之间，轴流式压气机静子（2-2）同时作为轴承的端盖，所述电机机匣（2-6）通过内嵌电机定子（2-4）安装在内嵌电机（2）的两侧，所述内嵌电机绕组（2-5）安装在内嵌电机（2）的内部。
2.根据权利要求1所述的一种微型涡轮电混合分布式动力装置，其特征在于：所述涡轮发动机（3）在起动过程中可以作为起动机使用，在涡轮发动机（3）达到慢车转速后，由涡轮发动机（3）带动高速发电机（1）运转，涡轮发动机（3）进气的抽吸作用带动高速发电机（1）周围气流，用于发电机机壳（1-4）的散热，涡轮发动机（3）其承力采用外承力结构，结构刚度较大，压气机前机匣为涡轮发动机压气机（3-1）主承力机匣，通过螺栓与压气机静子机匣连接，将前机匣的轴向力向外传递，二级涡轮静子机匣为次承力机匣，负责承载后轴承传出的径向力，径向力通过燃烧室外机匣传递至压气机前机匣上，同时承载二级涡轮静子的扭矩，一、二级涡轮静子之间为简单圆柱面配合，不进行定位，只做定心作用，作为气流密封与装配的轴向间隙补偿。
3.根据权利要求1所述的一种微型涡轮电混合分布式动力装置，其特征在于：所述涡轮发动机扩压器（3-2）采用轴向径向一体化三维管式扩压器。
4.根据权利要求1所述的一种微型涡轮电混合分布式动力装置，其特征在于：所述涡轮发动机燃烧室（3-3）采用环形回流燃烧室，包括火焰筒、输油圈、点火器、蒸发管和燃烧室壳体，且涡轮发动机涡轮定子（3-5）、涡轮发动机涡轮转子（3-6）安装在涡轮发动机燃烧室（3-3）出口的后方。
5.根据权利要求1所述的一种微型涡轮电混合分布式动力装置，其特征在于：所述涡轮发动机（3）内部嵌入有内嵌电机（2），用于发动机的起动及发电，电机布置于轴流式压气机与离心式压气机中间，内嵌电机定子（2-4）、内嵌电机转子（2-3）伸入涡轮发动机压气机（3-1）的中空部分，嵌入式电机与轴流式压气机部分组合为单元体结构，内嵌电机定子（2-4）的绕组电路从电机机匣的承力支板处引出。
6.根据权利要求1所述的一种微型涡轮电混合分布式动力装置，其特征在于：所述内嵌电机（2）采用双极数径向式瓦片型转子磁路结构，采用耐高温双组份环氧树脂结构胶将永磁体粘贴于涡轮发动机主轴上，保护套和永磁体之间采用过盈配合，定子结构选用冷轧无取向硅钢片，依设计的绕组形式和线规进行绕组制作并进行嵌线和绝缘处理。
7.根据权利要求1所述的一种微型涡轮电混合分布式动力装置，其特征在于：所述内嵌电机定子（2-4）采用螺旋油路油冷，内嵌电机转子（2-3）的冷却采用从轴流压气机后引一股气流，经过气隙后进入空心轴腔，通过尾喷管对空心轴腔的引射作用排出，外壳采用轴流式压气机转子（2-1）和涡轮发动机压气机（3-1）级间气流进行风冷。
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