專利名稱：管道式氣流動力設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種管道式氣流動力設備，尤其是涉及用于航空器或飛船的動力設備，該航空器或飛船利用具有可調節(jié)推力的活動噴射管來控制航空器的位置和姿態(tài)。本動力設備的可選用途包括具有盤旋功能的平臺，適于攜帶如相機或消防化學品等器材。另一個可能是為進行航空信息觀測提供一個自由移動的平臺。
在航空器上利用活動噴射管提供初始升空并隨后向前加速的原理已在專利說明書GB861480、GB899862和GB905651(Hawker)中公開。這些說明書描述了定向噴嘴的配置，該配置使發(fā)動機的推力發(fā)生偏轉，以使推力部分向下偏轉來提供升空。這一階段之后，噴嘴被旋轉來提供向前的加速，在速度足夠高時，完全從航空器的機翼獲得必要的提升力。噴嘴然后被完全置于尾部位置，以使它們只產生向前的運動。
噴嘴用來產生垂直推力與后來產生向后的推力之間的轉換需要精心控制，這樣，航空器將始終維持大體水平的姿態(tài)。當速度低于機翼上的氣流速度時，航空器姿態(tài)有時可以通過第二噴嘴來調整，第二噴嘴位于翼尖、前端和尾部，這是在飛行員的控制下進行的。如果在起飛時有側風，航空器姿態(tài)將需要特別仔細地來管理。這是在實際大小的航空器中在轉換中維持穩(wěn)定性所使用的機構。但是，如果航空器是以航空器模型的形式來體現(xiàn)，不存在這種機構，所有的控制調整必須通過調節(jié)每個噴嘴發(fā)出的推力來進行。
在上述說明書中公開的噴嘴配置提供了四個噴嘴，其中兩個位于航空器重心的前面，另外兩個位于該點的后面。噴嘴位于航空器的左舷和右舷側上，這樣將可以形成一個相對穩(wěn)定的平臺。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種管道式氣流動力設備，該動力設備包括位于管道中由發(fā)動機驅動的風扇，該風扇具有進氣口側，在操作中提供管道中的高壓氣流，該風扇靠近氣流分流裝置設置，配置氣流分流裝置來把氣流轉變?yōu)閮蓚€或多個副氣流，以傳送到設備的各個氣流噴射管中。氣流分流裝置優(yōu)選是一個氣流分流板，其被配置來提供四個副氣流。
從氣流分流板到噴射管的副氣流傳送可通過具有圓形、橢圓形或其它截面的各個空氣傳送導管而實現(xiàn)。
風扇轉子可以位于風扇定子葉片單元的附近，該風扇定子葉片單元被用來減小在離開風扇的氣流中出現(xiàn)的旋轉(漩渦)度。氣流分流板可以與一個或多個氣流控制葉片在一起，氣流控制葉片可以移動，以使到每個噴射管的單獨氣流能夠被調節(jié)。
氣流控制葉片優(yōu)選緊靠氣流分流板的前部。每個葉片可以被平衡而圍繞一個軸旋轉，該軸與氣流分流板的一個對角線一致，這樣的對角線位于可對通過板的一個氣流開口的氣流提供最小阻礙的位置。
本發(fā)明也包括安裝有該動力設備的移動平臺交通工具，還包括具有該動力設備的航空器。
現(xiàn)在將以示例的方式，參考附圖描述本發(fā)明的一個特定實施例，其中

圖1是管道式氣流動力設備的一個端透視圖，圖2是設備部分切掉后從設備的相反側面看到的一個類似視圖，圖3表示移去前發(fā)動機殼部件的動力設備發(fā)動機，圖4描述具有管道式風扇定子葉片的一個氣流分流板，圖5表示具有氣流控制葉片的氣流分流板，圖6表示氣流分流板，圖7表示氣流分流板的不同實施例的四個視圖，圖8是從氣流分流板的一端看到的透視圖，示出了適當位置的氣流控制葉片，圖9是從相反一端看到的板的視圖，示出了氣流控制葉片，圖10是一個部分截面圖，表示氣流控制葉片如何傾斜可以使氣流從一個通道轉向氣流分流板的另一個通道，圖11表示以不同側面的四個視圖示意的氣流控制葉片和伺服電動機組合，圖12表示利用本發(fā)明的管道式氣流動力設備的一個航空器結構，和圖13是具有噴嘴用以產生單元的偏航運動的動力設備的一個平面圖。
本發(fā)明的管道式動力設備結構首先選擇使用的發(fā)動機。在本示例中，這是具有電熱插塞點火和最高達28,000RPM轉速的兩沖程水冷內燃機。圖1和2中的視圖表示安裝有軸流式風扇轉子的發(fā)動機，該軸流式風扇轉子直接支撐在發(fā)動機的輸出軸上。在這些圖中，發(fā)動機具有一個工作缸1，與輸出軸2所在的位置成直角排列。發(fā)動機也提供有一個排氣消聲器3和包括具有汽化器的燃料箱的常用工作組件。圖1中的視圖表示由外殼4圍繞的風扇轉子，該外殼4用于限制風扇產生的加壓氣流。在圖2的視圖中，外殼4示出有微小的修改，其中在氣流入口端提供有鈴形的開口6。
在發(fā)動機輸出軸2的一端安裝的是風扇轉子7，其葉片的排列使得在工作缸1的方向驅動氣流。進氣流由一個氣流分流板8分隔為四個氣流，這些氣流被傳送到可調節(jié)的噴射管，其中的兩個噴嘴9可以在圖1視圖中的左側看到。
噴嘴9位于空氣傳送導管11的端部，該導管從氣流分流板8把四個氣流運送到四個噴嘴9。噴嘴的調整是通過圍繞其傳送導管11的端部旋轉每個噴嘴9來實現(xiàn)，這樣，噴嘴被改變方向，以使其各自的氣流向前、向下或向后偏轉。每個噴嘴的旋轉是通過操作噴嘴旁的第一伺服電動機12來進行。有四個第一伺服電動機12，每個噴嘴9提供有一個。氣流導向葉片可以或可以不包含在管道和/或噴嘴中，以提高氣流效率，降低氣流損失。
圖3示出了移去前外殼4部件并省略發(fā)動機左側噴嘴的結構的更多細節(jié)。在風扇轉子7的下游，包括風扇定子葉片13的固定葉片氣流調直器被安裝在此，以降低在離開風扇的氣流中出現(xiàn)的旋轉(漩渦)量。氣流分流板8穿過氣流安裝，其具有四個通道，使得氣流被分隔為四個單獨的氣流，傳送到噴嘴9(圖1)。氣流分流板的成形使得進入的氣流將以相當平滑和流線型的方式，基本上相等地被分隔為四個較小的氣流。這部分地通過在每個氣流分流通道的上游側提供的漏斗形的入口開口14來達到。
圖4表示具有管道式風扇定子葉片13的氣流分流板8，葉片13安裝在板8前端的輪轂上。也在每個氣流分流通道的前端，氣流分流板支持氣流控制葉片16，該葉片安裝在通道前面的一個表面上。有四個氣流控制葉片，它們位于較小氣流通過的每對通道之間。因此，如果氣流控制葉片設置為與通過其每對通道的氣流成一直線，則通過兩個通道的氣流相等。但是，如果氣流控制葉片相對氣流的方向以較小的角度設置，則通過一個通道的氣流將被降低，而通過其它通道的氣流將增加。在每對通道之間有四個具有氣流控制葉片的氣流分流通道，這樣，該結構允許對通過單個通道的氣流量做出較大程度的調節(jié)。
圖5表示支撐四個氣流控制葉片16的氣流分流板8。每個氣流控制葉片是以其內末端與它的表面17接觸，每個葉片的外末端可通過第二伺服電動機18(圖1)圍繞一個軸活動，該軸在發(fā)動機輸出軸的徑向。這樣，第二伺服電動機18被支撐在外殼4部件上，該外殼部件在操作時圍繞風扇組件。
氣流分流板8也支撐提供有花鍵的圓柱形輪轂19，這樣，風扇定子葉片13能夠以剛性方式被支撐。當然，發(fā)動機輸出軸2(圖2)穿過氣流分流板8，這樣，風扇轉子7能夠被固定在該軸的末端。
氣流分流板8的下游一側支撐21(圖3)，通過該固定裝置，引導四個氣流的空氣傳送導管被連接到板上。如圖1所示，在發(fā)動機的左側有兩個空氣傳送導管11，在右側有另外兩個導管(圖1視圖中未標出)。每個空氣傳送導管終止于其自己的噴嘴9，圖1視圖中可見的兩個噴嘴被示出朝向下方，這樣它們將產生一個噴氣推力作用，將會使動力設備在這一側升起。在動力設備相反側的噴嘴將產生類似效果。但是，每個噴嘴圍繞支撐噴嘴的空氣傳送導管的末端是可旋轉的。每個噴嘴的定位是通過為每個噴嘴提供各自的第一伺服電動機12而被調節(jié)。這樣，如果需要，可以使所有噴嘴產生向上的推力，或者如果噴嘴由其伺服電動機被適當定位，還可能產生向前和向上的混合推力。
圖6表示氣流控制葉片16從表面17除去之后的氣流分流板8。
圖7表示氣流分流板8的一個不同實施例的四個視圖?？梢钥吹剑诎迳喜康膬蓚€氣流通道彼此由特定的距離隔開，而板下部的兩個通道靠近在一起。這使得相關的空氣傳送導管在發(fā)動機主體的周圍被繞過。
圖8是從氣流分流板的一端看到的一個透視圖，其示出了氣流控制葉片在適當?shù)奈恢谩?br> 圖9從氣流分流板的相反一端看到的一個視圖，其示出了氣流控制葉片在適當?shù)奈恢?。應注意的是，傾斜軸20位于水平線上的兩組氣流控制葉片16，與到下部的兩個通道相比，更靠近上部兩個氣流通道。這同樣使得空氣傳送導管從發(fā)動機主體周圍穿過。
圖10是位于氣流分流板8內的兩個通道之間的氣流控制葉片的局部截面圖。具有位于圖左側和右側的氣流通道。明顯的是，最上面的氣流控制葉片16逆時針方向的傾斜會使得原來流過右側通道的部分氣流被轉向到左側通道中。當氣流控制葉片返回到與進入氣流一致的位置時，會再次使得相等的氣流量穿過兩個通道。
圖11表示本身具有第二伺服電動機18的氣流控制葉片16的四個視圖。伺服電動機18具有通過錐齒輪驅動連接到其氣流控制葉片16的輸出軸，這樣，電機的致動將引起控制葉片以一個小角度旋轉?？梢钥吹剑總€氣流控制葉片16具有一個盒狀結構，該結構具有一個矩形套和一個中間隔離物(partition)。每個氣流控制葉片16這樣形成兩個平行的氣流通道，通過旋轉該盒體，氣流將能夠圍繞旋轉運動軸被轉向任何一側。
圖12表示包含本發(fā)明的管道式氣流動力設備的一個航空器結構。在該例子中，航空器是如在上述專利說明書之一中公開的Hawker航空器。該航空器的設計是起落時間短暫，它設置有朝向前方的氣流入口23，其中之一位于機身的每一側。航空器還具有兩個向前噴射管24和同樣數(shù)量的向后噴射管26。噴嘴如前述可以旋轉，在圖中所示的配置中，噴嘴被向前并部分地向下，為操縱和制動的目的而提供相反的推力。
動力設備的控制系統(tǒng)被設計為可以安裝在航空器模型中，并能夠由可在市場上獲得的標準無線電發(fā)射機用無線電控制進行操作。航空器提供對于發(fā)動機控制、舵、升降舵、副翼、襟翼、顛簸和翻滾滑翔控制的全部操作功能。航空器因此能夠盤旋，進行從盤旋到前進飛行的轉換，并再次進行盤旋。其中包含基于控制系統(tǒng)的傳感器。第一和第二伺服電動機12、18是由計算機控制系統(tǒng)來驅動，這樣噴嘴與氣流控制葉片彼此將被獨立地調節(jié)。實際上，氣流控制葉片是設置為被成對控制，以使一組氣流控制葉片將與在發(fā)動機軸相反一側的相應的一組葉片同時移動。
已經發(fā)現(xiàn)，在本管道式氣流動力設備的結構中，為了把重量保持在最小程度，許多部件可以由碳纖維合成物或塑料注鑄成型工藝來制造。管道、氣流控制葉片、發(fā)動機架、噴嘴、轉子與定子風扇單元和氣流分流板是由這些工藝中的一種或其它工藝來制造。每個氣流控制葉片16包括中空的盒狀結構，其中三個空氣動力設計的葉片由頂部和底部構件連接。優(yōu)選使外部葉片略微向外張開，以提高葉片在旋轉過程中的空氣動力效率。
對于管道式氣流動力設備的操作，已經發(fā)現(xiàn)適合將其安裝在類似圖12所示的Hawker航空器的航空器機身上。如果在航空器中安裝適當?shù)臒o線電控制單元來控制發(fā)動機、升降舵、襟翼和伺服電動機的操作，就能夠實現(xiàn)可進行現(xiàn)實操縱的飛行模型。這可包括垂直起落、前進飛行的轉換、恢復到盤旋的轉換、降落和向后飛行。
這種類型的航空器中有用的運動還包括偏航運動，偏航運動是航空器在水平面內繞通常垂直的軸的一個角運動。在Hawker航空器中，利用使高速氣流通過位于航空器機身前端與后部空間的反饋控制閥(reaction control valve)產生一個力偶，從而提供偏航力矩。比較而言，在本發(fā)明的航空器中，偏航力矩是通過在一個方向上轉動機身左側的兩個噴嘴，而在相反方向轉動右側的兩個噴嘴來提供的。偏航力矩從而通過使用逆方向旋轉的噴嘴設置而產生。
圖13給出了動力設備的一個平面圖，其中兩個左側噴嘴9(在圖的上部)以向前的方向旋轉，而兩個右側噴嘴9(在圖的下部)以向后的方向旋轉。因而推力使得航空器以逆時針方向繞垂直軸旋轉。
另外，在盤旋姿態(tài)中，當航空器無論是在傾斜還是翻滾平面中從其中心點移開，都可以單獨地調節(jié)噴嘴，以使其相對于地面始終處于垂直向下的位置。這樣可有助于保證垂直向下提供最大的推力，以維持航空器穩(wěn)定的盤旋。
以上對于本發(fā)明實施例的描述僅僅是為了舉例說明，在不背離所附權利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下，可以做出各種修改。例如，動力源可以不是兩沖程內燃機，而是具有發(fā)動機控制器和燃料電池或充電電池的不帶電刷的電動機。小型燃氣渦輪型的發(fā)動機也是可行的。另外，所述的氣流控制葉片部件是支撐三個空氣動力氣流偏轉葉片的一個中空盒體結構。在不同的實施例中，氣流控制葉片部件的氣流偏轉器構件數(shù)量可以更多或更少。
也可以提供動力設備的一種替代結構，其中可以沿著一個具有活動氣流控制葉片的中央管道輸送氣流，該葉片在管道中彼此成對角相對設置，然后氣流控制葉片將把部分氣流轉到左側或右側空氣傳送導管之一或二者中。這樣，該結構可用于僅具有三個噴射管的航空器上。
為了顯著地提高兩沖程發(fā)動機的操作性能，并允許不確定的持續(xù)盤旋飛行，已經在發(fā)動機頭部和排氣歧管/調節(jié)管(tuned pipe)中引入了冷卻系統(tǒng)。水、乙二醇或類似冷卻液體通過連接到泵上的冷卻管道循環(huán)流過這些部件，泵可以由發(fā)動機驅動軸直接驅動，或由電動機遠程操作?！盁帷钡睦鋮s劑然后在由管道式風扇罩和空氣傳送導管形成的熱交換器周圍再次循環(huán)，這些導管是由鋁、碳纖維合成物或類似材料制造，具有良好的熱傳導性能。強制通過管道內側的高速氣流的作用提供冷卻，從冷卻液體中吸取需要的熱量。熱交換器的另一個優(yōu)點是，當氣體穿過后部空氣傳送導管時，作為熱傳遞的結果氣體發(fā)生膨脹，因此噴射管出口的推力將會小幅度地增強。在飛行過程中，該熱交換器的外表面將暴露在氣流入口后面緊接著的進入氣流的受強制空氣中，這種作用進一步增強了可獲得的冷卻效果。
權利要求
1.一種管道式氣流動力設備，包括位于管道中的由電動機驅動的風扇，所述風扇具有進氣口側，并且在操作時在管道中提供高壓氣流，而且風扇靠近氣流分流裝置設置，配置所述氣流分流裝置以便將氣流轉變?yōu)閮蓚€或更多副氣流，以傳送到設備的各個氣流噴射管中。
2.如權利要求1所述的動力設備，其中所述氣流分流裝置是一個氣流分流板，其被設置以提供四個副氣流。
3.如權利要求1或2所述的動力設備，其中所述氣流分流裝置通過空氣傳送導管被連接到噴射管。
4.如權利要求1至3中任何一項所述的動力設備，其中所述風扇具有一個轉子，該轉子靠近一個風扇定子葉片單元設置，該風扇定子葉片單元被設置用來減小離開風扇的氣流中出現(xiàn)的漩渦。
5.如權利要求1至4中任何一項所述的動力設備，其中所述氣流分流板設置有氣流控制葉片，該氣流控制葉片能夠被移動以調節(jié)流向單個氣流噴射管的氣流。
6.如權利要求5所述的動力設備，其中所述氣流控制葉片安裝成圍繞一個軸旋轉，該軸與所述氣流分流板的一個對角線一致，使得葉片的運動對于通過板的開口的氣流產生最小的阻礙。
7.一種移動平臺交通工具，包括權利要求1至6中任何一項所述的動力設備。
8.一種航空器，包括權利要求1至6中任何一項所述的動力設備。
9.一種參考任一附圖基本如上所述的動力設備。
全文摘要
一種管道式氣流動力設備，包括位于管道(4)中的由電動機驅動的風扇(7)，該風扇(7)具有進氣口側，并且在操作時在管道中提供高壓氣流，而且風扇靠近氣流分流裝置(18)設置，配置所述氣流分流裝置(18)以便將氣流轉變?yōu)閮蓚€或更多副氣流，以傳送到設備的各個氣流噴射管(9)中。該設備可以在如航空器的交通工具中使用，以提供垂直起飛和盤旋能力，以及用作水平飛行動力源。
文檔編號B64C39/02GK1662419SQ03815022
公開日2005年8月31日 申請日期2003年6月27日 優(yōu)先權日2002年6月28日
發(fā)明者A·C·布賴恩特 申請人:Vtol技術有限公司