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[航空发动机] 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

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CDer:001091746
发表于 2017-09-22 23:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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现代涡轮喷气发动机的结构由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成,由涡轮获得动力带动前面压缩机,这种方式有复杂的中心轴系机械结构,对机械设计和机械材料要求很高。
我的设想是涡轮部分设计成发电机模式,前面压缩机部分是电动机模式,涡轮获得电力带动前面压缩机,这样发动机就没有中心轴系机械结构,降低发动机结构复杂性和材料的高要求特点。


希望有高手分析分析这种设计。
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CDer:000255765
发表于 2017-09-23 00:08 | 显示全部楼层
对于风扇和涡轮在一个轴线上并且距离不太远的普通涡扇,发电机+电动机要满足功率要求可能会付出较大重量代价而获得的好处不多,

但是涡轮电力分布式推进系统(TeDP)的话就很有用了,她一般是一台涡轮机发电后带动多个风扇(比如 NASA 有个验证机是机翼前缘安装 18 个电动涵道风扇),如果用机械传动而不用电力就会非常那啥了。

另外,注意发电并不一定需要涡轮,
如果燃烧室出来的燃气电离程度足够,那么可以用磁流体直接发电,然后带动电动压气机/风扇。
只不过使用霍尔效应的磁流体发电一般效率不超过 10%……


更科幻点的话,太空堡垒里的 VF-1 战斗机所用的 FF-2001 发动机,就用核反应堆在加热空气的同时直接热离子发电,带动发动机前面的电动压气机

VF-1的核能发动机(Thermonuclear Tubine Engine)则是航空史上的一次革命。一方面利用了核融合产生的能量转化为电能,另一方面则利用核反应产生的热能加热空气产生推力,于此来代替化学燃料,使VF-1够近乎无限制的在大气圈内飞行。

新中州重工/P&W/Royce FF-2001型核能发动机从外形上看属于涡轮风扇发动机,但比传统的发动机多了一个模块——前部压气 机。前压气机靠电机转动,用于在B和G形态下增加主发动机的进气量和进气压力,和主发动机之间没有机械连接,靠主发动机的电力驱动。为了提高效率,电机使 用了超导技术。发动机的革命就在于采用了OTM技术的核电池(装在内涵道的燃烧室前),由屏蔽装置保护,用热离子换能技术产生电力。热离子换能是利用热离 子二极管来完成。它是将热离子二极管的发射极(阴极)紧靠着反应堆中的燃料元件。当核裂变产生的热量将发射极加热到1500~2000℃的高温时,发射极 中的自由电子就得到足够的能量而飞出。这时二极管的收集极(阳极)就将电子收集起来,结果在阳极和阴极之间形成通路,产生了电流,驱动电机转动。另一方面 核裂变产生的热量又将发动机吸入的空气加热,使其膨胀,产生推力。因为排出的气体为加热的空气,根本就没有火焰,这就减少了敌人目视发现VF-1的可能 性。发动机保留了加力燃烧,通过直接将燃料喷射到排气管火焰可以获得额外的推力。主发动机长4米左右(包括尾喷口在内),由于有效的利用了核能,推力达到 了110-230千牛(F-22的F-119发动机推力为156千牛),使18.5吨(标准起飞重量)的VF-1推重比达到1.2以上,不用开加力就可以 轻易达到2倍音速左右,高度10000米时达到M2.71+(开加力时),高度30000米时为M3.73(开加力时)。这种前压气机加后主发动机的布局 经受了实战的考验,因此一直延续到其后续机VF-11以及VF-19上。
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CDer:000255765
发表于 2017-09-23 00:09 | 显示全部楼层
另外,咱以前发了个利用脉冲爆震发动机的脉冲来发电(以带动电动压气机/风扇)的设想:
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2306938&extra=
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 00:34 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

超山猫 发表于 2017-9-23 00:08
对于风扇和涡轮在一个轴线上并且距离不太远的普通涡扇,发电机+电动机要满足功率要求可能会付出较大重量代 ...

夜猫子~  真不睡觉啊~

按楼主的想法~  结合你这里的分析~  我也有个想法~:后端那个发电部分~  其实可不可以用马国士的那个无轴泵推里的电机呢~?  它虽然目前只是作为推进电机用来做舰艇的推进器的~

但和任何一种电机一样~  也是可以用来做发电的~ 马国士这个无轴泵推的电机如果缩小并放到楼主设想的这种航发后部做发电的话应该能缓解重量上的问题~  就是不知缩小后其发电效率如何~
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CDer:001072093
发表于 2017-09-23 00:37 超大游击队员 | 显示全部楼层
我过去的YY更激进,设想一款“三发”战斗机,中间一款是燃气轮机,或者说类似涡轴,专门来发电,按四代涡轴的推比,应该比大推略轻或同级,就能满足航电+发动机的需求了,然后那两个发取消涡轮,直接用电机带压气机,没有涡轮限制,燃烧温度能提高不少,可以说相当于一款冲压发动机,不过不是靠超音速气流压缩,直接用压气机的,所以可以从低速用到高速,省油(和加力比)推力大重量又轻,基本上三发和原来双发重量差不多,航电供电又充足,各种优势。。。

然后我去查了一下这个功率级电机重量,尤其是功重比高的航空电机,然后就没有然后了。。。
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CDer:000255765
发表于 2017-09-23 00:42 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

本帖最后由 超山猫 于 2017-9-23 00:43 编辑
FRFMM 发表于 2017-9-23 00:37
我过去的YY更激进,设想一款“三发”战斗机,中间一款是燃气轮机,或者说类似涡轴,专门来发电,按四代涡轴 ...


请看二楼。


另外,如果只是要达到 乃说的取消涡轮温度限制要求,那么常规涡扇方案的外涵加力改一下就可以了。

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CDer:001070363
发表于 2017-09-23 00:49 超大游击队员 | 显示全部楼层
超山猫 发表于 2017-9-23 00:08
对于风扇和涡轮在一个轴线上并且距离不太远的普通涡扇,发电机+电动机要满足功率要求可能会付出较大重量代 ...

先捡到马库螺斯再说吧……毕竟歌姬早准备好了
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CDer:001072093
发表于 2017-09-23 00:50 超大游击队员 | 显示全部楼层
超山猫 发表于 2017-9-23 00:42
请看二楼。



二楼略科幻啊。。。常规涡扇怎么改?我那个不只是改加力,非加力状态也要取消那个限制,所以取消了涡轮,这样也不需要有加力非加力之分了吧?
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CDer:000255765
发表于 2017-09-23 01:02 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 00:34
夜猫子~  真不睡觉啊~

按楼主的想法~  结合你这里的分析~  我也有个想法~:后端那个发电部分~  其实可 ...

没准还真可以,
无轴泵推其实不是真的无轴,而是相当于轴心没有支撑,改用转子的外缘来支撑,
或相当于在一个空心转子的空心部分向内装上叶片。

给涡扇用的话,大概可以在燃烧室后安装一个大直径空心陶瓷轴承,空心部分向内安装涡轮叶片,让燃气从空心穿过时带动轴承内环转动,
而如果有居里温度足够高的永磁体,也能直接在轴承内环安装永磁体来发电了。


不过,这样以来就有点像外骨骼发动机的变种了。
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CDer:000255765
发表于 2017-09-23 01:02 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

杨小沫 发表于 2017-9-23 00:49
先捡到马库螺斯再说吧……毕竟歌姬早准备好了

歌姬在哪呢?
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CDer:000255765
发表于 2017-09-23 01:06 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

FRFMM 发表于 2017-9-23 00:50
二楼略科幻啊。。。常规涡扇怎么改?我那个不只是改加力,非加力状态也要取消那个限制,所以取消了涡轮, ...

常规小涵道比涡扇的外涵气流不是通向加力燃烧室(混合排气发动机)或通向喷管鱼鳞板(分开排气发动机)吗,

那么就改一下,在外涵气流中布置一个环形燃烧室,让外涵气流在外涵燃烧室里燃烧,
就等于是核心机的外边有了一圈乃的冲压发动机了嘛。
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 01:12 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

超山猫 发表于 2017-9-23 01:02
没准还真可以,
无轴泵推其实不是真的无轴,而是相当于轴心没有支撑,改用转子的外缘来支撑,
或相当于 ...

有望~?!  哈哈哈~

给涡扇用的话,大概可以在燃烧室后安装一个大直径空心陶瓷轴承,空心部分向内安装涡轮叶片,让燃气从空心穿过时带动轴承内环转动,

就是这意思呀~   而且因为转子在内环~  定子在外环~  通过对燃烧室热喷流的定向设计让其离外环的定子远一点但又保持对叶片的推动~  外涵道冷空气对外环定子的冷却应该能够减小高温退磁的影响~

其实呀~  我觉得楼主这种想法的设计~ 最主要的好处应该是让航发摆脱了对稀有耐高温材料的追求和束缚~  
因为你发电端可以放得离燃烧室稍微远一点:用现有航发的高温涡轮和低温涡轮的相对位置来说~  发电端的叶片可以放到低温涡轮的位置去~  这样就能用相对便宜的材料来获得满意的性能了啊~
当然~ 最最重要的前提还得电机发电效率、功率给力才行~
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 01:17 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

超山猫 发表于 2017-9-23 01:02
没准还真可以,
无轴泵推其实不是真的无轴,而是相当于轴心没有支撑,改用转子的外缘来支撑,
或相当于 ...
不过,这样以来就有点像外骨骼发动机的变种了。

外骨骼~?   跟动力外骨骼有啥关系~?
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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 01:40 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 00:34
夜猫子~  真不睡觉啊~

按楼主的想法~  结合你这里的分析~  我也有个想法~:后端那个发电部分~  其实可 ...

我就是这想法啊,中心甚至是空心的。。。。。。
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 01:58 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

123456921 发表于 2017-9-23 01:40
我就是这想法啊,中心甚至是空心的。。。。。。

空心~?  你空心的话要怎么让电机发电~?  真要上燃气电离的磁流体发电~?

想要涡轮带动电机发电你要么是像我说的用马国士那个无轴泵推的那种环形电机要么是像电风扇那样电机在涡轮叶片中间的方式~
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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 01:58 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 00:34
夜猫子~  真不睡觉啊~

按楼主的想法~  结合你这里的分析~  我也有个想法~:后端那个发电部分~  其实可 ...

就是用这种电机做发电机,也可以进一步优化。

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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 02:00 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 01:58
空心~?  你空心的话要怎么让电机发电~?  真要上燃气电离的磁流体发电~?

想要涡轮带动电机发电你要么是 ...

就是用马院士的电机啊
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 02:01 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

123456921 发表于 2017-9-23 01:58
就是用这种电机做发电机,也可以进一步优化。

这不就是我提到的马国士无轴泵推的那种电机嘛~~  还以为你说的啥呢~
那如此看来的话楼主你的想法和我4楼的基本一致嘛~
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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 02:05 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 02:01
这不就是我提到的马国士无轴泵推的那种电机嘛~~  还以为你说的啥呢~
那如此看来的话楼主你的想法和我4楼 ...

是的
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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 02:08 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 02:01
这不就是我提到的马国士无轴泵推的那种电机嘛~~  还以为你说的啥呢~
那如此看来的话楼主你的想法和我4楼 ...

这种方式理论上应该行的通,不过还需要计算研究,文凭太低搞不了。有高手研究一下就好了。
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CDer:001070363
发表于 2017-09-23 02:11 超大游击队员 | 显示全部楼层
超山猫 发表于 2017-9-23 01:02
歌姬在哪呢?

在希望的田野上(手动滑稽)
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CDer:000276927
发表于 2017-09-23 02:16 超大游击队员 | 显示全部楼层
脑洞不算大,就是工程上代价与收益不成比例而已。
马国士的无轴电机适合于慢速马达。要搞到万转每分还真难,高温工作就更加难
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 02:18 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

本帖最后由 艾柏斯 于 2017-9-23 02:20 编辑
123456921 发表于 2017-9-23 02:08
这种方式理论上应该行的通,不过还需要计算研究,文凭太低搞不了。有高手研究一下就好了。


理论上需要电机的发电功率、效率要满足性能的要求~  这个得专业人士来~
设计上的话~  因为高温燃气导致的高温退磁的问题~  得仔细设计燃烧室出来的高温燃气的流向~

让其尽量远离于环形电机但又保持对叶片的推动~  有一个方法是:燃烧室出来的高温燃气集中喷向靠近中间空心部分的叶片部分~  外涵道的冷空气则喷向靠近电机的叶片部分~

就像下图那样:高温燃气集中在红圈内区域~  外涵道的冷空气则集中到蓝圈与红圈之间的区域~

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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 02:19 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

fyeldlee 发表于 2017-9-23 02:16
脑洞不算大,就是工程上代价与收益不成比例而已。
马国士的无轴电机适合于慢速马达。要搞到万转每分还真难 ...

航空电机的难点在于:紧凑的体积、较轻的重量、高转速下的发电功率效率和面对高温燃气时的高温退磁这几个问题上吧~
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CDer:000276927
发表于 2017-09-23 02:29 超大游击队员 | 显示全部楼层
艾柏斯 发表于 2017-9-23 02:19
航空电机的难点在于:紧凑的体积、较轻的重量、高转速下的发电功率效率和面对高温燃气时的高温退磁这几个 ...

对。
暂时来说,轴还是最佳解决
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 02:36 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

fyeldlee 发表于 2017-9-23 02:29
对。
暂时来说,轴还是最佳解决


相比较其他的问题~  我觉得面对高温燃气时的高温退磁这个问题最严重~  这个问题直接影响电机的效能~
不知道我23楼的想法是否有助于缓解~?
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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 03:53 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

艾柏斯 发表于 2017-9-23 02:18
理论上需要电机的发电功率、效率要满足性能的要求~  这个得专业人士来~
设计上的话~  因为高温燃气导 ...

我发现马院士的电机设计,运用在前方压气机工作时其中心气流强于周围气流,这有利于燃烧工作。这种燃烧方式利于把高温气体控制在中心部分。后方发电机叶片缩短,避开中心高温气流,用周围温度较低的气流推动电机发电,在加上适当的风冷设计,不知道可行不。
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CDer:001091746
 楼主| 发表于 2017-09-23 04:15 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

fyeldlee 发表于 2017-9-23 02:16
脑洞不算大,就是工程上代价与收益不成比例而已。
马国士的无轴电机适合于慢速马达。要搞到万转每分还真难 ...

不明白马院士的无轴电机不能高速的原因。马院士的电机是推动水流的,如果推动气流和被气流推动肯定要重新设计的。主要是用它做发电机部分,如果是航空用这种设计,其扇叶面也要缩短,避开中心高温气流,尽量用周围低温气流推动发电。
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CDer:001072445
发表于 2017-09-23 05:39 | 显示全部楼层

RE: 请教大神,脑洞新型涡扇发动机构想

本帖最后由 艾柏斯 于 2017-9-23 05:40 编辑
123456921 发表于 2017-9-23 03:53
我发现马院士的电机设计,运用在前方压气机工作时其中心气流强于周围气流,这有利于燃烧工作。这种燃烧方 ...


我觉得行不通~  
首先~  你要知道压气机它不是只有一级叶片的~  首先就得分为低压压气机和高压压气机~
这两种压气机的叶片级数都没有也不能只有一级叶片~  低压压气机至少都得是2级叶片且得对转~
高压压气机的叶片级数就更多了~  一般来说都多大4级以上的叶片数量~

然后你可以找一些现有的航发剖视图看一下~  你可以注意到空气被低高压压气机压缩的过程中并非是一条直线的~  而是先被低压压气机吸进来然后再被高压压气机往发动机中心压缩~
是一条斜线~

而燃烧室的位置基本都处在航发的中心位置上~  如果照你这想法~  前方压气机也用马国士的这种无轴电机的话~  那么高压压气机压缩空气的斜线反而是会往发动机周围运动(参考我23楼图片里的篮圈与红圈之间的区域)

那么燃烧室也会处于这块区域从而导致高温燃气喷出来后几乎就是贴着后方发电机的转子部分~  这会导致后方发电机因为高温退磁问题根本无法发挥效能~

所以~  前方压气机的结构就按照现有航发的那样就好了~  只需要将其改为电传动~  后方发电机部分还是得像我23楼讲的那样子~

另外~  单纯只靠外涵道的冷空气是否足以推动后方电机发出足够功率的电力来维持发动机的运转我表示很怀疑~~

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CDer:000454634
发表于 2017-09-23 13:24 | 显示全部楼层
前面的压缩机转速上13万转,去哪里找这样的电机?现在的电机能量密度顶多能做到10kw/kg,这个压气机功率少说也有MW级别,这就是100多kg了
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CDer:000276927
发表于 2017-09-23 18:24 超大游击队员 | 显示全部楼层
123456921 发表于 2017-9-23 04:15
不明白马院士的无轴电机不能高速的原因。马院士的电机是推动水流的,如果推动气流和被气流推动肯定要重新 ...

润滑与冷却问题,低速系统都不是问题,高速系统就非常突出。如果是一个直径一米的轴承……非业内人士,说太深也没有意思。
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CDer:000276927
发表于 2017-09-23 18:26 超大游击队员 | 显示全部楼层
123456921 发表于 2017-9-23 03:53
我发现马院士的电机设计,运用在前方压气机工作时其中心气流强于周围气流,这有利于燃烧工作。这种燃烧方 ...

难,湍流。除非函道分隔,还有热传导
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头像被屏蔽
发表于 2017-09-23 20:42 超大游击队员 | 显示全部楼层
电涵道的效率是非常低的,得不偿失
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CDer:000277351
发表于 2017-09-23 21:17 | 显示全部楼层
难道你的发电机和电动机的结构比一根轴还简单?难道你的发电机能抵御几千度高温?那可真是了不得,要真有这样厉害的材料技术别说涡扇发动机,飞机该用核能了罢。
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