包括热力发动机和电动马达的螺旋桨推进单元以及包括这样的螺旋桨推进单元的飞行器的制作方法

本发明涉及螺旋桨推进单元，并且特别地涉及用于飞行器的螺旋桨推进单元。

本发明还涉及包括这样的螺旋桨推进单元的飞行器，例如，旨在运载有效载荷的飞行器，诸如例如，旨在运载乘客和/或运载货物的民用飞行器。

背景技术：

常规地，飞行器包括机身、机翼单元和尾部单元。

驾驶舱位于机身的前部。

在驾驶舱的后面，机身包括旨在运载有效载荷的中心区段。通常，用于容纳乘客的舱室位于机身的中心区段中，中心区段可选地具有用于运载货物的货舱。该中心区段还能够布置成仅容纳货物。

尾部单元附接到机身的后区段。该尾部单元常规地与翅片相关联。

机身的后区段通常专用于收容技术舱。

机翼单元（其位置和形状取决于飞行器的设计）附接到机身。

飞行器通常包括发动机，并且例如两个发动机，其被固定在飞行器的机翼单元下方。

这些发动机形成用于飞行器的推进机构，并且通常是被供应有燃料的内燃机（也称为热力发动机），燃料被存储在飞行器的燃料箱中。

为了减少燃料消耗以及源自这样的飞行器的燃烧的二氧化碳和其他污染物的排放，2013年6月14日提交的法国专利申请no.1355610公开了一种飞行器，其包括：消耗燃料的热力发动机（诸如，燃气涡轮机或燃烧涡轮机），其联接到安置在机身的每侧上（特别地，安置在机翼单元上）的电动推进机构（其包括例如螺旋桨电动马达）；和电能发电机；以及电力存储和电源机构，其基本上安置在机身的纵向对称轴线中。

然而，能够改进这样的发动机单元，例如，在能够供应的功率、有利于维护或人体工程学、或甚至安全性方面改进。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是改进前述方面中的至少一些。

为此，根据第一方面，提出了螺旋桨推进单元，其包括至少一个运动学系统，所述运动学系统至少包括：

·消耗燃料的热力发动机、和在热力发动机的输出处旋转的主轴；

·电能发电机，其被构造成从主轴的旋转中产生电能；

·电动马达，其被构造成从由电能发电机产生的电能产生旋转运动作为输出；

·驱动和选择装置，其被构造成呈现：

o第一构型，其中它联接到电动马达的输出；以及

o第二构型，其中它联接到主轴；

·螺旋桨，其通过驱动和选择装置而旋转。

因此，一方面热力发动机和电能发电机以及另一方面电动马达（也表示为“epu”（电功率单元））联接和布置在螺旋桨的后面。

在紧急情况或故障的情况下，由于通过驱动和选择装置在主轴和螺旋桨之间建立直接联结的可能性，因此有可能由热能源（即，热力发动机）代替电能源（即，epu），该驱动和选择装置被构造成呈现两种构型中的每者，但是在给定时间呈现两者中的一者。

应注意的是，“直接”在本文中被理解为意味着“不涉及使用电动马达”。

这样的螺旋桨推进单元于是更安全，因为它允许借助于两种不同的源向螺旋桨供应能量：热力发动机和电动马达。

此外，虽然它涉及混合动力发动机，但是在热力发动机的旋转轴（即，主轴）和螺旋桨之间建立直接联结的可能性允许向螺旋桨提供更多能量。

在混合动力发动机的背景下将热力发动机定位在螺旋桨的后面还允许减小阻力。

因此，具有混合动力发动机的这样的螺旋桨推进单元允许提供更大的动力且有利于维护和人体工程学并且更安全。

电能发电机例如潜在地安装在主轴上，且甚至被主轴横穿。

被构造成产生旋转运动作为输出的电动马达例如在输出处包括副轴和/或旋转的齿轮。

例如，消耗燃料的热力发动机是内燃式热力发动机，诸如，燃气涡轮机或燃烧涡轮机。

在有利的实施例中，驱动和选择装置包括联接元件和引导元件，所述引导元件被构造成至少旋转地引导联接元件。

联接元件是例如具有至少一个这样的部分的元件：所述部分能够在其中联接元件联接到热力发动机的主轴的位置和其中联接元件联接到电动马达的输出的位置之间移动。

引导元件是这样的元件：其被构造成至少在其中联接元件联接到热力发动机的主轴的构型与其中联接元件联接到电动马达的输出的构型之间引导联接元件，而不阻挡其旋转。

例如，驱动和选择装置包括减速齿轮。

例如，减速齿轮是行星齿轮系。

在一个实施例中，运动学系统还包括排气管，其例如被定位在热力发动机的后面。

例如，螺旋桨推进单元还包括电力存储和电源机构，该电力存储和电源机构被构造成存储由电能发电机产生的电能并向电动马达供应电能。

例如，螺旋桨推进单元还包括整流器，该整流器被构造成将从电能发电机输出的交流电转换成直流电。

例如，整流器允许例如电力存储和电源机构被供应并且甚至被充电。

例如，螺旋桨推进单元还包括交流发电机，该交流发电机被构造成将直流电转换成交流电以便供应给电动马达。

例如，被供应给交流发电机的直流电源自电力存储和电源机构。

换句话说，螺旋桨推进单元还包括电力系统。

电力系统主要包括电力和/或电子元件。

电力系统被构造成将电能从电能发电机传递到电动马达。

它包括例如前述元件（即：电力存储和电源机构、整流器、交流发电机等）中的至少一者。电力系统还能够包括用于期望的电连接的各种电缆。换句话说，电力系统包括对螺旋桨推进单元的操作有用的各种电元件和/或电子元件。

螺旋桨推进单元还能够包括冷却系统，该冷却系统被构造成降低运动学系统和/或电力系统的至少一部分的温度。

根据另一方面，还提出了飞行器，该飞行器包括至少一个螺旋桨推进单元。

螺旋桨推进单元包括先前所描述的特征中的至少一些。

因此，在飞行器中，包括先前所描述的特征中至少一些的螺旋桨推进单元具有与上文所描述的优点类似的优点。

在安装于飞行器中的情况下，由于热力发动机和电力发电机安装在机身外部的事实，也有可能减少机身的结构加强件。

减少结构加强件于是减小了机身的重量。

螺旋桨推进单元的运动学系统例如被安装在飞行器机身外部，例如，被安装在机翼单元下方或飞行器后部处。

例如，飞行器包括至少一个机翼，并且运动学系统安置在机翼下方。

运动学系统例如通过机舱或通过任何其他类型的附接件固定在机翼下方。

与发动机的后部安装相比，发动机的加速度被降低（例如，2.5g而不是8g）。

由于运动学系统类似于普通的机翼下方发动机安装，因此有利于运动学系统的安装。

此外，有利于维护，因为至少在热力发动机定位在机身外部的情况下，运动学系统更容易通达，尤其是例如当它被定位在机翼下方时。因此，有可能直接通达运动学系统，而当热力发动机和发电机被定位在机身中时，需要通过通达舱口来进行。

在一个实施例中，电力存储和电源机构安置在机身中。

在一个实施例中，电力存储和电源机构与机身的内部形状匹配。

在一个实施例中，电力存储和电源机构安置在至少配备有运动学系统的飞行器的重心附近。

例如，换句话说，一旦运动学系统或所有运动学系统（如果提供更多的话）安置在飞行器中（例如，在机翼下方），就有可能确定设有至少运动学系统的飞行器的重心、并且然后将电力存储和电源机构要被定位的位置限定为尽可能靠近重心。

然后，设有这样的螺旋桨推进单元的飞行器的重量朝向飞行器的重心集中。

在一个实施例中，飞行器还包括螺旋桨电动马达。

本文中的螺旋桨电动马达表示设有螺旋桨的电动马达（epu）。

在一个实施例中，螺旋桨电动马达也安置在飞行器的机翼下方。

例如，螺旋桨推进单元的热力发动机和电能发电机被构造成也向螺旋桨电动马达提供电能。

在一个实施例中，飞行器还包括机身，并且螺旋桨电动马达安置在机翼下方，并且运动学系统定位在螺旋桨电动马达和机身之间。

换句话说，螺旋桨推进单元的至少运动学系统和独立的螺旋桨电动马达两者都安置在飞行器的相同机翼下方。此外，例如，螺旋桨推进单元的运动学系统安置在机身和螺旋桨电动马达之间。

在实践中，飞行器能够包括多个螺旋桨电动马达。例如，它们对称地安置在机身的每侧上，并且例如安置在每个机翼下方。

例如，飞行器在机身的每侧上包括运动学系统。

在一个实施例中，飞行器能够包括对于安置在机身的每侧上的运动学系统来说共同的电力系统。

因此，例如，每个运动学系统的电力发电机对相同的电力存储和电源机构进行供应。

附图说明

根据一个实施例，将恰当地理解本发明，并且其优点将在参考附图阅读以下详细描述时变得更加明显地显而易见，该详细描述是通过非限制性说明提供的，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的螺旋桨推进单元的运动学架构；

图2示意性地示出了图1的实施例的替代性运动学架构；

图3示意性地示出了根据本发明的一个实施例的螺旋桨推进单元；

图4示出了图3的螺旋桨推进单元的运动学系统，其中附加螺旋桨电动马达由运动学系统的热力发动机和电能发电机提供动力；

图5示出了根据本发明的螺旋桨推进单元的运动学系统的实施例的运动学简图和螺旋桨推进单元的框图的示例；

图6和图7示出了对应于图3的螺旋桨推进单元的运动学系统的数字模型，与图7相比，在图6中运动学系统没有螺旋桨；

图8是图7的数字模型的部分透明视图；

图9示出了根据本发明的一个实施例的三维中的飞行器；

图10示出了根据本发明的另一实施例的三维中的飞行器；以及

图11和图12示出了根据本发明的一个实施例的用于将螺旋桨推进单元的运动学系统固定在飞行器机翼下方的附接系统的示例。

使用相同的附图标记来识别先前所描述的附图中所示的相同元件。

具体实施方式

贯穿以下描述，术语“前”和“后”指代如螺旋桨推进单元将安置在飞行器中的那样和/或指代飞行器以及指代飞行器在飞行中的航行方向。

相对位置（下部和上部）的概念涉及例如当飞行器处于巡航飞行中时或当飞行器被定位在地面上时。

图1示意性地示出了根据本发明的螺旋桨推进单元100的一般原理。

根据定义，螺旋桨推进单元100包括至少一个运动学系统110和电力系统120。

运动学系统包括：螺旋桨；以及主要元件，这些主要元件被定位在螺旋桨的后面并且机械地、甚至也运动学上地附接到螺旋桨。

运动学系统110至少包括：

·消耗燃料的热力发动机111、和在热力发动机的输出处旋转（例如，以被表示为“ω”的角速度）的主轴112；

·电能发电机113，其被构造成从主轴112的旋转中产生电能；

·电动马达114，其被构造成从由电能发电机113产生并被传递到该电动马达的电能产生旋转运动（例如，通过任何类型的旋转元件）作为输出；

·驱动和选择装置（下文使用附图标记115来指代，但在该图中针对其仅描绘下文陈述的构型），其被构造成呈现：

·第一构型115a，其中它联接到电动马达114的输出；以及

·第二构型115b，其中它联接到主轴112；以及

·螺旋桨116，其通过驱动和选择装置115而旋转。

消耗燃料的热力发动机111例如是内燃式热力发动机，诸如，燃气涡轮机或燃烧涡轮机。

电力系统120主要包括电元件和/或电子元件。

电力系统120被构造成将电能从电能发电机113传递到电动马达114。

例如，它包括至少电缆或其他连接元件（同样使用附图标记124来引用），从而允许将电能从电能发电机113传递到电动马达114。

因此，在“正常”操作条件下，涉及第一构型115a，而在超功率的情况下（例如，在飞行器起飞期间或在特殊操纵期间），或者在紧急的情况下（例如，在电动马达和/或发电机发生故障的情况下），能够实施第二构型115b的操作。

因此，驱动和选择装置115被构造成根据需要呈现两种构型中的每者。

图1的实施例示出了串联的运动学架构，其中主轴112横穿电能发电机113，然后横穿电动马达114。换句话说，电动马达114和电能发电机113被安装在主轴112上，并且电能发电机被定位在电动马达114和热力发动机111之间。换句话说，在这种情况下，电能发电机113被安装在热力发动机111的输出处。

此外，主轴112包括例如齿轮或任何其他类型的带齿的轮（甚至包括环），该齿轮或任何其他类型的带齿的轮被构造成在第二构型115b中联接到驱动和选择装置115的联接元件。

在图1的实施例中，主轴112的齿轮或任何其他类型的带齿的轮（甚至包括环）则位于螺旋桨116和在电动马达114的输出处的旋转元件之间。

在电动马达114的输出处的旋转元件是例如轴（本文中称为副轴），其可选地设有齿轮或任何其他类型的带齿的轮（甚至包括环）。

在电动马达114的输出处的旋转元件是例如被构造成在第一构型115a中联接到驱动和选择装置115的联接元件的元件。

因此，一般来说，驱动和选择装置115包括至少一个联接元件，所述联接元件被构造成联接到主轴112抑或联接到在电动马达114的输出处的旋转元件。

在图5中所示的一个实施例中，例如，它能够涉及单个联接元件（图5中的附图标记119），该单个联接元件被构造成呈现两个位置（115a或115b，其中它部分地被示为虚线），从而允许它与主轴112抑或电动马达114的输出联接。

图2的实施例示出了图1的实施例的变型。其不同之处在于电动马达114被安装在独立于主轴112的定子上。在该示例中，至少在电动马达114的输出处的旋转元件被定位在螺旋桨116和主轴112的齿轮或任何其他类型的带齿的轮（甚至包括环）之间。

然而，在另一实施例中，在电动马达的输出处的旋转元件和主轴112的齿轮或任何其他类型的带齿的轮（甚至包括环）能够位于螺旋桨的后面相同距离处，以便驱动螺旋桨。

由热力发动机111供应的电能发电机113仅旨在产生电力而并不产生在螺旋桨推进单元100的运动学系统110中有用的推力。

图3示意性地示出了根据本发明的一个实施例的螺旋桨推进单元100的更完整视图。

能够使用图1和图2中所示的布置中的任一者。

该图还示出了以下事实：热力发动机111被供应有燃料f（燃料f通常被存储在独立于上文所描述的螺旋桨推进单元的燃料箱中）。

运动学系统还能够包括排气管118。

这样的排气管118通常被定位在热力发动机111的后面。

特别地，排气管118的内表面（即，旨在与排气接触的表面）能够具有活性表面，该活性表面用于处理排气以便减少污染物到大气中的排放。

排气管的活性表面与排气相互作用以对它们进行处理。

通过示例，该活性表面能够通过催化沉积（类似于在机动车辆的排气管中使用的催化沉积）来产生。

这样的活性表面适于直接处理从热力发动机输出的排气，并且特别地源自涡轮机的燃烧的气体。

图3还图示了电力系统120相对于运动学系统110的布置原理。

在该图中，根据定义，电力系统120包括：

-整流器122，其被构造成将从电能发电机113输出的交流电转换成直流电；

-电力存储和电源机构121，其被构造成存储由电能发电机113产生的电能并向电动马达114供应电能；

-交流发电机123，其被构造成将直流电（特别是源自电力存储和电源机构121的直流电）转换成交流电以便供应给电动马达114；以及

-电缆或其他连接元件（同样使用附图标记124来引用），其允许将电能从电能发电机113传递到电动马达114，且特别地在整流器122与电力存储和电源机构121之间、以及在电力存储和电源机构121与交流发电机123之间、以及在电能发电机113和整流器122之间、以及在交流发电机123和电动马达114之间。

当然，该布置决不是限制性的，并且电力系统120能够包括其他元件。

因此，电能发电机113适于对电力存储和电源机构121进行供应。

电力存储和电源机构121例如由至少一个电池形成，所述电池适于存储源自电能发电机113的电能。例如，这涉及成并联的多个电池。

电力存储和电源机构121用于向至少电动马达114供应电流。

优选地，它们还用于在电能发电机113崩溃的情况下向电动马达提供足够的电功率。

最后，图3还示出了以下事实：螺旋桨推进单元能够包括冷却系统130。

冷却系统130被构造成冷却运动学系统110和/或电力系统120的至少一部分。

图4示出了布置的特别的示例，该布置包括根据本发明的一个实施例的螺旋桨推进单元（例如，如先前所描述的）和螺旋桨电动马达200，目的在于将它们安装在飞行器中。

在这种情况下，螺旋桨电动马达200包括电动马达201和螺旋桨202、可选地以及对适应（adaptation）电动马达的输出和螺旋桨之间的旋转速度有用的任何元件（诸如例如，齿轮系）。此外，本文中的螺旋桨电动马达200表示没有专有的（propre）热力发动机的单元。

因此，除了螺旋桨推进单元自身的运动学系统110的电动马达114之外，根据本发明的螺旋桨推进单元的运动学系统110的至少电能发电机113被构造成对螺旋桨电动马达200进行供应。因此，换句话说，例如，电能发电机113于是对两个电动马达进行供应。

为此，电能发电机113通过至少一个电连接件（其在本文中被示意性地示为粗线）电连接到螺旋桨电动马达200的电动马达201。

在一个实施例中，螺旋桨推进单元100的电力系统120包括附加的电连接件，该电连接件被构造成将电力存储和电源机构121、甚至交流发电机123连接到螺旋桨电动马达200的电动马达201。

图5一方面示出了运动学简图的示例，且另一方面示出了示出螺旋桨推进单元的操作的框图。

根据该运动学简图，热力发动机111使主轴112旋转。

主轴112横穿电能发电机113和电动马达114，并且在这种情况下在电动马达114之外包括例如齿轮类型的带齿的轮。电能发电机113和电动马达114通过枢轴联结件连接到例如主轴112。

如所示的，热力发动机111和电能发电机113例如相对于参照物（例如，参照物能够是罩壳和/或其中安置有所述热力发动机和电能发电机的飞行器）而被固定。

在这种情况下，由电能发电机113进行供应的电动马达114由在输出处的其旋转元件表示，所述旋转元件例如是带齿的轮（例如，齿轮类型的）。

在这种情况下，驱动和选择装置115包括联接元件119。

如先前所陈述的，联接元件119被构造成联接到主轴112（特别地，在这种情况下联接到其带齿的轮）抑或联接到在电动马达114的输出处的旋转元件（特别地，在这种情况下联接到其带齿的轮）。

在这种情况下，联接元件119包括例如设有带齿的轮的轴，该带齿的轮能够通过轴的平移运动和/或带齿的轮相对于轴的平移运动而联接到主轴的带齿的轮（第二构型115b，其中带齿的轮被示为虚线）抑或联接到在电动马达114的输出处的带齿的轮（第一构型115a，其中带齿的轮被示为实线）。

因此，这示出：一般来说，驱动和选择装置115能够包括单个联接元件119，该单个联接元件被构造成呈现第一构型115a或第二构型115b。

此外，如该图中所示，驱动和选择装置115还能够包括引导元件117。

出于简化该图的原因，在这种情况下，驱动和选择装置115由引导元件117和联接元件119非常示意性地表示。

在这种情况下以非常简化的方式示出的引导元件117允许使例如联接元件119的旋转速度适于螺旋桨116的期望的旋转速度。

通过示例，在这种情况下，螺旋桨116包括环，该环被构造成联接到驱动和选择装置115的输出。在特别的示例中，例如，螺旋桨能够联接到联接元件119的轴的输出。螺旋桨例如通过枢轴联结件连接到例如相对于参照物（例如，参照物能够是罩壳和/或飞行器，或甚至与先前所提到的相同）而固定的轴。

图5的框图从“电力”角度示出了根据本发明的螺旋桨推进单元操作，虽然出于清楚的原因示出了运动学元件。

因此，燃料f被喷射到热力发动机111中，该热力发动机通过使主轴旋转（例如，以角速度ω）来对产生交流电（ac）的电能发电机113进行供应。

整流器122将交流电（ac）转换成直流电（dc），借助于电缆或其他连接元件（同样使用附图标记124来引用）朝向电力存储和电源机构121按路线传输该直流电（dc）。

电力存储和电源机构121向交流发电机123供应直流电（dc），交流发电机将该直流电（dc）转换成交流电（ac）以便对电动马达114进行供应。

电动马达114随后提供旋转运动作为输出，例如以角速度ω'进行的旋转运动，然而，该角速度能够与热力发动机的角速度相同。

驱动和选择装置115被构造成呈现：第一构型115a，其中它联接到电动马达114的输出；以及第二构型115b，其中它联接到热力发动机111的输出（特别地，联接到主轴）。

最后，螺旋桨116通过驱动和选择装置115旋转。

图6至图8示出了对应于图3的螺旋桨推进单元的运动学系统的数字模型，特别是根据图2的布置，即，电动马达114独立于主轴112被安装在定子上。

图6和图8示出，驱动和选择装置115包括输出，螺旋桨联接到该输出。

图9和图10示出了根据本发明的一个实施例的飞行器。

通过非限制性示例，下文所描述的飞行器是旨在运载乘客并且例如在内部布置的一些构型中允许运载至少一百名乘客的跨音速飞行器。

然而，本发明并不限制于这样的飞行器，并且还能够涉及更通常地被称为“货运飞行器”的飞行器。

如附图中清楚地所示，飞行器300主要包括机身301和附接到机身的机翼单元。

机翼单元包括在机身301的两侧上对称地延伸的两个机翼302。

机身包括前区段、中心区段和后区段。

尾部单元303附接到机身301，特别地附接到其后区段。

在这种情况下，机身的前区段包括驾驶舱304，该驾驶舱包括飞行甲板。该飞行甲板特别地包括用于驾驶飞行器的所有控制元件、控制屏幕、通信机构等。

当然，驾驶舱能够安置在机身的前区段以外的地方。于是，机身的前区段能够旨在运载有效载荷。

机身的中心区段主要旨在运载有效载荷。

如果有效载荷基本由乘客组成，则机身的中心区段主要包括旨在容纳乘客的舱室、以及布置在舱室下方的用于容纳乘客行李和可选地其他货品的货舱。

这样的构型在飞行器中完全是常规的，并且不需要在本文中描述。

如图9和图10中所示，飞行器300包括螺旋桨推进单元，该螺旋桨推进单元包括先前所描述的特征中的至少一些。

通过非限制性示例，热力发动机是例如燃气涡轮机，其使用飞行器上的燃料以实现加燃料，并且燃料通常是被存储在飞行器的燃料箱中的煤油。

在这些附图中，螺旋桨推进单元的运动学系统110安置在机翼302下方。

特别地，在这种情况下，飞行器在机身301的两侧上包括位于每个机翼302下方的运动学系统110。

飞行器在机身301的两侧上还包括螺旋桨电动马达200，且特别地在这种情况下包括位于每个机翼302下方的螺旋桨电动马达200。

此外，如参考图4所描述的，每个螺旋桨电动马达200由电力存储和电源机构121进行供应，由安置在飞行器中的运动学系统110中的每个的电能发电机113对所述电力存储和电源机构进行充电。

此外，如图10中所示，电力存储和电源机构121安置在机身中、在飞行器的重心附近。

在图9的实施例中，在每个机翼302下方，每个运动学系统110被定位在对应的螺旋桨电动马达200和机身301之间。

该构型允许更好地分布负载。

替代地，在图10的实施例中，在每个机翼302下方，每个螺旋桨电动马达200被定位在机身301和对应的运动学系统110之间。

最后，图11和图12示出了用于将根据本发明的运动学系统110固定在机翼302下方的机构。

在图11的示例中，这涉及机舱305，而在图12的示例中，它能够涉及“涡轮风扇”类型的附接件306。

这涉及例如本领域技术人员已知的基于针对涡轮风扇在机翼单元下方附接支柱的原理的机构。