CN116374179A - 一种串联式混合电推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种串联式混合电推进系统，属于航空发动机技术领域，所述推进系统包括：主发动机、与主发动机连接的两个子发动机、与两个子发动机连接的四个涵道风扇推进子系统以及能量管理子系统，其中，两个所述子发动机分别包括一个用于发电的发电机；所述推进系统还包括用于进行空气流量分配的空气流量分配装置。该串联式混合电推进系统在主发动机压气机后设置空气流量分配控制机构，根据使用需求对空气流量进行分配。由于仅部分空气流量进入子发动机，子发动机的涡轮输出功率明显降低，发电机设计难度明显降低。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机技术领域，具体涉及一种串联式混合电推进系统。
背景技术
串联式混合电推进系统通过涡轮发动机驱动发电机发电，如图3所示，产生的电能一方面通过电动机带动涵道风扇产生推力，另一方面，在电能剩余情况下可以给蓄电池充电，以满足其他机载系统以及飞机不同飞行条件下对电力的需求。串联混合动力构型可以包含多个电机/涵道风扇，实现动力系统分布式布局，提高飞机气动效率和推进效率，增大飞机续航时间和续航里程,因此串联式混合电推进系统具有良好的应用前景。尽管串联式混合电推进系统有上述优点，但其常规构型有两个缺点，主要如下：
1、串联混合动力构型对高功率密度的发电机有非常高的要求，发电机尤其是兆瓦级的发电机的研制难度较大，成为制约串联混合动力发展的主要因素之一。
2、目前串联式混合电推进系统仅能在飞行马赫数较低的情况使用，使用速域受到限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供串联式混合电推进系统，在满足使用需求的前提下降低发动机设计要求，并且拓宽飞行速度使用范围。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案，一种串联式混合电推进系统，所述推进系统包括：主发动机、与主发动机连接的两个子发动机、与两个子发动机连接的四个涵道风扇推进子系统以及能量管理子系统，其中，
两个所述子发动机分别包括一个用于发电的发电机；
所述推进系统还包括用于进行空气流量分配的空气流量分配装置。
本发明所提供的串联式混合电推进系统，还具有这样的特征，所述主发动机为单轴涡喷构型发动机。
本发明所提供的串联式混合电推进系统，还具有这样的特征，所述主发动机包括主压气机、主燃烧室、主涡轮和喷管，所述空气流量分配装置设置在主压气机后。
本发明所提供的串联式混合电推进系统，还具有这样的特征，两个所述子发动机结构相同，所述子发动机包括与空气流量分配装置连接的子发动机燃烧室、与子发动机燃烧室连接的子涡轮、与子涡轮通过输出轴连接的子发电机及排气蜗壳。
本发明所提供的串联式混合电推进系统，还具有这样的特征，四个所述涵道风扇推进子系统结构相同。
本发明所提供的串联式混合电推进系统，还具有这样的特征，所述涵道风扇推进子系统包括电动机，所述能量管理子系统与电动机连接。
本发明所提供的串联式混合电推进系统，还具有这样的特征，所述推进系统还包括储能子系统。
有益效果：
本发明所提供的串联式混合电推进系统将原常规串联式混合推进系统主动力涡轮功输出功，分配到子发动机的子涡轮上，单个子涡轮输出功率明显降低，因此发电机设计难度降低；可根据飞行场景灵活调节主发动机和子发动机流量，从涡喷模式到分布式推进模式变换动力输出方式，实现了快速飞行或者节省燃油的目的；主发动机和子发动机形式简单，降低了燃气发生器设计难度；子涡轮与发电机连接，相比用原常规构型采用动力涡轮与发电机连接方式，子涡轮燃气温度压力很高，单位流量能提供的功率更大，能量利用率高；子发动机只有燃烧室和涡轮，不涉及与压气机相匹配的问题，子发动机可根据涵道风扇功率需求调节供油量以调整提供子涡轮输出功率；可根据需求对子燃烧室独立设计，提高燃烧效率。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所提供的串联式混合电推进系统的原理图；
图2为本发明实施例中的串联式混合电推进系统燃气发生器结构示意图；
图3为现有技术中的串联式混合电推进系统原理图，
其中：00：空气流量分配装置；1：主发动机进气道；2：主压气机；3：主燃烧室；4：主涡轮；5：喷管；11：第一子发动机进气导流装置；31：第一子发动机燃烧室；41：第一子涡轮；51：第一子排气蜗壳；61：第一子发电机；12：第二子发动机进气导流装置；32：第二子发动机燃烧室；42：第二子涡轮；52：第二子排气蜗壳；62：第二子发电机。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
如图1-图2所示，本发明实施例提供了一种串联式混合电推进系统，所述推进系统包括：主发动机、与主发动机连接的两个子发动机、与两个子发动机连接的四个涵道风扇推进子系统以及能量管理子系统，其中，两个所述子发动机分别包括一个用于发电的发电机；所述推进系统还包括用于进行空气流量分配的空气流量分配装置00。
在部分实施例中，所述主发动机为单轴涡喷构型发动机。
在部分实施例中，所述主发动机包括主压气机2、主燃烧室3、主涡轮4和喷管5，所述空气流量分配装置00设置在主压气机2后。
在部分实施例中，两个所述子发动机结构相同，所述子发动机包括与空气流量分配装置00连接的子发动机燃烧室、与子发动机燃烧室连接的子涡轮、与子涡轮通过输出轴连接的子发电机及排气蜗壳。如说明书附图1-图2所示，分为第一子发动机和第二子发动机，第一子发动机包括第一子发动机燃烧室31、与第一子发动机燃烧室31连接的第一子涡轮41、与第一子涡轮41通过输出轴连接的第一子发电机61及第一子排气蜗壳51，其中第一子发动机燃烧室31通过第一子发动机进气导流装置11与空气流量分配装置00连接；第二子发动机包括第二子发动机燃烧室32、与第二子发动机燃烧室32连接的第二子涡轮42、与第二子涡轮42通过输出轴连接的第二子发电机62及第二子排气蜗壳52，其中第二子发动机燃烧室32通过第二子发动机进气导流装置12与空气流量分配装置00连接。
在部分实施例中，四个所述涵道风扇推进子系统结构相同。
在部分实施例中，所述涵道风扇推进子系统包括电动机，所述能量管理子系统与电动机连接。
在部分实施例中，所述推进系统还包括储能子系统。
上述实施例所提供的串联式混合电推进系统的工作原理如下：
当无人机需要长时间空中巡航时，通过优化主发动机和子发动机总的耗油，合理分配主发动机的主压气机后三路空气流量，进入子发动机的空气，由子发动机燃烧室燃烧后进入子涡轮膨胀做功，带动发电机发电，产生的电能给电动机提供能量，带转涵道风扇产生巡航所需推力，主发动机不产生推力或产生很少推力，同时此模式能量管理系统根据功率需求实时调节储能系统提供额外所需功率给涵道风扇，或给储能系统充电；当无人机需要大推力快速机动飞行时，主发动机压气机后空气完全进入主燃烧室时，而不进入子发动机，两个子发动机处于关闭模式，主发动机在涡喷模式下工作产生飞机所需全部推力，实现大推力高速飞行。
上述实施例所提供的串联式混合电推进系统包括两种工作模式：
巡航模式工作原理：外界空气经主发动机进气道1进入主压气机2，经主压气机2压缩后总温总压提高，压缩空气从主压气机2流道出来后进入空气流量分配装置00，总共分为三股气流。第一股气流进入主燃烧室3燃烧后，进入主涡轮4膨胀做功，带动主压气机2，涡轮后排气经主喷管5排入大气；第二股空气经空气流量分配装置00分配进入第一子发动机燃烧室31燃烧后，进入第一子涡轮41膨胀做功，第一子涡轮41产生的输出功提供能量给通过输出轴连接的第一子发电机61，第一子发电机61产生电能，第一子涡轮41后的排气经第一子排气蜗壳51排入大气；第三股空气经空气流量分配装置00分配进入第二子发动机燃烧室32燃烧后，进入第二子涡轮42膨胀做功，第二子涡轮42产生的输出功提供能量给通过输出轴连接的第二子发电机62，第二子发电机62产生电能，第二子涡轮42后的排气经第二子排气蜗壳52排入大气。第一子发电机61和第二子发电机62产生的电能，由能量管理系统进行管理和分配，主要提供给涵道风扇系统电动机，由电动机带转涵道风扇产生推力，同时能量管理系统根据推力需求和电能情况，决定给储能系统充电或由储能系统提供电能。
高速飞行模式：外界空气经主发动机进气道1进入主压气机2，经主压气机2压缩后总温总压提高，压缩空气从主压气机2流道出来后进入空气流量分配装置00，空气流量分配装置00控制空气完全流向主发动机，经主燃烧室3燃烧后，进入主涡轮4膨胀做功，涡轮后燃气通过喷管5产生推力供无人机使用，燃气排气通过喷管5排入大气。第一子发动机和第二子发动机此模式下不工作。
综上所示，前述实施例所提供的串联式混合电推进系统在主发动机压气机后设置空气流量分配控制机构，根据使用需求对空气流量进行分配。由于仅部分空气流量进入子发动机，子发动机的涡轮输出功率明显降低，发电机设计难度明显降低。
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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种串联式混合电推进系统，其特征在于，所述推进系统包括：主发动机、与所述主发动机连接的两个子发动机、与两个所述子发动机连接的四个涵道风扇推进子系统以及能量管理子系统，其中，
两个所述子发动机分别包括一个用于发电的发电机；
所述推进系统还包括用于进行空气流量分配的空气流量分配装置。
2.根据权利要求1所述的串联式混合电推进系统，其特征在于，所述主发动机为单轴涡喷构型发动机。
3.根据权利要求2所述的串联式混合电推进系统，其特征在于，所述主发动机包括主压气机、主燃烧室、主涡轮和喷管，所述空气流量分配装置设置在所述主压气机后。
4.根据权利要求1所述的串联式混合电推进系统，其特征在于，两个所述子发动机结构相同，所述子发动机包括与所述空气流量分配装置连接的子发动机燃烧室、与所述子发动机燃烧室连接的子涡轮、与所述子涡轮通过输出轴连接的子发电机及排气蜗壳。
5.根据权利要求1所述的串联式混合电推进系统，其特征在于，四个所述涵道风扇推进子系统结构相同。
6.根据权利要求5所述的串联式混合电推进系统，其特征在于，所述涵道风扇推进子系统包括电动机，所述能量管理子系统与所述电动机连接。
7.根据权利要求1所述的串联式混合电推进系统，其特征在于，所述推进系统还包括储能子系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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