用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统。为了发明低噪音且低成本的飞行器，根据本发明提供了至少两个涵道式螺旋桨(3，3')，其涵道是侧向地提供在所述飞行器的机身(4)上，其方式为使得这些涵道式螺旋桨的共同净推力基本上是与净阻力共线的。
【专利说明】用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统
[0001] 本发明涉及用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统。
[0002] 较小重量级别的飞行器总体上是由连接到内燃发动机上的螺旋桨来驱动的。所述 推进系统的优点是，内燃发动机良好的热效率尤其得到了低消耗和低排放，包括在部分负 载运行和无负载运行时都是如此，并且发动机本身的成本也低。在这种情况下这种通过螺 旋桨来将机械动力转变为推力是有效的，尤其是在较低速度范围内，从而实现了飞行器较 短的起飞距离和令人赞许的爬升速率。
[0003] 相比之下，尤其以下这些缺点是与这样的驱动器相关联的：
[0004] ?螺旋桨具有大的直径，从而使得必需有高的起落架，该起落架是难以缩回的并且 产生高阻力。高的起落架还增加了倾翻的风险。
[0005] ?螺旋桨通常布置在飞行器机身前部，使得飞行器的视野和设计自由度仍是非常 受限的，从而导致几乎所有型号看上去都一样。
[0006] ?大螺旋桨具有大的离心力，使得飞行员关于三条轴线之一给出的控制指令也对 于另两条轴线产生反作用。
[0007] ?螺旋桨滑流具有作用在螺旋桨后方表面上且在那里致使飞行器与滑流的角动量 一起旋转的涡旋，这种旋转取决于所选择的发动机功率。结果是，改变发动机功率还会导致 非既定且不期望的配平位置改变。
[0008] ?随着速度增加螺旋桨吸收越来越少的功率，从而使得发动机功率必须被降低或 者需要调整螺旋桨来防止发动机超速。
[0009] ?这种驱动器的固有效率受到负面影响，因为空气在机身的机鼻上加速并且所述 增加的流动速度决定了机身表面上的空气阻力。
[0010] ?螺旋桨滑流含有大的湍流，这种湍流扰乱了该滑流中所涉及区域上的流动的目 标层流性。
[0011] ?这种推进系统就输送功率而言是相对笨重的。
[0012] 作为对螺旋桨驱动器的替代，在较昂贵的飞行器中使用了喷气和涡扇驱动器，它 们至少部分地避免了所阐述的缺点，因为离心力和涡旋力是几乎完全不存在的，驱动器的 直径大大减小，从而使得这种设计的设计自由度和固有的效率得以显著改善并且使得所有 要控制的反作用或分开地作用在每条轴线上的扰动被完全解耦。从座舱观察的视野也较少 地受限并且可以减小起落架的高度。所述优点被喷气机飞行员认为是有利的（有利的喷气 机特征）。
[0013] 与螺旋桨发动机相比喷气发动机的缺点是
[0014] ?推进涡轮机的成本是高得多的，
[0015] ?涡轮机的热效率是低得多的，特别是在部分负载运行和无负载运行时，
[0016] ?较低速度范围上的推力较低并且
[0017] ?涡轮机的噪音发出是相对非常高的。
[0018] 因此在DE1 781 112A中提出，内燃发动机驱动包绕式螺旋桨（涵道式螺旋桨或 风扇），从而以相对小直径的推力产生器实现良好的热效率。为了实现良好的固有效率并且 同时实现所阐述的喷气机特征，在这种情况下这种涵道式螺旋桨被整合在机身内。虽然以 此方式实现了目标优点，但也产生了其他明显的缺点。作为整合在机身内的结果，空气流入 到涵道式螺旋桨或风扇平面部分地受到结构的多个元件的阻碍，从而使得当空气进入风扇 (涵道式螺旋桨）时在速度特性图的若干区段中流动速度由于所谓的尾流抑制而减小。这 一现象对于推进式螺旋桨也已经是已知的。其后果是，转子桨叶在其旋转过程中遭遇周期 性地不同的迎面流动并且因而使得螺旋桨桨叶的真实迎角发生变化，并且因此导致桨叶上 的压力也发生变化。以此方式产生了三个负面效果：
[0019] ?作用在转子桨叶上的力突然改变，从而使得桨叶受激而震动并且因而导致结构 的、这些转子桨叶的以及驱动轴的材料疲劳效果。
[0020] ?这些流动条件从最佳迎角改变成不良的（甚至可能是剥离的）流动条件，从而吸 收大的额外负载扭矩（=高的发动机功率），而不会由此而对产生推力做出贡献。
[0021] ?这些周期性出现的压力梯级是对内作为声学震荡并且对外作为干扰噪音发射 的、并且此外就典型的参数（桨叶数目、转速、噪音源数目）而言显然具有令人不适的高频 率。
[0022] 因此本发明的目的是提供消除了上述缺点的用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推 进系统。
[0023] 这一目的是通过如权利要求1所述的推进系统实现的，其中提供了至少两个涵道 式螺旋桨，它们的涵道是侧向地布置在飞行器机身上而使得涵道式螺旋桨的共同合成推力 fs实质上是与合成阻力#s共线的，其中此推力有利地以无扭矩的方式产生作用。换言之， 在侧视图中推力矢量与阻力矢量实质上是处于同一高度，从而使得在改变推力的情况下不 存在俯仰力矩。
[0024] 以下内容以及从属权利要求中说明了本发明的多个优选实施例。
[0025] 根据本发明的第一发展所提供的是，这些涵道式螺旋桨的涵道是至少部分地整合 在该飞行器的结构内的、优选整合在机身和/或机翼组件的区域中。此外，优选对这些涵道 式螺旋桨提供了无扰动的空气流动，从而使得这些循环的螺旋桨桨叶不经历任何周期性压 力、速度、或迎角的改变。最后，优选在该飞行器的外涵道表面与该机身和/或该机翼组件 之间提供了连续的结合。以此方式实现了以下优点：
[0026] ?减小了被空气流动所覆盖的、在较高速度范围产生阻力的涵道表面。
[0027] ?消除了由于流动绕过在一方面的机身/机翼与另一方面的涵道造型之间的分隔 通道、尤其是形成扩散器的此类通道而引入的阻力。
[0028] ?作用在涵道上的空气的力取决于飞行状态作为轴向推力或阻力被传递，而无需 带有被覆盖的表面的额外部件。
[0029] 根据另一个实施例提供的是，这种飞行器被实施成下单翼飞行器并且这些涵道在 这些机翼的顶部与机身之间的拐角之中是流线化的。以此方式这些机翼和/或机身至少部 分地呈涵道的形式。优选地，在巡航时风扇（涵道式螺旋桨）出口处的出流是平行于机翼 (机翼滑流）后边缘处的空气出流而定向的，从而使得对于所述飞行状态实现了最大的固 有效率。
[0030] 在另外的优选实施方式中，涵道的整个平面是靠近于机翼的后边缘的。因此实现 了通过这些机翼在下方隔离噪音，即，在声音发出的主方向上隔离噪音。在机翼-机身过渡 的这个关键区域中的流动由于风扇的抽吸效果而是平滑的，并且减小了干扰阻力。一种展 开式版本的特征是以下涵道：其前边缘和/或后边缘被配置成使得这些边缘都不跨越平坦 表面。具体是，其中涵道前边缘和/或涵道后边缘优选具有螺旋形形式。换言之，这些边缘 不在平面中线性延伸、而是具有有助于整合到飞行器结构内的三维轮廓。
[0031] 大部分的轴向推力是在静止和低速时通过出现在涵道前边缘上的低压力而产生 的。借助于这种将涵道部分地整合在机身与机翼中，确实减小了涵道的阻力，而且也因而在 低速区域中减小了目标机鼻推力，例如在起飞滑跑过程中和在爬升时。所述机鼻推力还取 决于所选择的涵道造型，其中带有较大厚度和较大机鼻半径的造型使得推力加倍增加，因 为在这种情况下流动趋于产生较少的磨损，不在轴向上流动而在径向地流动的空气流动分 量因而增加并且因而其质量流速和速度增加，并且另外由此产生的低的压力作用在更大的 面积上，即，更高的轴向力（=压力差乘以投影面积）。然而，为了避免了高速飞行中相关联 的空气阻力增加，在【具体实施方式】中这种涵道被弹性元件或垫子所包绕，该弹性元件或垫 子可以从内侧充气和/或可以被轴向移位并且能以此方式预先张紧，从而使得它可以取决 于相应出现的压力条件而被充气或是完全扁平地加以应用，并且因而自动地或者借助于压 力或可选择的偏置力来提供相应的理想造型截面。
[0032] 在另外一种版本中这些涵道并非是整合的、而是被布置成飞行器机身旁边的多个 闭合环圈，其中这种驱动器也是由仅一个发动机来实现的。在这种情况下，支撑涵道的臂架 被制作成具有的长度使得这些涵道显著伸出机身边界层的区域之外，并且在机身与这些涵 道之间分离的流动并不包括扩散器几何形状而是在所有流动方向上具有实质上恒定的截 面。
[0033] 涵道式螺旋桨的这种驱动器是取决于飞行器类型借助于内燃发动机或涡轮机来 实现的。优选地，由单一发动机借助于向外引导的传动装置来驱动两个涵道式螺旋桨。在 使用内燃发动机的情况下，在优选实施例中通过布置在风扇平面后方滑流中的这些传动装 置臂架中的多个散热器来进一步确保冷却，这些散热器优选在处于皮带或链条的形式的牵 引装置的上平面与下平面之间具有一种具体安排。用于此目的的腔室被整合在该臂架内， 该腔室容纳该散热器并且其空气进口被布置在前边缘上而朝向风扇平面。所述构型的结果 是，冷却不再取决于飞行速度而是取决于发动机的功率，从而避免了过热，尤其是当以高发 动机功率和低飞行速度爬升时。
[0034] 为了使得涵道与这些桨叶尖端之间的间隙损失最小化并且还为了避免由接触导 致的对桨叶或涵道的损伤，在风扇平面中涵道的内侧和/或这些桨叶尖端是由受侵蚀而无 损伤和/或弹性屈服性的材料制成的。此外，在【具体实施方式】中通过根据亥姆霍兹谐振器 原理在涵道的内壁上带有多个孔和凹穴的设计进一步减少了噪音发出。
[0035] 根据另一个优选实施例，转子的这些桨叶具有径向的桨叶深度造型，这种造型并 非是以一个点结束（其中这与传统螺旋桨不同）而是具有恒定的或者均匀增加的宽度以便 产生优化的径向速度特性图并且以便增加涵道环形区域中的进入速度。接近涵道处的额外 速度是借助于在这些桨叶尖端处具有较大调整角的具体扭绞造型来实现的。在具体实施方 式中，这些桨叶并不是径向布置的而是倾斜的，以便进一步减小压力特性图中的梯级变化 并且因而进一步减少噪音发出。
[0036] 在进一步的实施方式中，涵道的这种固位器和传动装置的包层被实施成空气流动 的最终涡旋装置，类似于轴流式压缩机的引导叶轮。
[0037] 这些风扇（涵道式螺旋桨）在这些机翼与机身之间的过渡区域中的安排致使在所 述区域中集中了所有力和所有质量。结果是，飞行器的结构是借助于中央部件（轭架）来 实施的，发动机、主起落架、机翼组件和机身都连接到这个中央部件上。
[0038] 所述结构导致乘员舱前移，由此因为在低位置的起落架（因为不再必须具有螺旋 桨间隙）而直接进入客舱来登机，而乘员不必爬过这些机翼或在机翼下方通过。取决于负 载，因而会有重心位置的改变。在进一步的实施方式中，在飞行器机身上除机尾之外还提供 了可控的鸭式机翼，以便继续实现安全飞行特征并且在起飞滑跑之后的转动过程中实现绕 侧向轴线的足够扭矩。
[0039] 在本发明的进一步的实施例中，根据本发明的推进系统被用在两栖交通工具或水 上飞机中，其中高度可调整的和/或弹簧安装的机身底板确保了必须的距水面间隙。有利 地，这些风扇被设计成是防水飞溅的并且是布置在这些机翼上方的。为了具有足够的距水 面间隙，在所述实施方式中另外提供了可变高度机身底板，这种机身底板可以通过致动器 或空气垫被降低以用于在水上起飞和着陆。在优选实施方式中，这种致动器是以弹性形式 实施的，以便对在水上着陆和形成波浪过程中产生的竖直冲击加以缓冲。
[0040] 在另一版本中，两个优选绕机身纵向轴线为相反镜像安排的发动机被联接到一起 来驱动两个风扇，从而使得每个发动机都驱动这两个风扇。在所述构型中的一个发动机故 障的情况下，为这两个风扇维持了中央推力而不会产生不对称推力矢量。在所述实施方式 中，此外在这两个发动机上都提供了飞轮运动，从而使得不提供燃烧的失效发动机的阻力 功率损失得以避免。在所述版本中，对这些转子桨叶的桨叶调整是有用的额外手段，通过这 种手段可以使风扇和发动机与改变的功率曲线相适配。
[0041] 以下使用图1至7来说明本发明的具体实例，其中图1至6示出了飞行器的多个 不同透视图。
[0042] 在这些图中展示的飞行器1包括两个机翼2、2'并且是处于下单翼飞行器的形式、 带有位置低的起落架10。就其推进系统而言，飞行器1包括两个涵道式螺旋桨3、3'，它们 被侧向地布置在飞行器机身4上和这些机翼2、2'的后边缘上。这些涵道式螺旋桨3、3'各 自包括涵道5、5'，该涵道具有前边缘6和后边缘7以及轮毂8,8'。如图1中可以清晰地看 到，前边缘和后边缘6、7具有螺旋形的形式并且不是位于一个平面内。在所展示的实施例 的情况下，这些涵道式螺旋桨3、3'是整合在飞行器1的结构内的。特别地，这些涵道5、5' 是一方面与相应的机翼2、2'并且另一方面与飞行器1的机身4相结合的，从而使得这两个 机翼2、2'还以及飞行器4的机身形成了涵道5、5'的多个部分。图1中进一步可以看到， 合成推力#3实质上是与合成阻力鳥v.共线的，由此在改变推力的情况下防止了俯仰力矩。
[0043] 在图6展示的实施例的情况下，这些风扇（涵道式螺旋桨3、3'）是安装在多个臂 架10、10'上的，从而使得这些涵道式螺旋桨3、3'与飞行器1的机身4相距一个距离。在 这种情况下，这个距离的量被选择成使得在机身与涵道之间不存在扩散器。在这种情况下 省却了将涵道5、5'部分地整合到机身4中。
[0044]最后，图7示出了带有三个设计不相同的转子桨叶实例11、12、13的涵道式螺旋桨 3的正视图。转子桨叶13大致径向地伸出，转子桨叶12相对于径向直线R以一个角度精确 定向，并且转子桨叶11是沿着曲线的。
[0045] 根据图5的飞行器1以举例方式示出了带有鸭式机翼9、9'的实施例。
【权利要求】
1. 一种用于飞行器、尤其是轻型飞行器的推进系统， 其特征为 至少两个涵道式螺旋桨（3、3'），其涵道（5, 5'）侧向地布置在该飞行器（1)的机身（4) 上而使得这些涵道式螺旋桨（3、3'）的共同合成推力#s实质上是与合成阻力共线的。
2. 如权利要求1所述的推进系统，其特征在于，这些涵道式螺旋桨（3、3'）的涵道（5， 5'）是至少部分地整合在该飞行器（1)的结构内的、优选整合在该机身和/或该机翼组件的 区域中。
3. 如权利要求1或2中任一项所述的推进系统，其特征为，对这些涵道式螺旋桨（3、 3'）提供的无扰动的空气流动，这样使得这些循环的螺旋桨桨叶不经历任何周期性压力、速 度或迎角改变。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的推进系统，其特征为，在该飞行器（1)的外涵道表 面与该机身（4)和/或该机翼组件（2、2'）之间的连续的结合。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的推进系统，其特征在于，该飞行器（1)是下单翼飞 行器的形式，从而在机翼/机身过渡处具有一种轮廓，这些涵道（5, 5'）在很大程度上被整 合到该轮廓中，其中这些机翼（2,2'）和/或该机身（4)至少部分地处于涵道（5、5'）的形 式。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的推进系统，其特征在于，在巡航飞行中该螺旋桨的 滑流是实质上平行于该机翼的滑流的。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的推进系统，其特征在于，在飞行方向上观看，涵道 前边缘（6)实质上是布置在这些机翼（2、2'）的后边缘的高度处。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的推进系统，其特征在于，该涵道前边缘（6)和/或 涵道后边缘（7)被设计成使得这些边缘出，7)都不跨越平坦表面，其中该涵道前边缘（6) 和/或该涵道后边缘（7)优选具有螺旋形的形式。
9. 如权利要求1至8中任一项所述的推进系统，其特征在于，该涵道造型是通过多个弹 性元件、优选地多个可充气元件形成的，这样使得这种涵道造型能够取决于飞行状态而变 化。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的推进系统，其特征在于，这些弹性元件能够通过 轴向预加载和/或通过可选择的内压力而被调整到所希望的轮廓。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的推进系统，其特征在于，支撑该涵道（5、5'）的 臂架（1〇、1〇'）向外伸出的程度使得该涵道（5、5'）不与该机身的表面和/或机翼表面相 交或相接触而是提供了间隔，该间隔防止了来自风扇的平面之前的多个表面的边界层的流 入，并且在该结构与该涵道之间产生的流动通道具有在流动方向上实质上恒定的截面。
12. 如权利要求1至11中任一项所述的推进系统，其特征在于，由单一发动机借助于向 外引导的多个传动装置来驱动两个涵道式螺旋桨（3、3'）。
13. 如权利要求1至12中任一项所述的推进系统，其特征在于，这些传动装置是牵引装 置，优选链条或皮带，并且多个散热器或用于冷却这些散热器的供给被布置在张紧侧与松 弛侧之间。
14. 如权利要求1至13中任一项所述的推进系统，其特征在于，对于这些桨叶的尖端与 该涵道相接触的情况，这些接触方中的至少一者是由一种材料制成的而保证这些接触方之 一的非破坏性的"跑合"或者弹性屈服。
15. 如权利要求1至14中任一项所述的推进系统，其特征在于，这些转子桨叶包括可变 的、优选并非向外渐缩的造型长度。
16. 如权利要求1至15中任一项所述的推进系统，其特征在于，这些转子桨叶的迎角朝 外侧增加。
17. 如权利要求1至16中任一项所述的推进系统，其特征在于，并非是径向地实施的而 是倾斜的和/或曲线形的。
18. 如权利要求1至17中任一项所述的推进系统，其特征在于，这些传动装置的包层和 /或用来固位这些涵道（5, 5'）的支撑物被实施成最终涡旋装置。
19. 如权利要求1至18中任一项所述的推进系统，其特征在于，实质上所有的推进力、 升力、惯性力、和外部负载如着陆冲击都被集中在中央结构元件上，在该中央结构元件上支 撑了这些机翼、机身（4)、乘员支撑物、主起落架、来自发动机质量的力、发动机扭矩、以及由 于连接发动机安装座而导致的汇聚的震动。
20. 如权利要求1至19中任一项所述的推进系统，其特征为可控的鸭式机翼（9、9'）， 借助于该鸭式机翼补偿了由于不同的负载而导致的重心移位。
21. 如权利要求1至20中任一项所述的推进系统，其特征在于，该推进系统被使用在两 栖飞行器或水上飞机中，其中可变高度的和/或弹簧安装的机身底板确保了必须的距水面 间隙。
22. 如权利要求1至21中任一项所述的推进系统，其特征在于，两个驱动发动机以镜像 安排彼此前后布置并且每个驱动这两个涵道式螺旋桨（3、3'）中的一者。
23. 如权利要求1至22中任一项所述的推进系统，其特征在于，这两个涵道式螺旋桨 (3、3'）是由两个发动机/涡轮机驱动的，这两个发动机/涡轮机是借助于飞轮而相联接的 以使得总是维持对称的推力，即便是在驱动器组件故障或停机的情况下。
【文档编号】B64C11/00GK104507798SQ201380040463
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2012年9月18日
【发明者】赫尔维希·菲舍尔, 汉诺·菲舍尔 申请人:创新龙有限公司