CN114198201A - 一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机，沿发动机的轴线方向，所述发动机依次包括压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和风扇，低压涡轮通过转轴与风扇传动连接，所述转轴与发动机的中轴转动连接，所述转轴的中空结构内设置有电动机，所述电动机的电力输入端与氢燃料电池的电力输出端接通，氢燃料电池用于为电动机提供电力输出。本发明通过电动机驱动风扇转动，进而可以作为驱动风扇的补充动力，在飞机起飞需要大推力和功率阶段，可以直接通过氢燃料电池来为风扇提供补充动力，由此在进行发动机基础设计时，无需预留过大的推力和功率设计，这直接缩小了低压涡轮和风扇的尺寸，克服了现有技术所存在的不足。

Description

一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域，特别涉及一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机。
背景技术
桨扇发动机，又称涡轮桨扇发动机，是一种航空发动机，属于燃气涡轮发动机。如图1所示，涡轮桨扇发动机的工作原理是：压气机由高压涡轮带动旋转，压气机负责将空气压进发动机，燃料在燃烧室中燃烧膨胀并形成高温燃气，高温燃气推动高压涡轮转动并带动压气机工作；燃气在经过高压涡轮后进入低压涡轮区间推动低压涡轮转动，低压涡轮与后风扇在同一根轴上，低压涡轮的转动带动后风扇螺旋桨转动。桨扇发动机兼有油耗低和飞行速度高的优点，其关键技术点是低压涡轮和后风扇部分的设计。
传统桨扇发动机存在的主要缺点如下：桨扇发动机为开式转子结构，低压涡轮直接驱动后风扇转动，导致低压涡轮动力负荷远大于传统涡扇发动机，由于需要为起飞阶段保留较大的剩余推力，低压涡轮及后风扇直径无法缩小，导致其在工作时噪音较大，同时容易产生叶片颤振问题；由于其涵道比极高，导致发动机的效率严重依赖风扇的设计，需要尽量将风扇做薄，对结构设计和材料选择都提出了很高的要求。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机，本发明在传统桨扇发动机结构的基础上引入氢燃料电池，通过电动机驱动转轴转动，以驱动风扇转动，进而可以作为驱动风扇的补充动力，在飞机起飞需要大推力和功率阶段，可以直接通过氢燃料电池来为风扇提供补充动力，由此在进行发动机基础设计时，无需预留过大的推力和功率设计，这直接缩小了低压涡轮和风扇的尺寸，克服了现有技术所存在的不足。
本发明采用的技术方案如下：一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机，沿发动机的轴线方向，所述发动机依次包括压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和风扇，低压涡轮通过转轴与风扇传动连接，所述转轴与发动机的中轴转动连接，所述转轴具有中空结构，转轴的中空结构内设置有电动机，所述电动机的电力输入端与氢燃料电池的电力输出端接通，电动机用于带动转轴转动，从而驱动风扇转动，所述氢燃料电池被设置在机身内，氢燃料电池用于为电动机提供电力输出。
在本发明中，本发明在传统桨扇发动机结构的基础上引入氢燃料电池，氢燃料电池为电动机提供电力输出，以驱动电动机转动，然后通过电动机驱动转轴转动，转动轴带动风扇转动，进而可以作为驱动风扇的补充动力，在飞机起飞需要大推力和功率阶段，可以直接通过氢燃料电池来为风扇提供补充动力，由此在进行发动机基础设计时，无需预留过大的推理和功率设计，直接缩小了低压涡轮和风扇的尺寸，使桨扇发动机的设计难度大大降低，由于风扇直径缩小，使得风扇桨尖线速度被降低，进而使发动机的工作噪音被降低，克服了现有技术所存在的不足。
进一步，为了更好的实施本发明的方案，所述电动机包括具有永磁体结构的外转子和具有励磁绕组结构的内定子，所述外转子与转轴固定连接，所述内定子与发动机的中轴固定连接。
在本发明中，可以通过调整内定子的输入电压和频率来调整所述转轴的转速。
进一步，所述氢燃料电池的电力输出端通过电线接通稳压器的输入端，所述稳压器的输出端通过电线接通逆变器的输入端，所述逆变器的输出端通过电线接通电动机的电力输入端。由于氢燃料电池产生的电力是电压不稳定的直流电，为此需要将其通过直流稳压装置(采用现有稳压器即可)转换为电压稳定的直流电来利用，然后通过直流－交流逆变器转换为可控制的交流电来输出给电动机，进而实现稳定的电力输出。
在发明中，所述逆变器通过变频斩波调速的方式控制电动机的转速。
进一步，所述氢燃料电池接通有发动机控制器，所述发动机控制器的一个信号输出端与氢燃料电池的控制端接通，以控制氢燃料电池的输出功率，其另一信号输出端与逆变器的控制端接通，以控制逆变器的输出电压和频率。
进一步，所述压气机和高压涡轮通过高压转轴传动连接，燃烧室内的高温燃气推动高压涡轮转动后，进入低压涡轮内并推动低压涡轮转动。
进一步，沿所述转轴的轴线方向，所述风扇设置有多组，多组风扇均匀所述转轴传动连接。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明在传统桨扇发动机结构的基础上引入氢燃料电池，通过电动机驱动转轴转动，以驱动风扇转动，进而可以作为驱动风扇的补充动力，在飞机起飞需要大推力和功率阶段，可以直接通过氢燃料电池来为风扇提供补充动力，由此在进行发动机基础设计时，无需预留过大的推力和功率设计，这直接缩小了低压涡轮和风扇的尺寸，降低了设计要求，使桨扇发动机的设计难度大大降低，特别是有效降低了低压涡轮的设计难度和材料要求。同时，由于风扇直径缩小，使得风扇桨尖线速度被降低，进而使发动机的工作噪音被降低，克服了现有技术所存在的不足。
附图说明
图1是传统典型的涡轮桨扇发动机结构示意图；
图2是本发明的一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机结构示意图；
图3是本发明的一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机电器逻辑控制示意图。图中标记：1为压气机，2为燃烧室，3为高压涡轮，4为低压涡轮，5为风扇，6为高压转轴，7为转轴，8为电动机，801为外转子，802为内定子。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，图1给出了一种传统典型涡轮桨扇发动机的结构示意图，沿涡轮桨扇发动机的轴线方向，涡轮桨扇发动机依次包括压气机1、燃烧室2、高压涡轮3、低压涡轮4和风扇5，压气机1通过高压转轴6与高压涡轮3传动连接，高压转轴6与发动机的中轴(图中未画出)转动连接，压气机1和高压涡轮3之间的间距构成燃烧室2，燃烧室的壁面上安装有喷油口和点火口(图中未标出)，航空燃油通过喷油口进入燃烧室2内被点燃，压气机1用于将空气压进发动机内，航空燃料在燃烧室2内燃烧膨胀形成高温燃气，高温燃气推动高压涡轮3转动并带动压气机1工作，高温燃气经过高压涡轮3后进入低压涡轮4区间，并推动低压涡轮4转动，低压涡轮4通过转轴7与风扇5(风扇5可以沿轴线方向设置成1组或多组)传动连接，转轴7与发动机的中轴转动连接，低压涡轮4转动进而带动风扇5转动，最终使发动机产生推力。在现有的涡轮桨扇发动机中，由于其为开式转子结构，导致低压涡轮动力负荷远大于传统涡轮风扇发动机，其在进行基础设计时，还需要为起飞阶段保留较大的剩余推力设计，进而使低压涡轮和风扇直径无法缩小，大直径的低压涡轮和风扇不仅会使发动机噪音较大，而且还会产生叶片颤振问题，缺点比较突出。
为了解决传统涡轮桨扇发动机所存在的这些问题，本发明设计了一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机，如图2所示，本发明在原来涡轮桨扇发动机结构的基础上，在转轴内设置了电动机8，通过电动机8来为风扇提供补充动力，进而就不需要为起飞阶段保留较大的剩余推力设计。具体地说，传统涡轮桨扇发动的低压涡轮4与风扇5传动连接的转轴7通常被设计成尺寸较大的整流结构，其内部具有很大的空间未被利用，通过将发动机8设置在转轴7的中空结构内，进而无需设计其他辅助结构和预留安装发动机的位置及空间，然后通过电线引出并与设置在机身内的氢燃料电池(图中未画出)的电力输出端接通，进而可以利用氢燃料电池提供的电力，通过电动机8驱动转轴转动，进而带动风扇5转动，由此可以为低压涡轮4和风扇5提供补充动力，因此在进行基础设计时就不需要为飞机起飞阶段保留较大的剩余推力设计，这直接缩小了低压涡轮4和风扇5的尺寸，使桨扇发动机的设计难度大大降低，同时，由于风扇5直径缩小，使得风扇桨尖线速度被降低而使工作噪音被降低，克服了现有技术所存在的不足。
作为一种实施方式，如图2所示，所述电动机8包括具有永磁体结构的外转子801和具有励磁绕组结构的内定子802(即为传统的外转子无刷电机结构)，所述外转子801与转轴7固定连接，例如可以通过铆接、卡接等方式实现固定连接，所述内定子802与发动机的中轴固定连接，例如可以通过销轴连接的方式实现固定。进一步地，可以通过调整内定子802的输入电压和频率来调整所述转轴7的转速，即通过改变电动机8的转速和扭矩，进而调整转轴7的转速，该控制方式主要应用于地铁和高铁车辆的驱动电机上属于很成熟的控制技术，在本发明中可直接应用，无需进行改进。
进一步地，所述氢燃料电池的电力输出端通过电线接通稳压器(最好设置在机身内)的输入端，所述稳压器的输出端通过电线接通逆变器(最好设置在机身内)的输入端，所述逆变器的输出端通过电线接通电动机8的电力输入端。由于氢燃料电池产生的电力是电压不稳定的直流电，为此需要将其通过直流稳压装置(采用现有稳压器即可)转换为电压稳定的直流电来利用，然后通过直流－交流逆变器转换为可控制的交流电来输出给电动机，进而实现稳定的电力输出。
在发明中，所述逆变器通过变频斩波调速的方式控制电动机的转速。即通过改变电动机的转速和扭矩，进而调整转轴的转速，该控制方式主要应用于地铁和高铁车辆的驱动电机上属于很成熟的控制技术，在本发明中可直接应用，无需进行改进。
进一步地，所述氢燃料电池接通有发动机控制器，如图3所示，所述发动机控制器的一个信号输出端与氢燃料电池的控制端接通，以控制氢燃料电池的输出功率，其另一信号输出端与逆变器的控制端接通，以控制逆变器的输出电压和频率。
对于本发明的氢电混合动力涡轮风扇发动机来说，在飞机起飞等需要较大推力的阶段，通过氢燃料电池驱动电动机，进而向风扇补充转动能量，以弥补低压涡轮输出功率不足的部分；在巡航时，氢燃料电池可以为飞机其他系统提供电力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氢电混合动力涡轮桨扇发动机，沿发动机的轴线方向，所述发动机依次包括压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和风扇，低压涡轮通过转轴与风扇传动连接，所述转轴与发动机的中轴转动连接，其特征在于，所述转轴具有中空结构，转轴的中空结构内设置有电动机，所述电动机的电力输入端与氢燃料电池的电力输出端接通，电动机用于带动转轴转动，从而驱动风扇转动，所述氢燃料电池被设置在机身内，氢燃料电池用于为电动机提供电力输出。
2.如权利要求1所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，所述电动机包括具有永磁体结构的外转子和具有励磁绕组结构的内定子，所述外转子与转轴固定连接，所述内定子与发动机的中轴固定连接。
3.如权利要求2所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，通过调整内定子的输入电压和频率来调整所述转轴的转速。
4.如权利要求3所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，所述氢燃料电池的电力输出端通过电线接通稳压器的输入端，所述稳压器的输出端通过电线接通逆变器的输入端，所述逆变器的输出端通过电线接通电动机的电力输入端。
5.如权利要求4所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，所述逆变器通过变频斩波调速的方式控制电动机的转速。
6.如权利要求5所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，所述氢燃料电池接通有发动机控制器，所述发动机控制器的一个信号输出端与氢燃料电池的控制端接通，以控制氢燃料电池的输出功率，其另一信号输出端与逆变器的控制端接通，以控制逆变器的输出电压和频率。
7.如权利要求1所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，所述压气机和高压涡轮通过高压转轴传动连接，燃烧室内的高温燃气推动高压涡轮转动后，进入低压涡轮内并推动低压涡轮转动。
8.如权利要求1所述的氢电混合动力涡轮桨扇发动机，其特征在于，沿所述转轴的轴线方向，所述风扇设置有多组，多组风扇均匀所述转轴传动连接。
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