CN104787315B - 涵道动力装置及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涵道动力装置及飞行器，该涵道动力装置包括第一涵道，第一涵道内设有第一旋翼装置，第一旋翼装置与第一涵道共轴线设置，且第一旋翼装置由第一动力装置驱动并绕第一涵道的轴线旋转，其中，第一涵道外设置有第二涵道，第二涵道与第一涵道共轴线设置，且第二涵道内设有由第二动力装置驱动的第二旋翼装置，第二旋翼装置位于第一涵道与第二涵道之间，且第二旋翼装置与第二涵道共轴线设置。该飞行器包括机架以及安装在机架上的涵道动力装置。本发明的涵道动力装置可以减小流体的相互扰动，从而降低涵道动力装置的能量损耗。

Description

涵道动力装置及飞行器

技术领域

本发明涉及动力提供设备领域，具体地说，是涉及一种涵道动力装置以及使用这种涵道动力装置的飞行器。

背景技术

无人驾驶飞行器在航空拍摄、空中运输等领域有广泛的应用，现有的无人驾驶飞行器大多为固定翼飞行器或者多轴飞行器，固定翼飞行器上设置一个或多个机翼，并且在机翼上设置螺旋桨，通过电机带动螺旋桨旋转产生的气流推动飞行器飞行。

多轴飞行器是一种具有两个或更多旋翼轴的旋翼飞行器，如图1所示，现有的一种多轴飞行器具有四根旋翼轴，并且飞行器具有一个机架10，机架10上设置有电源、控制电路等，并且机架10上设有四根支轴12，四根支轴12在机架10的周向上均匀布置，即相邻的两根支轴12之间的夹角均为90°。

在每一根支轴12的末端设置有一对上下布置的旋翼，在机架10轴线的方向上，上旋翼13位于下旋翼14的上方，并且上旋翼13由电机15带动旋转，下旋翼14由电机16带动旋转。并且，上旋翼13与下旋翼14共轴设置，因此，电机15的转轴与电机16的转轴是共轴线的。此外，电机15与电机16均固定在支架12的末端，且电机15位于支架12的上方，而电机16位于支架12的下方。通常，飞行器的四根支架12上的上旋翼13、下旋翼14的转轴相互平行，并且平行于机架10的轴线。

通常，上旋翼13的转动方向与下旋翼14的转动方向是相反的，并且上旋翼13的直径与下旋翼14的直径相等，从而提升旋翼转动时所产生的拉力，由此实现飞行器的垂直升降运动、前后运动、侧向运动、俯仰运动、横滚运动以及偏航运动。

上旋翼13以及下旋翼14通常均具有两片以上的桨叶，每一片桨叶由靠近转轴的桨根、远离转轴的桨尾以及位于桨根和桨尾之间的桨腹构成。旋翼旋转时，桨叶的桨腹部分对空气作用最大，桨腹部位的下洗气流速度最大。若上旋翼13转速高于下旋翼14转速，上旋翼13产生的高速气流打在下旋翼14的桨叶上，形成较大的能量损失。若上旋翼13转速低于下旋翼14的转速，上旋翼13则阻碍下旋翼14的气流吸入，气动效率较低。即便上旋翼13的转速与下旋翼14的转速相同，当上下桨叶相互靠近时，上下桨叶间产生的空气摩擦较为严重，气动率效率仍然较低。

此外，现有的一些飞行器采用涵道动力装置来驱动飞行器的飞行，如公告号为CN102114914B的中国发明专利公开了一种多旋翼垂直起降的飞行器，该飞行器的机架上设置有升力动力单元和推力动力单元，每一个升力动力单元和推力动力单元均为一个涵道动力装置，涵道动力装置具有可以固定在机架上的涵道，涵道通常为两端敞口的圆筒状，并且在涵道内设置有旋翼以及驱动旋翼旋转的动力装置，如电机等，通过电机驱动旋翼在涵道内旋转。

这样，旋翼在涵道内旋转时，产生的气流在涵道内流动，从而对涵道产生较大的动力，进而推动飞行器上升或者偏航。由于现有的飞行器的涵道内通常只设置一组旋翼，旋翼旋转是产生的扭矩较大，不利于飞行器的控制。如在涵道内设置两组在涵道轴线上相互重叠的旋翼，则造成气动率效率较低的问题。

此外，现有的部分小型船舶也安装有涵道动力系统，用于向船舶提供动力以推动船舶前行或者改变船舶的行驶方向。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种气动效率较高的涵道动力装置。

本发明的另一目的是提供一种可提高涵道动力装置气动效率的飞行器。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的涵道动力装置包括第一涵道，第一涵道内设有第一旋翼装置，第一旋翼装置与第一涵道共轴线设置，且第一旋翼装置由第一动力装置驱动并绕第一涵道的轴线旋转，其中，第一涵道外设置有第二涵道，第二涵道与第一涵道共轴线设置，且第二涵道内设有由第二动力装置驱动的第二旋翼装置，第二旋翼装置位于第一涵道与第二涵道之间，且第二旋翼装置与第二涵道共轴线设置。

由上述方案可见，第一旋翼装置与第二旋翼装置之间被第一涵道隔离，飞行器飞行期间，第一旋翼装置与第二旋翼装置反向旋转时，第一旋翼装置产生的下洗气流与第二旋翼装置产生的下洗气流不重叠，有效削弱扰流，减少气体摩擦，从而使得涵道动力装置的能量损失极小，提高飞行器飞行的平稳性。

一个优选的方案是，第二涵道内设有安装环，第一涵道安装在安装环内，且第二旋翼装置套装在第一涵道的外侧。

由此可见，将第一涵道安装在第二涵道的安装环内可以有效地实现第一涵道与第二涵道的固定，确保第一涵道不会相对于第二涵道发生位移，并且能够确保第一涵道与第二涵道的共轴线设置。

进一步的方案是，第一涵道的中部设有安装孔，第一动力装置固定在安装孔内。

可见，第一动力装置可以固定在第一涵道的中部，并且可以确保第一动力装置的轴线与第一涵道的轴线重叠，由此确保第一旋翼装置绕第一涵道的轴线旋转。

更进一步的方案是，第二动力装置安装在安装孔内，且第二动力装置与第一动力装置共轴线设置，第一动力装置的转轴为空心轴，第二动力装置的转轴穿过空心轴。

由此可见，将第一动力装置与第二动力装置均安装在安装孔内，可以节省两个动力装置安装的位置，并且可以确保第一旋翼装置与第二旋翼装置的共轴线布置，避免两个旋翼装置旋转后产生的气流相互影响。

更进一步的方案是，在第一涵道轴线方向上，第一旋翼装置位于距离第一涵道入口的三分之一的位置处，在第二涵道轴线方向上，第二旋翼装置位于距离第一涵道入口的三分之一的位置处。

将旋翼装置设置在对应涵道入口的三分之一的位置处，可以提升涵道动力装置的拉力，有利于涵道动力装置向飞行器提供更大的动力。

更进一步的方案是，在第二涵道轴线方向上，第二旋翼装置与第二涵道的入口之间的距离小于第一旋翼装置与第二涵道的入口之间的距离。

由此可见，在第二涵道内，第二旋翼装置比第一旋翼装置更加靠近第二涵道的入口，可以提升涵道动力装置的附加拉力。

为实现上述的另一目的，本发明提供的飞行器包括机架以及固定在机架上的涵道动力装置，涵道动力装置具有第一涵道，第一涵道内设有第一动力装置以及第一旋翼装置，第一旋翼装置与第一涵道共轴线设置，且第一旋翼装置由第一动力装置驱动并绕第一涵道的轴线旋转，其中，第一涵道外设置有第二涵道，第二涵道与第一涵道共轴线设置，且第二涵道内设有第二动力装置以及由第二动力装置驱动的第二旋翼装置，第二旋翼装置位于第一涵道与第二涵道之间，且第二旋翼装置与第二涵道共轴线设置。

由上述方案可见，飞行器的涵道动力装置设置有第一涵道以及第二涵道，且第一旋翼装置与第二旋翼装置之间通过第一涵道隔离，第一旋翼装置与第二旋翼装置所产生的气流不会相互干扰，从而削弱扰流，减少气体摩擦，减少了涵道动力装置的能量损失，提高飞行器飞行的平稳性。

附图说明

图1是现有一种飞行器的结构图。

图2是本发明涵道动力装置第一实施例的结构图。

图3是本发明涵道动力装置第一实施例另一视角的结构图。

图4是本发明涵道动力装置第一实施例的结构分解图。

图5是本发明涵道动力装置第一实施例中第一涵道与第二涵道的结构分解图。

图6是本发明涵道动力装置第一实施例中第一涵道与第二涵道的结构图。

图7是本发明涵道动力装置第一实施例中第一动力装置与第二动力装置、第一涵道的结构分解图。

图8是本发明涵道动力装置第一实施例中隐藏第二涵道的结构图。

图9是本发明涵道动力装置第二实施例的结构图。

图10是本发明涵道动力装置第二实施例的结构分解图。

图11是本发明涵道动力装置第二实施例的局部结构放大图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的涵道动力装置可以安装在飞行器上，如多轴飞行器或者固定翼飞行器上。如飞行器为多轴飞行器，则飞行器具有机架，在机架上设置一个或多个涵道动力装置，由涵道动力装置向机架提供动力推动飞行器飞行。如飞行器为固定翼飞行器，则飞行器的机架包括机身以及固定在机身两侧的机翼，涵道动力装置可以固定在机身或者机翼上，用于向机架提供上升或者偏航的动力。

此外，涵道动力装置也可以安装在小型船舶上，用于实现船舶的偏航，或者为船舶提供前行的动力，下面以安装在飞行器上的涵道动力装置为例进行描述。

第一实施例：

参见图2与图3，本实施例的涵道动力装置具有两个涵道，分别是第一涵道25以及第二涵道20，第一涵道25与第二涵道20均为圆筒状体，且两端敞口，从如2可见，第一涵道25的直径小于第二涵道20的直径，并且第一涵道25安装在第二涵道20内。

参见图4，第一涵道25具有一个圆筒状的外壳26，在外壳26内设置有圆筒状的安装孔27，外壳26以及安装孔27均两端敞口，并且安装孔27的轴线与外壳26的轴线重叠。在外壳26与安装孔27之间通过四块连接板28连接，四块连接板28在第一涵道25的周向上均匀布置。本实施例中，安装孔27的轴向长度小于外壳26的轴向长度，并且安装孔27完全位于外壳26内。

第二涵道20位于第一涵道25的外侧，且第二涵道20设置有圆筒状的外壳21，外壳21两端敞口。在外壳21内设有圆筒状的安装环22，安装环22也是两端敞口，并且安装环22的直径小于外壳21的直径。此外，安装环22的轴向长度小于外壳21的轴向长度，且安装环22完全位于外壳21内。优选地，安装环22与外壳21共轴线设置。并且，安装环22与外壳21之间通过四块连接板23连接，每一块连接板23的两端分别固定在外壳21的内壁以及安装环22的外壁，且四块连接板23在第二涵道20的周向上均匀布置。

第一涵道25安装在第二涵道20的安装环22内，如图5与图6所示，第一涵道25的外径与安装环22的内径相等或者略小于安装环22的内径，以便于第一涵道25固定在安装环22内。优选地，在第一涵道25的轴线上，第一涵道25的轴向长度大于安装环22的轴向长度。

本实施例中，第一涵道25与第二涵道20共轴线设置，因此，在第二涵道的径向上，安装环22位于第二涵道20的正中央，且第一涵道25也是位于第二涵道20的正中央。

在第一涵道25内安装有第一旋翼装置37，第一旋翼装置37具有三片桨叶38，三片桨叶38在第一旋翼装置37的周向上均匀布置。在第一涵道25内安装有作为第一动力装置的电机45，电机45的中部设有转轴46，转轴46为空心轴，其中部设有圆形的通孔。本实施例中，第一旋翼装置37安装在电机45的一端，并且由转轴46带动旋转。

当然，作为第一动力装置的电机还可以安装在第一涵道的外侧，电机通过链传动、齿轮传动、带传动等方式驱动第一旋翼装置旋转。

第二涵道20内安装有第二旋翼装置30，第二旋翼装置30具有一个圆形的壳体31，壳体31外壁设有五片桨叶32，五片桨叶32在壳体31的周向上均匀布置。此外，桨叶32的倾斜方向与第一旋翼装置37的桨叶38的倾斜方向相反。壳体31内设置有安装柱33，安装柱33与壳体31之间设置有五根支撑杆34，每一根支撑杆的两端分别固定在壳体31以及安装柱33之间。

第二旋翼装置30由作为第二动力装置的电机43带动旋转，电机45具有转轴44，安装柱33固定在转轴44的自由端，从而实现转轴44带动第二旋翼装置30旋转。当然，作为第二动力装置的电机还可以安装在第二涵道的外侧，电机通过链传动、齿轮传动、带传动等方式驱动第二旋翼装置旋转。

本实施例中，电机45以及电机43均安装在安装孔27内，如图7所示，在第一涵道25的轴线上，电机43与电机45共轴线布置，优选地，电机43的轴线与电机45的轴线均在第一涵道25的轴线上，因此在第一涵道25端面的投影方向上，电机43与电机45重叠。

在电机45内设有沿电机45轴线延伸并且贯穿电机45以及转轴46的通孔47，电机43的转轴44可以穿过通孔47以及为空心轴的转轴46，并延伸至转轴46的上方，第二旋翼装置30可以固定在转轴46上。此外，第一旋翼装置37的中部也设有沿第一旋翼装置37轴线延伸且贯穿第一旋翼装置37的通孔39，转轴44可以穿过转轴39并延伸至转轴39的上端。

由于电机43与电机45的轴线与第一涵道25的轴线重叠，因此第一旋翼装置37、第二旋翼装置30的轴线也与第一涵道25的轴线重叠，由此，第一涵道25、第二涵道20、第一旋翼装置37、第二旋翼装置30、第一动力装置以及第二动力装置的轴线均重叠。

第一旋翼装置37位于第一涵道25内，第二旋翼装置30位于第一旋翼装置25与第二涵道20之间，优选地，第二旋翼30套装在第一涵道25的端部的外侧，如图8所示，且第二旋翼30装置的内径略大于第一涵道25的外径，以避免第二旋翼装置30旋转时与第一涵道25发生摩擦而影响第二旋翼装置30的旋转。

当然，本发明不限于两个电机使用空心轴与实心轴的配合，还可以是两个电机分别为第一旋翼装置以及第二旋翼装置提供动力，且每一个电机与一个旋翼装置组成一个动力的单元，两个动力单元在涵道内上下布置。

由于第二旋翼装置30位于第一涵道25的外侧，即第一旋翼装置37与第二旋翼装置30之间通过第一涵道25隔离，这样第二旋翼装置30旋转时产生的下洗气流不会对第一旋翼装置37造成影响，而第一旋翼装置37旋转时产生的下洗气流也不会对第二旋翼装置30造成影响，从而减小飞行器飞行时的气体摩擦，使涵道动力装置的能量损失极小，进而提高飞行器飞行的平稳性，并节省飞行器使用的电能。

优选地，在第一涵道25的轴线方向上，第一旋翼装置37位于距离第一涵道25入口处三分之一的位置，并且，在第二涵道20的轴线方向上，第二旋翼装置30位于距离第二涵道20入口处三分之一的位置，这样可以提高涵道动力装置所产生的附加拉力。

当然，在第一涵道25的轴线方向上，第一旋翼装置37位于距离第一涵道25出口处三分之一的位置，在第二涵道20的轴线方向上，第二旋翼装置30位于距离第二涵道20出口处三分之一的位置。或者，在第一涵道25的轴线方向上，第一旋翼装置37位于距离第一涵道25入口处三分之一的位置，而在第二涵道20的轴线方向上，第二旋翼装置30位于距离第二涵道20出口处三分之一的位置。或者，在第一涵道25的轴线方向上，第一旋翼装置37位于距离第一涵道25出口处三分之一的位置，而在第二涵道20的轴线方向上，第二旋翼装置30位于距离第二涵道20入口处三分之一的位置。

此外，在第二涵道20的轴线方向上，第二旋翼装置30与第二涵道20入口之间的距离小于第一旋翼装置37与第二涵道20入口之间的距离，这样可以提高第二涵道20的附加拉力。当然，也可以设计成第一旋翼装置37与第二涵道20入口之间的距离小于第二旋翼装置30与第二涵道20入口之间的距离，这样可以提高第一涵道25的附加拉力。或者，第二旋翼装置30与第二涵道20入口之间的距离等于第一旋翼装置37与第二涵道20入口之间的距离，这样可以减小气流扰动与摩擦，进一步提高飞行器飞行的稳定性。

并且，第一旋翼装置37的直径小于第二旋翼装置30的直径，优选地，第一旋翼装置37的直径是第二旋翼装置30直径的0.4倍至0.6倍，优选地，第一旋翼装置37的直径是第二旋翼装置30直径的0.5倍，这样可以平衡第一涵道25与第二涵道20吸入气流的比例，有利于第一涵道25与第二涵道20的均匀散热，延长电机43与电机45的使用寿命。

此外，本实施例中，第一旋翼装置37的桨叶38数量小于第二旋翼装置30的桨叶32的数量，这样的设计可以减小驱动第一旋翼装置37旋转的功率，延长电机45的使用寿命。

当然，本实施例的涵道动力装置具有两个涵道，实际应用时可以设置更多层的涵道，且每一个涵道内设置一个旋翼动力装置，并且每一个旋翼动力装置位于相邻的两层涵道之间，从而实现多层涵道之间的气流隔离。

第二实施例：

参见图9，本实施例的涵道动力装置具有两个涵道，分别是内径较小的第一涵道以及位于第一涵道外侧的第二涵道60，本实施例中，第一涵道由两部分组成，分别是安装在第二涵道60内的涵道50以及固定在第二涵道60内的涵道62。

参见图10，第二涵道60内设有安装环61，安装环61通过多块连接板固定在第二涵道60的内壁上。在安装环61上设置有涵道62，涵道62通过多块连接板63固定在第二涵道60的内壁上，且涵道62与第二涵道60共轴线设置。涵道50安装在安装环61内，并且涵道50的内径小于第二涵道60的内径，且涵道50与第二涵道60共轴线设置。涵道50的上端与涵道62的下端邻接，从而构成本实施例的第一涵道。因此，本实施例的第一涵道与第二涵道60共轴线设置。

涵道50内设有一个安装孔51，安装孔51通过多块连接板52固定在涵道50的内壁上。在涵道50内安装有第一旋翼装置56，并且第一旋翼装置56由作为第一动力装置的电机54驱动旋转。优选地，第一旋翼装置56的轴线与涵道50的轴线重叠。

在第一涵道与第二涵道60之间设置有第二旋翼装置57，因此第二旋翼装置57设置在第二涵道60内，优选地，第二旋翼装置57与第二涵道60共轴线设置。第二旋翼装置57由作为第二动力装置的电机55带动旋转。

本实施例中，电机54以及电机55均安装在安装孔51内，且电机54的转轴为空心轴，电机55的转轴可以穿过电机54以及其空心轴，并向上穿过第一旋翼装置56带动第二旋翼装置57旋转。

参见图11，在第二涵道60的方向上，涵道62的入口位于第二涵道60的外侧，也就是第一涵道的入口位于第二涵道60的外侧，这样第一涵道的入口高于第二涵道的入口，也就是在第一涵道的轴线上，沿气流的流动方向，第一涵道的入口位于第二涵道60入口的上游，这样有利于气流进入第一涵道。另外，涵道62的入口处为上大下小的喇叭状，以提高气流穿过第一涵道的速度。另外，第二涵道60的入口也是上大下小的喇叭状，以提高气流穿过第二涵道60的速度。

由于本发明的涵道动力装置设置的两个旋翼装置之间通过第一涵道隔离，在第一旋翼装置与第二旋翼装置以相反方向旋转时，第一旋翼装置产生的下洗气流与第二旋翼装置产生的下洗气流不会造成相互干扰，减小气体摩擦，从而降低涵道动力装置的能量损失。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，如两个旋翼装置的桨叶数量与形状、倾斜方向的改变、第一旋翼装置在第一涵道内的位置的改变等变化也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。此外，本发明的涵道动力装置不限于使用在飞行器上，还可以使用在由气流驱动的船或车上，如气垫船和气动滑行车。

Claims (8)

1.涵道动力装置，包括

第一涵道，所述第一涵道内设有第一旋翼装置，所述第一旋翼装置与所述第一涵道共轴线设置，且所述第一旋翼装置由第一动力装置驱动并绕所述第一涵道的轴线旋转；

其特性在于：

所述第一涵道外设置有第二涵道，所述第二涵道与所述第一涵道共轴线设置，且所述第二涵道内设有由第二动力装置驱动的第二旋翼装置，所述第二旋翼装置位于所述第一涵道与所述第二涵道之间，且所述第二旋翼装置与所述第二涵道共轴线设置；

所述第一旋翼装置与所述第二旋翼装置可反向旋转；

所述第二涵道内设有安装环，所述第一涵道安装在所述安装环内，且所述第二旋翼装置套装在所述第一涵道的外侧。

2.根据权利要求1所述的涵道动力装置，其特征在于：

所述第一涵道的中部设有安装孔，所述第一动力装置固定在所述安装孔内。

3.根据权利要求2所述的涵道动力装置，其特征在于：

所述第二动力装置安装在所述安装孔内，且所述第二动力装置与所述第一动力装置共轴线设置；

所述第一动力装置的转轴为空心轴，所述第二动力装置的转轴穿过所述空心轴。

4.根据权利要求1至3任一项所述的涵道动力装置，其特征在于：

在所述第一涵道轴线方向上，所述第一旋翼装置位于距离所述第一涵道入口的三分之一的位置处；

在所述第二涵道轴线方向上，所述第二旋翼装置位于距离所述第二涵道入口的三分之一的位置处。

5.根据权利要求1至3任一项所述的涵道动力装置，其特征在于：

在所述第一涵道的轴线方向上，所述第一涵道的入口位于所述第二涵道的入口外侧。

6.根据权利要求1至3任一项所述的涵道动力装置，其特征在于：

在所述第一涵道的轴线上，沿气流的流动方向，所述第一涵道的入口位于所述第二涵道入口的上游。

7.根据权利要求1至3任一项所述的涵道动力装置，其特征在于：

所述第一旋翼装置的直径为所述第二旋翼装置的直径的0.4倍至0.6倍之间。

8.飞行器，包括，

机架以及固定在所述机架上的涵道动力装置，所述涵道动力装置具有第一涵道，所述第一涵道内设有第一动力装置以及第一旋翼装置，所述第一旋翼装置与所述第一涵道共轴线设置，且所述第一旋翼装置由所述第一动力装置驱动并绕所述第一涵道的轴线旋转；

其特性在于：

所述第一涵道外设置有第二涵道，所述第二涵道与所述第一涵道共轴线设置，且所述第二涵道内设有第二动力装置以及由所述第二动力装置驱动的第二旋翼装置，所述第二旋翼装置位于所述第一涵道与所述第二涵道之间，且所述第二旋翼装置与所述第二涵道共轴线设置；

所述第一旋翼装置与所述第二旋翼装置可反向旋转；

所述第二涵道的中部设有安装环，所述第一涵道安装在所述安装环内，且所述第二旋翼装置套装在所述第一涵道的端部外侧。