CN111186584A - 混合动力飞行器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合动力飞行器，具有：多个旋翼(14)，其产生推动机体的推动力、燃气涡轮发动机(GT)(16)，其安装于机体，并且包括压缩机(16a)和与其一体旋转的第1涡轮(16b)、发电机(20)，其与GT的输出轴连接，进行发电、蓄电池(22)，其贮存所发的电、以及电动发电机(M/G)(24)，其与蓄电池和旋翼的旋转轴连接，在从蓄电池接受供电时驱动旋翼，另一方面，在由旋翼驱动时，进行发电，该混合动力飞行器还具有第2涡轮(26)，所述第2涡轮(26)与GT相独立设置，在被供给从GT输出的高压气体时驱动旋翼。

Description

混合动力飞行器
技术领域
本发明涉及一种混合动力飞行器，具体涉及一种具有由发电机所发的电驱动的多个旋翼，该发电机由燃气涡轮发动机驱动或由燃气涡轮发动机驱动。
背景技术
作为上述那样的混合动力飞行器，已知有专利文献1中记载的技术。在专利文献1记载的技术中，将在燃气涡轮发动机产生的高压气体通过涡轮进行旋转并提取出来，基于提取出的旋转直接驱动旋翼，或基于由提取出的旋转驱动发电机而获取的电来驱动旋翼。
专利文献1记载的技术构成为，将在燃气涡轮发动机产生的高压气体(能量)通过涡轮以旋转的方式提取出来，驱动旋翼，或者由驱动发电机而获得的电驱动旋翼，但该高压气体除作为涡轮的旋转而提取以外就是排出，在热效率这一点上留下了课题。
因此，本发明的目的在于解决上述课题而提供一种混合动力飞行器，该混合动力飞行器为具有由燃气涡轮发动机驱动或由被燃气涡轮发动机驱动的发电机所发的电驱动的多个旋翼的混合动力飞行器，其提高由燃气涡轮发动机所产生的高压气体的热效率。
现有技术文献
专利文献1：美国专利申请公开第2009/0145998号说明书。
发明内容
为实现以上目的，本发明的混合动力飞行器，具有：机体；多个旋翼，其产生推动所述机体的推动力；燃气涡轮发动机，其安装于所述机体，并包括压缩机和与所述压缩机一体旋转的第1涡轮；发电机，其与所述燃气涡轮发动机的输出轴连接，进行发电；蓄电池，其贮存由所述发电机发的(第1实施方式)
图1是整体地示出本发明的第1实施方式的混合动力飞行器的立体图，图2是收纳于图1的混合动力飞行器的机体中的燃气涡轮发动机等的说明剖视图，图3是整体地示出包含图2的混合动力飞行器的燃气涡轮发动机的构成要素的框图。
在图1等图中，附图标记10表示混合动力飞行器(以下成为“飞行器”)，飞行器10具有：机体12、产生推动机体12的推动力的四个(多个)旋翼(叶片、螺旋桨)14、安装于机体12并包括压缩机和与压缩机一体旋转的第1涡轮16b的燃气涡轮发动机(以下成为“GT”)16、与GT16的输出轴连接并发电的发电机20、贮存由发电机20所发的电的蓄电池22、与蓄电池22和旋翼14的旋转轴14s连接的四个(多个)电动发电机(图中标记为“M/G”)24，还具有与GT16相独立设置、在被供给从GT16输出的高压气体时驱动旋翼14的第2涡轮26。
机体12如图1所示为有翼机形状，呈大致椭圆形状，具有比较短小的主翼12a、比主翼12a长的水平尾翼12b、在水平尾翼12b的后端附近矗立的垂直尾翼12c。
四个环状的发动机舱12d配置于主翼12a和水平尾翼12b的机翼上，在发动机舱12d的内侧分别收纳有由上述GT16和电动发电机24驱动的四个旋翼14中的一个。在机体12的中央附近，设置包括前方侧的驾驶席和后方的乘员席在内的前后共四个席位。飞行器10构成为机体12能够垂直起落(Vertical Take-Off and Landing)。
四个旋翼14形成于主翼12a和水平尾翼12b，所述旋转轴14s包括具有与偏航轴(Z轴。重力轴)平行的旋转轴线的、公知形状的一片叶片的固定翼。四个旋翼14具体由RF(右前)的旋翼14a、RR(右后)的旋翼14b、LF(左前)的旋翼14c、LR(左后)的旋翼14d构成。另外，旋翼14的个数为2n(n≥2)时，并不限于n＝2，还可以是n＝3、n＝4等。
GT16包括如图2所示的公知的涡轮轴发动机，其包括压缩机16a和与压缩机16a一体旋转的涡轮(第1涡轮)16b、以及在它们之间形成的燃烧室16c。如图1所示，GT16的输出轴(涡轮输出轴16b1)安装(配置)于与机体12的滚转轴(X轴)平行的方向。
压缩机16a具有对从开设在机体12的进气口(未图示)吸入的吸入空气进行压缩的静叶片16a1和动叶片16a2。压缩机16a和涡轮16b连接，它们通过燃料在燃烧室16c的燃烧而生成的高压气体一体旋转。所生成的高压气体从开设在机体12的排气口(未图示)排放到机体12的外部。
涡轮16b的输出轴(涡轮输出轴、即GT16的输出轴)16b1通过适当的减速机构(未图示)与发电机20连接，驱动发电机20。发电机20通过涡轮16b的驱动而发电(交流电)。
由发电机20所发的电在PDU(电源驱动单元，未图示)的整流器转换成直流电，并贮存于蓄电池22中。从蓄电池22输出的释放电经由PDU的逆变器转换成交流电，并向分别配置于四个旋翼14的四个电动发电机24供给交流电。
电动发电机24包括无刷直流电动机，通过其三相线圈(未图示)依次由蓄电池22被通电而旋转，并驱动旋翼14，另一方面，在由旋翼14驱动时发电。由电动发电机24所发的电经由PDU贮存于蓄电池22中。图3中，仅示出两个旋翼14。
第2涡轮26具体包括叶尖涡轮26a，其被供给从GT16的压缩机16a的静叶片16a1的附近抽出的高压气体，进行动作。
图4是叶尖涡轮26a等的说明剖视图，图5是叶尖涡轮26a的附近的说明俯视图，图6是叶尖涡轮26a的局部放大说明图，图7是表示从GT16向叶尖涡轮26a抽气等的说明图。
如图所示，叶尖涡轮26a收纳于对旋翼14进行收纳的环状的发动机舱12d内。即，叶尖涡轮26a配置于对旋翼14进行收纳的环状的发动机舱12d的内部，并由形成于发动机舱12d的内壁的静叶片26a1、以及与静叶片26a1对置并配置于静叶片26a1与在旋翼14的顶端形成的围带14e之间的动叶片26a2构成。
此外，如图4至图7所示，在发动机舱12d的内周面形成有环状的管12d1，在管12d1设有在GT16的压缩机16a的静叶片16a1的附近开口的喷出口26a3和抽取从压缩机16a生成的高压气体的抽气通路26a4，由此抽取出的高压气体通过抽气通路26a4从喷出口26a3喷出。
由此，在经由抽气通路26a4和喷出口26a3被供给由GT16的压缩机16a的动叶片16a2生成的高压气体时，叶尖涡轮26a随着GT16的压缩机16a的旋转(随着压缩机16a的旋转)而旋转，驱动旋翼14。叶尖涡轮26a的静叶片26a1和动叶片26a2由四十个左右构成。
如图4所示，电动发电机24的输出经由减速机30和离合器32输入到对应的旋翼14，并且叶尖涡轮26a的输出也直接供给至对应的旋翼14。
返回到图3的说明，飞行器10具有控制部(电子控制单元Electronic ControlUnit，以下称为“ECU”)36，其根据来自设置于驾驶席的FADEC(Full Authority DigitalElectronic Control，未图示)的输出，调整GT16和电动发电机24对旋翼14的驱动并控制飞行。
图8是重点示出图3的ECU(控制部)36和传感器组的框图。
ECU36如图8所示，包括具有至少一个处理器(CPU)36a和ROM、RAM等多个存储器36b、以及I/O36c的微型计算机，收纳于容器中并配置于适当的位置。
对传感器组进行说明，转速传感器40配置于GT16的涡轮输出轴16b1的附近，输出表示涡轮转速N1的信号。温度传感器42配置于在机体12开口的进气口的附近，输出表示GT入口温度T1的信号，第2温度传感器44配置于燃烧室16c的下游的适当位置，输出表示排气温度EGT的信号。第3温度传感器46配置于润滑油供给系统(未图示)的适当位置，输出表示润滑油的温度Toil的信号。
此外，压力传感器50配置于收纳ECU36的容器的内部，输出表示大气压力P0的信号，第2压力传感器52配置于GT16的进气口附近，输出表示GT入口压力P1的信号。
此外，高度计(ALT)54配置于机体12，产生表示飞行器10的高度ALT(altitude)的输出，陀螺仪传感器56配置于机体12的适当位置，产生表示机体12相对于绝对坐标轴X、Y、Z(图1中所示)中的Z轴(偏航轴)的倾斜的输出。
此外，GPS接收机60设置于机体12的适当位置，根据从卫星群获取的接收信号产生表示飞行器10的位置的输出。转速传感器62配置于分别在四个旋翼14处配置的电动发电机24的旋转轴附近，产生表示电动发电机24的转速Nm的输出，蓄电池22具有BMS(BatteryManagement System)22a，BMS22a产生表示SOC(State of Charge)的输出。
上述传感器的输出发送至ECU36和FADEC(未图示)。ECU36按照通过FADEC发送的操作者的指令对第2涡轮26(叶尖涡轮26a)的运转状态进行检测，控制旋翼14的驱动，并根据需要通过电动发电机24和第2涡轮26辅助旋翼14的驱动，从而控制飞行器10的飞行。
图9是表示ECU36的动作，即本实施方式的飞行器10的动作的流程图，图10至图12是表示飞行器10的起落时和回旋时、巡航时以及仅用蓄电池的电力进行飞行时的动作的、与图3相同的框图。
首先，在S10(S：处理步骤)中，读取操作者输入(指示)的目的地、飞行路线等飞行任务，并进入S12，向GT16供给燃料，进行驱动(启动)。
接下来进入S14，判断是否能够起飞，为否定(S14：否)时跳过之后的处理，另一方面，为肯定(S14：是)时进入S16，进行起飞动作。
在飞行器10中，四个旋翼14借助叶尖涡轮26a(第2涡轮26)或叶尖涡轮26a(第2涡轮26)和电动发电机24，例如通过使由旋翼14a、14d构成的一组向某一方向、如CW(顺时针方向)旋转并使由旋翼14b、14c构成的另一组向其反方向的CCW(逆时针方向)旋转，由此使飞行器10保持水平姿势。
在起飞动作中，为了获取必要的升力，如图10所示，除了第2涡轮26外，还由电动发电机24的旋转进行辅助，控制使四个旋翼14的转速均匀地增加。
另外，所述图10至图12中的阴影区域，对于蓄电池22来说，其大小是表示SOC的程度，对于其他要素来说，表示正在工作中。此外，要素(设备)之间用粗线连结的情况表示输送驱动力，用细线连结的情况表示不输送驱动力。如前所述，仅示出两个旋翼14。
接下来进入S18，根据高度计54的输出，判断飞行器10是否达到了预定的高度，换言之，判断是否完成了起飞动作，为否定(S18：否)时返回至S16，另一方面，为肯定(S18：是)时进入S20，进行飞行动作。
在飞行动作中，根据陀螺仪传感器56的输出，按照操作者的指令，一边对机体12的姿势进行微调整，一边向所输入的目的地飞行。例如通过使四个旋翼14中前部的旋翼14a、14c的转速下降，并使后部的旋翼14b、14d的转速上升来控制飞行方向。
关于回旋，例如想要向右回旋时，使四个旋翼14中右侧的两个旋翼14a、14b的转速下降，并使左侧的两个旋翼14c、14d的转速上升，由此控制旋翼14的驱动，以利用转速较高侧的旋翼14的反作用力使机体12向所希望的方向回旋。
具体地说，如图10所示，以除了叶尖涡轮26a的输出外，向转速增加一侧的旋翼14还施加电动发电机24的旋转的方式进行控制。回旋的幅度通过电动发电机24对旋翼14的转速进行的增减来进行调整。由此，能够有效地驱动旋翼14。
另外，在旋转控制(绕偏航轴旋转)中，为了使机体12向CCW旋转，使旋翼14中例如CW旋转侧的旋翼14a、14d的转速上升，并使CCW侧的旋翼14b、14c的转速下降地进行控制。为了使机体12向CW旋转则与上述相反。
此外，如图11所示，在以低速度直行的巡航模式下，与回旋时、起飞时相比较，旋翼14的驱动力降低，因此停止电动发电机24的驱动，仅由第2涡轮26(叶尖涡轮26a)驱动旋翼14。由此，能够提高能效。
此外，飞行器10为具有主翼12a和水平尾翼12b等的有翼机形状，能够短时间从空中滑降。因此，如图12所示，也能够停止GT16的驱动，仅由被贮存于蓄电池22中的电驱动的电动发电机24来驱动旋翼14。由此，同样能够提高能效。
返回至图9的流程图，接下来进入S22，根据GPS接收机60等的输出，判断是否达到了目的地的上空，为否定(S22：否)时，返回至S20，另一方面，肯定(S22：是)时进入S24，进入到降落动作。
使四个旋翼14的所有转速逐渐降低，直至在S26中根据WOW传感器(未图示)等的输出判断为着陆，由此进行降落动作。具体地说，如图10所示，通过由旋翼14驱动电动发电机24而产生再生(发电)，使转速降低。
这里，返回至图3，对配置于GT16和叶尖涡轮26a(第2涡轮26)之间的热交换器80进行说明。
通过以这种方式将热交换器80配置于图示的位置，冷却在GT16生成的高压气体的温度并向叶尖涡轮26a供给，由此能够降低叶尖涡轮26a的电；以及电动发电机，其与所述蓄电池和所述旋翼的旋转轴连接，在从所述蓄电池接受供电时驱动所述旋翼，另一方面，在由所述旋翼驱动时发电，该混合动力飞行器还具有第2涡轮，所述第2涡轮与所述燃气涡轮发动机相独立设置，在被供给从所述燃气涡轮发动机输出的高压气体时驱动所述旋翼。
附图说明
图1是整体地示出本发明的第1实施方式的混合动力飞行器的立体图。
图2是收纳于图1的混合动力飞行器的机体中的燃气涡轮发动机等的说明剖视图。
图3是整体地示出包括图2的混合动力飞行器的燃气涡轮发动机的构成要素的框图。
图4是图2的第2涡轮等的说明剖视图。
图5是图4的第2涡轮附近的说明俯视图。
图6是图4的第2涡轮等的局部放大说明图。
图7是表示从燃气涡轮发动机向图4的第2涡轮抽气等的说明图。
图8是重点示出图3的ECU和传感器的框图。
图9是示出图8的ECU的动作、即本实施方式的飞行器的动作的流程图。
图10是对图1的飞行器在起落时和回旋时的动作进行说明的、与图3相同的框图。
图11是对图1的飞行器在巡航时的动作进行说明的、与图3相同的框图。
图12是对图1的飞行器在仅利用蓄电池的电飞行时的动作进行说明的、与图3相同的框图。
图13是示出本发明的第2实施方式的混合动力飞行器的、燃气涡轮发动机等的说明剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对用于实施本发明的混合动力飞行器的方式进行说明。环状围带14e等的热负载。
此外，通过将进行了热交换后的高温回流至GT16的压缩机16a的上游，能够促进GT16的燃烧室16c的燃烧，能够相应地节约燃料的使用。
本实施方式如上构成，因此在具有由GT16驱动，或由被GT16驱动的发电机20所发的电驱动的多个旋翼14的混合动力飞行器10中，具有与GT16相独立设置的第2涡轮26(叶尖涡轮26a)，因此，能够提高由GT16生成的高压气体的热效率。
(第2实施方式)
图13是示意性地示出本发明的第2实施方式的混合动力飞行器的、与图2相同的GT16等的说明剖视图。
重点说明与第1实施方式的不同点，在第2实施方式中，使用由从GT16排出的排出气体进行驱动的涡轮26b作为第2涡轮26。涡轮26b与发电机20的驱动系统相独立配置，包括由从GT16的涡轮16b的下游经由导入通路16b2导入的排出气体驱动并能够驱动旋翼14的涡轮等。
第2实施方式如上构成，因此在具有由GT16驱动或者由被GT16驱动的发电机20所发出的电驱动的多个旋翼14的混合动力飞行器10中，具有与GT16相独立设置的第2涡轮26(涡轮26b)，因此同样地能够提高从GT16生成的高压气体的热效率。另外，其他结构和效果与第1实施方式相同。
如上所述，在本发明的第1、第2实施方式中，混合动力飞行器10具有：机体12；多个旋翼14，其产生推动所述机体的推动力；燃气涡轮发动机(GT)16，其安装于所述机体，并包括压缩机16a和与所述压缩机一体旋转的第1涡轮16b；发电机20，其与所述燃气涡轮发动机的输出轴(涡轮输出轴16b1)连接，进行发电；蓄电池22，其贮存由所述发电机发出的电的；以及电动发电机(M/G)24，其与所述蓄电池和所述旋翼的旋转轴连接，在从所述蓄电池接受供电时驱动所述旋翼，另一方面在由所述旋翼驱动时发电，该混合动力飞行器10还具有第2涡轮26(叶尖涡轮26a、涡轮26b)，该第2涡轮26与所述燃气涡轮发动机(GT)16相独立设置，在被供给从所述燃气涡轮发动机输出的高压气体时，驱动所述旋翼14，因此能够提高从GT16生成的高压气体的热效率。
此外，所述第2涡轮26具有多个叶尖涡轮26a，所述多个叶尖涡轮26a配置于对所述多个旋翼14进行收纳的环状的发动机舱12d的内部，具有在所述发动机舱的内壁形成的静叶片26a1、以及与该静叶片26a1对置配置的动叶片26a2，，该多个叶尖涡轮26a在被经由抽气通路26a4供给从所述燃气涡轮发动机(GT)16的压缩机16a输出的高压气体时，随着所述燃气涡轮发动机(GT)16的压缩机16a的旋转(随着旋转)而旋转，驱动所述旋翼14，因此，能够进一步提高从GT16生成的高压气体的热效率，并且还能够通过机械损耗降低来改善燃料效率。
此外，在所述燃气涡轮发动机(GT)16和所述第2涡轮26之间配置热交换器80，因此，能够进一步提高从GT16产生的高压气体的热效率，并且能够进一步地改善燃料效率。
此外，所述第2涡轮26包括由从所述燃气涡轮发动机(GT)16排出的排出气体驱动的涡轮26b，因此，同样地能够提高从GT16生成的高压气体的热效率。
此外，飞行器10具有：检测机构(传感器40等)，其对所述燃气涡轮发动机(GT)16和电动发电机(M/G)24的动作进行检测；以及控制部(ECU)36，其根据所述检测机构的输出，调整所述燃气涡轮发动机(GT)16和电动发电机(M/G)24的动作并控制飞行，因此，除了上述效果外，还能够适当地控制飞行器10的飞行。
此外，所述控制部(ECU)36在所述飞行为起飞/降落时，使所述电动发电机(M/G)24工作，因此除了上述效果外，能够进一步改善燃料效率。
此外，所述机体12能够垂直起落，因此能够容易地起落。
另外，在上述中，飞行器10设为载人人型，但还可以是无人型。此外，发电机20还可以是电动发电机。
以上结合本发明的优选实施方式对本发明进行了说明，但本领域技术人员应容易地理解为，在不脱离后述权利要求书的公开范围的情况下，能够进行各种修改和变更。

Claims (7)

1.一种混合动力飞行器，具有：
机体；
多个旋翼，其产生推动所述机体的推动力；
燃气涡轮发动机，其安装于所述机体，包括压缩机和与所述压缩机一体旋转的第1涡轮；
发电机，其与所述燃气涡轮发动机的输出轴连接，进行发电；
蓄电池，其贮存由所述发电机所发的电；以及
电动发电机，其与所述蓄电池和所述旋翼的旋转轴连接，在从所述蓄电池接受供电时驱动所述旋翼，另一方面，在由所述旋翼驱动时发电，
所述混合动力飞行器的特征在于，
具有第2涡轮，所述第2涡轮与所述燃气涡轮发动机相独立设置，在被供给从所述燃气涡轮发动机输出的高压气体时驱动所述旋翼。
2.根据权利要求1所述的混合动力飞行器，其特征在于，
所述第2涡轮具有多个叶尖涡轮，所述多个叶尖涡轮配置于对所述多个旋翼进行收纳的环状的发动机舱的内部，具有在所述发动机舱的内壁形成的静叶片和与所述静叶片对置配置的动叶片，所述多个叶尖涡轮在被经由抽气通路供给从所述燃气涡轮发动机的压缩机输出的高压气体时，随着所述燃气涡轮发动机的压缩机的旋转而旋转，驱动所述旋翼。
3.根据权利要求1或2所述的混合动力飞行器，其特征在于，
在所述燃气涡轮发动机和所述第2涡轮之间配置有热交换器。
4.根据权利要求1所述的混合动力飞行器，其特征在于，
所述第2涡轮包括由从所述燃气涡轮发动机排出的排出气体驱动的涡轮。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的混合动力飞行器，其特征在于，具有：
检测机构，其对所述燃气涡轮发动机和电动发电机的动作进行检测；以及
控制部，其根据所述检测机构的输出调整所述燃气涡轮发动机和电动发电机的动作，控制飞行。
6.根据权利要求1至5中任一项所述混合动力飞行器，其特征在于，
所述控制部在所述飞行为起飞/落地时，使所述电动发电机工作。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的混合动力飞行器，其特征在于，
所述机体能够垂直起落。
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