CN113682462A - 推进装置及其可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统 - Google Patents

推进装置及其可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统 Download PDF

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Abstract

本发明技术方案公开了推进装置及其可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，包括涵道外廓；安装于所述涵道外廓中的核心支架；安装于所述核心支架中的推进电机和风扇；所述推进电机中还安装有进口预旋导叶系统，通过所述进口预旋导叶系统实现在所述推进电机转速不变的情况下快速调节所述风扇的加工量，而实现灵活调节推力。本发明通过进口预旋导叶的调节，使推进系统适应从低速到高速的多种不同工况，满足eVTOL不同飞行模式下的推力需求，提高eVTOL巡航速度和巡航效率。同时，通过调节进口预旋导叶偏角，推进系统的推力可以灵活调节，不必等待电机转速改变，从而提高eVTOL垂直起降过程的控制效率，简化控制器设计，提高稳定性。

Description

推进装置及其可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统
技术领域
本发明涉及航空推进装置技术领域，尤其是涉及推进装置及其可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统。
背景技术
电动垂直起降飞机(eVTOL)是一种在当代新能源技术革命下产生的新概念飞行器，使用电力垂直悬停、起飞和着陆。eVTOL的出现和发展得益于纯电动力系统技术(电机、电池、电子控制器)的重大进步。大多数eVTOL的设计都采用了可倾转的动力系统，具备向上和向前两种推进模式，从而实现在垂直起飞后，改变推进系统推进方向，以固定翼形式巡航，获取更高的巡航速度和更远的航程。
当前eVTOL所采用的电动推进装置主要有电驱动螺旋桨和电驱动涵道风扇，这类推进装置有两大不足：
仅适用于低速飞行状态，无法在飞行速度较高时产生飞行器所需的推力，限制了马赫数0.5以上的eVTOL的发展；
通过控制电机转速进行推力调节，这种调节方式对于小尺寸的旋翼或涵道风扇具有较高的灵敏性。而在更大的旋翼或涵道风扇推进装置中，由于转子的转动惯量大，转速调节慢，若仍采用控制电机转速的方式进行推力调节，则会造成推力调节滞后，不利于eVTOL的稳定控制，直接影响飞行安全性。因此eVTOL常采用阵列式的小尺寸旋翼或涵道风扇来获取所需的推力，但这会极大的降低悬停效率、提高巡航阻力，这限制了eVTOL的尺寸和重量。
发明内容
本发明提供一种带可调进口预旋导叶的电驱动涵道风扇推进系统，在低速和较高速工况下均能有效产生推力，并且推力可以快速调节，目的是提高eVTOL的巡航速度和稳定性。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其中，包括：
涵道外廓；
安装于所述涵道外廓中的核心支架；
安装于所述核心支架中的推进电机和风扇；其中
所述推进电机的前端还安装有进口预旋导叶系统，通过所述进口预旋导叶系统实现在所述推进电机转速不变的情况下快速调节所述风扇的加工量，而实现灵活调节推力。
可选地，所述进口预旋导叶系统包括整流头锥、伺服电机、齿轮盘、导叶和支架；所述伺服电机固定于所述整流头锥中，所述伺服电机的输出轴连接所述齿轮盘，所述支架与所述整流头锥固定且将所述齿轮盘覆盖，所述导叶穿过贯通设于所述整流头锥上的安装孔与所述齿轮盘连接。
可选地，所述齿轮盘为伞齿轮，所述导叶包括叶片、轴体和连接体，所述连接体为伞齿轮，所述导叶通过所述连接体与所述齿轮盘啮合安装，所述伺服电机控制所述齿轮盘转动而对所述导叶进行偏转调节。
可选地，所述推进电机包括定子和转子，所述定子的尾端形成有固定支架结构，前端与所述支架安装；所述转子的前端形成输出轴结构，所述输出轴结构与所述风扇连接。
可选地，所述核心支架包括外机匣、中心筒、支撑臂和出口导叶，所述外机匣内壁与所述中心筒前端通过多个均匀分布的所述出口导叶连接，所述中心筒的后端与所述外机匣内壁通过上下两个所述支撑臂连接，所述外机匣前段呈喇叭状开口，后段呈直筒状，所述定子的尾端固定支架结构固定于所述中心筒中。
可选地，所述风扇包括风扇叶盘、均匀圆周分布在所述风扇叶盘上的风扇叶片、用于与所述转子的所述输出轴结构连接的联轴器以及通过推进轴承与所述中心筒安装的轴承架。
可选地，所述涵道外廓包括外整流罩、位于所述外整流罩内壁且用于安装所述核心支架的安装框以及位于所述外整流罩外壁的连接器，所述连接器向下连接至所述支撑臂。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案还提供一种推进装置，其中，包括根据上述中任意一项所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过进口预旋导叶的调节，使推进系统适应从低速到高速的多种不同工况，满足eVTOL不同飞行模式下的推力需求，尤其是告诉飞行状态下的推力需求，提高eVTOL巡航速度和巡航效率。同时，通过调节进口预旋导叶偏角，推进系统的推力可以灵活调节，不必等待电机转速改变，从而提高eVTOL垂直起降过程的控制效率，简化控制器设计，提高稳定性。
附图说明
图1为本发明中可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统的结构示意图；
图2为本发明中可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统的爆炸图；
图3为本发明中核心支架的结构示意图；
图4为本发明中推进电机的结构示意图；
图5为本发明中风扇的结构示意图；
图6为本发明中进口预旋导叶系统的爆炸图；
图7为本发明中进口预旋导叶系统的结构示意图；
图8为本发明中涵道外廓的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参见图1和图2所示，示出了一种实施例的可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其中，包括涵道外廓5；安装于涵道外廓5中的核心支架1；安装于核心支架1中的推进电机2和风扇3；其中推进电机2的前端还安装有进口预旋导叶系统4，进口预旋导叶系统4通过安装于推进电机2前方，位于整个装置的最上游处，即风扇3的前端，通过进口预旋导叶系统4实现在推进电机2转速不变的情况下快速调节风扇的加工量，而实现灵活调节推力。
可选地，进口预旋导叶系统4包括整流头锥18、伺服电机19、齿轮盘20、导叶21和支架22；伺服电机19固定于整流头锥18中，伺服电机19的输出轴连接齿轮盘20，支架22与整流头锥18固定且将齿轮盘20覆盖，导叶21穿过贯通设于整流头锥18上的安装孔与齿轮盘20连接。
可选地，齿轮盘20为伞齿轮，导叶21包括叶片21.a、轴体21.b和连接体21.c，连接体21.c为伞齿轮，导叶21通过连接体21.c与齿轮盘20啮合安装，伺服电机19控制齿轮盘20转动而对导叶21进行偏转调节。
可选地，推进电机2包括定子11和转子12，定子11的尾端形成有固定支架结构，前端与支架22安装；转子12的前端形成输出轴13结构，输出轴13结构与风扇3连接。
可选地，核心支架1包括外机匣7、中心筒10、支撑臂8和出口导叶9，外机匣7内壁与中心筒10前端通过多个均匀分布的出口导叶9连接，中心筒10的后端与外机匣7内壁通过上下两个支撑臂8连接，外机匣7前段呈喇叭状开口，后段呈直筒状，定子11的尾端固定支架结构固定于中心筒10中。
可选地，风扇3包括风扇叶盘15、均匀圆周分布在风扇叶盘15上的风扇叶片14、用于与转子12的输出轴13结构连接的联轴器16以及通过推进轴承6与中心筒10安装的轴承架17。
可选地，涵道外廓5包括外整流罩24、位于外整流罩24内壁且用于安装核心支架1的安装框23以及位于外整流罩24外壁的连接器25，连接器25向下连接至支撑臂8。
本发明的工作原理是：推进电机2驱动风扇3高速旋转。来流经进气唇口，通过进口预旋导叶21、风扇3和出口导叶9构成的叶片系统增压后，加速从涵道喷管高速喷出，从而产生推力。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案还提供一种推进装置，其中，包括根据上述中任意一项的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统。
通过以下说明进一步地认识本发明的特性及功能。
如图1和图2所示，本实施例包括核心支架1、推进电机2、风扇3、进口预旋导叶系统4、涵道外廓5和推进轴承6等。其中，
如图3所示，本实施例的核心支架1包括外机匣7、支撑臂8、出口导叶9和中心筒10。外机匣7前段为喇叭状开口，后段为直筒状，起到构成涵道内壁和包容内部叶轮装置的作用。支撑臂8位于外机匣后端，形状为柱形，截面为流线型且内部中空，支撑臂8两端分别连接外机匣7和中心筒10，起到固定的作用，内部作为线束的通路。支撑臂8共两个，分别位于核心支架1的正上侧和正下侧的位置。出口导叶9位于支撑臂8的上游，一端固定在中心筒10上，一端固定在外机匣7上，起到将风扇3出口处旋转的气流增压和导向的作用。出口导叶9共12个，沿推进系统轴线中心对称分布。中心筒10用于固定推进电机2和推进轴承6，其后端为锥形整流罩，内部中空，最前端为推进轴承6的安装基座。
如图4所示，本实施例的推进电机2为高速无刷直流电机，包括定子11和转子12两部分。定子11外形为圆筒，后端有与核心支架中心筒10相连的固定支架，前端有进口预旋导叶系统支架22的安装点位。转子12外形为空心圆筒，其内壁经轴承与定子11接触，前端为输出轴13，可与风扇联轴器16栓接。
如图5所示，本实施例的风扇3包括风扇叶片14和风扇叶盘15。其中，风扇叶片14共10个，沿风扇轴线中心对称分布。风扇叶盘15包括用于固定风扇叶片的榫槽，用于和推进电机2转子输出轴13连接的联轴器16以及用于与核心支架1中心筒10通过推进轴承6(如图6所示)相连的轴承架17。风扇叶盘15是中空的，为进口预旋导叶系统4的安装预留空间。
如图6和图7所示，本实施例的进口预旋导叶系统4包括整流头锥18、伺服电机19、齿轮盘20、导叶21和支架22。整流头锥18实现为后部的中心筒10整流的功能，同时作为进口预旋导叶系统4的结构框架，带有沿推进系统轴线中心对称分布的导叶安装孔。伺服电机19固定于整流头锥18上，其输出轴与推进系统轴线重合，用于驱动齿轮盘20。齿轮盘20为伞齿轮，固定于伺服电机19的输出轴上，可与导叶21的伞齿轮啮合，带动导叶21进行偏转。所述导叶21包含叶片21.a、轴体21.b和伞齿轮21.c，通过轴体21.b连接到整流头锥18，可自由旋转。所述导叶21共12个，沿推进系统轴线中心对称分布。所述支架22一端与所述整流头锥18的后部相连，另一端与推进电机的定子11相连。
如图8所示，本实施例的涵道外廓5包括安装框23、外整流罩24和连接器25。安装框24与核心支架外机匣7相连接，起结构加强作用。连接器25下端与核心支架支撑臂8相连接，上端可安装在飞行器发动机安装点位上，是整个推进系统的吊挂结构部件。
本发明的核心在于在常规的电驱动涵道风扇推进装置的布局上，增加可调节的进口预旋导叶，该导叶可同时实现两个目的：
提供风扇入口的反预旋，增大风扇气流偏转角，提高风扇加功量。这一设计在实质上是分担了出口导叶的负荷，使得整个风扇级的负载得以提升，提高了推进系统在高速来流下的推力。
通过调节导向叶片的偏角也可实现在电机转速不变的条件下，快速调节风扇加功量，从而灵活调节推力。
综上所述，本发明通过进口预旋导叶的调节，使推进系统适应从低速到高速的多种不同工况，满足eVTOL不同飞行模式下的推力需求，尤其是告诉飞行状态下的推力需求，提高eVTOL巡航速度和巡航效率。同时，通过调节进口预旋导叶偏角，推进系统的推力可以灵活调节，不必等待电机转速改变，从而提高eVTOL垂直起降过程的控制效率，简化控制器设计，提高稳定性。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，包括：
涵道外廓；
安装于所述涵道外廓中的核心支架；
安装于所述核心支架中的推进电机和风扇；其中
所述推进电机的前端还安装有进口预旋导叶系统，通过所述进口预旋导叶系统实现在所述推进电机转速不变的情况下快速调节所述风扇的加工量，而实现灵活调节推力。
2.根据权利要求1所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，所述进口预旋导叶系统包括整流头锥、伺服电机、齿轮盘、导叶和支架；所述伺服电机固定于所述整流头锥中，所述伺服电机的输出轴连接所述齿轮盘，所述支架与所述整流头锥固定且将所述齿轮盘覆盖，所述导叶穿过贯通设于所述整流头锥上的安装孔与所述齿轮盘连接。
3.根据权利要求2所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，所述齿轮盘为伞齿轮，所述导叶包括叶片、轴体和连接体，所述连接体为伞齿轮，所述导叶通过所述连接体与所述齿轮盘啮合安装，所述伺服电机控制所述齿轮盘转动而对所述导叶进行偏转调节。
4.根据权利要求2所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，所述推进电机包括定子和转子，所述定子的尾端形成有固定支架结构，前端与所述支架安装；所述转子的前端形成输出轴结构，所述输出轴结构与所述风扇连接。
5.根据权利要求4所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，所述核心支架包括外机匣、中心筒、支撑臂和出口导叶，所述外机匣内壁与所述中心筒前端通过多个均匀分布的所述出口导叶连接，所述中心筒的后端与所述外机匣内壁通过上下两个所述支撑臂连接，所述外机匣前段呈喇叭状开口，后段呈直筒状，所述定子的尾端固定支架结构固定于所述中心筒中。
6.根据权利要求5所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，所述风扇包括风扇叶盘、均匀圆周分布在所述风扇叶盘上的风扇叶片、用于与所述转子的所述输出轴结构连接的联轴器以及通过推进轴承与所述中心筒安装的轴承架。
7.根据权利要求5所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统，其特征在于，所述涵道外廓包括外整流罩、位于所述外整流罩内壁且用于安装所述核心支架的安装框以及位于所述外整流罩外壁的连接器，所述连接器向下连接至所述支撑臂。
8.一种推进装置，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任意一项所述的一种可调进口预旋导叶电驱动涵道风扇推进系统。
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