CN109606701A - 一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法及*** - Google Patents

一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法及*** Download PDF

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Abstract

一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法及动力***,其特征是采用油动发动机和电动机组合作为动力***，选择经济油耗功率满足飞机巡航阶段需用功率的油动发动机，电动机功率为垂直起降阶段飞机最大需用功率与油动发动机最大功率的差值。本发明既保证了动力***的最大输出功率满足飞机垂直起降需求，同时在固定翼巡航阶段可以确保油动发动机可以在高效、低功耗状态下工作，提高飞行效率，也改善了发动机工作条件，可提高发动机工作寿命。

Description

一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法及***
技术领域
本发明涉及一种无人机技术，尤其是一种中大型无人飞机的动力匹配技术，具体地说是一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法及***。
背景技术
旋转机翼飞机是一种兼具直升机的垂直起降性能和固定翼飞机的高速巡航性能的新型无人飞机。专利号为ZL201110213680.1，名称为《一种飞行模式可变的旋转机翼飞机》的中国专利就是一种典型机型。该飞机具有三翼面的气动布局。其中，主机翼在直升机飞行模式下，可以作为旋翼旋转为飞机提供需要的拉力，同时，当飞机具有一定飞行速度后，又可以锁定为固定翼，实现固定翼的高效率飞行。因此，在起飞和降落阶段，飞机采用旋翼飞行模式，在巡航和任务阶段，采用固定翼飞行模式。
该飞机经过多年研究，目前在着手设计大中型旋转机翼无人机，在这一阶段，申请人在实际研究过程中遇到以下问题：
由于旋转机翼飞机在两种飞行模式下需用功率差距较大，如果使用一台燃油动力（油动）发动机同时满足垂直起降阶段的高功率需求与固定翼巡航阶段的相对较低功率需求，则可能导致难以保证在巡航阶段发动机处于最有利的工作状态，并且发动力效率和使用寿命下降。如果使用一台电动机同时作为两种模式下的驱动力，由于电池的能量密度较低，飞机固定翼模式的巡航时间会大大缩短。
目前的垂直起降固定翼无人机大多使用两套动力***，这种无人机垂直起降阶段单独用电动机来驱动螺旋桨，电动机的自重与电池会给飞机巡航阶段带来死重，减少飞行时间。
发明内容
本发明的目的是针对现有的旋转机翼采用纯燃油驱动时动力浪费严重，采用纯电机驱动时又存在重量大，巡航距离短的问题，设计一种升降阶段以油动发动机动力为主、电机作为升降补充动力从而大幅度降低电机所需功率和电池重量的动力匹配方法，同时提供一种相应的动力驱动***。
本发明的技术方案之一是：
一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法,其特征是采用油动发动机和电动机组合作为动力***，选择经济油耗功率满足飞机巡航阶段需用功率的油动发动机，电动机功率为垂直起降阶段飞机最大需用功率与油动发动机最大功率的差值。
本发明的技术方案之二是：
一种旋转机翼飞机的油电混合动力***，其特征是它包括由油动发动机、电动机至旋翼的主传动链和由发动机到螺旋桨的前传动链组成，主传动链用于为飞机的垂直起降提供动力，前传动链用于为飞机的巡航飞行提供动力，在垂直起降阶段前传动链传递的动力因螺旋桨叶片角度为0而不影响飞机的垂直起降；在油动发动机到旋翼之间的传动链上安装有离合器，巡航阶段，电动机停止工作，油动发动机到旋翼之间的传动链因离合器断开而无法传递到旋翼，油动发动机仅仅为前传动链提供动力，与此同时，螺旋桨叶片角度调整到合适的巡航驱动角度。
所述的主传动链包括油动发动机1、主动带轮2、从动带轮3、离合器4、传动轴7、主减速器输入轴9、第一小锥齿轮10、第一大锥齿轮13、第一圆柱齿轮14、驱动齿轮21、旋翼23、第二圆柱齿轮20、第二大锥齿轮19、第二小锥齿轮16和电动机34，主动带轮2安装在油动发动机1的输出轴上，从动带轮3通过传动带与主动带轮2相连，从动带轮3输出轴通过离合器4与传动轴7相连，传动轴7通过联轴器8与主减速器输入轴9相连，第一小锥齿轮10安装在主减速器输入轴9上，第一大锥齿轮13与第一小锥齿轮10相啮合，与第一大锥齿轮13同轴安装并同步转动的第一圆柱齿轮14与驱动齿轮21相啮合，驱动齿轮21驱动旋翼轴22转动，旋翼23安装在旋翼轴22上；电动机34的输出轴通过联轴器与主减速器输入轴15相连，第二小锥齿轮16安装在主减速器输入轴15上，，第二大锥齿轮19与第二小锥齿轮16啮合，与第二大锥齿轮19同轴的第二圆柱齿轮20与驱动齿轮21的另一侧相啮合，与第一圆柱齿轮14同时驱动驱动齿轮同方向转动。
所述的前传动链包括油动发动机1、主动带轮2、从动带轮3、传动轴28和螺旋桨29，螺旋桨29安装在传动轴28上，传动轴28与从动带轮3的输出轴相连，从动带轮3通过传动带与主动带动轮2相连，主动带轮2安装在油动发动机1的输出轴上。
所述的螺旋桨29为前拉变距螺旋桨。
本发明的有益效果：
本发明既保证了动力***的最大输出功率满足飞机垂直起降需求，同时在固定翼巡航阶段可以确保油动发动机可以在高效、低功耗状态下工作，提高飞行效率，也改善了发动机工作条件，可提高发动机工作寿命。
附图说明
图1是本发明的并联式混合动力传动***示意图。
图中：1、油动发动机；2、主动带轮；3、从动带轮；4、离合器；5、安装轴；6、联轴器；7、传动轴；8、联轴器；9、主减速器输入轴；10、第一小锥齿轮；11、圆锥滚子轴承；12、圆锥滚子轴承；13、第一大锥齿轮；14、第一圆柱齿轮；15、主减速器输入轴；16、第二小锥齿轮；17、圆锥滚子轴承；18、圆锥滚子轴承；19、第二大锥齿轮；20、第二圆柱齿轮；21、驱动齿轮；22、旋翼轴；23、旋翼；24、圆锥滚子轴承；25、圆锥滚子轴承；26、深沟球轴承；27、深沟球轴承；28、传动轴；29、前拉变矩螺旋桨；30、联轴器；31、联轴器；32、深沟球轴承；33、深沟球轴承；34、电动机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法,它采用油动发动机和电动机组合作为动力***，并采用图1所示的并联式混合动力传动***，选择经济油耗功率满足飞机巡航阶段需用功率的油动发动机，电动机功率为垂直起降阶段飞机最大需用功率与油动发动机最大功率的差值。所述并联式混合动力传动***包括：传动皮带、带轮（主、从）、传动轴、联轴器、离合，减速器和齿轮等。油动发动机通过传动皮带将动力传输给主传动轴。主传动轴前方直接与前拉变矩螺旋桨相连，主传动轴后方通过离合与主减速器的一根输入轴连接。电机与主减速器另一侧的输入轴连接。油动发动机和电机的输入轴通过主减速器里的锥齿轮和并车圆柱齿轮实现两种动力的换向与汇合。垂直起降阶段前拉螺旋桨螺距调为0度，离合接合，电机与油动发动机同时工作为旋翼提供动力。固定翼巡航阶段离合断开，电机关闭，旋翼锁定为固定翼，单独油动发动机工作在经济功率来驱动前拉变矩螺旋桨。
所述并联式混合动力传动***由两条传动链组成：主传动链（发动机、电机到旋翼）和前传动链（发动机到螺旋桨桨）。
主传动链包括两条路径：1）发动机输出后采用带传动和主减速器联接，主减速器中由一对锥齿轮实现减速、换向；2）电机输出直接与主减速器联接，主减速器中由一对锥齿轮实现减速、换向；然后两部分功率通过圆柱齿轮实现并车；并车后的功率通过旋翼轴输出给旋翼。
前传动链为发动机通过主传动链中的带传动向前通过传动轴直接输出给前拉变矩螺旋桨。
实施例二。
一种旋转机翼飞机的油电混合动力***，它包括由油动发动机、电动机至旋翼的主传动链和由发动机到螺旋桨的前传动链组成，主传动链用于为飞机的垂直起降提供动力，前传动链用于为飞机的巡航飞行提供动力，在垂直起降阶段前传动链传递的动力因螺旋桨叶片角度为0而不影响飞机的垂直起降；在油动发动机到旋翼之间的传动链上安装有离合器，巡航阶段，电动机停止工作，油动发动机到旋翼之间的传动链因离合器断开而无法传递到旋翼，油动发动机仅仅为前传动链提供动力，与此同时，螺旋桨叶片角度调整到合适的巡航驱动角度。如图1所示，所述的主传动链包括油动发动机1、主动带轮2、从动带轮3、离合器4、传动轴7、主减速器输入轴9、第一小锥齿轮10、第一大锥齿轮13、第一圆柱齿轮14、驱动齿轮21、旋翼23、第二圆柱齿轮20、第二大锥齿轮19、第二小锥齿轮16和电动机34，主动带轮2安装在油动发动机1的输出轴上，从动带轮3通过传动带与主动带轮2相连，从动带轮3输出轴通过离合器4与传动轴7相连，传动轴7通过联轴器8与主减速器输入轴9相连，第一小锥齿轮10安装在主减速器输入轴9上，第一大锥齿轮13与第一小锥齿轮10相啮合，与第一大锥齿轮13同轴安装并同步转动的第一圆柱齿轮14与驱动齿轮21相啮合，驱动齿轮21驱动旋翼轴22转动，旋翼23安装在旋翼轴22上；电动机34的输出轴通过联轴器与主减速器输入轴15相连，第二小锥齿轮16安装在主减速器输入轴15上，第二大锥齿轮19与第二小锥齿轮16啮合，与第二大锥齿轮19同轴的第二圆柱齿轮20与驱动齿轮21的另一侧相啮合，与第一圆柱齿轮14同时驱动驱动齿轮同方向转动。所述的前传动链包括油动发动机1、主动带轮2、从动带轮3、传动轴28和螺旋桨29（可采用前拉变距螺旋桨），螺旋桨29安装在传动轴28上，传动轴28与从动带轮3的输出轴相连，从动带轮3通过传动带与主动带动轮2相连，主动带轮2安装在油动发动机1的输出轴上。
详述如下：
本发明的动力***的动力来源为油动发动机与电动机。选择经济油耗功率满足飞机巡航阶段需用功率的油动发动机，电动机功率为垂直起降阶段飞机最大需用功率与油动发动机最大功率的差值。
如图1所示。传动***由两条传动链组成：主传动链（发动机1、电动机34到旋翼23）和前传动链（发动机1到螺旋桨29）。
主传动链具体描述如下：
发动机1输出后采用同步带传动，发动机输出端与带轮2联接，带轮2通过同步带与带轮3（带轮3两个输出，向后为主传动链，向前为前传动链）联接。带轮3向后联接离合器4，离合器4与安装轴5联结，安装轴5通过联轴器6与传动轴7联结，再通过联轴器8与主减速器输入轴9联接。主减速器输入轴9与小锥齿轮10联接，主减速器输入轴9用圆锥滚子轴承11和12安装，支撑在主减机匣壁上，大锥齿轮13传递主减速器输入扭矩给圆柱齿轮14。电动机34通过主减速器输入轴15与小锥齿轮16联结，主减速器输入轴15用圆锥滚子轴承17和18安装，支撑在主减机匣壁上，大锥齿轮19传递主减速器输入扭矩给圆柱齿轮20。14和20扭矩传递给圆柱齿轮21，实现功率汇流。圆柱齿轮21安装于旋翼轴22上，扭矩通过旋翼轴22传递给旋翼23。旋翼轴下端采用一对圆锥滚子轴承24和25将旋翼轴22的轴向力传递至主减机匣，在圆锥滚子轴承25下方紧靠安装一个深沟球轴承26，旋翼轴上端采用深沟球轴承27。
前传动链的具体描述如下：
上述主传动链中的带传动带轮3向前通过传动轴28将扭矩输出给前拉变矩螺旋桨29，传动轴两端分别用联轴器30和31联结，用深沟球轴承32和33支撑。
传动装置可以实现功率的分流与汇流。为满足无人机能够具备旋翼与固定翼两种不同工作状态，带轮从动轮与主减速器输入端中间通过电磁离合器4可实现主传动链的分离和接合。离合器接合时，无人机以旋翼状态飞行；离合器分离时，无人机以固定翼状态飞行。垂直起降阶段前拉螺旋桨螺距调为0度，离合接合，电机与油动发动机同时工作为旋翼提供动力。固定翼巡航阶段离合断开，电机关闭，旋翼锁定为固定翼，油动发动机工作在经济功率驱动前拉变矩螺旋桨。
通过以上方案的设计，保证了动力***的最大输出功率满足旋转机翼飞机垂直起降需求，同时在固定翼巡航阶段可以确保油动发动机可以在高效、低功耗状态下工作，提高飞行效率，也改善了发动机工作条件，可提高发动机工作寿命。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种旋转机翼飞机的油电混合动力匹配方法,其特征是采用油动发动机和电动机组合作为动力***，选择经济油耗功率满足飞机巡航阶段需用功率的油动发动机，电动机功率为垂直起降阶段飞机最大需用功率与油动发动机最大功率的差值。
2.一种旋转机翼飞机的油电混合动力***，其特征是它包括由油动发动机、电动机至旋翼的主传动链和由发动机到螺旋桨的前传动链组成，主传动链用于为飞机的垂直起降提供动力，前传动链用于为飞机的巡航飞行提供动力，在垂直起降阶段前传动链传递的动力因螺旋桨叶片角度为0而不影响飞机的垂直起降；在油动发动机到旋翼之间的传动链上安装有离合器，巡航阶段，电动机停止工作，油动发动机到旋翼之间的传动链因离合器断开而无法传递到旋翼，油动发动机仅仅为前传动链提供动力，与此同时，螺旋桨叶片角度调整到合适的巡航驱动角度。
3.根据权利要求2所述的动力***，其特征是所述的主传动链包括油动发动机（1）、主动带轮（2）、从动带轮（3）、离合器（4）、传动轴（7）、主减速器输入轴（9）、第一小锥齿轮（10）、第一大锥齿轮（13）、第一圆柱齿轮（14）、驱动齿轮（21）、旋翼（23）、第二圆柱齿轮（20）、第二大锥齿轮（19）、第二小锥齿轮（16）和电动机（34），主动带轮（2）安装在油动发动机（1）的输出轴上，从动带轮（3）通过传动带与主动带轮（2）相连，从动带轮（3）输出轴通过离合器（4）与传动轴（7）相连，传动轴（7）通过联轴器（8）与主减速器输入轴（9）相连，第一小锥齿轮（10）安装在主减速器输入轴（9）上，第一大锥齿轮（13）与第一小锥齿轮（10）相啮合，与第一大锥齿轮（13）同轴安装并同步转动的第一圆柱齿轮（14）与驱动齿轮（21）相啮合，驱动齿轮（21）驱动旋翼轴（22）转动，旋翼（23）安装在旋翼轴（22）上；电动机（34）的输出轴通过联轴器与主减速器输入轴（15）相连，第二小锥齿轮（16）安装在主减速器输入轴（15）上，第二大锥齿轮（19）与第二小锥齿轮（16）啮合，与第二大锥齿轮（19）同轴的第二圆柱齿轮（20）与驱动齿轮（21）的另一侧相啮合，与第一圆柱齿轮（14）同时驱动驱动齿轮同方向转动。
4.根据权利要求2所述的动力***，其特征是所述的前传动链包括油动发动机（1）、主动带轮（2）、从动带轮（3）、传动轴（28）和螺旋桨（29），螺旋桨（29）安装在传动轴（28）上，传动轴（28）与从动带轮（3）的输出轴相连，从动带轮（3）通过传动带与主动带动轮（2）相连，主动带轮（2）安装在油动发动机（1）的输出轴上。
5.根据权利要求4所述的动力***，其特征是所述的螺旋桨（29）为前拉变距螺旋桨。
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