使用排气回收动力的电动分布式推进的制作方法

1.本公开涉及飞行器动力架构，并且更具体地涉及混合动力电动飞行器动力架构。

背景技术：

2.与自然吸气式内燃发动机相比，涡轮增压飞行器发动机可以提供额外的马力。然而，对于典型的飞行器涡轮增压器，在高于和超过压缩机需要的巡航速度下，来自涡轮的净动力过剩。这种净过剩动力的一个传统用途是将来自涡轮增压器的轴的动力添加到内燃发动机的主轴，就像在涡轮复合发动机中一样。这种配置对于更大排量的发动机可能是有利的。对于较小排量的发动机，例如，50马力(37.3 kw)或更低的发动机，涡轮复合所涉及的机械复杂性可能不太适合。
3.这些常规技术就其预期目的而言已经被视为令人满意的。然而，为了改进燃料效率和减少热足迹，一直需要改进系统和方法。

技术实现要素：

4.一种飞行器动力系统包括：涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：压缩机，所述压缩机用于向内燃发动机供应燃烧空气；涡轮，所述涡轮可操作地连接到内燃发动机以从所述内燃发动机接收排气流并将所述排气流的能量转换为旋转动力；以及涡轮轴，所述涡轮轴将所述涡轮可操作地连接到所述压缩机以将至少一些所述旋转动力传递到所述压缩机。发电机可操作地连接到所述涡轮轴以从所述涡轮轴接收至少一些所述旋转动力以产生电力。至少一个电动空气增流器电连接到所述发电机以接收至少一些所述电力以产生推力。
5.所述至少一个电动空气增流器经由不包括功率转换器(例如，没有ac/dc/ac功率转换器)的直接电连接而电连接到所述发电机。所述至少一个电动空气增流器可以包括产生推力的旋翼以及可操作以调整进入和/或离开所述产生推力的旋翼的气流的可变入口引导叶片、可变空气喷嘴和/或可变桨距叶片中的至少一者。
6.另外或替代地，所述至少一个电动空气增流器可以包括多个电动空气增流器，所述多个电动空气增流器通过开关网络电连接到所述发电机，所述开关网络被配置为选择性地为所述多个电动空气增流器中的各个空气增流器供电。所述开关网络可以被配置为选择性地为所述多个电动空气增流器中的各个空气增流器供电。
7.所述系统还可以包括内燃发动机，所述内燃发动机可操作地连接到所述压缩机以从所述压缩机接收燃烧空气。所述内燃发动机还可以可操作地连接到主空气增流器，所述主空气增流器被配置为与所述至少一个电动空气增流器协同以向飞行器提供推力。所述系统还可以包括所述飞行器，所述飞行器包括机身，使得所述主空气增流器和所述至少一个电动空气增流器可以安装到所述机身。
8.一种飞行器动力系统包括内燃发动机、可操作地连接到所述涡轮增压器的涡轮增压器。所述涡轮增压器包括：压缩机，所述压缩机用于向所述内燃发动机供应燃烧空气；涡轮，所述涡轮可操作地连接到内燃发动机以从所述内燃发动机接收排气流并将所述排气流
的能量转换为旋转动力；以及涡轮轴，所述涡轮轴将所述涡轮可操作地连接到所述压缩机以将至少一些所述旋转动力传递到所述压缩机。发电机可操作地连接到所述涡轮轴以从所述涡轮轴接收至少一些所述旋转动力以产生电力。具有产生推力的旋翼的至少一个电动空气增流器电连接到所述发电机以接收至少一些所述电力以产生推力。
9.控制器可以可操作地连接到所述发电机和所述至少一个电动空气增流器。所述控制器可以被配置为控制所述发电机以直接且选择性地为所述至少一个电动空气增流器供电，并控制所述至少一个电动空气增流器的一个或多个推力控制特征件。
10.所述电动空气增流器的所述一个或多个推力控制特征件包括可变桨距叶片、设置在产生推力的旋翼上游的可变入口引导叶片、位于产生推力的旋翼下游的可变空气喷嘴和/或可操作地连接到所述控制器的开关网络中的至少一者。
11.一种方法可以包括：通过涡轮增压器向内燃发动机供应燃烧空气；从所述涡轮增压器中提取电力；以及使用所述提取的电力驱动至少一个电动空气增流器以产生推力。使用所述提取的电力可以包括直接将所述提取的电力供应给所述至少一个电动空气增流器而不转换所述电力。
12.所述方法可以包括通过调整进入和/或离开所述至少一个电动空气增流器的气流来控制所述涡轮增压器的负载(loading)和来自所述至少一个电动空气增流器的推力中的一者或两者。所述方法可以另外或替代地包括调整离开所述空气增流器的流量以控制所述涡轮增压器的负载和/或来自所述至少一个电动空气增流器的推力。另外或替代地，所述至少一个电动空气增流器可以是多个电动空气增流器，使得所述方法还可以包括选择性地为所述多个电动空气增流器中的各个空气增流器供电以控制所述涡轮增压器的负载和由所述多个电动空气增流器产生的总推力中的一者或两者。
13.所述方法可以包括与从所述至少一个电动空气增流器向所述飞行器提供推力协作，从由所述内燃发动机提供动力的主空气增流器向飞行器提供推力。所述方法可以包括通过将电力从所述涡轮增压器汲取到所述至少一个电动空气增流器来减少所述飞行器的红外特征。
14.本领域技术人员从以下结合附图对优选实施方案进行的详细描述中将变得更易于理解本公开的系统和方法的这些和其他特征。本公开提供了对涡轮增压飞行器发动机空间的改进。
附图说明
15.因此，本公开相关领域的技术人员将易于理解如何在无需过度实验的情况下制作和使用本公开的装置和方法，下文将参考特定附图详细描述本公开的优选实施方案，其中：图1是根据本公开构造的飞行器的实施方案的示意图，示出了飞行器动力系统；图2是图1的飞行器动力系统的示意图，示出了飞行器动力系统中的部件的配置；图3是空气增流器的示意图，示出了用于控制离开空气增流器的流量的装置；图4是另一个空气增流器的示意图，示出了用于控制进入空气增流器的流量的装置；图5是空气增流器的示意图，示出了用于控制离开空气增流器的流量的另一种装置；
图6是图1的飞行器动力系统的示意图，示出了飞行器动力系统中的部件的另一种配置。
具体实施方式
16.现在将参考附图，其中相似的附图标记标识本公开的类似结构特征或方面。为了解释和说明而非限制的目的，在图1中示出根据本公开的系统的实施方案的局部视图并且总体上以附图标记100指定所述系统。如将描述的，图2至图6提供了根据本公开的系统的其他实施方案或其方面。本文所述的系统和方法可以用于改进燃料经济性和发动机冷却。
17.如图1所示，具有机身10的飞行器1 (例如，有人驾驶或无人驾驶飞行器)可以包括飞行器动力系统100。系统100可以包括内燃发动机102并且涡轮增压器104可以可操作地连接到内燃发动机102。主空气增流器106可以安装到机身10并且可操作地连接到内燃发动机102以向飞行器1提供推力。
18.转向图2，涡轮增压器104可以包括压缩机108，所述压缩机流体地连接到内燃发动机102的进气口以用于将压缩空气供应到内燃发动机102的燃烧部分。涡轮110可以通过涡轮轴112可操作地连接到内燃发动机102和压缩机108。涡轮110从内燃发动机102接收排气流114并将排气流114的能量转换为旋转动力。发电机116可以可操作地连接到涡轮轴112以在飞行器动力系统100的至少一些工况中利用为压缩机108提供动力所需要的过剩能量中可用能量的一部分从涡轮轴112的旋转产生电力。至少一个电动空气增流器118可以电连接到发电机116以通过由发电机116产生的电力被供电以产生用于飞行器1的推力。如图1所示，至少一个电动空气增流器118也可以安装到机身10以与主空气增流器106协作提供推力。至少一个电动空气增流器118可以(例如，在固定的速度比下)直接电连接到发电机116，而没有任何介入的电力电子器件，诸如逆变器、整流器或其他大功率ac/dc/ac转换器。例如，至少一个电动空气增流器118可以是感应马达和/或可以包括自起动永磁体。
19.如图3至图5所示，至少一个电动空气增流器118可以包括马达122和产生推力的旋翼124，所述产生推力的旋翼可操作地连接到主控制单元120，所述主控制单元连接到至少一个电动空气增流器118的控制部分，例如一个或多个推力控制特征件。推力控制特征件可以包括但不限于可变桨距叶片、可变入口引导叶片、可变喷嘴和/或开关网络。推力控制特征件可以调整进入和/或离开至少一个电动空气增流器118的流量以控制涡轮增压器104的负载(例如，不泄放排气能量)和/或控制来自至少一个电动空气增流器118的推力。
20.如图3所示，产生推力的旋翼124具有由主控制单元120控制的可变桨距叶片126，以调整由至少一个电动空气增流器118提供的气流。
21.如图4所示，可变入口引导叶片128可以包括在至少一个电动空气增流器118的入口侧130上，在产生推力的旋翼124的上游并由主控制单元120控制，以调整至少一个电动空气增流器118的空气动力负载以将涡轮增压器104的转速和/或增压调节到每个给定功率请求所需的目标值。
22.如图5所示，可变空气喷嘴132可以包括在至少一个电动空气增流器118的出口侧134上，在产生推力的旋翼124的下游并由主控制单元120控制以控制至少一个电动空气增流器118的压力比。还设想可变空气喷嘴132可以是被动系统，所述被动系统被配置为基于环境压力成比例地控制至少一个电动空气增流器118的压力比。在任一种情况下，至少一个
电动空气增流器118的压力比可以因此被调整以将涡轮增压器104的转速和/或增压调节到功率请求所需的目标值。
23.如图6所示，至少一个电动空气增流器118可以是通过开关网络136电连接到发电机116的多个电动空气增流器118a至118f。开关网络136可以连接到主控制单元120以选择性地为各个空气增流器118供电，例如选择性地将各个空气增流器116通电或断电，或者选择性地调制提供给空气增流器118a至118f中的每一者的功率。通过选择性地为空气增流器118提供供电和/或调制功率分配，涡轮增压器104的转速和/或增压可以以离散步长而不是线性地调节。可以使用内燃发动机102的转速来调整附加的功率调整。可以调整粒度，以在增压可调整性与电动空气增流器116的数量之间取得最佳平衡。更具体地，少量空气增流器118更简单，但是可能仅提供粗略控制，但是相反地，大量空气增流器118允许存在精细控制的可能性，但增加复杂性和成本。因此，虽然在图2中示出了两个电动空气增流器116，并且在图5中示出了六个电动空气增流器116，但是可以根据需要使用任何合适数量的空气增流器116来实现针对给定应用的期望控制和/或复杂性。
24.应当理解，虽然推力控制特征件中的每一者被示为和描述为不同的实施方案，但是本领域技术人员将容易理解，推力控制特征件都可以包括在同一系统100中，并且还有其他实施方案可以组合本文描述的实施方案的一些或所有特征。例如，系统100可以包括至少一个电动空气增流器118，所述至少一个电动空气增流器具有可变桨距叶片126、可变入口引导叶片128和/或可变空气喷嘴132中的任一者或全部，其中的每一者都可以可操作地连接到控制器120。此外，通过开关网络134电连接到发电机116的多个电动空气增流器118a至118f可以采用可变桨距叶片126、可变入口引导叶片128和/或可变喷嘴132的任何合适组合，以适应飞行器1的每个特定类型、尺寸和预期任务。
25.根据本技术的方法可以包括通过涡轮增压器104向内燃发动机102供应空气以及从涡轮增压器104中提取电力。然后可以使用所提取的电力驱动至少一个电动空气增流器118以产生推力。使用所提取的电力可以包括直接将所提取的电力供应给至少一个电动空气增流器118而不转换电力。在内燃发动机102上包括涡轮增压器104并将电力从涡轮增压器104中提取到至少一个电动空气增流器118可以减少飞行器1的红外特征并且提供用于冷却系统100的附加手段，如图2所示。例如，内燃发动机102通过压缩机吸入环境空气113，并迫使排气通过涡轮110作为排气流114离开涡轮增压器104，其中能量从排气中去除。所述消耗能量的至少一部分由发电机116使用来为至少一个电动空气增流器118供电。排气流114具有降低的温度(相对于其没有涡轮增压器的温度)，从而减少系统100的整体红外特征。
26.如上所述和附图中所示的本公开的方法和系统可以在至少一些工况和应用中增加内燃发动机的燃料经济性。在一些情况下，可以通过收集废弃能量并将其用于交通工具推进来提供经济性。此外，从内燃发动机和涡轮增压器中去除附加能量可以冷却排气，由此减少系统100的红外特征。在一些实施方案和应用中，这可以减少系统100和/或飞行器1的热检测的机会。虽然已经示出和描述本公开的设备和方法，但是本领域技术人员将易于理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对所述设备和方法进行改变和/或修改。例如，虽然在一些实施方案中，涡轮轴112可以是单个轴，但是在其他实施方案中，它可以包括多个零件，诸如一个或多个可操作地互连的轴。

技术特征：

1.一种飞行器动力系统，其包括：涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：压缩机，所述压缩机用于向内燃发动机供应燃烧空气；涡轮，所述涡轮可操作地连接到内燃发动机以从所述内燃发动机接收排气流并将所述排气流的能量转换为旋转动力，以及涡轮轴，所述涡轮轴将所述涡轮可操作地连接到所述压缩机以将至少一些所述旋转动力传递到所述压缩机；发电机，所述发电机可操作地连接到所述涡轮轴以从所述涡轮轴接收至少一些所述旋转动力以产生电力；以及至少一个电动空气增流器，所述至少一个电动空气增流器电连接到所述发电机以接收至少一些所述电力以产生推力。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个电动空气增流器经由不包括功率转换器的直接电连接而电连接到所述发电机。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个电动空气增流器包括产生推力的旋翼。4.根据权利要求3所述的系统，其还包括设置在所述至少一个电动空气增流器的产生推力的旋翼上游的可变入口引导叶片，所述可变入口引导叶片可操作以调整流向所述产生推力的旋翼的气流。5.根据权利要求3所述的系统，其还包括位于所述至少一个电动空气增流器的产生推力的旋翼下游的可变空气喷嘴，所述可变空气喷嘴可操作以调整离开所述产生推力的旋翼的气流。6.
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根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个电动空气增流器包括多个电动空气增流器，所述多个电动空气增流器通过开关网络电连接到所述发电机，所述开关网络被配置为选择性地为所述多个电动空气增流器中的各个空气增流器供电。7.根据权利要求3所述的系统，其中所述产生推力的旋翼包括可变桨距叶片。8.根据权利要求1所述的系统，其还包括所述内燃发动机，所述内燃发动机可操作地连接到所述压缩机以从所述压缩机接收所述燃烧空气。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述内燃发动机可操作地连接到主空气增流器，所述主空气增流器被配置为与所述至少一个电动空气增流器协作为飞行器提供推力。10.根据权利要求9所述的系统，其还包括所述飞行器，所述飞行器包括机身，并且其中所述主空气增流器和所述至少一个电动空气增流器安装到所述机身。11.一种方法，其包括：通过涡轮增压器向内燃发动机供应燃烧空气；从所述涡轮增压器中提取电力；以及使用所述提取的电力驱动至少一个电动空气增流器以产生推力。12.根据权利要求11所述的方法，其中使用所述提取的电力包括直接将所述提取的电力供应给所述至少一个电动空气增流器而不转换所述电力。13.根据权利要求11所述的系统，其还包括通过调整进入所述至少一个电动空气增流器的气流来控制所述涡轮增压器的负载和来自所述至少一个电动空气增流器的推力中的一者或两者。
14.根据权利要求11所述的系统，其还包括通过调整离开所述至少一个电动空气增流器的气流来控制所述涡轮增压器的负载和来自所述至少一个电动空气增流器的推力中的一者或两者。15.根据权利要求11所述的方法，其中所述至少一个电动空气增流器是多个电动空气增流器，并且所述方法还包括选择性地为所述多个电动空气增流器中的各个空气增流器供电以控制所述涡轮增压器的负载和由所述多个电动空气增流器产生的总推力中的一者或两者。16.根据权利要求11所述的方法，其还包括与从所述至少一个电动空气增流器向所述飞行器提供推力协作，从由所述内燃发动机提供动力的主空气增流器向飞行器提供推力。17.根据权利要求16所述的方法，其还包括通过将电力从所述涡轮增压器汲取到所述至少一个电动空气增流器来减少所述飞行器的红外特征。18.一种飞行器动力系统，其包括：内燃发动机；涡轮增压器，所述涡轮增压器可操作地连接到所述内燃发动机，所述涡轮增压器包括：压缩机，所述压缩机用于向所述内燃发动机供应燃烧空气，涡轮，所述涡轮可操作地连接到内燃发动机以从所述内燃发动机接收排气流并将所述排气流的能量转换为旋转动力，以及涡轮轴，所述涡轮轴将所述涡轮可操作地连接到所述压缩机以将至少一些所述旋转动力传递到所述压缩机；发电机，所述发电机可操作地连接到所述涡轮轴以从所述涡轮轴接收至少一些所述旋转动力以产生电力；以及具有产生推力的旋翼的至少一个电动空气增流器，所述至少一个电动空气增流器电连接到所述发电机以接收至少一些所述电力以产生推力。19.根据权利要求18所述的飞行器动力系统，其还包括：控制器，所述控制器可操作地连接到所述发电机和所述至少一个电动空气增流器，其中所述控制器被配置为：控制所述发电机以直接且选择性地为所述至少一个电动空气增流器供电；以及控制所述至少一个电动空气增流器的一个或多个推力控制特征件。20.根据权利要求19所述的飞行器动力系统，其中所述电动空气增流器的所述一个或多个推力控制特征件包括可变桨距叶片、设置在产生推力的旋翼上游的可变入口引导叶片、位于产生推力的旋翼下游的可变空气喷嘴和/或可操作地连接到所述控制器的开关网络中的至少一者。

技术总结

一种飞行器动力系统包括：涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：压缩机，所述压缩机用于向内燃发动机供应燃烧空气；涡轮，所述涡轮可操作地连接到内燃发动机以从所述内燃发动机接收排气流并将所述排气流的能量转换为旋转动力；以及涡轮轴，所述涡轮轴将所述涡轮可操作地连接到所述压缩机以将至少一些所述旋转动力传递到所述压缩机。发电机可操作地连接到所述涡轮轴以从所述涡轮轴接收至少一些所述旋转动力以产生电力。至少一个电动空气增流器电连接到所述发电机以接收至少一些所述电力以产生推力。产生推力。产生推力。