用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统 |
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| 申请号 | CN201380040463.4 | 申请日 | 2013-09-09 | 公开(公告)号 | CN104507798A | 公开(公告)日 | 2015-04-08 |
| 申请人 | 创新龙有限公司; | 发明人 | 赫尔维希·菲舍尔; 汉诺·菲舍尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用于 飞行器 、尤其是轻型飞行器的推进系统。为了发明低噪音且低成本的飞行器，根据本发明提供了至少两个涵道式螺旋桨(3，3')，其涵道是侧向地提供在所述飞行器的 机身 (4)上，其方式为使得这些涵道式螺旋桨的共同净推 力 基本上是与净阻力共线的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统， |
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| 说明书全文 | 用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统[0001] 本发明涉及用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统。 [0002] 较小重量级别的飞行器总体上是由连接到内燃发动机上的螺旋桨来驱动的。所述推进系统的优点是，内燃发动机良好的热效率尤其得到了低消耗和低排放，包括在部分负载运行和无负载运行时都是如此，并且发动机本身的成本也低。在这种情况下这种通过螺旋桨来将机械动力转变为推力是有效的，尤其是在较低速度范围内，从而实现了飞行器较短的起飞距离和令人赞许的爬升速率。 [0006] ·大螺旋桨具有大的离心力，使得飞行员关于三条轴线之一给出的控制指令也对于另两条轴线产生反作用。 [0008] ·随着速度增加螺旋桨吸收越来越少的功率，从而使得发动机功率必须被降低或者需要调整螺旋桨来防止发动机超速。 [0011] ·这种推进系统就输送功率而言是相对笨重的。 [0012] 作为对螺旋桨驱动器的替代，在较昂贵的飞行器中使用了喷气和涡扇驱动器，它们至少部分地避免了所阐述的缺点，因为离心力和涡旋力是几乎完全不存在的，驱动器的直径大大减小，从而使得这种设计的设计自由度和固有的效率得以显著改善并且使得所有要控制的反作用或分开地作用在每条轴线上的扰动被完全解耦。从座舱观察的视野也较少地受限并且可以减小起落架的高度。所述优点被喷气机飞行员认为是有利的(有利的喷气机特征)。 [0013] 与螺旋桨发动机相比喷气发动机的缺点是 [0015] ·涡轮机的热效率是低得多的，特别是在部分负载运行和无负载运行时，[0016] ·较低速度范围上的推力较低并且 [0017] ·涡轮机的噪音发出是相对非常高的。 [0018] 因此在DE 1 781 112 A中提出，内燃发动机驱动包绕式螺旋桨(涵道式螺旋桨或风扇)，从而以相对小直径的推力产生器实现良好的热效率。为了实现良好的固有效率并且同时实现所阐述的喷气机特征，在这种情况下这种涵道式螺旋桨被整合在机身内。虽然以此方式实现了目标优点，但也产生了其他明显的缺点。作为整合在机身内的结果，空气流入到涵道式螺旋桨或风扇平面部分地受到结构的多个元件的阻碍，从而使得当空气进入风扇(涵道式螺旋桨)时在速度特性图的若干区段中流动速度由于所谓的尾流抑制而减小。这一现象对于推进式螺旋桨也已经是已知的。其后果是，转子桨叶在其旋转过程中遭遇周期性地不同的迎面流动并且因而使得螺旋桨桨叶的真实迎角发生变化，并且因此导致桨叶上的压力也发生变化。以此方式产生了三个负面效果： [0019] ·作用在转子桨叶上的力突然改变，从而使得桨叶受激而震动并且因而导致结构的、这些转子桨叶的以及驱动轴的材料疲劳效果。 [0020] ·这些流动条件从最佳迎角改变成不良的(甚至可能是剥离的)流动条件，从而吸收大的额外负载扭矩(＝高的发动机功率)，而不会由此而对产生推力做出贡献。 [0022] 因此本发明的目的是提供消除了上述缺点的用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统。 [0023] 这一目的是通过如权利要求1所述的推进系统实现的，其中提供了至少两个涵道式螺旋桨，它们的涵道是侧向地布置在飞行器机身上而使得涵道式螺旋桨的共同合成推力实质上是与合成阻力 共线的，其中此推力有利地以无扭矩的方式产生作用。换言之，在侧视图中推力矢量与阻力矢量实质上是处于同一高度，从而使得在改变推力的情况下不存在俯仰力矩。 [0025] 根据本发明的第一发展所提供的是，这些涵道式螺旋桨的涵道是至少部分地整合在该飞行器的结构内的、优选整合在机身和/或机翼组件的区域中。此外，优选对这些涵道式螺旋桨提供了无扰动的空气流动，从而使得这些循环的螺旋桨桨叶不经历任何周期性压力、速度、或迎角的改变。最后，优选在该飞行器的外涵道表面与该机身和/或该机翼组件之间提供了连续的结合。以此方式实现了以下优点： [0026] ·减小了被空气流动所覆盖的、在较高速度范围产生阻力的涵道表面。 [0027] ·消除了由于流动绕过在一方面的机身/机翼与另一方面的涵道造型之间的分隔通道、尤其是形成扩散器的此类通道而引入的阻力。 [0028] ·作用在涵道上的空气的力取决于飞行状态作为轴向推力或阻力被传递，而无需带有被覆盖的表面的额外部件。 [0029] 根据另一个实施例提供的是，这种飞行器被实施成下单翼飞行器并且这些涵道在这些机翼的顶部与机身之间的拐角之中是流线化的。以此方式这些机翼和/或机身至少部分地呈涵道的形式。优选地，在巡航时风扇(涵道式螺旋桨)出口处的出流是平行于机翼(机翼滑流)后边缘处的空气出流而定向的，从而使得对于所述飞行状态实现了最大的固有效率。 [0030] 在另外的优选实施方式中，涵道的整个平面是靠近于机翼的后边缘的。因此实现了通过这些机翼在下方隔离噪音，即，在声音发出的主方向上隔离噪音。在机翼-机身过渡的这个关键区域中的流动由于风扇的抽吸效果而是平滑的，并且减小了干扰阻力。一种展开式版本的特征是以下涵道：其前边缘和/或后边缘被配置成使得这些边缘都不跨越平坦表面。具体是，其中涵道前边缘和/或涵道后边缘优选具有螺旋形形式。换言之，这些边缘不在平面中线性延伸、而是具有有助于整合到飞行器结构内的三维轮廓。 [0031] 大部分的轴向推力是在静止和低速时通过出现在涵道前边缘上的低压力而产生的。借助于这种将涵道部分地整合在机身与机翼中，确实减小了涵道的阻力，而且也因而在低速区域中减小了目标机鼻推力，例如在起飞滑跑过程中和在爬升时。所述机鼻推力还取决于所选择的涵道造型，其中带有较大厚度和较大机鼻半径的造型使得推力加倍增加，因为在这种情况下流动趋于产生较少的磨损，不在轴向上流动而在径向地流动的空气流动分量因而增加并且因而其质量流速和速度增加，并且另外由此产生的低的压力作用在更大的面积上，即，更高的轴向力(＝压力差乘以投影面积)。然而，为了避免了高速飞行中相关联的空气阻力增加，在具体实施方式中这种涵道被弹性元件或垫子所包绕，该弹性元件或垫子可以从内侧充气和/或可以被轴向移位并且能以此方式预先张紧，从而使得它可以取决于相应出现的压力条件而被充气或是完全扁平地加以应用，并且因而自动地或者借助于压力或可选择的偏置力来提供相应的理想造型截面。 [0032] 在另外一种版本中这些涵道并非是整合的、而是被布置成飞行器机身旁边的多个闭合环圈，其中这种驱动器也是由仅一个发动机来实现的。在这种情况下，支撑涵道的臂架被制作成具有的长度使得这些涵道显著伸出机身边界层的区域之外，并且在机身与这些涵道之间分离的流动并不包括扩散器几何形状而是在所有流动方向上具有实质上恒定的截面。 [0033] 涵道式螺旋桨的这种驱动器是取决于飞行器类型借助于内燃发动机或涡轮机来实现的。优选地，由单一发动机借助于向外引导的传动装置来驱动两个涵道式螺旋桨。在使用内燃发动机的情况下，在优选实施例中通过布置在风扇平面后方滑流中的这些传动装置臂架中的多个散热器来进一步确保冷却，这些散热器优选在处于皮带或链条的形式的牵引装置的上平面与下平面之间具有一种具体安排。用于此目的的腔室被整合在该臂架内，该腔室容纳该散热器并且其空气进口被布置在前边缘上而朝向风扇平面。所述构型的结果是，冷却不再取决于飞行速度而是取决于发动机的功率，从而避免了过热，尤其是当以高发动机功率和低飞行速度爬升时。 [0034] 为了使得涵道与这些桨叶尖端之间的间隙损失最小化并且还为了避免由接触导致的对桨叶或涵道的损伤，在风扇平面中涵道的内侧和/或这些桨叶尖端是由受侵蚀而无损伤和/或弹性屈服性的材料制成的。此外，在具体实施方式中通过根据亥姆霍兹谐振器原理在涵道的内壁上带有多个孔和凹穴的设计进一步减少了噪音发出。 [0035] 根据另一个优选实施例，转子的这些桨叶具有径向的桨叶深度造型，这种造型并非是以一个点结束(其中这与传统螺旋桨不同)而是具有恒定的或者均匀增加的宽度以便产生优化的径向速度特性图并且以便增加涵道环形区域中的进入速度。接近涵道处的额外速度是借助于在这些桨叶尖端处具有较大调整角的具体扭绞造型来实现的。在具体实施方式中，这些桨叶并不是径向布置的而是倾斜的，以便进一步减小压力特性图中的梯级变化并且因而进一步减少噪音发出。 [0037] 这些风扇(涵道式螺旋桨)在这些机翼与机身之间的过渡区域中的安排致使在所述区域中集中了所有力和所有质量。结果是，飞行器的结构是借助于中央部件(轭架)来实施的，发动机、主起落架、机翼组件和机身都连接到这个中央部件上。 [0038] 所述结构导致乘员舱前移，由此因为在低位置的起落架(因为不再必须具有螺旋桨间隙)而直接进入客舱来登机，而乘员不必爬过这些机翼或在机翼下方通过。取决于负载，因而会有重心位置的改变。在进一步的实施方式中，在飞行器机身上除机尾之外还提供了可控的鸭式机翼，以便继续实现安全飞行特征并且在起飞滑跑之后的转动过程中实现绕侧向轴线的足够扭矩。 [0039] 在本发明的进一步的实施例中，根据本发明的推进系统被用在两栖交通工具或水上飞机中，其中高度可调整的和/或弹簧安装的机身底板确保了必须的距水面间隙。有利地，这些风扇被设计成是防水飞溅的并且是布置在这些机翼上方的。为了具有足够的距水面间隙，在所述实施方式中另外提供了可变高度机身底板，这种机身底板可以通过致动器或空气垫被降低以用于在水上起飞和着陆。在优选实施方式中，这种致动器是以弹性形式实施的，以便对在水上着陆和形成波浪过程中产生的竖直冲击加以缓冲。 [0040] 在另一版本中，两个优选绕机身纵向轴线为相反镜像安排的发动机被联接到一起来驱动两个风扇，从而使得每个发动机都驱动这两个风扇。在所述构型中的一个发动机故障的情况下，为这两个风扇维持了中央推力而不会产生不对称推力矢量。在所述实施方式中，此外在这两个发动机上都提供了飞轮运动，从而使得不提供燃烧的失效发动机的阻力功率损失得以避免。在所述版本中，对这些转子桨叶的桨叶调整是有用的额外手段，通过这种手段可以使风扇和发动机与改变的功率曲线相适配。 [0041] 以下使用图1至7来说明本发明的具体实例，其中图1至6示出了飞行器的多个不同透视图。 [0042] 在这些图中展示的飞行器1包括两个机翼2、2'并且是处于下单翼飞行器的形式、带有位置低的起落架10。就其推进系统而言，飞行器1包括两个涵道式螺旋桨3、3'，它们被侧向地布置在飞行器机身4上和这些机翼2、2'的后边缘上。这些涵道式螺旋桨3、3'各自包括涵道5、5'，该涵道具有前边缘6和后边缘7以及轮毂8，8'。如图1中可以清晰地看到，前边缘和后边缘6、7具有螺旋形的形式并且不是位于一个平面内。在所展示的实施例的情况下，这些涵道式螺旋桨3、3'是整合在飞行器1的结构内的。特别地，这些涵道5、5'是一方面与相应的机翼2、2'并且另一方面与飞行器1的机身4相结合的，从而使得这两个机翼2、2'还以及飞行器4的机身形成了涵道5、5'的多个部分。图1中进一步可以看到，合成推力 实质上是与合成阻力 共线的，由此在改变推力的情况下防止了俯仰力矩。 [0043] 在图6展示的实施例的情况下，这些风扇(涵道式螺旋桨3、3')是安装在多个臂架10、10'上的，从而使得这些涵道式螺旋桨3、3'与飞行器1的机身4相距一个距离。在这种情况下，这个距离的量被选择成使得在机身与涵道之间不存在扩散器。在这种情况下省却了将涵道5、5'部分地整合到机身4中。 [0044] 最后，图7示出了带有三个设计不相同的转子桨叶实例11、12、13的涵道式螺旋桨3的正视图。转子桨叶13大致径向地伸出，转子桨叶12相对于径向直线R以一个角度精确定向，并且转子桨叶11是沿着曲线的。 [0045] 根据图5的飞行器1以举例方式示出了带有鸭式机翼9、9'的实施例。 |
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