一种航空发动机加长轴和转动机构的制作方法

1.本实用新型属于航空器总体设计和飞行控制技术，以及航空制造领域。


背景技术：

2.通用航空飞机的总体设计，发动机的选型和布局是重要环节，有几点原因。一是几乎没有指标恰好适用的动力，二是动力的可靠性考虑，三是动力的经济性考虑。在总体设计环节，动力选型和布局影响总体设计方案，选择多台发动分布式布局可以解决提高可靠性和经济性的设计目标。
3.其中，机翼双发布局比较普，而四发布局则不适合轻小型飞机。同时，通过控制发动机转速或推力差难以解决飞机抗侧风问题。
4.在现有技术中，法国空中巴士公司在2005年申请的一项专利(公开号为cn1984812)公开了一架多发动机飞机，该多发动机飞机包括至少两台前置发动机和第三发动机，该第三发动机沿机身的对称垂直从向平面设置在包含后尾翼的机身尾部，所述后尾翼限定了关于所述机身纵向面对称的管道，所述第三发动机布置在所述管道的对称面中，该对称面与所述纵向平面对应，并且以加高的方式安装在所述机身的上部上，而且位于所述尾翼的前方，以便该第三发动机的出口大致位于由所述尾翼限定的管道的入口处。
5.在该方案中，所述两个第一发动机分别相对于机身的垂直对称纵向平面对称地连接在机身机翼处，限定所述管道的所述后尾翼包括配备有稳定装置的水平尾翼，从垂直于所述纵向垂直平面的水平面中可以看到，水平尾翼的所述稳定装置对称地向机身后面略微倾斜，以便构成开口的v字型，该v字的点对应于所述机身的尾部。在该方案中，后尾翼的构思以及第三发动机在所述管道的入口的设置可以显著地减少先前所述的噪音问题。因为机身的第三发动机所产生的噪音会被该管道吸走，从而沿着该管道的长度方向，向远离机身的高处排出，所产生的噪音同时也会被机身后部尾翼所构成的声学屏障所屏蔽。该方案认为，使用三台发动机并不意味着比具有两台发动机的飞机增加了飞机的重量(因为机翼发动机会更小)。与由后尾翼限定的管道构思相关的附加重量主要由起落架所减少的重量补偿，因为更小的发动机起落架在体积和尺寸上都更小。
6.然而，以上现有技术尚未考虑到全机三发布局难点是飞机重心不容易布置。关于飞机重心设计，中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所申请的发明专利(公开号为cn104317996a)公开了一种飞机重心设计与评估方法,属于飞机重量工程领域，包括以下步骤：第一，定义飞机布局边界，完成从飞机平面布局图坐标系向飞机机体坐标系到的转换；第二，评估部件的重心。该技术方案实现了飞机部件重心的可视化编辑、飞机重心评估的实时化显示。相对传统方法，大幅提升了计算精度和计算效率。另有，公开号为cn108408041a的现有技术公开了一种可变升力中心位置倾转螺旋桨垂直升降固定翼飞机，在飞机顶部、重心的前面和后面，设置一对或一对以上可水平摆动的摆臂(摆臂左右对称于飞机纵轴)，摆臂的一端铰接在飞机顶部，另一端设置可倾转的螺旋桨，飞机重心的前面和后面的摆臂对称于飞机重心，飞机纵轴的左边的螺旋桨的转向与右边的相反，用涡轮风扇喷气发动机
代替螺旋桨时，飞机重心的前面摆臂铰接在飞机的底部，飞机采用中(或下)单翼布局，设置垂直尾翼和水平尾翼，轮式起落架。采用摆臂改变升力中心的方法克服倾转操纵时的后仰干扰，有利于垂直升降飞行与水平快速飞行相互过度时的稳定和安全，左右纵列的螺旋桨结构不增加固定翼的强度要求，易于生产制造。
7.然而，对本领域技术人员来说，在三发布局的后置发动机布局中，如何对发动机与螺旋桨的连接关系进行改进设计，是解决飞机重心设计的一个难题。另外，还需要考虑如何解决飞机起降阶段抗大侧风和减小机身滚转角的工程设计难点，最终提高飞机偏航性能。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足提供一种航空发动机加长轴和转动机构。
9.本实用新型的技术方案是这样实现的：
10.首先，本实用新型针对三发布局，解决机身后置发动机布局的重心设计难点，同时提高飞机偏航性能，采取如下方法：
11.一是在发动机转轴盘与螺旋桨之间接入连接加长轴，从而发动机可以靠近飞机重心安装，螺旋桨仍然布置在机身最后端。二是加长轴分段并连接万向节联轴器，以及侧偏回中机构，带动传动轴实现变角传动，并实现螺旋桨的动力矢量产生侧偏力矩，特别是应用在飞机后机身上产生沿航向左右适当角度的偏航推力矢量，从而解决飞机总体设计的重心布局，以及飞机起降阶段抗大侧风和减小机身滚转角的工程设计难点。
12.本实用新型成果可用于通用航空飞机多台发动机布局，综合解决飞机重心设计、飞行抗侧风以及减小滚转角等飞机总体优化设计目标。提高抗侧风性能有助于提高飞机出勤率，减少滚转角有利于优质获取航测数据。
13.具体的，采用前述方法设计的航空发动机加长轴和转动机构是这样的：
14.包括加长轴，加长轴支座，延申支架，万向节联轴器，传动轴，侧偏回中机构。连接关系是：在发动机的转轴盘与螺旋桨之间接入分段的加长轴，即加长轴和传动轴，加长轴连接发动机转轴盘，加长轴支座支撑加长轴并安装在发动机的延申支架上；加长轴的输出端连接万向节联轴器，万向节联轴器的输出端连接传动轴，而传动轴的输出端连接发动机的螺旋桨；由侧偏回中机构支撑连接传动轴并通过舵机机构可以驱动传动轴进行侧偏或回中的移动，侧偏回中机构安装在发动机的延申支架上；如附图1所示。
15.在一些实施例中，优选对该机构的工程设计，加长轴长度300mm左右可以单独与发动机转轴盘悬臂连接；加长轴较长则采用加长轴支座抑制高速转动的偏心力矩；加长轴与传动轴组合且接入万向节联轴器可以提供变角传动效果。
16.作为必要的方案，侧偏回中机构由机械零件和机构组成，包括连接传动轴的转轴支撑轴套及其旋转机构，可以带动转轴支撑套件移动的移动框架及其旋转轴滑槽，支撑移动框架的支座，驱动移动框架的侧偏回中舵机，以及弹性回中器。
17.在前述方案中，各部件的连接和运动关系是，移动框架将侧偏回中机构连接在发动机延申支架上；移动框架支座以滑动键支撑并连接移动框架，且允许移动框架只能随着侧偏回中舵机的推拉驱动而顺着滑动键相对于移动框架支座的水平基准面做水平移动，并且，弹性回中器与侧偏回中舵机的推拉作用力产生相反的助力，阻止移动框架偏离加长轴
的轴线且起到稳定作用；转轴支撑轴套通过旋转机构安装在移动框架内并可以使用耐磨材料垫片以协助旋转机构顺畅转动，传动轴在转轴支撑轴套内的轴承上转动，而转轴支撑轴套的旋转机构在移动框架的旋转轴滑槽内转动和移动，旋转机构在旋转轴滑槽的部分可以安装轴承以协助旋转机构顺畅转动；当侧偏回中舵机将移动框架推拉而偏离加长轴轴线时，可以实现加长轴与传动轴两轴的水平变角传动，从而偏转传动轴带动的螺旋桨的动力矢量，即改变螺旋桨拉力或推力的方向，产生侧偏力矩，且一般的使用情况可控制在侧偏不大于15
°
，由此可以选择移动框架的移动长度的尺寸以及移动框架支座相对于万向节联轴器的安装位置，特别是进行平行于飞机水平基准线的偏转且带动螺旋桨侧偏，从而形成螺旋桨动力矢量对飞机产生偏航力矩。
18.在一些实施例中，优选的，在飞机断电的情况侧偏回中舵机可自动松弛悬浮，比如设计内置的电磁定位锁，或者采用一种可替代的设计方案控制逻辑是断电状态的蓄电池供电只能让侧偏回中舵机保持传动轴处于回中位置，并由弹性回中器内置的弹性件的作用带动移动框架和传动轴回到轴线中位且与发动机的加长轴(1)保持同轴度。
19.在一些实施例中，优选的，该机构可以安装在飞机结构上，典型的安装位置在飞机后机身上，飞机总体布局希望后置发动机的重心尽可能靠近飞机中心位置安装，因此可以采用所述机构的加长轴，或加长轴和传动轴的设计方案。
20.在前述方案中，详细设计中，根据后置发动机推力轴线的总体布置，发动机可以相对于机身水平基准线居中安装(如附图5所示)，或高于水平基准线安装，即安装在后机身结构背部甚至突出机背结构，以便设计机身后舱门的装卸货物通道(如附图6所示)。其中，发动机的延申支架与发动机结构连接，以便与发动机一起调节安装位置，特别是当发动机安装在相对机身可以调整沿航向位置的结构上，采用所述机构的设计可以方便调节飞机重心位置，并保证加长轴安装的同轴度；在飞机上安装所述机构应优先选择轻质材料制造每种机械零件和机构。
21.在一些实施例中，优选的，该机构除了布置在后机身段，也适用布置在前机身段或机翼的发动机吊舱上，为此可采用较短的加长轴和传动轴，以及连接万向节联轴器和侧偏回中机构，从而可以产生拉力矢量以发挥水平偏航作用。
22.本实用新型的这种航空发动机加长轴和转动机构可应用于螺旋桨发动机，适合无人机，通航飞机，也适合飞行汽车，以及水上的船。
23.与现有技术相比，本实用新型在发动机转轴盘与螺旋桨之间接入连接加长轴而延长发动机转动轴长度，可用于调整飞机重心；对加长轴分段并接入万向节联轴器和舵机驱动机构以实现两轴的变角传动，从而可以改变传动轴连接的螺旋桨动力矢量产生侧偏力矩。
24.而且，该机构安装在飞机上可用于飞机抗侧风，并减小机身滚转角。加长轴传动机构技术方案成熟，传动高效，可提高飞机总体布局工程设计效能，提高抗侧风性能，改进航空摄影品质。
附图说明
25.图1是本实用新型的侧偏回中机构的设备布置侧视图；
26.图2是本实用新型的侧偏回中机构的设备布置俯视图，在图2中，a表示螺旋桨右
侧，b表示螺旋桨轴线居中，c表示螺旋桨左侧；
27.图3是本实用新型的侧偏回中机构的逆航向视图(移动框架上下面连接支座的滑动键未显示)；
28.图4是本实用新型的侧偏回中机构的俯视图(移动框架的顶部截面图和旋转轴滑槽俯视图)，在图4中，d表示螺旋桨回中轴线，e表示螺旋桨侧偏轴线；
29.图5是本实用新型的发动机后置居中线安装图示；
30.图6是本实用新型的发动机后置在机背上安装图示。
31.附图中的标记为：1-加长轴，2-加长轴支座，3-延申支架，4-万向节联轴器，5-传动轴，6-侧偏回中机构，61-转轴支撑轴套，62-旋转机构，63-移动框架，64-旋转轴滑槽，65-移动框架支座，66-侧偏回中舵机，67-弹性回中器，7-螺旋桨，8-发动机转轴盘，9-机尾整流罩，10-机身，11-发动机。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型的附图1-6和实施例的描述，对本实用新型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。
33.实施例1：
34.通航飞机的设计中，发动机11的选型和布局方案对飞机重心设计影响比较大。由于可选的动力不多，考虑动力的安全性和经济性，选择两台动力、四台动力的方案比较多，选择三台动力且一台安装在后机身的方案有缺点，即在后机身上布置发动机11增加飞机重心和总体布局的设计困难，优点是机身发动机安装在机身10内部，气动阻力比较小，后置发动机的散热冷却技术方案也比较成熟。
35.综合解决多台发动机分布式布局设计的几个技术难点，本实施例的设计思路是：针对机身后置螺旋桨发动机，一是机身发动机的安装位置尽量靠近飞机重心布置，二是在发动机转轴盘8与螺旋桨7之间加入一定长度的加长轴1，满足发动机11重心位置靠近飞机重心，而螺旋桨7布置在机身10后端外一定距离，三是为加长轴1提供若干个加长轴支座2以便保证传动同心度，四是为便于调整发动机11安装位置，设计一种连接发动机11与加长轴支座2共同安装的刚性支架，即发动机的延申支架3，这种方案的布局灵活性优于发动机11和安装支架分别与机身10结构连接。
36.另外，在后机身段安装发动机11，对机身10设置后舱门的货物进出通道会有局部阻挡，因此可尽量提高发动机11的安装位置靠近机背安装。采用发动机加长轴设计方案，增加的机构重量和经济代价比较小，但是为飞机重心设计提供了一种简易可行方案。
37.实施例2：
38.实施例1采用发动机加长轴设计方案，可以进一步改进，一是借助加长轴1可以解决飞机发动机11调节动力或生成推力差的难点，即提高飞机抗侧风难题，二是减小机身滚转角以改善弯曲地段航空测绘的飞行品质。
39.设计思路是：在机身10上前置或后置发动机对无人机解决抗风难题没有本质区别，对载人通航飞机选择发动机后置；针对实施例1发动机加长轴1为基础，对加长轴1分段，
可分为两段即加长轴1和传动轴5，之间加入万向节联轴器4从而构成变角传动机构，采用舵机驱动的侧偏回中机构6，使得与螺旋桨连接的传动轴5可以水平偏移一定角度并带动螺旋桨7航向水平偏转，于是发动机11推力矢量产生水平偏航力矩，与飞机气动舵面，特别是副翼产生的滚转偏航互补，增强飞机抗侧风性能。
40.同时，水平偏航力矩产生的偏航对机身的滚转角减小。偏航推力矢量是一种直接力，所产生的机身滚转角比较小，与副翼偏转产生滚转角的偏航不同，直接力可增加飞机抗侧风性能，同时减小机身滚转角而有利于航测作业。
41.以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。