CN110979661A - 用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，包括筒状的涵道外壳、布设在筒状涵道外壳底部用于改变风扇气流方向的矢量栅板、卡接在筒状涵道外壳内壁且上下间隔一定距离的2个或2个以上的各级风扇单元、布设在各级风扇单元之间和末级风扇单元与矢量栅板之间用于调整气流和保持气流方向垂直向下的导流栅；所述各级风扇单元为非共轴风扇单元。本发明采用二个以上的多风扇，通过采用非共轴风扇单元和独立电机驱动装置、将多元涵道风扇连接飞控***中央计算机，使得若干非共轴风扇单元内部气流方向达到优化，向下喷射气流来产生举力。多风扇技术的涵道风扇比常规涵道风扇有更高的效率，更低能耗，可以为垂直起降飞行器提供长时间工作的动力。

Description

用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，尤其涉及一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇。

背景技术

垂直起降飞行器指有翼飞行器和无翼飞行器。有翼飞行器是指采用垂直起降方式的固定翼飞行器，通常称为垂直起降无人机；无翼飞行器实际上是飞行运输器，可以载人也可以无人飞行，统称为飞车。

以上二种垂直起降飞行器不同于直升飞机：直升飞机是采用一个或多个旋转桨翼提供飞行器的举力和采用倾斜桨翼提供前飞、倒退和侧飞功能，而垂直起降飞行器的无翼飞行器的垂直起飞、着陆和中途飞行所需要的举力和飞行动力，均由涵道风扇来提供；垂直起降飞行器的有翼飞行器在起飞和着陆的短时间内利用涵道风扇的工作。

现有垂直起降飞行器常采用单风扇涵道技术。单风扇涵道技术已经广泛应用于直升机尾桨、排风***、单人飞行器等许多有人、无人飞行器，经多年的努力已经很成熟。但由于单风扇的效率受到气流排气速度低、流量小、压差低的影响，造成喷射气流扩散，能耗过高。同时带来其它配套设备的问题，而且单风扇体积大，至使被采用的范围受到限止。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，目的在于解决现有技术单风扇涵道技术气流排气速度低、流量小、压差低、造成喷射气流扩散，能耗过高的问题。

本发明为解决其技术问题采用以下技术方案。

一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，其特征在于：包括筒状的涵道外壳、布设在筒状涵道外壳底部用于改变风扇气流方向的矢量栅板、卡接在筒状涵道外壳内壁且上下间隔一定距离的2个或2个以上的各级风扇单元、布设在各级风扇单元之间和末级风扇单元与矢量栅板之间用于调整气流和保持气流方向垂直向下的导流栅；所述各级风扇单元为非共轴风扇单元。

所述非共轴风扇单元各自有自身的独立电机驱动装置，各级风扇非共轴各有自己的转轴且独立安装在涵道外壳上；各级风扇尤其是进口第一级和出口最后一级风扇的转速和螺距不尽相同，因为高速气流的流动因进口、出口形状不同，需要不同设计。

所述各级风扇单元包括风扇、布设在风扇平面下端中心处的独立电机驱动装置、固接在独立电机驱动装置周围且水平方向一端连接独立电机驱动装置、另一端连接涵道外壳内壁的若干条均匀分布的风扇固定支架；所述各级独立电机驱动装置一端连接风扇且另一端通过固定支架连接飞控***的中央计算机，用于接收飞控***中央计算机的平衡指令以控制各级风扇的转速从而保持飞行器平衡飞行。

所述独立电机驱动装置包括一个永磁电机、与永磁电机配套的电机控制器、功率调节器、转速传感器、电流传感器、电压传感器；所述各级功率调节器由中央计算机控制，用于产生各级风扇不同转速的功率、在飞行器上控制平衡和用推进力来控制飞行方向、且控制飞行器的上升和下降，中央计算机同时控制各级风扇运动综合成一个动力***，由中央计算机向各级风扇提供动态数据来控制任务飞行；所述转速、电流、电压传感器信息传给中央计算机进行综合处理,中央计算器同时接收从飞机传感器、大气传感器反馈的信息，将两类信息进行综合处理后，通过电机驱动装置的电机控制器和功率调节器指挥全部风扇工作。

所述导流栅当上下级风扇转动方向相同时导流栅板偏转方向相反，以此保持气流方向垂直向下；当上下级风扇转动方向相反时，导流栅板的偏转角度与上一级的风扇转动方向相反，以此保持气流方向垂直向下。

本发明的优点效果

本发明采用二个以上的多风扇，通过采用非共轴风扇单元和独立电机驱动装置、通过将多元涵道风扇连接飞控***中央计算机，使得若干非共轴风扇单元内部气流方向达到优化，向下喷射气流来产生举力。同时采用矢量栅板偏转气流方向提供前飞、倒退和侧飞的动力。多风扇技术的涵道风扇比常规的涵道风扇有更高的效率，更低能耗，可以为垂直起降飞行器提供长时间工作的动力。

附图说明

图1为本发明多元涵道风扇结构图1；

图2为本发明多元涵道风扇结构图2；

图3为本发明多元涵道风扇原理图1；

图4为本发明多元涵道风扇原理图2；

图5为本发明导流栅工作原理图；

图6为本发明一个风扇单元结构图；

图7为飞控***和多元涵道风扇关系示意图；

图8为多元涵道风扇用于空气冲浪起飞示意图；

图9为多元涵道风扇用于定点刹车垂直着陆示意图；

图10为多元涵道风扇用于无翼飞行器示意图。

图中：1-1：涵道外壳；1-2：矢量栅板；1-3：风扇单元；1-4：导流栅；1-3-1：风扇；1-3-2：电机驱动装置；1-3-3：固定支架

具体实施方式

本发明设计原理

1、多元涵道风扇的优势：多元涵道风扇技术是采用二个以上的多风扇，通过若干装置协调内部气流方向达到优化，向下喷射气流来产生举力。同时采用矢量栅板偏转气流方向提供前飞、倒退和侧飞的动力。本文主要阐述多元涵道风扇技术。利用高转速、小直径大扭转风扇叶片，多风扇技术的涵道风扇比常规的涵道风扇有更高的效率，更低能耗，可以为垂直起降飞行器提供长时间工作的动力。采用多元涵道风扇技术的飞车由于没有机翼，因此适用于在交通拥堵，车辆难以行驶区域，河湖地区，不易逾越的海峡和在不适合固定翼飞行器飞行的气候条件下运行。

2、多元涵道风扇工作原理

A、增压和增速原理：如图3、图4所示，第一级风扇把m质量空气加速到mv1动能，同时产生比外部进口处压力高为P1，这种压差是由质量m的动能造成的。在P1的压力下的m空气，被第二级风扇继续增压为P2，并取得更高的速度m2，所产生的压力P2是由m质量空气的更大动能v2m造成。继续以上n次风扇加速和增压，使m质量获得远大于一级风扇所获得的动能和压力。这n级风扇由高速电机驱动的空气动能不是简单的增大到n倍，设计好的涵道应当具备大于n倍级风扇举力能力，相应效率提高，能耗下降。采用倾斜一定角度的导流板导引，经风扇加速的气流的偏转可以做到向下垂直喷射。

B、导流板原理：如图5所示，导流板的作用是将气流调整为垂直向下的方向。当上下级风扇转动方向相同时，此时气流方向是非垂直向下的，如果将导流栅板偏转方向与上一级风扇转动方向相反，即可中和偏转的气流使得气流方向调整为垂直向下。当上下级风扇转动方向相反时，导流栅板偏转方向与上层风扇方向相反即可，至于下一级的风扇的偏转再由与之对应的导流板去调整气流方向，每一级导流板只是负责调整上一级风扇气流方向；当各级风扇螺距不同时，固定导板的偏转角度各不相同。二级风扇可以有二种不同转向：同向和反向，都可以，但設計方法不同，效果也有不同。第一级加速后，气流进入第二级加速，由于气流比第一级出口速度大，因此第二级要求的转速和叶片偏转角度不同，才可以再加速。

C、驱动风扇原理：各级风扇各自有自身的驱动电机，各级风扇不是共轴的，各风扇有自己的转轴独立安装在涵道外壳结构上。各级风扇的转速和螺距不尽相同，当然也可以是各级相同。尤其是进口第一级和出口最后一级。因为高速气流的流动因进口、出口形状不同，需要不同设计。

3、飞控导航和多元涵道风扇关系

如图7框图第三行左起第1个图所示，中央计算机的飞行器平衡指令发放到每个风扇上，以保持飞行器平衡。中央计算机之所以能够分别控制每个风扇，是由于各级风扇单元非共轴结构、各自设有独立的电机驱动装置，且每个电机驱动装置单独与中央计算机通讯。

基于以上发明原理，本发明设计了一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇。一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇如图1、图2所示，包括筒状的涵道外壳1-1、布设在筒状涵道外壳1-1底部用于改变风扇气流方向的矢量栅板1-2、卡接在筒状涵道外壳1-1内壁且上下间隔一定距离的2个或2个以上的各级风扇单元1-3、布设在各级风扇单元1-3之间和末级风扇单元1-3与矢量栅板1-2之间用于调整气流和保持气流方向垂直向下的导流栅1-4；所述各级风扇单元为非共轴风扇单元。

如图6所示，所述非共轴风扇单元1-3各自有自身的独立电机驱动装置1-3-2，各级风扇非共轴各有自己的转轴且独立安装在涵道外壳1-1上；各级风扇尤其是进口第一级和出口最后一级风扇的转速和螺距不尽相同，因为高速气流的流动因进口、出口形状不同，需要不同设计。

如图6所示，所述各级风扇单元1-3包括风扇1-3-1、布设在风扇平面下端中心处的独立电机驱动装置1-3-2、固接在独立电机驱动装置1-3-2周围且水平方向一端连接独立电机驱动装置、另一端连接涵道外壳内壁的若干条均匀分布的风扇固定支架1-3-3的支架杆；所述各级独立电机驱动装置1-3-2一端连接风扇1-3-1且另一端通过固定支架1-3-3连接飞控***的中央计算机，用于接收飞控***中央计算机的平衡指令以控制各级风扇的转速从而保持飞行器平衡飞行。

所述独立电机驱动装置1-3-2包括一个永磁电机、与永磁电机配套的电机控制器、功率调节器、转速传感器、电流传感器、电压传感器；所述各级功率调节器由中央计算机控制，用于产生各级风扇不同转速的功率、在飞行器上控制平衡和用推进力来控制飞行方向、且控制飞行器的上升和下降，中央计算机同时控制各级风扇运动综合成一个动力***，由中央计算机向各级风扇提供动态数据来控制任务飞行；所述转速、电流、电压传感器信息传给中央计算机进行综合处理,中央计算器同时接收从飞机传感器、大气传感器反馈的信息，将两类信息进行综合处理后，通过电机驱动装置的电机控制器和功率调节器指挥全部风扇工作。

如图1、图6所示，所述导流栅1-2当上下级风扇转动方向相同时导流栅板偏转方向相反，以此保持气流方向垂直向下；当上下级风扇1-3-1转动方向相反时，导流栅板1-2的偏转角度与上一级的风扇1-3-1转动方向相反，以此保持气流方向垂直向下。

实施例一：多元涵道风扇用于固定翼垂直起降无人机

如图8所示，对于固定翼垂直起降无人机而言，涵道风扇只是在垂直起飞和垂直起降二个阶段使用。使用时间短，不会超过30秒-40秒，功耗很少。

起飞时，按下图“空气冲浪”方式起飞，0点时垂直上升高度仅几米(视周围环境而言)，然后由涵道风扇向前加速到最低飞行速度，即关闭涵道动力由推进***作动力飞行。

着陆时正常下滑到离地高度50米，速度约100公里/时(根据机型不同而不同)开启涵道风扇，减速并按定点搜索指定着陆点、涵道风扇反推力、气动刹车米—8米高度，定点着陆。

实施例二：多元涵道风扇用于飞行车

如图9所示，飞行车的飞行主要依靠涵道风扇提供动力，显然在飞行中不同外形飞行车的气动力特性不同，气动力对飞车飞行会有不同的影响。例如：对于机翼的飞行车，在起飞过程中飞车首先必须展开机翼进入正常飞行，那么变成空气飞行器了。但是对于没有机翼的飞车飞行，主要依靠涵道风扇，所有的平衡、飞行都是不同于有机翼的飞行器。

涵道风扇功能如下：

—保持全车水平平衡，控制软件固化在中央计算机，不受任何外界因素影响。

—利用涵道风扇的矢量栅板的工作来改变飞行方向。

—利用涵道风扇的不同功率改变举力来提供飞行高度控制。

如图10所示，采用多元涵道风扇技术的飞车由于没有机翼，因此适用于在交通拥堵，车辆难以行驶区域，河湖地区，不易逾越的海峡和在不适合固定翼飞行器飞行的气候条件下运行。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (5)

1.一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，其特征在于：包括筒状的涵道外壳、布设在筒状涵道外壳底部用于改变风扇气流方向的矢量栅板、卡接在筒状涵道外壳内壁且上下间隔一定距离的2个或2个以上的各级风扇单元、布设在各级风扇单元之间和末级风扇单元与矢量栅板之间用于调整气流和保持气流方向垂直向下的导流栅；所述各级风扇单元为非共轴风扇单元。

2.根据权利要求1所述一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，其特征在于：所述非共轴风扇单元各自有自身的独立电机驱动装置，各级风扇非共轴各有自己的转轴且独立安装在涵道外壳上；各级风扇尤其是进口第一级和出口最后一级风扇的转速和螺距不尽相同，因为高速气流的流动因进口、出口形状不同，需要不同设计。

3.根据权利要求1所述一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，其特征在于：所述各级风扇单元包括风扇、布设在风扇平面下端中心处的独立电机驱动装置、固接在独立电机驱动装置周围且水平方向一端连接独立电机驱动装置、另一端连接涵道外壳内壁的若干条均匀分布的风扇固定支架；所述各级独立电机驱动装置一端连接风扇且另一端通过固定支架连接飞控***的中央计算机，用于接收飞控***中央计算机的平衡指令以控制各级风扇的转速从而保持飞行器平衡飞行。

4.根据权利要求2所述一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，其特征在于：所述独立电机驱动装置包括一个永磁电机、与永磁电机配套的电机控制器、功率调节器、转速传感器、电流传感器、电压传感器；所述各级功率调节器由中央计算机控制，用于产生各级风扇不同转速的功率、在飞行器上控制平衡和用推进力来控制飞行方向、且控制飞行器的上升和下降，中央计算机同时控制各级风扇运动综合成一个动力***，由中央计算机向各级风扇提供动态数据来控制任务飞行；所述转速、电流、电压传感器信息传给中央计算机进行综合处理,中央计算器同时接收从飞机传感器、大气传感器反馈的信息，将两类信息进行综合处理后，通过电机驱动装置的电机控制器和功率调节器指挥全部风扇工作。

5.根据权利要求1所述一种用于垂直起降飞行器的多元涵道风扇，其特征在于：所述导流栅当上下级风扇转动方向相同时导流栅板偏转方向相反，以此保持气流方向垂直向下；当上下级风扇转动方向相反时，导流栅板的偏转角度与上一级的风扇转动方向相反，以此保持气流方向垂直向下。

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