一种具有涡轮发动机的分布式混动推进系统及飞行器的制作方法

1.本发明涉及飞行器的技术领域，具体涉及一种具有涡轮发动机的分布式混动推进系统及飞行器。


背景技术：

2.在现有技术中，通过在飞行器的机翼上设置可倾转的涡桨发动机，当涡桨发动机处于竖直状态时，能够提供升力，使飞行器能够做竖直升降工作；当涡桨发动机处于水平状态时，能够提供水平拉力，使飞行器以涡桨固定翼飞机模式工作。以此使飞行器能够兼具平飞和垂直起降的功能。
3.然而，采用涡桨发动机对燃料的利用率较低，并且由于涡桨发动机与螺旋桨的整体重量较大、长度较长，涡桨发动机与螺旋桨的倾转动作较为困难，难以保持稳定性，另外，螺旋桨受桨尖马赫数限制，导致飞行器的飞行速度较低。


技术实现要素：

4.因此，为了解决现有技术中飞行器采用涡桨发动机的倾转以改变飞行姿态，所存在的稳定性差、燃料利用率低以及飞行速度慢的缺陷，本发明提供一种具有涡轮发动机的分布式混动推进系统及飞行器。
5.第一方面，本发明所提供的具有可倾转叶尖涡轮发动机的混动推进系统采用如下的技术方案：
6.一种具有可倾转叶尖涡轮发动机的混动推进系统，其用于设置在飞行器中，所述飞行器包括机身和机翼，所述机翼设有多组并对称分布在所述机身的两侧，所述混动推进系统包括：
7.倾转装置，其数量与所述机翼数量相同，各所述倾转装置分别连接在各机翼背离机身的端部；
8.叶尖涡轮发动机，其数量与所述倾转装置相同，各个所述叶尖涡轮发动机分别通过所述倾转装置连接在各个机翼端部，可由所述倾转装置带动叶尖涡轮发动机在所述机翼端部转动，使所述叶尖涡轮发动机在机翼上具有轴线呈竖直的垂直起降状态、轴线呈水平的巡航飞行状态以及轴线倾斜的倾转飞行状态；
9.高压空气发生器，设置在所述机身的内部，其上设置有多条高压空气管路，各所述高压空气管路分别连接在各个所述叶尖涡轮发动机的燃烧室内。
10.可选地，所述高压空气发生器包括：
11.燃气涡轮发动机，所述高压空气管路连接在所述燃气涡轮发动机的压气机出口上；
12.电动机，其输出轴与所述燃气涡轮发动机同轴设置，并与所述燃气涡轮发动机的涡轮轴连接；
13.动力电池，与所述电动机连接，为所述电动机供电。
14.可选地，所述电动机具有发电功能，可对所述动力电池充电储能。
15.可选地，所述电动机的输出轴与所述燃气涡轮发动机的涡轮轴之间设有控制箱，所述控制箱具有使电动机的输出轴与燃气涡轮发动机的涡轮轴之间同步同向转动的输出档位、同步反向转动的充电档位以及断开机械连接的断开档位。
16.可选地，与各个所述叶尖涡轮发动机连接的高压空气管路设置在对应的机翼内部。
17.另一方面，本发明提供的飞行器采用如下的技术方案：
18.一种飞行器，具有上述任意一种实施方式中所提供的所述混动推进系统。
19.可选地，所述飞行器为高速固定翼载人飞机或无人机。
20.本发明技术方案，具有如下优点：
21.1.本发明提供的具有涡轮发动机的分布式混动推进系统，通过设置在各个机翼上的可倾转的叶尖涡轮发动机，使飞行器能够具有垂直起降、巡航飞行和倾转飞行等多种飞行姿态，并且各个叶尖涡轮发动机的高压空气源由机身内部的高压空气发生器提供，叶尖涡轮发动机中无需设置压气机部分，减小各叶尖涡轮发动机的重量，降低机翼的负载，具有飞行速度高、动力系统总重量轻等优点。
22.2.本发明提供的具有涡轮发动机的分布式混动推进系统，高压空气发生器通过电动机与燃气涡轮发动机的相互配合，具有油电混动功能，能够使用电动机的输出轴与燃气涡轮发动机的涡轮轴协同转动，提高燃气涡轮发动机的做功效率，降低油耗。
23.3.本发明提供的具有涡轮发动机的分布式混动推进系统，电动机还具有发电功能，从而能够在飞行器处于低油耗巡航状态下，通过将控制箱切换至充电档位，由燃气涡轮机的涡轮轴带动电动机的输出轴反向转动，为动力电池充电。进一步地，在动力电池充满电后，令控制箱切换至断开档位，使燃气涡轮发动机继续处于低油耗状态即可。
24.4.本发明提供的飞行器，通过混动推进系统的设置，令整个动力系统布局简单，省去了复杂的电路连接和机械传动系统，因此具有重量轻、成本低、可靠性高的优点。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本实施例中飞行器处于巡航飞行状态下的俯视图；
27.图2为本实施例中飞行器处于巡航飞行状态下的侧视图；
28.图3为本实施例中飞行器处于向前倾转飞行状态下的侧视图；
29.图4为本实施例中飞行器处于向后倾转飞行状态下的侧视图；
30.图5为本实施例中飞行器处于垂直起降飞行状态下的俯视图；
31.图6为本实施例中飞行器处于垂直起降飞行状态下的侧视图。
32.附图标记说明：1、机身；2、机翼；3、叶尖涡轮发动机；4、倾转装置；5、燃气涡轮发动机；6、电动机；7、动力电池；8、高压空气管路。
具体实施方式
33.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
37.本实施例提供一种飞行器，结合图1至图6所示，飞行器包括机身1、机翼2以及混动推进系统，其中，机翼2的数量不做限制，对称设置在机身1两侧即可，在本实施例中，机翼2设有四组，机身1两侧分别设置两组机翼2。
38.本实施例提供的混动推进系统包括叶尖涡轮发动机3、倾转装置4和高压空气发生器，倾转装置4的数量与机翼2数量一致，各倾转装置4连接在机翼2背离机身1的一侧端部。叶尖涡轮发动机3的数量与倾转装置4的数量一致，并通过倾转装置4对应安装在各机翼2端部，可由倾转装置4带动叶尖涡轮发动机3转动，从而使叶尖涡轮发动机3在机翼2上具有轴线呈竖直的垂直升降状态、轴线呈水平的巡航飞行状态以及轴线倾斜的倾转飞行状态。高压空气发生器设置在机身1内部，高压空气发生器上连接有多条高压空气管路8，各高压空气管路8分别连接至各个叶尖涡轮发动机3的燃烧室中，从而通过高压空气发生器为各叶尖涡轮发动机3提供高压空气。
39.采用上述的混动推进系统，可通过控制倾转装置4带动涡轮发动机的位姿，使飞行器多种飞行姿态，如图1和图2所示，叶尖涡轮发动机3均处于轴线水平的巡航飞行状态，此时飞行器处于水平巡航飞行位姿；如图3和图4所示，叶尖涡轮发动机3处于轴线倾斜的倾转飞行状态，此时飞行器处于向前倾斜或向后倾斜的倾转飞行位姿；如图5和图6所示，叶尖涡轮发动机3处于轴线垂直的垂直起降状态，此时飞行器处于垂直起降位姿。以此，使飞行器能够适应于各种飞行任务中，与现有中可倾转的涡桨发动机相比，无需设置复杂电路和传动系统，具有重量轻、成本低、可靠性高、飞行速度快的优点。
40.具体的，高压空气发生器包括：燃气涡轮发动机5、电动机6和动力电池7。燃气涡轮发动机5和电动机6同轴设置在机身1内，电动机6的输出轴与燃气涡轮发动机5的涡轮轴连接，动力电池7与电动机6连接，用于为电动机6供电，能够在飞行器运行过程中，可由电动机6的输出轴与燃气涡轮发动机5的涡轮轴同步协同转动，提高燃气涡轮发动机5的做功效率，降低油耗。
41.并且，电动机6可具有发电功能，例如，选用恒磁直流电机，当令电动机6的输出轴反向转动时，可使电动机6作为发电机为动力电池7充电蓄能。
42.相应的，电动机6的输出轴与燃气涡轮轴之间设置控制箱，控制箱内设置传动齿轮和离合器，通过内部离合器和传动齿轮的相互传动，令电动机6的输出轴与燃气涡轮发动机5的涡轮轴之间具有同步同向转动的输出档位、同步反向转动的充电档位以及断开机械连接的断开档位。
43.基于此，在飞行器处于飞行高度较低或在高温天气中运行时，各个发动机的耗油量提高，此时令控制箱处于输出档位，通过动力电池7为电动机6供电，由电动机6协同燃气涡轮轴转动，提高燃气涡轮发动机5的做功效率，降低耗油量。
44.当飞行器处于飞行巡航飞行状态时，整体耗油量较低，此时可将控制箱切换至充电档位，由燃气涡轮发动机5的燃气涡轮轴通过控制箱带动电动机6的输出轴反向旋转，令电动机6作用发电机为动力电池7充电。
45.当动力电池7充满电能后，再将控制箱切换至空档，关闭电动机6的输出轴与燃气涡轮发动机5的燃气涡轮轴的机械连接，仅通过燃气涡轮发动机5做功，实现飞行器的低油耗巡航飞行。
46.高压空气管路8的一端连接在燃气涡轮发动机5的压气机出口上，使燃气涡轮发动机5的压气机获得的高压气体一部分通过高压空气管路8输送至各个叶尖涡轮发动机3内燃烧做功，从而无需在叶尖涡轮发动机3中设置压气机，进一步降低了各个叶尖涡轮发动机3的重量，降低了对各机翼2的负载以及整体飞行器的重量。燃气涡轮发动机5中压气机获得的另一部分高压气体则进入燃气涡轮发动机5的燃烧室内做功，带动其涡轮轴旋转，能够用于电动机6的反转对动力电池7充电功能。并且，与各个叶尖涡轮发动机3所连接的高压空气管路8设置在各个对应的机翼2内部，避免干扰机翼2表面形状。
47.另外，本实施例所提供的飞行器可以是高速固定翼载人飞机或无人机，在机身1内部可设置控制器，各个倾转装置4以及控制箱的档位切换均可通过控制器进行人工控制或自动控制，便于飞行器在各种飞行姿态中自由切换。
48.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种具有涡轮发动机的分布式混动推进系统，其用于设置在飞行器中，所述飞行器包括机身(1)和机翼(2)，所述机翼(2)设有多组并对称分布在所述机身(1)的两侧，其特征在于，所述混动推进系统包括：倾转装置(4)，其数量与所述机翼(2)数量相同，各所述倾转装置(4)分别连接在各机翼(2)背离机身(1)的端部；叶尖涡轮发动机(3)，其数量与所述倾转装置(4)的数量相同，各个所述叶尖涡轮发动机(3)分别通过所述倾转装置(4)连接在各个机翼(2)端部，可由所述倾转装置(4)带动叶尖涡轮发动机(3)在所述机翼(2)端部转动，使所述叶尖涡轮发动机(3)在机翼(2)上具有轴线呈竖直的垂直起降状态、轴线呈水平的巡航飞行状态以及轴线倾斜的倾转飞行状态；高压空气发生器，设置在所述机身(1)的内部，其上设置有多条高压空气管路(8)，各所述高压空气管路(8)分别连接在各个所述叶尖涡轮发动机(3)的燃烧室内。2.根据权利要求1所述的混动推进系统，其特征在于，所述高压空气发生器包括：燃气涡轮发动机(5)，所述高压空气管路(8)连接在所述燃气涡轮发动机(5)的压气机出口上；电动机(6)，其输出轴与所述燃气涡轮发动机(5)同轴设置，并与所述燃气涡轮发动机(5)的涡轮轴连接；动力电池(7)，与所述电动机(6)连接，为所述电动机(6)供电。3.根据权利要求2所述的混动推进系统，其特征在于，所述电动机(6)具有发电功能，可对所述动力电池(7)充电储能。4.根据权利要求3所述的混动推进系统，其特征在于，所述电动机(6)的输出轴与所述燃气涡轮发动机(5)的涡轮轴之间设有控制箱，所述控制箱具有使电动机(6)的输出轴与燃气涡轮发动机(5)的涡轮轴之间同步同向转动的输出档位、同步反向转动的充电档位以及断开机械连接的断开档位。5.根据权利要求1所述的混动推进系统，其特征在于，与各个所述叶尖涡轮发动机(3)连接的高压空气管路(8)设置在对应的机翼(2)内部。6.一种飞行器，其特征在于，具有权利要求1－5中任一项所述的混动推进系统。7.根据权利要求6所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器为高速固定翼载人飞机或无人机。

技术总结
本发明提供一种具有涡轮发动机的分布式混动推进系统及飞行器，飞行器包括机身和机翼，混动推进系统包括叶尖涡轮发动机和高压空气发生器，机翼对称设置在机身两侧，每个机翼的端部均安装有倾转装置，叶尖涡轮发动机安装在各机翼端部的倾转装置上，可由倾转装置带动叶尖涡轮发动机转动，高压空气发生器设置在机身内部，为各叶尖涡轮发动机的燃烧室提供高压空气。通过控制倾转装置带动涡轮发动机的位姿，令飞行器具有垂直起降、水平巡航飞行和倾转飞行等多种飞行姿态，且叶尖涡轮发动机无需设置压气机部件，也无需设置复杂电路和传动系统，具有重量轻、成本低、可靠性高、飞行速度快的优点。的优点。的优点。


技术研发人员：周进 郭青林 方权燊 王涛 周四平
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/6/7