具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置及控制方法
阅读说明：本技术 具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置及控制方法 (Self-adaptive nacelle spoiler device with folding mechanism and control method ) 是由 崔峥 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及飞机短舱扰流片技术领域,提供了一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置及控制方法,所述装置包括头层短舱扰流片、中层短舱扰流片、扰流片收纳外壳及折叠驱动机构；头层短舱扰流片、中层短舱扰流片的一端绕固定转轴旋转打开或收合；打开时自上而下依次为头层短舱扰流片、中层短舱扰流片、扰流片收纳外壳,收合时头层短舱扰流片、中层短舱扰流片折叠收合在扰流片收纳外壳内；折叠驱动机构驱动头层短舱扰流片、中层短舱扰流片旋转打开或收合。本发明克服了传统短舱扰流片难以同时兼顾低高速不同气动性能需求的缺陷,采用了自适应设计思想,使用多段折叠的伸缩机构,使短舱扰流片可以适应飞机低速和高速的不同气动性能需求。(The invention relates to the technical field of airplane nacelle spoilers, and provides a self-adaptive nacelle spoiler device with a folding mechanism and a control method, wherein the device comprises a first-layer nacelle spoiler, a middle-layer nacelle spoiler, a spoiler storage shell and a folding driving mechanism; one end of the first layer of nacelle spoiler and one end of the middle layer of nacelle spoiler rotate around the fixed rotating shaft to be opened or closed; when the device is opened, the spoiler storage shell is sequentially provided with the first-layer nacelle spoiler, the middle-layer nacelle spoiler and the spoiler from top to bottom, and when the device is folded, the first-layer nacelle spoiler and the middle-layer nacelle spoiler are folded and folded in the spoiler storage shell; the folding driving mechanism drives the spoiler of the first-layer nacelle and the spoiler of the middle-layer nacelle to rotate to open or close. The invention overcomes the defect that the traditional nacelle spoiler is difficult to simultaneously meet different aerodynamic performance requirements of low speed and high speed, adopts a self-adaptive design idea and uses a multi-section folding telescopic mechanism, so that the nacelle spoiler can adapt to different aerodynamic performance requirements of the airplane of low speed and high speed.)
技术领域
本发明涉及飞机短舱扰流片技术领域，特别涉及一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置及控制方法。
背景技术
随着四发飞机陆续停产(A380,B747)，大型宽体喷气客机的总体气动构型逐渐向双发翼吊布局收敛。采用双发翼吊常规构型的喷气式客机包括最受欢迎的空中客车A350系列飞机，波音公司的B787系列客机，也包括正在研发中的波音B777X客机和中俄联合研制的CR929大型远程宽体客机。
这样的技术趋势由多方面的原因造成的：在安全性能上，现在的民用涡扇发动机可靠性越来越来高，双发延程飞行(ETOPS)的限制也大幅放宽，欧洲航空安全局(EASA)已批准了A350-900“超过180分钟延程运行(ETOPS)”的资质，其中包括最长达370分钟的延程运行认证。这使得四发飞机在远程跨洋航线上的安全性优势已不十分明显；另外发动机的单发推力也得到了大幅提升，例如B777X装备的GE9X发动机单发推力已达61吨，单发推力的大幅提升已使双发构型可以满足大部分宽体客机的推力需求；另外在使用成本上，双发布局也有巨大的优势，相比四发构型，双发布局的燃油消耗可以大幅降低，发动机的维护成本也可以大幅降低。加上当前国际社会对民用航空碳排放限制逐渐加码，四发飞机无论在经济性和环保性上都难以匹敌双发飞机，这导致双发布局逐渐成为民用喷气式客机主流设计特征。
但是双发飞机为了达到经济性和环保性需求需要使用高涵道比，大尺寸的涡扇发动机。由于单块式下单翼布局飞机的翼下空间相对有限，大尺寸发动机短舱给飞机的气动设计带来了重大的技术挑战，尤其在飞机/发动机的集成气动设计方面。一方面，大短舱容易在大迎角下对机翼产生遮挡，造成机翼的流动分离和提前失速。此外为了保证足够的发动机离地间隙，大尺寸短舱的安装位置也需要较传统安装位置前伸和抬高，例如波音737MAX，为了集成大尺寸的LEAP-1B发动机，其短舱上表面已经接近甚至超出机翼上表面的高度，这使得飞机在纵向气动特性上出现更多的非线性特征，从而危害到了飞行的飞行安全。
为了最大程度降低短舱对机翼的气动干扰，促进低速大迎角下机翼内翼段的流动能量恢复，当前大尺寸的发动机短舱均需要搭配扰流片以抑制机翼流动分离和保证飞机纵向力矩的线性特性，但短舱扰流片会增加飞机巡航状态阻力，其设计参数，尤其是偏转角度和短舱扰流片高度上要受到巡航阻力增阻上的限制。另外，随着层流短舱气动技术的应用，其在安装位置上需要避开短舱前部区域以避免干扰短舱层流流动。可见传统短舱扰流片受到越来越多的设计约束限制，在设计上越来越难以兼顾低高速性能要求。
发明内容
本发明的目的就是至少克服现有技术的不足之一，针对传统短舱扰流片难以同时兼顾低高速不同气动性能需求的问题，提供了一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置及控制方法。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置，包括头层短舱扰流片、中层短舱扰流片、扰流片收纳外壳及折叠驱动机构；
所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片的一端均能绕同一固定转轴旋转打开或收合；打开时自上而下依次为所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片、扰流片收纳外壳，收合时所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片折叠收合在所述扰流片收纳外壳内；
所述折叠驱动机构，用于驱动所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片的旋转打开或收合。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述折叠驱动结构包括伸缩驱动凸轮、伸缩驱动齿轮和驱动电机；
所述头层短舱扰流片上设置滑槽，所述伸缩驱动凸轮的第一端安装在所述滑槽内，第二端与所述伸缩驱动齿轮固定连接；所述驱动电机通过所述驱动齿轮，驱动所述伸缩驱动凸轮旋转运动，带动所述伸缩驱动凸轮的第一端在滑槽内滑动，进而带动所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片实现旋转打开或收合。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述自适应短舱扰流片装置还包括备份驱动电机。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片之间设置限位装置，所述头层短舱扰流片运动时带动所述中层短舱扰流片运动。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述限位装置为定位销钉，所述定位销钉设置在所述头层短舱扰流片的后端，所述中层短舱扰流片的后端设置与所述定位销钉相对应的卡槽，所述定位销钉与所述卡槽配合实现所述头层短舱扰流片与所述中层短舱扰流片之间的联动与限位。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述滑槽的两端均设置有卡位点，用于所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片打开状态和收合状态的定位固定。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片均为流线型。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述头层短舱扰流片、中层短舱扰流片、扰流片收纳外壳的材质为高强度航空铝合金或高强度航空复合材料。
如上所述的方面及任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述头层短舱扰流片的厚度为1～2mm，中层短舱扰流片的厚度为1.5～5mm、扰流片收纳外壳的厚度为3～8mm。
另一方面，本发明还提供了一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置的控制方法，用于控制上述的自适应短舱扰流片装置，所述控制方法包括：
装置打开：驱动电机通过伸缩驱动齿轮带动伸缩驱动凸轮顺时针转动，伸缩驱动凸轮的第一端在滑槽内滑动，带动头层短舱扰流片绕固定转轴逆时针转动，头层短舱扰流片和中层短舱扰流片之间采用限位装置配合，头层短舱扰流片的逆时针转动带动中层短舱扰流片逆时针转动，直到所述自适应短舱扰流片装置完全打开并锁死，所述自适应短舱扰流片装置处于打开状态；
装置收合：驱动电机通过伸缩驱动齿轮带动伸缩驱动凸轮逆时针转动，伸缩驱动凸轮的第一端在滑槽内滑动，带动头层短舱扰流片绕固定转轴顺时针转动，头层短舱扰流片和中层短舱扰流片之间采用限位装置配合，头层短舱扰流片的顺时针转动带动中层短舱扰流片顺时针转动；随着伸缩驱动凸轮转动，头层短舱扰流片和中层短舱扰流片最终一起收入扰流片收纳外壳内并锁死，所述自适应短舱扰流片装置处于收合状态。
本发明的有益效果为：
1、扇形折叠的形式可以保证自适应短舱扰流片在收起状态下不侵入或者在可以接受的范围内少量倾入短舱内部空间；
2、可以最大程度在展开状态增加短舱扰流片的高度，而在收起状态保持高度较小的低阻力状态；
3、装置没有增加短舱扰流片的弦长，这带来布置上的便利性，使装置整体不易受到发动机检修开口和反推装置开口设计限制约束影响；
4、结构简单，有利于做动机构的小型化和工程实现；
5、采用电机+备份电机的方式驱动自适应短舱扰流片伸缩，电力做动不需要布置复杂的液压管路，通过电做动备份可实现较高的可靠度。而且有利于装置整体的轻量化设计和降低成本；
6、扇形折叠式短舱扰流片不承受较大的气动载荷，采用凸轮+滑道的设计可以最大程度伸缩驱动装置本身的厚度，凸轮本身的结构强度也容易得到保证，相比于采用多连杆或者伸缩杆等驱动形式，更能保持较薄的短舱扰流片厚度，有利于装置实现最佳的气动几何外形设计；
7、短舱收纳外壳可以允许存在相对较大几何厚度，存在相当的气动设计修型空间，可以提供驱动装置收纳和帮助降低自适应短舱扰处于收起状态时的气动阻力；
8、设计美观。
附图说明
图1所示为本发明实施例一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置的打开状态结构示意图。
图2所示为实施例中一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置的收合状态结构示意图。
其中：001-头层短舱扰流片；002-中层短舱扰流片；003-扰流片收纳外壳；004-滑槽；005-伸缩驱动凸轮；006-伸缩驱动齿轮；007-固定转轴；008-驱动电机。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1、图2所示，本发明实施例一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置，为三段设计，包括头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002、扰流片收纳外壳003及折叠驱动机构；所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002的一端均能绕同一固定转轴007旋转打开或收合；打开时自上而下依次为所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002、扰流片收纳外壳003，收合时所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002折叠收合在所述扰流片收纳外壳003内；所述折叠驱动机构，用于驱动所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002的旋转打开或收合。
所示折叠驱动机构可采用多种方式实现，优选的，如图1所示，所述折叠驱动结构包括伸缩驱动凸轮005、伸缩驱动齿轮006和驱动电机008；所述头层短舱扰流片001上设置滑槽004，所述伸缩驱动凸轮005的第一端安装在所述滑槽004内，第二端与所述伸缩驱动齿轮006固定连接；所述驱动电机008通过所述伸缩驱动齿轮006，驱动所述伸缩驱动凸轮005旋转运动，带动所述伸缩驱动凸轮005的第一端在滑槽004内滑动，进而带动所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002实现旋转打开或收合。
为进一步保证装置的整体安全性，可以设置备份驱动电机。
在一个具体实施例中，所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002之间采用限位装置，所述头层短舱扰流片001运动时带动所述中层短舱扰流片002运动。
在一个具体实施例中，所述限位装置为定位销钉，所述定位销钉设置在所述头层短舱扰流片001的后端，所述中层短舱扰流片002的后端设置与所述定位销钉相对应的卡槽，所述定位销钉与所述卡槽配合实现所述头层短舱扰流片001与所述中层短舱扰流片002之间的联动与限位。
在一个具体实施例中，所述滑槽004的两端均设置有卡位点，用于所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002打开状态和收合状态的定位固定。
所述头层短舱扰流片001、中层短舱扰流片002、扰流片收纳外壳003的材质为高强度航空铝合金或高强度航空复合材料。
优选的，所述头层短舱扰流片001的厚度为1～2mm，中层短舱扰流片002的厚度为1.5～5mm、扰流片收纳外壳003的厚度为3～8mm。
优选的，中层短舱扰流片002前缘需进行适当修型，以保证短舱扰流片装置在收起形态保持低阻力的流线外形。
本发明实施例一种具有折叠机构的自适应短舱扰流片装置的控制方法，包括：
装置收起过程:
(008——驱动电机)通过(006——伸缩驱动齿轮)带动(005——伸缩驱动凸轮)逆时针转动，(006——伸缩驱动齿轮)与(005——伸缩驱动凸轮)采用了固连的设计，(004——头层短舱扰流片滑槽)与(001——扇形头层短舱扰流片)采用了一体化的设计，(005——伸缩驱动凸轮)的逆时针转动带动(001——扇形头层短舱扰流片)顺时针绕(007——扰流片伸缩转轴)转动，随着凸轮的驱动，(001——扇形头层短舱扰流片)收入(002——扇形中层短舱扰流片)中，(001——扇形头层短舱扰流片)与(002——扇形中层短舱扰流片)采用了限位装置配合的形式，通过(001——扇形头层短舱扰流片)的顺时针转动带动(002——扇形中层短舱扰流片)顺时针转动，(001——扇形头层短舱扰流片)最终与(002——扇形中层短舱扰流片)一起收入(003——短舱扰流片收纳外壳)中，此时，装置锁死，装置处于收起状态，如图2所示。
装置展开过程：
(008——驱动电机)通过(006——伸缩驱动齿轮)带动(005——伸缩驱动凸轮)顺时针转动，(006——伸缩驱动齿轮)与(005——伸缩驱动凸轮)采用了固连的设计，(004——头层短舱扰流片滑槽)与(001——扇形头层短舱扰流片)采用了一体化的设计，(005——伸缩驱动凸轮)的逆时针转动带动(001——扇形头层短舱扰流片)逆时针绕(007——扰流片伸缩转轴)转动，随着凸轮的驱动，(001——扇形头层短舱扰流片)打开，(001——扇形头层短舱扰流片)与(002——扇形中层短舱扰流片)采用了限位装置配合的形式，通过(001——扇形头层短舱扰流片)的逆时针转动带动(002——扇形中层短舱扰流片)逆时针转动，直到装置完全打开，装置锁死，装置处于展开状态。
本发明改变了传统的固定式设计的扰流片方案，采用扇形折叠的形式可以保证自适应短舱扰流片在收起状态下不侵入或者在可以接受的范围内少量倾入短舱内部空间；装置没有增加短舱扰流片的弦长，这带来布置上的便利性，使装置整体不易受到发动机检修开口和反推装置开口设计限制约束影响；结构简单，有利于做动机构的小型化和工程实现；采用电机+备份电机的方式驱动自适应短舱扰流片伸缩，电力做动不需要布置复杂的液压管路，通过电做动备份可实现较高的可靠度。而且有利于装置整体的轻量化设计和降低成本；扇形折叠式短舱扰流片不承受较大的气动载荷，采用凸轮+滑道的设计可以最大程度伸缩驱动装置本身的厚度，凸轮本身的结构强度也容易得到保证，相比于采用多连杆或者伸缩杆等驱动形式，更能保持较薄的短舱扰流片厚度，有利于装置实现最佳的气动几何外形设计。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
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