CN113306726A - 一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统，其通过将涡轴发动机的尾气引入下游的推进系统中，带动推进系统中的自由涡轮转动，通过自由涡轮带动机身尾部的推进螺旋桨转动来产生提高直升机飞行速度的基本推进力，从而实现对发动机尾气的一级利用；发动机尾气通过直升机机身尾部和螺旋桨之间的尾喷口排出体外，流经推进螺旋桨的高速尾流提高了推进螺旋桨推进效率，从而实现对发动机尾气的二级利用，同时，发动机尾气与外界环境大气充分混合，使直升机的红外特性极大的降低，提高了直升机的战场生存率；同时，推进螺旋桨处于旋翼的下洗流场中，以提高推进螺旋桨的推进效率，从而将其推进力再一次提高，最终达到提高直升机飞行速度的目的。

Description

一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统

技术领域

本发明涉及一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统，属于提高共轴双旋翼直升机飞行速度的领域。

背景技术

直升机可以野外垂直起降、悬停作业，具有良好的低空机动性能，在军民用领域具有其他飞行器不可替代的作用。

然而，与固定翼飞机相比，直升机存在飞行速度低、航程短等不足，人们对提高直升机飞行速度和航程等的需求日益增强，在不断深化的需求牵引下，高速新型直升机及其相关技术的发展呈现了蓬勃发展之势。

目前，世界上发展比较成功的高速直升机构型主要有倾转旋翼和共轴双旋翼复合式推进两种，这两种构型具有不同的技术特点和优势，适用于不同的任务模式。

倾转旋翼机倾向于追求较高速度段的速度性和经济性，拥有更大的巡航速度和航程。倾转旋翼机适用于广域快速反应和垂直运输。但倾转旋翼机旋翼受到机体尺寸和机身等其他机体部件的限制，旋翼尺寸较小，载荷过高，近地机动能力较弱，低速复杂飞行不易实现。

共轴双旋翼复合式推进高速直升机则充分保留了直升机的低速特性和近地机动能力，具有速度快、体积小、结构紧凑、机动性好等优点，将成为舰载直升机、武装直升机、无人直升机的优选构型。

现存共轴双旋翼复合式推进高速直升机设计的核心思路是：主要动力纵向输出到旋翼提供直升机正常飞行时所需的垂直作用力和操控力，共轴双旋翼反转以平衡自身的扭矩，而通过动力的水平输出驱动安装在飞机航向方向的尾桨来提高直升机的飞行速度。由于没有像单旋翼直升机那样用来平衡自身扭矩但在作战环境下易受攻击使自身失去航向控制的尾桨，战场生存能力较高，且由于采用了共轴双旋翼设计，在相同起飞总重的情况下，旋翼直径只有常规单旋翼直升机的70％-80％，悬停效率却高了17％-30％，因此在相同设计指标要求下，所需的地面停机和起飞空间更小，这对舰载直升机的设计是非常有利的；但其尾桨的动力输入主要通过机械传动机构从动力系统提取，传动系统需要可靠性高的减速机构、滑油冷却系统等额外的辅助系统，整个推进系统振动环境复杂，研制难度大，且使飞机最重要的总体设计参数飞机的起飞总重增加较多。

另外，共轴双旋翼复合式推进高速直升机尾气通过尾喷管直接排入大气，带走了部分能量，在发动机性能一定的情况下，探索如何对此部分能量在发动机功率损失不大的情况下进行二次输出是有必要的。

发明内容

本发明的目的是针对目前共轴双旋翼复合式推进高速直升机尾气能量损失大、尾桨机械式动力输入系统研制难度大、可靠性低、振动环境复杂且使直升机起飞总重增重严重等诸多问题，提出了一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统。

本发明的技术解决方案是：

一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统，包括排气管3、推进装置4、排气阀门5；

本发明所涉及的推进系统仅适用于采用涡轴发动机作为动力系统的共轴双旋翼直升机，且所使用的发动机2数量越多、功率越大，该推进系统的推进效率越高，旋翼1、发动机2的设计不属于此专利的权利范畴；

所述排气管3采用直筒型设计，前端与发动机2的机壳末端相连且密封良好，末端与推进装置4的涵道8相连且密封良好，排气管3用以将发动机2的功率横向输出到机身尾部的推进装置4以驱动推进螺旋桨10转动，从而提供直升机提速所需要的基本推进力；

所述排气管3上部安装有排气阀门5；所述排气阀门5具有开、关两种状态，打开时，进入推进装置4的发动机尾气被截断，推进螺旋桨10被卸载，发动机尾气从阀门5排出；关闭时，发动机尾气向下游流动，进入推进装置4的涵道8从而带动推进螺旋桨10转动产生直升机前飞所需的基本推进力；所述排气阀门5可以采用单块式阀门或者多块式阀门设计，其具体设计应保证在阀门关闭时满足排气管的气密性、流场无畸变等基本要求，在打开过程中满足推进装置安全稳定卸载的要求；

所述推进装置4由机壳7、涵道8、前支架13、自由涡轮12、后支架11、涡轮轴6、尾喷口9和推进螺旋桨10组成；

所述机壳7采用多截面圆筒拼装式设计，机壳7主要用来将推进装置4固定在直升机的机身上，机壳7的前端面与涵道8相连，后端面与尾喷口18相连；

所述涵道8采用多截面圆筒状设计，前端与排气管3的末端相连，末端与尾喷口9的前端17相连，其具体的设计尺寸依据发动机2的性能和直升机总体设计要求而定；所述前支架13、后支架11分别由多片叶栅型支架组成，支架内侧安装在自由涡轮轴轴承上，外侧固定在涵道8的内侧，安装角为0度，主要起导流和支撑涡轮轴的作用；

自由涡轮12固定安装在涡轮轴6上，轴向位置与前、后支架等距；

涡轮轴6通过轴承安装在前、后支架上，可变距推进螺旋桨10安装在其末端，自由涡轮通过涡轮轴带动推进螺旋桨10转动产生所需的推力；

尾喷口9采用固定扩张型喷口，前端17与涵道8末端相连，末端18与推进装置机壳7相连，尾喷口扩张角度视喷流速度和直升机的总体设计要求而定；

推进螺旋桨10为可变距螺旋桨，推进螺旋桨10的桨数和具体尺寸应根据直升机的总体设计需求来定，推进螺旋桨10的具体设计不属于本发明的权利范畴；主要用来提供直升机提速所需要的推进力，驱动自由涡轮12转动。

工作过程：发动机2的尾气流经推进装置4的涵道8，进入推进装置涵道8的发动机尾气驱动推进装置中的自由涡轮12转动，通过自由涡轮带动推进螺旋桨10转动，从而提供直升机前飞所需的基本推进力；流经涵道8的发动机尾气通过固定扩张型尾喷口9流向螺旋桨10的桨盘，从而实现尾流增推效应，使基本推进力得到提高；同时，推进装置4的螺旋桨10在设计点状态(巡航状态)下处于螺旋桨洗流场高速下洗气流16中，从而实现洗流增推效应，推进螺旋桨10推进效率再一次得到提升。

有益效果

本发明所涉及的一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统主要通过对发动机尾气的二次利用和在设计点状态下利用旋翼的洗流来提高共轴双旋翼直升机的飞行速度，相较于利用机械式传动系统将动力水平输出到尾桨来产生推进力现有推进系统来说，其具有以下优势：

1、机械式传动推进系统主要由相对比较复杂的杆系和轴系组成，为确保其能进行高效、稳定、可靠的能量传输，通常还包括及其复杂的滑油系统、冷却系统、减速机构以及尾桨卸载机构等，整个系统相当复杂，零构件较多，整个系统可靠性低，研制难度大，振动环境复杂且整体重量较重。本发明所发明的推进系统动力的水平输出主要通过排气管来实现，尾桨卸载主要通过排气阀门来实现，动力传输机构简单，整个系统重量轻、可靠性高、振动环境简单且研制难度小。

2、直升机发动机尾气产生的推力微乎其微，甚至可以忽略，本发明所述的推进系统通过改进尾气废功的输出结构和充分利用旋翼洗流来产生有效增益。该推进系统将发动机尾气引入到推进装置中带动推进装置中的自由涡轮转动，通过自由涡轮带动推进螺旋桨转动从而产生基本推进力；发动机尾气流经增推装置经尾喷口流向推进螺旋桨桨盘产生尾流增推效应，从而提高推进螺旋桨效率，即使基本推进力得到提高；在设计点状态下，旋翼下洗气流流经推进螺旋桨桨盘，实现旋翼洗流增推效应，使推进螺旋桨产生的基本推进力再一次得到提升。

3、本发明所涉及的推进系统主要通过涡轴发动机尾气废功来产生推进力，通过旋翼洗流来提高推进力，因此能量利用效率高。

4、本发明所涉及的推进系统发动机尾气通过尾喷口流向推进螺旋桨桨盘并与空气充分混合，因此直升机的红外隐身特性更好。

5、应用本发明中提到的推进系统的高速共轴双旋翼直升机，其在设计点状态的前飞推力主要由推进系统产生，设计点状态旋翼不直接提供前飞推力，旋翼桨盘倾角小，因此前飞阻力较小，其在设计点状态的升阻特性、速度特性更优。

附图说明

图1为推进系统各组部件总体布置示意图

图2为推进装置剖面示意图

图3为推进装置三维示意图

图4为尾流增推效应示意图

图5为旋翼洗流增推效应示意图

具体实施方式

本发明所涉及的一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统主要通过对发动机尾气的二次利用和在设计点状态下利用旋翼的洗流来提高共轴双旋翼直升机的飞行速度，本发明所述的设计点状态为直升机的高速巡航状态；

一般通过将涡轴发动机的尾气引入下游的推进装置中，推动推进装置中的自由涡轮转动，通过自由涡轮带动尾部的螺旋桨转动来产生提高直升机飞行速度所需的基本推进力，推进系统在工作状态下发动机尾气通过推进装置涵道末端和螺旋桨之间的尾喷口排出体外，排出体外的高速气流流经推进桨桨盘使推进螺旋桨推进效率进一步提高，即使得之前所获得的基本推进力进一步提高，同时，发动机尾气与外界环境大气充分混合，使直升机的红外特性极大的降低，提高了直升机的战场生存率；

在设计点状态下，通过推进螺旋桨和旋翼下洗流场之间合理布局，使螺旋桨处于旋翼的下洗流场中，以提高螺旋桨的推进效率，从而将其基本推进力再一次提高；

在非设计点状态，推进系统需要切换工作模态，本发明中，将直升机的非设计点状态大致分为起降、悬停和其他飞行状态三个剖面；在起降时，直升机尾桨赋予直升机向前的推进速度完全是多余的，因此，在起降时，通过将发动机排气阀门完全打开从而使发动机尾气直接通过发动机排气阀门排出机体，而无需发动机尾气流经机身尾部的推进装置，从而使推进螺旋桨卸载，不在产生向前的推力，通过控制共轴双旋翼桨距和旋翼桨盘倾角使直升机完成起降；在悬停剖面内，其基本原理与在起降剖面内是相同的，也是通过尾桨卸载，通过完全操控共轴双旋翼来完成直升机的悬停状态；而在其他飞行剖面内，机身尾部的推进尾桨依然处于工作状态，经过流经推进螺旋桨的发动机高速尾流提高后的基本推进力的存在性依然能够得到保证，依据发动机在不同工况下的功率的不同，基本推进力的大小会有所差别，但与设计点状态不同的是，推进螺旋桨不一定完全稳定的处在旋翼洗流场中，因此旋翼洗流对推进螺旋桨的推力提升效应在非设计点状态将不再完全重现；

但是，在旋翼洗流为推进螺旋桨增推效应出现的速度点未达到之前，完全通过调整旋翼桨盘倾角来将直升机的飞行速度提到设计点状态，当设计点状态对应的飞行速度较大时，旋翼桨盘倾角带来的阻力太大，不太现实，因此，如何将直升机推力提到设计点状态然后利用旋翼增推效应给推进螺旋桨增推使直升机实现高速巡航飞行是必须要面临的问题，本发明的解决方案是在怠速状态下，通过增加发动机功率和调整推进螺旋桨的桨距来将直升机的飞行速度提高至设计点状态下，当直升机飞行速度达到设计点状态时，旋翼洗流为推进螺旋桨的增推效应重现，当推进螺旋桨位于旋翼洗流场靠近航向前缘位置时，逐渐减小发动机功率和调整尾推螺旋桨桨距维持直升机在设计点状态的飞行，旋翼洗流场大的航向流场区域面积为在设计点状态下发动机功率的过渡提供了可能；

本发明所涉及的旋翼用来提供直升机正常飞行时所需的垂直作用力和操控所需的控制力的同时，通过高速下洗气流来提高推进螺旋桨的推进效率，旋翼系统由上下两套旋翼系统组成，两套旋翼相互反转以平衡自身的扭矩，旋翼的具体设计此处不做详述；

本发明所涉及的发动机仅为涡轮轴发动机，且发动机数量越多，功率越大，应用该系统提高共轴双旋翼直升机飞行速度的效果越好；本发明所涉及的发动机其动力输出包括纵向输出和水平输出两种，纵向输出为动力的主要输出方式，用来为旋翼系统提供驱动力，主要通过机械传动系统来实现动力的纵向输出；水平输出则主要用来驱动机身尾部的推进螺旋桨，水平方向动力的输出方式则主要通过排气管来实现；

本发明所涉及的发动机排气管用以将发动机的尾气废功水平输出到机身尾部的推进系统以驱动推进螺旋桨转动，从而提供直升机提速所需要的推进力；

本发明所涉及的推进装置主要用来提供直升机提速所需要的推进力，进入推进装置涵道的发动机尾流驱动推进装置中的自由涡轮转动，通过自由涡轮带动推进螺旋桨转动，从而提供基本的推进力；

本发明中所涉及的旋翼与推进螺旋桨的位置关系在直升机进行总体方案设计之初应给予充分的考虑，应确保在设计点状态下推进螺旋桨位于旋翼洗流场中且推进螺旋桨和旋翼之间留有足够的安全距离；

本发明所涉及的发动机排气阀门具有开、关两种状态，打开时，进入推进装置的发动机尾气被截断，推进螺旋桨被卸载，发动机尾气从排气阀门排出；关闭时，发动机尾气向下游流动，进入推进装置驱动涡轮转动，从而带动推进螺旋桨转动产生推进力；

本发明所涉及的推进系统中的螺旋桨为变距螺旋桨，可在发动机指定工况下调节桨距的大小来改变推力的大小。

具体的，本实施例提供的新型高速共轴双旋翼直升机推进系统，排气阀门5采用了单块式阀门，前支架13、后支架11分别由4片叶栅型支架组成。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员公知的技术。

Claims (1)

1.一种新型高速共轴双旋翼直升机推进系统，其特征在于，包括排气管3、推进装置4、排气阀门5；

所述排气管3采用直筒型设计，前端与发动机2的机壳末端密封相连，末端与推进装置4的涵道8密封相连，排气管3用以将发动机2的功率横向输出到机身尾部的推进装置4以驱动推进螺旋桨10转动，从而提供直升机提速所需要的基本推进力；

所述排气管3上部安装有排气阀门5；所述排气阀门5具有开、关两种状态，打开时，进入推进装置4的发动机尾气被截断，推进螺旋桨10被卸载，发动机尾气从阀门5排出；关闭时，发动机尾气向下游流动，进入推进装置4的涵道8从而带动推进螺旋桨10转动产生直升机前飞所需的基本推进力；所述排气阀门5可以采用单块式阀门或者多块式阀门设计，其具体设计应保证在阀门关闭时满足排气管的气密性、流场无畸变等基本要求，在打开过程中满足推进装置安全稳定卸载的要求；

所述推进装置4由机壳7、涵道8、前支架13、自由涡轮12、后支架11、涡轮轴6、尾喷口9和推进螺旋桨10组成；

所述机壳7采用多截面圆筒拼装式设计，机壳7主要用来将推进装置4固定在直升机的机身上，机壳7的前端面与涵道8相连，后端面与尾喷口18相连；

所述涵道8采用多截面圆筒状设计，前端与排气管3的末端相连，末端与尾喷口9的前端17相连；所述前支架13、后支架11分别由多片叶栅型支架组成，支架内侧安装在自由涡轮轴轴承上，外侧固定在涵道8的内侧，安装角为0度；

自由涡轮12固定安装在涡轮轴6上，轴向位置与前、后支架等距；

涡轮轴6通过轴承安装在前、后支架上，可变距推进螺旋桨10安装在其末端，自由涡轮通过涡轮轴带动推进螺旋桨10转动产生所需的推力；

尾喷口9采用固定扩张型喷口，前端17与涵道8末端相连，末端18与推进装置机壳7相连。

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