[發明專利]一種垂直起降固定翼飛行器的組合動力系統

在審

• 申請號: 202010181846.5
• 申請日: 2020-03-16
• 公開（公告）號: CN111348197A
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 李仁府;雷新國;李雪峰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B64D27/02
• 分類號: B64D27/02;B64C29/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;孔娜

本發明屬于航空發動機領域，并具體公開了一種垂直起降固定翼飛行器的組合動力系統。該系統包括兩套驅動單元，以及電源和數字控制單元，其中：每套驅動單元分別包括渦槳發動機、高速發電機、涵道風扇和高速電動機，渦槳發動機安裝在機翼翼尖位置；高速發電機與渦槳發動機中壓氣機的輸出軸連接；涵道風扇分別安裝在渦槳發動機的內外兩側，每個涵道風扇的后部均與高速電動機連接；高速電動機與高速發電機連接；電源用于為組合動力系統供電；數字控制單元用于對驅動單元和電源進行監測與控制。本發明利用多個小直徑涵道風扇代替原渦槳發動機的螺旋槳，不僅使飛行器實現了垂直起降的功能，同時還解決了旋翼機受旋翼葉尖馬赫數限制不能高速巡航的問題。

技術領域

本發明屬于航空發動機領域，更具體地，涉及一種垂直起降固定翼飛行器的組合動力系統。

背景技術

直升機具有垂直起降和低速懸停的優點，因而在航空飛行器領域中具有不可替代的重要地位。然而常規構型的直升機由于前行槳葉激波和后行槳葉氣流分離等問題，限制了飛行速度，從而限制了其應用范圍的進一步擴展。隨著用戶對可垂直起降飛行器高速化、遠程化的需求越來越迫切，逐漸發展出一系列新構型高速旋翼飛行器。

新構型高速旋翼機主要大致分為兩類：一類是在常規布局的直升機構型上，加裝輔助推進裝置，如涵道風扇，提高前飛推進力；加裝機翼，同來承擔大部分升力，為旋翼卸載；相比常規構型的直升機而言，較大的改進了飛行性能和飛行品質。但是這種構型的直升機仍存在噪聲高、油耗高、飛行速度低和航程短等的問題。另一類是傾轉式構型，飛行器采用固定翼結構，旋翼安裝在兩側固定翼上。傾轉式構型的主要特征是，在懸停低速狀態提供升力的旋翼，在前飛時可以傾轉到水平位置，變成推進部件。它在巡航飛行時不存在旋翼，也就不存在旋翼對速度的限制問題。然而傾轉旋翼直升機特別是傾轉機翼直升機，其傾轉驅動機構的負載較大，導致驅動機構復雜且重量較大。另一方面，受旋翼葉尖速度的限制，其飛行速度仍較低。此外，由于旋翼直徑較大，空間占位較多，特別是對于艦船上作業，還需對旋翼進行折疊，從而使得執行機構變得更為復雜，可靠性降低。

因此，目前現有的垂直起降飛行器均面臨著飛行速度低、油耗高、可靠性低以及維護成本高等問題，特別是對于垂直起降的固定翼飛行器而言，在動力系統推力方向轉變過程中，受動力系統布局及性能等的限制，將面臨著穩定性及操控性問題。同時當動力系統出現故障時，飛行器必須立即返回基地而無法繼續執行任務，從而制約著飛行器的可靠性。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種垂直起降固定翼飛行器的組合動力系統，其中結合垂直起降固定翼飛行器自身的特征，相應設計了驅動單元、電源和數字控制單元，并對其關鍵組件如渦槳發動機和涵道風扇的結構及其具體設置方式進行研究和設計，相應的可有效解決旋翼機無法高速巡航的問題，同時還具備可靠性高、穩定性強的優點，因而尤其適用于垂直起降固定翼飛行器的應用場合。

為實現上述目的，本發明提出了一種垂直起降固定翼飛行器的組合動力系統，該系統包括兩套結構相同并且分別安裝在機翼上的驅動單元，以及電源和數字控制單元，其中：

每套所述驅動單元分別包括渦槳發動機、高速發電機、涵道風扇和高速電動機，所述渦槳發動機安裝在所述機翼的翼尖位置，并且不包括減速器和螺旋槳；所述高速發電機設置在所述渦槳發動機中壓氣機的前方，并與所述壓氣機的輸出軸連接；所述涵道風扇分別安裝在所述渦槳發動機的內外兩側，同時每側均包括前后設置的兩個所述涵道風扇，每個所述涵道風扇的后部均與所述高速電動機連接，并且每個所述涵道風扇的轉速和槳葉角位置均可通過所述數字控制單元進行獨立控制；所述高速電動機通過電路和電路開關與所述高速發電機連接；工作時，所述渦槳發動機帶動所述高速發電機發電，從而驅動所述高速電動機工作，使得所述涵道風扇在所述高速電動機的帶動下旋轉產生推力，以此為所述垂直起降固定翼飛行器提供動力；

所述電源安裝在所述垂直起降固定翼飛行器的機身內部，用于為所述組合動力系統供電；