外轉子發動機及無人機的製作方法
2023-07-01 02:29:51
本發明涉及航空飛行器發動機技術領域，特別地，涉及一種外轉子發動機。此外，本發明還涉及一種包括上述外轉子發動機的無人機。
背景技術：
最早實用的轉缸發動機是格羅姆發動機，由Seguin兄弟設計，1909年首飛。它相對可靠，功重比較高，大大的促進了航空。一戰前的大多數速度紀錄的獲得者是使用格羅姆發動機的飛機。轉缸發動機的缸沿機匣圓周排列，就像星型發動機，但是曲軸固定在機身上，而是曲軸箱和氣缸旋轉。這種布局的優勢是可獲得滿意的冷卻氣流，甚至在低空速時也有冷卻氣流。保留了重量優勢和空冷機的簡便性，為了加大功力，製造了雙排轉缸發動機。然而，轉缸發動機使用不回收滑油系統，滑油混在燃料內，和燃氣一起從排氣口噴出。
汪克爾1954年發明的三角轉子發動機元祖——第一臺自轉活塞式三角轉子發動機DKM54也是旋轉氣缸發動機，但旋轉氣缸仍被密封在外殼內不利於散熱；而且存在氣缸熱負荷大，偏心軸平衡難度大，使用壽命短的問題。
技術實現要素：
本發明提供了一種外轉子發動機及無人機，以解決現有轉子機氣缸熱負荷大，使用壽命短，偏心軸平衡難度的技術問題。
根據本發明的一個方面，提供一種外轉子發動機，包括固定於發動機基座上並用於作為外轉子發動機的內支架的固定偏心軸以及套設於固定偏心軸外並用於轉動做功的外轉子機構，固定偏心軸通過軸承支承外轉子機構，外轉子機構包括五角內轉子以及外機匣轉子；五角內轉子內表面的內齒圈嚙合於外機匣轉子的缸蓋中部的外齒輪上，內齒圈與外齒輪之間的位置之差為齒輪中心距，齒輪中心距由固定偏心軸的偏心距保證；五角內轉子偏心設於外機匣轉子的型腔中，五角內轉子在外機匣轉子的型腔中作展成運動；外機匣轉子旋轉帶動五角內轉子旋轉，五角內轉子和外機匣轉子的轉動方向相同，且處於同一根固定偏心軸上。
進一步地，外機匣轉子與五角內轉子的轉速比為5：4，五角內轉子與外機匣轉子的型腔配合形成五個隔離的變化容積腔，變化容積腔各自依序進行四衝程工作循環。
進一步地，固定偏心軸通過花鍵機械連接在發動機基座的安裝節上；固定偏心軸內具有用於引入可燃混合氣和/或潤滑油的中空氣道。
進一步地，外機匣轉子為旋轉對稱結構，外機匣轉子包括氣缸、封蓋於氣缸前端的前預熱室蓋以及封蓋於氣缸後端的後預熱室蓋；五角內轉子內表面的內齒嚙合於後預熱室蓋的中部的偏心外齒上；氣缸兩側對稱安裝有熱火塞，熱火塞的鉑條溫度處於350℃-450℃，以將外機匣轉子型腔內的可燃混合氣的點燃或壓燃；五角內轉子上開設有引火槽和配氣槽；外機匣轉子連接主動齒輪、螺旋槳、風扇、外轉子無刷電動機殼體中的至少一個。
進一步地，氣缸上均布有多支溫度傳感器，以感應氣缸缸壁溫度、可燃混合氣溫度和燃氣溫度，供外轉子發動機的電子控制系統選擇點火策略和/或控制可燃混合氣濃度。
進一步地，前預熱室蓋和/或後預熱室蓋上具有預熱室腔體、進氣口、徑向排氣口、散熱片、軸承座孔中的至少一個。
進一步地，外轉子發動機的兩端面設有進氣口和徑向排氣口，且外轉子發動機的兩端面的進氣口和徑向排氣孔時序排布，以提高外機匣轉子內腔中的充氣係數和提高可燃混合氣的利用率；外轉子發動機的尾端封蓋有尾罩。
進一步地，五角內轉子處於進氣口和徑向排氣口上；五角內轉子旋轉的同時，通過五角內轉子邊緣控制進氣口的開啟相位，通過五角內轉子頂點控制徑向排氣口的開啟相位，以使外轉子發動機的配氣系統簡單可靠。
進一步地，固定偏心軸懸臂支承外機匣轉子和五角內轉子；固定偏心軸的一端具有吸入可燃混合氣的吸入口，採用電噴產生多燃料可燃混合氣；固定偏心軸上處於固定偏心軸與外機匣轉子之間的部位固接有定子鐵芯以及纏繞於定子鐵芯上的三相繞組，固定偏心軸上設有高壓接線端子。
根據本發明的另一方面，還提供了一種無人機，其包括上述外轉子發動機。
本發明具有以下有益效果：
本發明外轉子發動機，結合自轉缸發動機和五角轉子發動機結構特點，把轉缸發動機的外殼旋轉的設計理念貫徹到五角轉子發動機中，這種布局的優勢是可獲得滿意的冷卻氣流，甚至在低空速時也有冷卻氣流，並且不需平衡配重，具有散熱優勢，其功重比高、扭矩大、結構簡單。五角內轉子201處於外機匣轉子202的型腔內，五角內轉子201的內外表面均與外機匣轉子202的型腔內壁面接觸，以使五角內轉子201在外機匣轉子202內作穩定的展成運動，平衡性優越，外殼轉速高，做功頻次高，旋轉一圈做兩次功，功重比可高達2kw/kg～4kw/kg。外機匣轉子和五角內轉子這些高溫部件與內外氣流熱交換充分，對流散熱係數和轉速呈遞增函數關係，使溫度場周向比較均勻，很少發生過熱影響性能或發生故障，可靠性高。運動機構簡單，只有兩個定軸轉動組件，沒有擺動連杆、公轉轉子、直線運動活塞和中介軸承，基本結構簡單，容易批量生產。
除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。
附圖說明
構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：
圖1是本發明優選實施例的外轉子發動機的結構示意圖之一；
圖2是本發明優選實施例的外轉子發動機的結構示意圖之二；
圖3是本發明優選實施例的外轉子發動機的結構示意圖之三。
圖例說明：
1、固定偏心軸；101、中空氣道；2、外轉子機構；201、五角內轉子；202、外機匣轉子；2021、氣缸；2022、前預熱室蓋；2023、後預熱室蓋；3、變化容積腔；4、熱火塞；5、引火槽；6、配氣槽；7、螺旋槳；8、進氣口；9、徑向排氣口；10、定子鐵芯；11、三相繞組；12、高壓接線端子；13、尾罩。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由下述所限定和覆蓋的多種不同方式實施。
圖1是本發明優選實施例的外轉子發動機的結構示意圖之一；圖2是本發明優選實施例的外轉子發動機的結構示意圖之二；圖3是本發明優選實施例的外轉子發動機的結構示意圖之三。
如圖1所示，本實施例的外轉子發動機，包括固定於發動機基座上並用於作為外轉子發動機的內支架的固定偏心軸1以及套設於固定偏心軸1外並用於轉動做功的外轉子機構2，固定偏心軸1通過軸承支承外轉子機構2，外轉子機構2包括五角內轉子201以及外機匣轉子202；五角內轉子201內表面的內齒圈嚙合於外機匣轉子202的缸蓋中部的外齒輪上，內齒圈與外齒輪之間的位置之差為齒輪中心距，齒輪中心距由固定偏心軸1的偏心距保證；五角內轉子201偏心設於外機匣轉子202的型腔中，五角內轉子201在外機匣轉子202的型腔中作展成運動；外機匣轉子202旋轉帶動五角內轉子201旋轉，五角內轉子201和外機匣轉子202的轉動方向相同，且處於同一根固定偏心軸1上。外轉子發動機實際的運轉模式，偏心軸在飛機座標系中靜止；兩種運轉模式的相對運動是相同的。本發明外轉子發動機，結合自轉缸發動機和五角轉子發動機結構特點，把轉缸發動機的外殼旋轉的設計理念貫徹到五角轉子發動機中，這種布局的優勢是可獲得滿意的冷卻氣流，甚至在低空速時也有冷卻氣流，並且不需平衡配重，具有散熱優勢，其功重比高、扭矩大、結構簡單。五角內轉子201處於外機匣轉子202的型腔內，五角內轉子201的內外表面均與外機匣轉子202的型腔內壁面接觸，以使五角內轉子201在外機匣轉子202內作穩定的展成運動，平衡性優越，外殼轉速高，做功頻次高，旋轉一圈做兩次功，功重比可高達2kw/kg～4kw/kg。外機匣轉子202和五角內轉子201這些高溫部件與內外氣流熱交換充分，對流散熱係數和轉速呈遞增函數關係，使溫度場周向比較均勻，很少發生過熱影響性能或發生故障，可靠性高。運動機構簡單，只有兩個定軸轉動組件，沒有擺動連杆、公轉轉子、直線運動活塞和中介軸承，基本結構簡單，容易批量生產。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，外機匣轉子202與五角內轉子201的轉速比為5：4。五角內轉子201與外機匣轉子202的型腔配合形成五個隔離的變化容積腔3。變化容積腔3各自依序進行四衝程工作循環。
如圖1所示，本實施例中，固定偏心軸1通過花鍵機械連接在發動機基座的安裝節上。固定偏心軸1內具有用於引入可燃混合氣和/或潤滑油的中空氣道101。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，外機匣轉子202為旋轉對稱結構，外機匣轉子202包括氣缸2021、封蓋於氣缸2021前端的前預熱室蓋2022以及封蓋於氣缸2021後端的後預熱室蓋2023。五角內轉子201內表面的內齒嚙合於後預熱室蓋2023的中部的偏心外齒上。氣缸2021兩側對稱安裝有熱火塞4。熱火塞4的鉑條溫度處於350℃-450℃。以將外機匣轉子202型腔內的可燃混合氣的點燃或壓燃。五角內轉子201上開設有引火槽5和配氣槽6。外機匣轉子202連接主動齒輪、螺旋槳7、風扇、外轉子無刷電動機殼體中的至少一個。
本實施例中，氣缸2021上均布有多支溫度傳感器，以感應氣缸2021缸壁溫度、可燃混合氣溫度和燃氣溫度，供外轉子發動機的電子控制系統選擇點火策略和/或控制可燃混合氣濃度。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，前預熱室蓋2022和/或後預熱室蓋2023上具有預熱室腔體、進氣口8、徑向排氣口9、散熱片、軸承座孔中的至少一個。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，外轉子發動機的兩端面設有進氣口8和徑向排氣口9，且外轉子發動機的兩端面的進氣口8和徑向排氣孔時序排布，以提高外機匣轉子202內腔中的充氣係數和提高可燃混合氣的利用率。外轉子發動機的尾端封蓋有尾罩13。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，五角內轉子201處於進氣口8和徑向排氣口9上。五角內轉子201旋轉的同時，通過五角內轉子201邊緣控制進氣口8的開啟相位，通過五角內轉子201頂點控制徑向排氣口9的開啟相位，以使外轉子發動機的配氣系統簡單可靠。
如圖1、圖2和圖3所示，本實施例中，固定偏心軸1懸臂支承外機匣轉子202和五角內轉子201。固定偏心軸1的一端具有吸入可燃混合氣的吸入口。採用電噴產生多燃料可燃混合氣。固定偏心軸1上處於固定偏心軸1與外機匣轉子202之間的部位固接有定子鐵芯10以及纏繞於定子鐵芯10上的三相繞組11。固定偏心軸1上設有高壓接線端子12。
本實施例的無人機，包括上述外轉子發動機。
實施時，提供一種外機匣整體旋轉的五角轉子發動機。該內燃發動機的氣缸2021和其前後缸蓋組件(前預熱室蓋2022和後預熱室蓋2023)可帶著螺旋槳繞定軸高速旋轉而產生推力，氣缸2021內的五角內轉子201也繞固定偏心軸1的軸頸定軸高速旋轉，兩個轉子的旋轉方向相同，轉速比為5：4。五角內轉子201和氣缸2021型腔配合形成五個隔離的變化容積腔3，變化容積腔3各自依序進行四衝程工作循環。兩個轉子都在同一根固定偏心軸1上旋轉。固定偏心軸1與整機安裝節用花鍵機械連接，軸內有中空氣道101，引入可燃混合氣和潤滑油。將對多種混合燃料進行試驗，進行點燃和壓燃工作模式的控制，在氣缸上對稱安裝兩個火花塞，可將汽油或乙醇空氣混合氣點燃，進行起動預熱。在氣缸2021上同樣對稱安裝了兩個熱火塞4，鉑條溫度達到400℃左右，可將煤油和乙醚空氣混合氣點燃或壓燃。氣缸2021上均布四支溫度傳感器感應缸壁、混合氣和燃氣溫度，供電子控制系統選擇點火策略和可燃混合氣濃度控制。
外轉子發動機的平衡性優越，外殼(外機匣轉子202)轉速高，做功頻次高(轉一圈做兩次功)，功重比可高達2～4kw/kg，介於三角轉子發動機和渦軸發動機之間。外轉子發動機的高溫部件(旋轉的氣缸2021和旋轉的五角內轉子201)與內外氣流熱交換充分，對流散熱係數和轉速呈遞增函數關係，使溫度場周向比較均勻，很少發生過熱影響性能或發生故障。外殼(外機匣轉子202)溫度較高(外機匣轉子202主要由鋁合金材質組成，膨脹係數較大)，內轉子(五角內轉子201)溫度較低(五角內轉子201主要由鐵基合金材質組成，膨脹係數較小)，故發動機不會由於大功率長時間運行而卡滯。外轉子發動機可靠性高。外轉子發動機的兩端面進氣口8和徑向排氣口9時序安排使充氣係數高，燃料浪廢極少。燃氣處在巨大的離心力場中燃燒速度增加，熱氣向中心聚積，火焰不易熄滅。燃氣溫度高，熱效率高，排氣流速高，能使缸體產生反衝扭矩而直接利用部分排氣能量。外轉子發動機的運動機構簡單，只有兩個定軸轉動組件，沒有擺動連杆、公轉轉子、直線運動活塞和中介軸承。基本結構簡單，容易批量生產。可以試驗燃燒多種燃料、試驗多種點火方式，解決高原低溫起動問題。外轉子發動機可以與外轉子無刷電動機同軸組合，扭矩匹配，結構緊湊，很好地解決電起動和發電及冷卻問題。利用五角內轉子201邊沿控制進氣口8的開啟相位，利用五角內轉子201頂點控制徑向排氣口9的開啟相位，使配氣系統簡單可靠，不用凸輪、搖臂、氣門、舌簧閥等零部件。
外轉子發動機，可以設計成小排量的航模外轉子發動機，氣缸最大直徑不大於130mm，減少原理驗證機的製造成本。硬鋁氣缸採用電鍍多孔鉻，外圓車出散熱片並按分區銑切斜槽，便於散熱氣流更新。鋼質五角轉子端面電鍍黃銅減摩。小排量的外轉子發動機的五角轉子和內齒輪可做成一體。採用較大的形狀係數(10～15)獲得較高的體積壓縮比(8～9)。採用滾動軸承，混合汽飛濺潤滑，簡化潤滑系統，提高機械效率和可靠性，延長使用壽命。外轉子發動機還有無刷電調、化油器、高壓發生器等附件。摺疊槳固定在磁鋼殼體上。
本發明外轉子發動機的結構特點：
(1)旋轉對稱的氣缸2021與前後缸蓋(前預熱室蓋2022和後預熱室蓋2023)組成外轉子輸出動力，故外轉子可連接主動齒輪、螺旋槳或風扇以及外轉子無刷電動機的磁鋼殼體。
(2)旋轉對稱的五角內轉子201通過一對定軸內嚙合齒輪由外轉子驅動，轉速是外轉子轉速的4/5，其自轉轉速4倍於公轉活塞式轉子發動機的轉子自轉轉速，使徑向密封條的離心力強大而較少藉助耐高溫的徑向密封彈簧。
(3)外部全風冷，總體的徑向溫度梯度是內冷外熱，散熱區呈圓環形，高溫散熱面積佔比大。內部混合氣冷卻發動機的內腔，混合氣被預熱。前後缸蓋上銑出預熱室和進氣口、散熱片、軸承座孔。
(4)空心的固定偏心軸1是整個發動機的內支架，與發動機的安裝座組合，懸臂支承發動機。
(5)可燃混合氣從空心的固定偏心軸1的一端吸入，可以採用電噴產生多燃料可燃混合氣。
(6)通過傳動箱將兩臺或多臺外轉子發動機組合成多缸機，空心的固定偏心軸1兩端固定支承，並使總功率倍增。
用作無人機的動力裝置，可以燃燒多種燃料，可靠性高。外轉子發動機是全風冷發動機，缸溫高但不易發生拉缸、燒瓦、抱軸、卡死等故障，當噴汽油點燃起動預熱後，汽油會發生早燃爆振時，可切換到噴柴油乙醚，轉為壓燃工作模式。可實現航空柴油機的小型化、高速化，使小型無人機的航程和留空時間成倍增長。也可以做到中等功率水平。由於進氣預熱會減少發動機的新鮮充量，但外轉子發動機的做功頻次高，提高轉速的潛力大。在巨大的離心力場中積碳、磨損金屬屑等會被甩向氣缸壁，刮到排氣口而排出機外，因此外轉子發動機是具有良好自淨能力的發動機。外轉子發動機的徑向密封條相對氣缸壁的線速度可高達30m/s(C3N4、Si3N4、SiC等製作的徑向密封條和氣缸壁電鍍多孔鉻或Ni-SiC複合鍍層)，穩定的離心力作用在徑向密封條上使其難以發生彈跳，混合氣中的潤滑油在巨大的離心力場中很快被甩向氣缸壁起到潤滑和冷卻作用，變成蒸氣或分解然後燒掉，因此磨損比固定氣缸的轉子機少，潤滑油消耗量少。外轉子發動機整機外形呈圓柱形，迎風面積小，懸臂短，振動小，易於在飛行器上安裝。由於功重比高(重量輕)，發動機可以安裝在飛機靠後方的位置，例如尾推布局，廢氣和未燃燒的滑油不會汙染飛機。由於排氣口隨缸體旋轉，運轉聲音比較特別，噪音水平並不高。外轉子發動機轉動件的旋轉慣量大，轉速高，儲能多，轉速波動小，怠速或慢車油耗低。安裝在涵道內驅動風扇的外轉子發動機具有優良的高速推進效率，可使無人機的飛行速度高於一般的螺旋槳飛機。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。