CN114198202B - 一种氢电混合动力涡轮风扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢电混合动力涡轮风扇发动机，包括风扇和低压涡轮，所述风扇不与低压涡轮传动连接，风扇的整流罩内设置有用于驱动风扇转动的电动机，所述低压涡轮内嵌有发电机，低压涡轮与发电机的转子部分固定连接，发电机的电力输出端通过输电线与电动机的电力输入端接通，所述电动机的电力输入端还接通氢燃料电池的电力输出端，所述氢燃料电池用于给电动机提供电力。本发明在原有的涡轮风扇发动机结构基础之上，将风扇和低压涡轮之间的传动连接断开，使用电动机来驱动风扇，同时将低压涡轮的动能部分转化为电能来使用，这样可以使风扇与低压涡轮之间可以产生较大的转速差，实现了涡轮风扇发动机的氢电混合动力输出。

Description

一种氢电混合动力涡轮风扇发动机

技术领域

本发明涉及涡轮风扇发动机技术领域，特别涉及一种氢电混合动力涡轮风扇发动机。

背景技术

传统涡扇发动机的结构主要由进气口、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，风扇设置在进气口处，进气口处的风扇通过低压转轴与位于尾喷管前端的低压涡轮机械连接，高压压气机通过高压转轴与高压涡轮机械连接，由燃烧室产生的燃气中的可用能量，一部分带动低压涡轮转动以驱动风扇，一部分在喷管中加速喷出的燃气，由喷管喷射出的燃气与风扇排出的空气共同产生反作用推力。传统涡轮风扇发动机中，为适应航空煤油作为燃料，通常低压涡轮转速需要慢一些、风扇需要转快一些，以提高发动机的工作效率以及降低发动机的油耗，目前最新的技术是使用齿轮传动减速，进气口处的风扇通过减速器(与低压转轴机械连接，进而使风扇与低压涡轮之间产生转速差，由此提高发动机的工作效率以及降低发动机的油耗。

未来，航空器可能会采用氢作为燃料，大涵道比涡轮风扇发动机会向氢燃料涡轮发动机方向发展。目前存在的比较严重的问题是，采用氢做燃料，由于氢燃料特性的问题，低压涡轮和前风扇的转速差更大，传统的机械结构设计难度过大。同时，若想使飞机具有良好的高原起降能力，则需要将发动机的预留推力做大，这将使发动机系统占飞机的重量比例增大。

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风扇发动机，本发明在原有的涡轮风扇发动机结构基础之上，取消了减速器的设置，将风扇和低压涡轮之间的传动连接断开，使用电动机来驱动风扇，同时将低压涡轮的动能部分转化为电能来使用，这样可以使风扇与低压涡轮之间相互独立运转，可以产生较大的转速差，进而为实现氢电混合动力提供了先决条件，而且，本发明设计了将氢燃料电池作为风扇的补充动力源，实现了涡轮风扇发动机的氢电混合动力输出，克服了原发动机难以实现氢电混合动力的问题。

本发明采用的技术方案如下：一种氢电混合动力涡轮风扇发动机，包括位于进气口处的风扇，位于尾喷管前端的低压涡轮，所述风扇不与低压涡轮传动连接，风扇的整流罩内设置有用于驱动风扇转动的电动机，所述低压涡轮内嵌有发电机，低压涡轮与发电机的转子部分固定连接，以通过低压涡轮的转动使发电机发电，发电机的电力输出端通过输电线与电动机的电力输入端接通，以将发电机产生的电力传输给电动机，进而驱动风扇转动，所述电动机的电力输入端还接通氢燃料电池的电力输出端，所述氢燃料电池用于给电动机提供电力。

在本发明中，使用电动机来驱动风扇，同时将低压涡轮的动能部分转化为电能来使用，这样可以使风扇与低压涡轮之间可以产生较大的转速差，进而为实现氢电混合动力提供了先决条件，而且，本发明设计了将氢燃料电池作为风扇的补充动力源，实现了涡轮风扇发动机的氢电混合动力输出，在不需要增大发动机重量比例的情况下，可以使发动机产生更大的推力，满足了飞机在特殊环境下(例如在高原环境中进行飞机起降)对推力的高要求。

在本发明中，所述电动机包括具有励磁绕组结构的第一内定子和具有永磁体结构的第一外转子，所述第一内定子与发动机的中轴固定连接，所述第一外转子与所述风扇固定连接，以通过第一外转子来驱动风扇转动。

进一步，通过改变第一内定子的输入电压来调整所述风扇的转速。

在本发明中，所述发电机包括具有永磁体结构的第二外转子和具有励磁绕组结构的第二内定子，所述第二外转子与所述低压涡轮固定连接，所述第二内定子与发动机的中轴固定连接，通过低压涡轮来带动第二外转子转动，使第二外转子与第二内定子形成相互运动，进而使发电机产生电力。

在本发明中，所述发电机的电力输出端通过电线接通整流器，所述整流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。

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，进而实现为电动机提供电力。

进一步，发电机的电力输出端通过整流器接通直流电汇流条的一个输入端，氢燃料电池的电力输出端通过稳压器接通直流电汇流条的另一个输入端，直流电汇流条的电力输出端接通逆变器的输入端，直流电汇流条的控制端接通动力系统控制器，所述动力系统控制器通过控制直流电汇流条来调整发电机和氢燃料电池电力输入的能量比例。

进一步，所述动力系统控制器的一个控制输出端接通氢燃料电池的控制端，以控制氢燃料电池的发电功率。

进一步，所述动力系统控制器的一个控制输出端接通逆变器的控制端，以控制逆变器的输出电压大小及频率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明使用电动机来驱动风扇，同时将低压涡轮的动能部分转化为电能来使用，这样可以使风扇与低压涡轮之间可以产生较大的转速差，进而为实现氢电混合动力提供了先决条件；

2、本发明实现了涡轮风扇发动机的氢电混合动力输出，在不需要增大发动机重量比例的情况下，可以使发动机产生更大的推力，满足了飞机在特殊环境下对推力的高要求；

3、本发明由于断开了风扇与低压涡轮之间的传动连接，因此相对传统机械减速机构，可以提供更大的减速比范围；

4、本发明通过设置动力系统控制器来控制发电机和氢燃料电池电力输入的能量比例，在飞机起飞等需要大推力的阶段，由氢燃料电池提供更大比例的电能驱动风扇转动，而飞机在起飞的几分钟时间内，部分不重要的电力负载则可以卸载，在飞机巡航阶段时，可以由发电机提供全部的风扇的旋转能量，氢燃料电池此时提供飞机其余系统的电力需求，实现了氢燃料电池的电力输出和发电机的电力输出的协调配合。

附图说明

图1是传统涡轮风扇发动机剖面结构示意图；

图2是现有最新涡轮风扇发动机三维剖面结构示意图；

图3是本发明的一种氢电混合动力涡轮风扇发动机半剖面结构示意图；

图4是本发明低压涡轮处内嵌发电机结构示意图；

图5是本发明的一种氢电混合动力涡轮风扇发动机电器逻辑控制图。图中标记：1为进气口，2为高压压气机，3为燃烧室，4为尾喷管，5为风扇，501为整流罩，6为低压转轴，7为低压涡轮，8为高压转轴，9为高压涡轮，10为减速器，11为电动机，1101为第一内定子，1102为第一外转子，12为发电机，1201为第二外转子，1202为第二内定子，13为低压压气机。

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。

传统涡扇发动机的结构如图1所示，沿其轴线方向，涡扇发动机主要由进气口1、压气机、燃烧室3、涡轮和尾喷管4组成，进气口1处的风扇5通过低压转轴6与位于尾喷管4前端的低压涡轮7机械连接，高压压气机2通过高压转轴8与高压涡轮9机械连接，由燃烧室3产生的燃气中的可用能量，一部分带动低压涡轮7转动以驱动风扇5，一部分在尾喷管4中加速喷出的燃气，由尾喷管4喷射出的燃气与风扇5排出的空气共同产生反作用推力。对于高涵道比发动机而言，风扇5产生的推力占发动机产生的推力的75％以上。传统涡轮风扇发动机中，为适应航空煤油作为燃料，通常低压涡轮7转速需要快一些，风扇5需要转慢一些，以提高发动机的工作效率以及降低发动机的油耗。目前最新的技术是使用齿轮传动减速，如图2所示，进气口1处的风扇5通过减速器10(主要为行星减速器)与低压转轴7机械连接，进而使风扇5与低压涡轮7之间产生转速差，由此提高发动机的工作效率以及降低发动机的油耗。

然而，如果使用氢作为航空燃料，传统的涡轮风扇发动机存在比较严重的问题是，由于氢燃料特性的问题，要求低压涡轮7与风扇5之间的转速差要更大，简单通过增设减速器10的方式难以达到要求。为了解决该问题，本发明设计了一种氢电混合动力涡轮发动机，本发明取消了传统涡扇发动机中减速器10的设计，而是将风扇5与低压涡轮7之间的机械连接断开，即风扇5不再由低压涡轮7提供转动力，而是设置专为风扇5提供驱动力的电动机11，使用电动机11替代传统机械连接驱动风扇5的方式，从而能够实现风扇5与低压涡轮7之间的转速差达到一个较高值，以满足使用氢燃料时对涡轮风扇发动机的要求。

具体地，如图3所示，图3示出了本发明的一种氢电混合动力涡轮风扇发动机半剖面结构示意图，在传统的涡轮风扇发动机结构基础上，低压涡轮7不再与进气口1处的风扇5传动连接，进气口1处的风扇5前端的整流罩501内设置有电动机11，所述电动机11为外转子无刷电机，电动机11包括具有励磁绕组结构的第一内定子1101和具有永磁体结构的第一外转子1102，即为传统的外转子无刷电机结构，第一内定子1101固定在发动机的中轴(未画出)上，第一外转子1102与风扇5固定连接，电动机11的电源输入端通过电源线连接电源，进而可以通过驱动第一外转子1102转动来带动风扇5转动。通过对电动机11通电，使电动机11的第一外转子1102转动，进而可以独立驱动风扇5转动，使其与低压涡轮7拥有不同的转速。

进一步地，可以通过改变第一内定子1101输入电力的电压和频率，即可改变电动机11的转速和扭矩，进而调整风扇5的转速，这种控制方式被称为“变频斩波调速”，主要应用于地铁和高铁车辆的驱动电机上，在本发明中可直接应用，无需进行改进。

进一步地，电动机11的驱动电源可以由低压涡轮7来提供，具体地，低压涡轮7内嵌有发电机12，其机械工作原理与驱动风扇5转动的电动机11恰好相反，如图3和图4所示，发电机12包括具有永磁体结构的第二外转子1201和具有励磁绕组结构的第二内定子1202，第二内定子1202固定在发动机的中轴上，不随低压涡轮7转动，第二外转子1201嵌入低压涡轮7的内部，且与低压涡轮7固定连接，进而能够随低压涡轮7转动。当低压涡轮7转动时，嵌入低压涡轮7内的第二外转子1201与固定在发动机中轴上的第二内定子1202形成互相运动，从而产生磁感线切割变化，第二内定子1202内产生一个频率和电压都在随转速变化而变化的电流，该电流即可作为电动机的电源，并通过电源线输送给电动机11。

当然，低压涡轮7处的发电机12产生的电力是频率和电压均不稳定的交流电，因此需要整流器(技术较为成熟，使用现有整流器即可)将发电机12的电转换为电压稳定的直流电，进而作为稳定的电源供给点，整流器最好设置在机身内。风扇5的动力由电动机11提供，低压涡轮7的动能部分转化为电能，风扇5和低压涡轮7均能拥有独立的转速，通过调整两者之间的转速差，即可满足将氢作为燃料时发动机对其转速差的要求。

进一步地，为了实现氢电混合动力输出，本发明还设置有氢燃料电池(图中未画出)，氢燃料电池既可以设置在发动机上，也可以设置在机身内，考虑到安全性和稳定性，最好设置在机身内。然而，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，即氢燃料电池的电力输出端接通直流稳压装置，相应地，直流稳压装置也最好设置在机身内。

进一步地，为了更好地协调配合氢燃料电池的电力输出和发电机的电力输出，本发明设计了一种电器逻辑控制图，如图5所示，低压涡轮7内嵌的发电机11产生高频交流电，通过输电线将高频交流电输送给整流器，然后再输送给直流电汇流条，通过直流电汇流条将电力输送给逆变器，逆变器将电力转换为调频调压的交流电，然后再输送给电动机。氢燃料电池产生的电力经直流稳压器稳流后，输送给直流电汇流条，然后再输送给逆变器，通过逆变器传输给电动机11。在直流电汇流条部分，通过在一定范围内调整两路直流电(一是来自发电机的电力，二是来自氢燃料电池的电力)的输入电压，即可实现两路电源输入能量比例的调整，该技术主要被应用在混合动力汽车上，在本发明中可直接应用，无需进行改进。此外，由于氢燃料电池不能承受较快的输出功率变化，快速变化的输出功率会导致氢燃料电池损坏甚至起火，为了避免该问题，可以通过控制其内部电化学反应的反应速度来控制其稳定输出功率，因此直流电汇流条的控制需要通过统一的控制器和氢燃料电池协调控制，使氢燃料电池的输出功率和直流电汇流条的能量分配比例协调，以保证该系统的安全高效工作，如图5所示，本发明还设置有动力系统控制器(常用的控制器即可，可参考现有的动力电池控制器，其包括继电器、控制插件、电压检测插件等部件)，动力系统控制器通过电线分别接通氢燃料电池、直流电汇流条和逆变器，以控制氢燃料电池的发电功率、通过控制直流电汇流条控制两路电源能量输入比例、控制逆变器输出电压大小及频率，由此实现氢燃料电池的电力输出和发电机的电力输出的协调配合。

进一步地，传统涡轮风扇发动机工作时，其主要推力产生于风扇5，风扇5产生的推力占整个发动机输出功率的75－80％以上，因此，目前涡轮风扇发动机的整体设计都是围绕风扇5进行的，由于传统涡轮风扇发动机中，由低压涡轮7驱动风扇5旋转，其减速比固定，而低压涡轮7的能量转换效率又和高压涡轮9密切相关，高压涡轮9直接联动高压压气机2转动。因此在涡轮风扇发动机的整机设计中，高压涡轮9、低压涡轮7和风扇5的传动设计非常关键，目前存在的主要问题是：为了保证发动机的整体能量效率，发动机的设计只能根据风扇5的工作特性得到唯一最优解，通常发动机是按照飞机巡航阶段的需求进行设计的，而飞机低速滑行、起飞、巡航、降落过程中，其速度和外界大气温度变化剧烈，因此其低压涡轮7和风扇5的最优减速比不相同，其最优减速比变化较大，这限制了涡轮风扇发动机性能的发挥。特别是在飞机起飞阶段，发动机全速运转，其输出的功率和推力是飞机巡航阶段的一倍乃至更高，而发动机的设计又是根据巡航阶段优化，因此其涡轮和风扇的工作效率在起降阶段大大降低，并且提高了污染物排放。由于低压涡轮7提供风扇5所有的能量，因此低压涡轮7需要预留非常大的功率区间，这也造成了发动机结构重量的浪费。

在本发明中，发动机风扇5和各压气机以及涡轮的设计依然可以按照巡航阶段做优化，只是本发明将原来的直接驱动(通过低压转轴和减速器驱动)方式转换为间接驱动(通过电动机驱动)方式，起飞阶段低压涡轮7驱动风扇5的功率不足的部分，可以由氢燃料电池补充。由于目前航空发动机的研究已经从传统航空煤油燃料转向氢燃料，在未来新一代的发动机中，涡轮机和氢燃料电池的燃料可以统一。在本发明的氢电混合动力涡轮风扇发动机中，在飞机起飞等需要大推力的阶段，由氢燃料电池提供更大比例的电能驱动风扇5转动，而飞机在起飞的几分钟时间内，部分不重要的电力负载则可以卸载(如客舱娱乐系统和空调)；在巡航阶段时，可以由低压涡轮7的发电机12提供全部的风扇5的旋转能量，氢燃料电池此时提供飞机其余系统的电力需求。

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 (6)

1.一种氢电混合动力涡轮风扇发动机，包括位于进气口处的风扇，位于尾喷管前端的低压涡轮，其特征在于，所述风扇不与低压涡轮传动连接，风扇的整流罩内设置有用于驱动风扇转动的电动机，所述低压涡轮内嵌有发电机，低压涡轮与发电机的转子部分固定连接，以通过低压涡轮的转动使发电机发电，发电机的电力输出端通过输电线与电动机的电力输入端接通，以将发电机产生的电力传输给电动机，进而驱动风扇转动，所述电动机的电力输入端还接通氢燃料电池的电力输出端，所述氢燃料电池用于给电动机提供电力；所述电动机包括具有励磁绕组结构的第一内定子和具有永磁体结构的第一外转子，所述第一内定子与发动机的中轴固定连接，所述第一外转子与所述风扇固定连接，以通过第一外转子来驱动风扇转动；通过改变第一内定子的输入电压来调整所述风扇的转速；所述发电机包括具有永磁体结构的第二外转子和具有励磁绕组结构的第二内定子，所述第二外转子与所述低压涡轮固定连接，所述第二内定子与发动机的中轴固定连接，通过低压涡轮来带动第二外转子转动，使第二外转子与第二内定子形成相互运动，进而使发电机产生电力。

2.如权利要求1所述的氢电混合动力涡轮风扇发动机，其特征在于，所述发电机的电力输出端通过电线接通整流器，所述整流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。

3.如权利要求1所述的氢电混合动力涡轮风扇发动机，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，进而实现为电动机提供电力。

4.如权利要求3所述的氢电混合动力涡轮风扇发动机，其特征在于，发电机的电力输出端通过整流器接通直流电汇流条的一个输入端，氢燃料电池的电力输出端通过稳压器接通直流电汇流条的另一个输入端，直流电汇流条的电力输出端接通逆变器的输入端，直流电汇流条的控制端接通动力系统控制器，所述动力系统控制器通过控制直流电汇流条来调整发电机和氢燃料电池电力输入的能量比例。

5.如权利要求4所述的氢电混合动力涡轮风扇发动机，其特征在于，所述动力系统控制器的一个控制输出端接通氢燃料电池的控制端，以控制氢燃料电池的发电功率。

6.如权利要求5所述的氢电混合动力涡轮风扇发动机，其特征在于，所述动力系统控制器的一个控制输出端接通逆变器的控制端，以控制逆变器的输出电压大小及频率。

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