一种涵道式飞行器及涵道扩散器的制作方法

本实用新型涉及涵道式飞行器设计生产技术领域，更具体的说涉及一种涵道式飞行器及涵道扩散器。

背景技术：

涵道式飞行器是一种比较特殊的飞行器，由于旋翼设置在涵道内，因此其外观上不具备螺旋桨等动力构件，这使得涵道式飞行器拥有螺旋桨式飞行器所不具备的一些特殊优势，可应用于诸多特定场所。

常见的涵道内壁都是光滑的筒体，涵道的两端设置唇口，涵道内的气体流动不止有轴向流动，还有旋翼旋转带来的周向流动，主要的耦合运动形式为高速螺旋状轴向出流，流动形式极其复杂。

由于空气是粘性介质，涵道的内壁会形成气流的边界层，在靠近涵道尾喷口的位置，边界层会随着流动的发展与壁面产生分离，并且边界层与壁面分离时通常还没有达到唇口的底端，边界层与壁面分离后会产生尾部涡流，尾部涡流进而会影响涵道壁面上的压力分布，形成上升阻力，从而导致涵道风扇系统升力下降。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型公开了一种涵道扩散器，以便能够通过涵道扩散器来约束涵道内壁上的边界层，推迟边界层与涵道内壁的分离，从而改善涵道内壁上的气流压力情况，提升涵道升力。

除此之外，本实用新型中还公开了一种具有上述涵道扩散器的涵道式无人机。

为达到上述目的，本实用新型中所公开的涵道扩散器，用于设置在涵道内，包括：

用于连接在所述涵道内的支撑架；

安装在所述支撑架上，并位于所述涵道的尾喷口处的壁面导流环，所述壁面导流环呈锥台状，其小端朝向所述涵道的气流入口，大端朝向所述尾喷口，并且所述壁面导流环能够与所述涵道的内壁之间形成边界层导流间隙。

优选的，还包括安装在所述支撑架上并套装于所述壁面导流环的内腔中的主流区导流环，所述主流区导流环呈锥台状，且其小端朝向所述涵道的气流入口，大端朝向所述尾喷口，所述主流区导流环与所述壁面导流环同心布设，与所述壁面导流环最近的所述主流区导流环称为外层主导流环，所述外层主导流环和所述壁面导流环之间预留有第一气流扩散间隙。

优选的，所述主流区导流环包括多个，且相邻两个所述主流区导流环之间预留有第二气流扩散间隙。

优选的，所述第一气流扩散间隙的间隙宽度大于所述边界层导流间隙的间隙宽度，所述第二气流扩散间隙的间隙宽度大于所述第一气流扩散间隙的间隙宽度；与所述涵道的中心最近的所述主流区导流环称为内层主导流环，所述第二气流扩散间隙具有多个，且由所述外层主导流环至所述内层主导流环，所述第二气流扩散间隙的间隙宽度逐渐增大。

优选的，所述壁面导流环的锥度大于所述主流区导流环的锥度，在所述涵道的径向上，由所述壁面导流环至所述涵道的中心，所述主流区导流环的锥度逐渐减小。

优选的，所述壁面导流环及所述主流区导流环的侧壁的母线为朝向所述涵道中心线凸起的曲线。

优选的，在所述涵道的轴向上，所述壁面导流环及所述主流区导流环的侧壁的厚度由中间向两端逐渐减小。

优选的，在所述涵道的轴向上，所述壁面导流环的小端与所述主流区导流环的小端平齐，所述壁面导流环的大端与所述主流区导流环的大端平齐。

本实用新型中所公开的涵道式飞行器，包括机身、开设在机身上的涵道以及安装在涵道内的风扇总成，并且所述涵道的尾喷口处设置有上述任意一项中所公开的涵道扩散器。

优选的，所述涵道内嵌装有电机支架，所述风扇总成通过所述电机支架安装于所述涵道内，且所述电机支架兼做所述支撑架。

优选的，所述风扇总成包括电机、扇叶、前整流锥及整流尾椎，其中，所述电机固定于所述电机支架上，其输出轴与所述扇叶固定相连，所述前整流锥固连在所述扇叶上并将所述输出轴扣设在自身内部，所述整流尾椎扣设于所述电机的尾部。

本实用新型中所公开的涵道扩散器包括支撑架和安装在支撑架上的壁面导流环，整个涵道扩散器安装在涵道的尾喷口处，壁面导流环呈锥台状(或称喇叭口状)，并且其小端朝向涵道的气流入口，大端朝向尾喷口，壁面导流环能够与涵道的内壁之间形成边界导流间隙。

边界层导流间隙一方面的作用在于给涵道内壁上的边界层进行导流，以使边界层能够尽量朝着尾喷口的端部移动，推迟边界层与涵道内壁的分离的时间；另一方面的作用还在于约束边界层使其不容易与壁面分离，另外即使在边界层与壁面产生分离，在壁面导流环的空间压缩作用下也可以减弱甚至消除尾部涡流，从而提升涵道升力。

由此可见，本实用新型中所公开的涵道扩散器可以有效约束涵道内壁上的边界层移动，推迟边界层与涵道内壁的分离时间，从而改善涵道内壁上的气流压力情况，提升涵道升力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它的附图。

图1为本实用新型一种实施例中所公开的涵道底部示意图；

图2为图1所述的涵道的顶部示意图；

图3为本实用新型一种实施例所公开的涵道的剖面示意图；

图4为本实用新型一种实施例所公开的涵道的气体流场示意图；

图5为本实用新型另一种实施例中所公开的涵道的气体流场示意图。

其中，1为电机支架，2为涵道，3为壁面导流环，4为主流区导流环，5为扇叶，6为电机，7为前整流锥，8为整流尾椎。

具体实施方式

本实用新型的核心之一是提供一种涵道扩散器，以便能够通过涵道扩散器来约束涵道内壁上的边界层，推迟边界层与涵道内壁的分离，从而改善涵道内壁上的气流压力情况，提升涵道升力。

本实用新型的另一核心是提供一种具有上述涵道扩散器的涵道式无人机。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1、图3和图4，本实施例中所公开的涵道扩散器，用于设置在涵道2内，包括支撑架和壁面导流环3，支撑架用于连接在涵道2内，壁面导流环3安装在支撑架上，并且壁面导流环3位于涵道2的尾喷口处，壁面导流环3呈锥台状(或称为喇叭口状)，其一端大，另外一端小，如图1和图3中所示，当安装于涵道2内后，壁面导流环3的小端应当朝向涵道2的气流入口，大端应当朝向尾喷口，并且壁面导流环3能够与涵道2的内壁之间形成边界层导流间隙，如图3和图4中所示。

需要进行说明的是，所谓涵道2的尾喷口具体是指涵道2的气流出口，并且壁面导流环3的内壁应当是光滑面，以避免壁面导流环3带来较大的气流阻力。

边界层导流间隙一方面的作用在于给涵道2的内壁上的边界层进行导流，以使边界层能够尽量朝着尾喷口的端部移动，推迟边界层与涵道2的内壁的分离的时间；另一方面的作用还在于约束边界层使其不容易与壁面分离，另外即使在边界层与壁面产生分离，在壁面导流环3的空间压缩作用下也可以减弱甚至消除尾部涡流，从而提升涵道2的升力。

由此可见，上述实施例中所公开的涵道扩散器可以有效约束涵道2的内壁上的边界层移动，推迟边界层与涵道2的内壁的分离时间，从而改善涵道2的内壁上的气流压力情况，提升涵道2的升力。

经过实践研究申请人发现，涵道2内的主要流体形态为气流的高速螺旋状轴向流动，该部分高速气流直接冲击风扇，造成涵道风扇系统动能的较大损失，这大大降低了涵道2的升力并增加了能耗，为此在上述实施例的基础上，本实施例中所公开的技术方案作出了进一步的改进，具体的，该涵道扩散器还包括安装在支撑架上并套装在壁面导流环3的内腔中的主流区导流环4，如图1、3和4中所示，主流区导流环4也呈锥台状，并且主流区导流环4的小端朝向涵道2的气流入口，大端朝向尾喷口，主流区导流环4与壁面导流环3同心布设，与壁面导流环3距离最近的主流区导流环4称之为外层主导流环，外层主导流环和壁面导流环3之间预留有第一气流扩散间隙。

请参考图4，图4中的箭头代表气体流向，第一气流扩散间隙可以将高速气流引导至相对低速的边缘区域，从而实现涵道2内主要流体形态区域内气流的整体降速，减小气流对风扇的冲击，提高涵道2的升力和涵道风扇系统的效率。

更进一步的，主流区导流环4可以包括多个，并且相邻两个主流区导流环4之间预留有第二气流扩散间隙，第二气流扩散间隙的作用与第一气流扩散间隙的作用相同。

本领域技术人员能够理解的是，主流区导流环4的设置数量不受限制，实际设计过程中可以根据涵道2的直径、安装空间的大小等因素进行灵活变化，通常而言，涵道2的直径越大，可以设置的主流区导流环4的个数也就越多，同时壁面导流环3以及主流区导流环4的高度应当在不与其他部件发生干涉的同时尽量接近扇叶5。

边界层导流间隙、第一气流扩散间隙以及第二气流扩散间隙的间隙宽度可以相等也可以不等，优选的方案，第一气流扩散间隙的间隙宽度大于边界层导流间隙的间隙宽度，第二气流扩散间隙的间隙宽度大于第一气流扩散间隙的间隙宽度；与涵道2的中心最近的主流区导流环称为内层主导流环，第二气流扩散间隙具有多个，且由外层主导流环至内层主导流环，第二气流扩散间隙的间隙宽度逐渐增大，如图5中所示。需要进行说明的是，所谓间隙宽度具体是指相邻两个锥台的侧面之间的距离。

为了进一步提高涵道扩散器的导流效果，可以将壁面导流环以及主流区导流环设计为不同的锥度，请参考图5，经过实际验证，使壁面导流环3的锥度大于主流区导流环4的锥度，并且在涵道2的径向上，由壁面导流环一侧至涵道中心一侧，使主流区导流环的锥度逐渐减小有利于抑制气流与涵道内壁的分离，涵道尾部的尾流更加均匀，有利于涵道拉力的提升。

请参考图3和图4，壁面导流环3以及主流区导流环4的内壁的母线可以为直线也可以为曲线，为了尽量减小气体流动的阻力，本实施例中壁面导流环3及主流区导流环4的内壁的母线均为朝向涵道2的中心线凸起的曲线，以使壁面导流环3及主流区导流环4的内壁形成朝外翻转的扩口，并且在涵道2的轴向上，所述壁面导流环3及主流区导流环4的侧壁的厚度由中间向两端逐渐减小。

更进一步的，在涵道2的轴向上，壁面导流环3的小端与主流区导流环4的小端平齐，壁面导流环3的大端与主流区导流环4的大端平齐，如图3和图4中所示。

除此之外，本实用新型中还公开了一种涵道式飞行器，其包括机身、开设在机身上的涵道2以及安装在涵道2内的风扇总成，并且涵道2的尾喷口处设置有上述任意一实施例中所公开的涵道扩散器。

由于安装有上述涵道扩散器，因此该涵道式飞行器兼具上述涵道扩散器相应的技术优点，本文中对此不再进行赘述。

如图3中所示，涵道2内嵌装有电机支架1，风扇总成通过该电机支架1安装在涵道内，为了降低涵道式飞行器的整体重量，并使其结构紧凑，本实施例中的电机支架1兼做支撑架。

风扇总成具体包括电机6、扇叶5、前整流锥7以及整流尾椎8，如图3和图4中所示，其中，电机6固定于所述电机支架1上，其输出轴与扇叶5固定相连，前整流锥7固连在所述扇叶5上并将输出轴扣设在前整流锥7自身内部，整流尾椎8扣设于电机6的尾部。

综上，本实用新型中所公开的涵道式飞行器及涵道扩散器能够改变涵道内气体的流场，在涵道2的尾喷口形成了一层或多层环状导流片，通过空间结构上的压缩、引导改善了涵道2内气流压力分布，推迟了涵道2的内壁与边界层的分离时间，提升了涵道2的升力和涵道系统整体效率；由于减少了动能损失，因此在风扇升力不变并保证同样推力的前提下，采用本案中所公开的涵道扩散器后可以有效缩短涵道长度，从而为涵道式飞行器(尤其是无人飞行器)的进一步轻薄化提供基础。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。