CN107642434B - 一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其主要包括动力输出调整模块和无磁无轴式涵道风扇模块两大部分，特点在于采用无磁无轴式的扇叶，可以避免中心轴的使用，减少中心轴及其附件的安装，释放安装空间，还能增加轴向投影面积，提高动力，减少噪音；采用机械与液压混合控制的扇叶攻角可调机构，能够实现扇叶在高速转动时正反向自动调整，而且具有自锁效果，满足不同情况的使用要求。

Description

一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机

技术领域

本发明提供一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，属于无轴式涵道风扇发动机设计领域。

背景技术

涵道风扇发动机的应用及其广泛，包括小型涵道式无人机、高速航模和船模及其他需要空气动力推进的领域，其有着高速，动力强劲其结构较简单的特点，可以使用电机或燃油机为动力源，但是也有着制造复杂，动平衡要求高的缺点。

在现有的涵道风扇发动机，几乎全部都是有中心轴式的涵道风扇，采用中心轴的一般都要求叶轮整体制造，而且对中心轴的驱动必然在中心区域设置复杂变速机构或直连机构，会占用叶片的有效投影面积，使得动力收到限制，尤其是再对叶片做变攻角控制，更加占用中心区域和有效投影面积；所以现在需要设计一种无轴式涵道风扇发动，将全部的调整及驱动部分设置在涵道的外侧，最大限度的利用叶片有效的投影面积。

目前采用无轴式涵道风扇多数是采用磁场式的定子与转子的模式，这样需要通入高频的电流和制造磁场，电转换为磁必定会大量生热，使得能量利用率降低，而且在叶片内部绕缠线圈也很难，一方面难以在有限的叶片空间内部绕缠足够的线圈，同时也难以保证绕缠后的动平衡，所以采用磁场式的驱动模式现在看来还有很大的技术难处。

发明内容

针对上述问题，本发明设置了一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特点在于无磁场驱动，无中心轴，而且扇叶攻角可调。

为实现上述特点，本发明的内容为：一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，包括前涵道、滚动大轴承、大齿圈、丝杠驱动小齿轮、丝杠支撑轴承、螺纹丝杠、丝杠螺母、拉伸架、大皮带轮、拉紧螺栓组、后涵道、后端推压轴承、扇叶安装架、前端推压轴承、大皮带轮固定螺栓、伺服电机、伺服电机驱动齿轮、传动皮带、小皮带轮、平衡套、电机安装支架、高速驱动电机、扇叶、滚球、弹簧、液压活塞、液压缸、前端液压连通管、旋转液压片、转轴、后端液压连通管、前端液压接口、液压球头罩、后端液压接口。

所述的滚动大轴承内圈固定卡装在前涵道的外环面的对应位置上，大齿圈固定卡装在滚动大轴承的外圈上，两个丝杠支撑轴承的外圈固定卡装在前涵道的丝杠轴承座中，螺纹丝杠固定卡装在两个丝杠支撑轴承的内圈中，丝杠驱动小齿轮固定安装在螺纹丝杠的前端轴头上，并调整其位置，使其与大齿圈相啮合；大皮带轮通过大皮带轮固定螺栓与扇叶安装架固定连接，在大皮带轮的后端的卡座中固定卡装后端推压轴承的前圈，后端推压轴承的后圈固定卡装在后涵道的卡座中，扇叶安装架的前端卡座中固定卡装前端推压轴承的后圈，前端推压轴承的前圈固定卡装在前涵道的卡座中，拉紧螺栓组穿装在前涵道和后涵道的对应的螺栓孔中，通过拉紧螺栓组将前涵道和后涵道拉紧固定；拉伸架滑动安装在拉紧螺栓组的中部光滑螺杆段，丝杠螺母固定安装在拉伸架的螺母孔中，并调整其与螺纹丝杠的关系，确保二者构成螺纹配合；伺服电机固定安装在前涵道的外环面上，在伺服电机的输出轴上固定安装有一个伺服电机驱动齿轮，调整伺服电机的安装位置，使伺服电机驱动齿轮与大齿圈保持啮合。

高速驱动电机固定安装在电机安装支架上，电机安装支架固定安装在后涵道的外环壁上，高速驱动电机的输出轴上固定安装有平衡套，平衡套上再固定安装有一小皮带轮，小皮带轮与大皮带轮之间绕缠两条传动皮带；扇叶的外侧固定安装有转轴，转轴转动安装在扇叶安装架的对应转轴孔中，在转轴上固定卡装有旋转液压片，液压球头罩固定卡装在扇叶安装架的对应孔座中，并保持扣合在旋转液压片上，确保旋转液压片能在液压球头罩的内部做旋转动作，液压球头罩上设有四个管口，其中两个用连通管接通，另外两个分别为前端液压接口和后端液压接口，在扇叶安装架的两组支管架上固定卡装有前端液压连通管和后端液压连通管，前端液压接口与前端液压连通管接通，后端液压接口与后端液压连通管接通；液压活塞滑装在液压缸的支架孔内，并插入液压缸的活塞孔中，弹簧卡装在液压缸的支架和液压活塞的轴头轴肩之间，使液压活塞在弹簧力的作用下处于外伸状态，在液压活塞的轴头的球孔座中滚动安装有一滚球，其中滚球、弹簧、液压活塞及液压缸按上述安装特征组合，为一组液压控制组；将此液压控制组通过液压缸固定安装在扇叶安装架上。

进一步的，为实现液压控制扇叶扭转的需要，所述的由滚球、弹簧、液压活塞及液压缸组成的液压控制组设置有八组，其中四组与前端液压连通管连通，均匀布置在前端液压连通管与前涵道之间的扇叶安装架的外环面上，四组中的滚球滚切于拉伸架的一侧内环面；另外四组与后端液压连通管连通，均匀布置后端液压连通管与后涵道之间的扇叶安装架的外环面上，此四组中滚球滚切与拉伸架的另一侧的内环面上，最后保证拉伸架在拉紧螺栓组前后滑动时，配合弹簧能实现对每组中的液压活塞的压入或拔出。

进一步的，为实现对拉伸机的平稳控制，防止卡死，所述的伺服电机和伺服电机驱动齿轮按照前述的两者之间安装特征设置有一组；丝杠驱动小齿轮、丝杠支撑轴承、螺纹丝杠和丝杠螺母按照前述的相互之间的安装关系均匀的设置有三组；扇叶最优的设置有十组。

进一步的，为实现大皮带轮的两侧均匀受力，所述的小皮带轮、平衡套、电机安装支架和高速驱动电机按照前述的安装关系设置有对称的两组；小皮带轮与大皮带轮均为四个皮带槽；其中一组的小皮带轮与大皮带轮之间的传动皮带使用最两侧的两个皮带槽，另一组的小皮带轮与大皮带轮之间的传动皮带使用最内侧的两个皮带槽。

进一步的，为实现轴承承受推力和压力的使用需要，所述的后端推压轴承由推压轴承前圈、滚动体和推压轴承后圈组成，其中推压轴承前圈的两个滚动体的滚滑侧面与水平面夹角为45度；前端推压轴承与后端推压轴承结构相似。

进一步的，为实现液压控制的需要，液压球头罩内部设置有两片液压隔板。

进一步的，为实现平衡高速两侧驱动电机的需要，平衡套由平衡套内圈、平衡套外圈和高刚度弹簧组成，其中平衡套内圈与平衡套外圈同轴线套装，若干个高刚度弹簧卡装在平衡套内圈和平衡套外圈之间的齿板之间。

本发明上述发明内容，具有以下优点：没有采用磁场驱动，不必考虑发热和线圈绕缠问题，对扇叶的动平衡更容易保证；没有中心轴，可以最大程度的利用扇叶的有效投影面积，没有中心区域驱动机构的设计；采用螺纹丝杠螺母配合液压控制的扇叶攻角调整机构，一方面能在扇叶高速转动时完成调整，调整与高速运行不相互影响，而且液压机构的设置具有稳定的控制自锁功能，不会对伺服电机造成过扭伤害，对伺服电机的转速和扭矩也要求不高。

附图说明

图1为本发明的三维结构剖切示意图。

图2为本发明的三维结构爆炸示意图。

图3为本发明的液压控制部分的局部放大示意图。

图4为本发明的后端推压轴承12的三维结构示意图。

图5为本发明的平衡套20的三维结构示意图。

图6为本发明的液压球头罩33的内部结构示意图。

附图标号：1-前涵道；2-滚动大轴承；3-大齿圈；4-丝杠驱动小齿轮；5-丝杠支撑轴承；6-螺纹丝杠；7-丝杠螺母；8-拉伸架；9-大皮带轮；10-拉紧螺栓组；11-后涵道；12-后端推压轴承；13-扇叶安装架；14-前端推压轴承；15-大皮带轮固定螺栓；16-伺服电机；17-伺服电机驱动齿轮；18-传动皮带；19-小皮带轮；20-平衡套；21-电机安装支架；22-高速驱动电机；23-扇叶；24-滚球；25-弹簧；26-液压活塞；27-液压缸；28-前端液压连通管；29-旋转液压片；30-转轴；31-后端液压连通管；32-前端液压接口；33-液压球头罩；34-后端液压接口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-6所示，一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，包括前涵道1、滚动大轴承2、大齿圈3、丝杠驱动小齿轮4、丝杠支撑轴承5、螺纹丝杠6、丝杠螺母7、拉伸架8、大皮带轮9、拉紧螺栓组10、后涵道11、后端推压轴承12、扇叶安装架13、前端推压轴承14、大皮带轮固定螺栓15、伺服电机16、伺服电机驱动齿轮17、传动皮带18、小皮带轮19、平衡套20、电机安装支架21、高速驱动电机22、扇叶23、滚球24、弹簧25、液压活塞26、液压缸27、前端液压连通管28、旋转液压片29、转轴30、后端液压连通管31、前端液压接口32、液压球头罩33、后端液压接口34。

滚动大轴承2内圈固定卡装在前涵道1的外环面的对应位置上，大齿圈3固定卡装在滚动大轴承2的外圈上，两个丝杠支撑轴承5的外圈固定卡装在前涵道1的丝杠轴承座中，螺纹丝杠6固定卡装在两个丝杠支撑轴承5的内圈中，丝杠驱动小齿轮4固定安装在螺纹丝杠6的前端轴头上，并调整其位置，使其与大齿圈3相啮合。大皮带轮9通过大皮带轮固定螺栓15与扇叶安装架13固定连接，在大皮带轮9的后端的卡座中固定卡装后端推压轴承12的前圈，后端推压轴承12的后圈固定卡装在后涵道11的卡座中，扇叶安装架13的前端卡座中固定卡装前端推压轴承14的后圈，前端推压轴承14的前圈固定卡装在前涵道1的卡座中，拉紧螺栓组10穿装在前涵道1和后涵道11的对应的螺栓孔中，通过拉紧螺栓组10将前涵道1和后涵道11拉紧固定。拉伸架8滑动安装在拉紧螺栓组10的中部光滑螺杆段，丝杠螺母7固定安装在拉伸架8的螺母孔中，并调整其与螺纹丝杠6的关系，确保二者构成螺纹配合。伺服电机16固定安装在前涵道1的外环面上，在伺服电机16的输出轴上固定安装有一个伺服电机驱动齿轮17，调整伺服电机16的安装位置，使伺服电机驱动齿轮17与大齿圈3保持啮合。

高速驱动电机22固定安装在电机安装支架21上，电机安装支架21固定安装在后涵道11的外环壁上，高速驱动电机22的输出轴上固定安装有平衡套20，平衡套20上再固定安装有一小皮带轮19，小皮带轮19与大皮带轮9之间绕缠两条传动皮带18。扇叶23的外侧固定安装有转轴30，转轴30转动安装在扇叶安装架13的对应转轴孔中，在转轴30上固定卡装有旋转液压片29，液压球头罩33固定卡装在扇叶安装架13的对应孔座中，并保持扣合在旋转液压片29上，确保旋转液压片29能在液压球头罩33的内部做旋转动作，液压球头罩33上设有四个管口，其中两个用连通管接通，另外两个分别为前端液压接口32和后端液压接口34，在扇叶安装架13的两组支管架上固定卡装有前端液压连通管28和后端液压连通管31，前端液压接口32与前端液压连通管28接通，后端液压接口34与后端液压连通管31接通。液压活塞26滑装在液压缸27的支架孔内，并插入液压缸27的活塞孔中，弹簧25卡装在液压缸27的支架和液压活塞26的轴头轴肩之间，使液压活塞26在弹簧力的作用下处于外伸状态，在液压活塞26的轴头的球孔座中滚动安装有一滚球24，其中滚球24、弹簧25、液压活塞26及液压缸27按上述安装特征组合，为一组液压控制组。将此液压控制组通过液压缸27固定安装在扇叶安装架13上。

为实现液压控制扇叶23扭转的需要，由滚球24、弹簧25、液压活塞26及液压缸27组成的液压控制组设置有八组，其中四组与前端液压连通管28连通，均匀布置在前端液压连通管28与前涵道1之间的扇叶安装架13的外环面上，四组中的滚球24滚切于拉伸架8的一侧内环面。另外四组与后端液压连通管31连通，均匀布置后端液压连通管31与后涵道11之间的扇叶安装架13的外环面上，此四组中滚球24滚切与拉伸架8的另一侧的内环面上，最后保证拉伸架8在拉紧螺栓组10前后滑动时，配合弹簧25能实现对每组中的液压活塞26的压入或拔出。

为实现对拉伸机7的平稳控制，防止卡死，伺服电机16和伺服电机驱动齿轮17按照前述的两者之间安装特征设置有一组。丝杠驱动小齿轮4、丝杠支撑轴承5、螺纹丝杠6和丝杠螺母7按照前述的相互之间的安装关系均匀的设置有三组。扇叶23最优的设置有十组。

为实现大皮带轮9的两侧均匀受力，小皮带轮19、平衡套20、电机安装支架21和高速驱动电机22按照前述的安装关系设置有对称的两组。小皮带轮19与大皮带轮9均为四个皮带槽。其中一组的小皮带轮19与大皮带轮9之间的传动皮带18使用最两侧的两个皮带槽，另一组的小皮带轮19与大皮带轮9之间的传动皮带18使用最内侧的两个皮带槽。

为实现轴承承受推力和压力的使用需要，后端推压轴承12由推压轴承前圈1201、滚动体1202和推压轴承后圈1203组成，其中推压轴承前圈1201的两个滚动体1202的滚滑侧面与水平面夹角为45度。前端推压轴承14与后端推压轴承12结构相似。

为实现液压控制的需要，液压球头罩33内部设置有两片液压隔板3301。

为实现平衡高速两侧驱动电机22的需要，平衡套20由平衡套内圈2001、平衡套外圈2002和高刚度弹簧2003组成，其中平衡套内圈2001与平衡套外圈2002同轴线套装，若干个高刚度弹簧2003卡装在平衡套内圈2001和平衡套外圈2002之间的齿板之间。

本发明的具体实施技术路线为：将此涵道发动机固定在需要的设备上，然后启动两个高速驱动电机22，两个高速驱动电机22电动两个平衡套20和小皮带轮19及传动皮带同时驱动大皮带轮9，通过平衡套20内部的高刚度弹簧2003可以实现两个输入端输入相差无几，并且对称设置的两组驱动组可以使大皮带轮9受力平衡，避免向一侧偏斜，进而通过大皮带轮固定螺栓15带动扇叶安装架13高速转动，驱动扇叶23高速运转；在扇叶23高速运转时，需要调节扇叶23攻角时，启动伺服电机16，伺服电机16通过伺服电机驱动齿轮17驱动大齿圈3慢速旋转，继而带动三组丝杠驱动小齿轮4运转，继续带动螺纹丝杠6驱动丝杠螺母7向前或向后运动，最后带动拉伸架8在拉紧螺栓组10向前或向后滑动，拉伸架8两个内环面与滚球24滚切接触，在不影响滚球24绕涵道中心线公转的同时，配合弹簧25，可以实现两侧液压活塞26向前或向后运动。为了更好说明，不妨假设此时液压活塞26向前运动，从而确定的是对后端液压连通管31内进行加压，对前端液压连通管28内进行泄压，进而推动旋转液压片29逆时针转动，实现扇叶23的攻角改变，实现有效投影面积的调整，最终实现对动力的调整。

Claims (7)

1.一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，包括前涵道（1）、滚动大轴承（2）、大齿圈（3）、丝杠驱动小齿轮（4）、丝杠支撑轴承5、螺纹丝杠（6）、丝杠螺母（7）、拉伸架（8）、大皮带轮（9）、拉紧螺栓组101、后涵道（11）、后端推压轴承（12）、扇叶安装架（13）、前端推压轴承（14）、大皮带轮固定螺栓（15）、伺服电机（16）、伺服电机驱动齿轮（17）、传动皮带（18）、小皮带轮（19）、平衡套（20）、电机安装支架（21）、高速驱动电机（22）、扇叶（23）、滚球（24）、弹簧（25）、液压活塞（26）、液压缸（27）、前端液压连通管（28）、旋转液压片（29）、转轴（30）、后端液压连通管（31）、前端液压接口（32）、液压球头罩（33）、后端液压接口（34），其特征在于：

所述的滚动大轴承（2）内圈固定卡装在前涵道（1）的外环面的对应位置上，大齿圈（3）固定卡装在滚动大轴承（2）的外圈上，两个丝杠支撑轴承（5）的外圈固定卡装在前涵道（1）的丝杠轴承座中，螺纹丝杠（6）固定卡装在两个丝杠支撑轴承（5）的内圈中，丝杠驱动小齿轮（4）固定安装在螺纹丝杠（6）的前端轴头上，并调整其位置，使其与大齿圈（3）相啮合；大皮带轮（9）通过大皮带轮固定螺栓（15）与扇叶安装架（13）固定连接，在大皮带轮（9）的后端的卡座中固定卡装后端推压轴承（12）的前圈，后端推压轴承（12）的后圈固定卡装在后涵道（11）的卡座中，扇叶安装架（13）的前端卡座中固定卡装前端推压轴承（14）的后圈，前端推压轴承（14）的前圈固定卡装在前涵道（1）的卡座中，拉紧螺栓组（10）穿装在前涵道（1）和后涵道（11）的对应的螺栓孔中，通过拉紧螺栓组（10）将前涵道（1）和后涵道（11）拉紧固定；拉伸架（8）滑动安装在拉紧螺栓组（10）的中部光滑螺杆段，丝杠螺母（7）固定安装在拉伸架（8）的螺母孔中，并调整其与螺纹丝杠（6）的关系，确保二者构成螺纹配合；伺服电机（16）固定安装在前涵道（1）的外环面上，在伺服电机（16）的输出轴上固定安装有一个伺服电机驱动齿轮（17），调整伺服电机（16）的安装位置，使伺服电机驱动齿轮（17）与大齿圈（3）保持啮合；

高速驱动电机（22）固定安装在电机安装支架（21）上，电机安装支架（21）固定安装在后涵道（11）的外环壁上，高速驱动电机（22）的输出轴上固定安装有平衡套（20），平衡套（20）上再固定安装有一小皮带轮（19），小皮带轮（19）与大皮带轮（9）之间绕缠两条传动皮带（18）；扇叶（23）的外侧固定安装有转轴（30），转轴（30）转动安装在扇叶安装架（13）的对应转轴孔中，在转轴（30）上固定卡装有旋转液压片（29），液压球头罩（33）固定卡装在扇叶安装架（13）的对应孔座中，并保持扣合在旋转液压片（29）上，确保旋转液压片（29）能在液压球头罩（33）的内部做旋转动作，液压球头罩（33）上设有四个管口，其中两个用连通管接通，另外两个分别为前端液压接口（32）和后端液压接口（34），在扇叶安装架（13）的两组支管架上固定卡装有前端液压连通管（28）和后端液压连通管（31），前端液压接口（32）与前端液压连通管（28）接通，后端液压接口（34）与后端液压连通管（31）接通；液压活塞（26）滑装在液压缸（27）的支架孔内，并插入液压缸（27）的活塞孔中，弹簧（25）卡装在液压缸（27）的支架和液压活塞（26）的轴头轴肩之间，使液压活塞（26）在弹簧力的作用下处于外伸状态，在液压活塞（26）的轴头的球孔座中滚动安装有一滚球（24），其中滚球（24）、弹簧（25）、液压活塞（26）及液压缸（27）组合为一组液压控制组；将此液压控制组通过液压缸（27）固定安装在扇叶安装架（13）上。

2.如权利要求1所述的一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特征在于：由滚球（24）、弹簧（25）、液压活塞（26）及液压缸（27）组成的液压控制组设置有八组，其中四组与前端液压连通管（28）连通，均匀布置在前端液压连通管（28）与前涵道（1）之间的扇叶安装架（13）的外环面上，四组中的滚球（24）滚切于拉伸架（8）的一侧内环面；另外四组与后端液压连通管（31）连通，均匀布置后端液压连通管（31）与后涵道（11）之间的扇叶安装架（13）的外环面上，此四组中滚球（24）滚切与拉伸架（8）的另一侧的内环面上，最后保证拉伸架（8）在拉紧螺栓组（10）前后滑动时，配合弹簧（25）能实现对每组中的液压活塞（26）的压入或拔出。

3.如权利要求1所述的一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特征在于：所述的伺服电机（16）和伺服电机驱动齿轮（17）按照两者之间安装特征设置有一组；丝杠驱动小齿轮（4）、丝杠支撑轴承（5）、螺纹丝杠（6）和丝杠螺母（7）按照相互之间的安装关系均匀的设置有三组；扇叶（23）最优的设置有十组。

4.如权利要求1所述的一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特征在于：所述的小皮带轮（19）、平衡套（20）、电机安装支架（21）和高速驱动电机（22）按照安装关系设置有对称的两组；小皮带轮（19）与大皮带轮（9）均为四个皮带槽；其中一组的小皮带轮（19）与大皮带轮（9）之间的传动皮带（18）使用最两侧的两个皮带槽，另一组的小皮带轮（19）与大皮带轮（9）之间的传动皮带（18）使用最内侧的两个皮带槽。

5.如权利要求1所述的一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特征在于：所述的后端推压轴承（12）由推压轴承前圈（1201）、滚动体（1202）和推压轴承后圈（1203）组成，其中推压轴承前圈（1201）的两个滚动体（1202）的滚滑侧面与水平面夹角为45度；前端推压轴承（14）与后端推压轴承（12）结构相似。

6.如权利要求1所述的一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特征在于：所述的液压球头罩（33）内部设置有两片液压隔板（3301）。

7.如权利要求1或4中的一种动力可调式无磁无轴式涵道风扇发动机，其特征在于：所述的平衡套（20）由平衡套内圈（2001）、平衡套外圈（2002）和高刚度弹簧（2003）组成，其中平衡套内圈（2001）与平衡套外圈（2002）同轴线套装，若干个高刚度弹簧（2003）卡装在平衡套内圈（2001）和平衡套外圈（2002）之间的齿板之间。