一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置及方法

本发明涉及一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置及方法，属于飞行器动力领域。

背景技术：

1、在未来我军不仅将面临复杂战场环境的考验，而且将直接面对强敌可能的干涉，因而迫切需要飞行器具备“快速支持、敏捷打击”的能力。垂直起降高速飞行器既能像传统直升机一样，无需专用机场和跑道，通过垂直起降与空中悬停，向条件恶劣的作战地域快速投送兵力、物资支援，或隐蔽在障碍物后对敌发动突袭，同时便于伪装，不易被敌方发现，从而大大提高了战场生存率，或依托良好的低速性能，对目标进行凝视侦察；又能像固定翼飞机一样远距离高速经济巡航，迅速飞抵任务空域，精确打击特定目标后快速撤离，具有极高的机动性。

2、决定垂直起降高速飞行器研制成败的关键在于其动力系统。传统的涡轴发动机或涡扇发动机都不能同时满足垂直起降高速飞行器对轴功率输出和巡航推力输出的动力需求。一种突破口是发展混合电推进飞行器，需要突破以最大能力实现高速经济巡航和垂直起降发电模式，高速经济巡航时内叶轮只驱动外涵风扇旋转，垂直起降发电模式时外涵风扇静止且发电功率只供电给升力风扇产生升力，这需要突破从内叶轮道外涵道风扇的连续无极传动技术问题。

3、针对最大能力实现发电问题，发明专利公布号为cn115506853a的专利，提出一种用于混合电推进发动机的flade叶轮盘构型，内涵转子独立于外涵转子，发电模式时，外涵转子不旋转，从而将外涵耗功能力真正的降到零，但是由于采用转差式电磁离合器，在巡航时面临严峻的热损耗和散热问题，降低巡航的经济性。

4、如申请公布号cn106602793a公开的一种带离合装置的轮毂发电机，其通过常规离合器和行星齿轮来实现轮毂发电机的接通和断开问题，但该结构是轴线上并排组成的，不适合发动机上的紧凑安装，需要解决共面叶轮盘上的flade连续的离合断开的技术问题。

5、这就迫切需要发展相应的外涵道风扇转速可变的装置来满足高速的经济巡航和悬停的性能需求，和尽可能的采用非常规接触离合方案以避免接合瞬间产生的极高扭矩和温度，以及彻底消除高速经济巡航时严峻的热损耗和散热问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置及方法，旨在发展一款可实现内叶轮发电模式和外涵风扇推进模式稳定工作和连续平稳过渡的自冷却斜齿气动传动装置，通过气路阻断作动筒的位移，实现大功率电能输出以及内叶轮到外涵风扇的无级传动，并通过内轮斜齿产生的轴向气源，解决内叶轮发电模式下的冷却问题，以及为内叶轮到外涵风扇的气动传动提供稳定的压力和流量。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置，包括：从内环到外环的第一轴承、内叶轮、双侧轮毂盘式发电机、气路阻断作动筒、阻流环板、内轮斜齿、外轮齿、双侧的无轮毂轴承和外涵风扇，所述内叶轮支撑在第一轴承上，所述内轮斜齿套在内叶轮的叶尖上，所述气路阻断作动筒包括多个液压缸和固定在活塞端部的环形薄圆环，所述气路阻断作动简单侧安装在靠近外轮齿第一侧的静止机匣上，所述内轮斜齿包括多个斜压力面和斜吸力面，所述外轮齿包括多个迎风面和受力面，所述多个斜压力面在内叶轮旋转时产生径向的高压气流作用在多个迎风面上，从而驱动外轮齿旋转，所述外轮齿和内轮斜齿无接触安装，且具有径向间隙，所述径向间隙允许气路阻断作动筒上的环形薄圆可轴向移动，以连续控制从内轮斜齿到外轮齿的气流通断，所述阻流环板安装在外轮齿的第二侧的端面上，构造用于组织气流的流动路线，利用阻流环板的阻碍作用，从外涵道进入的气流更加靠近内轮斜齿壁面流动，从而起到冷却其相邻两侧的发电机，以及提供稳定的气动传动的压力和流量，所述外涵风扇安装在外轮齿上，所述外轮齿具有双侧的轴向延伸段，用于安装双侧的无轮毂轴承，所述无轮毂轴承是周向布局的多个小轴承，轴承外环旋转，内环分别固定在外轮齿的双侧的轴向延伸段上，所述双侧轮毂盘式发电机包括安装在内叶轮叶顶两侧的多个第一永磁体和第二永磁体，以及安装在靠近内叶轮叶顶两侧的静止机匣上的多个第一线圈定子和第二线圈定子，所述线圈定子和永磁铁无接触安装，所述多个第一线圈定子和多个液压缸周向错位布局在相近直径的圆环上；

4、所述气路阻断作动筒采用常规的液压系统控制，所述液压系统的油源经过油泵和油滤为电液伺服阀提供一定压力和流量的油源，发动机控制器经过控制电液伺服阀的电流控制气路阻断作动筒的左右腔体内的油压，从而实现环形薄圆环的位移的连续控制；

5、所述的一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置，包括内叶轮发电模式和外涵风扇推进模式，内叶轮发电模式为飞行器垂直起降或悬停阶段提供升力风扇消耗的电功率，外涵风扇推进模式为飞行器高速经济巡航提供风扇推进。

6、所述的一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置的控制方法，其特征在于，内叶轮地面的最大状态转速比巡航状态转速要高，控制方法具有如下步骤：

7、①内叶轮发电模式：飞行器处于垂直起降或悬停阶段，发动机控制器控制电液伺服阀的电流，从而控制气路阻断作动筒的环形薄圆环置于最右端，从而阻断从内轮斜齿到外轮齿的高压气流，使得安装在外轮齿上的外涵风扇停止旋转，内叶轮的所有功率用于带转双侧轮毂盘式发电机发电，内叶轮转速从内叶轮自持点a点加速到地面最大状态点b点，外涵风扇没有转速，发电的电功率全部用于飞行器的升力风扇产生升力；

8、②内叶轮发电模式→外涵风扇推进模式：飞行器从垂起过渡到高速经济巡航阶段，发动机控制器控制电液伺服阀的电流，从而控制环形薄圆环从最右端逐渐移动到最左端，从而缓慢打开从内轮斜齿到外轮齿的高压气流，使得安装在外轮齿上的外涵风扇从静止状态b点逐渐加速旋转到模式切换点c点，内叶轮转速从b点减速到c点，且其功率从用于带转双侧轮毂盘式发电机发电逐渐转变为带转外涵风扇产生推进力；

9、③外涵风扇推进模式：飞行器处于高速经济巡航阶段，发动机控制器控制电液伺服阀的电流，从而控制环形薄圆环置于最左端，从而连通从内轮斜齿到外轮齿的高压气流，所述高压气流驱动安装在外轮齿上的外涵风扇高速旋转并工作在c-d曲线上，此时微调电液伺服阀的电流从而控制外涵风扇稳定工作在气动最佳点且不随内叶轮转速变化，此时双侧轮毂盘式发电机和升力风扇的电路断开，内叶轮的所有功率用于带转外涵风扇旋转产生巡航推进力；

10、④外涵风扇推进模式→内叶轮发电模式：飞行器从高速经济巡航过渡到垂直着陆阶段，发动机控制器控制电液伺服阀的电流，从而控制环形薄圆环从最左端逐渐移动到最右端，从而缓慢关闭从内轮斜齿到外轮齿的高压气流，使得安装在外轮齿上的外涵风扇从高速旋转状态的c点逐渐静止在b点，内叶轮转速从c点加速到b点，且其功率从用于带转外涵风扇产生推进力逐渐转变为带转双侧轮毂盘式发电机发电。

11、所述的一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置的冷却和气源稳定供应方法，其特征在于，分别具有如下过程：

12、①内叶轮发电模式的冷却方法：飞行器处于垂直起降或悬停阶段，环形薄圆环置于最右端，阻断从内轮斜齿到外轮齿的高压气流，内轮斜齿在内叶轮的旋转带转下，在形成径向高压气流的同时，也会产生从外轮齿的第二侧到第一侧的轴向气源，该轴向气源迫使外涵道的气体从靠近外轮齿的第二侧的多个无轮毂轴承的周向间隙流入，在阻流环板的导流作用下，形成两股气流，第一股气流经过内轮斜齿和环形薄圆环所形成的腔体，第二股气流在环绕第二线圈定子的流道处形成流体振荡器，高频振荡带走靠近外轮齿的第二侧的发电机发电热量，之后第二股和第一股气流合并，一起流到靠近外轮齿的第一侧的发电机，带走环绕第一线圈定子的流道产生的热量，最后绕过环形薄圆环，从靠近外轮齿的第一侧的多个无轮毂轴承的周向间隙流出到外涵道；

13、②外涵风扇推进模式的气源稳定供应方法：飞行器处于高速经济巡航阶段，环形薄圆环置于最左端，连通从内轮斜齿到外轮齿的高压气流，外涵风扇前为低压区，外涵风扇后为高压区，外涵道高压区的气流经过靠近外轮齿第一侧的多个无轮毂轴承的周向间隙，在阻流环板的阻挡作用和在外轮齿的斜齿轴向压缩作用下，沿着靠近内轮斜齿壁面轴流动，从靠近外轮齿的第一侧的多个无轮毂轴承的周向间隙流出到外涵道，在内叶轮转速恒定时，内轮斜齿产生的轴向压差和外涵风扇前后压差恒定，流量恒定，从而保证了从内叶轮到外涵风扇的恒定传动比。

14、与现有技术相比，本发明的优势是；提出一种面向混合电推进的斜齿气动传动装置，并利用双侧轮毂盘式发电机，通过控制气路阻断作动筒的位移，实现了内叶轮发电模式和外涵道风扇推进模式下的稳定工作，以及模式转换下的外涵道风扇转速无级调节，相比于转差式电磁离合器的磁力传动，本发明彻底消除了外涵道风扇推进模式下转差式电磁离合器严峻的耗电能和散热问题；本发明所提出的内轮斜齿和阻流环板，利用斜的压力面，能在内叶轮发电模式下，产生恒定的轴向气源，加上阻流环板的阻流作用，从外涵道流入的气流能更贴着内轮斜齿，以便冷却双侧轮毂盘式发电机，以及为气动传动产生恒定的压力和流量。