CN112360815B - 用于多级涵道风扇的可调节定片机构及该机构的控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构，包括安装在多级矢量涵道风扇的上下两级风扇转子之间的定子叶片角度调整机构、转动圆环调节定片角度机构，该转动圆环调节定片角度机构带动定子叶片角度调整机构实现对每级风扇的定子叶片进行微量偏转角度调节。还公开了用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，该控制调节定子叶片角度的系统包括飞行器姿态和飞行情况传感器子系统、飞行计算机子系统、矢量涵道风扇子系统、可调节定片机构子系统，流场优化控制子系统，该飞行器姿态和飞行情况传感器子系统将飞行姿态提供个给飞行计算机子系统，使得上下级风扇间更好的流动匹配、使得更多的转动能有效转换成喷射能。

Description

用于多级涵道风扇的可调节定片机构及该机构的控制系统
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种用于多级涵道风扇的可调节定片机构及该机构的控制系统。
背景技术
矢量涵道风扇动力系统是利用涵道风扇产生排出气流，通过角度可调节栅板，偏转高速排出气流方向，产生沿涵道轴向和横向推力的动力装置。涵道中的风扇由一个(单级)或多个(多级)风扇组成，沿涵道轴线串连排列形成一个高效、高载荷输出的喷气动力系统。
利用一个或多个单级/多级矢量涵道风扇单元，可作为垂直起降飞行器的起降、巡航飞行、机动飞行动力或其它辅助动力，也可以作为地面运行的动力。当风扇层数超过二级时，二级风扇间的气流扰动将严重影响风扇效率。简单来描述，第一级风扇进口速度为“V1进”，出口速度为“V1出”。第二级风扇进口速度为“V2进”，出口速度为“V2出”。这里“V1出”是等于“V2 进”。
由于气流在经过第一级风扇加速时，带有旋转速度“T1”，现有技术通常要在二个风扇中间加有固定垂直方向或固定偏转角度的定子叶片来把旋转动能转化为纵向动能，然后进入第二级风扇，这种设计是常规的。但是，由于目前的制造水平和设计水平限止，航空发动机的多级低压风扇转子是在安装在一个共同轴上、同一个转速转动、所有定子叶片角度固定的不可调，所以不能获得上下级风扇间更好的流动匹配、也不能使更多的转动能有效转换成喷射能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种用于多级涵道风扇的可调节定片机构及该机构的控制系统，目的在于解决现有技术多级风扇转子安装在一个共同轴上、同一个转速转动、所有定子叶片角度固定的不可调，所以不能获得上下级风扇间更好的流动匹配、也不能使更多的转动能有效转换成喷射能的问题。
本发明为解决其技术问题，提出以下技术方案。
一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构，其特征在于：包括安装在多级矢量涵道风扇的上下两级风扇转子之间的定子叶片角度调整机构、以及转动圆环调节定片角度机构，该转动圆环调节定片角度机构带动定子叶片角度调整机构实现对每级风扇的定子叶片进行微量偏转角度调节。
所述定子叶片角度调整机构包括涵道圆筒、涵道圆筒中心处的中心支撑架、中心支撑架和涵道圆筒之间放射状布设的多个可偏转定子叶片、每个可偏转定子叶片小半径端头和大半径端头分别布设用于连接中心支撑架和涵道圆筒内壁的叶片转轴、靠近涵道圆筒内壁的每个叶片转轴与转动圆环调节定片角度机构相连接。
所述每个可偏转定子叶片小半径端头和大半径端头分别布设用于连接中心支撑架和涵道圆筒内壁的叶片转轴，具体为：中心支撑架与可偏转叶片连接的一端、以及涵道圆筒内壁与可偏转叶片连接的一端均设有轴承；可偏转叶片分别通过布设在小半径端和大半径端的连接片将各自的叶片转轴固定其中、再将各自的叶片转轴与中心支撑架的轴承、涵道圆筒内壁的轴承连接。
所述转动圆环调节定片角度机构，具体为：该转动圆环调节定片角度机构设有可转动圆环、以及可转动圆环上多个对应每个可偏转叶片的偏转摇把；所述可转动圆环布设在涵道圆筒靠近筒壁底端的外表面、所述偏转摇把一端连接可转动圆环、一端连接伸出涵道筒壁以外的叶片转轴。
所述可转动圆环还包括两段肘接的推拉连杆和推拉作动筒，由电驱动推拉作动筒，再通过伸缩推拉作动筒推动可转动圆环转动。
一种基于用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，该控制调节定子叶片角度的系统包括飞行器姿态和飞行情况传感器子系统、飞行计算机子系统、矢量涵道风扇子系统、可调节定片机构子系统，流场优化控制子系统，该飞行器姿态和飞行情况传感器子系统将飞行器飞行姿态提供个给飞行计算机子系统，
其特征在于：
所述多级矢量涵道风扇中所有风扇都是电动的、独立控制的，所有风扇转子间的定子也是电驱动的、独立控制的。
飞行计算机子系统根据飞行器飞行姿态确定和控制各个矢量涵道风扇所需的功率来控制各个涵道的工作参数；该流场优化控制子系统根据中央计算机的控制参数，调节各风扇的驱动功率达到举力要求，根据优化控制程序调节上下风扇转速和上下风扇间的可调节定片机构定子角度β值达到最优流场，取得优化后节能高效的推理值。
本发明的优点效果
1、本发明通过在上下两级风扇之间增加可调节定片机构、并根据优化控制程序调节上下风扇转速和上下风扇间的可调节定片机构定子角度β值达到最优流场、取得优化后节能高效的推理值，使得上下级风扇间实现更好的流动匹配、也能使更多的转动能有效转换成喷射能。
2、本发明多级矢量涵道风扇中所有风扇都具有电驱动、独立控制特性，以及多级风扇转子间的定子叶片也都具有电驱动、独立控制特性，有了这个特性矢量涵道风扇才有可能做到真正的优化运行。
3、本发明将飞行器姿态和飞行情况传感器子系统、飞行计算机子系统、矢量涵道风扇子系统、可调节定片机构子系统，流场优化控制子系统进行有机结合，相互支持和相互依赖，解决了本领域长期以来的疑难问题：使得上下级风扇间更好的流动匹配、使得更多的转动能有效转换成喷射能。
附图说明
图1为二级风扇间的转子和定子关系图；
图2为可偏转定子叶片示意图；
图3为转动园环调节定片角度机构示意图；
图4转动园环调节定片角度机构示意图；
图5控制调节定子叶片角度流程图；
图6A为第一级风扇加速后出口实际气流方向示意图；
图6B为第一级风扇加速后出口实际推力方向示意图；
图6C为经过定子叶片折射气流后以某个α角度进入第二级风扇示意图；
图6D为第二级风扇气流的旋转能基本为0示意图；
图中：1：定子叶片角度调整机构；1-1：涵道圆筒；1-2：中心支撑架； 1-3：可偏转定子叶片；1-4：叶片转轴；2：转动圆环调节定片角度机构；2-1：可转动圆环；2-1-1：推拉连杆；2-1-2：推拉作动筒；2-2：偏转摇把；3：电驱动。
具体实施方式
本发明设计原理
1、各级风扇独立控制原理。多级矢量涵道风扇中所有风扇都是电动独立控制的、所有风扇转子间的定子叶片也是电驱动的、独立控制的。有了这个特性矢量涵道风扇才有可能做到真正的优化运行。
2、设计定子叶片角度可调节、优化矢量涵道风扇特性
其一，旋转风扇出口的横向力对于涵道风扇是不利的。设计定子叶片角度可调节的缘由是因为旋转风扇出口会产生横向力。如图6A所示，一个单位气流A进在风扇前速度为V进，经风扇叶面推进的气体加速为V出，V出的方向从左上向右下倾斜，同时产生一个从左上向右下的推力F推，F推如图6B所示，这里由F推产生F横，使得原来没有旋转的气体有了旋转动能，这对于涵道风扇是不利的，消耗了能量但没有产生举力。同时影响下一个风扇的工作环。
其二、设计风向经过定子叶片的偏转角度、使得进入第二级风扇的风向基本向下
如图6C所示，第一级转子叶片产生水平向右的速度或者推力，经过可移动角度的定子叶片后，在定子叶片气流出口处形成水平方向反方向的速度V2或者推力，因此，定子叶片出口的速度和推力基本向下,但仍然存在一个水平向左的分力。
其三、设计定子叶片进入第二级风扇的横向分力和第二级风扇加速后自身横向分力，二者方向相反、相互抵消。如图6D所示，右下角存在2个力，一个是V2 进，一个是V2 加，这2个力倾斜方向相反，从定子进入第二级风扇的气流方向V2 进为从右上向左下的方向，产生一个倾斜α角度，理想情况下，设计这个α角度的倾斜角度与第二级风扇被加速以后出口气流α’的倾斜角度大小相等方向相反，当V2 进的横向矢量接近或相同于气流在第二级风扇被加速的横分量V2 横时，气流的旋转能基本为0时，此时，气流被加速的动能是最接近理想最大值，效率为最高。表现为气体在第二级风扇加速后基本垂直向下，再经过第二级风扇出口处矢量栅板决定最终喷射方向，气体在整个流动加速过程中会有损失，但总体压力恢复系统很高，当设计好时，效率达到95％以上的能量利用。
当飞行器在飞行中由于速度、机动发生变化时，对涵道风扇系统进行调节以满足飞行需求。这时的涵道风扇就会在功率转速、气流的流量、速度都发生变化，因此在整个涵道内的流场要重新进行调整。此时的定子叶片的调节功能就是优化气流流场的有效手段，以达到涵道风扇上下二级风扇的功能为最优。
其四、二级涵道风扇的上下二级风扇转动方向是同向的，也可以是反向的。以上我们仅描述了同向转动二个风扇间的定子的调节功能；本发明涵道风扇以二级为例示意定子叶片角度调节功能。对于多级风扇的涵道风扇是相同的，只是设计和计算模型更为复杂。
根据以上原理，本发明设计了一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构。
一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构，包括安装在多级矢量涵道风扇的上下两级风扇转子之间的定子叶片角度调整机构1、以及转动圆环调节定片角度机构2，该转动圆环调节定片角度机构2带动定子叶片角度调整机构1实现对每级风扇的定子叶片进行微量偏转角度调节。
所述定子叶片角度调整机构1如图2所示，包括涵道圆筒1-1、涵道圆筒中心处的中心支撑架1-2、中心支撑架1-2和涵道圆筒1-1之间放射状布设的多个可偏转定子叶片1-3、每个可偏转定子叶片1-3小半径端头和大半径端头分别布设用于连接中心支撑架1-2和涵道圆筒内壁的叶片转轴1-4、靠近涵道圆筒内壁的每个叶片转轴-4与转动圆环调节定片角度机构2相连接。
所述每个可偏转定子叶片如图4所示，小半径端头和大半径端头分别布设用于连接中心支撑架1-2和涵道圆筒内壁的叶片转轴1-4，具体为：中心支撑架1-2与可偏转叶片1-3连接的一端、以及涵道圆筒1-1内壁与可偏转叶片1-3连接的一端均设有轴承1-5、1-6；可偏转叶片1-3分别通过布设在小半径端和大半径端的连接片1-6将各自的叶片转轴1-4固定其中、再将各自的叶片转轴1-4与中心支撑架1-2的轴承、涵道圆筒1-1内壁的轴承连接。
所述转动圆环调节定片角度机构2如图3所示，具体为：该转动圆环调节定片角度机构设有可转动圆环2-1、以及可转动圆环2-1上多个对应每个可偏转叶片的偏转摇把2-2；所述可转动圆环2-1布设在涵道圆筒1-1靠近筒壁底端的外表面、所述偏转摇把2-2一端连接可转动圆环2-1、一端连接伸出涵道筒壁以外的叶片转轴1-4。
所述可转动圆环2-1还包括两段肘接的推拉连杆2-1-1和推拉作动筒2-1-2，由电驱动推拉作动筒2-1-2，再通过推拉作动筒2-1-2推动可转动圆环2-1转动。
一种基于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统如图5所示，该控制调节定子叶片角度的系统包括飞行器姿态和飞行情况传感器子系统、飞行计算机子系统、矢量涵道风扇子系统、可调节定片机构子系统，流场优化控制子系统，该飞行器姿态和飞行情况传感器子系统将飞行器飞行姿态提供个给飞行计算机子系统，
其特征在于：
飞行计算机子系统根据飞行器飞行姿态确定和控制各个矢量涵道风扇所需的功率来控制各个涵道的工作参数；该流场优化控制子系统根据中央计算机的控制参数，调节各风扇的驱动功率达到举力要求，根据优化控制程序调节上下风扇转速和上下风扇间的可调节定片机构定子角度β值达到最优流场，取得优化后节能高效的推理值。
所述多级矢量涵道风扇中所有风扇都是电动的、独立控制的，所有风扇转子间的定子也是电驱动的、独立控制的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，该控制调节定子叶片角度的系统基于一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构，可调节定片机构包括安装在多级矢量涵道风扇的上下两级风扇转子之间的定子叶片角度调整机构、以及转动圆环调节定片角度机构，该转动圆环调节定片角度机构带动定子叶片角度调整机构实现对每级风扇的定子叶片进行微量偏转角度调节，其特征在于：
该控制调节定子叶片角度的系统包括飞行器姿态和飞行情况传感器子系统、飞行计算机子系统、矢量涵道风扇子系统、可调节定片机构子系统，流场优化控制子系统，该飞行器姿态和飞行情况传感器子系统将飞行器飞行姿态提供给飞行计算机子系统，
所述多级矢量涵道风扇中所有风扇都是电动的、独立控制的，所有风扇转子间的定子也是电驱动的、独立控制的；
飞行计算机子系统根据飞行器飞行姿态确定和控制各个矢量涵道风扇所需的功率来控制各个涵道的工作参数；该流场优化控制子系统根据中央计算机的控制参数，调节各风扇的驱动功率达到举力要求，根据优化控制程序调节上下风扇转速和上下风扇间的可调节定片机构定子角度β值达到最优流场，取得优化后节能高效的推理值；
所述流场优化控制子系统根据优化控制程序调节上下风扇转速和上下风扇间的可调节定片机构定子角度β值达到最优流场，具体为：
设计风向经过定子叶片的偏转角度、使得进入第二级风扇的风向基本向下，第一级转子叶片产生水平向右的速度或者推力，经过可移动角度的定子叶片后，在定子叶片气流出口处形成水平方向反方向的速度或者推力，因此，定子叶片出口的速度和推力基本向下,但仍然存在一个水平向左的分力V2进,设计定子叶片进入第二级风扇的横向分力V2进和第二级风扇加速后自身横向分力，二者方向相反、相互抵消；当V2进的横向矢量接近或相同于气流在第二级风扇被加速的横分量V2横时，气流的旋转能基本为0时，此时，气流被加速的动能是最接近理想最大值，效率为最高；表现为气体在第二级风扇加速后基本垂直向下。
2.根据权利要求1所述一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，其特征在于：所述定子叶片角度调整机构包括涵道圆筒、涵道圆筒中心处的中心支撑架、中心支撑架和涵道圆筒之间放射状布设的多个可偏转定子叶片、每个可偏转定子叶片小半径端头和大半径端头分别布设用于连接中心支撑架和涵道圆筒内壁的叶片转轴、靠近涵道圆筒内壁的每个叶片转轴与转动圆环调节定片角度机构相连接。
3.根据权利要求2所述一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，其特征在于：所述每个可偏转定子叶片小半径端头和大半径端头分别布设用于连接中心支撑架和涵道圆筒内壁的叶片转轴，具体为：中心支撑架与可偏转叶片连接的一端、以及涵道圆筒内壁与可偏转叶片连接的一端均设有轴承；可偏转叶片分别通过布设在小半径端和大半径端的连接片将各自的叶片转轴固定其中、再将各自的叶片转轴与中心支撑架的轴承、涵道圆筒内壁的轴承连接。
4.根据权利要求1所述一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，其特征在于：所述转动圆环调节定片角度机构，具体为：该转动圆环调节定片角度机构设有可转动圆环、以及可转动圆环上多个对应每个可偏转叶片的偏转摇把；所述可转动圆环布设在涵道圆筒靠近筒壁底端的外表面、所述偏转摇把一端连接可转动圆环、一端连接伸出涵道筒壁以外的叶片转轴。
5.根据权利要求4所述一种用于多级矢量涵道风扇的可调节定片机构的控制调节定子叶片角度的系统，其特征在于：所述可转动圆环还包括两段肘接的推拉连杆和推拉作动筒，由电驱动推拉作动筒，再通过伸缩推拉作动筒推动圆环转动。
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