分段串列式电动转子涡扇发动机及其控制方法技术

本发明专利技术属于航空燃气涡轮发动机技术领域，公开了一种分段串列式电动转子涡扇发动机及其控制方法，包括：中压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮、发电机、第一调速电源、第二调速电源、第三调速电源、控制器、电源切换器和启动电源等；通过由第一调速电源驱动风扇、第二调速电源驱动中压压气机及第三调速电源驱动高压压气机，使风扇、中压压气机和高压压气机的各转子之间无机械连接；控制器根据风扇、中压压气机和高压压气机的进、出口气流压力比的大小分别实时调节风扇、中压压气机和高压压气机的转速，压气效率高，能够有效减少压气机发生喘振的概率且结构简单。

Segmented tandem rotor turbofan engine and its control method

The invention belongs to the technical field of gas turbine engines, discloses a segmented tandem electric rotor turbofan engine and its control method, including: medium pressure compressor, high pressure compressor, combustion chamber, turbine, generator, power supply, power supply first speed second speed, third speed, power controller, power switch and start power through the fan, etc.; second speed power from the first power driven driving speed and three speed drive power supply pressure compressor high pressure compressor, the medium pressure rotor fan, compressor and high pressure compressor of no mechanical connection; the controller according to the air pressure fan, medium pressure compressor and high pressure compressor inlet and outlet ratio respectively adjust fan, medium pressure compressor and high pressure compressor the compressor speed, high efficiency, can reduce the effective compressor The probability of generating surge is simple and the structure is simple.

【技术实现步骤摘要】
分段串列式电动转子涡扇发动机及其控制方法
本专利技术属于航空燃气涡轮发动机
，具体涉及一种分段串列式电动转子涡扇发动机及其控制方法。
技术介绍
目前，航空燃气涡扇喷气发动机通常由进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮、转子、喷管等部件构成。空气流从进气道进入，经压气机压缩后产生高压气体；高压气体与燃烧室内的燃油混合燃烧后形成高温高压的燃气流，燃气流推动涡轮旋转后从发动机喷口排出，变成发动机推力；同时，涡轮通过转子带动压气机、风扇转动，持续的对进入进气道的空气流进行压缩，维持发动机连续运行。为了提高压气机的压气效率，现有的航空涡扇发动机一般都设置有多个压气机，需要将中压压气机转子、高压压气机转子与高压涡轮、中压涡轮及低压涡轮依次嵌套连接，以此来适应风扇、中压压气机和高压压气机对多个转速的需求。在该结构中，风扇转子、中压压气机转子、高压压气机转子和涡轮轴的嵌套部位分别需要采用润滑设备来润滑，多个压气机之间还需要密封设备来保证密封性，结构繁杂；且由于风扇转子、中压压气机转子、高压压气机转子和涡轮轴是同心嵌套在一起的，各部件不能根据气流压力适时调节自身的转速，容易发生喘振现象；同时，由多个转子嵌套而成的机械转子会贯通发动机前后，机械转子需要从燃烧室中穿过，占用了燃烧室的空间，故燃烧室只能采用形状复杂的环管或环形结构，燃烧效率低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种分段串列式电动转子涡扇发动机及其控制方法，风扇电动转子、中压电动转子和高压电动转子是分开设计的，风扇电动转子、中压电动转子和高压电动转子可以根据进入的空气气流压力来调节自身转速，压气效率高，结构简单；同时利用燃烧室燃烧后产生的膨胀燃气流带动涡轮转动，涡轮再带动发电机转动来发电，为风扇、中压压气机和高压压气机提供电源，节约能源。为了解决上述问题，本专利技术的技术方案是：分段串列式电动转子涡扇发动机，包括：机匣和控制系统；所述机匣上设有发动机进气道，发动机进气道的前部设置有风扇，风扇的中心轴前端固定连接有前整流锥；发动机进气道的中部被分成内涵道和外涵道，内涵道的尾端设有内涵道排气口，外涵道的后部设有排气锥，外涵道的尾端设有外涵道排气口；所述内涵道内从前到后依次设置有：中压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮和发电机；所述风扇，包含风扇电动转子；用于对进入发动机进气道的空气气流进行第一次压缩，经其压缩后的空气气流一部分进入内涵道，另一部分进入外涵道，从外涵道排气口排出；所述中压压气机，包含中压电动转子；用于对经风扇压缩后进入内涵道的空气气流进行第二次压缩；经中压压气机压缩后的空气气流进入高压压气机；所述高压压气机，包含高压电动转子；用于对进入内涵道并经中压压气机压缩后的空气气流进行第三次压缩；经高压压气机压缩后的空气气流进入燃烧室；所述燃烧室内混合有燃油及经高压压气机压缩后的空气气流，二者混合燃烧后产生膨胀燃气流，膨胀燃气流一部分进入涡轮，另一部分从内涵道排气口排出，与外涵道排气口排出的气流汇合至发动机喷口喷出后产生推力；所述涡轮的涡轮驱动轴和发电机的输入轴连接，发电机设置在排气锥内；膨胀燃气流推动涡轮转动，涡轮再带动发电机发电产生电能；其中，所述的风扇电动转子、中压电动转子、高压电动转子和涡轮驱动轴分别为单独的结构；所述控制系统包括：第一调速电源、第二调速电源、第三调速电源、控制器、电源切换器、启动电源、和储能器；其中，第一调速电源的转速信号输入端、第二调速电源的转速信号输入端、第三调速电源的转速信号输入端分别和控制器的转速信号输出端电连接；控制器的电压信号输入端和储能器的电压信号输出端电连接，储能器的电流输入端和发电机的电流输出端电连接；控制器的电源切换信号输出端和电源切换器的电源切换信号输入端电连接；电源切换器的第一电流输入端和启动电源的电流输出端电连接，电源切换器的第二电流输入端和储能器的电流输出端电连接；电源切换器的电流输出端分别和第一调速电源的电流输入端、第二调速电源的电流输入端及第三调速电源的电流输入端电连接；第一调速电源的输出端和风扇的控制端电连接，第二调速电源的输出端和中压压气机的控制端电连接，第三调速电源的输出端和高压压气机的控制端电连接。优选地，所述控制系统还包括：第一气压表、第二气压表、第三气压表、第四气压表、第五气压表、第六气压表；其中，第一气压表设置在风扇的进风口，第二气压表设置在风扇的出风口，第三气压表设置在中压压气机的进气口，第四气压表设置在中压压气机的出气口，第五气压表设置在高压压气机的进气口，第六气压表设置在高压压气机的出气口；所述第一气压表的输出端、第二气压表的输出端、第三气压表的输出端、第四气压表的输出端、第五气压表的输出端及第六气压表的输出端分别和所述控制器的压力输入端电连接。优选地，所述风扇电动转子、中压电动转子和高压电动转子的轴心在同一条轴线上。优选地，所述第一调速电源、第二调速电源及第三调速电源分别为SPWM变频调速电源。优选地，所述风扇为轴流式风扇。优选地，所述燃烧室为单筒燃烧室。分段串列式电动转子涡扇发动机的控制方法，所述方法基于上述的分段串列式电动转子涡扇发动机，所述方法包括如下步骤：步骤1：启动电源起动，控制器向电源切换器发出由启动电源分别向第一调速电源、第二调速电源和第三调速电源供电的指令，电流导通后，风扇、中压压气机和高压压气机开始运行；步骤2：空气气流从外部进入发动机进气道，风扇对进入的空气气流进行第一次压缩，形成第一压缩气流；第一压缩气流一部分进入内涵道，另一部分进入外涵道，从外涵道排气口排出；中压压气机对进入内涵道的第一压缩气流进行第二次压缩，形成第二压缩气流，第二压缩气流进入高压压气机；高压压气机对进入的第二压缩气流进行第三次压缩，形成第三压缩气流；第三压缩气流进入燃烧室并混合燃烧室内的燃油燃烧，产生膨胀燃气流；一部分膨胀燃气流进入涡轮并推动涡轮转动，涡轮带动发电机转动产生电能，产生的电能储存在储能器中；另一部分膨胀燃气流从内涵道排气口排出，与外涵道排气口排出的气流汇合至发动机喷口喷出后产生推力；步骤3：当储能器中储存的电能的电压值大于控制器中设定的电压阈值时，控制器向电源切换器发出由发电机分别向第一调速电源、第二调速电源和第三调速电源供电的电源切换指令。优选地，所述步骤2中，第一气压表实时测量风扇进风口处的风扇进气压力值P0，并将其发送给控制器；第二气压表实时测量风扇出风口处的风扇出气压力值P1，并将其发送给控制器；第三气压表实时测量中压压气机进气口处的的中压压气机进气压力值P2，并将其发送给控制器；第四气压表实时测量中压压气机出气口处的中压压气机出气压力值P3，并将其发送给控制器；第五气压表实时测量高压压气机进气口处的高压压气机进气压力值P4，并将其发送给控制器；第六气压表实时测量高压压气机出气口处的高压压气机出气压力值P5，并将其发送给控制器；控制器经过下列公式：分别计算得出风扇的转速值V扇、中压压气机的转速值V中和高压压气机的转速值V高：其中，V0是发动机转速；控制器再根据得出的V扇、V中、和V高分别发送相应的转速控制信号给第一调速电源、第二调速电源和第三调速电源，从而实时控制风扇、中压压气机和高压压气机的转速和转矩。本专利技术的有益效果是：通过分别由第一调速电源驱动风扇、第二调速电本文档来自技高网...

【技术保护点】
分段串列式电动转子涡扇发动机，其特征在于，包括：机匣(1)和控制系统；所述机匣(1)上设有发动机进气道(3)，发动机进气道(3)的前部设置有风扇(2)，风扇(2)的中心轴前端固定连接有前整流锥(4)；发动机进气道(3)的中部被分成内涵道(5)和外涵道(6)，内涵道(5)的尾端设有内涵道排气口(15)，外涵道(6)的后部设有排气锥(13)，外涵道(6)的尾端设有外涵道排气口(14)；所述内涵道(5)内从前到后依次设置有：中压压气机(7)、高压压气机(8)、燃烧室(9)、涡轮(10)和发电机(12)；所述风扇(2)，包含风扇电动转子(201)；用于对进入发动机进气道(3)的空气气流进行第一次压缩，经其压缩后的空气气流一部分进入内涵道(5)，另一部分进入外涵道(6)，从外涵道排气口(14)排出；所述中压压气机(7)，包含中压电动转子(701)；用于对经风扇(2)压缩后进入内涵道(5)的空气气流进行第二次压缩；经中压压气机(7)压缩后的空气气流进入高压压气机(8)；所述高压压气机(8)，包含高压电动转子(801)；用于对进入内涵道(5)并经中压压气机(7)压缩后的空气气流进行第三次压缩；经高压压气机(8)压缩后的空气气流进入燃烧室(9)；所述燃烧室(9)内混合有燃油及经高压压气机(8)压缩后的空气气流，二者混合燃烧后产生膨胀燃气流，膨胀燃气流一部分进入涡轮(10)，另一部分从内涵道排气口(15)排出，与外涵道排气口(14)排出的气流汇合至发动机喷口(16)喷出后产生推力；所述涡轮(10)的涡轮驱动轴(11)和发电机(12)的输入轴连接，发电机(12)设置在排气锥(13)内；膨胀燃气流推动涡轮(10)转动，涡轮(10)再带动发电机(12)发电产生电能；其中，所述的风扇电动转子(201)、中压电动转子(701)、高压电动转子(801)和涡轮驱动轴(11)分别为单独的结构；所述控制系统包括：第一调速电源(17)、第二调速电源(18)、第三调速电源(19)、控制器(20)、电源切换器(22)、启动电源(21)、和储能器(29)；其中，第一调速电源(17)的转速信号输入端、第二调速电源(18)的转速信号输入端、第三调速电源(19)的转速信号输入端分别和控制器(20)的转速信号输出端电连接；控制器(20)的电压信号输入端和储能器(29)的电压信号输出端电连接，储能器(29)的电流输入端和发电机(12)的电流输出端电连接；控制器(20)的电源切换信号输出端和电源切换器(22)的电源切换信号输入端电连接；电源切换器(22)的第一电流输入端和启动电源(21)的电流输出端电连接，电源切换器(22)的第二电流输入端和储能器(29)的电流输出端电连接；电源切换器(22)的电流输出端分别和第一调速电源(17)的电流输入端、第二调速电源(18)的电流输入端及第三调速电源(19)的电流输入端电连接；第一调速电源(17)的输出端和风扇(2)的控制端电连接，第二调速电源(18)的输出端和中压压气机(7)的控制端电连接，第三调速电源(19)的输出端和高压压气机(8)的控制端电连接。...

【技术特征摘要】
1.分段串列式电动转子涡扇发动机，其特征在于，包括：机匣(1)和控制系统；所述机匣(1)上设有发动机进气道(3)，发动机进气道(3)的前部设置有风扇(2)，风扇(2)的中心轴前端固定连接有前整流锥(4)；发动机进气道(3)的中部被分成内涵道(5)和外涵道(6)，内涵道(5)的尾端设有内涵道排气口(15)，外涵道(6)的后部设有排气锥(13)，外涵道(6)的尾端设有外涵道排气口(14)；所述内涵道(5)内从前到后依次设置有：中压压气机(7)、高压压气机(8)、燃烧室(9)、涡轮(10)和发电机(12)；所述风扇(2)，包含风扇电动转子(201)；用于对进入发动机进气道(3)的空气气流进行第一次压缩，经其压缩后的空气气流一部分进入内涵道(5)，另一部分进入外涵道(6)，从外涵道排气口(14)排出；所述中压压气机(7)，包含中压电动转子(701)；用于对经风扇(2)压缩后进入内涵道(5)的空气气流进行第二次压缩；经中压压气机(7)压缩后的空气气流进入高压压气机(8)；所述高压压气机(8)，包含高压电动转子(801)；用于对进入内涵道(5)并经中压压气机(7)压缩后的空气气流进行第三次压缩；经高压压气机(8)压缩后的空气气流进入燃烧室(9)；所述燃烧室(9)内混合有燃油及经高压压气机(8)压缩后的空气气流，二者混合燃烧后产生膨胀燃气流，膨胀燃气流一部分进入涡轮(10)，另一部分从内涵道排气口(15)排出，与外涵道排气口(14)排出的气流汇合至发动机喷口(16)喷出后产生推力；所述涡轮(10)的涡轮驱动轴(11)和发电机(12)的输入轴连接，发电机(12)设置在排气锥(13)内；膨胀燃气流推动涡轮(10)转动，涡轮(10)再带动发电机(12)发电产生电能；其中，所述的风扇电动转子(201)、中压电动转子(701)、高压电动转子(801)和涡轮驱动轴(11)分别为单独的结构；所述控制系统包括：第一调速电源(17)、第二调速电源(18)、第三调速电源(19)、控制器(20)、电源切换器(22)、启动电源(21)、和储能器(29)；其中，第一调速电源(17)的转速信号输入端、第二调速电源(18)的转速信号输入端、第三调速电源(19)的转速信号输入端分别和控制器(20)的转速信号输出端电连接；控制器(20)的电压信号输入端和储能器(29)的电压信号输出端电连接，储能器(29)的电流输入端和发电机(12)的电流输出端电连接；控制器(20)的电源切换信号输出端和电源切换器(22)的电源切换信号输入端电连接；电源切换器(22)的第一电流输入端和启动电源(21)的电流输出端电连接，电源切换器(22)的第二电流输入端和储能器(29)的电流输出端电连接；电源切换器(22)的电流输出端分别和第一调速电源(17)的电流输入端、第二调速电源(18)的电流输入端及第三调速电源(19)的电流输入端电连接；第一调速电源(17)的输出端和风扇(2)的控制端电连接，第二调速电源(18)的输出端和中压压气机(7)的控制端电连接，第三调速电源(19)的输出端和高压压气机(8)的控制端电连接。2.根据权利要求1所述的分段串列式电动转子涡扇发动机，其特征在于，所述控制系统还包括：第一气压表(23)、第二气压表(24)、第三气压表(25)、第四气压表(26)、第五气压表(27)、第六气压表(28)；其中，第一气压表(23)设置在风扇(2)的进风口，第二气压表(24)设置在风扇(2)的出风口，第三气压表(25)设置在中压压气机(7)的进气口，第四气压表(26)设置在中压压气机(7)的出气口，第五气压表(27)设置在高压压气机(8)的进气口，第六气压表(28)设置在高压压气机(8)的出气口；所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘雨棣，杨亚萍，
申请(专利权)人：刘雨棣，杨亚萍，
类型：发明
国别省市：陕西,61