CN105416573B - 一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器 - Google Patents

一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，属于航空推进技术领域。本发明采用一个无刷直流电动机代替传统发动机驱动两级叶片，对流经发动机内部的气流进行两次加压，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。本发明可以使得推进器产生的推力更大，推进器的体积更小；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；进一步降低了推进器的噪声，提高了推进器的推重比。

Description

一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器
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推进装置，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，因此存在推进效率相对较低的问题。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两级电动风扇推进器，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。
本发明提供的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，所述推进器的外侧为短舱，提供空气流经的通道；在短舱的内部，从气流入口到气流出口方向依次为头罩、头罩支撑片、一级风扇、一级导流片、二级风扇、二级导流片和尾罩；所述头罩为一空腔半球壳结构，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，所述轴承座用于支撑电机轴；该头罩的外表面与头罩支撑片的一端相固连，头罩支撑片另一端固定在短舱上，实现头罩的固定；在头罩的右侧，即下游，为一级风扇，所述一级风扇的内部设置风扇轮辐，所述风扇轮辐的两端分别固定连接圆环形内壁和风扇轴孔，所述的风扇轴孔用于与电机轴相配合装配；在直流无刷电机的左右各安装一个电机轴，电机轴与直流无刷电机的输出轴同步转动；在一级风扇的下游安装一级导流片，该一级导流片的一端固定在短舱上，不能旋转；一级导流片的另一端与电机座相固连，所述一级导流片沿电机座的周向均匀布置，电机座用以支撑直流无刷电机；在一级导流片的下游为二级风扇，其结构与一级风扇相同；二级风扇固定在直流无刷电机的另一侧即下游的电机轴上，在直流无刷电机的驱动下对气流进行第二次加压；在二级风扇的下游为二级导流片，该二级导流片一端固定在短舱上，另一端与尾罩相固连；尾罩的上游一侧有尾罩轮辐和尾罩轴承座，其功用是通过尾罩轴承座支撑直流无刷电机下游的电机轴；尾罩的另一侧为尾罩通气孔。
本发明有益效果在于：
(1)由于采用两级风扇，使得推进器产生的推力更大，推进器的体积更小；
(2)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；
(3)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；
(4)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是本发明提供的推进器的工作示意图；
图2是本发明提供的推进器的剖视图；
图3是本发明提供的推进器的内部结构示意图；
图4是本发明中头罩结构示意图；
图5是本发明中风扇结构示意图；
图6是本发明中直流无刷电动机安装示意图；
图7是尾罩示意图A；
图8是尾罩示意图B；
图9是消音衬垫示意图。
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、尾罩； 10、直流无刷电机； 11、电机轴； 12、头罩进气孔；
13、头罩轮辐； 14、头罩轴承座； 15、风扇轮辐； 16、风扇轴孔；
17、电机座； 18、尾罩轮辐； 19、尾罩轴承座； 20、尾罩通气孔；
21、穿孔板； 22、上部蜂窝； 23、声学隔膜； 24、下部蜂窝；
25、壁面； 26、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，本发明提供的轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，简称推进器，所述推进器的两侧分别设置气流入口和气流出口，在所述推进器的气流入口一侧吸入空气，通过内部叶片旋转，将气流加速后在另一侧气流出口排出，由此获得反向推力。
本发明采用一个无刷直流电动机代替传统发动机驱动两级叶片，对流经发动机内部的气流进行两次加压。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的纵截面为流线型的翼型结构，为了降低推进器重量，该短舱1为空腔结构。
如图2和图3所示，在短舱1的内部，从气流入口到气流出口方向(即图2中从左到右的方向)，依次为头罩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和尾罩9。所述头罩3的其结构如图4所示，为一空腔半球壳结构，在其内部周向均匀设置有头罩轮辐13和头罩轴承座14，所述头罩轮辐13一端固定在头罩3内侧壁，另一端固定在所述头罩轴承座14上，所述头罩轴承座14用于支撑电机轴11。该头罩3的外表面与头罩支撑片4的一端相固连，该头罩支撑片4的截面为NACA0012翼型，头罩支撑片4另一端固定在短舱1上，实现头罩3的固定。由于头罩支撑片4具有较好的流线型，因此可以使得进入短舱1的气流保持较好的流动状态。在头罩3的右侧，即下游，为一级风扇5，所述一级风扇5的结构如图5所示，在圆环形一级风扇5的内部设置风扇轮辐15，所述风扇轮辐15的两端分别固定连接圆环形内壁和风扇轴孔16，所述的风扇轴孔16用于与电机轴11相配合装配。一级风扇5与风扇轮辐15以及风扇轴孔16加工成一个整体，一级风扇5通过风扇轴孔16与电机轴11之间通过键连接实现固定。在直流无刷电机10的左右各安装一个电机轴11，电机轴11可以与直流无刷电机10的输出轴同步转动。因此，一级风扇5可以在直流无刷电机10的带动下随着电机轴11沿中心轴旋转，对流经的空气进行第一次加压，同时，使得气流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的下游安装了一级导流片6，所述一级导流片6的截面为一种具有一定弯度的翼型，可以对旋转的气流进行引导，使之平行于推进器轴向方向。该一级导流片6的一端固定在短舱1上，不能旋转，因此可以减小气流旋转速度。除此之外，如图6所示，一级导流片6的另一端与电机座17相固连，所述一级导流片6沿电机座17的周向均匀布置，电机座17用以支撑直流无刷电机10。在一级导流片6的下游为二级风扇7，其结构与一级风扇5相同。同样，二级风扇7固定在直流无刷电机10的另一侧即下游的电机轴11上，在直流无刷电机10的驱动下对气流进行第二次加压。在二级风扇7的下游为二级导流片8，该二级导流片8一端固定在短舱1上，另一端与尾罩9相固连。因此，二级导流片8不仅具有引导气流，降低气流的旋转速度的作用，还具备支撑尾罩9的作用。尾罩9的结构如图7和图8所示，其外形为一直径逐渐减小的圆锥形壳体。在其上游一侧有尾罩轮辐18和尾罩轴承座19，其功用是通过尾罩轴承座19支撑直流无刷电机下游的电机轴11。尾罩9的另一侧为尾罩通气孔20，如图8所示，所述的尾罩通气孔20设置在所述尾罩9的末端。由于直流无刷电机10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10温度，在头罩3的前端设有头罩进气孔12(如图3)，在尾罩9的末端设置尾罩通气孔20(如图8)。由此，一部分气流通过头罩进气孔12进入直流无刷电机10所在的通道，并通过尾罩通气孔20流出。所述的头罩进气孔12有多个，均匀布置在头罩3前缘。
为了减小推进器噪音，在短舱1的内壁以及头罩3和尾罩9的外壁上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。所述消音衬垫2的结构如图9所示，所述的消音衬垫2从外层到壁面25依次为穿孔板21、上部蜂窝22、声学隔膜23和下部蜂窝24。消音衬垫2的最外层为穿孔板21，该穿孔板21上的孔为直径相同的圆形通孔。穿孔板21通过胶膜26粘贴在上部蜂窝22上。该上部蜂窝22由许多六边形薄壁筒均匀排列而成。上部蜂窝22的下边是声学隔膜23，为一层薄膜，薄膜厚度介于0.5到2毫米之间，薄膜材料采用聚乙烯醇缩丁醛。声学隔膜23的下面为下部蜂窝24，下部蜂窝24的截面形状和上部蜂窝22完全一样，但厚度约为上部蜂窝22的厚度的1.5到3倍。下部蜂窝24通过胶膜26固定在壁面25上。根据上述内容，该壁面25可以是短舱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、二级风扇7、一级导流片6、二级导流片8、尾罩9均采用碳纤维复合材料。

Claims (9)

1.一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，其特征在于：所述推进器的外侧为短舱，提供空气流经的通道；在短舱的内部，从气流入口到气流出口方向依次为头罩、头罩支撑片、一级风扇、一级导流片、二级风扇、二级导流片和尾罩；所述头罩为一空腔半球壳结构，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，所述轴承座用于支撑电机轴；该头罩的外表面与头罩支撑片的一端相固连，头罩支撑片另一端固定在短舱上，实现头罩的固定；在头罩的右侧，即下游，为一级风扇，所述一级风扇的内部设置风扇轮辐，所述风扇轮辐的两端分别固定连接圆环形内壁和风扇轴孔，所述的风扇轴孔用于与电机轴相配合装配；在直流无刷电机的左右各安装一个电机轴，电机轴与直流无刷电机的输出轴同步转动；在一级风扇的下游安装一级导流片，该一级导流片的一端固定在短舱上，不能旋转；一级导流片的另一端与电机座相固连，所述一级导流片沿电机座的周向均匀布置，电机座用以支撑直流无刷电机；在一级导流片的下游为二级风扇，其结构与一级风扇相同；二级风扇固定在直流无刷电机的另一侧即下游的电机轴上，在直流无刷电机的驱动下对气流进行第二次加压；在二级风扇的下游为二级导流片，该二级导流片一端固定在短舱上，另一端与尾罩相固连；尾罩的上游一侧有尾罩轮辐和尾罩轴承座，其功用是通过尾罩轴承座支撑直流无刷电机下游的电机轴；尾罩的末端设置有尾罩通气孔。
2.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，其特征在于：所述短舱的纵截面为流线型的翼型结构，短舱为空腔结构。
3.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，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两级电动风扇推进器，其特征在于：所述一级风扇与风扇轮辐以及风扇轴孔加工成一个整体，一级风扇通过风扇轴孔与电机轴之间通过键连接实现固定。
5.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，其特征在于：所述一级导流片的截面为具有弯度的翼型，对旋转的气流进行引导，使之平行于推进器轴向方向。
6.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，其特征在于：在头罩的前端设有头罩进气孔。
7.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，其特征在于：在短舱的内壁以及头罩和尾罩的外壁上均设有具有吸声作用的消音衬垫。
8.根据权利要求7所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，其特征在于：所述消音衬垫从外层到壁面依次为穿孔板、上部蜂窝、声学隔膜和下部蜂窝，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，下部蜂窝的截面形状和上部蜂窝完全一样，但厚度为上部蜂窝1.5到3倍；下部蜂窝通过胶膜固定在壁面上；所述壁面是短舱的内侧表面、头罩与尾罩的外表面。
9.根据权利要求1所述的一种轻质高效低噪声涵道式两级电动风扇推进器，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、尾罩均采用碳纤维复合材料。
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