CN1465862A

CN1465862A - 一种改进的端叶导向推进器

Info

Publication number: CN1465862A
Application number: CNA021246335A
Authority: CN
Inventors: 王建钧
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2004-01-07

Abstract

一种改进的端叶导向推进器属于轴流推进器的改进。它由轴流推进器(1－1)和可调节导向端叶及其调节组合件(1－2)所组成。它采用控制可调节导向端叶的方法来达到调节推进器推力矢量的目的，实现了可以任意调节轴流推进器推力矢量的效果，并且具有结构简单、制造成本低，调节方便、效率高，维护简单等特点。它可以应用于背负式单人飞行器、飞行汽车、碟形飞行器(飞碟)及其变形飞行器等可以垂直起降的飞行器及其模型和玩具，以及水面和水下的运动装置及其模型和玩具，也可以作为其它用途的推进器。

Description

一种改进的端叶导向推进器

一种改进的端叶导向推进器属于轴流推进器的改进。

一、原有技术的现状

轴流推进器的效率非常高，它在飞行器上的应用非常广泛，如直升机的主旋翼和尾浆、涡浆发动机的涡轮和涡浆、涡扇发动机的涡轮和涡扇等。但是，由于轴流推进器在工作时除了产生人们需要的轴向推力之外，还会产生一个旋转分力，这对垂直起降的飞行器来说就需要两个或两个以上的推进器才能使之正常工作，譬如：通常的单旋翼直升机需要一个尾浆来平衡旋翼产生的旋转分力；而美国的支若干直升机和K式直升机则需要两个旋翼来相互抵消彼此的旋转分力；俄罗斯暨前苏联的卡系列直升机则利用共轴而相反旋转的两个旋翼(推进器)来抵消相互间的旋转分力。即便是当前比较先进的无尾浆直升机也是通过一个在尾梁末端侧向的喷气口喷出与旋翼旋转分力反方向的气体来平衡旋翼的旋转分力，该喷口也是一个推进器。这类两个或两个以上推进器的垂直起降飞行器在制造、维修和控制等方面的要求很高，制造成本和运行费用也很高。同时，由于其置于顶端的旋翼高速旋转产生升力时，有很大一部分力作用于其机身上，因此有较大的升力损失，其气动力布局很不合理，所以效率不高。

鉴于现有轴流推进器在垂直起降飞行器上应用的诸多不足之处，本人将有关改进方案向中国专利局提出了名为“端叶导向推进器及其应用”的专利局第92101362.0号发明专利申请案。端叶导向推进器的要点是在轴流推进器流体进出的两端或其中的一端安装若干个可以调节(摆动)的端叶，以控制和调节推进器的旋转矢量；如图1和图2。

二、改进之目的和要点

但是，这种端叶导向推进器仍然有不足之处，主要是可调节导向端叶的长度与导向叶的长度基本相同，这样调节推进器旋转矢量时，在产生同样扭矩的情况下推进器轴向推力的损失比较大；同时也没有考虑到几个产生同向推力的端叶导向推进器的组合方案。本发明的目的就是提出一种既能够保持端叶导向推进器效率，又能够提高控制推进器旋转矢量效果的改进方案和几个产生同向推力的端叶导向推进器的组合方案。

本发明改进方案的要点是在轴流推进器的轴向流体进入端和流体流出端的径向外端安置短于或稍短于导向叶的可调节导向叶；同时，可调节的端叶又可以分成若干的调节区域，分别控制每个区域的推力矢量(推力和方向)，以达到调节飞行器平衡的目的。本发明与改进前的端叶导向推进器的区别在于：1、单独的端叶导向推进器的可调节导向端叶短于或稍短于导向叶，并安置在推进器的径向外端。2、进一步阐明端叶导向推进器的分区域调节推力矢量的原理和方法。3、多个(两个及以上)同向推力的端叶导向推进器可以组合在一起。4、当多个同向推力的端叶导向推进器组合在一起时，由于每个端叶导向推进器需要调节的区域距离其组合中心的距离足够大，因此可以采用与导向叶等长的可调节导向端叶，也可以采用缩短的可调节导向端叶。

本发明可以应用于背负式单人飞行器、飞行汽车、碟形飞行器(飞碟)及其变形飞行器等可以垂直起降的飞行器及其模型和玩具，以及水面和水下的运动装置及其模型和玩具，也能够作为其它用途的推进器。

本改进方案中的可调节导向端叶如图3、图4和图5中的(1-2-1b)、(1-2-2a)和(1-2-2b)，它们分别置于轴向流体进入端和流体流出端的径向外端的可调节导向叶，这才是真正的可调节导向“端叶”。

三、工作原理

1、可调节导向端叶

端叶导向推进器的构造如图1和图2所示，它是由一个轴流推进器(1-1)和可调导向端叶及其调节机构(1-2)所组成。

图1所示的是一种改进前的涡轮风扇端叶导向推进器；

图2所示的是一种改进前的外动力涡扇端叶导向推进器(立体图)。

图中所示的(1-1-1)是机座或涵道、(1-1-2)是导向叶兼支撑、(1-1-3)是螺浆或风扇、(1-1-4)是整流罩、(1-1-5)是发动机、(1-1-6)是传动轴、(1-1-7)是动力传动齿轮对；(1-2-1)是可调导向前端叶(以下简称导向前叶)、(1-2-2)是可调导向后端叶(以下简称导向尾叶)、(1-2-3)是导向端叶轴、(1-2-4)是联动齿轮、(1-2-5)是联动齿盘。

端叶导向推进器的工作原理如图2所示：当外动力通过传动轴(1-1-6)和传动齿轮对(1-1-7)驱动风扇(1-1-3)旋转推出流体(也可以如图1，由发动机直接驱动风扇)，这时被旋转风扇推出的流体作旋出运动，其反作用力使推进器产生推力和旋转分力，旋转分力的旋向与流体旋向相反；当被推出的流体通过导向叶(1-1-2)时，由于导向叶的导向作用使流体呈轴向无旋动推出状态，若忽略进口端的流体旋动作用(或如图1，推进器有导向前叶)，则推进器无旋转分力。这时，置于导向叶后端的导向尾叶(1-2-2)的摆向和摆角将决定推进器旋转分力矢量(旋向和转矩)的大小(若推进器有导向前叶，则导向前叶与导向尾叶共同决定推进器旋转分力的矢量)。

图2中导向尾叶(1-2-2)的调节控制是通过控制置于导向端叶轴(1-2-3)上的传动件(齿轮、链轮或摇杆等)来实现的，从而使需要联动的导向尾叶(1-2-3)按所需的摆向和角度摆动并通过联动齿轮(1-2-4)和联动齿盘(1-2-5)使所有导向尾叶均按要求摆动。图4中，当左右转动可调节导向端叶轴(1-2-3)时，通过曲柄连杆(1-2-4)使所有的可调节导向端叶协调摆动。因此，导向端叶的调节(即推进器旋转分力矢量的调节)和控制非常简便。

端叶导向推进器旋转分力的旋向与导向端叶摆向的关系如图1和图3的右图所示，当导向前端叶的前沿(即流体进入端)顺时针方向摆动，或导向尾叶之后沿逆时针摆动，则端叶导向推进器产生顺时针旋向的旋转分力；反之亦然。即端叶导向推进器旋转分力的旋向与导向端叶前沿的摆向相同，与导向端叶后沿的摆向相反。

本发明是在原来的端叶导向推进器的基础上，以短于或稍短于导向叶(1-1-2)的可调节导向端叶(1-2-1b、1-2-2a和1-2-2b)替代原先等长于导向叶(1-1-2)的可调节端叶(1-2-1和1-2-2)。由于(1-2-1b、1-2-2a和1-2-2b)置于推进器径向的外端，距离中心轴比较远，根据杠杆原理、力矩定律和力的分析可以知道：采用本发明，当推进器产生相同扭矩时，其轴向推力的损失小于改进前的端叶导向推进器。

为了提高端叶导向推进器的推力和效力，推进器可采用多级风扇(或螺浆)；也可采用共轴反转双(多)螺浆(风扇)，但这时不需用控制正、反螺浆的速差或螺浆角度的方法来调节旋转分力。

2、分区域调节推力矢量

根据本发明的应用场合不同，对可调端叶的控制要求也不同，例如：为了调节一些飞行器(如图9所示的碟形飞行器)的平衡和飞行状态，经常需要对推进器的某个区域(如推进器端面图8A所示Fa、Fb、Fc的其中之一)的推力矢量进行调节，而其它区域则需维持一定的推力矢量。这时推进器可采用图5和图6所示的方法，调节可调节导向端叶，达到调节各可调节推力矢量分区的推力矢量之目的。

图6所示的是图5中可调节导向端叶的内部结构，它显示了一个可调节推力矢量的分区中的可调节导向端叶的调节工作原理。图中，通过转动可调节导向端叶轴(1-2-3a)和(1-2-3b)，使曲柄连杆(1-2-4a)和(1-2-4b)摆动，带动相关的端叶(1-2-2b)按需要摆动，从而达到调节该区域推力矢量的目的。同理，其它分区的可调节导向端叶亦可以按此方法调节推力矢量。这样推进器可以制成有任意个可调推力矢量分区的推进器，然后通过计算机控制就可非常方便地使飞行器实现任意状态的飞行。当各分区的推力矢量的调节使飞行器前低后高时，飞行器前进，反之则后退；当飞行器左高右低时，飞行器右行，反之则左行。图9所示的飞碟可采用上述方法平衡和调节飞行状态。图6所示的机构能使各独立分区内的每一组端叶按照图7所示的方式调节。

图7是一个可调节推力矢量分区中可调节导向端叶摆动位置的截面示意图，图中aa和ba表示的是将流体导向右斜的状态；ab和bb表示的是该区域部分减少推力的状态；ac和bc表示的是关闭该区域部分流体通道的状态；ad和bd表示的是该区域流体直通的状态；ae和be表示的是将流体导向左斜的状态。

图8A所示的是具有三个可调节推力矢量的分区方案，实际制作中可根据需要任意分区。其中，每一对可调节端叶就能够组成一个可调节推力矢量的分区；每一个导向叶的间隔可形成一个固定推力的分区(如图8A中Fc与Fa、Fb之间的间隔)。因此，图8A一共有五个分区，其中有二个固定推力矢量分区(Fc与Fa、Fb之间的间隔)和三个可调节推力矢量的分区(Fa、Fb和Fc)。

一个独立的可分区调节推力矢量的端叶导向推进器，一般不应少于三个分区。其中包含了固定推力分区和可调节推力矢量的分区。

3、多个同向推力的端叶导向推进器的组合

许多飞行器会采用两个及以上具有同向推力的推进器，通常需要通过调节各推进器的风扇的转速或扇叶角度来调节推力，以调节飞行器的平衡和飞行姿势。但是，以这些调节方式调节难度大、显效慢，控制效果差。而采用调节可调节导向端叶的方式，则调节简便、易行，效果好。图8B示意的是一组由两个同向推力的端叶导向推进器组合而成的推进器。每个端叶导向推进器分别有一个固定推力的分区和一个可调节推力矢量的分区(Fa、Fb)。图8C示意的是一组由三个同向推力的端叶导向推进器组合而成的推进器。每个端叶导向推进器分别有一个固定推力的分区和一个可调节推力矢量的分区(Fa、Fb和Fc)。可调节推力矢量的分区布置在距离推进器组中心M较远的外端，这时由于可调节推力矢量的分区距离M比较远，采用与导向叶等长的可调节导向端叶效果仍然很好。因此，当多个同向推力的端叶导向推进器组合在一起时，可调节导向端叶可以短于导向叶，也可以与导向叶等长。

多个同向推力的端叶导向推进器组合中的可调节推力矢量的分区也可以分成仅调节旋转矢量和调节推力矢量两种。前者在同一分区内的可调节导向端叶只做统一摆动，其效果如同没有分区域调节推力矢量功能的单独的端叶导向推进器；后者则具备分区域调节推力矢量功能的单独的端叶导向推进器的所有功能。

四、应用案例

1、没有分区域调节推力矢量功能的单独的端叶导向推进器(如图2、图4所示)和仅调节旋转矢量的端叶导向推进器组，通常应用于推进器顶置(即机舱悬挂式)的飞行器，如单人飞行器、飞行汽车及其变形飞行器等可以垂直起降的飞行器及其模型和玩具。这类飞行器的重心远低于推进器的推力中心，其平衡和控制方法与直升机相似。如图10所示的飞行汽车采用机舱(车厢)悬挂式的飞行状态调节方法，这种方法要求飞行汽车的质量中心(重心)G尽可能低于推进器的推力中心W，推力中心大致相当于推进器悬挂点。当推进器前倾则飞行器前进，反之则后退；推进器左倾则飞行器左行，反之则右行。

2、具有分区域调节推力矢量功能的端叶导向推进器(如图5所示)和可调节推力矢量的端叶导向推进器组，通常应用在推进器置于飞行器断面(接近飞行器质量中心的机舱横截面或部分水下运动器械机舱的某截面上，)的这一类运动器械，如图9中的飞碟碟形飞行器(飞碟)以及水面和水下的运动装置及其模型和玩具。这类运动器械的平衡和控制无法利于其重心的作用，需要通过调节各区域的推力矢量来控制和平衡运动器械。但是，这一类运动器械的流体动力布局比较合理。如：目前直升机的升力推进器(旋翼)置于机舱顶部，这样旋翼推出的气流有一部分在旋翼与机舱(以及装备挂架)之间产生相互作用力而降低了升力的效力；而碟形飞行器(飞碟)的升力推进器(端导推进器)置于机舱的横截面上，消除了机舱与推进器之间的相互作用力，气动力布局更趋合理，从而可提高工作效率，增加飞行器的实际升力。

五、附图说明

图1是改进前的卧式端叶导向推进器。图中：(1-1)和(1-1-1)是机座涵管，(1-1-2)是导向叶，(1-1-3)是风扇(涡扇)，(1-1-4)是整流罩，(1-1-5)是发动机，(1-2-1)是可调节导向前端叶，(1-2-2)是可调节导向尾叶。

图2是改进前的立式端叶导向推进器。图中：(1-2-2)是可调节导向端叶，(1-2-3)是可调节导向端叶轴，(1-2-4)是用于联动可调节导向端叶的齿轮，(1-2-5)是联动齿盘，(1-1-1)是机座涵管，(1-1-2)是导向叶，(1-1-3)是风扇(涡扇)，(1-1-4)是整流罩，(1-1-6)是风扇(涡扇)传动轴，(1-1-7)是传动齿轮对。

图3是卧式端叶导向推进器。图中：(1-1)和(1-1-1)是机座涵管，(1-1-2)是导向叶，(1-1-3)是风扇(涡扇)，(1-1-4)是整流罩，(1-1-5)是发动机，(1-2-1b)是b型可调节导向前端叶，(1-2-2b)是b型可调节导向尾叶。

图4是立式无分区端叶导向推进器。图中：(1-2-2a)是a型可调节导向端叶，(1-2-2b)是b型可调节导向端叶，(1-2-3)是可调节导向端叶轴，(1-2-4)是用于联动可调节导向端叶的曲柄连杆，(1-1-1)是机座涵管，(1-1-2)是导向叶，(1-1-3)是风扇(涡扇)，(1-1-4)是整流罩，(1-1-6)是风扇(涡扇)传动轴，(1-1-7)是传动齿轮对。

图5是立式有分区端叶导向推进器。图中：(1-2-2a)是a型可调节导向端叶，(1-2-2b)是b型可调节导向端叶，(1-2-3)是可调节导向端叶轴，(1-2-4)是用于联动可调节导向端叶的曲柄连杆，(1-1-1)是机座涵管，(1-1-2)是导向叶，(1-1-3)是风扇(涡扇)，(1-1-4)是整流罩，(1-1-6)是风扇(涡扇)传动轴，(1-1-7)是传动齿轮对。

图6是一个可调节推力矢量分区内的一组可调节导向端叶及其控制机构。图中有可调节导向端叶轴(1-2-3a)和(1-2-3b)，曲柄连杆(1-2-4a)和(1-2-4b)，可调节导向端叶(1-2-2b)。

图7是一个可调节推力矢量分区中可调节导向端叶各种摆动位置的截面示。图中：aa、ab、ac、ad、ae分别表示图5中a型可调节端叶(1-2-2a)的右斜、部分减少推力、关闭该区域部分流体通道、流体直通和将流体导向左斜的状态；ba、bb、bc、bd、be分别表示图5中b型可调节端叶(1-2-2b)的右斜、部分减少推力、关闭该区域部分流体通道、流体直通和将流体导向左斜的状态。

图8A是一个独立的分区域调节推力矢量端叶导向推进器的端面分区示意。图中Fa、Fb、Fc分别表示可调节推力矢量的分区。

图8B是一组由两个分区域调节推力矢量端叶导向推进器组成的推进器组的端面分区示意。图中Fa、Fb分别表示可调节推力矢量的分区。

图8C是一组由三个分区域调节推力矢量端叶导向推进器组成的推进器组的端面分区示意。图中Fa、Fb、Fc分别表示可调节推力矢量的分区。

图9是一种碟形飞行器的示意。图中(1-1)是机舱兼机座，(1-2)是端叶导向推进器的可调节端叶。

图10是一种飞行汽车的示意。图中(1)是端叶导向推进器，(2)是机舱。

以上仅仅是本发明的案例，不局限于此。

Claims

1、一种改进的端叶导向推进器由轴流推进器(1-1)和可调节导向端叶及其调节组合件(1-2)所组成，其中轴流推进器(1-1)包含机座涵管(1-1-1)，导向叶(1-1-2)，风扇或涡扇(1-1-3)，整流罩(1-1-4)，发动机(1-1-5)或风扇或涡扇的传动轴(1-1-6)和传动齿轮对(1-1-7)；可调节导向端叶及其调节组合件(1-2)包含可调节导向端叶(1-2-1)、(1-2-2)、(1-2-1a)、(1-2-2a)、(1-2-1b)、(1-2-2b)，可调节导向端叶轴(1-2-3)、(1-2-3a)、(1-2-3b)，可调节导向端叶的联动齿轮或曲柄连杆(1-2-4)、(1-2-4a)、(1-2-4b)，联动齿盘(1-2-5)，或其中的一部分；其特征在于：采用控制可调节导向端叶的方法来达到调节推进器推力矢量的目的，它可以应用于背负式单人飞行器、飞行汽车、碟形飞行器(飞碟)及其变形飞行器等可以垂直起降的飞行器及其模型和玩具，以及水面和水下的运动装置及其模型和玩具，也可以作为其它用途的推进器。

2、如权利要求1所述的端叶导向推进器，其特征在于：一个单独的端叶导向推进器的可调节导向端叶(1-2-1)、(1-2-2)、(1-2-1a)、(1-2-2a)、(1-2-1b)、(1-2-2b)短于或稍短于导向叶(1-1-2)，并安置在推进器的径向外端。

3、如权利要求1所述的端叶导向推进器，其特征在于：它可以根据需要，通过不同的联动方式组合成可以分区域调节推力矢量的叶导向推进器和不分区域调节推力矢量的叶导向推进器。

4、如权利要求1所述的端叶导向推进器，其特征在于：两个及以上同向推力的端叶导向推进器可以组合在一起，还可以根据需要，通过不同的联动方式组合成仅调节旋转矢量和可调节推力矢量两种推进器组合。

5、如权利要求4所述的端叶导向推进器，其特征在于：当多个同向推力的端叶导向推进器组合在一起时，可以采用与导向叶(1-1-2)等长的可调节导向端叶(1-2-1)、(1-2-2)、(1-2-1a)、(1-2-2a)、(1-2-1b)、(1-2-2b)，也可以采用短于或稍短于导向叶(1-1-2)的可调节导向端叶(1-2-1)、(1-2-2)、(1-2-1a)、(1-2-2a)、(1-2-1b)、(1-2-2b)。