CN105836141A - 一种混合动力直升机驱动机构及驱动方法 - Google Patents

一种混合动力直升机驱动机构及驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合动力直升机驱动机构，混合动力直升机驱动机构包括燃油箱，发动机，离合器，第一锁定器，行星齿轮机构，所诉离合器和第一锁定器安装在发动机和行星齿轮机构之间，能量储蓄装置，发电机/电动机，第二锁定器，所诉第二锁定器安装在发电机/电动机和行星齿轮机构之间，第二发电机/电动机，转矩耦合器，末端齿轮箱，尾桨子系统，自动倾斜器，旋翼子系统。本发明利用了两个动力源：一个基本动力源和一个辅助动力源，通过两个动力源在驱动直升机时的合理搭配和选择，其目的在于解决传统直升机动力源单一、传动系统复杂、传动装置重量大、机械故障易发等问题，从而提高直升机的安全性和机动性。

Description

一种混合动力直升机驱动机构及驱动方法
技术领域
属于航空飞行器领域，具体涉及一种混合动力直升机的驱动机构。
技术背景
直升机是一种由一个或多个水平旋转的旋翼提供向上升力和推进力而进行飞行的航空器，其突出特点是可以做低空、低速和机头方向不变的机动飞行，使得直升机具有广阔的用途和发展前景，在军用方面可用于对地攻击、后勤支援、战场救护、侦察巡逻、电子对抗等；在民用方面可用于医疗救护、短途运输、紧急营救、空中摄影等。
然而目前传统直升机采用双发动机，虽然采用双发动机来提高了飞行的可靠性，但带来了飞行速度较低，里程短，机械振动大，维护检修工作量大，传动系统复杂、传动装置重量大、机械故障易发，还容易受到地面攻击的缺点，飞行安全性有待提高。
混合动力直升机是由多种能源相结合在一起的航空飞行器，完全不同的动力源可以避免由于单一依靠发动机及机械传动装置可能出现故障而导致的坠机事故，从而大大提高直升机飞行的安全性和可靠性；冗余机械传动装置重量的简省能减少纯机械传动带来的机械故障，并通过辅助动力来提升直升机的飞行速度和快速响应能力，提高了直升机的续驶里程；它的能源系统继承了绿色能源低排放的优点，又发扬了石油燃料高的比能量和比功率的长处，显著改善了传统直升机的排放和燃油经济性。
发明内容
本发明针对目前的几种直升机，如单旋翼带尾桨式，单旋翼无尾桨式，共轴双旋翼式直升机等，提供了混合动力直升机的驱动机构，从而改善了直升机的飞行性能。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种混合动力直升机驱动机构，该机构包括：燃油箱、发动机、离合器、第一锁定器、转速耦合器、第一发电机/电动机、第二锁定器、第二发电机/电动机、转矩耦合器、末端齿轮箱、旋翼子系统、尾桨子系统、能量储蓄装置；所述燃油箱为发动机提供燃油，发动机通过机械传动将动力输出给离合器，离合器再将动力输出给转速耦合器，第一锁定器安装在离合器和转速耦合器之间；转速耦合器分别与第一发电机/电动机和转矩耦合器传动连接，第二锁定器安装在转速耦合器和第一发电机/电动机之间，第一发电机/电动机与能量储蓄装置电连接；转矩耦合器分别与末端齿轮箱和第二发电机/电动机传动连接，所述第二发电机/电动机与能量储蓄装置电连接，末端齿轮箱与旋翼子系统传动连接；所述能量储蓄装置与尾桨子系统电连接。
进一步的，所述尾桨子系统包括：尾桨电动机、尾桨。
进一步的，所述尾桨子系统为电动风机。
进一步的，所述转速耦合器为行星齿轮机构，该行星齿轮机构包括：中心齿轮，行星轮，齿圈，行星齿轮支架，所诉中心齿轮转动轴与发电机/电动机输出轴相连接，所诉齿圈与发动机通过离合器相连接，所诉行星齿轮支架转动轴与转矩耦合器输入轴相连接。
一种混合动力直升机驱动方法，该方法包括：当起飞或者降落时，需要提供大功率输出，此时离合器啮合，第一锁定器和第二锁定器释放，发动机启动并且最终保持运行在最佳燃油状态，同时能量储蓄装置为第一发电机/电动机和第二发电机/电动机提供能量，通过转速耦合和转矩耦合后，最终带动旋翼子系统；能量储蓄装置为尾桨子系统提供能量；
当发动机发生故障或者要进行隐蔽飞行时，发动机关闭，此时离合器分离，第一锁定器固定并且第二锁定器释放，能量储蓄装置同时为第一发电机/电动机和第二发电机/电动机提供能量，带动旋翼子系统；能量储蓄装置为尾桨子系统提供能量；
当处于悬停或者平飞时，发动机工作，离合器啮合，第一锁定器释放并且第二锁定器固定，发动机为第二发电机/电动机和旋翼子系统提供动力，第二发电机/电动机发电存储到能量储蓄装置，能量储蓄装置为尾桨子系统提供能量；
当处于巡航飞行时，离合器啮合，第一锁定器和第二锁定器在静态机身上释放，发动机保持运行在最佳燃油状态，同时为第一发电机/电动机、第二发电机/电动机和旋翼子系统提供动力，第一发电机/电动机和第二发电机/电动机发电存储到能量储蓄装置，能量储蓄装置为尾桨子系统提供能量；
当处于加速飞行时，发动机工作，离合器啮合，第一锁定器释放并且第二锁定器固定，能量储蓄装置为第二发电机/电动机提供能量；发动机与第二发电机/电动机的输出动力经过转矩耦合器为旋翼子系统提供动力，能量储蓄装置为尾桨子系统提供能量；
当处于高空飞行时，发动机工作，离合器啮合，第一锁定器和第二锁定器释放，第一发电机/电动机工作在发电状态，第二电机/电动机工作在电动状态。
具体的说，本发明的能源储蓄装置，当需要提高运转功率时可以为发电机/电动机和第二发电机/电动机提供额外的运转能量共同作用来提高直升机的飞行功率；当发动机提供的能量有余时又能将多余的能量存储在装置中；当发动机不方便运转时还能通过发电机/电动机和第二发电机/电动机单独为直升机提供飞行动力。
所诉的尾桨子系统与能量储蓄装置相连，能量储蓄装置可将能量输入到尾桨子系统中，所诉的旋翼子系统与末端齿轮箱相连，末端齿轮箱可将转矩输入到旋翼子系统中；
尾桨子系统和旋翼子系统对于单旋翼带尾桨式，单旋翼无尾桨式，共轴双旋翼式直升机等又具有不同的传动连接形式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
直升机驱动机构采用了混合动力系统，有效减少纯机械传动所诱发的机械故障，能缓解机械传动的振动冲击，大大提高了飞行安全性和可靠性；由于免去了部分机械传动装置，减轻了直升机的整体重量，可提高直升机的飞行速度，增加续驶里程；混合动力系统还能改善直升机的排放和燃油经济性，降低了污染。
附图说明
图1为本发明的总体驱动机构图
图2为本发明的单旋翼带尾桨式直升机传动结构图
图3为本发明的单旋翼无尾桨式直升机传动结构图
图4为本发明的共轴双旋翼式直升机传动结构图
图5为本发明的行星齿轮机构内部示意图
其中：代表电连接，代表机械连接，代表液体连接
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例进行进一步说明。
请参照图1，在本实施例中，总体驱动机构包括：燃油箱，发动机，离合器，第一锁定器，行星齿轮机构，所诉离合器和第一锁定器安装在发动机和行星齿轮机构之间，能量储蓄装置，发电机/电动机，第二锁定器，所诉第二锁定器安装在发电机/电动机和行星齿轮机构之间，第二发电机/电动机，转矩耦合器，末端齿轮箱，尾桨子系统，自动倾斜器，旋翼子系统；
所诉的行星齿轮机构分别与发电机/电动机和发动机通过机械传动装置相连接，将发电机/电动机和发动机的转速耦合在一起，所述能量储蓄装置分别连接到发电机/电动机和第二发电机/电动机的输入端，所诉转矩耦合器分别与行星齿轮机构和第二发电机/电动机相连接，将行星齿轮机构和第二发电机/电动机的输出转矩耦合在一起，所诉转矩耦合器依次通过末端齿轮箱和自动倾斜器将动力输出到旋翼子系统；
当起飞或者降落时，需要提供大功率输出，此时离合器啮合，第一锁定器和第二锁定器在静态机身上释放，发动机启动并且最终保持运行在最佳燃油状态，同时能量储蓄装置为发电机/电动机(工作模式为电动状态)和第二发电机/电动机提供能量，通过行星齿轮机构的转速耦合和转矩耦合器的转矩耦合后，最终带动旋翼子系统或尾桨子系统转动；
当发动机发生故障或者要进行隐蔽飞行时，发动机关闭，此时离合器分离，第一锁定器在静态机身上固定并且第二锁定器在静态机身上释放，能量储蓄装置同时为发电机/电动机(工作模式为电动状态)和第二发电机/电动机提供能量，最终带动旋翼子系统或尾桨子系统转动；
当处于悬停或者平飞时，此时离合器啮合，第一锁定器在静态机身上释放并且第二锁定器在静态机身上固定，除此之外能量储蓄装置和发电机/电动机之间的电连接断开，发电机/电动机不工作，第二发电机/电动机处于工作运转状态，第二发电机/电动机工作模式为发电状态，发动机一方面带动旋翼子系统或尾桨子系统运转，另一方面带动第二发电机/电动机为能量储蓄装置提供能量。
请参照图2，其特征在于：在总体驱动机构方案的基础上，旋翼子系统包括主旋翼和自动倾斜器，尾桨子系统包括尾桨电动机和尾桨；
尾桨电动机和尾桨位于机尾，尾桨电动机与能量储蓄装置相连接，能量储蓄装置能提供足够的能量给尾桨电动机，最后尾桨电动机带动尾桨转动，在本例的一个实施方案中，尾桨的传动采用电连接替代了传统的机械连接，降低了纯机械传动的故障，减轻了直升机的重量。
请参照图3，其特征在于：在总体传动方案的基础上，旋翼子系统包括主旋翼和自动倾斜器，尾桨子系统包括电动风机；
电动风机在机身内位于末端齿轮箱后面，由能量储蓄装置带动其转动并向机尾吹气，风机叶片的角度可调，从机身到机尾的一段是空的，前端有进气口，尾翼后端侧方有一排气口，在本例的一个实施方案中，直升机飞行时噪音能大大减少，比带尾桨装置传动结构要简单得多，直升机重量也能得到更多减轻。
请参照图4，其特征在于：在总体传动方案的基础上，旋翼子系统包括上旋翼，上自动倾斜器，下旋翼和下自动倾斜器；
上下旋翼的外轴1和内轴是2通过末端齿轮箱内的圆锥齿轮传动机构实现换向运动的，末端齿轮箱既是动力传递减速装置又是上下旋翼的换向装置；
上旋翼与内轴2相连，中间设有上自动倾斜器，下旋翼与外轴1相连，中间设有下自动倾斜器，上下倾斜器之间含有机械传动的连接，内轴2穿过与下旋翼连接的外轴1，在与外轴1的交汇处通过轴承隔开，内轴2在下端与下锥齿轮连接并由末端齿轮箱壳体支撑，外轴1在下端与上锥齿轮与末端齿轮箱壳体连接，在本例的一个实施方案中，由于采用两副旋翼使得旋翼半径得到了减小，由于不需要尾桨其机体总的纵向尺寸得到了减小，此外还能消除存在的尾桨时的故障隐患和在飞行中因尾梁的振动和变形引起的尾桨传动机构的故障隐患，从而提高了直升机的生存率。
请参照图5，本发明的行星齿轮机构，包括：中心齿轮3，行星轮4，齿圈5，行星齿轮支架6，所诉中心齿轮转动轴与发电机/电动机输出轴相连接，所诉齿圈与发动机通过离合器相连接，所诉行星齿轮支架转动轴与转矩耦合器输入轴相连接。
上述几个实施方式只是对本设计思路的简单框图和文字描述，而不是对发明设计思路的限制，任何不超出本专利思路的系统装置和运行模式的组合，增加或修改，尤其是本混合动力的驱动方式，均落入本专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种混合动力直升机驱动机构，该机构包括：燃油箱、发动机、离合器、第一锁定器、转速耦合器、第一发电机/电动机、第二锁定器、第二发电机/电动机、转矩耦合器、末端齿轮箱、旋翼子系统、尾桨子系统、能量储蓄装置；所述燃油箱为发动机提供燃油，发动机通过机械传动将动力输出给离合器，离合器再将动力输出给转速耦合器，第一锁定器安装在离合器和转速耦合器之间；转速耦合器分别与第一发电机/电动机和转矩耦合器传动连接，第二锁定器安装在转速耦合器和第一发电机/电动机之间，第一发电机/电动机与能量储蓄装置电连接；转矩耦合器分别与末端齿轮箱和第二发电机/电动机传动连接，所述第二发电机/电动机与能量储蓄装置电连接，末端齿轮箱与旋翼子系统传动连接；所述能量储蓄装置与尾桨子系统电连接。
2.如权利要求1所述的一种混合动力直升机驱动机构，其特征在于所述尾桨子系统包括：尾桨电动机、尾桨。
3.如权利要求1所述的一种混合动力直升机驱动机构，其特征在于所述尾桨子系统为电动风机。
4.如权利要求1所述的一种混合动力直升机驱动机构，其特征在于所述转速耦合器为行星齿轮机构，该行星齿轮机构包括：中心齿轮，行星轮，齿圈，行星齿轮支架，所诉中心齿轮转动轴与发电机/电动机输出轴相连接，所诉齿圈与发动机通过离合器相连接，所诉行星齿轮支架转动轴与转矩耦合器输入轴相连接。
5.一种混合动力直升机驱动方法，该方法包括：当起飞或者降落时，需要提供大功率输出，此时离合器啮合，第一锁定器和第二锁定器释放，发动机启动并且最终保持运行在最佳燃油状态，同时能量储蓄装置为第一发电机/电动机和第二发电机/电动机提供能量，通过转速耦合和转矩耦合后，最终带动旋翼子系统；能量储蓄装置为尾桨子系统提供能量；
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