一种扇叶可双自由度折叠的对转桨扇推进器

发动机及配件附件的制造及其应用技术1.本发明属于桨扇推进器领域。涉及一种扇叶可双自由度折叠的对转桨扇推进器。背景技术：2.涡桨发动机具有耗油率低的优点，涡扇发动机具有飞行速度高的优点，桨扇发动机集二者优点于一身，采用对转桨扇推进器可以提高航空飞行器的整体飞行性能。目前主流的对转桨扇推进器常采用不可折叠式扇叶，其典型结构如图1所示，包括壳体、一级转轴、二级转轴、固定式一级扇叶、一级轮毂、固定式二级扇叶、二级轮毂和尾锥，两根转轴分别带动两个轮毂旋转，以此将从发动机(未示出)输出的轴功传递给两级固定式扇叶。固定式扇叶按满足气动性能的安装角固定到推进器轮毂上，旋转产生推力推动飞行器前行。飞行器一般都会在材料强度允许的条件下增加桨扇直径，增大迎风面积，以追求较高的推力与经济性。但航母上的各类飞机、弹舱中的导弹、发射器里的无人机这些飞行器，对其非工作状态下的储存空间有特别的要求，过长的扇叶会导致所需储存空间增大，增加了安装、运输、储存的难度及成本。因此需要将扇叶折叠起来，使飞行器收纳状态下所占空间直径小于需求的收纳空间直径。但扇叶的截面为翼型，该翼型从根部到叶尖逐渐减薄变小，并带有一定角度的扭转，且整体呈后掠的马刀形，所以不能通过简单绕单个轴的旋转完成最小的收纳，即只朝一个方向的弯折不能使其紧贴到壳体和轮毂上。3.一部分桨扇推进器采用多个铰链或复杂的电动装置来实现桨扇扇叶的双自由度折叠，即从折叠到打开和绕桨扇自身轴线旋转。但复杂的折叠机构增加了零件的数量，降低了推进器运行时的安全性。同时较多的零件增加了推进器的重量，导致推进器的推重比下降，使得桨扇推进器的安装和运行上受到了较大的限制。故由此引发了桨扇推进器扇叶的双自由度最小折叠问题，本发明提出了一种单结构双自由度旋转扇叶技术，解决上述问题。技术实现要素：4.针对上述的推进器占据空间过大且扇叶难以收纳的问题，发明了一种扇叶可双自由度折叠的对转桨扇推进器。实现了以单结构完成桨扇从折叠状态到展开状态的转动，以及扇叶绕自身轴线的转动和气流迎角的改变。5.本发明采用的技术方案：6.本发明有个特殊性——一级转子和二级转子具有相似之处，但有些结构不同。所以下列叙述先以一级为例详细描述，二级与一级同理，但与一级不一样的结构会进行单独描述。7.一种扇叶可双自由度折叠的对转桨扇推进器，如图2和3所示，包括壳体、一级转轴、二级转轴、一级轮毂、二级轮毂、一级折叠机构、一级可折叠扇叶组件、二级可折叠扇叶组件、二级折叠机构和尾锥，一级折叠机构数量与一级可折叠扇叶组件一致，可取6～10个。二级折叠机构数量与二级可折叠扇叶组件一致，可取5～8个，并且二级可折叠扇叶组件数量需等于或少于一级可折叠扇叶组件。8.所述壳体为飞行器的一部分，如图2所示，起连接飞行器与推进器、包裹住桨扇推进器，并使气流光顺的作用。一级转轴和二级转轴为空心轴，在发动机的驱动下分别带动一级轮毂和二级轮毂转动。一级轮毂和二级轮毂连接两级转轴和基座，将发动机输出的轴功传递给一级可折叠扇叶组件和二级可折叠扇叶组件。尾锥作为推进器整流外形的一部分，起到减少阻力的作用。9.所述一级折叠机构和二级折叠机构整体呈半椭球形，在扇叶展开和折叠状态下的i区域放大视图分别如图4和图4所示。其中主要结构包括基座、外端盖、伸缩门、锁紧销钉、直弹簧、锁紧销钉槽、紧固螺钉、防松垫圈和内端盖。一级可折叠扇叶组件属于一级折叠机构，包括折叠式一级扇叶、一级纵轴、一级横轴。二级可折叠扇叶组件属于二级折叠机构，包括折叠式二级扇叶、二级纵轴、二级横轴。10.现结合图5可折叠扇叶及折叠机构的装配示意图来说明一级折叠机构的整体结构及各个零件之间的装配关系：锁紧销钉配合直弹簧插入到基座中心处的锁紧销钉槽中。一级纵轴安放于基座上的纵轴收纳槽内，一级横轴放置于基座的半个双扇形凹槽内，折叠式一级扇叶紧贴壳体。与此同时锁紧销钉在直弹簧预紧力推动下插入到一级横轴上的折叠锁紧销钉孔内，该孔为小于半球的球冠型凹坑。内端盖置于基座上，使内端盖纵轴滑槽与纵轴收纳槽对齐，且其内表面的半个双扇形凹槽与基座上的半个双扇形凹槽配合形成完整的双扇形滑槽，包裹住一级横轴，完成一级可折叠扇叶组件的装配。弧线型弹簧安装到内端盖外表面的内端盖伸缩门槽中。伸缩门置于内端盖伸缩门槽上，4个防脱销钉插入到伸缩门内的4个防脱销钉孔中。外端盖置于基座和内端盖上，使外端盖纵轴滑槽与内端盖纵轴滑槽对齐，外端盖伸缩门槽与内端盖伸缩门槽配合形成完整的伸缩门滑槽。防脱销钉长度大于防脱销钉孔，超出的部分伸入到外端盖伸缩门槽内的防脱销钉滑槽中，完成伸缩门的装配。5个紧固螺钉与防松垫圈及外端盖的5个通孔配合，插入到基座上沿圆周外圈开有5个非均匀分布盲孔形式的紧固螺钉孔内，将上述的零件固定到基座上，完成一级折叠机构的装配。二级折叠机构与一级同理，一级转子和二级转子中的多个折叠结构也相同。11.所述一级可折叠扇叶组件包括折叠式一级扇叶、一级纵轴和一级横轴。所述折叠式一级扇叶截面为翼型，该翼型从根部到叶尖逐渐减薄变小，并带有一定角度的扭转，且整体呈后掠的马刀形。一级纵轴连接折叠式一级扇叶和一级横轴，将发动机扭矩传输给折叠式一级扇叶对气流做功，以及承受扇叶转动时产生的离心载荷和弯矩。在工作时，折叠式一级扇叶吸收发动机传递过来的轴功并旋转，产生推力通过外端盖、内端盖、一级横轴、锁紧销钉、基座和一级轮毂传递给推进器，如图2所示。二级与一级同理。12.所述一级纵轴为截面呈跑道形的柱体。推进器处于折叠状态时，一级纵轴安放于基座上的纵轴收纳槽内。锁紧销钉槽内预先压缩的直弹簧将锁紧销钉顶到一级横轴上的折叠锁紧销钉孔中，该孔为小于半球的球冠型凹坑，通过与锁紧销钉头部球形表面配合，为折叠式一级扇叶提供锁紧力，保证其在推进器静止状态和小转速转动下固定在折叠位置，阻止其受到重力、小幅度离心力或振动而打开，使折叠式一级扇叶和折叠式二级扇叶分别紧贴壳体和尾锥，如图4(b)和图6(b)所示，完成一级折叠机构于折叠状态的锁紧。在一级转轴的转速超过临界转速后，临界转速取值范围为600rpm～1000rpm，一级折叠机构才会解除锁紧状态，进行扇叶的双自由度旋转，即一级纵轴偏转和一级横轴偏转。当一级纵轴偏转时，即一级纵轴和折叠式一级扇叶绕一级横轴转动时，先推开伸缩门，随后沿着内、外端盖上的内端盖纵轴滑槽和外端盖纵轴滑槽配合形成的完整纵轴滑槽滑动，使折叠式一级扇叶从折叠状态过渡到展开状态，完成扇叶展开自由度的旋转，扇叶展开自由度即第一自由度。二级与一级同理。13.所述一级横轴为两端为球面的圆柱体。在一级纵轴到达最大展开位置后，一级横轴随即进行偏转，即一级横轴和折叠式一级扇叶绕一级纵轴转动，沿着基座和内端盖共同形成双扇形滑槽滑动，使折叠式一级扇叶能够绕自身轴线转动满足气流迎角的改变，完成扇叶自身轴线自由度的旋转，扇叶自身轴线自由度即第二自由度。横轴扫掠角度依据设计点下气流迎角而确定，一般取值范围为35°～55°，如图6(a)和图6(b)所示。推进器处于展开状态时，即一级扇叶17完成两个自由度的旋转后，锁紧销钉在直弹簧的推动下进入一级横轴的展开锁紧销钉孔，锁紧销钉利用四棱柱形面的配合，既阻止扇叶绕横轴旋转，也阻止绕纵轴旋转。并且由于离心力和直弹簧的顶紧力，锁紧销钉不能从折叠锁紧销钉孔中脱出，使得折叠式一级扇叶展开过程不可逆，避免由于气动力造成的扇叶回弹。如图4和图6所示，完成一级折叠机构于展开状态的锁紧。二级与一级同理。14.所述伸缩门为两片球面扇形，均具有单向打开的功能，即一级纵轴可从折叠到展开时推开此门，但无法反向。伸缩门与处于压缩状态的弧线形弹簧配合置于外端盖伸缩门槽与内端盖伸缩门槽形成完整的伸缩门滑槽中，可在伸缩门滑槽中沿伸缩门移动方向滑动，该滑动方向为圆弧形，相对于轴线对应的角度范围为50°～70°。同时沿伸缩门球面的直径方向共开有4个防脱销钉孔，4个防脱销钉插入到4个防脱销钉孔中。防脱销钉长度大于防脱销钉孔，其超出的部分伸入到外端盖伸缩门槽内的防脱销钉滑槽中，可随伸缩门的滑动于防脱销钉滑槽内滑动，其转动方向和角度范围与伸缩门一致，以防止伸缩门从槽中脱落。当推进器处于工作状态时，一级转轴和二级转轴带动一级轮毂和二级轮毂旋转。随着一级转轴转速的提高，一级可折叠扇叶组件所受的离心力也随之增大。当转速超过临界转速，临界转速取值范围为600rpm～1000rpm，一级可折叠扇叶组件所受的离心力超过直弹簧的预紧弹力后，一级纵轴推开伸缩门，同时带动一级横轴将锁紧销钉推入锁紧销钉槽中，解除一级可折叠扇叶组件的锁紧状态。此时伸缩门依靠底部的斜面被一级纵轴推开，然后在防脱销钉的引导下沿伸缩门移动方向收入伸缩门滑槽，露出由外端盖纵轴滑槽和内端盖纵轴滑槽组成的完整纵轴滑槽。当一级纵轴到达最大展开位置后，伸缩门在弧线形弹簧的推动下配合防脱销钉和防脱销钉滑槽沿伸缩门移动方向关闭，与外端盖形成近似完整球形壳体，如图7所示，阻止折叠式一级扇叶的反向运动，减少一级折叠机构在推进器在飞行中的流动阻力。在伸缩门关闭的同时，一级横轴进一步沿着双扇形滑槽滑动，完成绕纵轴旋转方向的旋转，到达完全展开的最终工作位置，如图7虚线扇叶所示。二级与一级同理。15.本发明以简洁的折叠机构实现了桨扇的双自由度旋转，解决了推进器占据空间过大且扇叶难以收纳的问题。一级纵轴配合纵轴滑槽实现扇叶展开自由度(第一自由度)的旋转，一级横轴配合双扇形滑槽实现扇叶自身轴线自由度(第二自由度)的旋转，通过两个自由度的旋转实现了扇叶从最小收纳状态到工作状态的空间展开。锁紧销钉与直弹簧和一级横轴上的折叠锁紧销钉孔配合，完成一级折叠机构于折叠状态的锁紧；与展开锁紧销钉孔配合，完成一级折叠机构于展开状态的锁紧。伸缩门与弧线形弹簧、伸缩门滑槽配合，使一级纵轴的展开滑动不可逆；同时减少折叠机构在推进器在飞行中的流动阻力。各个部件相互配合，协同工作，使桨扇推进器高效安全的飞行。二级与一级同理。16.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：17.1、小收纳空间18.扇叶不可折叠式对转桨扇推进器的桨扇直径(典型值为400mm)，大于收纳空间要求直径(典型值为240mm)。无法满足要求。采用了本发明的折叠机构后，折叠式扇叶分别紧贴壳体和尾锥，相对于不可折叠式，推进器外阔直径可以减少40％以上，达到收纳空间要求直径以内。19.2、最小折叠20.折叠式一级扇叶与折叠式二级扇叶分别向前后折叠，各自紧贴壳体与尾锥，避免相互干涉。扇叶可以绕横轴展开，且横轴又能在双扇形滑槽内转动。这样单结构双自由度的配合方式，实现了扇叶的最小折叠。21.3、高推进效率22.伸缩门使折叠式扇叶单方向打开，并与外端盖配合形成近似完整球形壳体，减少折叠机构在推进器飞行中的流动阻力。同时折叠机构实现桨扇的双自由度旋转，满足了扇叶气流迎角的改变需求，保证了对转桨扇推进器的推进效率。23.4、高可靠性24.本发明以简洁的单一结构实现多种功能，其中一级纵轴和一级横轴分别配合纵轴滑槽与双扇形滑槽实现扇叶双自由度旋转。同时起传递气动力矩的作用；锁紧销钉为折叠式一级扇叶提供锁紧力，使得折叠式一级扇叶展开过程不可逆。同时阻止扇叶一级纵轴和一级横轴旋转，完成折叠式一级扇叶于推进器静止状态和工作状态的固定锁紧。二级与一级同理。相较于采用多个铰链或复杂的电动装置的推进器，减少了零件的数量，并且提高了推进器从收纳到运行状态改变过程的可靠性。附图说明25.图1扇叶不可折叠式对转桨扇推进器剖视图；26.图2(a)扇叶展开状态下推进器主视图；27.图2(b)扇叶展开状态下推进器侧视图；28.图3扇叶展开状态下推进器a-a剖视图；29.图4(a)折叠机构展开状态下i区域局部剖视图；30.图4(b)折叠机构折叠状态下i区域局部剖视图；31.图5可折叠扇叶及折叠机构的装配示意图；32.图6(a)折叠机构展开状态下b-b剖视图；33.图6(b)折叠机折叠开状态下b-b剖视图；34.图7推进器扇叶双自由度展开过程示意图；35.图8扇叶中径处基元级的叶型及速度三角形图。36.图中：1、壳体；2、一级转轴；3、二级转轴；4、固定式一级扇叶；5、一级轮毂；6、固定式二级扇叶；7、二级轮毂；8、尾锥；9、一级折叠机构；10、一级可折叠扇叶组件；11、二级可折叠扇叶组件；12、二级折叠机构；13、基座；14、外端盖；15、伸缩门；16、锁紧销钉；17、折叠式一级扇叶；18、一级纵轴；19、一级横轴；20、折叠式二级扇叶；21、二级纵轴；22、二级横轴；23、直弹簧；24、锁紧销钉槽；25、紧固螺钉；26、防松垫圈；27、内端盖；28、纵轴收纳槽；29、紧固螺钉孔；30、双扇形滑槽；31、折叠锁紧销钉孔；32、展开锁紧销钉孔；33、外端盖伸缩门槽；34、防脱销钉滑槽；35、外端盖纵轴滑槽；36、防脱销钉；37、防脱销钉孔；38、内端盖纵轴滑槽；39、内端盖伸缩门槽；40、弧线形弹簧；41、一级转子；42、二级转子；43、绕横轴旋转方向；44、绕纵轴旋转方向；45、伸缩门移动方向；46、桨扇直径47、收纳空间直径48、横轴扫掠角度具体实施方式37.本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。以下结合附图对扇叶可双自由度折叠的对转桨扇推进器进行详细说明。38.一种扇叶可双自由度折叠的对转桨扇推进器，包括壳体1、一级转轴2、二级转轴3、一级轮毂5、二级轮毂7、8个一级折叠机构9、8个一级可折叠扇叶组件10、6个二级可折叠扇叶组件11、6个二级折叠机构12和尾锥8，如图2所示。一级折叠机构9和二级折叠机构12的装配过程如图5所示。39.所述壳体1为飞行器的一部分，连接飞行器与推进器、包裹住桨扇推进器，使流经推进器的气流光顺。40.当推进器处于非工作时的收纳状态时，8个折叠式一级扇叶17均紧贴壳体1，6个折叠式二级扇叶20均紧贴尾锥8。一级纵轴18收于纵轴收纳槽28内，锁紧销钉槽24内预先压缩的直弹簧23将锁紧销钉16顶到一级横轴19上的折叠锁紧销钉孔31中，为折叠式一级扇叶17提供锁紧力，保证其在推进器静止状态和小转速转动下固定在折叠位置，阻止其受到重力、小幅度离心力或振动而打开，如图4(b)和6(b)所示。二级与一级同理，一级转子和二级转子中的多个折叠结构也相同。41.当推进器处于工作状态时，如航母上的各类飞机起飞、导弹从弹舱中发射、无人机从发射器里弹出后。一级转轴2和二级转轴3带动一级轮毂5和二级轮毂7旋转，两级转子41和42旋转方向相反。在发动机怠速工况下，一级转轴2的转速在800rpm内、二级转轴3的转速在700rpm内时，折叠式一级扇叶17与折叠式二级扇叶20受锁紧销钉16锁紧以及伸缩门15的阻挡不会展开。随着一级转轴2和二级转轴3转速的提高，当转速分别超过800rpm和700rpm，一级可折叠扇叶组件10与折叠式二级扇叶20所受的离心力超过直弹簧23的预紧弹力后，伸缩门15依靠底部的斜面被一级纵轴18推开。一级纵轴18带动一级横轴19将锁紧销钉16推入锁紧销钉槽24中。锁紧销钉16向下移动6mm，解除一级可折叠扇叶组件10的锁紧状态。伸缩门15配合防脱销钉滑槽34和防脱销钉36，沿着外端盖伸缩门槽33与内端盖伸缩门槽39形成的伸缩门滑槽旋转，沿伸缩门移动方向45旋转60°后到最大打开位置。弧线形弹簧40处于压缩状态。此时伸缩门15收入伸缩门滑槽，露出由外端盖纵轴滑槽35和内端盖纵轴滑槽38组成的完整纵轴滑槽。一级纵轴18沿着纵轴滑槽朝展开方向43旋转90°，折叠式一级扇叶17到达最大展开位置，完成扇叶展开自由度(第一个自由度)的旋转。随后折叠式一级扇叶17在气动环量扭矩的作用下带动一级纵轴18与一级横轴19沿绕纵轴旋转方向44转动45°，二级横轴22转动39°，完成扇叶自身轴线自由度(第二个自由度)的旋转，到达完全展开的最终工作位置。此时伸缩门15在弧线形弹簧40的推动下配合防脱销钉36和防脱销钉滑槽34沿伸缩门移动方向45旋转60°后关闭。与外端盖14形成近似完整球形壳体，阻止折叠式一级扇叶17的反向运动，减少一级折叠机构9在推进器在飞行中的流动阻力，如图7所示。随后锁紧销钉16在直弹簧23的推动下向上移动12mm进入一级横轴19的展开锁紧销钉孔32内。锁紧销钉16利用四棱柱形面的配合，既阻止扇叶绕横轴旋转，也阻止绕纵轴旋转。并且由于离心力和直弹簧23的顶紧力，锁紧销钉16不能从展开锁紧销钉孔32中脱出，使得折叠式一级扇叶17展开过程不可逆，避免由于气动力造成的扇叶回弹，完成一级折叠机构9于展开状态的锁紧，如图4(a)和6(a)所示。二级一级同理，一级转子和二级转子中的多个折叠结构也相同。42.此时推进器于空中稳定飞行。一级转轴2和二级转轴3带动一级轮毂5和二级轮毂7稳定旋转，将发动机输出的轴功传递给折叠式一级扇叶17和折叠式二级扇叶20。两级可折叠式扇叶对向旋转对气流做功，其中径处的叶型和速度三角形如图8所示：一级桨扇轴向进气，空气经过一级桨扇做功后气流速度增大并带有一定旋度；带有预旋的气流直接流入第二级桨扇，由于扭速的增大，可增加二级桨扇的做功能力。空气经过二级桨扇后速度继续增大，气流角持续偏转，最后沿推进器轴向排出。产生的推力通过外端盖14、内端盖27，一级纵轴18、二级纵轴21、一级轮毂5和二级轮毂7传递给推进器，使飞行器稳定飞行。









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