CN114893342A - 一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空应急动力技术领域，涉及一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统。该系统安装于飞机机头或飞机翼身整流罩内部，由两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置构成，两台装置关于飞机对称面左右对称布置于机身内部。每台装置能同时带动发电机和液压系统，也能一台装置带动发电机、另一台装置带动液压系统。本发明提高了冲压空气涡轮效率，减小涡轮尺寸和重量；垂直轴冲压空气涡轮装置不需要收放，仅需风门控制打开进气道，省去了收放机构、固定支架、舱门，装置占用空间小，可以将装置固定于机身内部；两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置为应急能源系统提供了系统冗余，降低系统失效概率，提高了飞机安全性。

Description

一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统
技术领域
本发明属于航空应急动力技术领域，涉及一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统。
背景技术
根据适航标准第25.671条规定，飞机必须设计成在所有发动机都失效的情况下仍可操纵。
根据适航标准第25.903条规定，对于涡轮发动机飞机，如果在飞行中所有发动机停车后，发动机的最小风车转速不足以提供发动机点火所需电功率，则必须有一个不依赖于发动机驱动的发电系统的电源，以便能在飞行中对发动机进行再起动。
根据适航标准第25.1351条规定，无正常电源时的运行，当正常电源(除蓄电池之外的电源)不工作，燃油(从熄火和重新起动能力考虑)为临界状态，且飞机最初处于最大审定高度的情况下，飞机能按目视飞行规则安全飞行至少五分钟。
为满足上述适航标准规定，常规客机机身内部通常布置有一套冲压空气涡轮系统，通常称为RAT系统。当飞机动力系统失效时，冲压空气涡轮系统能够提供飞机继续安全飞行和着陆所需要的能源，并且该能源必须满足机上重要用电设备的需求及液压系统的需求。
目前服役的机型中，冲压空气涡轮系统通常设计成可收放式的水平轴冲压空气涡轮。在冲压空气涡轮系统不工作时，涡轮收入机身内部。当冲压空气涡轮系统工作时，机身打开舱门伸出涡轮，飞机外部空气驱动涡轮转动，涡轮带动发电机或液压泵为飞机提供应急能源。当飞机着陆或飞机动力系统恢复后，涡轮停转并收回机身内，舱门关闭，涡轮系统停止工作。
目前服役的机型中，冲压空气涡轮系统通常布置于飞机机头或翼身整流罩内部。相应地，机头或翼身整流罩内部需为冲压空气涡轮系统设计独立的空间，以及支撑涡轮收放机构和安装涡轮收放伺服机构的固定支架。
上述可收放式的水平轴冲压空气涡轮系统在设计和使用中有诸多缺点。
上述收放机构、伺服机构和涡轮体积庞大，侵占了大量机身空间，影响了机身内部设备布置。当冲压空气涡轮系统布置于翼身整流罩内部时，翼身整流罩外形需向外扩大以提供足够空间，影响了飞机气动性能。当冲压空气涡轮系统布置于机头时，由于机头为气密区，机身需要设计气密的冲压空气涡轮舱以装载收放机构、伺服机构和涡轮，不但影响机头设置布置，还增加了机头设计难度和结构重量。
当上述可收放式的水平轴空气涡轮系统工作时，需先将涡轮伸出机身外，伸出时需要将叶片锁紧，防止叶片未完全伸出便被空气驱动打伤机身。当涡轮完全伸出后，涡轮系统才开始工作，拖延了涡轮系统启动时间。
当上述可收放式的水平轴空气涡轮伸出机身外工作时，叶片转动方向与机身横截面平行，即当发生转子爆破时，叶片有概率飞入机身内，对飞机和人员安全构成威胁。
由于上述可收放式的水平轴空气涡轮占用空间大、布置困难，所以目前服役的机型中，通常只布置一套冲压空气涡轮系统。若在飞机动力系统失效同时，冲压空气涡轮系统也无法正常工作，将对飞机飞行安全构成极大威胁。
如何设计出占用空间小，启动快，安全系数高的冲压空气涡轮系统，便成为了应急动力技术的关键。
在风力机设计领域，除水平轴式风力机外，还有垂直轴式风力机技术，即叶片旋转轴与气流方向垂直。该技术已逐步放开，中国发明专利公开号为CN101493072A中，公开了一种带有聚风装置的垂直轴风力机技术。中国发明专利公开号为CN106870280A中，公开了一种带导风轮的垂直轴风力机技术。中国发明专利公开号为CN202451365U中，公开了一种垂直轴风力机制动装置产品。
将垂直轴式风力机技术应用于飞机冲压空气涡轮装置中，可获得多项优势，如启动风速小、噪音小、转动半径小、能量输出曲线平直等。此外，应用垂直轴冲压空气涡轮装置时，不需要收放机构，装置占用空间小，可以将装置固定于机身内部，并布置两台装置以提供系统冗余，降低系统失效概率。
发明内容
本发明提供一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，该系统将垂直轴式风力机技术应用于飞机冲压空气涡轮系统，能够提高飞机安全性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，该系统安装于飞机机头或飞机翼身整流罩内部，由两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置构成，两台装置关于飞机对称面左右对称布置于机身内部，两台装置的结构元件关于飞机对称面对称。每台装置能同时带动发电机和液压系统，也能一台装置带动发电机、另一台装置带动液压系统；统使用的冲压空气涡轮为垂直轴式，即涡轮旋转轴垂直于气流方向；每台涡轮装置包括进气风门1、进气风门弹簧2、进气道3、垂直轴冲压空气涡轮4、冲压空气涡轮舱5、发电机6、液压泵7、排气管8、排气风门9、风门锁10。
进气风门1与进气风门弹簧2连接，受进气风门弹簧2操控；进气风门1和排气风门9关闭时，依靠风门锁10锁紧，风门锁10与飞机管理计算机连接，受飞机驾驶员操控；当飞机正常工作时，进气风门1和排气风门9关闭，进气风门弹簧2处于拉伸状态，风门锁10处于待击发状态，系统不工作，处于待机状态；当飞机动力系统失效无法重启时，飞机驾驶员开启应急能源开关，风门锁10开启，进气风门1受进气风门弹簧2拉力而打开，飞机外部空气被引入进气道3，之后进入冲压空气涡轮舱5，驱动垂直轴冲压空气涡轮4运转之后，进入排气管8，排气风门9受排气管8内空气和飞机外部气流作用而打开，排气管8内空气通过排气管口流向飞机外部。
机身壁板布置开口作为进气道口和排气管口，沿涡轮旋转轴方向投影，进气道3为长直形，排气管8为弧形。
垂直轴冲压空气涡轮4安装于冲压空气涡轮舱5内部，冲压空气涡轮舱5为扁圆形，在涡轮旋转的进气和出气方向设置开口并与进气道3和排气管8连接。
垂直轴冲压空气涡轮4与发电机6和液压泵7连接，当垂直轴冲压空气涡轮4运转，可同时带动发电机6和液压泵7工作，为飞机提供电力和液压动力；当飞机着陆后，地面操作人员可手动将进气风门1和排气风门9恢复至关闭状态，垂直轴冲压空气涡轮4停转，应急能源系统随之停止工作。
本发明提高了冲压空气涡轮效率，减小涡轮尺寸和重量；垂直轴冲压空气涡轮装置不需要收放，仅需风门控制打开进气道，省去了收放机构、固定支架、舱门，装置占用空间小，可以将装置固定于机身内部；两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置为应急能源系统提供了系统冗余，降低系统失效概率，提高了飞机安全性。
附图说明
图1是本发明系统布置于翼身整流罩内部的示意图。
图2是本发明系统布置于翼身整流罩内部的示意图。
图3是本发明系统进气风门关闭状态的示意图。
图4是本发明系统排气风门关闭状态的示意图。
图5是本发明系统布置于飞机机头内部的示意图。
图6是本发明系统布置于飞机机头内部的示意图。
图7是本发明系统置于飞机机头内部时，进气风门关闭状态的示意图。
图8是本发明系统置于飞机机头内部时，排气风门关闭状态的示意图。
图中：1进气风门；2进气风门弹簧；3进气道；4垂直轴冲压空气涡轮；5冲压空气涡轮舱；6发电机；7液压泵；8排气管；9排气风门；10风门锁；11进气道口；12排气管口。
具体实施方式
下面结合附图及技术方案对本发明的具体实施例进一步的详细说明：
实施例1一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统。
如图1、图2、图3、图4所示，一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，布置于翼身整流罩内部，由两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置构成。每台装置包括进气风门1、进气风门弹簧2、进气道3、垂直轴冲压空气涡轮4、冲压空气涡轮舱5、发电机6、液压泵7、排气管8、排气风门9、风门锁10。
两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置关于飞机对称面左右对称布置于翼身整流罩内部，两台装置的结构元件关于飞机对称面对称。
翼身整流罩壁板布置开口作为进气道口11和排气管口12，沿涡轮旋转轴方向投影，进气道3为长直形，排气管8为弧形。
垂直轴冲压空气涡轮风扇为S形，每台装置共4片扇叶。
垂直轴冲压空气涡轮4安装于冲压空气涡轮舱5内部，冲压空气涡轮舱5为扁圆形，在涡轮旋转的进气和出气方向设置开口并与进气道3和排气管8连接。
当飞机正常工作时，进气风门1和排气风门9关闭，系统不工作，处于待机状态。当飞机动力系统失效无法重启时，飞机驾驶员开启应急能源开关，风门锁10开启，进气风门1受进气风门弹簧2拉力而打开，飞机外部空气被引入进气道3，之后进入冲压空气涡轮舱5，驱动冲压空气涡轮4运转之后，进入排气管8，排气风门9受排气管8内空气和飞机外部气流作用而打开，排气管8内空气通过排气管口12流向飞机外部。
冲压空气涡轮4与发电机和液压泵连接，冲压空气涡轮4运转后，带动发电机和液压泵工作，为飞机提供电力和液压动力。
排气风门设有锁止装置，保证排气风门打开后不再弹回或晃动。
当飞机着陆后，地面操作人员手动将进气风门1和排气风门9恢复至关闭状态，冲压空气涡轮4停转，应急能源系统随之停止工作。
实施例2一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统。
如图5、图6、图7、图8所示，一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，布置于飞机机头内部，由两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置构成。每台装置包括进气风门1、进气风门弹簧2、进气道3、垂直轴冲压空气涡轮4、冲压空气涡轮舱5、发电机6、液压泵7、排气管8、排气风门9、风门锁10。
两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置关于飞机对称面左右对称布置于机头内部，两台装置的结构元件关于飞机对称面对称。
飞机机头壁板布置开口作为进气道口11和排气管口12，向水平面投影，进气道3为长直形，排气管8为弧形。
垂直轴冲压空气涡轮风扇为S形，每台装置共4片扇叶。
垂直轴冲压空气涡轮4安装于冲压空气涡轮舱5内部，冲压空气涡轮舱5为扁圆形，在涡轮旋转的进气和出气方向设置开口并与进气道3和排气管8连接。
当飞机正常工作时，进气风门1和排气风门9关闭，系统不工作，处于待机状态。当飞机动力系统失效无法重启时，飞机驾驶员开启应急能源开关，风门锁10开启，进气风门1受进气风门弹簧2拉力而打开，飞机外部空气被引入进气道3，之后进入冲压空气涡轮舱5，驱动冲压空气涡轮4运转之后，进入排气管8，排气风门9受排气管8内空气和飞机外部气流作用而打开，排气管8内空气通过排气管口12流向飞机外部。
冲压空气涡轮4与发电机和液压泵连接，冲压空气涡轮4运转后，带动发电机和液压泵工作，为飞机提供电力和液压动力。
排气风门设有锁止装置，保证排气风门打开后不再弹回或晃动。
当飞机着陆后，地面操作人员手动将进气风门1和排气风门9恢复至关闭状态，冲压空气涡轮4停转，应急能源系统随之停止工作。

Claims (4)

1.一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，其特征在于：该系统安装于飞机机头或飞机翼身整流罩内部，由两台进气式垂直轴冲压空气涡轮装置构成，两台装置关于飞机对称面左右对称布置于机身内部，两台装置的结构元件关于飞机对称面对称；每台装置能同时带动发电机和液压系统，也能一台装置带动发电机、另一台装置带动液压系统；统使用的冲压空气涡轮为垂直轴式，即涡轮旋转轴垂直于气流方向；每台涡轮装置包括进气风门(1)、进气风门弹簧(2)、进气道(3)、垂直轴冲压空气涡轮(4)、冲压空气涡轮舱(5)、发电机(6)、液压泵(7)、排气管(8)、排气风门(9)、风门锁(10)；
所述的进气风门(1)与进气风门弹簧(2)连接，受进气风门弹簧(2)操控；进气风门(1)和排气风门(9)关闭时，依靠风门锁(10)锁紧，风门锁(10)与飞机管理计算机连接，受飞机驾驶员操控；当飞机正常工作时，进气风门(1)和排气风门(9)关闭，进气风门弹簧(2)处于拉伸状态，风门锁(10)处于待击发状态，系统不工作，处于待机状态；当飞机动力系统失效无法重启时，飞机驾驶员开启应急能源开关，风门锁(10)开启，进气风门(1)受进气风门弹簧(2)拉力而打开，飞机外部空气被引入进气道(3)，之后进入冲压空气涡轮舱(5)，驱动垂直轴冲压空气涡轮(4)运转之后，进入排气管(8)，排气风门(9)受排气管(8)内空气和飞机外部气流作用而打开，排气管(8)内空气通过排气管口流向飞机外部。
2.根据权利要求1所述的一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，其特征在于，机身壁板布置开口作为进气道口和排气管口，沿涡轮旋转轴方向投影，进气道(3)为长直形，排气管(8)为弧形。
3.根据权利要求1所述的一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，其特征在于，所述的垂直轴冲压空气涡轮(4)安装于冲压空气涡轮舱(5)内部，冲压空气涡轮舱(5)为扁圆形，在涡轮旋转的进气和出气方向设置开口并与进气道(3)和排气管(8)连接。
4.根据权利要求1所述的一种进气式垂直轴冲压空气涡轮应急能源系统，其特征在于，所述的垂直轴冲压空气涡轮(4)与发电机(6)和液压泵(7)连接，当垂直轴冲压空气涡轮(4)运转，可同时带动发电机(6)和液压泵(7)工作，为飞机提供电力和液压动力；当飞机着陆后，地面操作人员可手动将进气风门(1)和排气风门(9)恢复至关闭状态，垂直轴冲压空气涡轮(4)停转，应急能源系统随之停止工作。
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