本发明涉及涡轮发动机设计优化，具体地，涉及一种混动涡轴发动机优化方法及其系统。
背景技术：
1、涡轴发动机是一种输出轴功率的燃气涡轮发动机，主要由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮和排气装置等组成。从进气装置进入的空气在压气机中被压缩后，进入燃烧室并在那里与喷入的燃油混合燃烧，生成高温高压燃气。燃气在膨胀过程中驱动燃气涡轮作高速旋转，将部分能量转变为涡轮功。燃气涡轮带动压气机不断吸进空气并进行压缩，使发动机能连续工作。同时动力涡轮把燃气涡轮出口燃气中的大部分能量转变为轴功率，其主要用途是驱动直升机的旋翼，也可用作地面动力。
2、现有技术中，涡轴发动机主要以航空煤油(化学燃料)为燃料燃烧提供动力，燃烧会产生氮氧化合物或硫化物等，污染环境。同时，涡轴发动机工作时噪声较大，此外，受涡轴发动机材料水平、设计水平、制造水平等条件约束，进一步提高现有涡轴发动机的燃油效率空间小，技术难度大，且航空燃油成本不断上涨，涡轴发动机的使用成本直线攀升。面对愈发严苛的环保和成本要求，急需进一步提升涡轴发动机的环保性和经济性。
3、电能作为一种清洁能源，已广泛应用于汽车领域，能够有效解决排放和噪声问题。因此，在涡轴发动机中引入电能作为一种动力，可实现涡轴发动机的低噪音、低排放和低油耗。
4、公开号为cn114074763a的专利公开一种基于涡轴发动机的串联混合动力推进系统及设计方法，其推进系统包括涡轴发动机、永磁交流发电机、m个直流电机、电池、m个升降单元、整流器、变/稳压器、电池、能量管理控制系统、电机控制系统、以及发动机控制系统，涡轴发动机和永磁交流发电机联接采用齿轮轴减速器联接；交流发电机的输出端通过变/稳压器和整流器的输出端相连；能量管理控制系统的输入端分别和整流器的输出端、电池电气相连；m个直流电动机的输出轴分别和m个升降单元的转轴一一对应同轴固连。设计该推进系统时，从飞行器需求到各部件的逆向设计法。
5、该专利提出利用涡轴发动机给永磁交流发电机发电，从而通过m个直流电机给飞行器提供动力。但现有电池的能量密度无法实现纯靠电能来提供与涡轴发动机相当的动力，无法满足大功率动力输出要求。此外，该专利主要是通过涡轴发动机的燃料燃烧给发电机发电，然后驱动电动机给飞行器提供动力，涡轴发动机并不直接驱动飞行器，即其仍然需要大量的燃料投入，且通过燃料燃烧所转化的电能给飞行器提供的功率较为有限，效率也较低；且其增设的电动机数量较多，还会进一步加重飞行器的重量，给飞行器带来不利影响。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术的缺陷，提供一种在现有燃油发动机基础上利用电机增加功率，实现大功率输出的混动涡轴发动机优化方法。
2、本发明的目的通过以下技术方案实现：
3、一种混动涡轴发动机优化方法，所述混动涡轴发动机安装至飞行设备上，所述优化方法包括引入电机辅助提供飞行设备的起飞和爬升动力，所述电机的选定步骤如下：
4、s1.确定p涡轴：
5、p涡轴以w燃油最小化为目标来确定，同时w燃油还需满足不等式：
6、w涡轴+w电机+w离合+w附件+w电池+w燃油≤k，使w涡轴、w电机、w电池、w燃油全转化为与p涡轴相关的关系式，求得p涡轴；
7、s2.确定p电机：p电机＝p起飞-p涡轴；
8、p涡轴为混动涡轴发动机中涡轴发动机的功率，p电机为混动涡轴发动机中电机的功率，p起飞为飞行设备的起飞功率，w涡轴为混动涡轴发动机中涡轴发动机的重量，w电机为混动涡轴发动机中电机的重量，w离合为混动涡轴发动机中离合器装置的重量，w附件为混动涡轴发动机中剩下附件的重量，w电池为混动涡轴发动机中电池的重量，w燃油为混动涡轴发动机中涡轴发动机的燃油重量，k为飞行设备厂家给定的混动涡轴发动机及燃油的总重量，k为常数。
9、进一步地，w燃油和p涡轴的关系式采用：w燃油＝0.52/(p涡轴-200)0.09×p涡轴×(h-h降)，h为飞行设备工作时长，h降为飞行设备降落时长。s1中p涡轴确定过程为：在通过不等式求得p涡轴的取值范围后，计算w燃油最小值所对应的p涡轴。
10、之后对w燃油最小值所对应的p涡轴与p巡航进行大小比较，p巡航为飞行设备的巡航功率。若p涡轴大于p巡航，则p涡轴定为混动涡轴发动机中涡轴发动机的功率；若p涡轴小于等于p巡航，则p巡航定为混动涡轴发动机中涡轴发动机的功率。同时进一步地，s1中p涡轴的确定过程为：初步确定涡轴发动机功率p涡轴初定，使p涡轴初定＝p巡航，并在p涡轴初定和p起飞之间取多个涡轴功率值，结合各功率值对应的耗油率sfc，采用关系式w燃油＝sfc×p涡轴×(h-h降)进行计算，得到多个w燃油数据，选取其中的满足s1中不等式的w燃油数据，取所得w燃油数据中的最小值所对应的p涡轴。
11、更进一步地，w电机和p涡轴的关系式通过如下方式确定：采用拟合法获得w电机和p电机的函数关系式，再转化为w电机和p涡轴的关系式。
12、本发明同时提供一种根据上述混动涡轴发动机优化方法设计的混动涡轴发动机系统，包括输出轴、传动轴、压气机、燃烧室、燃气涡轮和动力涡轮，所述输出轴位于传动轴中心孔内，所述压气机、燃烧室和燃气涡轮沿燃气走向依次位于传动轴外周处，所述动力涡轮套设在输出轴外周；所述混动涡轴发动机系统还包括电机及与电机电连接的蓄电池，所述电机至少和传动轴、输出轴中的任意一个机械连接。
13、进一步地，所述电机为起发一体电机。
14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
15、1)本优化方法通过对电机进行选型，迎合混动涡轴发动机的需求增加额外推力，为飞行设备在起飞和爬升阶段提供大功率动力输出，使混动涡轴发动机的燃料燃烧操作在一个稳定工况下进行，从而减少混动涡轴发动机总的燃油消耗，降低污染物和噪音的排放，节能效果越显著，满足混动涡轴发动机的经济性和环保性要求。
16、2)电机驱动效率比涡轮效率高，特殊情况下，电机可迅速提供扭矩，赋予了混动涡轴发动机响应快、安全性更高的优点。
17、3)电机选用起发一体电机，当所需混动涡轴发动机功率较低时，起发一体电机可转换为发电机给蓄电池充电，提高燃料的利用率。
1.一种混动涡轴发动机优化方法，所述混动涡轴发动机安装至飞行设备上，其特征在于，所述设计方法包括引入电机辅助提供飞行设备的起飞和爬升动力，所述电机的选定步骤如下：
2.根据权利要求1所述的混动涡轴发动机优化方法，其特征在于，w燃油和p涡轴的关系式采用：w燃油＝0.52/(p涡轴-200)0.09×p涡轴×(h-h降)，h为飞行设备工作时长，h降为飞行设备降落时长；
3.根据权利要求1所述的混动涡轴发动机优化方法，其特征在于，s1中p涡轴的确定过程为：初步确定涡轴发动机功率p涡轴初定，使p涡轴初定＝p巡航，并在p涡轴初定和p起飞之间取多个涡轴功率值，结合各功率值对应的耗油率sfc，采用关系式w燃油＝sfc×p涡轴×(h-h降)进行计算，得到多个w燃油数据，选取其中的满足s1中不等式的w燃油数据，取所得w燃油数据中的最小值所对应的p涡轴；其中，p巡航为飞行设备的巡航功率。
4.根据权利要求1所述的混动涡轴发动机优化方法，其特征在于，w电机和p涡轴的关系式通过如下方式确定：采用拟合法获得w电机和p电机的函数关系式，再转化为w电机和p涡轴的关系式。
5.根据权利要求1所述的混动涡轴发动机优化方法，其特征在于，所述电机为起发一体电机。
6.一种根据权利要求1～5任意一项所述的混动涡轴发动机优化方法设计的混动涡轴发动机系统，其特征在于，包括输出轴、传动轴、压气机、燃烧室、燃气涡轮和动力涡轮，所述输出轴位于传动轴中心孔内，所述压气机、燃烧室和燃气涡轮沿燃气走向依次位于传动轴外周处，所述动力涡轮套设在输出轴外周；所述混动涡轴发动机系统还包括电机及与电机电连接的蓄电池，所述电机至少和传动轴、输出轴中的任意一个机械连接。
7.根据权利要求6所述的混动涡轴发动机系统，其特征在于，所述电机在传动轴或输出轴的两端任选一端连接。
8.根据权利要求6所述的混动涡轴发动机系统，其特征在于，所述电机和传动轴通过传动齿轮相接。
9.根据权利要求6所述的混动涡轴发动机系统，其特征在于，所述电机和输出轴通过传动齿轮连接。
10.根据权利要求6所述的混动涡轴发动机系统，其特征在于，所述电机为起发一体电机。
