CN112173079A - 电动变桨式涡轮螺旋桨发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动变桨式涡轮螺旋桨发动机。包括螺旋桨，螺旋桨包括外壳、桨叶和变桨机构，各桨叶转动装配在外壳上，桨叶包括转盘、叶片和偏心拨杆，叶片和转盘同轴，外壳内在各个转盘之间构成多边形安装腔，变桨机构包括电机、减速器、联轴器和丝杠，变桨机构还包括拨动盘，拨动盘通过丝杠螺母安装在丝杠上，丝杠转动装配在外壳上，拨动盘通过止转面与多边形安装腔的腔壁周向止转配合、轴向滑动配合，拨动盘随丝杠的旋转而沿丝杠轴向移动，拨动盘与各偏心拨杆一一对应设置有U形槽，各偏心拨杆插装在对应U形槽内，拨动盘沿丝杠轴向移动时通过U形槽推动偏心拨销沿转盘的轴线旋转。具有可快速响应以改变桨叶角、安全稳定、体积小巧的优点。

Description

电动变桨式涡轮螺旋桨发动机

技术领域

本发明涉及电动变桨式涡轮螺旋桨发动机。

背景技术

涡轮发动机(Turbine engine，或常简称为Turbine)是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是内燃机的一种。常用作飞机与大型的船舶或车辆的发动机。

根据燃油经济、实际用途不同分成三种结构：涡喷发动机、涡扇发动机和涡桨发动机。

涡轮喷气发动机，简称涡喷发动机，是把燃烧后的气体直接喷出去，靠着喷出气流的推力提供动能。优点是高速性特别好，缺点是燃油经济性差。涡喷发动机主要应用于一般的战斗机、轰炸机、无人机等。

涡轮风扇发动机，简称涡扇发动机，为了提高热传递效率，涡扇发动机不直接把气体排出，而是通过内涵道推动风扇转动，风扇转动产生的气体推动飞机飞行。优点是省油，缺点是速度没有涡喷快。涡扇发动机主要应用于民航飞机，如波音747、737等和空客A380等民用飞机。

涡轮螺旋桨发动机，简称涡桨发动机，为了更好提高热效率，工程师就必须再加大风扇直径，风扇直径大到飞机发动机内放不下，没办法再把风扇放外面，这样就形成了涡桨发动。也可以说涡桨发动机就是大涵道比的涡扇发动机。只是发动机转速太高必须有个齿轮箱来减速，这样才能让大风扇转速降下来，让风扇的风力带动飞机飞行。优点是省油、维修简单，缺点是飞行速度会更慢。涡桨发动机主要应用于军用运输机，如：C-130大力神运输机、安-22运输机等。

在涡桨发动机工作过程中，为了维持螺旋桨的需用扭矩和发动机输出扭矩之间的平衡，需要通过转速测量机构监测转速偏离信号，输出给螺旋桨变距机构不断改变桨叶角，从而使发动机工作转速恒定。传统的涡桨发动机桨叶角都是采用液压机构来进行调节，存在以下问题：

(1)因作动性能不足和负载惯性较大不能迅速改变桨叶角、匹配维持螺旋桨的需用扭矩，严重影响了螺旋桨飞机的加减速性能；

(2)由于要长时间给高速运转的螺旋桨提供高压液压油，用来进行动密封的密封圈容易发生失效漏油，造成螺旋桨无法实现变距的风险；

(3)高速动密封无法提供较高的液压压力，为了达到需要的变距力，使得液压变距机构体积非常庞大。

因此，亟需一种可迅速改变桨叶角、避免密封失效而导致无法变桨、体积小巧、安全稳定的新技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种可快速响应以改变桨叶角、安全稳定、体积小巧的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机。

为实现上述目的，本发明的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机采用如下的技术方案：电动变桨式涡轮螺旋桨发动机包括燃气涡轮发动机、减速装置和螺旋桨，所述螺旋桨包括外壳、桨叶和变桨机构，各个桨叶呈辐射状转动装配在外壳上，桨叶包括一体设置的转盘、叶片和偏心拨杆，叶片和转盘同轴设置，偏心拨杆在转盘的远离叶片的一侧偏心设置，转盘和偏心拨杆位于外壳内、叶片位于外壳外，外壳内在各个所述转盘之间构成多边形安装腔，变桨机构包括依次传动连接的电机、减速器、联轴器和丝杠，变桨机构还包括拨动盘，拨动盘通过丝杠螺母安装在丝杠上，丝杠转动装配在外壳上，拨动盘位于所述多边形安装腔内，拨动盘外周设有止转面，拨动盘通过止转面与多边形安装腔的腔壁周向止转配合、轴向滑动配合，拨动盘随丝杠的旋转而沿丝杠轴向移动，拨动盘对应于各个所述偏心拨杆一一对应设置有U形槽，各个偏心拨杆插装在对应的U形槽内，拨动盘沿丝杠轴向移动时通过U形槽的槽壁推动偏心拨销沿转盘的轴线旋转以带动桨叶旋转。

本方案的有益效果：本发明的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机在使用时，变桨的动作由机械机构代替传统液压机构方式，电机通过减速后经过联轴器带动丝杠动作，丝杠上的拨动盘依靠丝杠螺母与丝杠的配合、加上外壳的多边形安装腔与拨动盘的止转面的配合，从而实现了拨动盘的直线往复运动，由于拨动盘的特殊结构设计，拨动盘的直线往复运动带动各个U形槽内的拨杆随之运动，拨杆运动从而带动对应的桨叶依靠其转盘在外壳上旋转，实现了桨叶角度的调节，且在运动过程中，拨杆具有轴线方向的运动和垂直轴线方向的分运动，垂直轴线方向的分运动可依靠U形槽的结构在U形槽内补偿。可见，相对于现有技术，由于不采用液压机构，因此不涉及密封的问题，解决了现有高压油密封圈易失效漏油、污染环境、造成无法变桨的安全事故等问题；同样地，不采用液压机构，而是机械传动，变桨机构体积小巧、系统零部件少、结构比现有技术更简单，维修更换的概率降低，不易损坏，降低了相关成本；更重要的是，电机带动丝杠及拨叉的机构，电机的动作被立即传递至后面的执行部件，实现实时调整和迅速调整桨叶角度的目的，具有高效响应的优点，相对于现有液压机构，不存在因传动介质的动力传递时间而导致的变桨延迟问题，显著提高了飞机的加减速性能。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述拨动盘包括盘体，所述丝杠螺母安装在盘体中心处，盘体周向呈辐射状向外延伸有多个拨叉，拨叉包括两块沿盘体厚度方向间隔设置的拨板，两拨板之间构成所述U形槽，拨板的远离盘体的一端端面构成所述止转面，拨板的宽度大于偏心拨杆的直径。

本方案的有益效果：拨动盘的特殊结构设计，一方面与外壳的多边形安装腔可以进行有效的周向止转配合，另一方面与丝杠配合实现了轴向的往复运动，更关键的是，其上集成了多个拨叉结构，可同步调整各个桨叶的角度，提升了变桨效率和各个桨叶角度的统一性。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述拨板的宽度大于偏心拨杆的旋转半径。

本方案的有益效果：这样设置的目的是确保拨杆在垂直轴线的分运动时能够时刻处于两拨板之间。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述转盘的纵截面为“T”形，所述外壳上对应设置纵截面为“T”形的转动槽，所述转盘呈大径端朝向外壳内、小径端朝向外壳外的方式设置。

本方案的有益效果：此结构使得转盘能够将受到的离心力转移至外壳上，无需另外设置限位机构对桨叶进行限位，结构简单。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述外壳包括相互对接的两部分，各个转盘的轴线位于外壳的两部分的对接面上。

本方案的有益效果：由于转盘的T形结构，外壳设置为相对对接的两部分确保了转盘的安装拆卸更方便。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述电机有两个，两个电机的输出端对称安装有驱动齿轮，两个驱动齿轮之间设有从动齿轮，从动齿轮与两个驱动齿轮同时啮合传动，驱动齿轮的直径小于从动齿轮直径以实现第一级减速传动。

本方案的有益效果：一方面，双电机互为备份，任何一个电机损坏，另一个电机依然能够继续完成变桨动作，确保了安全；另一方面，双电机为同时参与传动，且传动同步，因此可以降低单个电机的负载，并且可以满足大扭力交变负荷的需求，而且单个电机负载降低可显著提升电机使用寿命；另外，采用从动齿轮同步啮合两驱动齿轮的方式，简单的结构即可实现同步传动的目的，同时，利用驱动齿轮直径小于从动齿轮直径的特点可实现第一级减速传动。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述减速器包括行星轮，行星轮的太阳轮与所述从动齿轮传动连接，行星轮的齿圈与所述丝杠传动连接，可实现第二级减速传动。

本方案的有益效果：采用行星轮作为第二级大速比减速传动，具有尺寸小、减速效率高、动力损失小的特点。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述外壳于远离电机的一端连接主轴，主轴具有中心孔，螺旋桨的电源线及信号线从中心孔中穿过，主轴上还安装有电刷滑环，电源线及信号线的一端与电刷滑环电连接。

本方案的有益效果：通过带通讯线路的高性能电刷滑环(一般选择可靠性较高的有刷电刷滑环)，从主轴的中心孔将电及信号线接入螺旋桨端，有效解决了旋转的搅拌桨的电力和通讯传输问题。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，电机的功率为150W。本方案验证时，使用150W的电机，通过减速齿轮及减速箱，实现了3吨以上的变距推拉力，远远高于同等规格螺旋桨的液压机构小于1吨的变距推拉力，能实现各种工况下的变距力要求。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，电动变桨式涡轮螺旋桨发动机还包括支撑座，所述主轴通过轴承转动装配在支撑座上，电刷滑环的滑环固定在主轴上、电刷相对于支撑座固定，电刷与滑环滑动配合。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述减速器的外部设有减速器壳体，所述联轴器外部设有联轴器壳体，所述电机外部设有电机安装壳体，电机安装壳体、减速器壳体、联轴器壳体及所述外壳依次可拆连接以进行防护。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述丝杠选用滚珠丝杠或梯形丝杠。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述电机有三个，三个电机的输出端分别安装有驱动齿轮，三个驱动齿轮之间设有从动齿轮，从动齿轮与三个驱动齿轮同时啮合传动，三个驱动齿轮沿从动齿轮的周向均匀布置，驱动齿轮的直径小于从动齿轮直径以实现第一级减速传动。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述减速器包括行星轮，行星轮的太阳轮与所述从动齿轮传动连接，行星轮的齿圈与所述丝杠传动连接，可实现第二级减速传动。

在上述方案的基础上，进一步改进如下，所述减速器的外部设有减速器壳体，所述联轴器外部设有联轴器壳体，所述电机外部设有电机安装壳体，电机安装壳体、减速器壳体、联轴器壳体及所述外壳依次可拆连接以进行防护。

附图说明

图1是本发明的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机的一种具体实施例的局部立体图；

图2是图1中的螺旋桨装置的立体图(叶片形状仅为示意)；

图3是变桨机构的立体图；

图4是变桨机构的纵剖示意图；

图5为拨动盘与桨叶的配合处的状态图；

图6为拨动盘与桨叶、外壳的配合处的横剖视图；

图7为拨动盘与各个桨叶的位置关系图；

图8为拨动盘的立体图；

图9为桨叶的立体图；

图10为外壳的主视图；

图11为双电机及减速器的核心部件传动图；

图中：1-支撑座，2-主轴，21-电刷滑环，3-螺旋桨，31-外壳，311-多边形安装腔，32-桨叶，321-转盘，322-叶片，323-偏心拨杆，33-变桨机构，331-电机，332-减速器，3321-驱动齿轮，3322-从动齿轮，3323-行星轮，333-丝杠，334-拨动盘，3341-止转面，3342-盘体，3343-拨叉，3344-拨板，3345-U形槽，335-丝杠螺母,4-联轴器。

具体实施方式

本发明的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机的具体实施例：电动变桨式涡轮螺旋桨发动机包括燃气涡轮发动机、减速装置和螺旋桨，涡桨发动机的基本原理为现有成熟技术，其工作原理、结构等在浏览器上很容易搜到，而且该部分结构与本发明的改进点无关，只需要知晓燃气涡轮发动机通过减速装置可带动螺旋桨旋转，从而在螺旋桨处产生拉力带动本体移动，此处为节省篇幅，不再详细赘述。图1显示了螺旋桨3与现有技术中的主轴2处的连接状态图，从图中可看出，螺旋桨3的一端与主轴2连接、另一端连接变桨机构33，主轴2又通过轴承转动装配在支撑座1上，螺旋桨3处的电源线及通讯线缆通过主轴2的中心孔布置，并连接在主轴2的滑环上，滑环与支撑座1上的电刷相对滑动接触配合，保证旋转运动的同时还能正常传输电流。

更具体地，作为本发明的主要改进的螺旋桨3，其结构如图2-图10所示，螺旋桨3包括外壳31、桨叶32和变桨机构33，各个桨叶32呈辐射状转动装配在外壳31上，本实施例中桨叶32有五个，桨叶32包括一体设置的转盘321、叶片322和偏心拨杆323，叶片322和转盘321同轴设置，偏心拨杆323在转盘321的远离叶片322的一侧偏心设置，转盘321和偏心拨杆323位于外壳31内、叶片322位于外壳31外，外壳31内在各个转盘321之间构成多边形安装腔311，变桨机构33包括依次传动连接的电机331、减速器332、联轴器4和丝杠333，变桨机构33还包括拨动盘334，拨动盘334通过丝杠螺母335安装在丝杠333上，丝杠333转动装配在外壳31上，拨动盘334位于多边形安装腔311内，拨动盘334外周设有止转面3341，拨动盘334通过止转面3341与多边形安装腔311的腔壁周向止转配合、轴向滑动配合，拨动盘334随丝杠333的旋转而沿丝杠333轴向移动，拨动盘334对应于各个偏心拨杆323一一对应设置有U形槽3345，各个偏心拨杆323插装在对应的U形槽3345内，拨动盘334沿丝杠333轴向移动时通过U形槽3345的槽壁推动偏心拨销沿转盘321的轴线旋转以带动桨叶32旋转。

本实施例中，如图6-8所示，拨动盘334包括盘体3342，丝杠螺母335安装在盘体3342中心处，盘体3342周向呈辐射状向外延伸有多个拨叉3343，拨叉3343包括两块沿盘体3342厚度方向间隔设置的拨板3344，两拨板3344之间构成U形槽3345，拨板3344的远离盘体3342的一端端面构成止转面3341，拨板3344的宽度大于偏心拨杆323的直径。拨动盘334的特殊结构设计，一方面与外壳31的多边形安装腔311可以进行有效的周向止转配合，另一方面与丝杠333配合实现了轴向的往复运动，更关键的是，其上集成了多个拨叉3343结构，可同步调整各个桨叶32的角度，提升了变桨效率和各个桨叶32角度的统一性。拨板3344的宽度大于偏心拨杆323的旋转半径。这样设置的目的是确保拨杆在垂直轴线的分运动时能够时刻处于两拨板3344之间。转盘321的纵截面为“T”形，外壳31上对应设置纵截面为“T”形的转动槽，转盘321呈大径端朝向外壳31内、小径端朝向外壳31外的方式设置。此结构使得转盘321能够将受到的离心力转移至外壳31上，无需另外设置限位机构对桨叶32进行限位，结构简单。

本实施例中，如图2所示，外壳31包括相互对接的两部分，各个转盘321的轴线位于外壳31的两部分的对接面上。由于转盘321的T形结构，外壳31设置为相对对接的两部分确保了转盘321的安装拆卸更方便。

本实施例中，如图3、4、11所示，电机331有两个，两个电机331的输出端对称安装有驱动齿轮3321，两个驱动齿轮3321之间设有从动齿轮3322，从动齿轮3322与两个驱动齿轮3321同时啮合传动，驱动齿轮3321的直径小于从动齿轮3322直径以实现第一级减速传动。一方面，双电机331互为备份，任何一个电机331损坏，另一个电机331依然能够继续完成变桨动作，确保了安全；另一方面，双电机331为同时参与传动，且传动同步，因此可以降低单个电机331的负载，并且可以满足大扭力交变负荷的需求，而且单个电机331负载降低可显著提升电机331使用寿命；另外，采用从动齿轮3322同步啮合两驱动齿轮3321的方式，简单的结构即可实现同步传动的目的，同时，利用驱动齿轮3321直径小于从动齿轮3322直径的特点可实现第一级减速传动。减速器332包括行星轮3323，行星轮3323的太阳轮与从动齿轮3322传动连接，行星轮3323的齿圈与丝杠333传动连接，可实现第二级减速传动。采用行星轮3323作为第二级大速比减速传动，具有尺寸小、减速效率高、动力损失小的特点。外壳31于远离电机331的一端连接主轴2，主轴2具有中心孔，螺旋桨3的电源线及信号线从中心孔中穿过，主轴2上还安装有电刷滑环21，电源线及信号线的一端与电刷滑环21电连接。通过带通讯线路的高性能电刷滑环21(一般选择可靠性较高的有刷电刷滑环21)，从主轴2的中心孔将电及信号线接入螺旋桨3端，有效解决了旋转的搅拌桨的电力和通讯传输问题。电机331的功率为150W。本方案验证时，使用150W的电机331，通过减速齿轮及减速箱，实现了3吨以上的变距推拉力，远远高于同等规格螺旋桨3的液压机构小于1吨的变距推拉力，能实现各种工况下的变距力要求。

本实施例中，如图1所示，电动变桨式涡轮螺旋桨发动机还包括支撑座1，主轴2通过轴承转动装配在支撑座1上，电刷滑环21的滑环固定在主轴2上、电刷相对于支撑座1固定，电刷与滑环滑动配合。如图2所示，减速器332的外部设有减速器壳体，联轴器4外部设有联轴器4壳体，电机331外部设有电机安装壳体，电机安装壳体、减速器壳体、联轴器4壳体及外壳31依次可拆连接以进行防护。丝杠333选用滚珠丝杠或梯形丝杠。

在其他实施例中，电机331有三个，三个电机331的输出端分别安装有驱动齿轮3321，三个驱动齿轮3321之间设有从动齿轮3322，从动齿轮3322与三个驱动齿轮3321同时啮合传动，三个驱动齿轮3321沿从动齿轮3322的周向均匀布置，驱动齿轮3321的直径小于从动齿轮3322直径以实现第一级减速传动。减速器332包括行星轮3323，行星轮3323的太阳轮与从动齿轮3322传动连接，行星轮3323的齿圈与丝杠333传动连接，可实现第二级减速传动。减速器332的外部设有减速器壳体，联轴器4外部设有联轴器4壳体，电机331外部设有电机安装壳体，电机安装壳体、减速器壳体、联轴器4壳体及外壳31依次可拆连接以进行防护。

本发明的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机在使用时，变桨的动作由机械机构代替传统液压机构方式，电机331通过减速后经过联轴器4带动丝杠333动作，丝杠333上的拨动盘334依靠丝杠螺母335与丝杠333的配合、加上外壳31的多边形安装腔311与拨动盘334的止转面3341的配合，从而实现了拨动盘334的直线往复运动，由于拨动盘334的特殊结构设计，拨动盘334的直线往复运动带动各个U形槽3345内的拨杆随之运动，拨杆运动从而带动对应的桨叶32依靠其转盘321在外壳31上旋转，实现了桨叶32角度的调节，且在运动过程中，拨杆具有轴线方向的运动和垂直轴线方向的分运动，垂直轴线方向的分运动可依靠U形槽3345的结构在U形槽3345内补偿。可见，相对于现有技术，由于不采用液压机构，因此不涉及密封的问题，解决了现有高压油密封圈易失效漏油、污染环境、造成无法变桨的安全事故等问题；同样地，不采用液压机构，而是机械传动，变桨机构33体积小巧、系统零部件少、结构比现有技术更简单，维修更换的概率降低，不易损坏，降低了相关成本；更重要的是，电机331带动丝杠333及拨叉3343的机构，电机331的动作被立即传递至后面的执行部件，实现实时调整和迅速调整桨叶32角度的目的，具有高效响应的优点，相对于现有液压机构，不存在因传动介质的动力传递时间而导致的变桨延迟问题，显著提高了飞机的加减速性能。

Claims (9)

1.电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，包括燃气涡轮发动机、减速装置和螺旋桨，其特征在于，所述螺旋桨包括外壳、桨叶和变桨机构，各个桨叶呈辐射状转动装配在外壳上，桨叶包括一体设置的转盘、叶片和偏心拨杆，叶片和转盘同轴设置，偏心拨杆在转盘的远离叶片的一侧偏心设置，转盘和偏心拨杆位于外壳内、叶片位于外壳外，外壳内在各个所述转盘之间构成多边形安装腔，变桨机构包括依次传动连接的电机、减速器、联轴器和丝杠，变桨机构还包括拨动盘，拨动盘通过丝杠螺母安装在丝杠上，丝杠转动装配在外壳上，拨动盘位于所述多边形安装腔内，拨动盘外周设有止转面，拨动盘通过止转面与多边形安装腔的腔壁周向止转配合、轴向滑动配合，拨动盘随丝杠的旋转而沿丝杠轴向移动，拨动盘对应于各个所述偏心拨杆一一对应设置有U形槽，各个偏心拨杆插装在对应的U形槽内，拨动盘沿丝杠轴向移动时通过U形槽的槽壁推动偏心拨销沿转盘的轴线旋转以带动桨叶旋转。

2.根据权利要求1所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述拨动盘包括盘体，所述丝杠螺母安装在盘体中心处，盘体周向呈辐射状向外延伸有多个拨叉，拨叉包括两块沿盘体厚度方向间隔设置的拨板，两拨板之间构成所述U形槽，拨板的远离盘体的一端端面构成所述止转面，拨板的宽度大于偏心拨杆的直径。

3.根据权利要求2所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述拨板的宽度大于偏心拨杆的旋转半径。

4.根据权利要求1-3任一项所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述转盘的纵截面为“T”形，所述外壳上对应设置纵截面为“T”形的转动槽，所述转盘呈大径端朝向外壳内、小径端朝向外壳外的方式设置。

5.根据权利要求1-3任一项所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述外壳包括相互对接的两部分，各个转盘的轴线位于外壳的两部分的对接面上。

6.根据权利要求1-3任一项所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述外壳于远离电机的一端连接主轴，主轴具有中心孔，螺旋桨的电源线及信号线从中心孔中穿过，主轴上还安装有电刷滑环，电源线及信号线的一端与电刷滑环电连接。

7.根据权利要求6所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，电机的功率为150W。

8.根据权利要求1-3任一项所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，电动变桨式涡轮螺旋桨发动机还包括支撑座，所述主轴通过轴承转动装配在支撑座上，电刷滑环的滑环固定在主轴上、电刷相对于支撑座固定，电刷与滑环滑动配合。

9.根据权利要求1-3任一项所述的电动变桨式涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，所述减速器的外部设有减速器壳体，所述联轴器外部设有联轴器壳体，所述电机外部设有电机安装壳体，电机安装壳体、减速器壳体、联轴器壳体及所述外壳依次可拆连接以进行防护。

Images