CN113104220A - 多电混合动力系统 - Google Patents
多电混合动力系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113104220A CN113104220A CN202110509108.3A CN202110509108A CN113104220A CN 113104220 A CN113104220 A CN 113104220A CN 202110509108 A CN202110509108 A CN 202110509108A CN 113104220 A CN113104220 A CN 113104220A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- shaft motor
- low
- pressure shaft
- pressure
- motor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 70
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 51
- 238000013461 design Methods 0.000 description 24
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 10
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 6
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 1
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 description 1
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 description 1
- 239000000112 cooling gas Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
- B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
- B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
- B64D27/026—Aircraft characterised by the type or position of power plants comprising different types of power plants, e.g. combination of a piston engine and a gas-turbine
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
- B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
- B64D27/40—Arrangements for mounting power plants in aircraft
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/40—Weight reduction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
本发明公开了一种多电混合动力系统，它包括高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；低压轴电机，所述的低压轴电机连接第二动力转换装置；所述的高压轴电机与低压轴电机连接；储能系统，所述的储能系统分别与高压轴电机、低压轴电机连接；电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机、低压轴电机和储能系统连接。本发明的有益效果在于：它能够显著提高现有动力系统的效率，并解决瞬时高功率输出的问题，在实现储能功能的同时，有望降低储能系统的价格、体积、重量等。
Description
技术领域
本发明属于动力装置技术领域，具体涉及一种多电混合动力系统。
背景技术
采用叶轮机械的动力，例如燃气轮机等广泛应用于发电、航空推进、船舶推进等行业。以燃气轮机为例，传统的燃气轮机通常针对某工况进行设计，在设计工况下具有较高的效率和良好的稳定性。但是燃气轮机经常会在非设计工况下工作。例如发电用的燃气轮机经常处于部分负荷运行状态，其效率会小于设计状态。涡扇、涡轴等航空燃气轮机在不同的高度和速度下工作，工况变化很大。在非设计工况点下，航空燃气轮机效率降低，同时还面临着旋转失速等稳定性问题。
造成非设计工况下发动机效率降低的主要原因之一在于传统燃气轮机设计时受到的约束，例如同轴的涡轮和压气机转速要相等、同轴的涡轮输出功和压气机输入功相等。对于双轴的燃气轮机来说，高低压轴的转速要满足一定关系等。这些约束使得燃气轮机一旦偏离了设计工况条件，压气机或者涡轮部件就要偏离设计工况点，形成流动分离等，严重影响燃气轮机的性能。
近年来，随着电源和电储能技术飞速发展，大量针对电推进飞机的研究使得相关的电机水平得到了极大的提高。目前已有航空发动机中也有直接从轴上提取上百千瓦的功率，用于机载设备。这些多电航空发动机基本原理是在涡轮和压气机上还安装一个电机。该电机可以从轴上直接提取较大的功率进行发电。有些多电航空发动机还会配有一个储电系统和电机协同工作。有些多电燃气轮机系统还可以通过功率反哺，将电能加到轴上，从而部分解耦了“同轴的涡轮输出功和压气机输入功相等”这一约束，提高了燃气轮机在非设计工况条件下的性能。
不过，目前多电燃气轮机仍然面临着很多问题，例如：
(1)电力提取的控制系统复杂。由于现有发动机在设计点性能接近最优，直接进行设计点功率提取轻则会降低发动机性能，重则影响发动机寿命和稳定性；多工况下多电发动机的提取功率策略难以确定。
(2)储能系统重量大。为了更好的发挥多电发动机的能力，例如提高短时间内高功率电能释放，延长电能反哺时间等，混合动力系统要配套一个具有足够容量的储能系统，使得储能系统价格昂贵、体积大、重量大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多电混合动力系统，它能够显著提高现有动力系统的效率，并解决瞬时高功率输出的问题，在实现储能功能的同时，有望降低储能系统的价格、体积、重量等。
本发明的技术方案如下：多电混合动力系统，它包括
高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；
低压轴电机，所述的低压轴电机连接第二动力转换装置；
所述的高压轴电机与低压轴电机连接；
储能系统，所述的储能系统分别与高压轴电机、低压轴电机连接；
电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机、低压轴电机和储能系统连接。
所述的高压轴电机机械连接在高压轴上，或通过传动部件和高压轴机械连接。
所述的高压轴电机为发电机/或电动机/或可以在发电机和电动机模式之间转换，当高压轴电机在发电机模式下工作时，提取动力转换装置的功转化为电能输出，当高压轴电机在电动机模式下工作时，其将外部输入的电能转化成输出功输出至动力转换装置。
所述的低压轴电机机械连接在第二低压轴上，或通过传动部件和第二低压轴机械连接。
所述的低压轴电机为发电机/或电动机/或可以在发电机和电动机模式之间转换，当低压轴电机在发电机模式下工作时，提取第二动力转换装置的功转化为电能输出，当高压轴电机在电动机模式下工作时，其将外部输入的电能转化成输出功输出至第二动力转换装置。
所述的高压轴电机、低压轴电机通过第二总线连接。
所述的低压轴电机、储能设备的通过第三总线连接。
多电混合动力系统，它包括
高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；
储能系统，所述的储能系统与高压轴电机连接；
电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机和储能系统连接。
多电混合动力系统，它包括
高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；
第二设备，所述的第二设备与高压轴电机连接；
电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机和第二设备连接。
所述的储能系统包括但不限于电池、空气压缩、蓄水储能，储能系统可以输入或输出电能和/或机械能，电机和储能系统之间的能量通过总线或机械系统可以灵活调配。
本发明的有益效果在于：相比现有发动机，采用多电机、储能设备以及燃气轮机和/或柴油机的设计，混动通过电的使用，提高了在不同工况下动力系统的工作性能，拓宽了动力机械的工作范围，并且能实现短时间更高功率的输出。相比已有技术，本发明发动机的工作范围更广、效率更高、性能更好、寿命更长、成本可控，在储能系统的配合下可以更好得使用。
附图说明
图1为本发明所提供的多电混合动力系统的第一种实施例；
图2为本发明所提供的多电混合动力系统对压气机工作性能的改进；
图3为本发明所提供的多电混合动力系统的第二种实施例；
图4为本发明所提供的多电混合动力系统的第三种实施例，是一种航空发动机；
图5为本发明所提供的多电混合动力系统的第四种实施例，是一种涡扇航空发动机；
图6为本发明所提供的多电混合动力系统的第五种实施例，包含了一个内燃机。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种多电混合动力系统，其基本原理是利用电机进行的轴功输入和输出，并配合储能系统的使用，突破传统发动机设计中同轴上功率的设计约束。以高压轴为例，对于稳定运行的传统涡扇发动机，其稳定运行时必须满足公式(1)，即涡轮输出功
和压气机需要的功
必须相等。对于本发明的多电混合动力系统，其稳定运行满足公式(2)，其中的
即电机的输入或输出功率，通过增加这一项，从理论上部分解耦了传统发动机设计受到的约束。
整个系统中包括了电机和储能系统。电机为发电机/或电动机/或可以在发电机和电动机模式之间转换。；储能系统包括但不限于电池、空气压缩、蓄水储能等，储能系统可以输入或输出电能和/或机械能。电机和储能系统之间的能量可以灵活调配，使得本发明的系统能适应更多的工况，并且效率更高。
本发明中的第一动力转换装置和第二动力转换装置为能够提供动力的装置，或者也能接收外部的输入功。第二设备303为能够进行储能装置，可以储存能量，并进行电能的输入和输出。
图1所示为多电混合动力系统的第一种实施例。
其中，本实施例中的高压压气机101和高压涡轮102通过第一高压轴103连接，构成第一动力转换装置的主体部分。低压压气机201，低压压气机201和低压涡轮203通过第一低压轴202连接，构成第二动力转换装置的主体部分。高压轴电机105可以直接连接在第二高压轴104上，也可以通过传动部件和第二高压轴104连接。高压轴电机105也可以直接连接在第一高压轴103上，或者通过传动部件和第一高压轴103连接。高压轴电机105也可以和他形式的高压轴连接。以下以高压轴电机105连接到第二高压轴104的情况为例，说明实施例的工作原理。高压轴电机105可以作为发电机，也可以作为电动机，当高压轴电机105为发电机的时候，其可以提取第二高压轴104的功转化为电能输出，当高压轴电机105为电动机时候，其将外部输入的电能转化成功输入轴。
低压轴电机206可以直接连接在第二低压轴205上，也可以通过传动部件和第二低压轴205连接。低压轴电机206也可以直接连接在第一低压轴202上，或其他形式的低压轴上。
以下以低压轴电机206连接到第二低压轴205为例，说明实施例的工作原理。低压轴电机206连接到第一低压轴202，或者其他形式的低压轴的原理类似。低压轴电机206可以作为发电机，也可以作为电动机，当低压轴电机206为发电机的时候，其可以提取第二低压轴205的功转化为电能输出，当低压轴电机206为电动机时候，其将外部输入的电能转化成功输入第二低压轴205。
高压轴电机105和高压压气机101同轴，高压轴电机105可以位于高压压气机101的外侧，或者高压压气机101和高压涡轮102之间，或者高压涡轮102的外侧。
低压轴电机206和低压压气机201同轴，但是其布置的位置可以位于低压压气机201的外侧，低压压气机201和低压涡轮203之间，或者低压涡轮203的外侧。
高压轴可以输出轴功带动第一载荷112。第一载荷112的形式包括但不限于电机、螺旋桨、船用推进器等。第一载荷112为选配，可以有，也可以没有。
低压轴还可以输出轴功带动第二载荷212，第二载荷212的形式包括但不限于电机、螺旋桨、船用推进器等。第二载荷212为选配，可以有，也可以没有。
高压轴电机105、低压轴电机206和储能系统303通过电路控制系统207协同工作，通过电能和机械能的转换策略，一方面输出电能，另一方面使得燃气轮机在更优的状态下工作。高压轴电机105、低压轴电机206的电能可以通过第二总线302实现传输给高压轴电机105；低压轴电机206、储能设备303的电能可以通过第三总线304实现传输；高压轴电机105、储能设备303的电能可以通过第一总线301传输。电路控制系统207根据外部电路的要求来调整系统工作情况。第二设备305为选配，有些系统有，有些系统没有。电路系统207可以通过设备305向外部电路输出电能，外部电路也可以通过第二设备305向系统输入电能。
当系统中不采用第二设备305时，下面例举出几种典型的工作方式：
在第一种工作状态下，低压轴电机206向第二低压轴205输入功，低压轴电机206需要的电能可以由高压轴电机105和/或储能单元303提供。当高压轴电机105输出电能大于低压轴电机206和外部电路所需要的电能时，可以把高压轴电机105输出的多余电能储存进入储能系统303。
在第二种工作状态下，高压轴电机105向低压轴电机206输入功，高压轴电机105需要的电能可以由低压轴电机206提供，也可以由低压轴电机206和储能单元303共同提供。当低压轴电机206输出电能大于高压轴电机105所需要的电能时，可以把低压轴电机206输出的多余电能储存进入储能系统303。
在第三种工作情况下，高压轴电机105、低压轴电机206和电储能设备303同时向外部输出电能，达到短时间高电能输出的目的，这些电能通过电路系统输出给外部载荷305。
在第四种工作情况下，高压轴电机105、低压轴电机206同时从外部电能获得电能，这些电能由电储能设备303提供。在具有外部设备305的情况下，高压轴电机105、低压轴电机206的输入能量也可以由电储能设备303和/或外部设备305提供。
在采用第二设备305时，外部的电能可以通过第二设备305，在电路系统的调配下和储能设备303，高压轴电机105，低压轴电机206等设备发生电能的交换，从而大幅提高系统使用电能调节的能力，包括调节的强度和调节的时间。
在有些系统中，图1中的高压轴电机105和低压轴电机206只需要有其中过一个，即只有高压轴电机105，或者只有低压轴电机206。
燃气轮机上的控制器401可以接收发动机上各种传感器的数据，并控制发动机的工况。例如，压气机、燃烧室、涡轮以及轴的数据402，电机和电源系统的数据403，其他部件和附件上的信号和数据404。这些数据进入控制器，控制器根据外部环境和自身状态，根据工况的要求，给出控制信号，例如通过第一控制子单元405给出控制压气机、燃烧室、涡轮以及轴的信号，通过第二控制子单元406给出控制电机和电源系统的信号，通过第三控制子单元407为其他部件和附件上的信号和数据。控制单元401和各个子单元以及电源控制系统207可以协调工作，具有冗余量，在控制系统部分失效的情况下，仍然可以保证系统的安全运行。
本实施例中的典型工作过程如下：
空气先进入低压压气机201、所有或者部分气体离开低压压气机201后进入高压压气机101，气体经过压气机压力升高，换热器109为选配，当有换热器109的时候，气体离开高压压气机101后进入换热器109，随后进入燃烧室106；当没有换热器109时，气体离开高压压气机101后直接进入燃烧室106，在燃烧室106中，燃料燃烧使得气体温度升高。气体离开燃烧室106后进入高压涡轮102，气体对高压涡轮102做功。随后气体离开高压涡轮102，进入低压涡轮203，对低压涡轮203做功。
在第一设备110中，燃气被进一步利用。第一设备110可以进一步采用燃气的余热来进行发电，包括但不限于蒸汽轮机或者有机朗肯循环设备等。第一设备110也可以是工厂中能够直接利用燃气热量的设备，这些热量可以被用于加工、生产、工艺等环节。在有些系统中，可以没有第一设备110。
本实施例中通过电机进行的能量输入和输出，可以更好地匹配非设计工况下的涡轮和压气机气动特性，从而拓宽航空发动机的工作范围，提高了其稳定性和性能。燃气轮机依靠传感器数据和控制系统全面了解发动机和(或)部件的工作环境与状态，调整或修改发动机的工作状态，实现对发动机性能和状态的主动和管理，并根据环境因素平衡任务要求，提高发动机性能、可操纵性和可靠性，延长发动机寿命，降低发动机的使用与维修成本，进而改善发动机的耐久性与经济可承受性。
基于对燃气轮机的状态，控制系统可以给出具体的控制策略，从而达到全局最优化或者特定参数最大。例如当热端部件温度较高时，控制系统可以通过控制电机进行轴功输入，达到适当降低冷气流量的目的，从而达到更高的效率和推力。控制系统也可以控制高压涡轮热端部件最高温度的方法来平衡发动机的性能和寿命，例如同时输入轴功和增大冷气流量，来降低热端部件的温度，延长发动机的寿命。
本发明从设计方法、系统工作原理、工作方式、系统工作所能达到的效果来讲和现有的系统不同。
如图2所示为采用了图1所示实施例1的结构后的优势，现有的技术中，压气机和涡轮连接在一根轴上，涡轮输入功几乎等于压气机输入功，这就使得压气机必须要服从流量和转速的特性，在特定的工作线上工作。这会使得压气机偏离最高效率点较远，而且靠近喘振边界，影响发动机的稳定性。当采用了电机之后，就可以部分解耦涡轮和压气机的设计，可以使得压气机在更高的效率点下工作。
现有的燃气轮机中，有的采用可变的几何结构，并通过放气等方式来维持压气机的稳定性，本发明采用电机来调节发动机性能，降低了机械结构的复杂度，也减少了放气等调节方式对效率的不利影响。同时电机的使用还能降低燃气轮机启动时候对涡轮做功的要求，从而降低涡轮的最高温度，延长涡轮的寿命。
现有的燃气轮机设计理论基于设计点和非设计工况分析，但是本发明的燃气轮机由于增加了电机轴功和储能系统这些变量，不存在严格的设计点而是一个设计工况区域，非设计工况也和之前的燃气轮机不同。
当发动机需要两个电机的输入和输出电能产生差额时，会根据发动机的工作状态以及储能系统中现有的能量存储情况，控制储能系统进行能量的储存或者释放，以对发动机工作状态进行控制。在很多工况下，储能系统仅用于补足高压轴电机和低压轴电机之间电能的差额，因此相对传统的完全依靠储能系统调节轴功的方式，可以有效降低对储能系统能量的要求，使得储能系统的体积更小和重量更轻。
和现有传统的电机和储能联动的多电系统相比，本实施例中采用多个(两个)电机的设计，分别对应高低压轴，降低了对储能系统中能量的要求。和现有传统的两个电机联动的系统相比，新增加的储能系统可以弥补两个电机输入和输出电能的差额，从而增加了可以调节的量，使其能够能满足更多工况的要求。当需要短时间大量电能输出的时候，两个电机和储能系统可以联动，从而输出更高功率的电能。
如图3所示的多电混合动力系统的第二种实施例。
该实施例和图1中的第一个实施例最大的不同就是系统中没有低压压气机和低压涡轮，而采用动力涡轮211。本实施例中，空气进入高压压气机101，气体的压力升高。换热器109为选配。当有换热器109的时候，气体离开高压压气机101后进入换热器109，随后进入燃烧室106；当没有换热器109时，气体离开高压压气机101后直接进入燃烧室106。在燃烧室106中，燃料燃烧使得气体温度升高。气体离开燃烧室106后进入高压涡轮102，气体对高压涡轮102做功。随后气体离开高压涡轮102，进入动力涡轮211，动力涡轮211可以输出功，通过低压轴202输出给电机206和/或第二载荷212，载荷212为选配，有些系统有，有些系统没有。低压轴电机206也为选配。
如图4所示的多电混合动力系统的第三种实施例。
该实施例为一种航空用燃气轮机，即航空发动机。和图1中第一实施例不同的是，图4中气体从尾喷管502喷出，形成推力。本实施例中采用一个双轴的构型，包括高压轴103和低压轴202。
本实施例中的高压压气机101，高压压气机101和高压涡轮102通过第一高压轴103连接，构成第一动力转换装置的主体部分。低压压气机201，低压压气机201和低压涡轮203通过第一低压轴202连接，构成第二动力转换装置的主体部分。高压轴电机105可以直接连接在第二高压轴104上，也可以通过传动部件和第二高压轴104连接。高压轴电机105也可以直接连接在第一高压轴103上，或者通过传动部件和第一高压轴103连接。高压轴电机105也可以和其他形式的高压轴连接。以下以高压轴电机105连接到第二高压轴104的情况为例，说明实施例的工作原理。高压轴电机105可以作为发电机，也可以作为电动机，当高压轴电机105为发电机的时候，其可以提取第二高压轴104的功转化为电能输出，当高压轴电机105为电动机时候，其将外部输入的电能转化成功输入轴。
低压轴电机206可以直接连接在第二低压轴205上，也可以通过传动部件和第二低压轴205连接。低压轴电机206也可以直接连接在第一低压轴202上，或其他形式的低压轴上。
以下以低压轴电机206连接到第二低压轴205的情况为例，说明实施例的工作原理。低压轴电机206连接到第一低压轴202，或者其他形式的低压轴的原理类似。低压轴电机206可以作为发电机，也可以作为电动机，当低压轴电机206为发电机的时候，其可以提取第二低压轴205的功转化为电能输出，当低压轴电机206为电动机时候，其将外部输入的电能转化成功输入第二低压轴205。
高压轴电机105和高压压气机101同轴，高压轴电机105可以位于高压压气机101的外侧，或者高压压气机101和高压涡轮102之间，或者高压涡轮102的外侧。
低压轴电机206和低压压气机201同轴，但是其布置的位置可以位于低压压气机201的外侧，低压压气机201和低压涡轮203之间，或者低压涡轮203的外侧。
当发动机为涡扇构型时，气流离开低压压气机201后，一部分气体进入高压压气机101，另一部分气体进入尾喷管502。此时的低压压气机201的作用和涡扇发动机中的风扇类似。尾喷管502中可以安装加力燃烧室501，也可以不安装加力燃烧室501。
当发动机为涡喷构型时，气流离开低压压气机201后，大部分气体进入高压压气机101。尾喷管502中可以安装加力燃烧室501，也可以不安装加力燃烧室501。
高压轴电机105、低压轴电机206和储能系统303通过电路控制系统207协同工作，通过电能和机械能的转换策略，一方面输出电能，另一方面使得燃气轮机在更优的状态下工作。高压轴电机105、低压轴电机206的电能可以通过第二总线302实现传输给高压轴电机105；低压轴电机206、储能设备303的电能可以通过第三总线304实现传输；高压轴电机105、储能设备303的电能可以通过第一总线301传输。电路控制系统207根据外部电路的要求来调整系统工作情况。第二设备305为选配，有些系统有，有些系统没有。电路系统207可以通过设备305向外部电路输出电能，外部电路也可以通过第二设备305向系统输入电能。
当系统中不采用第二设备305时，下面例举出几种典型的工作方式：
在第一种工作状态下，低压轴电机206向第二低压轴205输入功，低压轴电机206需要的电能可以由高压轴电机105和/或储能单元303提供。当高压轴电机105输出电能大于低压轴电机206和外部电路所需要的电能时，可以把高压轴电机105输出的多余电能储存进入储能系统303。
在第二种工作状态下，高压轴电机105向低压轴电机206输入功，高压轴电机105需要的电能可以由低压轴电机206提供，也可以由低压轴电机206和储能单元303共同提供。当低压轴电机206输出电能大于高压轴电机105所需要的电能时，可以把低压轴电机206输出的多余电能储存进入储能系统303。
在第三种工作情况下，高压轴电机105、低压轴电机206和电储能设备303同时向外部输出电能，达到短时间高电能输出的目的，这些电能通过电路系统输出给外部载荷305。
在第四种工作情况下，高压轴电机105、低压轴电机206同时从外部电能获得电能，这些电能由电储能设备303提供。在具有外部设备305的情况下，高压轴电机105、低压轴电机206的输入能量也可以由电储能设备303和/或外部设备305提供。
在采用第二设备305时，外部的电能可以通过第二设备305，在电路系统的调配下和储能设备303，高压轴电机105，低压轴电机206等设备发生电能的交换，从而大幅提高系统使用电能调节的能力，包括调节的强度和调节的时间。
在有些系统中，图1中的高压轴电机105和低压轴电机206只需要有其中过一个，即只有高压轴电机105，或者只有低压轴电机206。
控制器401可以接收发动机上各种传感器的数据，并控制发动机的工况。例如，压气机、燃烧室、涡轮以及轴的数据402，电机和电源系统的数据403，其他部件和附件上的信号和数据404。这些数据进入控制器，控制器根据外部环境和自身状态，根据工况的要求，给出控制信号，例如通过第一控制子单元405给出控制压气机、燃烧室、涡轮以及轴的信号，通过第二控制子单元406给出控制电机和电源系统的信号，通过第三控制子单元407为其他部件和附件上的信号和数据。控制单元401和各个子单元以及电源控制系统207可以协调工作，具有冗余量，在控制系统部分失效的情况下，仍然可以保证系统的安全运行。
如图5所示是多电混合动力系统的第四个实施例。该实施例为一种航空用燃气轮机，为涡扇航空发动机，其主要的工作原理和图4中的发动机类似。高压压气机101，高压压气机101和高压涡轮102通过第一高压轴103连接，构成第一动力转换装置的主体部分。低压压气机201，低压压气机201和低压涡轮203通过第一低压轴202连接，构成第二动力转换装置的主体部分。和图4中第三实施例不同的是，其中的气流离开低压压气机201后，有一部分气体进入高压压气机101，另一部分气体进入尾喷管505。进入高压压气机101的这部分气体，在经过燃烧室106，高压涡轮102和低压涡轮203之后，进入尾喷管504。
采用了图4和图5中的构架后，航空发动机有能力使其主要叶轮机械部件在更宽广的工作状态下接近设计工况，从而极大提高了航空发动机应对快速启动、熄火复燃、高速、低速、降落等飞行条件的能力，使得发动机具有多用途的作战能力，其原理和工作模式和已有方案均不同。
为了实现轴功、叶轮机械工作特性的匹配，机械系统中包括了一系列可变部件，包括进气控制、风扇、高压压气机、冷却气体、低压涡轮、掺混器和尾喷管。通过这些可变部件，也可以实现流量系数、载荷系数等的调节，可以实现发动机涵道比、喷气速度、质量流量的调节，以保证发动机在不同飞行工况、轴功输入输出情况下的能高性能地工作。
该发动机采用了可调进气部件、低压涡轮和掺混器，采用和电机耦合的办法，可以微调涵道比和比推力。如图5所示，通过优化发动机部件的工作状态，可以提高其热力学效率；在采用了电机后，发动机可以实现更大的比推力范围，从而更好地进行飞发匹配，达到更高的总效率。
如图6所示的多电混合动力系统的第五个实施例，该实施例为整合了一个内燃机601。本实施例中的第一动力转换装置为内燃机601，低压压气机1201，低压轴1202和低压涡轮1203构成了第二动力转换装置的主体部分。空气先进入低压压气机1201、所有或者部分气体离开压气机1201后进内燃机601。内燃机带动第一载荷112。气体离开内燃机601后进入涡轮1203，对低压涡轮做功。涡轮轴上的第二载荷212为选配。
Claims (10)
1.多电混合动力系统，其特征在于：它包括
高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；
低压轴电机，所述的低压轴电机连接第二动力转换装置；
所述的高压轴电机与低压轴电机连接；
储能系统，所述的储能系统分别与高压轴电机、低压轴电机连接；
电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机、低压轴电机和储能系统连接。
2.如权利要求1所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的高压轴电机机械连接在高压轴上，或通过传动部件和高压轴机械连接。
3.如权利要求1所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的高压轴电机为发电机/或电动机/或可以在发电机和电动机模式之间转换，当高压轴电机在发电机模式下工作时，提取第一动力转换装置的功转化为电能输出，当高压轴电机在电动机模式下工作时，其将外部输入的电能转化成输出功输出至第一动力转换装置。
4.如权利要求1所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的低压轴电机机械连接在第二低压轴上，或通过传动部件和第二低压轴机械连接。
5.如权利要求1所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的低压轴电机为发电机/或电动机/或可以在发电机和电动机模式之间转换，当低压轴电机在发电机模式下工作时，提取第二动力转换装置的功转化为电能输出，当高压轴电机在电动机模式下工作时，其将外部输入的电能转化成输出功输出至第二动力转换装置。
6.如权利要求1所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的高压轴电机、低压轴电机通过第二总线连接。
7.如权利要求1所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的低压轴电机、储能设备的通过第三总线连接。
8.多电混合动力系统，其特征在于：它包括
高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；
储能系统，所述的储能系统与高压轴电机连接；
电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机和储能系统连接。
9.多电混合动力系统，其特征在于：它包括
高压轴电机，所述的高压轴电机连接第一动力转换装置；
第二设备，所述的第二设备与高压轴电机连接；
电路控制系统，所述的电路控制系统分别与高压轴电机和第二设备连接。
10.如权利要求1、8或9所述的多电混合动力系统，其特征在于：所述的储能系统包括但不限于电池、空气压缩、蓄水储能，储能系统可以输入或输出电能和/或机械能，电机和储能系统之间的能量通过总线或机械系统可以灵活调配。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110509108.3A CN113104220A (zh) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | 多电混合动力系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110509108.3A CN113104220A (zh) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | 多电混合动力系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113104220A true CN113104220A (zh) | 2021-07-13 |
Family
ID=76721518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110509108.3A Pending CN113104220A (zh) | 2021-05-11 | 2021-05-11 | 多电混合动力系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113104220A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114483309A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-05-13 | 北京理工大学 | 一种电控变循环的双轴燃气轮机混合动力系统 |
-
2021
- 2021-05-11 CN CN202110509108.3A patent/CN113104220A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114483309A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-05-13 | 北京理工大学 | 一种电控变循环的双轴燃气轮机混合动力系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2499675C (en) | Methods and apparatus for operating gas turbine engines | |
| RU2658212C2 (ru) | Гибридная электрическая силовая передача для беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки | |
| CA2954914C (en) | Hybrid propulsion system | |
| US11724815B2 (en) | Hybrid electric hydrogen fuel cell engine | |
| US8117827B2 (en) | Apparatus for operating gas turbine engines | |
| CA2548138C (en) | Methods and apparatus for operating gas turbine engines | |
| US9328667B2 (en) | Systems and methods for changing a speed of a compressor boost stage in a gas turbine | |
| US8631655B2 (en) | Gas turbine engine including apparatus to transfer power between multiple shafts | |
| US10059460B2 (en) | Method and architecture for the optimized transfer of power between an auxiliary power motor and the main engines of a helicopter | |
| EP2584173B1 (en) | Gas Turbine Engine | |
| US20170226934A1 (en) | Hybridisation of the compressors of a turbojet | |
| WO2002066324A2 (en) | Improved aircraft system architecture | |
| EP1992788B1 (en) | Aircraft combination engines plural airflow conveyances system | |
| CN108252807B (zh) | 涡轮电动式的发动机推进系统 | |
| US11015476B2 (en) | Electrical energy generating system | |
| EP1992811B1 (en) | Aircraft combination engines exhaust thrust recovery | |
| CN113104220A (zh) | 多电混合动力系统 | |
| US20230383694A1 (en) | Hydrogen-fuelled gas turbine engine with fuel-to-air turbocharger | |
| US20230124726A1 (en) | Hybrid propulsion system | |
| CN116291874A (zh) | 一种大涵道比航空发动机前置功率提取方法及系统 | |
| GB2043178A (en) | Gas turbine engine | |
| Scholz | Technological Trend of Aircraft Gas Turbines and its Effect on the Development for Ship Propulsion Plants |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |