CN116788505A - 变几何涵道风扇 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空动力技术领域，具体涉及一种变几何涵道风扇。包括变桨距风扇、尾喷管和驱动机构，变桨距风扇设置在机匣上，变桨距风扇与驱动机构连接，所述的尾喷管设置在机匣的后端。其有益效果在于：通过变几何的方法，改变风扇的流量大小和出口射流方向，并通过调整风扇转速和流量、压比等参数之间的关系，使得风扇能够实现不同的压比/流量特性，从而更好的匹配起飞、巡航和平飞情况下飞行器对动力系统的不同要求。

Description

变几何涵道风扇

技术领域

本发明属于航空动力技术领域，具体涉及一种变几何涵道风扇。

背景技术

涵道风扇是一种常用的航空动力。其主要结构包括一圈叶片和围绕叶片的机匣。有些涵道风扇依靠涡轮驱动，有些涵道风扇依靠电机驱动。涵道风扇转子单元转动，叶片和气流之间的相互作用产生力。这个力既可以用来推进飞行器，也可以用来产生飞行器垂直起飞、悬停等姿态的升力。

在不同的飞行工况下，以及不同的飞行状态下，对于风扇的性能要求也是不一样的。有时候要求风扇提供的流速低，流量大的喷气射流；有时候要求风扇提供的流速高，流量小的喷气射流。在偏离设计工况点的情况下，风扇系统和飞行器的耦合效率会下降。

改变桨距可以改变叶轮机械的工作特性，特别是转速和推力、转速和流量、转速和压力等参数之间的关系。变桨距技术在螺旋桨推进飞机、船用螺旋桨和轴流风机中得到了非常广泛的应用。但是在涵道风扇中的应用很少。

传统涵道风扇的下游静子固定，下游静子进口来流角度变化形成正攻角或者负攻角。当攻角过大时，下游静子单元表面流动严重分离，从而使得风扇进入失速状态。但是传统的涵道风扇由于上下游叶片的匹配问题，气流调节范围十分有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种变几何涵道风扇，该涵道风扇可以适应更大范围的流量、流速、推力变化范围，从而可以更好的匹配飞行器的不同工作特性。

本发明的技术方案如下：变几何涵道风扇，包括变桨距风扇、尾喷管和驱动机构，变桨距风扇设置在机匣上，变桨距风扇与驱动机构连接，所述的尾喷管设置在机匣的后端。

所述的驱动机构为轴功提供机构。

所述的变桨距风扇包括静子单元，转子单元和变桨距风扇执行机构，变桨距风扇设在机匣内，机匣的前端为进气道，机匣的中间位置设置有静子单元，轴功提供机构作为驱动机构套装在静子单元的中间，轴功提供机构与变桨距风扇执行机构连接。

所述的变桨距风扇执行机构外缘处连接有转子单元，其中转子单元包括多个转子叶片，变桨距风扇执行机构的面向进气道的端部固定有轮毂，转子单元与静子单元之间可设置整流机构。

所述的整流机构位于转子单元的下游，整流机构和位于机匣外侧的级间调整机构执行器相互连接，所述的级间调整机构执行器固定在圆环状的调整盘上，调整盘套装在机匣外部，调整盘上开有圆孔，级间调整机构执行器包括多个接头联动装置，接头联动装置包括转动头，调整叶片和连接器，转动头卡装在调整盘的圆孔内，转动头与连接器的一端连接，连接器的另一端连接调整叶片，调整叶片插入到机匣的内部，通过调整盘的转动来带动调整叶片。

所述的变桨距风扇执行机构包括多个变桨距执行单元，第一变桨距执行单元与第一转子单元通过安装底座连接，第一转子单元的安装底座位于轮毂下方。

所述的变桨距执行单元包括球形万向接头、连接件和联动装置，所述的联动装置为一个环向开有圆孔的圆盘结构，球形万向接头卡装在联动装置的圆孔内，球形万向接头的一端通过连接件连接，连接件的另一端套装在转子单元根部。

所述的转子单元上游设置有一排导流叶片。

所述的静子单元包括两部分，前部结构和后部结构，其中前部结构可调，后部结构固定。

所述的轮毂处设置引气结构。

本发明的有益效果在于：本发明通过变几何的方法，改变风扇的流量大小和出口射流方向，并通过调整风扇转速和流量、压比等参数之间的关系，使得风扇能够实现不同的压比/流量特性，从而更好的匹配起飞、巡航和平飞情况下飞行器对动力系统的不同要求。本发明的可变几何涵道风扇也可以用于可垂直起降飞行器，涵道风扇在起飞的时候流量更大、喷气速度较低，有利于实现大的垂直起飞升力；在平飞的时候流量较小、喷气速度较大，可以满足飞行器高速飞行的要求。该变几何的涵道风扇具有可变尾喷管结构，可以实现喷气角度的变化，从而可以用于提供矢量推力，为飞行器控制提供额外参量。本发明可用于一般的飞行器，也可以用于倾转构型的飞行器。

附图说明

图1为本发明所提供的变几何涵道风扇的第一种实施例总体图；

图2为本发明所提供的变几何涵道风扇的第一种实施例的剖视图；

图3为本发明所提供的变几何涵道风扇的第一种实施例的侧面剖视图；

图4为转子单元在不同桨距时的示意图；

图5为转子单元变桨距后改变的流量和压力关系示意图；

图6为静子单元在大进口攻角情况下流动特性示意图；

图7为整流机构的第一种实施例的第一个位置；

图8为整流机构的第一种实施例的第二个位置；

图9为一个转子单元的安装位置示意图；

图10为图9中的转子单元变桨距后到达的第二个位置示意图；

图11为一个风扇引气结构所在位置的示意图；

图12为引气结构的示意图；

图13为转子单元和变桨距执行机构的一种实施例结构示意图；

图14为一个转子单元在第一个位置时转子单元和变桨距执行机构的示意图；

图15为一个转子单元在第二个位置时转子单元和变桨距执行机构的示意图；

图16为转子单元与变桨距执行机构的安装图；

图17为整流机构总体示意图；

图18为整流机构示意图；

图19为风扇叶片上游导叶示意图；

图20为引气结构的一种实施例。

图中，101进气道，102静子单元，103转子单元，104整流机构，105调整盘，106轴功提供机构，107级间调整机构执行器，108机匣，109轮毂，110尾喷管，111变桨距风扇执行机构，303引气结构，1038第一转子单元，1061转动头，1062调整叶片，1063连接器，1135球形万向接头，1136变桨距执行单元，1137连接件，1138第一变桨距执行单元，1238联动装置，1155螺母，1236联动装置，1362接头联动装置，2303第一引气结构，3303第二引气结构。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不能够限定本发明。

采用变桨距的涵道风扇，可以降低飞行器的能耗，提高飞行器的飞行效率。例如在飞行器降落阶段，风扇可以采用稍微改变桨距来使得涵道风扇能更好的适应飞行器降落的飞行匹配特性。

如图1-3所示，本发明所提供的变几何涵道风扇，包括变桨距风扇、尾喷管110和驱动机构。

如图2和3所示，变桨距风扇包括静子单元102，转子单元103和变桨距风扇执行机构111，变桨距风扇安装在筒状的机匣108内，机匣108的前端为进气道101，机匣108的中间位置设置有静子单元102，静子单元102包括多个静子叶片，轴功提供机构106作为驱动机构套装在静子单元102的静子叶片中间，轴功提供机构106与变桨距风扇执行机构111连接，如图13-16所示的变桨距风扇执行机构111的一种实施例，转子单元103包括多个与第一转子叶片1038结构相同的转子叶片，其中的第一转子叶片1038通过安装底座与变桨距风扇执行机构111的第一变桨距执行单元1138连接，第一转子单元1038的安装底座位于轮毂109下方。

如图14所示，变桨距风扇执行机构111包括多个与第一变桨距执行单元1138结构相同的变桨距执行单元，其中第一转子单元1038与其对应的第一变桨距执行单元1138相互连接，变桨距执行单元包括球形万向接头1135和连接件1137，其中，联动装置1238为一个环向开有多个圆孔的圆盘结构，联动装置1238可以沿着轴向旋转，球形万向接头1135卡装在联动装置1236的圆孔内，如图15所示，球形万向接头1135的一端通过连接件1137连接，连接件1137的另一端套装在转子单元的根部并通过螺母1155固定，通过联动装置1238的转动可以改变转子单元的桨距。

如图16所示，联动装置1238上可以固定若干个结构相同的变桨距执行单元。通过联动装置1236的旋转可以控制所有转子单元的桨距。

变桨距风扇执行机构111外缘处连接有转子单元103，其中转子单元包括多个转子叶片，转子单元103由轴功提供机构106驱动，轴功提供机构106具体可以选择电动机、内燃机、氢能或者燃气涡轮等形式。变桨距风扇执行机构111的面向进气道101的端部固定有轮毂109，转子单元103与静子单元102之间可设置整流机构104，所述的整流机构104可以根据转子单元103所在的桨距和流动等情况进行调整，用于改善当转子单元103桨距大范围变化时，转子单元103和静子单元102附近的流场。使得涵道风扇的转子单元103在较大范围变桨距情况下，静子单元102附近仍然可以保证较好的流动特性，确保变桨距情况下的风扇气动性能。不过整流机构104会增加系统的重量和复杂度，是否使用看具体情况。

如图17-19所示的整流机构104的一个实施例。整流机构104位于转子单元103的下游，整流机构104和位于机匣108外侧的级间调整机构执行器107相互连接，如图17所示，级间调整机构执行器107固定在圆环状的调整盘105上，调整盘105套装在机匣108外部，调整盘105上开有多个圆孔，级间调整机构执行器107包括多个接头联动装置1362，具体的如图18所示，每个接头联动装置1362均包括转动头1061，调整叶片1062和连接器1063，其中，转动头1061卡装在调整盘105的圆孔内，转动头1061与连接器1063的一端连接，连接器1063的另一端连接长条形的调整叶片1062，调整叶片1062插入到机匣108的内部，通过调整盘105的转动来带动调整叶片1062。

机匣108的后端设置尾喷管110，尾喷管110为可变尾喷管，达到改变喷管面积和出口气流角度的目的，从而匹配不同的风扇工作特性，也能实现流速的调整和喷气方向的调整，尾喷管几何的变化还可以降低发动机的噪声。

图19的风扇中，在转子单元上游设置有一排导流叶片1650，导流叶片也可以采用可变桨距结构，从而进一步增大了风扇可调工作范围。导流叶片1650的采用取决于风扇的工作特性要求。

如图7所示，为了获得变桨距情况下，静子单元102和转子单元103之间的匹配关系，风扇下游的静子单元102可以采用串列设计的静子结构，具体的静子单元102包括两部分，前部结构1041和后部结构1021，其中前部结构1041可调，从而可以适应更大攻角的范围，后部结构1021固定。

如图11和12中所示，轮毂109处设置冷却系统，所述的冷却系统包括引气结构，从位置302引出一股气流，进入轴承及附近，用于冷却或其他用途，在位置303处设置冷却系统。对于电驱动的风扇来说，达到电机冷却的目的。除此之外，从位置302处的引气还可以用于为驱动装置提供氧化剂等其他用途。图20中给出了引气结构的典型实施例，其中风扇流道中的气体可以从第一引气结构2303和第二引气结构3303中进入轮毂内部，所述的第一引气结构2303和第二引气结构3303为轮毂109上开具的引气槽或引气孔，可以根据实际情况，选取第一引气结构2303或第二引气结构3303，也可以两者都采用。

图4为转子单元103在变化不同的桨距位置时的示意图。如从第一位置1031改变到第二位置1032，或者可以改变到第三位置1033。其中旋转带来的角度变化不超过360度。通过改变桨距，可以改变风扇的流量和压力之间的关系。

图5为转子单元103变桨距后改变流量和压力关系的一个示意图。横坐标是风扇的质量流量，纵坐标是风扇的功率，其中，501，502和503代表了风扇在相同转速下三个不同桨距情况下功率和质量流量的关系曲线。501对应初始位置时的风扇的功率和质量流量关系。当转子单元的桨距发生变化，旋转正10度时，其工作曲线变为502；当转子单元旋转负10度时，其工作曲线变为503。当转子单元位于静止试车台上时(来流速度为零)，选取511，512和513上三个推力相同的点。其中511位于曲线501上，512位于曲线502上，513位于曲线503上。推力可以用F＝mV进行计算，其中F为推力，m是质量流量，V是流体的度。511，512和513三个工作点对应的质量流量和速度不同，其中511和513的质量流量相差大于20％。在起飞、降落、盘旋等低速飞行工况下，增大发动机流量、降低喷气速度能提高效率；而在高速飞行的情况下，要用较高的喷气速度来保证净推力。

但是在风扇变桨距范围较大情况下，会使得下游静子单元的来流角度变化增大。如图6所示，在近设计工况点时候，进口来流的角度为202，此时静子单元中具有较好的流动特性。但是当来流进口角度变化较大，达到203位置时，由于攻角变大，会造成流动分离204，从而使得静子单元乃至整个风扇的效率严重降低。

为了对应更大来流攻角变化的情况，可以选装级间整流装置，使得进入静子流道中的流体不会发生严重的分离。

图7为整流装置的第一种实施例的第一个位置。整流装置1041位于静子1021的上游，整流装置1041可以通过旋转等方式改变位置。例如从图7中的1041位置改变到图8中的1042位置。通过1041和1042叶片的组合，使得流体发生转向，从而不在流道中发生分离。

当来流角度为202时，整流装置位于图7中1041的位置，在流动的过程中不会发生明显分离。

当来流角度为203时，整流装置调整到图8中1042位置，此时的来流经过1042的偏转，在进入1021叶片通道时，也不会发生明显分离。这样可以确保风扇在较大范围内变攻角情况下的风扇的效率。

图9为三维风扇叶片1034的第一种实施例，位于第一个位置。该风扇叶片采用三维设计，即从叶根到叶顶的叶片采用不完全一样的叶型。图10为图9中三维风扇叶片变桨距后到达的第二个位置，其变化的方法是通过旋转。实际实现过程中也可以采用其他的方法。这样使得叶片的桨距发生变化。

图11为变几何涵道风扇的一个引气结构303。叶片通道内的一部分流体302可以经过引起引气结构进入轮毂内部。这股气体可以用于和轴功相关作用，例如用于冷却电机，给燃料电池使用等等。

本发明提供的变几何的涵道风扇，它采用变桨距风扇叶片、可变尾喷管等调节机构，可以更好的匹配不同的飞行状态，达到更高的飞行效率。其特点是可以通过变桨距的方法，实现不同的流量和流速特性。例如在同样功率输出的情况下，起飞时候可以采用更高的流量，相对较小的流速；在巡航或高速飞行的时候，可以降低风扇的流量，提高流速，从而使得飞行器能达到更快的速度。

Claims (10)

1.变几何涵道风扇，其特征在于：包括变桨距风扇、尾喷管和驱动机构，变桨距风扇设置在机匣上，变桨距风扇与驱动机构连接，所述的尾喷管设置在机匣的后端。

2.如权利要求1所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的驱动机构为轴功提供机构。

3.如权利要求2所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的变桨距风扇包括静子单元，转子单元和变桨距风扇执行机构，变桨距风扇设在机匣内，机匣的前端为进气道，机匣的中间位置设置有静子单元，轴功提供机构作为驱动机构套装在静子单元的中间，轴功提供机构与变桨距风扇执行机构连接。

4.如权利要求3所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的变桨距风扇执行机构外缘处连接有转子单元，其中转子单元包括多个转子叶片，变桨距风扇执行机构的面向进气道的端部固定有轮毂，转子单元与静子单元之间可设置整流机构。

5.如权利要求4所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的整流机构位于转子单元的下游，整流机构和位于机匣外侧的级间调整机构执行器相互连接，所述的级间调整机构执行器固定在圆环状的调整盘上，调整盘套装在机匣外部，调整盘上开有圆孔，级间调整机构执行器包括多个接头联动装置，接头联动装置包括转动头，调整叶片和连接器，转动头卡装在调整盘的圆孔内，转动头与连接器的一端连接，连接器的另一端连接调整叶片，调整叶片插入到机匣的内部，通过调整盘的转动来带动调整叶片。

6.如权利要求4所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的变桨距风扇执行机构包括多个变桨距执行单元，第一变桨距执行单元与第一转子单元通过安装底座连接，第一转子单元的安装底座位于轮毂下方。

7.如权利要求6所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的变桨距执行单元包括球形万向接头、连接件和联动装置，所述的联动装置为一个环向开有圆孔的圆盘结构，球形万向接头卡装在联动装置的圆孔内，球形万向接头的一端通过连接件连接，连接件的另一端套装在转子单元根部。

8.如权利要求3所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的转子单元上游设置有一排导流叶片。

9.如权利要求3所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的静子单元包括两部分，前部结构和后部结构，其中前部结构可调，后部结构固定。

10.如权利要求4所述的变几何涵道风扇，其特征在于：所述的轮毂处设置引气结构。