CN116853474A - 一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，包括壳体，壳体前端安装头部整流罩，壳体后端设置水涵道、气涵道，壳体里安装压气机、燃烧室、涡轮、发电机、涡浆泵一体化部件，压气机、涡轮、涡浆泵一体化部件的轴为同一旋转轴，压气机和涡轮之间设置燃烧室，发电机连接旋转轴，发电机通过ACDC转换器连接可充电电池，涡浆泵一体化部件的尾部设置螺旋桨，头部整流罩后方设置进口密封结构。本发明结合进口密封结构在水下模式气涵道的密封性和抗冲击能力，实现空中螺旋桨推进模式和水下喷水泵推进模式的切换。综合以上技术手段，跨介质发动机能够在空中、水面和水下的多模态环境中实现跨介质工作和不同工作模式的快速切换。

Description

一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机

技术领域

本发明涉及的是一种发动机，具体地说是航空、航海的发动机。

背景技术

在深海开发中，会有许多任务存在工作范围垂直落差大，横向区域面积广等极其复杂的情况。而传统的无人驾驶飞机(UAV)和水下潜航器(UUV)只能在单一作业面中工作，无法完成全部区域内的任务，对于海洋资源的勘探情况以及样本的返回运输也有着很大的限制。针对这些情况，能够同时在水中和空中工作的跨介质飞行器的重要性不言而喻。而对于一款飞行器而言，动力装置更是其重中之重。

因此，面向跨水空介质飞行器，急需开展跨介质发动机的研究，使其在空中和水中模式下均能稳定、高效地工作。由于水空两种介质的物理特性不同，飞行器工作区域存在较大差异，水空工作模式转换的相关技术难以解决，目前国内外尚无跨介质飞行器及其动力装置的成熟产品，相关研究仍处于概念和原理探索阶段。根据飞行任务需求，开展跨介质发动机概念设计和性能计算、模型构建和重要部件性能分析等，对于跨介质飞行器的设计以及后续的实验研究具有重要的理论意义和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供跨水、空介质的一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：包括壳体，壳体前端安装头部整流罩，壳体后端设置水涵道、气涵道，壳体里安装压气机、燃烧室、涡轮、发电机、涡浆泵一体化部件，压气机、涡轮、涡浆泵一体化部件的轴为同一旋转轴，压气机和涡轮之间设置燃烧室，发电机连接旋转轴，发电机通过ACDC转换器连接可充电电池，涡浆泵一体化部件的尾部设置螺旋桨，头部整流罩后方设置进口密封结构。

本发明还可以包括：

1、压气机通过前支撑轴承与旋转轴配合，涡轮通过高压轴与旋转轴配合，发电机通过后支撑轴承与旋转轴配合。

2、处于大气环境下，气涵道、水涵道以及进口密封结构处于开启状态，气流经过压气机压缩做功，再由燃烧室燃烧产生高温高压燃气，燃烧的燃气从燃烧室喷出推动涡轮做功，涡轮驱动压气机运动以及发电机运转，发电机发出的交流电流经ACDC转换器为直流电，为电池充电，高温燃气通过气涵道流向动力涡轮，驱动动力涡轮带动螺旋桨旋转，提供动力，实现发动机在空中的持续工作。

3、由大气环境转为海洋环境时，燃烧室提前熄火，可充电电池介入工作，涡浆泵一体化部件切换工作模式，气流流入之后进行冷却降温，当各部件冷却达到可入水状态时，涡浆泵一体化部件工作模式切换完成，螺旋桨折叠，转化为泵推进模式，进口密封结构封闭气体涵道。

4、处于海洋环境下时进口密封结构完全封闭气涵道，涡浆泵一体化部件由可充电电池驱动，水介质经由水涵道流入，经过涡浆泵一体化部件中的喷水推进泵做功之后，全部经由尾喷管排出，实现水下的喷水推进。

5、由海洋环境转为大气环境时，燃烧室启动，可充电电池切断动力供应，涡浆泵一体化部件切换工作模式，螺旋桨展开，转化为螺旋桨推进模式，进口密封结构开启，气涵道开启。

本发明的优势在于：

在发动机的总体性能设计中，首先要关注的就是发动机设计点的性能。根据选定设计点的参数，热力计算确定设计点性能与发动机尺寸。在确定设计点后，根据发动机性能方法，获得发动机的工作特性。跨介质发动机空中模式下的动力形式为涡浆发动机，其依然由进气道、压气机、燃烧室、高压涡轮以及动力涡轮等部件组成，如果能够对这些重要部件进行准确地模拟，就可以从整体方面准确地模拟整个跨介质发动机的空中性能。

跨介质发动机水下模式下的动力形式为电池驱动喷水推进泵前进，基于常规推进泵推进的计算方法，使用经验公式开展了水下模式推力性能的计算。水下泵推动力的推力计算方法相对较为成熟，在跨介质发动机的预先研制设计过程中，可以作为理论依据进行发动机水下性能的计算。假设燃气在空中模式下工作时传递过程为理想状态，无任何泄露损失以及能量损失。高温高压燃气驱动高压涡轮转动的同时，燃气轮机整体产生的功率近似为发电机输入功率，可求得此时飞行器飞行速度v＝149.25m/s，符合上跨介质飞行器典型任务需求，水中模式下，由电池容量为20kw*h可得电量为59.3A·h。当飞行器在水下工作时，电机工作电流I可由计算得出，电流为67.5A的情况下，飞行器可工作时间t＝0.88h，亦符合上跨介质飞行器典型任务需求。

对于跨介质发动机在水介质中的推力计算，是在理想情况下建立的计算模型，计算误差较大。跨介质发动机设计对于水下推力误差要求相对较低，计算过程中也没有考虑空气螺旋桨折叠后是否在水下做功可能会出现的空泡现象产生的损失影响以及推进泵的流量损失情况。针对计算所存在的误差，后续研究仍需要进行一定的优化及修正工作。

附图说明

图1为本发明的三维构造示意图；

图2为本发明的动力装置示意图；

图3为本发明空中飞行工作原理示意图；

图4为本发明水下航行工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-4，本发明中，跨介质发动机的布局结构设计，首先考虑了发动机在水下环境的密闭需求，因此在进气口处，增添了进口密封结构，用于跨介质发动机在水下介质环境工作时对气涵道以及后续相关部件进行密封。在发动机水空两种介质的实现形式中，涡浆泵一体化部件需要同时在空中和水中两种介质中进行工作，驱动方式分别为燃气驱动和电池驱动。因此针对涡浆泵一体化部件，需要额外设计一个控制机构，目的是实现螺旋桨在空中和水下介质中，展开与折叠的来回切换。

跨介质发动机总的设计方案为：全机采用涡浆发动机的机构形式，由压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮以及螺旋桨组成。通过发电机将高压涡轮与水下动力源电池相连接，高压涡轮旋转带动压气机平稳旋转的同时，也带动发电机为电池供电；通过设计的动力涡轮/喷水推进泵/螺旋桨一体化部件，以实现跨介质发动机的动力输出装置的共用化；结合进口密封结构在水下模式气涵道的密封性和抗冲击能力，实现空中螺旋桨推进模式和水下喷水泵推进模式的切换。综合以上技术手段，跨介质发动机能够在空中、水面和水下的多模态环境中实现跨介质工作和不同工作模式的快速切换。

对传统燃油航空发动机以及电池驱动喷水泵推进的动力布局形式进行合理取舍，仿照混动汽车的工作原理，把传统涡浆发动机和电池通过发电机相结合，作为动力源部分；并将空中动力输出装置螺旋桨以及水下动力输出装置喷水推进泵进行了有机融合，作为动力输出部分，基于此提出了该新型的跨介质发动机的概念模型。其独特的工作环境对传统涡浆发动机各子系统部件提出了新的密封要求。跨介质发动机作为一种新型的航空发动机动力系统，与传统航空发动机在结构上具有一定的相似性，但是在关键结构上也存在着明显的区别。而跨介质发动机的动力输出部件也是如此，设计要求也需要与飞行器的工作要求以及工作环境相匹配。全机采用涡浆发动机的机构形式，由压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮以及螺旋桨组成。通过发电机将高压涡轮与水下动力源电池相连接，高压涡轮旋转带动压气机平稳旋转的同时，也带动发电机为电池供电；通过设计的动力涡轮/喷水推进泵/螺旋桨一体化部件，以实现跨介质发动机的动力输出装置的共用化；结合进口密封结构在水下模式气涵道的密封性和抗冲击能力，实现空中螺旋桨推进模式和水下喷水泵推进模式的切换。

本发明发动机能够在空中和水下工作，对传统的飞行器和水下航行器所处的空间介质都能适应，且发动机的内部工作介质亦不同，对内流域和外流域的介质适应范围较广阔；

动力系统的原理是借鉴混合动力汽车的原理，燃气涡轮、电力系统都是动力源，对能源的利用效率有所提高，且电动系统属于清洁能源，对环境友好；

空中模态下，电力系统是通过涡轮做工，蜗轮轴带动发电机发电，把机械能转化为电能存储起来，当在水下模态时，水介质经由水涵道流入，收集的电能通过电池放电依次带动蜗轮轴、喷水推进泵转动，经过涡浆泵一体化部件中的喷水推进泵做功之后，全部经由尾喷管排出，进而可使喷水推进泵作为水下动力源。

当空中模态切换到水下模态时，发动机燃烧室提前熄火，电池开始介入工作，此时涡浆泵一体化部件开始切换工作模式。气流流入之后，对发动机热机部件进行冷却降温，实现燃气轮机各部件的快速冷却。当各部件冷却达到可入水状态时，涡浆泵一体化部件工作模式切换完成，螺旋桨折叠，转化为泵推进模式，此时进口密封结构封闭气体涵道，发动机进入水下工作。

当水下模态切换到空中模态后，进气道开启，发动机燃烧室启动，电池开始切断动力供应，此时涡浆泵一体化部件开始切换工作模式。当发动机恢复正常工作之后，涡浆泵一体化部件工作模式切换完成，螺旋桨展开，转化为螺旋桨推进模式，进口密封机构开启，气体涵道开启，发动机进入空中工作；

由于燃烧室只能在空气介质中正常工作，因此气涵道在水下工作时需完全密闭。进口密封结构会承受进气气流冲击的作用，承受较大的非线性载荷，当其超过一定限度后，会使密封结构失效，因此密封机构的密封性能、强度、刚度应达到所需的要求；

针对涡浆泵一体化部件，需要额外设计一个控制机构目的是实现螺旋桨在空中和水下介质中，展开与折叠的来回切换。

在水下模式时，将喷水推进泵动叶通过动力涡轮轮毂直接连接在动力涡轮内侧，以替代原有的轴向传动模式，结构轴向尺寸大幅缩小。

图1重点介绍了各重要部件的安装位置、结构设计，头部整流罩1用于改善压气机进口处气流流场特性，水下工作模态时压气机不工作，为了压气机避免受到损坏设计了进口密封结构10，压气机2、燃烧室3、高压涡轮4、涡浆泵一体化部件9是做功的必要部件，其设计的结构都根据一维计算所得，压气机2、涡轮4、涡桨泵9为同轴旋转部件。图2主要展示了混合动力装置的动力转换原理，经过压气机2增压的工质在部件燃烧室3内定压燃烧，高温高压的燃气推动部件高压涡轮4旋转，同轴旋转部件压气机2、涡轮4、涡浆泵一体化部件9在部件前支撑轴承11、高压轴12、后支撑轴承13的带动下开始运行，同时旋转轴带动部件发电机6工作，产生的电能通过ACDC转换器7和可充电电池8可进行转换。图3和图4主要展示了不同工作状态下关键部件工作状态的差异性，不同工作状态下气涵道14和水涵道5工作模式不一样，且水下和空中状态时涡浆泵9的状态也不一致。

当飞行器处于大气环境下，为涡浆发动机推进。整个发动机气涵道14、水涵道5以及进口密封机构10都处于开启状态，但水涵道5并不参与工作。此时气流通过进气道，首先经过压气机2压缩做功，再由燃烧室3燃烧产生高温高压燃气，燃烧的燃气从燃烧室3喷出推动高压涡轮4做功，高压涡轮4驱动压气机部件平稳运动以及发电机6运转，发电机6发出的交流电流经ACDC转换器7为直流电，为电池8充电。随后高温燃气通过气涵道14流向动力涡轮，驱动动力涡轮带动螺旋桨旋转，提供动力，实现发动机在空中的持续工作。

飞行器由大气环境转为海洋环境时，发动机燃烧室提前熄火，电池8开始介入工作，此时涡浆泵一体化部件9开始切换工作模式。气流流入之后，对发动机热机部件进行冷却降温，实现燃气轮机各部件的快速冷却。当各部件冷却达到可入水状态时，涡浆泵一体化部件9工作模式切换完成，螺旋桨折叠，转化为泵推进模式，此时进口密封结构封闭气体涵道14，发动机进入水下工作。

当飞行器处于海洋环境下时，为水下喷水推进。发动机密封结构10完全封闭气体涵道14，涡浆泵一体化部件9由电池8驱动工作，水介质经由水涵道5流入，经过涡浆泵一体化部件9中的喷水推进泵做功之后，全部经由尾喷管排出，实现水下的喷水推进。

飞行器由海洋环境转为大气环境时，进气道开启，发动机燃烧室启动，电池8开始切断动力供应，此时涡浆泵一体化部件9开始切换工作模式。当发动机恢复正常工作之后，涡浆泵一体化部件9工作模式切换完成，螺旋桨展开，转化为螺旋桨推进模式，进口密封机构10开启，气体涵道14开启，发动机进入空中工作。

Claims (6)

1.一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：包括壳体，壳体前端安装头部整流罩，壳体后端设置水涵道、气涵道，壳体里安装压气机、燃烧室、涡轮、发电机、涡浆泵一体化部件，压气机、涡轮、涡浆泵一体化部件的轴为同一旋转轴，压气机和涡轮之间设置燃烧室，发电机连接旋转轴，发电机通过ACDC转换器连接可充电电池，涡浆泵一体化部件的尾部设置螺旋桨，头部整流罩后方设置进口密封结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：压气机通过前支撑轴承与旋转轴配合，涡轮通过高压轴与旋转轴配合，发电机通过后支撑轴承与旋转轴配合。

3.根据权利要求1所述的一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：处于大气环境下，气涵道、水涵道以及进口密封结构处于开启状态，气流经过压气机压缩做功，再由燃烧室燃烧产生高温高压燃气，燃烧的燃气从燃烧室喷出推动涡轮做功，涡轮驱动压气机运动以及发电机运转，发电机发出的交流电流经ACDC转换器为直流电，为电池充电，高温燃气通过气涵道流向动力涡轮，驱动动力涡轮带动螺旋桨旋转，提供动力，实现发动机在空中的持续工作。

4.根据权利要求1所述的一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：由大气环境转为海洋环境时，燃烧室提前熄火，可充电电池介入工作，涡浆泵一体化部件切换工作模式，气流流入之后进行冷却降温，当各部件冷却达到可入水状态时，涡浆泵一体化部件工作模式切换完成，螺旋桨折叠，转化为泵推进模式，进口密封结构封闭气体涵道。

5.根据权利要求1所述的一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：处于海洋环境下时进口密封结构完全封闭气涵道，涡浆泵一体化部件由可充电电池驱动，水介质经由水涵道流入，经过涡浆泵一体化部件中的喷水推进泵做功之后，全部经由尾喷管排出，实现水下的喷水推进。

6.根据权利要求1所述的一种基于燃气和电力的混合动力跨水空介质发动机，其特征是：由海洋环境转为大气环境时，燃烧室启动，可充电电池切断动力供应，涡浆泵一体化部件切换工作模式，螺旋桨展开，转化为螺旋桨推进模式，进口密封结构开启，气涵道开启。