CN105366060B - 一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，属于航空推进技术领域。所述推进器采用一个两侧具有电机轴的无刷直流电动机，一侧的电机轴固定在头罩上，另一侧的电机轴固定在尾罩上，从头罩到尾罩依次设置一级风扇、一级导流片、二级风扇、二级导流片、三级风扇、三级导流片、四级风扇、四级导流片，对流经发动机内部的气流进行四次加压。同时，在短舱内壁以及整流罩外壁设置有消音衬垫。本发明提供的推进器体积小，推进效率高，降低了运行中产生的噪声，减小了推进器的重量，降低了制造和维护成本，减小了有害气体的排放，提高了推进器的推重比。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动涡轮推进器，尤其涉及一种可以应用在固定翼有人飞机或无人机的轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，属于航空推进技术领域。
背景技术
小型固定翼飞机在航空运动、农林服务、工业生产服务、空中游览、公安巡逻等领域有着广泛的用途。目前，全世界已有数十万架此类飞机，形成了一个规模庞大的产业。同样，无人机在军事和民用领域具有广阔的应用前景，如空中侦查、空中预警、空中打击等领域。因此，各航空大国均投入了大量的资源。对于上述固定翼有人飞机或者无人机而言，一般要求其具有较远的航程，即较高的推进效率。较小的噪音以及较低的制造和维护成本。除此，随着环保意识的增强，目前各个国家也逐渐重视飞机的环保性能。
航空发动机是为飞机飞行提供所需动力的装置。对于传统的飞机推进装置而言，其动力主要来源于传统发动机，即涡轮发动机及活塞式发动机。由于这类发动机需要消耗化石燃料，因此推进效率相对较低。同时，还面临推进器产生噪声较大，整体重量较大，制造和维护成本较高，在运行过程中有废气产生等方面的不足。
发明内容
本发明针对上述发动机的不足，提出了一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其目的是用电动机代替传统发动机，即涡流发动机和活塞发动机，并采用蜂窝夹层，以及碳纤维复合材料以解决推进效率低、运行噪声大、质量笨重且制造和维护成本高的问题。
本发明的轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，推进器的外侧为短舱，提供了空气流经的通道；在短舱的内部设置有具有左右两个电机轴的直流无刷电机，一侧的电机轴固定在头罩上，另一侧的电机轴固定在尾罩上，从头罩到尾罩依次设置一级风扇、一级导流片、二级风扇、二级导流片、三级风扇、三级导流片、四级风扇、四级导流片，对流经发动机内部的气流进行四次加压。所述头罩为空腔半球壳结构，在其内部周向均匀设置有头罩轮辐和头罩轴承座，所述头罩轮辐一端固定在头罩内侧壁，另一端固定在所述头罩轴承座上，所述轴承座用于装配和支撑电机轴；该头罩外圆周表面与头罩支撑片的一端相固连，头罩支撑片的另一端固定在短舱内壁上；在头罩的右侧为一级风扇，所述一级风扇绕中心轴旋转，对流经的空气进行第一次加压，在一级风扇的右侧安装了一级导流片，该一级导流片的一端固定在短舱上，另一端悬空。在一级导流片的右侧为二级风扇，对气流进行第二次加压；一级风扇和二级风扇，组成一体安装在同一个风扇轮毂上，轮毂为圆环形，圆环形结构内部对应一级风扇和二级风扇的位置分别具有风扇轮辐和风扇轴孔，所述风扇轴孔用于与电机轴装配；在二级风扇的右侧设置了二级导流片；该二级导流片的一端固定在短舱上，另一端与电机座相固连；在电机座的内部安装有直流无刷电机，直流无刷电机两侧均安装有电机轴，其左侧通过风扇轮毂两侧的风扇轮辐和风扇轴孔以及键与电机轴相固连，由此实现直流无刷电机带动一级风扇和二级风扇沿相同方向旋转；二级导流片的右侧依次为三级风扇、三级导流片和四级风扇；三级风扇和四级风扇安装在一个风扇轮毂上，由直流无刷电机另一侧的电机轴驱动；所有四级风扇均沿相同方向旋转；三级导流片固定在短舱上；在四级风扇的右侧为四级导流片两端分别连接固定在短舱和尾罩上；在尾罩的内侧对应四级导流片的位置设置有尾罩轮辐和尾罩轴承座，通过尾罩轴承座支撑电机轴。
本发明有益效果：由于采用四级风扇，使得推进器产生的推力更大，推进器的体积更小；由于用电动机替代传统发动机，提高了发动机的推进效率，降低了运行中产生的噪声，减小了推进器的重量，降低了制造和维护成本，减小了有害气体的排放；由于采用了蜂窝夹层这一降噪手段，进一步降低了推进器的噪声；碳纤维复合材料的大量采用减小了推进器的重量，提高了推进器的推重比。
附图说明
图1是本发明的推进器工作示意图；
图2是本发明的推进器的剖视图；
图3是本发明的推进器的短舱内部结构示意图；
图4是本发明的头罩结构示意图；
图5是本发明中一级风扇和二级风扇安装结构示意图；
图6是本发明中直流无刷电动机安装示意图；
图7是尾罩结构示意图A；
图8是尾罩结构示意图B；
图9是消音衬垫结构示意图。
图中：
1.短舱； 2.消音衬垫； 3.头罩； 4.头罩支撑片； 5.一级风扇；
6.一级导流片； 7.二级风扇； 8.二级导流片； 9.三级风扇； 10.三级导流片；
11.四级风扇； 12.四级导流片； 13.尾罩； 14.直流无刷电机； 15.电机轴；
16.头罩进气孔； 17.头罩轮辐； 18.头罩轴承座； 19.风扇轮毂； 20.风扇轮辐；
21.风扇轴孔； 22.电机座； 23.尾罩轮辐； 24.尾罩轴承座； 25.尾罩通气孔；
26.穿孔板； 27.上部蜂窝； 28.声学隔膜； 29.下部蜂窝； 30.壁面；
31.胶膜。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提供一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，如图1所示，推进器在其一侧吸入空气，通过内部叶片旋转，将气流加速后在另一侧排出，由此获得反向推力。技术方案上采用一个无刷直流电动机代替传统发动机驱动四级风扇，对流经发动机内部的气流进行四次加压。在每级风扇的下游设置有导流片来减小气流旋转。同时，在短舱内壁以及整流罩外壁设置有消音组件，及蜂窝夹层，来减小进一步降噪。整个推进器，除电动机外，其他均采用碳纤维复合材料。
如图2所示，本发明提供的推进器的外侧为短舱1，它提供了空气流经的通道。所述短舱1的截面为流线型较好的翼型，内部为空腔结构。在该空腔结构内布置了具有吸声作用的消音衬垫2。
如图2和图3所示，在短舱1的内部，从左到右(从进气上游到下游)依次设置有头罩3、一级风扇5、一级导流片6、二级风扇7、二级导流片8、三级风扇9、三级导流片10、四级风扇11、四级导流片12和尾罩13。所述头罩3结构如图4所示，头罩3为空腔半球壳结构，在其内部周向均匀设置有头罩轮辐17和头罩轴承座18，所述头罩轮辐17一端固定在头罩3内侧壁，另一端固定在所述头罩轴承座18上，所述轴承座18用于装配和支撑电机轴15。该头罩3外圆周表面与头罩支撑片4的一端相固连，头罩支撑片4的另一端固定在短舱1内壁上。所述头罩支撑片4的截面为NACA0012翼型，因此具有较好的流线型，可以使得进入短舱1的气流保持较好的流动状态。在头罩的右侧为一级风扇5，所述一级风扇5可以绕中心轴旋转，因此可以对流经的空气进行第一次加压，同时，使得空气具备一定的同向旋转速度。由于气流的旋转在一定程度上可以降低推进效率，因此在一级风扇5的右侧安装了一级导流片6。该一级导流片6的一端固定在短舱1上，另一端悬空并靠近风扇轮毂19外缘。由于其不旋转，因此可以减小气流旋转速度。在一级导流片6的右侧为二级风扇7，对气流进行第二次加压。由于该推进器有四级风扇，为了减小制造成本，提高结构强度，特将上述两级风扇，即一级风扇5和二级风扇7，组成一体，其结构如图5所示。两级风扇安装在同一个风扇轮毂19上。轮毂为圆环形，圆环形结构内部对应一级风扇5和二级风扇7的位置分别具有风扇轮辐20和风扇轴孔21，所述风扇轴孔21用于与电机轴15装配。在二级风扇7的右侧设置了二级导流片8。该二级导流片8的一端固定在短舱1上，另一端与电机座22相固连。在电机座22的内部安装有直流无刷电机14，其结构如图6所示。该直流无刷电机14两侧均安装有电机轴15，其左侧通过风扇轮毂19两侧的风扇轮辐20和风扇轴孔21以及键与电机轴15相固连，由此实现直流无刷电机14带动一级风扇5和二级风扇7沿相同方向旋转。二级导流片8的右侧依次为三级风扇9、三级导流片10和四级风扇11。与一级风扇5和二级风扇7相同(如图5)，三级风扇9和四级风扇11安装在一个风扇轮毂上，由直流无刷电机14另一侧的电机轴15驱动。因此，所有四级风扇均沿相同方向旋转。同样，三级导流片10的一端固定在短舱1上，另一端悬空并靠近相应的风扇轮毂的外表面。在四级风扇11的右侧为四级导流片12，该四级导流片12一方面具有引导气流的作用，另一方面由于其和短舱1和尾罩13均相固连，因此具有支撑固定尾罩13的作用。尾罩13的结构如图7和图8所示。在尾罩13的内侧对应四级导流片12的位置设置有尾罩轮辐23和尾罩轴承座24，其功用是通过尾罩轴承座24支撑电机轴15。由于直流无刷电机14运行过程中电流较大，会产生大量热量。为了降低直流无刷电机14温度，在头罩3的前端设有头罩进气孔16，尾罩13的后端设有尾罩通气孔25，如图8所示。一部分气流通过头罩进气孔16进入直流无刷电机14所在的通道，并通过尾罩通气孔25流出。
为了减小推进器噪音，在短舱1的内侧表面以及头罩3和尾罩13的外面均设有具有吸声作用的消音衬垫2，其安装位置如图2所示，结构如图9所示。在消音衬垫2的最外层为穿孔板26，该穿孔板26上的孔为直径相同的圆形通孔。穿孔板26通过胶膜31粘贴在上部蜂窝27上。该上部蜂窝27由许多六边形薄壁筒均匀排列而成。上部蜂窝27的下边是声学隔膜28，其本质为一层薄膜，薄膜厚度0.5～2毫米，材料采用聚乙烯醇缩丁醛。声学隔膜28的下面为下部蜂窝29，其平面结构和上部蜂窝27完全一样，下部蜂窝29的厚度是上部蜂窝27厚度的1.5～3倍。下部蜂窝29通过胶膜31固定在壁面30上。根据上述内容，该壁面30包括短舱1的内侧表面和头罩3与尾罩9的外表面。
为了降低推进器重量，上述短舱1、头罩3、头罩支撑片4、一级风扇5、一级导流片6、二级风扇7、二级导流片8、三级风扇9、三级导流片10、四级风扇11、四级导流片12，尾罩13均采用碳纤维复合材料。
Claims (7)
1.一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：推进器的外侧为短舱，提供了空气流经的通道；在短舱的内部，从左到右依次设置有头罩、一级风扇、一级导流片、二级风扇、二级导流片、三级风扇、三级导流片、四级风扇、四级导流片和尾罩，所述头罩为空腔半球壳结构，在其内部周向均匀设置有头罩轮辐和头罩轴承座，所述头罩轮辐一端固定在头罩内侧壁，另一端固定在所述头罩轴承座上，所述轴承座用于装配和支撑电机轴；该头罩外圆周表面与头罩支撑片的一端相固连，头罩支撑片的另一端固定在短舱内壁上；在头罩的右侧为一级风扇，所述一级风扇绕中心轴旋转，对流经的空气进行第一次加压，在一级风扇的右侧安装了一级导流片，该一级导流片一端固定在短舱上，另一端悬空靠近风扇轮毂外缘；在一级导流片的右侧为二级风扇，对气流进行第二次加压；一级风扇和二级风扇，组成一体安装在同一个风扇轮毂上，轮毂为圆环形，圆环形结构内部对应一级风扇和二级风扇的位置分别具有风扇轮辐和风扇轴孔，所述风扇轴孔用于与电机轴装配；在二级风扇的右侧设置了二级导流片；该二级导流片的一端固定在短舱上，另一端与电机座相固连；在电机座的内部安装有直流无刷电机，直流无刷电机两侧均安装有电机轴，其左侧通过风扇轮毂两侧的风扇轮辐和风扇轴孔以及键与电机轴相固连，由此实现直流无刷电机带动一级风扇和二级风扇沿相同方向旋转；二级导流片的右侧依次为三级风扇、三级导流片和四级风扇；三级风扇和四级风扇安装在一个风扇轮毂上，由直流无刷电机另一侧的电机轴驱动；所述的一级风扇、二级风扇、三级风扇和四级风扇均沿相同方向旋转；三级导流片固定在短舱上；在四级风扇的右侧为四级导流片，四级导流片的两端分别连接固定在短舱和尾罩上；在尾罩的内侧对应四级导流片的位置设置有尾罩轮辐和尾罩轴承座，通过尾罩轴承座支撑电机轴。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：所述短舱的截面为流线型翼型，内部为空腔结构。
3.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：所述头罩支撑片的截面为NACA0012翼型。
4.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：在头罩的前端设有头罩进气孔，尾罩的后端设有尾罩通气孔。
5.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：在短舱的内侧表面以及头罩和尾罩的外面均设有消音衬垫，消音衬垫的最外层为穿孔板，该穿孔板上的孔为直径相同的圆形通孔；穿孔板通过胶膜粘贴在上部蜂窝上；该上部蜂窝由六边形薄壁筒均匀排列而成；上部蜂窝的下边是声学隔膜，声学隔膜的下面为下部蜂窝，其平面结构和上部蜂窝完全一样，下部蜂窝的厚度是上部蜂窝厚度的1.5～3倍；下部蜂窝通过胶膜固定在壁面上；所述壁面包括短舱的内侧表面和头罩与尾罩的外表面。
6.根据权利要求5所述的一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：所述声学隔膜为薄膜结构，薄膜厚度0.5～2毫米，材料采用聚乙烯醇缩丁醛。
7.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式四级电动风扇推进器，其特征在于：所述短舱、头罩、头罩支撑片、一级风扇、二级风扇、一级导流片、二级导流片和尾罩均采用碳纤维复合材料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |