CN113864084B - 串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，包括若干共轴涡轮加速单元和发动机壳体，所述发动机壳体内设置有若干依次串联设置的加速涵道，所述发动机壳体两端分别设置有低压进气入口和高速喷流出口，气体由所述低压进气入口进入并依次经各所述加速涵道加速后由所述高速喷流出口排出，各所述共轴涡轮加速单元分别设置在各所述加速涵道内；本发明针对发动机加速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，在提高加速单元的输出功率的同时解决了发动机整体输出功率最大化的问题。

Description

串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统
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阶梯分段涡轮风扇系统。
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速涵道腔内，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风扇桨叶以及周围的物体不被高速桨叶的运转所划伤。
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速涵道内，由于气流在发动机涵道中，被串联其中的加速单元所逐渐压缩，随着加速涵道中每个段的压缩比不同，气体的温度状态也有所差异，故每套加速单元所受到的气流阻力并不相同，在该情况下仅通过简单串联无法在提高每级加速单元的输出功率的同时，保证发动机整体输出效率和推重比最大化。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，包括若干共轴涡轮加速单元和发动机壳体，所述发动机壳体内设置有若干依次串联设置的加速涵道，所述发动机壳体两端分别设置有低压进气入口和高速喷流出口，气体由所述低压进气入口进入并依次经各所述加速涵道加速后由所述高速喷流出口排出，各所述共轴涡轮加速单元分别设置在各所述加速涵道内。
较佳的，所述共轴涡轮加速单元均包括两单端头电机风扇组合体和至少一双出轴电机风扇组合体，所述双出轴电机风扇组合体设置为一个时，两所述单端头电机风扇组合体分别设置在所述双出轴电机风扇组合体的两侧，所述双出轴电机风扇组合体设置为两个及两个以上时，各所述双出轴电机风扇组合体依次连接形成双出轴连接体，两所述单端头电机风扇组合体分别设置在所述双出轴连接体的两侧。
较佳的，所述单端头电机风扇组合体通过电机共轴连接一涡轮风扇构成，所述双出轴电机风扇组合体通过双出轴电机共轴连接两涡轮风扇构成，同一所述共轴涡轮加速单元内的所述涡轮风扇均同轴设置。
较佳的，所述单端头电机风扇组合体上的所述涡轮风扇和与其相邻的所述双出轴电机风扇组合体上的所述涡轮风扇对应设置。
较佳的，从所述进气入口到所述喷流出口，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的直径尺寸逐渐减小；各所述加速涵道的直径呈阶梯式减小。
较佳的，从所述进气入口到所述喷流出口，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的数量逐渐增加。
较佳的，从所述进气入口到所述喷流出口，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的桨叶宽度和面积逐渐增加。
较佳的，基于各所述加速涵道内的气压状况进行各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的转速和输出功率的调节。
较佳的，各所述加速涵道内均设置有气压传感器，所述气压传感器用于检测对应所述加速涵道内的气压状况。
较佳的，所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统还包括外部智能控制单元，所述外部智能控制单元同时与各所述气压传感器和各所述共轴涡轮加速单元连接。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明针对发动机加速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，在提高加速单元的输出功率的同时解决了发动机整体输出功率最大化的问题。
附图说明
图1为所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统实施例一的结构视图；
图2为所述单端头电机风扇组合体的结构视图；
图3为所述双出轴电机风扇组合体的结构视图；
图4为所述共轴涡轮加速单元的结构视图；
图5为所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统实施例二的结构视图。
图中数字表示：
1-第一加速涵道；2-双出轴电机风扇组合体；3-单端头电机风扇组合体；4-低压进气入口；5-第二加速涵道；6-第三加速涵道；7-高速喷流出口；8-涡轮风扇；9-电机；10-双出轴电机；11-气压传感器。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1所示，图1为所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统实施例一的结构视图；本发明所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统包括若干共轴涡轮加速单元和发动机壳体，所述发动机壳体内设置有加速涵道，所述加速涵道两端分别设置有低压进气入口4和高速喷流出口7，各所述共轴涡轮加速单元均设置在所述加速涵道内，且各所述共轴涡轮加速单元由所述低压进气入口4向所述高速喷流出口7依次排列设置。
具体的，在本实施例中，所述加速涵道由所述低压进气入口4向所述高速喷流出口7依次设置为第一加速涵道1、第二加速涵道5和第三加速涵道6，所述第一加速涵道1、所述第二加速涵道5和所述第三加速涵道6内均设置有一所述共轴涡轮加速单元。
如图2、图3、图4所示，图2为所述单端头电机风扇组合体的结构视图；图3为所述双出轴电机风扇组合体的结构视图；图4为所述共轴涡轮加速单元的结构视图。
所述共轴涡轮加速单元均包括两单端头电机风扇组合体3和至少一双出轴电机风扇组合体2，所述双出轴电机风扇组合体2设置为一个时，两所述单端头电机风扇组合体3分别设置在所述双出轴电机风扇组合体2的两侧，所述双出轴电机风扇组合体2设置为两个及两个以上时，各所述双出轴电机风扇组合体2依次连接形成双出轴连接体，两所述单端头电机风扇组合体3分别设置在所述双出轴连接体的两侧。
所述单端头电机风扇组合体3通过电机9共轴连接一涡轮风扇8构成，所述双出轴电机风扇组合体2通过双出轴电机10共轴连接两涡轮风扇8构成，同一所述共轴涡轮加速单元内的所述涡轮风扇8均同轴设置。
所述单端头电机风扇组合体3上的所述涡轮风扇8和与其相邻的所述双出轴电机风扇组合体2上的所述涡轮风扇8对应设置。
多套所述共轴涡轮加速单元以串联形式安装在各所述加速涵道中，形成了共轴涡轮加速单元系统组件，这种共轴涡轮加速单元系统组件具有持续加速加压效能。
较佳的，从所述进气入口4到所述喷流出口7，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇8的直径尺寸逐渐减小；各所述加速涵道的直径逐渐阶梯减小。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，发动机后端的加速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附近区域内压的进一步提高。
较佳的，两相邻位置的电机风扇组合体在工作时，电机旋向相反。
所述单端头电机风扇组合体3和所述双出轴电机风扇组合体2的电机周围均分布有静叶，所述静叶将所述单端头电机风扇组合体3或所述双出轴电机风扇组合体2连接固定到所述发动机壳体上。
阶梯分段涡轮风扇的好处在于：各涡轮风扇及其配套组件可以从产品系列尺寸表中选用，也就不会因连续性地缩减通道而造成每个风扇尺寸需要特殊化定制，从而延长该类型发动机的研制时间。
较佳的，从所述进气入口4到所述喷流出口7，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇8的数量逐渐增加。
较佳的，从所述进气入口4到所述喷流出口7，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇8的桨叶宽度和面积逐渐增加。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。
同时基于各所述加速涵道内的气压状况进行各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇8的转速和输出功率的调节。
由于采用了所述双出轴电机风扇组合体2和两所述端头电机风扇组合体3构成所述共轴涡轮加速单元，其中的所述双出轴电机风扇组合体2进一步压缩了发动机内部加速、加压模块的体积空间、结构重量和生产制造成本，提高了发动机的推重比。
使用一个或更多所述双出轴电机风扇组合体2和两所述端头电机风扇组合体3构成的所述共轴涡轮加速单元，其中所使用的电机可采用市场上现有的系列电机，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阶梯分段涡轮风扇系统优选方案。
从所述进气入口4到所述喷流出口7，各所述共轴涡轮加速单元上的所述涡轮风扇8直径尺寸逐渐减小，同时所述第一加速涵道1、所述第二加速涵道5和所述第三加速涵道6的直径也逐渐减小。由于所述第一加速涵道1、所述第二加速涵道5和所述第三加速涵道6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，导致加速涵道的截面积A应随着级数的增多而逐渐减小，直径也随之减小。靠近所述发动机末端7附近的高压气流，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。
本发明针对发动机加速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，在提高加速单元的输出功率的同时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、加速涵道中，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，实施进一步有效增压，从而发挥出每级涡轮的最高推进效率，并实现发动机加速涵道整体的效率最大化问题。由两个端头电机风扇组合体与一个以上双出轴电机风扇组合体，构成一套共轴涡轮加速单元，而不是仅由两个端头电机风扇组合体构成一套共轴涡轮加速单元，提高了这个共轴涡轮加速单元的空间利用率，提升了发动机的整体推重比。
实施例二
如图5所示，图5为所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统实施例二的结构视图；在实施方式一的基础上，增加了多个分布在各所述加速涵道内部不同加速级位置的气压传感器11。每套共轴涡轮加速单元的转速和输出功率，可以根据加速涵道内腔中不同加速级位置处测得的气压变化状况，独立地通过外部智能控制单元，进行实时调整。
如发现某一级增加效果不佳、或者涡轮风扇过载时，可让反馈控制系统，根据传感器气压和电机功率参数，及时调整相应电机的输出功率和转速。当反馈控制系统发现某一级涡轮风扇处于共振或喘哮回流状态时，即当通过传感器发现共轴涡轮加速单元输出功率非常大，而增压效能却非常低时，反馈控制系统就可以向上或向下调整本级共轴涡轮加速单元的转速，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水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，包括若干共轴涡轮加速单元和发动机壳体，所述发动机壳体内设置有若干依次串联设置的加速涵道，所述发动机壳体两端分别设置有低压进气入口和高速喷流出口，气体由所述低压进气入口进入并依次经各所述加速涵道加速后由所述高速喷流出口排出，各所述共轴涡轮加速单元分别设置在各所述加速涵道内；
所述共轴涡轮加速单元均包括两单端头电机风扇组合体和至少一双出轴电机风扇组合体，所述双出轴电机风扇组合体设置为一个时，两所述单端头电机风扇组合体分别设置在所述双出轴电机风扇组合体的两侧，所述双出轴电机风扇组合体设置为两个及两个以上时，各所述双出轴电机风扇组合体依次连接形成双出轴连接体，两所述单端头电机风扇组合体分别设置在所述双出轴连接体的两侧。
2.如权利要求1所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，所述单端头电机风扇组合体通过电机共轴连接一涡轮风扇构成，所述双出轴电机风扇组合体通过双出轴电机共轴连接两涡轮风扇构成，同一所述共轴涡轮加速单元内的所述涡轮风扇均同轴设置。
3.如权利要求2所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，所述单端头电机风扇组合体上的所述涡轮风扇和与其相邻的所述双出轴电机风扇组合体上的所述涡轮风扇对应设置。
4.如权利要求3所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，从所述进气入口到所述喷流出口，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的直径尺寸逐渐减小；各所述加速涵道的直径呈阶梯式减小。
5.如权利要求3所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，从所述进气入口到所述喷流出口，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的数量逐渐增加。
6.如权利要求3所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，从所述进气入口到所述喷流出口，各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的桨叶宽度和面积逐渐增加。
7.如权利要求3所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，基于各所述加速涵道内的气压状况进行各所述共轴涡轮加速单元内所述涡轮风扇的转速和输出功率的调节。
8.如权利要求7所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，各所述加速涵道内均设置有气压传感器，所述气压传感器用于检测对应所述加速涵道内的气压状况。
9.如权利要求8所述的串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统，其特征在于，所述串联增压型电涡轮发动机阶梯分段涡轮风扇系统还包括外部智能控制单元，所述外部智能控制单元同时与各所述气压传感器和各所述共轴涡轮加速单元连接。
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