风扇平衡机身自转的单旋翼直升机的制作方法

1.本发明涉及一种“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”(为了描述简便，以下简称本发明直升机)，本发明直升机的机身是半球形，发动机通过锥齿轮传动机构同时带动机身上方的主旋翼和机身下方的风扇同时旋转，且旋转方向始终相反。因为主旋翼轴和风扇轴都在半球形机身的垂直中心线上，改变风扇的桨矩大小就能平衡主旋翼旋转导致机身自转的扭矩，使本发明直升机的机身能够平衡而不自转。本发明直升机属于航空工业技术领域，现有各种直升机的共同点都是通过主旋翼旋转产生升力抬举整机的重量，而其分类则是按照控制机身自转的方式来划分，有几种控制机身自转方式就有几种类型的直升机。本发明直升机控制机身自转的方式与现有的几种直升机完全不一样，所以属于自成体系而增加的一种新机型直升机。在工作原理相同情况下本发明直升机有多种功能应用，为了简便说明本发明直升机的工作原理，本说明书重点选择应用于无人机领域来进行描述。


背景技术：

2.近十年来国内外无人机发展迅速，广泛应用于社会经济、通用航空和国防建设的各个领域，取得了巨大的社会效益和经济效益，且将来的发展前景有望更好。现在国内外常用的无人机主要有以下两类，它们各自具有的优缺点如下：
3.1、多旋翼无人机：一般都是电动的无人机，它的最大优点是结构简单，多旋翼都是双数，多为4旋翼、6翼旋和8旋翼，将其中一半旋翼顺时针旋转，另外一半反时针旋转，机身自然平衡而不旋转而稳定飞行的方向，操控和培训都较容易，培训二三天后学员即可以熟练操控，因此得到各行各业的广泛应用。但遗憾的是因为多旋翼无人机其每个旋翼直径小，虽然数量较多，但是在整机同等外形直径条件下，其总功率并不大。而且还受电池容量所限，续航时间较短，它适合于荷载较小的用于航拍和场景巡视等功能的使用。
4.2、传统单旋翼长尾梁带尾桨的无人机：当应用要求荷载较大，续航时间较长的领域，目前和今后较长一段时间可能还是不得不采用油动发动机的无人机来承担。其总体设计的工作原理与现有载人直升机一样。但是它结构较复杂，它是通过其长尾梁上的尾桨对机身作用形成反力矩来平衡无人机由于主旋翼产生的机身自转，因为尾桨对机身的作用力始终垂直作用于无人机的前进方向，使此类型无人机在整个航程中都存在偏航现象，为此必须操控主旋翼盘向另外一侧倾斜一点获得一点纠偏力来克服偏航，所以操控较难，培训学员需要一个月左右时间才能达到合格上岗水平，从而严重影响了这种传统工作原理的无人机的广泛应用。虽然这种单旋翼无人机难操控，但是由于其总荷载更大，续航时间较长，适合做像农业植保、空中快递物件等要求能承载较大荷载功能的工业级无人机，所以依然应用广泛。


技术实现要素：

5.针对现有上述两种无人机的实际情况，如何保留两种无人机的各自优点，同时又避开上述两种无人机的缺点，然后再进行综合分析和创新改进，就产生了“风扇平衡机身自
转的单旋翼无人机”的本发明技术。现将本发明直升机的工作原理阐述如下：
6.本发明直升机的机身是半球形，发动机轴通过锥齿轮传动机构同时带动位于机身正中上方的主旋翼和机身正下方的风扇同时旋转，且风扇与主旋翼的旋转方向始终相反。因为主旋翼转轴和风扇转轴都是处于圆形机身的垂直中心线上，因此改变风扇的桨矩大小就能平衡主旋翼旋转所产生的使机身水平自转的扭矩，从而使本发明直升机的机身能够平衡而稳定飞行方向。因为主旋翼轴和风扇轴都是处半球机身的垂直中心线上，风扇对半球形机身的作用不会产生像传统单旋翼长尾梁带尾桨无人机那样的偏航作用，所以操控本发明无人机的飞行将是方便快捷的。至于本发明无人机前后左右的飞行，则依然采用传统直升机主旋翼盘的操控机构来实现，所以本说明书不再重复繁述。
7.相对现有两种无人机，因为本发明直升机是单旋翼，所以荷载较大、飞行效率更高、操控更容易和更安全，而且制造成本更低，预估其性能和性价比具有更强的市场竞争优势。另外关于发动机，本发明无人机既可以采用电动发动机，也可以采用油动发动机(活塞式内燃机或者涡轴喷气发动机)。虽然电池带动的本发明无人机荷载较小，但是在同等外围尺寸相同条件下，本发明电动无人机因为是单旋翼，所以他还是比电动多旋翼无人机的荷载更大一些，但操控简单容易多了。同理，本发明油动无人机的荷载也比电动的传统单旋翼长尾梁带尾桨的无人机更大一点，但是操控却相对容易许多。
附图说明
8.下面结合附图和实施实例对本发明作进一步的说明
9.图1是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”的机身纵向剖面图。
10.图2是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”机身结构的1-1平剖面图。
11.图3是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”机身结构的风腔2-2平剖面图。
12.图4是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”内机架整机传动机构剖面放大图。
13.图5是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”风扇调节装置3-3平剖面图。
14.图6是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”风扇调节装置的提耳5-5剖面图。
15.图7是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”调节盘4-4平剖面放大图。
16.图8是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”安装滑撬式起落架的外形侧视图。
17.图9是本发明“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”的整机外形俯视图。
18.图中
19.1、环形排风口 2、风扇 3、油箱 4、机身 5、主旋翼 6、仪器舱 7、内机架 8、轴承座 9、推力轴承 10、主旋翼调节装置 11、轴承盖 12、转轴 13、同轴线圆柱减速器 14、垫片 15、锥齿轮 16、发动机 17、发动机舱 18、桨叶轴 19、螺母 20、提耳 21、风扇调节装置 22、调节盘 23、调节底盘 24、进风口 25、向心轴承 26、机身底板 27、隔板 28、风腔 29、滑撬式起落架 30、环形槽 31、作用筒 32、调节片 33、活塞 34、螺钉 35、圆销 36、轴突缘 37、铜垫片 38、风腔底板
具体实施方式
20.在图1中表示了本发明直升机的机身纵剖面内部结构。从图中可以看出它与现有两种无人机的工作原理和内部结构完全不同。本发明直升机整机形状为半球形，圆板状的机身底板26的上方正中心安放锥形四方的内机架7。半球状机身4的外罩固定安装在机身底板26外缘和机架7上边。圆板状的机身底板26的下方有若干个隔板27连接圆形风腔底板38组合成风腔28，其下方中心设有进风口24，风腔28的圆周都是向下的环形排风口1。安装在发动机舱17内的发动机16的输出转轴12末端的锥齿轮15同时带动位于半球形机身4正中上方的主旋翼5和机身4下方的风扇2同时旋转，且风扇2与主旋翼5的旋转方向始终相反。
21.因为发动机16约90％的功率是供主旋翼5旋转产生升力来抬举全机的重量，而使机身4自转的功率只占10％左右。本发明直升机在空中飞行时风扇2的桨叶迎角一般是70度左右，变化范围是变小可至50度，变大可至90度；加之桨叶数相对较多，旋转阻力大，所以较小直径的风扇2是可以平衡由若干片小迎角和大直径桨叶所组成的主旋翼5对机身4所产生的水平扭矩。当人们操控风扇2全部桨叶的迎角同时变化，就能改变风扇2的水平扭矩，当其水平扭矩等于主旋翼5旋转所产生的机身水平自转扭矩时，则机身4就能够平衡不自转而稳定。
22.由于机身上方的主旋翼调节装置10和主旋翼5与传统的单旋翼长尾梁带尾桨的直升机完全一样。所以本发明直升机在空中的前后左右飞行、空中悬停或者上下运动的操控是和现有的单旋翼长尾梁带尾桨直升机完全一样。
23.另外，因为主旋翼5的转轴12和风扇2的转轴12都在半球形机身4的垂直中心线上，风扇2对半球形机身4的作用就不会产生像传统单旋翼长尾梁带尾桨无人机那样的偏航作用，所以操控本发明直升机的飞行将能够类似多旋翼无人机那样简易方便。
24.在图2中表示了本发明直升机机身的1-1平剖面图。本发明做无人机用时既可以做成电动无人机，也可以做成油动无人机。本说明书附图是按做油动无人机使用时绘制的，四方锥形的内机架7安装在半球形机身4的正中央和机身底板26的上面，发动机16为油动发动机安装在内机架7的后面，考虑机身自平衡将油箱3安装在机架7的前面。当做成电动无人机时，发动机16改为直流电动机，油箱3相应改为电池，其他机构完全一样。当然，就目前的电池工业水平，本发明的电动无人机总功率较小，空中飞行时效也较短，但还是比同等外围直径的电动多旋翼无人机的总功率大。而做油动无人机时，其总功率较大，空中飞行时效也较长，但是噪音和空气污染也较大。
25.在图3中表示了本发明直升机风腔28的2-2平剖面结构。圆中风腔28位于机身底板26下方，它是由若干个隔板27将风腔底板38与机身底板26相联而成。风扇2在此风腔28内旋转时，从进风口24进入风腔28内的空气，在风扇2离心力作用下再从其四周边缘的环形排风口1向下喷气，因此风扇2在除承担平衡机身自转的水平扭矩外，还可以增加约6％至8％的升力。
26.在图4中表示了本发明直升机的内部核心传动机构的放大图。图中内机架7分上中下三层，主旋翼5的轴12套穿安放在中层的轴承座8内的向心轴承25，主旋翼5轴再向上经过位于中层的同轴线圆柱减速器13减速后，进入上层再套穿推力轴承9，此推力轴承9向下紧靠轴凸缘36再安放和固定在内机架7上层的轴承座8内；其上面有轴承盖11通过旋转螺纹下压推力轴承9，轴凸缘36和铜垫片37被紧锁在上层的轴承座8内，这样当本发明直升机飞离
地面在空中飞行时，通过此轴凸缘36可以吊起本发明直升机整机的重量。图中发动机16的输出轴12末端的锥齿轮15也同时向下咬合风扇2的轴12上端锥齿轮15带动风扇2旋转，风扇2的轴12上端锥齿轮15的旋转方向始终是与主旋翼5轴12下端锥齿轮15的旋转方向相反。因此操控风扇2旋转产生的水平扭矩大小是可以平衡主旋翼5旋转时产生使机身4自转的扭矩。风扇2的轴12套穿安放在下层轴承座8的向心轴承25，再向下套穿调节盘22，继续向下穿过调节底盘23的中心孔，然后用螺母19将调节底盘23紧固在风扇2的轴12的下端。最后将风扇2的8个桨叶的桨叶轴18穿过调节底盘23对应的8个安装孔，再用螺母19紧固在调节底盘23外边向上翻起的八角形管壁上，但是8个桨叶轴18和桨叶都可以同时灵活转动。8个桨叶的迎角一般是70度，其转动变化的范围是50度至90度之间。因为风扇的转速是基本恒定的，因此桨叶迎角一改变，则风扇的水平扭矩也跟着改变，空中飞行时桨叶的具体角度是取决于其平衡机身自转而使机身稳定时的迎角。
27.在图5中表示了本发明直升机的风扇2的3-3平剖面图。从图中可以看出，调节底盘23的外缘向上翻起做成正边形管状来安装桨叶，正边形的边数等于安装的桨叶数(本说明附图是安装8个桨叶，所以附图为八边形管形)。每个桨叶的桨叶轴用螺母19定位在调节底盘23上，但是桨叶轴18应可以灵活转动；因为本发明的风扇调节装置相对传统的主旋翼调节装置，结构更紧凑，同样调节装置外径尺寸条件下，本发明的风扇调节装置能够安放的桨叶数可以是传统主旋翼调节装置的1.5倍，因此同等整机起飞重量条件下，因为可以多安装50％的桨叶，因此本发明直升机的主旋翼直径可以比传统单旋翼长尾梁带尾桨直升机的主旋翼直径减小约20％的尺寸，即更有利减少停放在船舰甲板上的占舰面积。
28.在图6中表示了本发明直升机的风扇调节装置21中的调节盘的环形槽构造，从4-4剖面图中可以看出调节盘22可以绕着风扇轴上下滑动，用螺钉34将调节片32紧固在作用筒31的活塞33上。因为调节片32始终插在调节盘22的上部环形槽30内，当人们操控活塞33在作用筒31中上下移动时，调节片32就使调节盘22跟着上下移动，调节盘22下部的环形槽30也随之上下移动，这样就连带地使下环形槽30内的8个调节用圆销35同时上下移动(详见图5的3-3平剖面图)；致使8个对应的提耳20各自绕着桨叶轴18旋转，即带动8个风扇2的桨叶同时旋转一定的角度，使风扇桨叶的迎角在50度至90度之间变化。当风扇2的桨叶旋转至某个角度，风扇2对机身产生的扭矩等于当时主旋翼5对机身产生的扭矩时，则此时本发明直升机的机身就稳定不再自转了，本发明直升机的飞行方向也就稳定了。
29.在图7中表示了本发明直升机的风扇调节装置21中的提耳结构，从5-5剖面图中可以看出用螺钉34将提耳20固定在桨叶轴18的螺母外段上，还用螺钉34将调节用的圆销35固定在提耳20上。
30.在图8中是本发明直升机的外形侧视图，图中机身4下方是安装了滑撬式起落架29。
31.在图9中是本发明直升机的外形俯视图。从图中可看出，圆形风力场的向下风压是从圆心随着桨叶半径向外呈平方关系增大，机身4位于主旋翼5的圆形风力场的中心位置，即位于风压最小的圆心位置，圆形机身4所受到的向下作用力很小，因此本发明直升机相对传统几种直升机和现有两种无人机的飞行效率更高；而垂直向上、垂直向下和空中悬停三种工况时的效率最高。
32.综上所述，按本发明直升机工作原理制造的无人机，其荷载既可以像传统“单旋翼
带尾翼无人机”一样大，又可以像多旋翼无人机那样好操控。因此本发明直升机既保留现有两种无人机各自的优点，同时又避开了现有两种无人机的缺点。还由于结构更简单紧凑，制造成本和制造周期可以更低，因此按本发明直升机工作原理的无人机若能研发成功，则其性能和性价比相对现有的两种无人机都将具有较明显的优势，具有更强的市场竞争力。
33.需要说明的是：对于所属领域的普通技术人员来说，在不违背本发明直升机工作原理的前提下，对本发明技术还可以做出若干其它的改进而成为其它的飞行器，但是这些仍然是属于本发明直升机工作原理的保护范围之内。

技术特征：
1.一种风扇平衡机身自转的单旋翼直升机，它主要包括机身、内机架发动机、锥齿轮传动机构、同轴线圆柱减速器、向心轴承、推力轴承、主旋翼调节装置、主旋翼、风扇调节装置、风扇、风腔、油箱和滑撬式起落架有序组合，其特征是：圆形机身底板中心安放四方锥形内机架，机身通过螺钉固定在机身底板圆周和内机架的上边；风腔底板通过若干隔板连接在机身底板下方组成风腔；发动机输出轴经过锥齿轮传动装置向上带动主旋翼轴穿过向心轴承、推力轴和轴承座，再带动机身上方的主旋翼调节装置和主旋翼旋转；发动机输出轴同时向下进入风腔内带动风扇轴穿过向心轴承，带动安放在风腔内的风扇调节装置和风扇旋转；主旋翼轴和风扇轴同在半球形机身的垂直中心线上且相互反转，油箱和仪器仪表安放在仪器舱内。2.根据权利要求1所述的一种风扇平衡机身自转的单旋翼直升机，其特征是：安装在圆形机身底板中心的四方锥形内机架分上中下三层，安装在发动机舱的发动机的输出轴末端锥齿轮同时咬合内机架下层的上下二个锥齿轮，上锥齿轮安装在主旋翼轴的最下端，此主旋翼轴从下向上套穿安装在中层的轴承座的向心轴承，再向上经过同轴线圆柱减速器后进入上层，再套穿安放在上层轴承座内的推力轴承；上层轴承座上方设有螺纹轴承盖，旋转此螺纹轴承盖使推力轴承、主旋翼轴的轴突缘和铜垫片相互紧贴在轴承座内；主旋翼轴上端连接机身外上方的传统主旋翼调节装置和主旋翼。3.根据权利要求1所述的一种风扇平衡机身自转的单旋翼直升机，其特征是：圆形风腔底板通过若干隔板连接在圆形机身底板下方组合成风腔，扁圆形的风腔最外环是向下的环形排风口，风腔底板中心开设一个圆形进风口；发动机输出轴向下咬合风扇轴顶端的锥齿轮带动风扇调节装置和风扇逆主旋翼方向旋转，此风扇轴套穿安放在内机架下层轴承座内的向心轴承进入风腔内，再穿过安放在风腔中心的风扇调节装置，此风扇调节装置被螺母固定在风扇轴的下端；若干个桨叶均匀安装在调节底盘外边向上翻起的正多边形管上，并均布在扁圆形的风腔内，正多边形管的边数等于桨叶数。4.根据权利要求3所述的一种风扇调节装置，其特征是：风扇调节装置由调节盘、调节底盘、若干桨叶轴和作用筒有序组合而成；调节盘和调节底盘分别上下有序套装在风扇轴的下段，其中调节盘可以沿着风扇轴上下移动；调节盘又分两段，其上段直径较小呈圆柱状，靠上边设有一条环形槽；调节盘下段直径较大呈扁平圆状，其外缘也设有一条环形槽；调节底盘与风扇轴之间通过条形键紧密相连而同时旋转，并且调节底盘被螺母紧固在风扇轴的最下端；调节底盘是正多边形，且外边都向上翻转成正多边形管状，其边数与安装在调节底盘上的桨叶数相等；若干桨叶的桨叶轴穿过对应的安装孔，再被螺母紧固在正多边形管壁上，但每个桨叶都可以绕桨叶轴自由转动；每个桨叶轴顶端都有一个用螺钉固定在桨叶轴顶端的提耳，而每个悬挑的提耳上又有用螺钉固定的圆销，全部调节用的圆销都插在调节盘下段的环形槽内；安装在内机架下层的轴承座下方安装有一个油压作用筒，其活塞下端的小槽内设有螺钉紧固的调节片，此调节片也始终插入在调节盘上段的环形槽内；当作用筒的活塞上下移动时，固定在活塞的调节片带动调节盘也上下移动，这些插在调节盘下段环形槽内的全部圆销通过提耳带动风扇的全部桨叶同时上下翻转。

技术总结
本“风扇平衡机身自转的单旋翼直升机”属于航空工业领域，因是单旋翼所以荷载较大，其发动机通过锥齿轮传动向上带动主旋翼产生升力抬举整机重量；同时向下带动风扇反转平衡机身自转；因主旋翼轴和风扇轴同在本机垂直中心线上，所以操控方便容易。本机可多功能应用，为简便说明其工作原理，本说明以无人机应用重点描述。现有“多旋翼无人机”机身自平衡好，操控容易，但总荷载较小；而传统“单旋翼带尾桨无人机”虽然荷载较大，但操控困难。本发明无人机集现有两种无人机之优点，又避免了两者缺点，因此性能和整机操控都获得较大提升；至于发动机，荷载较小时选电动机，荷载较大时选油动发动机，总之适用做工业用和军用二种直升机，应用前景广阔。用前景广阔。


技术研发人员：刘世英
受保护的技术使用者：武汉蓝天翔航空科技有限公司
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2023/7/4