CN116803843A - 电驱动涵道风扇发动机 - Google Patents

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Abstract

一种电驱动涵道风扇发动机，包括：壳体，壳体内壁限定大致圆柱形的内部空间和纵向轴线；入口开口；转子，具有多个转子叶片，相对于发动机的纵向轴线在壳体的内部空间中定位在入口开口下游；定子组件，相对于发动机的纵向轴线在壳体的内部空间中固定地布置在转子下游；以及排气开口，相对于发动机的纵向轴线在壳体中设置在定子组件下游；其中相对于发动机的纵向轴线，级间区域限定在转子与定子组件之间，引导叶片区域限定在其中引导叶片延伸到壳体的内壁的纵向区段中，并且排气区域限定在定子组件与排气开口之间，其中在级间区域、引导叶片区域和排气区域中的至少一者中，声学衬垫设置到壳体。

Description

电驱动涵道风扇发动机
技术领域
本发明涉及一种电驱动涵道风扇发动机，该电驱动涵道风扇发动机包括：壳体，具有壳体内壁，壳体内壁限定大致圆柱形的内部空间和纵向轴线；入口开口，设置在壳体中；转子，具有多个转子叶片，转子布置成借助于电动马达而被驱动旋转，并且相对于发动机的纵向轴线在壳体的内部空间中定位在入口开口下游；定子组件，具有多个引导叶片，多个引导叶片从内部空间的径向中央区域延伸到壳体的内壁，定子组件相对于发动机的纵向轴线在壳体的内部空间中固定地布置在转子下游；以及排气开口，相对于发动机的纵向轴线在壳体中设置在定子组件下游。
背景技术
当设计电驱动涵道风扇发动机时，必须决定尽可能最好地降低发动机发出的运行噪音，以便最小化由设置有相应发动机的飞行器的运行引起的地面辐射。例如，当前的噪音法规通过限制给定运行时间内的综合噪音排放来限制飞行器可以通过给定机场的飞行总数。因此，更安静的飞行器具有能够执行更多飞行操作的好处，从而产生更多的收益。由于噪音排放本质上是对数的，所以与基线飞行器相比，噪音排放少3分贝的飞行器可以进行两倍的飞行，而噪音降低10分贝将允许10倍的飞行，并且噪音降低20分贝甚至将允许100倍的飞行。因此，显而易见的是，降低这样的发动机发出的噪音的潜在经济优势可能是巨大的，而当然，居住在机场或枢纽附近的人们对这样的飞行器的总体接受度对于建立相应的服务也可能是至关重要的。
然而，设置这样的具有大量声学衬里的电驱动涵道风扇发动机以空气动力学阻力和由于直径和材料的增加而增加的质量为代价，这两者均限制了飞行器的航程和效率，同时还可能在发动机中出现结冰和加热问题。因此，在可能的最佳降噪与上述不利影响之间找到最佳折衷方案是一项具有挑战性的任务。
在具有喷气发动机的传统飞行器中，最强调的是在它们各自的进气口处设置声学衬里，以便减少风扇蜂锯噪音形式的主要噪音源，当早期压气机级的叶尖超过1马赫的速度时，就会出现该风扇蜂锯噪音。然而，由于在电驱动涵道风扇发动机中，因为这样的发动机通常较小的直径，转子可以在非常高的频率下驱动，同时仍然保持转子的叶尖速度为亚音速，因此其他噪音源变得占主导地位或至少与风扇噪音同等显要。此外，喷气发动机和电驱动发动机的热分布有很大的不同，使得也由于这些原因，喷气发动机的降噪策略可能不是电驱动涵道风扇发动机的最佳选择。
此外，在可以特别地包括可倾斜发动机的飞行器中将电推进与竖直起飞和着陆能力相结合的情况下，由于发动机在其起动和着陆阶段的方向性，方向性内在地将更多的噪音引导到地面，与发动机的定向基本上始终保持水平的传统飞行器相比，必须特别强调发动机下游的降噪。
必须考虑的另一个方面是，特别是在单个飞行器中具有多个电驱动涵道风扇发动机的分布式推进系统中，风扇在小直径涵道中以更高的RPM(每分钟转数)驱动，这导致来自空气动力学以及其他机械零件的噪音压力场中出现更高阶的噪音模式。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种上述类型的电驱动涵道风扇发动机，其中在降噪与避免采用大量声学衬里的不利影响——比如额外的空气动力阻力和增加的重量——之间找到最佳折衷方案。
为此目的并且为了解决上述问题，在根据本发明的电驱动涵道风扇发动机中，相对于发动机的纵向轴线，级间区域限定在转子与定子组件之间，引导叶片区域限定在其中引导叶片延伸到壳体的内壁的纵向区段中，并且排气区域限定在定子组件与排气开口之间，其中在级间区域、引导叶片区域和排气区域中的至少一者中，声学衬垫被设置至壳体。因此，通过将声学衬垫限制在级间区域、引导叶片区域和排气区域中的至少一者，注意到由于这样的电驱动涵道风扇发动机的特定噪音发射特性，衬里设置在发动机的相关区域处，而对于降噪不太重要的区域可以制成没有声学衬垫。
特别地，级间区域、引导叶片区域和排气区域中的全部中，声学衬垫都可以被设置至壳体，和/或转子上游的壳体的纵向区段可以没有声学衬垫。
此外，声学衬垫可以被调谐到至少一个波长λ或噪音频率，至少一个波长λ或噪音频率优选地根据转子叶片的数量、引导叶片的数量和驱动转子的电动马达的极数量中的至少一者来计算。
在由电驱动转子推进系统提供动力的飞行器中，所述系统倾向于以轴通过频率辐射噪音，即RPM除以60，乘以引起音调噪音源的旋转部件的数量。这些音调在频谱中占主导地位，其次是出现在所有频率或至少在频谱的某一范围内的宽带噪音。
空气动力学音调是由进入的湍流与风扇前缘的周期性相互作用，通常称为转子音调，以及风扇尾流与下游定子组件的相互作用，通常称为相互作用音调而引起的。因此，空气动力音调出现在与转子叶片的数量及其倍数B、2B、3B等——其中B是转子叶片的数量——相关的频谱中的频率处。除了在明确定义的频率或波长处的所述音调之外，这两种机制还在整个频谱上引起宽带噪音。
类似地，由于电动马达中旋转极相对于定子的周期性波动而产生马达音调，从而在与电极数量的倍数P、2P、3P等——P是电动马达极的数量——相关的频率下产生噪音。此外，轴偏心和转子动态不平衡可以产生更大的整数值的音调。这些音调称为机械噪音，并且从它们的源向上游和下游传播。然而，由于上述原因，并且还由于在通常使用的飞行器设计中，噪音的上游辐射被机翼或鸭型翼掩盖，因此其对地面的辐射被相当阻挡，已经表明级间区域、引导叶片区域和排气区域为发动机壳体设置声学衬垫的理想位置，以便主要减少下游噪音排放。
特别地，在级间区域中，声学衬垫可以用于减轻向下游辐射的风扇噪音的一部分，并且如果选择较低数量的转子叶片，例如小于12，则应优先考虑所述位置，这是因为风扇噪音随着转子叶片数量的减少而增加。在级间区域和引导叶片区域中，相互作用音调以及向下游传播的机械音调两者都可以得到衰减，这两种音调在实践中是相对于地面静默的最重要的噪音源。然而，在排气区域中设置的声学衬垫也有助于减少相互作用噪音以及向下游传播的机械音调。
在根据本发明的电驱动涵道风扇发动机的一些实施例中，声学衬垫可以包括多孔衬垫材料，其中优选地，多孔衬垫材料可以相对于其孔隙率、空腔厚度、流阻率和/或弯曲度来进行调谐。这样的多孔衬垫材料的一个示例可以选择成使得多孔衬垫材料的孔隙率在80％至99％的范围内，和/或其空腔厚度为约λ/4。下面的表1给出了一种特别合适的多孔衬垫材料的材料特性的具体示例：
特性 值
孔隙率 0.9233
流阻率 1.4405e+04
迂曲度 1.455
粘度长度 6.5e-5
热长度 1.3e-4
密度(物理) 30千克/立方米
盖板厚度、孔径 1毫米、2毫米
盖板孔隙率 15％
表1
可替代地或额外地，声学衬垫可以包括亥姆霍兹衬垫，其中优选地，亥姆霍兹衬垫相对于其厚度、孔隙率、叶片厚度、孔直径和/或空腔深度来进行调谐。亥姆霍兹衬垫材料由具有许多空腔的空腔结构组成，比如空腔呈蜂窝配置，由穿孔面板覆盖。本文中，空腔内的空气代表阻尼介质，而穿孔面板的小孔内的空气质量由于声学激励而振荡。因此，声能被孔内的摩擦损失、腔体容积的压缩和膨胀以及孔边缘的旋涡的脱落所吸收。
在具体实施例中，孔直径可以在0.1毫米至5毫米的范围内，空腔厚度可以在λ/20至λ/4的范围内，其中λ是撞击在声学衬垫上的声波的波长，和/或孔隙率可以在2％至10％的范围内。下面的表2列出了一些具备有益性能的亥姆霍兹衬垫材料的具体示例：
表2
不管在特定实施例中选择的声学衬垫的类型如何，可以观察到，如果将其调谐到其中一种音调，则其降噪效率在所有其他轴谐波下都是优异的。其中要选择的音调可以根据第一原理进行计算，在实际类型的电驱动涵道风扇发动机上进行模拟或测量，该电驱动涵道风扇发动机将设置有相应的声学衬垫。
轴谐波效率的提高是由于音调以旋转模式传播，旋转模式的方位角数取决于它们的源，因此音调总是比任何衬垫材料的宽带噪音更好地消散。因此，通过计算、模拟或实验将衬垫的阻抗调谐到最普遍的音调，可以实现改善对其他轴谐波的阻尼的益处。
特别地，根据本发明的电驱动涵道风扇发动机可以具有28厘米至38厘米的直径，其对应于当前为具有大量可倾斜发动机的电推进竖直起飞和着陆飞行器预见的发动机的尺寸。
特别地，本发明还涉及这样的一种具有机身和至少一对机翼的飞行器，该飞行器进一步设置有如上所述的至少一个电驱动涵道风扇发动机，其中特别地，涵道风扇发动机可枢转地安装到机翼中的一者，例如借助于可倾斜的襟翼。
在这样的配置的一个具体示例中，声学衬垫可以使用符合航空级AMS的复合材料制造。例如，每个衬垫可以通过将穿孔的内面薄片和外皮附着到由粘合膜粘合在一起的芯上来制造。此外，衬垫的某些区段可以制造成一件式，特别是对于级间区域和排气区域，而衬垫的其他区段可以制造成四个象限，特别是对于引导叶片区域。
衬垫的制造工艺可以通过预形成最大可能深度的芯开始，该芯特别地可以是夹在两薄片之间的轻质蜂窝结构部件，以提供刚度和降噪。其中芯带方向可以是相对于水平轴线的45°。然后可以按照给定的空气清洗表面特征模制复合内面薄片，例如，其表面可以选择为具有Ra为1.6的表面粗糙度要求的工具表面。
然后可以使用多钻点钻头在内面薄片中钻孔。组件的外表面可以根据空间限制进行CNC加工，然后安装在发动机内部，其中芯的外部部分可以使用粘合剂用襟翼外部结构密封，使得外蒙皮成为襟翼外部结构的一部分。衬垫之间的任何轴向台阶或间断也可以使用粘合剂来密封。
附图说明
当结合附图时，从以下对其实施例的描述中，本发明的进一步特征和优点将变得更加清晰。这些附图特别地示出了：
图1是根据本发明的电驱动涵道风扇发动机的横截面视图；
图2是图1的发动机的示意性横截面视图，其中移除了壳体；以及
图3是设置有如图1和图2所示的多个发动机的飞行器的示意性俯视图。
具体实施方式
在图1中，以横截面视图示出了电驱动涵道风扇发动机，并且通常用附图标记10表示。所述发动机包括壳体12，壳体12具有壳体内壁12a，壳体内壁12a限定大致圆柱形的内部空间14和纵向轴线L。从图1中可以明显看出，大体圆柱形内部形状也可以包括这样的区域，在该区域中，内部形状至少稍微呈圆锥形，比如朝向其出口。
在发动机10相对于纵向轴线L的上游端上，入口开口16设置在壳体12中，通过入口开口16可以吸入空气，随后将压缩并喷射空气，以提供推力来推进安装了发动机10的飞行器。对于这样的飞行器的概述，参考将在下面讨论的图3。
为了将发动机10安装在图3的飞行器100的机翼或鸭型翼上，连接区段18设置在发动机壳体12的前部部分中，该连接区段18可以允许发动机10相对于机翼或鸭型翼围绕基本上沿着相应机翼104或鸭型翼106的纵向方向延伸的轴线倾斜，使得飞行器能够通过其发动机的相应倾斜策略竖直起飞和着陆。
在壳体12的内部空间14内，设置有具有多个转子叶片20a的转子20，该转子20布置成借助于具有定子和多个旋转极的电动马达22而被驱动旋转。在转子20的更下游，设置具有多个引导叶片24a的定子组件24，其中引导叶片24a从内部空间14的径向中央区域延伸到壳体的内壁12a。所述静态引导叶片用于以适当的方式基本上在纵向方向L上引导转子20的驱动气流中的横向冲量，并避免形成交叉流。因此，引导叶片24A有效地用作挡板。
甚至在定子组件24的更下游，排气开口26设置在壳体12中，通过该排气开口26，由转子12压缩的空气将最终离开发动机10，并沿着发动机10的纵向轴线L向飞行器提供推力。
考虑到发动机10的上述部件，相对于发动机10的纵向轴线L可以限定几个区域，即转子20上游的入口区段28、转子20与定子组件24之间的级间区域30、其中导引叶片24a延伸到内壁12a的导引叶片区域32，以及最后在定子组件24与发动机10的排气开口26之间的排气区域34。
为了减少发动机10的运行噪音的排放，根据本发明，在级间区域30、引导叶片区域32和排气区域34中的至少一者中，声学衬垫被设置至壳体，如特别地可以在图2中看到的，在图2中，为了更好的可视性，已经移除了壳体10。
在所述图2中，相应的声学衬垫用30a、32a和34a表示，30a、32a和34a分别表示设置在级间区域30、引导叶片区域32和排气区域34中的衬垫。所述声学衬垫30a至34a可以包括多孔衬垫材料和/或亥姆霍兹衬垫，其可以根据发动机10在其运行中的声学特性进行调谐，并且可以实现显著降低发出的噪音，特别是相对于地面而言，尤其是当考虑到如下所述的发动机10与飞行器100的相应机翼104或鸭型翼106的可倾斜连接时。
所述飞行器100在图3中以示意性方式示出，并且它包括机身102、一对机翼104、以及相对于飞行器100的主要飞行方向定位在机翼106前面的一对鸭型翼106。如图1和图2所示的多个发动机10通过它们各自的连接区段18以可倾斜的方式安装到每个机翼104和鸭型翼106，使得发动机相对于基本上分别沿着机翼104和鸭型翼106的纵向方向L 104和L 106延伸的轴线是可倾斜的。通过采用适当的策略使发动机10相对于它们各自的机翼104或鸭型翼106倾斜，飞行器能够竖直起飞和着陆。

Claims (12)

1.一种电驱动涵道风扇发动机(10)，包括：
-壳体(12)，具有壳体内壁(12a)，所述壳体内壁(12a)限定大致圆柱形的内部空间(14)和纵向轴线(L)；
-入口开口(16)，设置在所述壳体(12)中；
-转子(20)，具有多个转子叶片(20a)，所述转子(20)布置成借助于电动马达(22)而驱动旋转，并且相对于所述发动机(10)的所述纵向轴线(L)在所述壳体(12)的所述内部空间(14)中定位在所述入口开口(16)下游；
-定子组件(24)，具有多个引导叶片(24a)，所述多个引导叶片(24a)从所述内部空间(14)的径向中央区域延伸到所述壳体(12)的所述内壁(12a)，所述定子组件(24)相对于所述发动机(10)的所述纵向轴线(L)在所述壳体(12)的所述内部空间(14)中固定地布置在所述转子(20)下游；和
-排气开口(26)，相对于所述发动机(10)的所述纵向轴线(L)在所述壳体(12)中设置在所述定子组件(24)下游；
其中，相对于所述发动机(10)的所述纵向轴线(L)，级间区域(30)限定在所述转子(20)与所述定子组件(24)之间，引导叶片区域(32)限定在其中所述引导叶片(24a)延伸到所述壳体(12)的所述内壁(12a)的纵向区段中，并且排气区域(34)限定在所述定子组件(24)与所述排气开口(26)之间，
其中，在所述级间区域(30)、所述引导叶片区域(32)和所述排气区域(34)中的至少一者中，声学衬垫(30a-34a)设置至所述壳体(12)。
2.根据权利要求1所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，在所述级间区域(30)、所述引导叶片区域(32)和所述排气区域(34)中的全部中，声学衬垫(30a-34a)设置至所述壳体(12)。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述转子(20)上游的所述壳体(12)的所述纵向区段没有声学衬垫。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述声学衬垫(30a-34a)调谐到至少一个波长λ，所述波长λ优选地根据所述转子叶片(20a)的数量、所述引导叶片(24a)的数量和驱动所述转子(20)的所述电动马达(22)的极数量中的至少一者来计算。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述声学衬垫(30a-34a)包括多孔衬垫材料。
6.根据当从属于至少权利要求4时的权利要求5所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述多孔衬垫材料相对于其孔隙率、空腔厚度、流阻率和/或弯曲度来调谐。
7.根据权利要求6所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述多孔衬垫材料的所述孔隙率在80％至99％的范围内和/或其空腔厚度为约λ/4。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述声学衬垫(30a-34a)包括亥姆霍兹衬垫。
9.根据当从属于至少权利要求4时的权利要求8所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述亥姆霍兹衬垫相对于其厚度、孔隙率、板厚度、孔直径和/或空腔深度来调谐。
10.根据权利要求9所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述孔直径在0.1毫米至5毫米的范围内，所述空腔厚度在λ/20至λ/4的范围内，和/或所述孔隙率在2％至10％的范围内。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，
其中，所述发动机(10)具有28厘米至38厘米的直径。
12.一种飞行器(100)，具有机身(102)和至少一对机翼(104)，所述飞行器(100)进一步设置有至少一个根据前述权利要求中任一项所述的电驱动涵道风扇发动机(10)，其中特别地，所述涵道风扇发动机(10)能枢转地安装到所述机翼(104)中的一者。
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