本发明属于直升机气动部件设计技术领域，尤其涉及一种基于横流风扇的直升机反扭矩平衡系统及直升机。
背景技术：
直升机飞行主要靠旋翼产生的拉力。当旋翼由发动机通过旋转轴带动旋转时，旋翼给空气以扭矩(或称作用力矩)，空气必然在同一时间以大小相等、方向相反的反扭矩(或称反作用力矩)作用于旋翼，从而再通过旋翼将这一反扭矩传递到直升机机体上。如果不采取措施予以平衡，那么这个反扭矩就会使直升机逆旋翼转动方向旋转。为了消除这个反扭矩作用以保持直升机的航向，需要在直升机上布置一定的结构，例如尾桨来平衡旋翼反扭矩并实行对直升机的航向操纵。
传统的平衡旋翼反扭矩装置——尾桨在实现功能的同时也存在很多不足，比如在飞行过程中或地面停放时，尾桨可能会与树枝、电线等物体碰撞，导致事故的发生；尾桨是一个直升机上重要的噪声源和振动源，会减少部件寿命，增加维护成本，加剧飞行员疲劳。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于横流风扇、气动效率较高、布置于单旋翼直升机尾梁上的反扭矩平衡系统，平衡旋翼反扭矩并控制直升机的航向操纵以及机动飞行。
本发明的技术方案是：一种直升机反扭矩平衡系统，其包括：
壳体，所述壳体具有一容腔且在所述壳体上设有连通至所述容腔的进气口及排气口，所述进气口的中心线与排气口的中心线呈预设角度；
横流风扇，所述横流风扇设置于所述容腔内，用于引导自所述进气口流入的气流从所述排气口流出，以提供用于平衡直升机反扭矩的侧向力；
中心轴，所述中心轴设置于所述容腔内且固定于所述壳体上，用于支撑所述横流风扇并使得所述横流风扇绕所述中心轴转动。
在本发明一实施例中，在所述壳体的进气口外侧边缘设有唇口，用于提供垂向的拉力，其中所述唇口为弧线型。
在本发明一实施例中，还包括安装于排气口处的导流片，所述导流片与壳体铰接用于调节自排气口排出的气流流向。
在上述实施例中，所述导流片铰点位于气流流经的所述导流片的前端。
在本发明一实施例中，所述横流风扇至少包括两风扇单元，所述风扇单元包括一组风扇叶片及设置于所述风扇扇叶两侧的风扇端板，其中，相邻两风扇单元之间设有间隙。
在本发明一实施例中，所述预设角度为80°～100°。
在本发明一实施例中，还包括保护罩，所述保护罩呈网状，用于防止异物进入所述进气口。
本发明还提供了一种直升机，所述直升机包括上述任一直升机反扭矩平衡系统，所述直升机反扭矩平衡系统安装于直升机尾部，用于提供实现直升机航向控制的侧向力，其中所述直升机反扭矩平衡系统的中心轴轴线平行于直升机螺旋桨旋转平面，使得所述壳体中进气口及出气口中心线所构成的平面与直升机螺旋桨旋转平面垂直。
本发明的基于横流风扇的直升机反扭矩平衡系统及直升机通过对尾梁进行重新气动设计，依靠尾梁侧面喷气提供推力即可平衡直升机旋翼的反扭矩并控制直升机的航向操纵以及机动飞行。这种直升机的航向控制系统相对常规尾桨结构简单，安全性好，同时一定程度上减少了直升机的振动和噪声。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一实施例的直升机反扭矩平衡系统结构示意图；
图2为本发明一实施例的直升机反扭矩平衡系统内部视图；
图3为本发明一实施例的导流片示意图；
图4为本发明一实施例的横流风扇结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1和图2所示，本发明的直升机反扭矩平衡系统主要包括壳体1、横流风扇3和中心轴2，壳体1被设置成具有一中空容腔13，且在壳体1上设有连通至容腔13的进气口11及排气口12，进气口11(中心线l1)与排气口12(中心线l2)呈预设角度；横流风扇3设置于壳体1的容腔13内，用于引导自进气口11流入的气流并使得气流从排气口13流出，以提供用于平衡直升机反扭矩的侧向力；中心轴2设置在壳体1内的容腔13中，其两端固定于壳体1上，用于支撑横流风扇3，使得横流风扇3能够绕中心轴2转动。
直升机反扭矩平衡系统设置于直升机尾部(或尾梁)，通过进气口11吸入气流，气流经过横流风扇3转向并从排气口13排出，可以提供平衡直升机反扭矩的侧向力，从而实现直升机的航向偏转操纵。
如图2所示，直升机反扭矩平衡系统中横流风扇3从直升机尾梁上方吸气，经过横流风扇3转向后，再从右下方的侧面喷气提供推力，因此用于将气流转向的角度应设置合理，即本发明中将出气口与进气口的预设角度设为80°～100°，以便产生效力较高的侧向反扭矩力，图例中所示角度为90度。
在本发明中，在安装于尾梁上的壳体1上设置有唇口14并进行气动优化设计，使得气流经过时可以产生一定的附加侧向力，唇口14位于壳体1气体吸入侧(进气口11的外侧)。在本发明优选实施方案中，所述唇口14为弧线形，圆滑过渡于壳体1外侧与壳体1中进气口11的边缘。
在本发明中，壳体1的出气口12处(即气体喷出侧)布置一系列可偏转的导流片4，用于实现推力的矢量控制。在本发明实施例中，导流片4与壳体1铰接即可实现上述偏转方案。
如图3所示，本发明实施例中的导流片4的截面中部呈矩形、两端呈圆形，气流流向自左至右流动，而导流片4的铰点则位于气流流经导流片4的前端，即导流片4的左侧部位。
需要说明的是，在本发明中横流风扇3采用电动机带动，通过变速可实现推力的调节。
如图4所示，本发明中横流风扇3可以包括至少两风扇单元，每风扇单元均包括一组风扇叶片31及设置在风扇叶片31两侧用于夹持固定风扇叶片31的风扇端板32，风扇单元并行设置后用中心轴2将风扇单元进行连接。其中相邻两风扇单元之间设有间隙。
在本发明优选方案中，还包括保护罩5，保护罩5为网状结构，用于防止异物进入进气口，网状结构的孔口大小可根据环境适当调整。
此外，本发明还提供了一种直升机，直升机包括上述的直升机反扭矩平衡系统，直升机反扭矩平衡系统安装于直升机尾部，用于提供实现直升机航向控制的侧向力。直升机反扭矩平衡系统的设置方式为：中心轴2轴线平行于直升机螺旋桨旋转平面设置，使得所述壳体中进气口及出气口中心线所构成的平面与直升机螺旋桨旋转平面垂直。
对于本发明的直升机反扭矩平衡系统在应注意一下几个方面：
(1)直升机反扭矩平衡系统的外形基本尺寸应根据直升机的吨位、反扭矩大小和尾梁限制尺寸等确定尾梁喷气装置的外形基本尺寸，同时确定反扭矩平衡系统在尾梁上的纵向安装位置；
(2)直升机反扭矩平衡系统中内嵌的横流风扇3的直径大小及内部气流通道基本尺寸，根据内部结构限制尺寸和推力需求，确定内嵌风扇的直径大小；气流内部通道要保证有足够的气流通过面积；进气口过渡要圆滑，其采用弧面设计，减少气流在通道中的总压损失；内部通道还需要为横流风扇3的安装预留空间。
(3)直升机反扭矩平衡系统的内部部件的外形和尺寸，内部部件包括：横流风扇3所采用风扇叶片31的弦长、翼型、安装角等参数，使得横流风扇3的加速变向气动效果较好，同时总压损失较小，风扇叶片31结构参照图3所示；根据尾梁在飞行时的变形情况以及横流风扇3布置时的结构要求，选用适当的横流风扇3沿尾梁方向的各个滚筒长度，如图4所述即为选用了两风扇单元构成横流风扇3的直升机反扭矩平衡系统；各滚筒状横流风扇3之间连接部件设计为可拆卸且具有一些空隙，可以直接对单个滚筒进行更换；直升机反扭矩平衡系统的吸气侧设有唇口14，唇口14为弧线，唇口14的外形尺寸要满足以下要求：能够最大限度的扩大尾梁上方的吸气范围，使得气流能够顺利进入尾梁喷气装置而无较大的总压损失，在气流流经唇口14时能够提供一定的垂向力；直升机反扭矩平衡系统的喷气侧设置导流片4，导流片4安装于排气口12且与壳体1铰接，导流片4能够绕铰轴转动用于调节排气口12排出的气流流向，其外形要在能顺利满足实现喷口气流变向要求的前提下尽量减少总压损失。
(4)直升机反扭矩平衡系统的表面进行修形，同时依据分析结果适当调整相关部件尺寸和位置；各相邻曲面之间采用相切圆滑过渡连接，确定各曲面连接过渡尺寸；端面之间采用倒圆角连接，根据包裹部分大小，以及圆滑过渡要求，确定倒圆角的半径尺寸。
本发明的直升机反扭矩平衡系统及直升机具有如下优点：
a)直升机反扭矩平衡系统要求满足尾梁的结构尺寸限制；
b)从尾梁上方吸气可以在多种飞行状态下利用旋翼下洗流的能量；
c)在尾梁气体吸入侧的唇口14进行气动优化设计，使得气流经过时可以产生一定的附加垂向力；
d)在尾梁气体喷出侧，布置一系列可偏转导流片4，实现推力的矢量控制。
e)横流风扇3中风扇叶片31的翼型参数经过气动优化设计，使得气流在流经横流风扇时总压损失较小且加速效果良好；
f)横流风扇3沿尾梁方向截断成几个滚筒串联排布的风扇单元，两相邻的风扇单元之间存在一定间隙，可以一定程度上容许尾梁的变形；同时，这样使得风扇端板32间距变小(即风扇叶片31沿中心轴2轴线方向的长度)，使得风扇叶片31长度相对较小，风扇叶片31的结构强度得以增强，足以承受旋转时的离心力；
g)横流风扇3采用电动机带动，通过横流风扇转速的调节实现推力的变化。
本发明的直升机反扭矩平衡系统及直升机可以避免尾桨与外物相碰的事故，提高直升机起降和低空飞行的安全性；在多种飞行状态下可以利用旋翼下洗流能量，减少功率消耗；噪声和振动水平较常规尾桨有所下降；采用了矢量喷气控制模块和转速调节模块，更便于操纵；依托矢量喷气控制模块，可以在竖直方向上提供一定的分力，使得直升机重心容许范围扩大；重量也较常规尾桨有所下降。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。