CN113738533A - 一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，属于航空涡轮风扇发动机技术领域，包括加压涵道、低压进气入口、高速喷流出口、共轴涡轮加速单元组件。本发明针对发动机加压涵道中不同的气体密度、压力、温度状态，通过对每套加速单元设置不同的涡轮风扇输出功率、转速参数的方法，解决了发动机整体输出功率最大化的问题；可在不增加静叶的情况下，通过两级相邻叶片的反向对转，来提高级间增压效率，降低发动机重量；还对各级涡轮风扇的桨叶数量、桨叶面积进行优化设计，以保障发动机后端涡轮风扇叶片能够对后端高压稠密气体，实现进一步有效增压，从而发挥出每级涡轮风扇的最高推进效率，并实现发动机加压涵道整体的效率最大化。

Description

一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统

技术领域

本发明涉及航空涡轮风扇发动机技术领域，具体涉及一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统。

背景技术

普通直升机、四旋翼无人机等驱动装置，一般为开放式单浆或者双螺旋浆旋翼系统。将开放式螺旋桨驱动系统，串联设置在一个密封的加压涵道腔内，可提高发动机螺旋桨叶持续加压的性能，提升涡轮螺旋桨系统的推进效率。并可以保护发动机的涡轮叶片，以及周围的物体不被高速桨叶的运转所划伤。具有显著的技术进步。

但是，若仅仅将多套共轴涡轮加速单元简单地串联布置在加压涵道内，又将出现新的问题。由于气流在发动机涵道中，被串联其中的加速单元逐渐压缩。随着加压涵道中每个段的压缩比不同，气体的温度状态也有所差异。因此，每套加速单元所受到的气流阻力，并不相同。如果是每个螺旋桨和加速涡轮单元的直径、和电机转速都保持一致，则并不能保证每套加速单元都工作在最大功率输出状态，不利于发动机整体输出效率的提高。

专利公开号为CN209483501U、公开日为2019年10月11日、名称为《多级电动涡轮风扇喷气发动机》的中国实用新型专利公开了多级电动涡轮风扇喷气发动机，不足之处是：在两个相对的电机涡轮扇叶之间，其结构旋向没有反置；工作时运动方向也不是反向对转的；文献此处通过静叶风扇来阻止气流的圆周向高速旋转，而大量的静叶风扇的设置，增加了发动机本身的重量，降低了发动机的推重比和持续增压效率。为此，提出一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：在串联增压型电涡轮发动机工作过程中，如何提高每级加速单元的输出功率，并使得发动机整体输出效率最大化的问题，提供了一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括加压涵道、低压进气入口、高速喷流出口、共轴涡轮加速单元组件，所述低压进气入口设置在所述加压涵道的一端，所述高速喷流出口设置在所述加压涵道的另一端，所述共轴涡轮加速单元组件包括多个以串联形式安装在所述加压涵道中的共轴涡轮加速单元，一个所述共轴涡轮加速单元包括两个或两个以上面对面成对安装且共轴的电机风扇组合体，一个所述电机风扇组合体包括一个电机与一个涡轮风扇，所述涡轮风扇与所述电机连接，一个所述共轴涡轮加速单元中两个成对安装的涡轮风扇的叶片，在工作时的运动方向呈反向对转状态，从所述低压进气入口至高速喷流出口，每个所述共轴涡轮加速单元风扇直径与加压涵道直径均逐渐减小。

更进一步地，同一所述共轴涡轮加速单元的成对安装且共轴的电机风扇组合体中，位于首端的电机通过支撑板与所述加压涵道连接，位于尾端的电机通过静叶与加压涵道连接，所述位于尾端的电机上的涡轮风扇叶片与静叶结构旋向相反。

更进一步地，从所述低压进气入口至高速喷流出口，每个所述共轴涡轮加速单元中涡轮风扇叶片的数量逐渐增加。

更进一步地，从所述低压进气入口至高速喷流出口，每个所述共轴涡轮加速单元中涡轮风扇叶片的宽度和面积均逐渐增加。

更进一步地，所述加压涵道包括依次设置的多段涵道，每段涵道中均设置有一个共轴涡轮加速单元。

更进一步地，所述串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统还包括反馈控制组件，所述反馈控制组件包括外部控制单元、多个用于检测气压的气压传感器，所述气压传感器设置在各段涵道中，所述气压传感器与所述外部控制单元通信连接，所述外部控制单元与各所述共轴涡轮加速单元通信连接。

更进一步地，所述反馈控制组件还包括用于检测各共轴涡轮加速单元输出功率的功率传感器，所述功率传感器与所述外部控制单元通信连接。

更进一步地，所述反馈控制组件还包括用于检测发动机增压效能的增压效能运算器，所述增压效能运算器分别与各所述气压传感器以及所述的外部控制单元通信连接，持续不间断地为外部控制单元，提供发动机内部各部位的压力增长数据。

本发明相比现有技术具有以下优点：该串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，针对发动机加压涵道中不同的气体密度、压力、温度状态，通过对每套加速单元设置不同的涡轮风扇输出功率、转速参数的方法，解决了发动机整体输出功率最大化的问题；可在不增加静叶的情况下，通过两级相邻叶片的反向对转，来提高级间增压效率，降低发动机总体重量，且不必在其中间增加额外的静叶导流叶片；由于发动机的串联加压，在加压涵道中气体密度呈逐渐增加的状态，因此发动机后端涡轮风扇，应该具备更宽的桨叶面积，更密集的桨叶布置；以保障发动机后端涡轮风扇叶片能够对后端高压稠密气体，实现进一步有效增压；从而发挥出每级涡轮风扇的最高推进效率，并实现发动机加压涵道整体的效率最大化，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例一中串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统的整体结构示意图；

图2是图1的局部结构放大示意图；

图3是本发明实施例一中一个电机风扇组合体的结构示意图；

图4是本发明实施例一中一套共轴涡轮加速单元的结构示意图；

图5是本发明实施例二中串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统的整体结构示意图；

图6是图5的局部结构放大示意图；

图7是本发明实施例二中的系统电控连接示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～4所示，本实施例提供一种技术方案：一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，包括多个电机(电机1、12)1、多个涡轮风扇(涡轮风扇2、10)、发动机的加压涵道3、低压进气入口4、高速喷流出口5，一个电机共轴连接一个涡轮风扇2构成一个电机风扇组合体6。两个电机风扇组合体6面对面共轴安装，构成一套共轴涡轮加速单元7。多套共轴涡轮加速单元7以串联形式安装在加压涵道3中，形成了共轴涡轮加速单元组件，这种共轴涡轮加速单元组件，具有持续加速加压效能。使用电机风扇组合体6构成的共轴涡轮加速单元7，使用现有的系列电机且无需特制，成本低，效率高，零部件产品成熟，研发生产速度快，是一种比较高效可靠的串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统优选方案。

从低压进气入口4到高速喷流出口5，每套共轴涡轮加速单元7的风扇直径尺寸逐渐减小，同时加压涵道3的直径也逐渐减小。由于加压涵道3中的气流密度ρ越来越大，速度v越来越快，而流量q＝ρvA保持不变，导致加压涵道3的截面积A应随着级数的增多，而逐渐减小，直径也随之减小。而发动机末端的高压气流，需要具备有更多叶片的涡轮风扇为其进一步地向后增压处理，防止稀疏的叶轮分布在工作过程中产生破坏性震动，以及气体的喘哮回流。

在本实施例中，电机1通过支撑板9与加压涵道3的内壁固定连接。

在本实施例中，电机12通过静叶11与加压涵道3的内壁固定连接。

实施例二

如图5所示，本实施例的串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，在实施方式一的基础上，增加了多个分布在加压涵道3内部不同加速级位置的气压传感器13。每套共轴涡轮加速单元7的转速和输出功率，可以根据加压涵道3内腔中不同加速级位置处测得的气压变化状况，独立地通过外部控制单元，进行实时调整。如发现某一级增压效果不佳、或者涡轮风扇2过载时，可让反馈控制组件(反馈控制组件包括外部控制单元、气压传感器13、用于检测电机输出功率的功率传感器、用于检测发动机增压效能的增压效能运算器，各所述气压传感器13、所述功率传感器(由电流传感器和电压传感器组成)、所述增压效能运算器均与所述外部控制单元通信连接，所述增压效能运算器同时与气压传感器13以及外部控制单元通信连接。外部控制单元还与电机的电流和电压监测表保持通信连接，以及电机本身的输出功率控制器保持连接，用于控制电机的输出功率和转速)，根据气压传感器13的气压数据和电机的功率参数，及时调整相应电机的输出功率和转速。当反馈控制组件发现某一级涡轮风扇2处于共振或喘哮回流状态时，即当通过功率传感器发现共轴涡轮加速单元7的输出功率非常大(输出功率数据(功率＝电流值×电压值)具体通过监测电机的电流和电压来获取，监测电机的电流表和电压表分别串并联在电机的供电回路中)，而增压效能却非常低时(增压效能数据具体通过增压效能运算器获取，增压效能运算器连接在气压传感器13以及外部控制单元之间)，反馈控制组件就可以提高或降低调整本级共轴涡轮加速单元7的转速，让其脱离引起机构共振的转速区。从而提高串联增压型电涡轮发动机涡轮风扇系统的加压效率，和发动机的总体动力输出。

综上所述，上述实施例的串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，针对发动机加压涵道中不同的气体密度、压力、温度状态，通过对每套加速单元设置不同的涡轮风扇输出功率、转速参数的方法，解决了发动机整体输出功率最大化的问题；由于发动机的串联加压，在加压涵道中气体密度呈逐渐增加的状态，因此发动机后端涡轮风扇，应该具备更宽的桨叶面积，更密集的桨叶布置，以保障发动机后端涡轮风扇叶片能够对后端高压稠密气体，实现进一步有效增压。从而发挥出每级涡轮风扇的最高推进效率，并实现发动机加压涵道整体的效率最大化；

并且，在发动机后端气体压缩率较高时，较为稀疏的涡轮风扇，更容易产生反向漏气，不能有效地向尾部正向增压。因此，发动机后端相对于其前端，具备较为稠密的涡轮风扇叶片分布特征，从而可避免后端高压稠密气体的反向泄露问题。发动机后端气体压缩率较高时，较为稀疏的涡轮风扇，在产生反向漏气的同时，还更容易产生喘哮，从而导致发动机叶片的振颤，破坏发动机的结构，因此发动机后端的较为稠密的涡轮风扇叶片分布特征，可避免其发生喘哮问题。当发动机后端的空气密度提高，同时通过涵道的流量保持一定不变时，发动机后端的加压涵道截面积，应相对于前端要保持逐渐收缩的状态，这样可用于防止：在发动机后端涵道中，产生因体积膨胀而造成的内部负压问题，这种负压的出现，不利于发动机喷流出口内压的进一步提高。单个电机连接单个涡轮风扇的好处在于：每个风扇的转速，可以根据涵道中不同的气压和流量，进行各自独立的精准调控，从而使得发动机的整体加压效率，更易于达到最大化。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：包括加压涵道、低压进气入口、高速喷流出口、共轴涡轮加速单元组件，所述低压进气入口设置在所述加压涵道的一端，所述高速喷流出口设置在所述加压涵道的另一端，所述共轴涡轮加速单元组件包括多个以串联形式安装在所述加压涵道中的共轴涡轮加速单元，一个所述共轴涡轮加速单元包括两个或两个以上面对面成对安装且共轴的电机风扇组合体，一个所述电机风扇组合体包括一个电机与一个涡轮风扇，所述涡轮风扇与所述电机连接，一个所述共轴涡轮加速单元中两个成对安装的涡轮风扇的叶片，在工作时的运动方向呈反向对转状态，从所述低压进气入口至高速喷流出口，每个所述共轴涡轮加速单元风扇直径与加压涵道直径均逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的一种具有串联增压功能的多级涡轮风扇发动机，其特征在于：同一所述共轴涡轮加速单元的成对安装且共轴的电机风扇组合体中，位于首端的电机通过支撑板与所述加压涵道连接，位于尾端的电机通过静叶与加压涵道连接，所述位于尾端的电机上的涡轮风扇叶片与静叶结构旋向相反。

3.根据权利要求1所述的一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：从所述低压进气入口至高速喷流出口，每个所述共轴涡轮加速单元中涡轮风扇叶片的数量逐渐增加。

4.根据权利要求1所述的一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：从所述低压进气入口至高速喷流出口，每个所述共轴涡轮加速单元中涡轮风扇叶片的宽度和面积均逐渐增加。

5.根据权利要求1所述的一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：所述加压涵道包括依次设置的多段涵道，每段涵道中均设置有一个共轴涡轮加速单元。

6.根据权利要求1所述的一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：所述串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统还包括反馈控制组件，所述反馈控制组件包括外部控制单元、多个用于检测气压的气压传感器，所述气压传感器设置在各段涵道中，所述气压传感器与所述外部控制单元通信连接，所述外部控制单元与各所述共轴涡轮加速单元通信连接。

7.根据权利要求6所述的一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：所述反馈控制组件还包括用于检测各共轴涡轮加速单元输出功率的功率传感器，所述功率传感器与所述外部控制单元通信连接。

8.根据权利要求7所述的一种串联增压型电涡轮发动机独立驱动涡轮风扇系统，其特征在于：所述反馈控制组件还包括用于检测发动机增压效能的增压效能运算器，所述增压效能运算器分别与各所述气压传感器以及所述的外部控制单元通信连接，持续不间断地为外部控制单元，提供发动机内部各部位的压力增长数据。

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