分段串列式电动转子涡扇发动机及其控制方法与流程

本发明属于航空燃气涡轮发动机技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明的技术方案是：

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。

本发明的有益效果是：通过分别由第一调速电源驱动风扇、第二调速电源驱动中压压气机及第三调速电源驱动高压压气机的驱动方式，使风扇电动转子、中压压气机转子、高压压气机转子和涡轮之间无机械连接，简化了发动机转子的机械结构，避免了现有技术中各转子之间需要同心嵌套的连接方式，也减少了润滑设备、密封设备等配套设备的应用，降低了成本；由于风扇电动转子、中压电动转子和高压电动转子是分开设计的，增大了燃烧室内的燃烧空间，提高了燃烧效率；通过实时监测风扇、中压压气机和高压压气机的进出口的气流压力，使控制器根据风扇、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，使流经中压压气机和高压压气机的空气气流的增压比控制在20～40倍范围内，提高了压气效率，也减少了压气机发生喘振的概率；通过使燃烧室出来的膨胀燃气流带动涡轮转动，涡轮再带动发电机转动发电，从而为第一调速电源、第二调速电源及第三调速电源提供第二电源，节约了能源。本发明解决了现有技术中存在的由多转子嵌套而成的发动机转子的嵌套部位需要采用润滑设备、各级压气机之间需要密封设备导致的结构繁杂、风扇、各级压气机均不能根据气流压力调节自身转速，容易发生喘振现象的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1是本发明的一种分段串列式电动转子涡扇发动机的结构示意图；

图2是本发明的一种分段串列式电动转子涡扇发动机的原理框图。

图中，1、机匣；2、风扇，201、风扇电动转子，202、风扇叶片；3、发动机进气道；4、前整流锥；5、内涵道；6、外涵道；7、中压压气机，701、中压电动转子，702、中压压气机转子叶片，703、中压压气机静子叶片；8、高压压气机，801、高压电动转子，802、高压压气机转子叶片，803、高压压气机静子叶片；9、燃烧室；10、涡轮；11、涡轮驱动轴；12、发电机；13、排气锥；14、外涵道排气口；15、内涵道排气口；16、发动机喷口；17、第一调速电源；18、第二调速电源；19、第三调速电源；20、控制器；21、启动电源；22、电源切换器；23、第一气压表；24、第二气压表；25.第三气压表；26、第四气压表；27、第五气压表；28、第六气压表；29、储能器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照图1，本发明的分段串列式电动转子涡扇发动机，包括：机匣1、发动机进气道3、风扇2、中压压气机7、高压压气机8、燃烧室9、涡轮10、发电机12和控制系统。

机匣1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为轴流式风扇，风扇2通过风扇支架固定在机匣1内；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；

风扇2包含：风扇电动转子201和设置在风扇电动转子201外周的风扇叶片202；风扇电动转子201的前端固定连接有前整流锥4；风扇电动转子201带动风扇叶片202转动，风扇2用于对进入发动机进气道3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5内，另一部分进入外涵道6，从外涵道排气口14排出。

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；

中压压气机7包含：中压电动转子701、多个中压压气机转子叶片702和多个中压压气机静子叶片703；其中，中压压气机转子叶片702呈周向设置在中压电动转子701的外周上，中压压气机转子叶片702在中压电动转子701的外周上设有多列；中压压气机静子叶片703固定在内涵道5的涵道内壁上，中压压气机转子叶片702与中压压气机静子叶片703间隔设置；中压压气机7通过第一支架固定在内涵道5内。中压压气机7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，形成第二压缩气流，第二压缩气流进入高压压气机8。

高压压气机8包括：高压电动转子801、多个高压压气机转子叶片802和多个高压压气机静子叶片803；其中，高压压气机转子叶片802呈周向设置在高压电动转子801的外周上，高压压气机转子叶片802在高压电动转子801的外周上设有多列；高压压气机静子叶片803固定在内涵道5的涵道内壁上，高压压气机转子叶片802与高压压气机静子叶片803间隔设置；高压压气机8通过第二支架固定在内涵道5的内壁上。高压压气机8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，形成第三压缩气流；第三压缩气流进入燃烧室9。

燃烧室9为单筒燃烧室，燃烧室9通过燃烧室支架固定在内涵道5的内壁上。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的电流输出端和储能器29的电流输入端电连接，发电机12设置在排气锥13内；涡轮10通过涡轮支架固定在内涵道5的内壁上，排气锥13通过排气锥支架和内涵道5的内壁固定连接；排气锥13在这里既可以对气流起到增压减速的作用，又可以起到对发电机12进行隔热防护的作用。

风扇电动转子201、中压电动转子701和高压电动转子801的轴心在同一条轴线上。

参照图2，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；

控制器20的转速信号输出端分别和第一调速电源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。

其中，控制器20，用于在发动机起动时，向电源切换器22发出由启动电源21分别向第一调速电源17、第二调速电源18和第三调速电源19供电的电源切换指令；用于接收储能器29发送的电压信号值，当接收到的电压信号值大于控制器20内设定的电压阈值时，控制器20向电源切换器22发出由储能器29分别向第一调速电源17、第二调速电源18和第三调速电源19供电的电源切换指令；同时控制器20根据设定的风扇速度值、中压压气机转速值、高压压气机转速值分别向第一调速电源17、第二调速电源18和第三调速电源19发送相应的速度控制信号；控制器20内设定的风扇速度值、中压压气机转速值、高压压气机转速值是根据发动机的级数分配比例设置的，使调整风扇2、中压压气机7和高压压气机8的转速满足发动机的需求，不易发生喘振。

电源切换器22，用于接收控制器20发送的电源切换指令，并执行该指令。

第一调速电源17，用于接收控制器20发出的转速信号指令，并执行该指令来调节风扇2的转速。

第二调速电源18，用于接收控制器20发出的转速信号指令，并执行该指令来调节中压压气机7的转速。

第三调速电源19，用于接收控制器20发出的转速信号指令，并执行该指令来调节高压压气机8的转速。

进一步地，第一调速电源17、第二调速电源18及第三调速电源19分别为spwm变频调速电源。其中，spwm的全称为：sinusoidalpulsewidthmodulation(即：正弦脉宽调制)。

进一步地，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；具体地，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；

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和第六气压表28的输出端分别和控制器20的压力输入端电连接；

其中，第一气压表23，用于实时测量风扇2进风口处的风扇进气压力值p0，并将风扇进气压力值p0发送给控制器20；

第二气压表24，用于实时测量风扇2出风口处的风扇出气压力值p1，并将风扇出气压力值p1发送给控制器20；

第三气压表25，用于实时测量中压压气机7进气口处的的中压压气机进气压力值p2，并将中压压气机进气压力值p2发送给控制器20；

第四气压表26，用于实时测量中压压气机7出气口处的中压压气机出气压力值p3，并将中压压气机出气压力值p3发送给控制器20；

第五气压表27，用于实时测量高压压气机8进气口处的高压压气机进气压力值p4，并将高压压气机进气压力值p4发送给控制器20；

第六气压表28，用于实时测量高压压气机8出气口处的高压压气机出气压力值p5，并将高压压气机出气压力值p5发送给控制器20；

控制器20接收到第一气压表23发送的风扇进气压力值p0、第二气压表24发送的风扇出气压力值p1、第三气压表25发送的中压压气机进气压力值p2、第四气压表26发送的中压压气机出气压力值p3、第五气压表27发送的高压压气机进气压力值p4和第六气压表28发送的高压压气机出气压力值p5后，经过下列公式：

分别计算得出风扇2的转速值v扇、中压压气机7的转速值v中和高压压气机8的转速值v高：其中，v0是发动机转速；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17、第二调速电源18和第三调速电源19，从而控制器20根据风扇2、中压压气机7和高压压气机8的进、出口气流压力比大小实时来调节风扇2、中压压气机7和高压压气机8的转速，使流经中压压气机7和高压压气机8的空气气流的增压比严格控制在20～40倍的范围内，提高了压气效率，也减少了压气机发生喘振的概率。

本发明的分段串列式电动转子涡扇发动机，通过分别由第一调速电源17驱动风扇2、第二调速电源18驱动中压压气机7及第三调速电源19驱动高压压气机8的驱动方式，使风扇电动转子201、中压压气机转子701和高压压气机转子801及涡轮10之间无机械连接，简化了发动机转子的机械结构，避免了现有技术中各转子之间需要同心嵌套的连接方式，也减少了润滑设备、密封设备等配套设备的应用，降低了成本；由于风扇电动转子201、中压电动转子701和高压电动转子801是分开设计的，增大了燃烧室内的燃烧空间，提高了燃烧效率；通过实时监测风扇、中压压气机和高压压气机的进出口的气流压力，使控制器根据风扇、中压压气机和高压压气机的进出口气流压力比大小实时来调节风扇、中压压气机和高压压气机的转速，使流经中压压气机7和高压压气机8的空气气流的增压比控制在20～40倍范围内，提高了压气机压气效率，也减少了压气机发生喘振的概率；通过使燃烧室9出来的膨胀燃气流带动涡轮10转动，涡轮10再带动发电机12转动发电，从而为第一调速电源17、第二调速电源18及第三调速电源19提供第二电源，节约了能源。本发明解决了现有技术中存在的由多转子嵌套而成的发动机转子的嵌套部位需要采用润滑设备、各级压气机之间需要密封设备导致的结构繁杂、风扇、各级压气机均不能根据气流压力调节自身转速，容易发生喘振现象的问题。

本发明的分段串列式电动转子涡扇发动机，结构简单，压气效率高，节约能源，适合广泛推广。

本发明的实施例还提供一种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21起动，控制器20向电源切换器22发出由启动电源21分别向第一调速电源17、第二调速电源18和第三调速电源19供电的指令，电流导通后，风扇2、中压压气机7和高压压气机8开始运行；

步骤2：空气气流从外部进入发动机进气道3，风扇2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5，另一部分进入外涵道6，从外涵道排气口14排出；

中压压气机7对进入内涵道5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8；

高压压气机8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9并混合燃烧室9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10并推动涡轮10转动，涡轮10带动发电机12转动产生电能，产生的电能储存在储能器29中；另一部分膨胀燃气流从内涵道排气口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；

步骤3：当储能器29中储存的电能的电压值大于控制器20中设定的电压阈值时，控制器20向电源切换器22发出由发电机12分别向第一调速电源17、第二调速电源18和第三调速电源19供电的电源切换指令。

进一步地，在上述的步骤2中，第一气压表23实时测量风扇2进风口处的风扇进气压力值p0，并将其发送给控制器20；

第二气压表24实时测量风扇2出风口处的风扇出气压力值p1，并将其发送给控制器20；

第三气压表25实时测量中压压气机7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20；

第四气压表26实时测量中压压气机7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20；

第五气压表27实时测量高压压气机8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20；

第六气压表28实时测量高压压气机8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20；

控制器20经过下列公式：

分别计算得出风扇2的转速值v扇、中压压气机7的转速值v中和高压压气机8的转速值v高：其中，v0是发动机转速；然后控制器20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17、第二调速电源18和第三调速电源19，从而实时控制风扇2、中压压气机7和高压压气机8的转速和转矩。