CN114856823A - 一种风冷式转子发动机的冷却结构及无人机 - Google Patents

一种风冷式转子发动机的冷却结构及无人机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风冷式转子发动机的冷却结构及无人机，属于发动机技术领域。发动机包括缸体及分别固定连接于缸体两端的前端盖和后端盖，冷却结构包括环绕发动机的圆周外壁呈辐射状设置的周向散热筋及设置于发动机两端并沿轴向延伸的端盖散热筋；周向散热筋包括设置于缸体圆周外壁的缸体周向散热筋，端盖散热筋包括设置于前端盖和后端盖外壁的端盖轴向散热筋。该冷却结构应用于转子发动机，结构设计精巧合理，发动机的外形体积小，冷却结构布局紧凑集成度高；通过多种散热筋，提高了发动机运作过程的散热效率，同时提高了发动机的整体强度，并利于整机功重比的提升；解决了风冷式转子发动机轴距系数较大及转子较厚的情况下，转子的热负荷问题。

Description

一种风冷式转子发动机的冷却结构及无人机
技术领域
本发明属于转子发动机技术领域，尤其设计一种风冷式转子发动机的冷却结构及无人机。
背景技术
小型航空转子发动机的功重比及油耗介于涡喷涡扇与活塞机之间，其具有零部件数量少，结构紧凑，功重比高，工作振动小，噪声小等优点。高工作效率、高紧凑性、空中工作稳定的小型航空转子发动机的是小型无人机最佳的动力配置。而现有小型航空风冷转子发动机产品化程度低、冷却效果差及设计与工艺水平仍停留在上个世纪，在某些应用场景下（如巡飞弹的体积与结构受约束的情况下），更是难以满足小型航空转子发动机对小体积、高紧凑型、散热效率、高效稳定工作的应用需求。
本专利根据风冷式转子发动机的传热与对流特点为切入口，增加了风冷式转子发动机的缸体厚度，在保证散热面积及散热功率不变的前提下，拓扑优化重新布置热结构，减小发动机本身的周向尺寸，增加冷却结构的周向尺寸，提高结构强度，使得发动在性能不衰减的情况下整体体积得到了优化、冷却效果得到提升，同时满足较为苛刻的外形尺寸要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有的发动机存在着上述的问题，提供了一种结构设计合理紧凑，发动机整体强度高、冷却效率高，解决了转子的热负荷问题的风冷式转子发动机的冷却结构及无人机。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种风冷式转子发动机的冷却结构，所述发动机包括缸体及分别固定连接于所述缸体两端的前端盖和后端盖，所述冷却结构包括环绕所述发动机的圆周外壁呈辐射状设置的周向散热筋及设置于发动机两端并沿轴向延伸的端盖散热筋；所述周向散热筋包括设置于所述缸体圆周外壁的缸体周向散热筋，所述端盖散热筋包括设置于所述前端盖和后端盖外壁的端盖轴向散热筋。
优选的，所述发动机还包括设于所述缸体内部的转子组件及沿轴向与所述转子组件配合的主轴组件；所述转子组件上开设有通风口，所述前端盖和后端盖上分别设有与所述通风口相贯通的第一冷却风口和第二冷却风口，所述前端盖的外侧连接与所述第一冷却风口相贯通的冷却风道。
优选的，所述主轴组件包括主轴，所述主轴位于转子组件的两侧分别为靠近前端盖的前主轴颈和靠近后端盖的后主轴颈，所述后主轴颈延伸出所述后端盖并连接有离心风机和配重块，所述离心风机与所述第二冷却风口相贯通。
优选的，所述周向散热筋还包括分别呈辐射状分布于前端盖和后端盖的圆周外壁的前端盖周向散热筋和后端盖周向散热筋，所述前端盖周向散热筋、缸体周向散热筋、后端盖周向散热筋相对应；所述缸体周向散热筋的两端分别延伸出所述缸体的两端。
优选的，所述缸体周向散热筋的圆周外侧延伸出所述缸体的两端并形成突出部，所述前端盖周向散热筋、后端盖周向散热筋靠近缸体周向散热筋的一侧形成有与所述突出部相适配的内凹部。
优选的，所述散热筋的高度大于所述缸体的厚度；所述前端盖周向散热筋、缸体周向散热筋、后端盖周向散热筋自靠近发动机的一端至远离发动机的一端的横截面积均逐渐减小。
优选的，所述前端盖周向散热筋、缸体周向散热筋、后端盖周向散热筋的截面均为梯形或三角形。
优选的，所述缸体、前端盖、后端盖之间通过螺栓固定连接，所述缸体、前端盖、后端盖沿圆周方向设有与所述螺栓相适配的螺栓孔。
优选的，所述缸体的内部形成有截面为“8”字形的工作腔，所述端盖轴向散热筋包括与所述工作腔相对应的外圈“8”字形散热筋及位于外圈“8”字形散热筋内侧的内圈“8”字形散热筋。
优选的，所述前端盖和后端盖的外壁沿轴向延伸有轴承搭子，所述轴承搭子的外壁设有呈辐射状分布的第一主轴承搭子散热筋，所述前端盖和后端盖的外壁还设有环形的第二主轴承搭子散热筋；所述第一主轴承搭子散热筋的两端分别连接于所述轴承搭子的外壁和所述第二主轴承搭子散热筋的内壁；所述第二主轴承搭子散热筋的圆周外壁呈辐射状分布有交叉散热筋，所述交叉散热筋的两端分别连接于所述第二主轴承搭子散热筋的外壁及所述外圈“8”字形散热筋的内壁。
一种无人机，包括风冷式发动机及上述的冷却结构。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：该冷却结构应用于转子发动机，结构设计精巧合理，发动机的外形体积小，冷却结构布局紧凑集成度高；通过设置多种散热筋，提高了发动机运作过程的散热效率，同时提高了发动机的整体强度，并利于整机功重比的提升；解决了风冷式转子发动机轴距系数较大及转子较厚的情况下，转子的热负荷问题，提高了转子发动机的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例中转子发动机的分解示意图；
图2是本发明实施例中前端盖的结构示意图；
图3是本发明实施例中转子组件与主轴组件配合的结构示意图；
图4是本发明实施例中缸体的结构示意图；
图5是本发明实施例中后端盖的结构示意图；
图6是本发明实施例中转子发动机的结构示意图；
图中：1为前端盖，101为前端盖周向散热筋，102为前端盖外圈“8”字形散热筋，103为前端盖交叉散热筋，104为前端盖内圈“8”字形散热筋，105为第一冷却风口，106为前端盖第一主轴承搭子加强筋，107为冷却风道，108为第一螺栓搭子散热筋，109为前端盖第二主轴承搭子散热筋，110为第一定位销搭子，111为第一螺栓孔搭子，2为转子组件，201为通风口，3为缸体，301为缸体周向散热筋，302为排气口，303为进气口，304为第三定位销搭子，305为第三螺栓孔搭子，306为环形加强筋，307为火花塞孔，308为缸体工作面，4为主轴组件，401为前主轴颈，402为后主轴颈，403为离心风机，404为配重块，405为输出端螺栓，5为后端盖，501为后端盖周向散热筋，502为第二螺栓搭子散热筋，503为后端盖交叉散热筋，504为后端盖内圈“8”字形散热筋，505为后端盖第二主轴承搭子散热筋，506为第二冷却风口，507为第二螺栓孔搭子，508为第二定位销搭子，509为后端盖外圈“8”字形散热筋，510为排风口。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
另外，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申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例：参考图1-图6所示，本实施例主要针对现有的转子发动机的散热结构不合理或散热效果差或整体强度低等一些问题，提供了一种风冷式转子发动机的冷却结构，图1和图6分别为转子发动机的分解示意图和结构示意图，该发动机包括缸体及分别固定连接于所述缸体3两端的前端盖1和后端盖5，缸体3的内部形成有截面为“8”字形的工作腔，因此发动机整体为圆形或椭圆形或“8”字形的环形结构；缸体3的外壁开设有与工作腔相连通的进气口303、排气口302以及火花塞孔307；发动机还包括设于缸体3内部的转子组件2及沿轴向与转子组件2配合的主轴组件4，主轴组件4的两端沿轴向分别穿过前端盖1和后端盖5；转子组件2位于工作腔内，工作腔的内壁形成“8”字形的内壁，转子组件2包括三角形的转子，转子在主轴组件4的约束下在缸体3内部做旋转运动。
具体的，冷却结构包括环绕发动机的圆周外壁呈辐射状设置的周向散热筋及设置于发动机两端并沿轴向延伸的端盖散热筋；在本实施例中，如图4所示，周向散热筋包括设置于缸体3圆周外壁的缸体周向散热筋301，周向散热筋为长条形的片状结构，缸体周向散热筋301与缸体3的轴线方向平行，若干缸体周向散热筋301环绕缸体的外壁等距分布；端盖散热筋包括设置于前端盖1的前端盖轴向散热筋及设置于后端盖5的后端盖轴向散热筋，端盖轴向散热筋一端与端盖的外侧连接，另一端朝向远离缸体3的一侧延伸；本实施例中的周向散热筋和端盖轴向散热筋既可以达到散热的效果，提高发动机的冷却效率，也可以达到提高缸体3和端盖的强度的效果，从而提高发动机整体的强度。
具体的，周向散热筋还包括分别呈辐射状分布于前端盖1和后端盖5的圆周外壁的前端盖周向散热筋101和后端盖周向散热筋501，通过前端盖周向散热筋101和后端盖周向散热筋501以便于对前端盖和后端盖的圆周方向进行散热；在本实施例中，前端盖周向散热筋101、缸体周向散热筋301、后端盖周向散热筋501相对应，进一步的，缸体周向散热筋301的两端分别与前端盖周向散热筋101和后端盖周向散热筋501之间距离较小，以便于缸体周向散热筋301进行热传导，达到进一步提高对缸体3温度的散热效果。
进一步的实施例中，缸体周向散热筋301的两端分别延伸出缸体3的两端，从而增加缸体周向散热筋301的长度，以提高对缸体3的散热效果。缸体周向散热筋301的圆周外侧延伸出缸体3的两端并形成突出部，前端盖周向散热筋101、后端盖周向散热筋501靠近缸体周向散热筋301的一侧形成有与突出部相适配的内凹部，通过设置突出部和内凹部，以提高缸体周向散热筋301的两端分别与前端盖周向散热筋101和后端盖周向散热筋501之间热传导面积，从而提高热传导效率。
本实施例中，缸体3的两端形成有缸体工作面308，缸体周向散热筋301的突出部在两个缸体工作面308的厚度方向形成台阶，缸体厚度方向的缸体外壁分布有环形加强筋306，环形加强筋306的数量为一个或多个，多个环形加强筋306环绕缸体的外壁沿轴向分布，这样使得缸体的整个体积外形较小，强度好，散热面积充足。
具体的，散热筋的高度大于缸体3的厚度，在保障散热面积的前提下，减小缸体周向尺寸；前端盖周向散热筋101、缸体周向散热筋301、后端盖周向散热筋501自靠近发动机的一端至远离发动机的一端横截面积逐渐减小，即周向散热筋自根部至尖部形成一定的锥度，提高了发动机与周向散热筋的接触面积，同时扩大了相邻散热筋之间的间隙，发动机在空中开流的作用下对周向散热筋的端部进行冷却，这样加强了热传递效果，降低了缸体的热负荷。在一具体的实施例中，前端盖周向散热筋101、缸体周向散热筋301、后端盖周向散热筋501的截面为梯形或三角形。
具体的，缸体3、前端盖1、后端盖5之间通过定位销进行定位后再通过螺栓固定连接，缸体3、前端盖1、后端盖5沿圆周方向设有与螺栓相适配的螺栓孔。在本实施例中，前端盖1的圆周边缘上设有第一定位销搭子110（即定位销孔）、第一螺栓孔搭子111（即螺栓孔），前端盖1的外壁还设有环绕第一螺栓孔搭子111的第一螺栓搭子散热筋108，从而提高第一螺栓孔搭子111的强度及散热效果；后端盖5的圆周边缘上设有第二定位销搭子508、第二螺栓孔搭子507，后端盖5的外壁还设有环绕第二螺栓孔搭子507的第二螺栓搭子散热筋502，从而提高第二螺栓孔搭子507的强度及散热效果；缸体的圆周边缘上设有第三定位销搭子304、第三螺栓孔搭子，定位销依次穿过第一定位销搭子110、第三定位销搭子304、第二定位销搭子508，再由螺栓依次穿过第一螺栓孔搭子111、第三螺栓孔搭子、第二螺栓搭子，从而对前端盖1、缸体3、后端盖5进行装配。
具体的，缸体3的内部形成有截面为“8”字形的工作腔，端盖轴向散热筋包括设置于前端盖1外壁并与工作腔相对应的前端盖外圈“8”字形散热筋102和后端盖5外壁的后端盖外圈“8”字形散热筋509，前端盖外圈“8”字形散热筋102的内侧设有前端盖内圈“8”字形散热筋104，后端盖外圈“8”字形散热筋509的内侧设有后端盖内圈“8”字形散热筋504，该结构可进一步提高前端盖和后端盖的强度和散热效果。
具体的，如图2所示，前端盖1的外壁沿轴向延伸有筒状的前端盖轴承搭子（即轴承孔），前端盖轴承搭子的外壁设有呈辐射状分布的前端盖第一主轴承搭子加强筋106，前端盖的外壁还设有环形的第前端盖第二主轴承搭子散热筋109，前端盖第二主轴承搭子散热筋109与前端盖轴承搭子同轴设置，既可以提高前端盖轴承搭子的强度也可以提高其散热效率；前端盖第一主轴承搭子加强筋106的两端分别连接于前端盖轴承搭子的外壁和前端盖第二主轴承搭子散热筋109的内壁；前端盖第二主轴承搭子散热筋109的圆周外壁呈辐射状分布有前端盖交叉散热筋103，前端盖交叉散热筋103的两端分别连接于前端盖第二主轴承搭子散热筋109的外壁及前端盖外圈“8”字形散热筋102的内壁；在本实施例中，前端盖交叉散热筋103与前端盖内圈“8”字形散热筋104相垂直。
如图5所示，后端盖5的外壁沿轴向延伸有筒状的后端盖轴承搭子（即轴承孔），后端盖轴承搭子的外壁设有呈辐射状分布的后端盖第一主轴承搭子加强筋，后端盖的外壁还设有环形的后端盖第二主轴承搭子散热筋505，后端盖第二主轴承搭子散热筋505与后端盖轴承搭子同轴设置，既可以提高后端盖轴承搭子的强度也可以提高其散热效率；后端盖第一主轴承搭子加强筋的两端分别连接于后端盖轴承搭子的外壁和后端盖第二主轴承搭子散热筋505的内壁；后端盖第二主轴承搭子散热筋505的圆周外壁呈辐射状分布有后端盖交叉散热筋503，后端盖交叉散热筋503的两端分别连接于后端盖第二主轴承搭子散热筋505的外壁及后端盖外圈“8”字形散热筋509的内壁；在本实施例中，后端盖交叉散热筋503与后端盖内圈“8”字形散热筋504相垂直。
具体的，如图3所示，主轴组件4包括主轴，主轴穿过转子组件2并与转子之间通过相位齿轮配合，转子在主轴和相位齿轮的约束下在缸体3内部做旋转运动，主轴的两端分别穿出前端盖和后端盖。转子组件2上开设有通风口201，通风口201的数量可以为一个或多个，在本实施例中，通风口201的数量为三个并位于转子的三个角的位置；前端盖1和后端盖5上分别设有与通风口201相贯通的第一冷却风口105和第二冷却风口506，前端盖的外侧连接与第一冷却风口105相贯通的冷却风道107；进一步的，冷却风道107为弧形管道数量为两个，并位于前端盖子的两侧对称分布，一个冷却风道107对应有两个第一冷却风口105，两个冷却风道107和四个冷却风口为转子冷却来流起始端，转子运行过程中，风流依次经过冷却风道107、第一冷却风口105、通风口201、第二冷却风口506，以达到对转子降温的效果。
主轴位于转子组件2的两侧分别为靠近前端盖的前主轴颈401和靠近后端盖的后主轴颈402，后主轴颈402延伸出后端盖并连接有离心风机403和配重块404；配重块404通过输出端螺栓405固定于后主轴颈402上，并随后主轴颈402的转动而转动，配重块404能够对后主轴颈402转动时产生的不平衡量进行处理，从而起到降低转子发动机震动的目的。离心风机403与第二冷却风口506相贯通，离心风机403可加速依次经过冷却风道107、第一冷却风口105、通风口201、第二冷却风口506的风流，并最终从离心风机403的排风口510排出，达到对通风口201强制冷却的效果，解决了轴距系数较大的转子发动机转子的热负荷问题。
本发明还提供了一种无人机，该无人机包括风冷式转子发动机及上述实施例中应用于风冷式转子发动机上的冷却结构。
该转子发动机冷却结构设计精巧合理，发动机的外形体积小，冷却结构布局紧凑集成度高；通过设置多种散热筋，提高了发动机运作过程的散热效率，同时提高了发动机的整体强度，并利于整机功重比的提升；解决了风冷式转子发动机轴距系数较大及转子较厚的情况下，转子的热负荷问题，提高了转子发动机的工作效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种风冷式转子发动机的冷却结构，所述发动机包括缸体及分别固定连接于所述缸体两端的前端盖和后端盖，其特征在于，所述冷却结构包括环绕所述发动机的圆周外壁呈辐射状设置的周向散热筋及设置于发动机两端并沿轴向延伸的端盖散热筋；所述周向散热筋包括设置于所述缸体圆周外壁的缸体周向散热筋，所述端盖散热筋包括设置于所述前端盖和后端盖外壁的端盖轴向散热筋。
2.根据权利要求1所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述发动机还包括设于所述缸体内部的转子组件及沿轴向与所述转子组件配合的主轴组件；所述转子组件上开设有通风口，所述前端盖和后端盖上分别设有与所述通风口相贯通的第一冷却风口和第二冷却风口，所述前端盖的外侧连接与所述第一冷却风口相贯通的冷却风道。
3.根据权利要求2所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述主轴组件包括主轴，所述主轴位于转子组件的两侧分别为靠近前端盖的前主轴颈和靠近后端盖的后主轴颈，所述后主轴颈延伸出所述后端盖并连接有离心风机和配重块，所述离心风机与所述第二冷却风口相贯通。
4.根据权利要求1所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述周向散热筋还包括分别呈辐射状分布于前端盖和后端盖的圆周外壁的前端盖周向散热筋和后端盖周向散热筋，所述前端盖周向散热筋、缸体周向散热筋、后端盖周向散热筋相对应；所述缸体周向散热筋的两端分别延伸出所述缸体的两端。
5.根据权利要求3所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述缸体周向散热筋的圆周外侧延伸出所述缸体的两端并形成突出部，所述前端盖周向散热筋、后端盖周向散热筋靠近缸体周向散热筋的一侧均形成有与所述突出部相适配的内凹部。
6.根据权利要求3所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述散热筋的高度大于所述缸体的厚度；所述前端盖周向散热筋、缸体周向散热筋、后端盖周向散热筋自靠近发动机的一端至远离发动机的一端的横截面积均逐渐减小。
7.根据权利要求5所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述前端盖周向散热筋、缸体周向散热筋、后端盖周向散热筋的截面均为梯形或三角形。
8.根据权利要求1所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述缸体的内部形成有截面为“8”字形的工作腔，所述端盖轴向散热筋包括与所述工作腔相对应的外圈“8”字形散热筋及位于外圈“8”字形散热筋内侧的内圈“8”字形散热筋。
9.根据权利要求8所述的风冷式转子发动机的冷却结构，其特征在于，所述前端盖和后端盖的外壁沿轴向延伸有轴承搭子，所述轴承搭子的外壁设有呈辐射状分布的第一主轴承搭子散热筋，所述前端盖和后端盖的外壁还设有环形的第二主轴承搭子散热筋；所述第一主轴承搭子散热筋的两端分别连接于所述轴承搭子的外壁和所述第二主轴承搭子散热筋的内壁；所述第二主轴承搭子散热筋的圆周外壁呈辐射状分布有交叉散热筋，所述交叉散热筋的两端分别连接于所述第二主轴承搭子散热筋的外壁及所述外圈“8”字形散热筋的内壁。
10.一种无人机，其特征在于，包括风冷式发动机及如权利要求1-9任意一项所述的冷却结构。
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