一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種寬體民航客機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，尤其是涉及一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)是目前最為廣泛的應(yīng)用于大飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比是最為有效的降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率的做法，但是這將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重量和體積的大幅上升。對(duì)于一架飛機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)重量的提升將直接降低飛機(jī)的載重能力；發(fā)動(dòng)機(jī)體積的加大會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)離地間隙的減少，從而影響飛機(jī)起落架的工作。因此，下一代民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是在不提高重量和進(jìn)氣面積的前提下，提高發(fā)動(dòng)機(jī)涵道比。
[0003]現(xiàn)采用的兩種主要解決方法是:第一，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比、效率和燃燒室出口溫度。但是這種方法很大程度上受限于材料技術(shù)，因此提高的空間有限。第二，使用開(kāi)口轉(zhuǎn)子技術(shù)。但是該技術(shù)具有降低飛機(jī)飛行速度、大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)噪音以及相對(duì)耐用性低等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，從而在大型民用客機(jī)上實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的超高涵道比，同時(shí)有效地降低了重量和進(jìn)氣面積。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0006]一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，包括變頻器、燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元、電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元、導(dǎo)電電纜、燃料傳輸管道和液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元、變頻器、電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元依次通過(guò)導(dǎo)電電纜連接，所述的液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐通過(guò)燃料傳輸管道與氣渦輪-發(fā)電機(jī)單元連接，所述的燃料傳輸管道中的氣化部分管道布置在電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元上；
[0007]在需要產(chǎn)生大推力的工況下，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元與電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元共同產(chǎn)生推力；在飛機(jī)巡航過(guò)程中，所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元產(chǎn)生全部推力；在飛機(jī)降落階段，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元產(chǎn)生全部推力。
[0008]所述的變頻器和燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元均為設(shè)有兩個(gè)。
[0009]所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元包括低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、高壓渦輪、中間渦輪、動(dòng)力渦輪、發(fā)電機(jī)和主噴嘴，所述的燃料傳輸管道與燃燒室連通，所述的高壓渦輪與高壓壓氣機(jī)傳動(dòng)連接，所述的中間渦輪與低壓壓氣機(jī)傳動(dòng)連接，所述的動(dòng)力渦輪與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)連接，所述的主噴嘴設(shè)在燃燒室氣體的輸出端。
[0010]所述的中間渦輪通過(guò)低壓軸與低壓壓氣機(jī)傳動(dòng)連接，所述的高壓渦輪通過(guò)高壓軸與高壓壓氣機(jī)傳動(dòng)連接，所述的的動(dòng)力渦輪通過(guò)動(dòng)力軸與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)連接。
[0011]所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元設(shè)有10-20臺(tái)。
[0012]所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元設(shè)有15臺(tái)。
[0013]所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元包括風(fēng)扇、傳動(dòng)軸、電動(dòng)機(jī)和外噴嘴，所述的外噴嘴設(shè)在風(fēng)扇出風(fēng)口，所述的電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)連接，并通過(guò)傳動(dòng)軸與風(fēng)扇連接，帶動(dòng)風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生推力。
[0014]所述的燃料傳輸管道設(shè)有多個(gè)壓力閥。
[0015]所述的壓力閥包括液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐出口壓力閥和液態(tài)燃料進(jìn)入換熱前的壓力閥。
[0016]所述的液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐為液態(tài)氫燃料儲(chǔ)存罐，所述的燃料傳輸管道為氫燃料傳輸管道。
[0017]本發(fā)明的工作原理:
[0018]大推力階段，即推進(jìn)系統(tǒng)需要產(chǎn)生推力大于140KN，推力又兩個(gè)部分產(chǎn)生:第一個(gè)部分，由燃?xì)鉁u輪產(chǎn)生的部分能量通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，而后產(chǎn)生的電能通過(guò)變頻器和導(dǎo)電電纜分配給15臺(tái)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力，該部分推力占總推力的比重不低于40%，不高于70%;第二部分，燃?xì)鉁u輪產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過(guò)氣動(dòng)力渦輪后直接進(jìn)入主噴嘴產(chǎn)生推力。
[0019]巡航階段，即推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生推力為80-120KN。本階段，燃?xì)鉁u輪產(chǎn)生的全部能力都用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，推力全部由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的15臺(tái)風(fēng)扇產(chǎn)生。
[0020]降落階段，燃?xì)廨啓C(jī)中的動(dòng)力渦輪級(jí)停止工作，氣體直接通過(guò)主噴嘴產(chǎn)生推力。
[0021]冷卻過(guò)程:在系統(tǒng)工作的整個(gè)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)需要冷卻以保持較高的工作效率。冷卻方法是使用液態(tài)氫氣作為冷卻介質(zhì)，通過(guò)使其氣化帶走電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量，而后氣化后的氫氣直接被導(dǎo)入燃?xì)鉁u輪的燃燒室作為燃料。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]I)顯著降低燃油消耗率，同CFM56型號(hào)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，至少降低60%的油耗。
[0024]2)可以顯著的提高發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比。
[0025]3)顯著提高系統(tǒng)的可靠性:這個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)有15臺(tái)風(fēng)扇和2臺(tái)燃?xì)鉁u輪可以產(chǎn)生推力，因此整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。
[0026]4)燃?xì)鉁u輪，即核心機(jī)，和風(fēng)扇單元是相互獨(dú)立的，因此在進(jìn)行性能優(yōu)化的過(guò)程中沒(méi)有任何干涉問(wèn)題。
[0027]5)使用液態(tài)氫氣作為燃料，一方面可以大量減少溫室氣體的排放，另一方面可以使用液態(tài)氫氣作為冷卻介質(zhì)，降低電動(dòng)機(jī)工作溫度。
[0028]6)低排放，低噪音。
[0029]7)發(fā)動(dòng)機(jī)操作裕度大，可以通過(guò)控制15臺(tái)電動(dòng)機(jī)的輸出功率來(lái)控制風(fēng)扇產(chǎn)生的推力。
[0030]8)單個(gè)風(fēng)扇葉片迎風(fēng)面積減少，更有利于飛推一體化設(shè)計(jì)。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為本發(fā)明整體推力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明燃料傳輸管道結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]其中圖1中標(biāo)號(hào)所示:
[0036]1:變頻器；2:燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元；3:電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元；4:導(dǎo)電電纜；5:燃料傳輸管道；6:液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐
[0037]圖2中標(biāo)號(hào)所示:
[0038]21:低壓壓氣機(jī)；22高壓壓氣機(jī)；23:燃燒室；24:高壓渦輪；25:中間級(jí)渦輪；26:動(dòng)力渦輪;27:發(fā)電機(jī)；28:主噴嘴；29:低壓軸；210:高壓軸；211:動(dòng)力軸
[0039]圖3中標(biāo)號(hào)所示:
[0040]31:風(fēng)扇；32:傳動(dòng)軸；33:電動(dòng)機(jī)；34:外噴嘴
[0041]圖4中標(biāo)號(hào)所示:
[0042]51:液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐出口壓力閥；52:液態(tài)燃料進(jìn)入換熱前的壓力閥。
【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0044]實(shí)施例
[0045]如圖1到3所示，本發(fā)明的多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，主要由2臺(tái)由低壓壓氣機(jī)21、高壓壓氣機(jī)22、燃燒室23、高壓渦輪24、中間渦輪25、動(dòng)力渦輪26、主噴嘴28和發(fā)電機(jī)27組成的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)機(jī)構(gòu)單元2 ; 15臺(tái)由風(fēng)扇31、電動(dòng)機(jī)33和外噴嘴34組成的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元3 ;2臺(tái)INVERTER變頻器I ;導(dǎo)電電纜4，燃料出書(shū)管道5和液態(tài)氫儲(chǔ)存罐6組成。氣體通過(guò)壓氣機(jī)和燃燒室生成高溫高壓的氣體，進(jìn)而推動(dòng)動(dòng)力渦輪做工。此部分能量可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)27產(chǎn)生電能，或者直接通過(guò)主噴嘴28產(chǎn)生推力。產(chǎn)生的電能通過(guò)變頻器和電纜傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)33，電動(dòng)機(jī)33帶動(dòng)風(fēng)扇31高速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生推力。在需要產(chǎn)生大推力的工況下，燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元2產(chǎn)生30 %到70 %的推力；在飛機(jī)巡航過(guò)程中，電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元產(chǎn)生全部推力；在飛機(jī)降落階段，燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元產(chǎn)生全部推力。
[0046]圖4所示，是系統(tǒng)的燃料供給示意圖。液體氫被儲(chǔ)存在液態(tài)氫儲(chǔ)存罐6中。壓力閥51用來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)存罐中液態(tài)氫的壓力，壓力閥52用來(lái)測(cè)量液態(tài)氫進(jìn)入換熱工作前的壓力。燃料管道5在經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)33過(guò)程中另外一個(gè)作用是強(qiáng)制液態(tài)氫和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱交換，降低電動(dòng)機(jī)的工作溫度，并且氣化液態(tài)氫。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，包括變頻器(I)、燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)、電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)、導(dǎo)電電纜(4)、燃料傳輸管道(5)和液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐(6)，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)、變頻器(I)、電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)依次通過(guò)導(dǎo)電電纜(4)連接，所述的液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐(6)通過(guò)燃料傳輸管道(5)與氣渦輪-發(fā)電機(jī)單元(2)連接，所述的燃料傳輸管道(5)中的氣化部分管道布置在電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)上; 在需要產(chǎn)生大推力的工況下，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)與電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)共同產(chǎn)生推力；在飛機(jī)巡航過(guò)程中，所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)產(chǎn)生全部推力；在飛機(jī)降落階段，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)產(chǎn)生全部推力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的變頻器(I)和燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)均為設(shè)有兩個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)包括低壓壓氣機(jī)(21)、高壓壓氣機(jī)(22)、燃燒室(23)、高壓渦輪(24)、中間渦輪(25)、動(dòng)力渦輪(26)、發(fā)電機(jī)(27)和主噴嘴(28)，所述的燃料傳輸管道(5)與燃燒室(23)連通，所述的高壓渦輪(24)與高壓壓氣機(jī)(22)傳動(dòng)連接，所述的中間渦輪(25)與低壓壓氣機(jī)(21)傳動(dòng)連接，所述的動(dòng)力渦輪(26)與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)連接，所述的主噴嘴(28)設(shè)在燃燒室(23)氣體的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的中間渦輪(25)通過(guò)低壓軸(29)與低壓壓氣機(jī)(21)傳動(dòng)連接，所述的高壓渦輪(24)通過(guò)高壓軸(210)與高壓壓氣機(jī)(22)傳動(dòng)連接，所述的的動(dòng)力渦輪(26)通過(guò)動(dòng)力軸(211)與發(fā)電機(jī)傳動(dòng)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)設(shè)有10-20臺(tái)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)設(shè)有15臺(tái)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)包括風(fēng)扇(31)、傳動(dòng)軸(32)、電動(dòng)機(jī)(33)和外噴嘴(34)，所述的外噴嘴(34)設(shè)在風(fēng)扇(31)出風(fēng)口，所述的電動(dòng)機(jī)(33)與發(fā)電機(jī)(27)連接，并通過(guò)傳動(dòng)軸(32)與風(fēng)扇(31)連接，帶動(dòng)風(fēng)扇(31)高速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生推力。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料傳輸管道(5)設(shè)有多個(gè)壓力閥。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的壓力閥包括液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐出口壓力閥(51)和液態(tài)燃料進(jìn)入換熱前的壓力閥(52)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，其特征在于，所述的液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐(6)為液態(tài)氫燃料儲(chǔ)存罐，所述的燃料傳輸管道(5)為氫燃料傳輸管道。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多風(fēng)扇超大涵道比渦輪推力系統(tǒng)，包括變頻器(1)、燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)、電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)、導(dǎo)電電纜(4)、燃料傳輸管道(5)和液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐(6)，所述的燃?xì)鉁u輪-發(fā)電機(jī)單元(2)、變頻器(1)、電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)依次通過(guò)導(dǎo)電電纜(4)連接，所述的液態(tài)燃料儲(chǔ)存罐(6)通過(guò)燃料傳輸管道(5)與氣渦輪-發(fā)電機(jī)單元(2)連接，所述的燃料傳輸管道(5)中的氣化部分管道布置在電機(jī)-風(fēng)扇推進(jìn)單元(3)上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有在大型民用客機(jī)上實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的超高涵道比，同時(shí)有效地降低了重量和進(jìn)氣面積等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】F04D25-08, B64D27-02, F02C6-20
【公開(kāi)號(hào)】CN104595032
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410663018
【發(fā)明人】劉程遠(yuǎn), 斯夏依, 滕金芳
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2014年11月19日