CN113015676A - 带有改进的推进系统的旋翼飞行器 - Google Patents

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Abstract

带有旋翼(40)的飞行器(100)配备有推进系统(10)。飞行器(100)包括使旋翼(40)旋转的旋转主轴(50)。推进系统(10)包括机械地连接到飞行器(100)的旋转主轴(50)的杆(20)，其中，杆(20)的至少一端配备有马达(30)，其配置成使杆(20)绕旋转主轴(50)的轴线旋转，使得杆(20)的旋转可用于使旋翼(40)旋转。在杆(20)的每一端放置了马达组(30)，其中，每个马达组(30)包括成对的反向旋转的螺旋桨(32、32')，所述成对的反向旋转的螺旋桨(32、32')布置成产生旋转扭矩以使杆(20)旋转。

Description

带有改进的推进系统的旋翼飞行器
发明领域
本发明涉及一种配备有改进的推进系统的旋翼飞行器。该装置也可用于航空以外的领域，特别是用于能量产生领域。
发明技术背景
已知用于诸如直升机之类的旋翼飞行器的各种推进系统。
特别地，已经测试了应用于旋翼的桨叶端部的推进系统，但是这些系统呈现出与应用它们的装置的总距周期变距装置(collective cyclic appa-ratus)干涉的问题。
该类型的已知推进系统主要包括所谓的冷射流(cold jet)或翼尖射流(tip jet)系统。
该装置由法国技术人员开发，包括涡轮，该涡轮安装成仅用于产生高压空气，该高压空气要被传送通过主轴(mast)、即旋翼轴，接着借助复杂的系统被传送通过直升机桨叶来到直升机桨叶的具有供空气出来的喷嘴的端部处，从而使桨叶运动并允许飞行。
冷射流系统被放弃了，这是因为当桨叶的桨距受到作用时、即当桨叶改变角度以产生升力时，在桨叶端部处出来的空气射流产生相当大的问题。那时，推进射流将桨叶向上推。
于是可以想象，当总距控制被激活时，桨叶借此连续地改变其桨距，于是射流根据总距倾斜度产生振荡推力。
此外，该射流几乎完全阻止了桨叶的倾斜(沿着主轴的垂直轴线的运动)，桨叶总是“推动”并且从不自由倾斜。
对于受推力射流影响的挥舞运动而言，情况也是如此。
该项目始于50年代初，并已被放弃。
在载具重量、续航时间、有效载荷方面没有益处。
唯一的优点是没有主旋翼、尾部旋翼和飞轮，这是由于考虑了以下事实：主轴是自由的，并且在传递运动时没有扭矩问题。
过去已尝试并测试的另一系统是所谓的热射流系统。
该系统包括安装在直升机桨叶端部处的冲压式喷气发动机。
尽管热射流系统比冷射流更简单，但产生了相同的问题，这是因为，由于冲压式喷气发动机放置在桨叶的端部处，故而其产生了上述明显的缺点：桨叶桨距、循环、倾斜和挥舞的改变。
在这些问题之外还必须加上消耗的问题，从而使得绝对不可能以非常高的消耗飞行超过20－30分钟。
所有其他现有的推进系统通过旋翼－齿尖/链轮(rotor-crown/sprocket)直接连接到主轴，因此必须提供比本发明高得多的所需功率。
意大利专利申请102017000108804和对应的国际专利申请PCT/EP2018/071196中描述了克服上述问题的用于旋翼飞行器的附加推进系统。
该推进系统基于使用旋转杆、也称为“动力主轴”的构思，该旋转杆连接到飞行器的旋转轴，其中，旋转轴使旋翼旋转。
主轴应可机械地附接到飞行器的旋转轴，并且主轴的至少一端应装有马达，该马达配置成使主轴旋转，以便主轴的旋转能用于使旋翼旋转。
本发明的目的在于在效率和安全性方面改善动力主轴系统的性能。
本发明的另一目的在于产生一种旋翼飞行器，其与现有飞行器相比具有降低的成本。
发明概述
通过阅读本说明书将变得明显的这些和其他目的是通过配备有推进装置的旋翼飞行器来实现的，其中，所述飞行器包括使所述旋翼旋转的旋转主轴，且其中，所述推进系统包括机械地连接到所述飞行器的所述旋转主轴的杆，其中，所述杆的至少一端配备有马达，所述马达配置成使所述杆绕所述旋转主轴的轴线旋转，以使得所述杆的旋转能用于使所述旋翼旋转，其特征在于，在所述杆的每个端部处放置马达组，其中，每个马达组包括成对的反向旋转的螺旋桨，所述成对的反向旋转的螺旋桨布置成产生旋转扭矩以使所述杆旋转。
该实施例的优点在于，所要求保护的反向旋转的螺旋桨的构造首先允许减小旋转杆的长度，从而使反向旋转的螺旋桨更靠近旋转主轴的轴线，从而降低马达承受的离心加速度。
特别地，根据本发明的一个实施例，所述杆的长度小于所述旋翼的长度的一半。
本发明的第二个重要的优点是基于这样的事实，即属于每对马达的反向旋转的螺旋桨将作用在“动力主轴”上的总回转力矩减小到零。
根据本发明的一个实施例，反向旋转的螺旋桨未被封围在马达吊舱中。
该实施例的优点在于，通过避免马达吊舱，避免了在高离心力下操作时可能发生的吊舱自身结构完整性问题。
反向旋转的螺旋桨是电动的。
另外，发动机吊舱的存在会有助于增加旋翼的阻力和飞行器的前进阻力。
根据本发明的另一实施例，沿着所述杆施加轮廓，所述轮廓允许在所述杆旋转期间产生抵消噪声，所述抵消噪声减小由所述飞行器在飞行中产生的总噪声。
本发明的进一步的特征在从属权利要求中得到。
附图简介
借助附图，通过阅读作为示例提供而不受其限制的以下描述，本发明的其他特征和优点将更清楚，附图中：
－图1示意性地示出了根据本发明的实施例的配备有推进装置的旋翼飞行器；以及
－图2示意性地示出了图1中的推进系统的细节。
附图的详细描述
图1原理性地示出了根据本发明的实施例的配备有推进装置的旋翼飞行器100的实施例，该装置总体上用附图标记10表示。
一般而言，用于本发明的旋翼飞行器的推进装置10与机械地连接到所述旋翼40的旋转主轴50相关联。
一般来说，在本说明书中，旋翼飞行器是指比空气重的飞行器，其利用由围绕轴旋转的特定翼表面(称为桨叶)产生的升力。
推进装置10包括杆20，其可机械地连接到飞行器的旋转主轴50，其中，在附接到飞行器的旋转杆50的杆20的每个端部处施加有马达30，其中，每个马达30有助于旋转扭矩，用于使杆20围绕其自身的旋转轴线旋转，该旋转轴线与使飞行器的旋转主轴50旋转的旋转主轴50的旋转轴线一致。
马达可以是例如电动反向旋转的螺旋桨32、32'，也称为电动风扇(e-fan)。
反向旋转的螺旋桨32、32'的电源可以从飞行器100机上放置的电池组获得。
特别地，每个马达30包括成对的反向旋转的螺旋桨32、32'，其布置成产生旋转扭矩以使杆20旋转。
在所提出的系统、即同轴反向旋转的螺旋桨中，由电动马达产生的动力用于使沿同一轴线布置但沿相反方向旋转的两个螺旋桨旋转。
在图2中可见图1的推进系统的细节，在该图中，示意性地用箭头W1指示了螺旋桨32的旋转方向，而用箭头W2指示了螺旋桨32'的(相反)旋转方向，所有这些都是为了产生杆20在箭头F1方向上的旋转运动。
该实施例的优点在于，所要求保护的反向旋转的螺旋桨(电动风扇)的构造首先允许减小旋转杆20的长度，从而使反向旋转的螺旋桨更靠近旋转主轴50的轴线，从而降低了马达承受的离心加速度。
特别地，根据本发明的一个实施例，杆的长度小于旋翼40的长度的一半。
要指出的是，在杆20旋转期间，电动螺旋桨(电动风扇)30的马达单元所受到的离心加速度等于：
ac＝reFanΩ2
其中，reFan是马达30(或其重心)距杆20旋转轴线的距离，而Ω是杆20的转速。
通过使电动反向旋转的螺旋桨(电动风扇)更靠近杆20的旋转轴线并因此减小杆20的长度，可以成比例地减小作用在马达及其部件上的离心力。
本发明的第二个重要的优点是基于这样的事实，即由于反向旋转的电动螺旋桨(电动风扇)32、32'属于每对反向旋转的电动螺旋桨(电动风扇)，故而作用在“动力主轴”上的总回转力矩减小到零。
特别地，总回转力矩由下式给出：
Mgyro＝IpropΩeFanΩ
其中，Iprop是螺旋桨的转动惯量，而ΩeFan是马达单元30的角速度。
使用反向旋转的螺旋桨可将总回转动量降至零。
优选地，每个螺旋桨的桨叶数量是4，但是也可以使用不同数量的桨叶。
根据本发明的一个实施例，反向旋转的螺旋桨32、32'未被封围在马达吊舱中。
该实施例的优点在于，通过避免马达吊舱，避免了在高离心力下操作时可能发生的吊舱自身结构完整性问题。
另外，发动机吊舱的存在会有助于增加旋翼的阻力和飞行器的前进阻力。
根据本发明的实施例，还可以设置通过杆20的内部的电连接线缆和电源。
在本发明的另一变型中，杆20通过刚性联接部25直接机械地连接到飞行器的旋转主轴50。
替代地，杆20通过刚性或半刚性或铰接联接部机械地连接到飞行器的旋转主轴50。
一般地，杆20的旋转发生在与旋翼40的旋转平面的不同平面中。
特别地，杆与飞行器的旋转主轴50的附接点可以放置在飞行器的转向系统的上方或下方，例如，在飞行器的总板和旋转倾转盘60的上方(如图1中的示例中那样)或下方。
要指出的是，飞行器的总板和旋转倾转盘60是已知类型的并且由飞行员以本领域已知的方式控制。
杆20的形状可以是任意形状，但要注意的是，杆20在其旋转期间不应产生显著的升力。
替代地，杆20也可以制成具有在旋转时能够产生升力的形状。
优选地，杆20由碳纤维制成。
如图1中所示的推进系统与引言中所示和本领域中已知的那些推进系统实质上不同。
事实上，推进系统10不施加于载具桨叶的端部，并且如在背景技术部分的情形中那样构成飞行系统。
事实上，作为本发明目的的推进系统包括具有足够尺寸的杆20(也称为动力主轴)，其刚性地施加于直升机或其他能够垂直起飞的飞行物的轴或主轴，并且其完全独立于该飞行物的桨叶。
主轴不再具有旋翼(小赤轮系统)，而是在合适的支承件(推力轴承或其他)上受端部处的一个或多个螺旋桨驱动而自由地回转。
根据本发明的一种实施例，沿着杆20施加轮廓，该轮廓允许在杆20旋转期间产生抵消噪声，抵消噪声减小由飞行器100在飞行中产生的总噪声。
作为该抵消噪声方案的替代或补充，可以提供一种扬声器，该扬声器根据反向旋转的螺旋桨或杆20的转速，或其他因素产生抵消噪声。
在推进系统10的操作中，马达30产生用于旋转杆20的旋转扭矩，并且通过与旋转主轴50的连接来产生旋翼40的对应旋转。
推进装置也可用作扭矩倍增系统，这是因为即使在非航空应用中也可以用较少的能量为其供电，即可用于所有那些可以受益于杆20产生的杠杆效应的应用(例如：电池充电、从电动或吸热旋转运动产生的能量为电动运动产生能量等)。
本质上，本发明还涉及与旋转的主轴50相关联的推进系统10的使用，其中，推进系统10包括机械地连接到旋转主轴50的杆20，其中，杆20的至少一个端部装有马达30，该马达配置成使杆20绕旋转主轴50的轴线旋转，其特征在于，在杆20的每个端部放置有马达组30，其中，每个马达组30包括成对的电动反向旋转的螺旋桨(电动风扇)32、32'，以便产生旋转扭矩使杆20转动，从而使旋转主轴50转动，以便将能量生成或传递到用户。
显然，可处于任意或特定原因对所描述的发明进行修改或改进，而不超出如下所要求保护的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种配备有推进系统(10)的旋翼(40)飞行器(100)，其中，所述飞行器(100)包括使所述旋翼(40)旋转的旋转主轴(50)，且其中，所述推进系统(10)包括机械地连接到所述飞行器(100)的所述旋转主轴(50)的杆(20)，其中，所述杆(20)的至少一端配备有马达(30)，所述马达配置成使所述杆(20)绕所述旋转主轴(50)的轴线旋转，以使得所述杆(20)的旋转能用于使所述旋翼(40)旋转，其特征在于，在所述杆(20)的每个端部处放置马达组(30)，其中，每个马达组(30)包括成对的反向旋转的螺旋桨(32、32')，所述成对的反向旋转的螺旋桨(32、32')布置成产生旋转扭矩以使所述杆(20)旋转。
2.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，所述反向旋转的螺旋桨(32、32')被电供能。
3.根据权利要求2所述的飞行器(100)，其特征在于，所述杆(20)的内部是中空的，以允许用于所述反向旋转的螺旋桨(32、32')的导电线缆穿过。
4.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，所述反向旋转的螺旋桨(32、32')未被封围在发动机吊船中。
5.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，所述杆(20)的长度小于所述旋翼(40)的长度的一半。
6.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，所述杆(20)的旋转在与所述旋翼(40)的旋转平面不同的平面中进行。
7.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，所述杆(20)通过刚性接头(25)直接接触地机械地连接到所述飞行器(100)的所述旋转主轴(50)。
8.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，所述杆(20)的形状使得其在旋转时不产生升力。
9.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，沿着所述杆(20)施加轮廓，所述轮廓允许在所述杆(20)旋转期间产生抵消噪声，所述抵消噪声减小由所述飞行器(100)在飞行中产生的总噪声。
10.根据权利要求1所述的飞行器(100)，其特征在于，设有扬声器，所述扬声器根据所述反向旋转的螺旋桨或所述杆(20)的转速或其他因素来产生抵消噪声。
11.与旋转主轴(50)相关联的推进系统(10)的使用，且其中，所述推进系统(10)包括机械地连接到所述旋转主轴(50)的杆(20)，其中，所述杆(20)的端部中的至少一个施加有马达(30)，所述马达配置成使所述杆(20)绕所述旋转主轴(50)的轴线旋转，其特征在于，在所述杆(20)的每个端部放置有马达组(30)，其中，每个马达组(30)包括成对的反向旋转的螺旋桨(32、32')，并产生旋转扭矩以使所述杆(20)转动，从而使所述旋转主轴(50)转动，以将能量生成或传递到用户。
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