CN215860492U - 一种功电同时输出的油电混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种功电同时输出的油电混合动力系统，涉及混合动力系统。包括涡轮发动机、排气管、自由涡轮、自由涡轮轴、发电机静子和燃油流路，涡轮发动机的出口连接排气管，自由涡轮置于排气管的进口，自由涡轮连接自由涡轮轴；自由涡轮轴上套设发电机静子，通过切割静子磁场产生电能；涡轮发动机排出的高温高压燃气冲击自由涡轮，将燃气的热能和动能转化为自由涡轮的转动机械能，并通过自由涡轮轴输出轴功率；在发电机静子外部表面覆盖燃油流路作为发电机油冷系统，燃油通过发电机后运送至涡轮发动机进行燃烧；储能与电动系统用于调节输出电功率/轴功率的大小，以满足飞行需求。能同时满足高功率密度和低排放的特点，可实现整个动力系统的综合优化。

Description

一种功电同时输出的油电混合动力系统

技术领域

本实用新型涉及混合动力系统，尤其是涉及一种功电同时输出的油电混合动力系统。

背景技术

日益突出的环境问题与能源危机推动高效、绿色的航空动力发展，美国和欧盟均对下一代商用飞机在燃油消耗、污染排放等方面提出新的要求，并制定具体的发展目标。在此背景下，油电混合动力飞机应运而生，此类飞机既保留油动飞机的高能量密度、高巡航及高负载能力等优点，同时也具备电动飞机绿色环保的要求。目前，典型的油电混合动力系统主要由涡轮发动机、储能装置、发电机、电动机、推进器(风扇/螺旋桨)等部件组成，其中，涡轮发动机作为原动机，一般通过其主轴输出功率，直接驱动发电机，再通过储能装置、电动机来驱动推进器实现飞行，此类系统的涡轮发动机与发电机之间的转轴刚性连接、转速较高，系统的结构和性能匹配难度高，效率较低。

发明内容

本实用新型目的旨在针对现有技术存在的涡轮发动机与发电机之间的转轴刚性连接、转速较高，系统的结构和性能匹配难度高，效率较低等问题，提供一种功电同时输出的油电混合动力系统。该动力系统在结构上将发动机与发电机的解耦，避免结构匹配性问题；在性能上同时输出电能和机械能，兼顾高功率、低排放等优点；在效率上采用综合热量管理，实现系统的综合效率优化。

本实用新型设有涡轮发动机、排气管、自由涡轮、自由涡轮轴(作为发电机转子)、发电机静子和燃油流路，涡轮发动机的出口连接排气管，自由涡轮置于排气管的进口，自由涡轮设在涡轮发动机出口，自由涡轮连接自由涡轮轴，在自由涡轮轴上套设有发电机静子，自由涡轮轴通过切割静子磁场产生电能，作为功电输出系统；涡轮发动机排出的高温高压燃气冲击自由涡轮，将燃气的热能和动能转化为自由涡轮的转动机械能，并通过自由涡轮轴输出轴功率；在发电机静子外部表面覆盖燃油流路作为发电机油冷系统，燃油通过发电机后运送至涡轮发动机进行燃烧；储能与电动系统的输入端接发电机，储能与电动系统的输出端接自由涡轮轴，储能与电动系统用于调节输出电功率/轴功率的大小，以满足飞行需求。

所述燃油流路可设在发电机静子外壁面或与静子融合设计，以起到散热作用。

所述排气管为静子件，一进二出设计，排气管的进口连接涡轮发动机出口，出口为Y形设计，垂直进口排气；

所述自由涡轮与自由涡轮轴可通过螺母锁死，组成为自由涡轮轴组件，涡轮发动机排出高温燃气冲击自由涡轮使其旋转；

所述自由涡轮置于排气管进口，自由涡轮轴穿过排气管，自由涡轮轴与排气管之间采用动密封，两者之间无机械连接；自由涡轮轴作为发电机转子；

所述自由涡轮轴支撑通过两个轴承，一个轴承设在排气管出口位置，另外一个轴承设在输出段附近；

所述排气管和自由涡轮的大小可根据涡轮发动机排气温度和压力设计，以获得最大输出功率。

本实用新型通过自由涡轮轴搭配发电机实现功电的分配输出，可兼顾发动机高功率加速和高效率巡航的要求，使涡轮发动机在巡航飞行时采用大状态、高效率的工作状态，并将多余轴功率转化为电能存储；在加速飞行时，将电能输出补充轴功率实现最大功率输出。并且，采用建议的油路设计实现简单的系统热量管理，同时提高发电机和涡轮发动机工作效率。以上实现整个动力系统的综合优化。

本实用新型具有以下优点：

能同时满足高功率密度和低排放的特点。具体而言，相比于传统油电混合动力，本实用新型结构通过在涡轮发动机后置自由涡轮驱动输出轴，在结构上实现涡轮发动机与发电机的解耦，避免转子刚性连接引入的复杂转子动力学问题，结构较为简单；另外，此输出轴穿过发电机，可同时输出电能和机械能，在性能上实现电能和机械能的合理分配，满足不同场景和时段的应用，使动力系统得到综合优化。同时，结合现有燃油系统，将其合理设计转化为热量管理系统，燃油先经过发电机静子以降低静子温度，提高发电效率，升温后的燃油再喷入涡轮发动机燃烧，提高燃烧效率，通过简单的设计，提高整个油电混合动力系统的综合效率，降低排放。

附图说明

图1是一种功电同时输出的油电混合动力系统结构组成及工作原理示意图。

图中的标记为：1表示涡轮发动机、2表示自由涡轮、3表示排气管、4表示自由涡轮轴、5表示发电机静子、6表示油冷管路、7表示储能与电动系统(储能装置与电动机)、8为自由涡轮轴前轴承、9为自由涡轮轴后轴承、①表示燃油、②表示燃气、③表示轴功率、④表示电功率。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型实施例所述一种功电同时输出的油电混合动力系统包括涡轮发动机1、排气管3、自由涡轮2、自由涡轮轴4(作为发电机转子)、发电机静子5和油冷管路6(即燃油流路)，其中油冷管路6中间一段经过发电机静子5的外壁面(或者与静子融合设计)，以起到散热作用，在涡轮发动机1出口后置一组自由涡轮2，自由涡轮2连接自由涡轮轴4，涡轮发动机1排出的高温高压燃气冲击自由涡轮2，将燃气的热能和动能转化为自由涡轮的转动机械能，并通过自由涡轮轴4输出轴功率；同时，在自由涡轮轴4上套有发电机静子5，自由涡轮轴4通过切割静子磁场产生电能，从能量角度看，发电机是从自由涡轮轴的转动功率中提取一部分进行发电。在飞行器需要低功率输出(巡航飞行)时，涡轮发动机依然采用最大状态工作，涡轮发动机效率最高，此时发电机工作，提取部分自由涡轮输出功率发电存储至储能装置，只需剩余轴功率满足飞行需求即可；在飞行器需要高功率输出(加速飞行)时，涡轮发动机采用最大状态工作，若轴功率依然输出不足，可开启储能与电动系统(包括储能装置与电动机)同时输出轴功，满足飞行器需求。另外，将燃油油路先通过发电机外部，对发电机采用油冷散热，提高发电机发电效率，吸收发电机热量的高温燃油再喷入涡轮发动机中燃烧，提高涡轮发动机燃烧效率；储能与电动系统7用于调节输出电功率/轴功率的大小，以满足飞行需求。

排气管3为静子件，“一进二出”设计，排气管3的进口连接涡轮发动机1的出口，排气管3的出口为Y形设计，垂直进口排气；自由涡轮2与自由涡轮轴4通过螺母锁死，组成为自由涡轮轴组件，涡轮发动机1排出高温燃气冲击自由涡轮2使其旋转，其中，自由涡轮2置于排气管3的进口，自由涡轮轴4穿过排气管3，自由涡轮轴4与排气管3之间采用动密封，两者之间无机械连接，自由涡轮轴4的支撑通过两个轴承，即前轴承8和后轴承9，前轴承8设在排气管出口位置，后轴承9设在输出段附近；排气管3和自由涡轮2的大小根据涡轮发动机1的排气温度和压力设计，以获得最大输出功率。

以下给出本实用新型的工作过程：

如图1所示。当飞行器在巡航状态时，涡轮发动机1工作在最大效率状态，高温燃气②冲击自由涡轮2，使自由涡轮2与自由涡轮轴4旋转，对自由涡轮做功后的燃气则通过排气管3排出至大气环境；此时自由涡轮轴4旋转发电机静子5的磁力线，产生电流输入到储能与电动系统7，储能与电动系统7对电流整流，一部分存储起来，另一部分则根据飞行器的需求功率，调节输出电功率④的大小，使剩余轴功率③满足飞行需求。与此同时，涡轮发动机1工作需要不断提供燃油①，燃油①先通过发电机静子5外部的油冷管路6，吸收发电机静子产生的能量，燃油①温度升高，高温燃油具有易点火、燃烧效率高的特点，喷入发动机后有效降低涡轮发动机的燃油消耗率。当飞行器在加速状态时，涡轮发动机1工作在最大功率状态，高温燃气②冲击自由涡轮2，使自由涡轮2与自由涡轮轴3旋转，发电机5此时停止工作，并根据飞行器反馈需求功率，开启储能与电动系统7补充轴功率③，满足飞行需求。储能与电动系统包括储能电池和电动机，可采用市售商品，根据飞行器功率需求自行选择搭配。

本实用新型通过自由涡轮轴搭配发电机实现功电的分配输出，可兼顾发动机高功率加速和高效率巡航的要求，使涡轮发动机在巡航飞行时采用大状态、高效率的工作状态，并将多余轴功率转化为电能存储；在加速飞行时，将电能输出补充轴功率实现最大功率输出。并且，采用建议的油路设计实现简单的系统热量管理，同时提高发电机和涡轮发动机工作效率，实现整个动力系统的综合优化。

本实用新型的油电混合动力系统采用简单的结构实现功率输出以及功电的合理分配利用，通过简易的油电混合系统兼顾飞行器高效率巡航和大功率加速；只将涡轮发动机油路引至发电机作为油冷装置，将发电机热量转移至燃油，同时提高发电效率和涡轮发动机的燃烧效率，系统综合效率大为提高。综合上述效果，本实用新型结构简单，较传统燃油动力更为轻巧，效率更高。

Claims (8)

1.一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于设有涡轮发动机、排气管、自由涡轮、自由涡轮轴、发电机静子、燃油流路和储能与电动系统，涡轮发动机的出口连接排气管，自由涡轮置于排气管的进口，自由涡轮连接自由涡轮轴，在自由涡轮轴上套设有发电机静子，自由涡轮轴通过切割静子磁场产生电能，作为功电输出系统；涡轮发动机排出的高温高压燃气冲击自由涡轮，将燃气的热能和动能转化为自由涡轮的转动机械能，并通过自由涡轮轴输出轴功率；在发电机静子外部表面覆盖燃油流路作为发电机油冷系统，燃油通过发电机后运送至涡轮发动机进行燃烧；储能与电动系统的输入端接发电机，储能与电动系统的输出端接自由涡轮轴，储能与电动系统用于调节输出电功率/轴功率的大小，以满足飞行需求。

2.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述燃油流路可在发电机静子外壁面或与静子融合，以起到散热作用。

3.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述排气管为静子件，排气管的进口连接涡轮发动机出口，出口为Y形设计，垂直进口排气。

4.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述自由涡轮与自由涡轮轴通过螺母锁死，组成为自由涡轮轴组件，涡轮发动机排出高温燃气冲击自由涡轮使其旋转。

5.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述自由涡轮置于排气管进口，自由涡轮轴穿过排气管，自由涡轮轴作为发电机转子。

6.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述自由涡轮轴与排气管之间采用动密封，两者之间无机械连接。

7.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述自由涡轮轴通过两个轴承支撑，一个轴承设在排气管出口位置，另一个轴承设在输出段附近。

8.如权利要求1所述一种功电同时输出的油电混合动力系统，其特征在于所述排气管和自由涡轮的大小根据涡轮发动机排气温度和压力设置，以获得最大输出功率。

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