功率输出装置及直升机的制作方法

本发明涉及航空发动机技术领域，特别地，涉及一种功率输出装置及直升机。

背景技术：

涡轮喷气发动机是当代航空器的主要动力，主要可以分为涡喷、涡扇、涡轴和涡桨发动机四类，多用于客机、运输机、战斗机、巡航导弹等。涡轴发动机主要用于直升机，传统的涡轴发动机通过提供轴功率，从而带动主旋翼旋转提供升力与前飞动力，并通过齿轮传动系统将一部分功率传输给尾桨，从而产生与主旋翼扭矩相抵消的反方向扭矩。传统的涡轴发动机在与直升机配合中存在以下问题：(1)涡轴发动机、旋翼与尾桨之间需要采用复杂的传动机构，导致结构复杂、可靠性差、重量大、效率低下(2)受制于传统直升机与涡轴发动机结构，直升机难以实现高速(0.3ma以上)飞行。

技术实现要素：

本发明提供了一种功率输出装置及直升机，以解决现有的涡轴发动机与直升机配合中存在的传动机构复杂以及直升机难以高速飞行的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种功率输出装置，用于通过燃气发生装置产生的高温高压燃气驱动产生功率并将功率分别传输至升力输出装置和推力输出装置，功率输出装置包括沿燃气发生装置的排气方向依次安装于机匣内的前自由涡轮、可调涡轮导向器以及后自由涡轮，前自由涡轮与升力输出装置的输入端通过前输出自由涡轮轴连接，后自由涡轮与推力输出装置的输入端通过后输出自由涡轮轴连接，燃气发生装置排出的高温高压燃气先流入前自由涡轮中，驱动前自由涡轮旋转，从而使前自由涡轮产生功率并将功率传输至升力输出装置，流过前自由涡轮的高温高压燃气经可调涡轮导向器调节流量后流入后自由涡轮中，以驱动后自由涡轮旋转，从而使后自由涡轮产生功率并将功率传输至升力输出装置。

进一步地，可调涡轮导向器包括铰接于机匣内的可调涡轮导叶，且多个可调涡轮导叶沿机匣的周向均匀排布，通过调节可调涡轮导叶绕铰接点转动从而改变可调涡轮导叶与机匣的排气截面的倾斜角度，从而改变流入后自由涡轮中高温高压燃气的流量。

进一步地，功率输出装置还包括与机匣的排气口连接的尾喷管，后输出自由涡轮轴的输出端穿过尾喷管并与推力输出装置的输入端连接。

进一步地，前自由涡轮、可调涡轮导向器以及后自由涡轮三者沿气流方向平行设置，前自由涡轮产生的功率从前方传输至升力输出装置，后自由涡轮产生的功率从后方传输至推力输出装置。

根据本发明的另一方面，还提供了一种直升机，包括上述功率输出装置，还包括燃气发生装置、升力输出装置以及推力输出装置。

进一步地，升力输出装置包括输入端与前输出自由涡轮轴的输出端连接的换向传动组件以及与换向传动组件的输出端连接的旋翼，通过换向传动组件将前输出自由涡轮轴沿水平方向传输的功率沿竖直向上的方向传输至旋翼，以使旋翼旋转产生升力。

进一步地，推力输出装置包括与后输出自由涡轮轴连接的推进桨。

进一步地，燃气发生装置包括用于将空气进行压缩的压气机、与压气机的出气端连通的用于将燃料与压缩后的空气混合燃烧产生高温高压燃气的燃烧室、安装于燃烧室的出气端处的涡轮以及与涡轮连接并穿过燃烧室后与压气机的输入端连接的涡轮轴，涡轮通过从燃烧室内的高温高压燃气中提取功率进行旋转，并通过涡轮轴将功率传输至压气机。

进一步地，涡轮轴为空心轴，前输出自由涡轮轴的输出端沿轴向穿过涡轮轴的空心腔并与升力输出装置连接。

进一步地，前自由涡轮与涡轮平行设置。

本发明具有以下有益效果：

本发明的功率输出装置，通过沿燃气发生装置的排气方向在机匣内安装前自由涡轮、可调涡轮导向器以及后自由涡轮，并通过前输出自由涡轮轴将前自由涡轮与升力输出装置的输入端连接，通过后输出自由涡轮轴将后自由涡轮与推力输出装置的输入端连接，燃气发生装置排出的高温高压燃气先流入前自由涡轮中，驱动前自由涡轮旋转，从而产生功率，该功率通过前输出自由涡轮轴传输至升力输出装置，进而产生升力；流过前自由涡轮的高温高压燃气经可调涡轮导向器调节流量后流入后自由涡轮中，驱动后自由涡轮旋转，从而产生功率，该功率通过后输出自由涡轮轴传输至推力输出装置，进而产生推力，由此可知，本发明的功率输出装置，前自由涡轮、可调涡轮导向器以及后自由涡轮之间无机械传动结构连接，因此不存在转动同步或干涉，并通过可调涡轮导向器调节前自由涡轮和后自由涡轮的转速，进而实现了前输出自由涡轮轴和后输出自由涡轮轴分别将前自由涡轮和后自由涡轮的功率传输至升力输出装置和推力输出装置的优化，更好地满足升力输出装置和推力输出装置的功率需求，而且破除了升力输出装置和推力输出装置之间复杂的性能耦合关系，此外，通过后输出自由涡轮轴将功率传输至推力输出装置，使推力输出装置产生推力，从而提升了直升机的飞行速度，达到0.5ma～0.6ma。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的直升机的结构示意图。

图例说明：

1、压气机；2、涡轮轴；3、前输出自由涡轮轴；4、燃烧室；5、涡轮；6、前自由涡轮；7、可调涡轮导向器；8、后自由涡轮；9、尾喷管；10、后输出自由涡轮轴；11、机匣；12、推进桨；13、旋翼；14、换向传动组件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

图1是本发明优选实施例的直升机的结构示意图。

如图1所示，本实施例的功率输出装置，用于通过燃气发生装置产生的高温高压燃气驱动产生功率并将功率分别传输至升力输出装置和推力输出装置，功率输出装置包括沿燃气发生装置的排气方向依次安装于机匣11内的前自由涡轮6、可调涡轮导向器7以及后自由涡轮8，前自由涡轮6与升力输出装置的输入端通过前输出自由涡轮轴3连接，后自由涡轮8与推力输出装置的输入端通过后输出自由涡轮轴10连接，燃气发生装置排出的高温高压燃气先流入前自由涡轮6中，驱动前自由涡轮6旋转，从而使前自由涡轮6产生功率并将功率传输至升力输出装置，流过前自由涡轮6的高温高压燃气经可调涡轮导向器7调节流量后流入后自由涡轮8中，以驱动后自由涡轮8旋转，从而使后自由涡轮8产生功率并将功率传输至升力输出装置。前自由涡轮6、可调涡轮导向器7以及后自由涡轮8三者沿燃气发生装置的排气方向平行设置。

本发明的功率输出装置，通过沿燃气发生装置的排气方向在机匣11内安装前自由涡轮6、可调涡轮导向器7以及后自由涡轮8，并通过前输出自由涡轮轴3将前自由涡轮6与升力输出装置的输入端连接，通过后输出自由涡轮轴10将后自由涡轮8与推力输出装置的输入端连接，燃气发生装置排出的高温高压燃气先流入前自由涡轮6中，驱动前自由涡轮6旋转，从而产生功率，该功率通过前输出自由涡轮轴3传输至升力输出装置，进而产生升力；流过前自由涡轮6的高温高压燃气经可调涡轮导向器7调节流量后流入后自由涡轮8中，驱动后自由涡轮8旋转，从而产生功率，该功率通过后输出自由涡轮轴10传输至推力输出装置，进而产生推力，由此可知，本发明的功率输出装置，前自由涡轮6、可调涡轮导向器7以及后自由涡轮8之间无机械传动结构连接，因此不存在转动同步或干涉，并通过可调涡轮导向器7调节前自由涡轮6和后自由涡轮8的转速，进而实现了前输出自由涡轮轴3和后输出自由涡轮轴10分别将前自由涡轮6和后自由涡轮8的功率传输至升力输出装置和推力输出装置的优化，更好地满足升力输出装置和推力输出装置的功率需求，而且破除了升力输出装置和推力输出装置之间复杂的性能耦合关系，此外，通过后输出自由涡轮轴10将功率传输至推力输出装置，使推力输出装置产生推力，从而提升了直升机的飞行速度，达到0.5ma～0.6ma。

可调涡轮导向器7包括铰接于机匣11内的可调涡轮导叶，且多个可调涡轮导叶沿机匣11的周向均匀排布，通过调节可调涡轮导叶绕铰接点转动从而改变可调涡轮导叶与机匣11的排气截面的倾斜角度，从而改变流入后自由涡轮8中高温高压燃气的流量。还包括联动环和与联动环相连的摇臂，联动环与可调涡轮导叶相连，转动摇臂使联动环调节可调涡轮导叶绕铰接点转动从而改变可调涡轮导叶与机匣11的排气截面的倾斜角度，从而改变高温高压燃气通过可调涡轮导叶流入后自由涡轮8的流量，从而调节前自由涡轮6和后自由涡轮8的转速，再经前输出自由涡轮轴3和后输出自由涡轮轴10分别将前自由涡轮6和后自由涡轮8的功率传输至升力输出装置和推力输出装置，以满足升力输出装置和推力输出装置的功率需求。可选地，多个可调涡轮导向器7沿气流方向排布，以对高温高压燃气的流量进行多级调节，从而调整前自由涡轮6和后自由涡轮8的功率提取。通过可调涡轮导向器7调节前自由涡轮6和后自由涡轮8之间的传动比，传动比的调节范围为0～1。

功率输出装置还包括与机匣11的排气口连接的尾喷管9，后输出自由涡轮轴10的输出端穿过尾喷管9并与推力输出装置的输入端连接。经前自由涡轮6和后自由涡轮8膨胀后的气流从尾喷管9排出。前自由涡轮6从燃气发生装置排出的高能工质中提取功率驱动前自由涡轮6轴2做功，并将功率传输给升力输出装置；后自由涡轮8从高能工质中提取功率驱动后输出自由涡轮轴10做功，并将功率传输给推力输出装置，可调涡轮导向器7用于调整前自由涡轮6和后自由涡轮8的功率提取，尾喷管9主要用于将通过后自由涡轮8后的燃气排出。工作时来流气流从进气道流入燃气发生装置，燃气发生装置产生高能工质，高能工质带动前自由涡轮6和后自由涡轮8旋转，从而产生功率，并分别由前输出自由涡轮轴3和后输出自由涡轮轴10传出，经前自由涡轮6和后自由涡轮8膨胀后的气流由尾喷管9排出。

前自由涡轮6、可调涡轮导向器7以及后自由涡轮8三者沿气流方向平行设置，前自由涡轮6产生的功率从前方传输至升力输出装置，后自由涡轮8产生的功率从后方传输至推力输出装置。如图1所示，本实施例的直升机，包括上述功率输出装置，还包括燃气发生装置、升力输出装置以及推力输出装置。本实施例的功率输出装置与直升机更为匹配，无需采用复杂的机械传动结构驱动推力输出装置，直接通过后输出自由涡轮轴10将后自由涡轮8的功率传输至推力输出装置，从而极大的提升了直升机的飞行速度。由于高温高压燃气经过前自由涡轮6后，燃气温度降低，因此可以引入可调涡轮导向器7中，从而通过可调涡轮导向器7调整前自由涡轮6和后自由涡轮8的转速，使得前输出涡轮5转轴和后输出涡轮5转轴的输出功率可调，更好地满足升力输出装置和推力输出装置的功率需求，从而极大的提升直升机的工作性能。

升力输出装置包括输入端与前输出自由涡轮轴3的输出端连接的换向传动组件14以及与换向传动组件14的输出端连接的旋翼13，通过换向传动组件14将前输出自由涡轮轴3沿水平方向传输的功率沿竖直向上的方向传输至旋翼13，以使旋翼13旋转产生升力。推力输出装置包括与后输出自由涡轮轴10连接的推进桨12。直接通过后输出自由涡轮轴10将后自由涡轮8的功率传输至推进桨12，从而极大的提升了直升机的飞行速度。换向传动组件14包括用于连接旋翼13的输出浆轴以及用于分别连接前输出自由涡轮轴3的输出端和输出浆轴的输入端的用于将前输出自由涡轮轴3沿水平方向传输的动力沿竖直向上的方向传输至输出浆轴的主换向齿轮副，前输出自由涡轮轴3通过固定于机匣11内的轴承安装于机匣11内。

燃气发生装置包括用于将空气进行压缩的压气机1、与压气机1的出气端连通的用于将燃料与压缩后的空气混合燃烧产生高温高压燃气的燃烧室4、安装于燃烧室4的出气端处的涡轮5以及与涡轮5连接并穿过燃烧室4后与压气机1的输入端连接的涡轮轴2，涡轮5通过从燃烧室4内的高温高压燃气中提取功率进行旋转，并通过涡轮轴2将功率传输至压气机1。可选地，压气机1包括沿气流的进气方向安装于机匣11内的低压压气机和高压压气机。涡轮5包括沿气流的排出方向安装于燃烧室4的出气端处的高压涡轮和低压涡轮，高压涡轮通过高压涡轮轴与高压压气机连接，高压涡轮轴为空心轴，低压涡轮通过穿过高压涡轮轴中心的低压涡轮轴与低压压气机连接。

涡轮轴2为空心轴，前输出自由涡轮轴3的输出端沿轴向穿过涡轮轴2的空心腔与升力输出装置连接。前输出自由涡轮轴3通过轴承与涡轮轴2连接，并保持与涡轮轴2同心，因此前输出自由涡轮轴3与涡轮轴2之间不存在转动同步或干涉。前自由涡轮6与涡轮5平行设置。

本实施例的直升机，空气流入压气机1，经过压气机1压缩后的高压气体进入燃烧室4内与燃料混合进行燃烧，并进入涡轮5中膨胀做功，从而转换成高温高压的燃气，其中，涡轮5吸收的膨胀功主要用于通过涡轮轴2驱动压气机1旋转做功；高温高压的燃气流入前自由涡轮6中，驱动前自由涡轮6旋转，从而产生功率，该功率通过前输出自由涡轮轴3传输至换向传动组件14，换向传动组件14吸收前自由涡轮6传输的功率，以低转速输出给旋翼13，带动旋翼13旋转，从而产生升力；流过前自由涡轮6的高温高压气流经可调涡轮导叶流入后自由涡轮8，从而驱动后自由涡轮8旋转，产生功率，该功率通过后输出自由涡轮轴10传输给推进桨12，从而驱动推进桨12工作，产生推力；其中通过调节可调涡轮导叶改变前自由涡轮6和后自由涡轮8的输出功率和转速。当可调涡轮导叶与机匣11的排气截面倾斜的角度越大，气体通过的流量越大，后自由涡轮8的输出功率越大，推进桨12产生的推力越大，直升机飞行的速度越快，前自由涡轮6的输出功率相应的减小，旋翼13产生的升力相应的减小，直升机上升的速度降低。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。