CN116745208A - 电动管道风机推进器 - Google Patents

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Abstract

一种用于飞行器的推进系统，其具有两级对旋式风机系统以产生推力。对旋式风机系统由空气动力管道包围，在管道内具有动力传动系。

Description

电动管道风机推进器
技术领域
本发明涉及一种电动管道风机推进器。
背景技术
本公开涉及使用电动机来驱动产生推力的空气动力表面的所有类型的飞行器和地面车辆的推进。这包括所有VTOL(竖直起飞和降落)、CTOL(常规起飞和降落)、STOL(短距起飞和降落)、STOVL(短距起飞和竖直降落)飞行器、气垫船、飞艇和经由电动动力传动系统产生推力的运输设备。飞行器上的能源可能是电化学蓄电池、驱动燃料电池或内燃机发电机的氢、驱动发电机(燃气轮机/内燃机)的任何碳燃料或任何其他能源。此类飞行器的示例包括VolocopterTM、EhangTM、LiliumTM、Airbus VahanaTM、Bell NexusTM、Eviation AliceTM。电力推进的使用使得许多新型车辆配置具有传统动力传动系统(燃气轮机、内燃机)无法实现的独特优势。与此同时，这些类型的车辆存在一些挑战，比如某些电能源(例如电化学)的低能量密度、重型热管理系统(低等级排热)、重型线缆等。
US2016061144A1描述了一种具有可变几何形状入口的推进器，该入口具有可拉伸表层。入口表面和出口表面上的可拉伸表层可临时启动，以获得良好的悬停性能。
US2011147533A1基于飞行模式使用弹性表面来改变入口管道形状和出口管道形状。
US5364230A，用于具有管道式同轴对旋式转子的转子组件的转子叶片子组件。该专利公开并未涵盖管道式同轴对旋式管道推进器，而是涵盖了使这种配置可实现的基础组件。比如US5226350A、WO2000064736A1的其他相关专利涵盖了该布置的其他方面，即动力传动系统，其不是电动和空中系统。
US6431494B1描述了在管道风机布置中的对旋式转子，但是其专注于能够进行滚动控制的控制表面上。
NASA，《32英寸直径悬浮管道风机概念设计的开发》，2006年(https://ntrs.NASA.gov/archive/NASA/casi.ntrs.NASA.gov/20070006851.pdf)描述了一种使用磁性边沿轴承而不是中心轮毂轴承的边沿驱动管道风机。NASA蓄水层也具有内置能量存储装置的边沿驱动电机(https://ntrs.NASA.gov/archive/NASA/casi.ntrs.NASA.gov/20200000417.pdf)。
US 2006049304 A1，使用管道式磁感应空气叶轮转子的安静竖直起飞和降落的飞行器再次使用对旋式风机级。
WO2016126231A1，旋转管道风机(rfd)推进系统包括管道中的边沿驱动电机和电化学能量储存装置，其具有包含蓄电池的可移除后罩。转子是磁悬浮的。
WO 2015/191017 A1中的电动发动机描述了一种具有边沿驱动电机的电动管道风机，该边沿驱动电机利用从管道外部的能源供应的能量来驱动一系列风机级。据称超导技术被用于从能源中传输能量。
US8299669B2，具有横向磁通电机的边沿驱动推进器描述了一种在海洋世界中使用的典型边沿驱动推进器。由于没有提供能量储存装置，因此推测能量来源是外部的。
因此，许多已知的用于飞行器的管道推进器的电动动力传动系统分布在飞行器上。能量储存装置通常是蓄电池组或燃料电池，其位于机身或机翼结构内。然后用长线缆将蓄电池组连接到逆变器。逆变器随后经由线缆连接到电动机。然后，电机驱动螺旋桨或管道风机以产生推力。这种布置中存在多个低效率。
线缆的重量可以是动力传动系统的总重量的1/10到1/5之间。此外，由于其内部电阻，线缆可能导致高达5-10％的总功耗。
由于每个部件的位置相互独立，因此每个部件都需要自己的壳体结构、热管理系统和保护装备。这些会进一步增加整个动力传动系统的重量，使得飞行器的总功率密度和能量密度非常低。
此外，动力传动系统的每个元件(即蓄电池、电机和逆变器)产生的热量通常被浪费到环境空气中。这种损失可以高达总功率的10-15％，并可能显著影响整体动力传动系统性能。
所有上述因素都可能导致飞行器航程和续航能力低。在一些电动飞行器类别中，比如eVTOL，当考虑备用电力的需求时，没有足够的电力/能量可用于使飞行器离开地面。
发明内容
根据本发明，用于飞行器的推进系统的特征在于具有两级对旋式风机系统以产生推力，对旋式风机系统具有由空气动力管道包围的两个风机级，其在管道内具有动力传动系。
术语“动力传动系”是指能量储存装置、电动机驱动器和逆变器、发动机控制单元、电力分配单元和热管理系统。
在一个实施例中，推进系统具有两个电机，每个电机包括由所述管道中的能量储存装置供电的环形定子，并且每个电机的转子包括围绕每个风机级的末端设置在环中的永磁体，能量通过一个或更多个逆变器供应到定子。
由于整个动力传动系统被嵌入到单个单元，因此来自蓄电池，逆变器和电机的布线因为这些部件而彼此相邻。因此，最大限度地减少了布线，从而显著减轻了重量并提高了效率。
由于电机、逆变器和蓄电池单元集成在单个单元中，因此可以共享机械壳体、热管理系统和保护设备，从而显著减轻整体重量。
在一实施例中，产生到管道风机的热量向下流动流经热交换器，从而获得能量。来自动力传动系统的热量使下游流动膨胀，这有利地增加了推力和整体效率。
理想地，蓄电池组提供高功率密度(W/m3)但具有低比能(J/kg)和能量密度(W/m3)，并且位于模块本身内部，而不是如现有技术中的位于中心机身。与蓄电池组位于机身的系统相比，这具有飞行器水平优势和安全优势。中心机身空间被释放出来，以用于更多的有效载荷和在机身中放置燃料电池动力传动系统。燃料电池动力传动系统提供高比能(J/kg)，但能量密度(J/m3)和功率密度(W/m3)低。当蓄电池和燃料电池需要同时使用时，它们会争夺机身体积中的空间，从而导致折衷的解决方案。通过将蓄电池组放置在推进器中(远离机身)，并将燃料电池动力传动系统放置在机身中，飞行器可以利用具有能源和动力来源的优势，实现比仅选择两种能源中的一种的传统动力传动系统更高的总功率密度和比能。安全优势在于，所有蓄电池组不位于飞行器上靠近乘客/货物的一个中心位置，而是分布在飞行器周围的多个推进器中。在一个组出现单个故障的情况下，损坏不会蔓延到所有其他组。
推进器模块使用对旋式管道风机架构来产生推力，而不是那些使用开放式螺旋桨或单级管道风机的现有系统。这是有利的，由于管道本身产生的推力，管道风机比相同直径的开放式螺旋桨更有效。此外，在本发明中，管道除了产生推力之外，还充当整个动力传动系统(包括热交换器)的结构壳体。该管道还充当安全护罩，并在叶片失效的情况下保护飞行器和有效载荷。对旋式级具有空气动力学优势和安全性优势。在空气动力学方面，由于涡流损失减少，因此对旋式风机比单级风机具有更高的空气动力学效率。此外，一个风机的故障不会导致推进器的升力完全丧失。剩余的风机级和管道将继续产生一些推力。
在通常被浪费的电动动力传动系统的多余热量经由环形热交换器注入到风机的下游流动中的情况下，具有更高空气动力学效率的额外推力产生。多余热量可以经由使用液体冷却剂(通常是电介质)的蓄电池、电机和逆变器的冷却回路获得。除了将废热注入推进器下游流动的优势之外，使用集成的冷却系统的优势还在于，经由单个冷却回路从每个子系统(电机、蓄电池、电力电子设备)收集废热可以减轻重量，降低复杂性。
本发明的推进器还具有多个特征，这些特征将使整体噪音产生和心理声学影响显著低于传统的动力传动系统。第一，管道结构有利地使用吸收来自对旋式级的噪音的材料。热交换器应该具有高传热系数，但是也具有抑制来自下游流动的边界层的噪音的表面特征。
在本发明的一个实施例中，管道的后边缘几何形状将用锯齿进行修整，以进一步降低噪音。对旋式级中的叶片的设计和数量可以针对低噪声特性进行优化。各种空气动力表面(入口轮叶/出口轮叶、对旋式风机级)的相互分离可以设计成可接受的心理声学信号。
本发明的推进器优选地使用边沿驱动电机系统来驱动对旋式风机，而不是传统电力动力传动系统中的轮毂驱动电机。定子位于管道内部，而转子(永磁体)嵌入到环上，该环形成对旋式风机级的外部末端。使用边沿驱动系统具有多个优点。首先，电机安装在蓄电池组旁边的管道中，而不是安装在轮毂中，从而消除了对高功率线缆连接的需要，线缆连接会增加重量并降低效率。其次，电机、逆变器和蓄电池共享电力管理、热管理、结构壳体和保护设备，从而进一步减轻重量并提高效率。第三，由于轮毂不包含电动机，因此可以具有高空气动力学效率，并容纳风机的机械轴承。另一个优点是末端损失低于轮毂驱动系统，从而提高空气动力学效率。此外，由于电机是直接驱动的，因此转速相当低。正常情况下，低转速需要高扭矩和重型电动机，因为在传统系统中，电机必须具有大半径。在本发明中，电机的尺寸可以小且重量轻，同时仍然产生所需的转矩。因此，电机可以舒适地安装在空气动力管道内。
传统的电动动力传动系统为动力传动系统的每个部分采用单独的热管理系统，这增加了重量和复杂性。使用电介质液体通过单回路冷却所有动力传动系统子系统具有显著的重量优势。用于蓄电池的电介质液体冷却也能够实现更高的充电速率和热失控保护。除了上述功能外，热管理系统也可以用于模块的除冰。电驱动推进模块没有通常在燃气轮机和活塞发动机上可用的除冰的排气。然而，本文描述的冷却回路可以有利地通过使用由电动动力传动系统系产生的热量为模块执行除冰功能，以对关键的空气动力表面(比如入口整流罩)进行除冰。这可以通过确保模块冷却回路具有穿过关键空气动力表面的通道来实现。
推进器在设计中内置了传统动力传动系统中不存在的冗余。在本发明的优选布置中，每个推进器可以具有两组蓄电池组、逆变器和电机，每组驱动对旋式风机的一级。任何一个系统的故障都不会导致推力的完全丧失。推进器可以采用电机、逆变器和蓄电池的电联接和/或对旋式级的机械联接，以实现进一步的冗余。
推进器可以在前边缘/后边缘采用各种可变几何系统(例如入口轮叶/出口轮叶)，以优化某些类别的电动车辆的整体任务性能，比如eVTOL，其需要具有结合良好悬停性能和巡航性能的推进器。
推进器可以根据任务周期使用可变螺距系统来优化对旋式级的螺距角。
附图说明
图1是根据本发明的示例性电动管道风机推进器的示意性平面图；
图2A、图2B和图2C示出了图1的电动管道风机推进器的左半立体图、前视图和侧视图；
图3A、图3B和图3C是具有两个图1的电动管道风机推进器的飞行器的示意性左半视图、俯视图和前视图；
图4是用于图1的电动管道风机推进器的发动机控制单元的框图；
图5是推进器的热管理系统的框图；
图6示出了从管道风机推进器的管道的后部看到的图1的管道电动风机推进器的环形热交换器；以及
图7示出了图6的环形热交换器的进一步改进，在其表面上具有锯齿以提高热性能并降低噪音。
具体实施方式
在图1和图2中，电动管道风机推进器10具有中心轮毂11，其形成保持轴承壳体22和23以及对旋式风机级18和24的静态结构。中心轮毂形成了载荷路径的一部分，以用于将推力从风机级载荷转移到管道和飞行器中。
围绕中心轮毂11设置有管道13，该管道由入口导向轮叶12保持在适当位置。入口导向轮叶将中心轮毂保持在适当位置并且能够将载荷从中心轮毂转移到管道结构中，并进一步转移到飞行器中。入口导向轮叶12还将气流导入到推进器中，并有助于减少横流/入口湍流对推力产生的影响。
管道13本身作为空气动力表面增加来自风机级的推力。该管道容纳了整个动力传动系统：电机、逆变器、蓄电池、热管理系统、发动机控制单元和其他推进相关系统(比如传感器、数据记录器、执行器)。此外，该管道还可充当风机叶片脱落事件的保护罩，并衰减风机级的一些噪音。此外，该管道还可在叶片出现故障时充当保护罩，提供除风机叶片之外的辅助推力源。通常地，管道13的长度与直径之比在0.6至1.4之间。
圆形蓄电池组14和25朝向护罩的前部定位。这些包括柱形形式的电化学电池(尽管可以使用棱柱形电池)；锂离子电池是这些电池的优选地选择。电池被布置成在可用空间中实现最高容量。蓄电池组使用电介质液体冷却，其在电机和逆变器之间共享。每个推进器具有两个蓄电池组14、25，一个组14为对旋式风机系统的一个风机级18供电，另一组25为另一个风机级24供电。蓄电池组产生的废热被参考图5描述的热管理系统移除，并用于增加推力。
具有相关联的功率逆变器17和26的两个电机将来自蓄电池组14和25的电功率转换成机械功率，该机械功率被对对旋式风机级18和24利用以产生推力。每个电机独立地向对旋式风机系统的每一级提供机械动力，并且电机包括位于管道的环形空间中的定子15和27以及用于每个电机的转子16和28，该转子由永磁体组成，所述永磁体布置在嵌入对旋式风机级的外部环上的Hallbach(霍尔巴赫)阵列中。
对旋式风机系统包括第一级18和第二级24。每一级包括附接到轴承壳体22(第一级18)或23(第二级24)的多个风机叶片和内环，并且外环包括电动机转子16和28。由作用在永磁体上的电磁力在风机级中产生的扭矩加速了通过对旋式风机的气流，从而产生推力。具有两级对旋式风机系统使得即使在单个风机级失效或其相关的能量/电力失效后也能够产生推力。
中心轮毂11还包含用于对旋式风机级18和24的可变螺距机构，以便能够针对安装有管道推进器的飞行器的不同飞行状态优化空气动力学性能。
围绕管道13，与风机18和24的下游流动邻接的是环形热交换器19，这将在图4、图5和图6中进一步讨论。其连接到由管件、冷却剂和泵组成的热管理单元20。
朝着管道13的后部，在管道13和轮毂1之间具有出口轮叶21。出口轮叶21可以具有控制表面，该控制表面偏转气流以在某些飞行状态(比如悬停和过渡)期间实现飞行器控制。
图3A、图3B和图3C示出了安装在飞行器40的机翼41下方的如图1和图2所示的两个电动管道风机推进器10。
图4示出了用于飞行器的控制系统51，该飞行器包括根据本发明的电动管道风机推进器。发动机控制系统51包括命令推进器的多种子系统的电子设备和算法，并且还聚集来自推进器的多种子系统和其他部分的所有传感器输入，以在一个位置监测健康状况和使用情况。发动机控制系统51将关于推进器健康和使用的关键信息传送给飞行器飞行计算机50，并从飞行器飞行计算机50接收关键信息以命令各种子系统。
图5是示出热管理系统的框图。热交换器19环绕管道13的内部设置(如图1和图6所示)。热交换器将热量传递至对旋式风机18和24的下游流动。电介质流体31的回路通过储存器29和泵30以冷却电化学电池蓄电池14和26、电机定子15和27以及逆变器17和26。提高它们的效率，以将通过热交换器19获得的热量损失到下游流动中。如上所述，电介质流体收集来自每个子系统的废热并被泵入环形热交换器19中，废热从该环形热交换器转移到对旋式风机的下游流动中，以产生额外的推力。
除了用于产生如上所述的额外推力之外，从动力传动系统获取的热量还可以用于关键空气动力表面的除冰功能。为了做到这一点，电介质加热的流动在相关表面下方通过。流向这些表面的流动将由阀控制，使得流动仅在需要除冰时出现，而其它时候不会出现，此时废热将全部传递到热交换器19。
图6示出了围绕管道3的内部的环形热交换器19的更多细节，其邻近来自对旋式风机18和24的下游流动32。出口轮叶21在中心轮毂13和管道11之间延伸，该出口轮叶具有能够偏转流动的控制表面33，以使飞行器能够在某些飞行状态期间被操纵或控制，比如悬停和过渡。
图7示出了图6中所示布置的进一步发展，在图6和图7中，面向下游流动32的热交换器19的表面具有在热交换器的宽度上的锯齿34。这具有两个优势，因为该锯齿增加了可用于热传递的表面，并且降低了噪音。作为进一步的发展，锯齿34延伸到管道13的后边缘35，从而进一步降低了噪音。

Claims (11)

1.一种用于飞行器的推进系统，其特征在于，其具有被空气动力管道环绕的两级对旋式风机系统以产生推力，空气动力管道内具有动力传动系。
2.根据权利要求1所述的推进系统，其特征在于，所述动力传动系包括两个电机，每个电机包括由所述管道中的能量储存装置供电的环形定子，并且每个电机的转子包括围绕每个风机级的末端设置在环中的永磁体，能量通过一个或更多个逆变器供应至所述定子。
3.根据权利要求2所述的推进系统，其特征在于，每个电机由独立于另一个电机的能量储存装置的能量储存装置供电。
4.根据权利要求1、2或3所述的推进系统，其特征在于，所述管道的长度直径比在0.6至1.4之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的推进系统，其特征在于，所述风机级独立地安装在中心轮毂中的轴承壳体上。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的推进系统，其特征在于，在另一个风机级出现故障的情况下，每个风机级可以独立于所述另一个风机级运行。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的推进系统，其具有热回路，所述热回路吸收所述动力传动系中产生的任何热量，并通过热交换器将热量传递至风机下游的管道中的气流。
8.根据权利要求7所述的推进系统，其特征在于，所述热交换器环绕所述风机下游的管道的内部环形地布置。
9.根据权利要求8所述的推进系统，其特征在于，所述热交换器在其面向管道下游的气流的表面上呈锯齿状。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的推进系统，其特征在于，从所述动力传动系统获取的热量使所述风机的下游流动膨胀，从而增加推力。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的推进系统，其特征在于，从所述动力传动系统获取的热量用于关键空气动力表面的除冰功能。
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