涡轮发动机动力输出轴系统、涡轮发动机及超速保护方法与流程

本发明涉及航空氢能推进，尤其涉及一种涡轮发动机动力输出轴系统、涡轮发动机及超速保护方法。

背景技术：

1、随着航空动力系统向多电化、高集成化方向持续演进，多电航空发动机已成为下一代航空推进技术的发展方向，通过将起动机/发电机直接嵌入发动机主轴，实现起动功能与发电功能的一体化集成，能够省去传统附件齿轮箱传动结构，有效缩减系统体积与重量，提升功率密度与能量利用效率，是当前航空动力领域的主流技术路线。

2、在现有公开的专利文献与工程验证项目中，赛峰、罗尔斯·罗伊斯、霍尼韦尔等企业普遍采用动力轴集成永磁转子的集成构型，永磁转子具体可分为表贴式与内嵌式两种方案。其中，表贴式是在轴外加工定位面，通过护套将磁钢箍紧在定位面上；内嵌式则在动力轴的局部增粗段加工出磁钢槽，将永磁体置入磁钢槽内完成定位固定。两类方案均将永磁体直接集成于主轴本体，使传动主轴同时承担扭矩传输与磁路载体的双重功能。

3、然而实际研究中发现，传动主轴作为发动机的核心受力部件，需在高速工况下传递大扭矩并承受交变载荷，而为实现永磁体的安装定位，在轴体表面加工的定位面或在轴体内部开设的磁体安装槽，会不可避免地破坏主轴截面的力学连续性，在槽口、台阶等结构突变处形成应力集中区域，提高了主轴的疲劳失效风险，对发动机的长期可靠运行与服役寿命构成不利影响。

4、鉴于上述问题，如何抑制因永磁体安装带来的疲劳隐患，确保发动机的长期可靠运行，延长服役寿命，已经成为当前亟待解决的重要技术难题。

5、需要指出的是，以上所述旨在方便理解本发明的总体背景，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种涡轮发动机动力输出轴系统、涡轮发动机及超速保护方法，能够避免永磁体安装对输出轴截面力学连续性的破坏，从而有效抑制应力集中问题，降低疲劳隐患，确保发动机的长期可靠运行，延长服役寿命。

2、本发明还提出一种涡轮发动机。

3、本发明还提出一种涡轮发动机动力输出轴超速保护方法。

4、根据本发明实施例的一种涡轮发动机动力输出轴系统，包括：

5、输出轴，设置有安装段，所述安装段配置有连续完整的几何截面；

6、电磁转子组件，包括套筒式基体和永磁体；所述套筒式基体同轴套接于所述安装段之外，所述永磁体连接于所述套筒式基体上；

7、联结结构，用于连接所述输出轴和所述套筒式基体，使所述输出轴与所述电磁转子组件同步转动。

8、根据本发明的一个实施例，所述永磁体连接于所述套筒式基体的外周面；

9、所述电磁转子组件还包括护套；所述护套包覆于所述套筒式基体的外周面，用以为所述永磁体提供径向的箍紧力。

10、根据本发明的一个实施例，所述套筒式基体的外周面开设有磁体安装槽；

11、多个所述磁体安装槽环绕所述套筒式基体的外周面呈阵列排布，所述永磁体对应嵌装于所述磁体安装槽中。

12、根据本发明的一个实施例，所述联结结构包括：

13、定位挡肩，凸出设置于所述安装段的端部且面向所述套筒式基体的一面设为止挡面，所述止挡面用于和所述套筒式基体的第一端抵接；

14、第一啮合齿，设置于所述止挡面；

15、第二啮合齿，设置于所述套筒式基体的第一端端面，所述第一啮合齿与所述第二啮合齿啮合适配。

16、根据本发明的一个实施例，所述定位挡肩配置为环状结构并与所述安装段同轴；

17、所述第一啮合齿及所述第二啮合齿环绕所述套筒式基体轴线呈放射状均匀排列。

18、根据本发明的一个实施例，所述套筒式基体与所述安装段过盈配合。

19、根据本发明的一个实施例，所述联结结构还包括锁紧件；

20、所述锁紧件作用于所述套筒式基体的第二端，用于为所述套筒式基体提供朝向所述定位挡肩运动的预紧力。

21、根据本发明的一个实施例，所述锁紧件配置为锁紧螺母；

22、所述锁紧螺母与所述输出轴螺纹连接，并且，所述锁紧螺母通过套接于所述输出轴上的第一隔套与所述套筒式基体的第二端抵接。

23、根据本发明实施例的一种涡轮发动机，包括机匣，以及固定安装于所述机匣内的定子总成和上述任意一项所述的涡轮发动机动力输出轴系统；

24、所述定子总成设置于所述电磁转子组件的外围，并与所述电磁转子组件径向相对以形成气隙，所述定子总成内部和/或所述机匣的夹层中设有换热流道，所述换热流道的入口用于和液氢燃料供应管路连接，以供液氢燃料流过。

25、根据本发明的一个实施例，还包括：

26、双向功率变换器，交流侧与所述定子总成电连接，直流侧通过直流母线与电池组电连接；

27、制动耗能模块，与所述直流母线连接，并被配置为在制动模式下将电磁制动产生的电能转化为热能耗散；

28、控制器，与所述双向功率变换器及所述制动耗能模块信号连接，用于控制所述涡轮发动机在起动模式、稳态模式、功率辅助模式与制动模式之间切换：

29、在所述起动模式下和所述功率辅助模式下，控制所述双向功率变换器将所述电池组的直流电逆变为交流电注入所述定子总成；

30、在所述稳态模式下，控制所述双向功率变换器将所述定子总成感应产生的交流电整流为直流电为所述电池组充电；

31、在所述制动模式下，向所述定子总成注入去磁电流以削弱气隙磁通，并基于直流母线的安全电压阈值，控制所述双向功率变换器将所述定子总成感应产生的交流电整流为直流电，为所述电池组充电和/或通过所述制动耗能模块耗散。

32、根据本发明的一个实施例，所述制动耗能模块包括：

33、制动斩波器，与所述直流母线电连接，并被配置为在所述制动模式下控制所述定子总成产生的制动电能的流向

34、耗能电阻，与所述制动斩波器的输出端连接，并被配置为将所述制动电能以焦耳热的形式耗散。

35、根据本发明实施例的一种涡轮发动机动力输出轴超速保护方法，包括以下步骤：

36、实时监测所述输出轴的转速；

37、确定所述输出轴的转速超过第一设定阈值时，对所述电磁转子组件施加反向电磁转矩；

38、实时监测直流母线电压；

39、确定直流母线电压超出安全阈值时，将制动产生的至少部分电能通过制动耗能模块耗散；

40、确定转速回落至第二设定阈值后，撤销反向电磁转矩；

41、确定转速持续升高并超过极限设定阈值时，切断燃料供应，强制发动机降速停机。

42、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

43、本发明实施例提供的涡轮发动机动力输出轴系统、涡轮发动机及超速保护方法，输出轴的安装段具备连续完整的几何截面，可增强输出轴自身力学结构的连续性，使其作为动力传输的核心部件稳定承载并传递大扭矩；套筒式基体同轴套接于安装段外部，作为永磁体的安装载体，实现永磁体的定位与固定；永磁体设置于套筒式基体上，构成电磁转子组件的励磁结构，用于和外部定子配合实现机电能量转换，完成发动机起动与发电功能；联结结构实现输出轴与套筒式基体的连接，使二者同轴同步转动，确保扭矩传递的稳定且电磁气隙均匀一致。

44、相较于相关技术，该涡轮发动机动力输出轴系统通过将永磁体集成于套筒式基体上，实现了永磁体与输出轴的解耦设置，无需在安装段上加工定位面、磁钢槽等破坏轴体截面连续性的结构，减少了应力集中源的引入，从而有效降低了因截面突变引发的应力集中问题以及疲劳失效隐患，提高了高速大扭矩工况下的结构可靠性与服役寿命；同时，电磁转子组件作为独立于输出轴的具备完整电磁与机械功能的结构，可在装机前独立完成精密动平衡与性能校验，保障转子动平衡精度与电磁性能的一致性，缩减整机总装阶段的调试周期，降低装配误差，提高装配效率。

45、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。