本发明专利技术公开了一种低功率和低重量的高空气量调节装置，属于航空航天飞行器技术领域。该低功率和低重量的高空气量调节装置用于实现平流层浮空器的气量调节，包括风机和电机，风机的叶轮采用混流叶型，叶轮的叶片为后向型叶片；上风罩和下风罩均为蜗壳状，上风罩设有进气口，下风罩设有电机装配孔，叶轮居于上风罩和下风罩之间，上风罩和下风罩密封固定连接，并形成气流流道；电机通过下风罩的装配孔与叶轮连接；风机的出风口通过阀门与平流层浮空器的进气口密封连接。本发明专利技术的低功率和低重量的高空气量调节装置结构形式简单，具有宽广的可调转速范围、良好的温度管理和完善的控制设计，能够满足从近地面到20km高空不同任务场景下的浮空器工作需求。景下的浮空器工作需求。景下的浮空器工作需求。
【技术实现步骤摘要】
一种低功率和低重量的高空气量调节装置
[0001]本专利技术涉及航空航天飞行器
，具体涉及一种低功率和低重量的高空气量调节装置。
技术介绍
[0002]浮空器相比于其他飞行器而言，具有大载重、驻空时间长、安全性高、成本低等特点。热气球、软式和半硬式飞艇均可归集为压差浮空器，需要保持一定的内外压差，故在下降的过程中需要通过气量调节装置，克服一定的压差，将环境空气压入气囊中。
[0003]平流层浮空器为实现其长期驻空和可重复使用，其升空、驻留、以及下降返回整个过程的实现是非常关键的。可靠有效的气量调节系统可称为浮空器的“呼吸系统”，可以实现浮空器在各阶段的形态和压差需求。气量调节系统中的关键部件主要包括阀门和风机。阀门实现囊内高压气体向囊外的排放，而风机需要将外界环境的空气鼓入浮空器空气囊体内。
[0004]平流层浮空器气量调节装置所使用的风机需要满足其在20km高度到近地面的整个高度范围内均可有效实现将周围环境空气鼓入飞艇空气囊的目的。与常规风机相比，其具有流体介质属性变化大(20km高空的环境温度一般在216.6K，比地面常温低70K；空气密度为0.08891kg/m3，是地面空气密度的1/13.8)，需要克服的压差小(<1000pa),以及风机所用电机的输入功率基本恒定的限制，即随高度下降，风机入口气体密度增加，其物理转数将减小。目前可满足平流层浮空器特定需求的成熟的高效风机很少，并且针对其特性及设计方面的研究也很少。因此平流层浮空器气量调节装置所需的风机需要根据其使用工况进行特定的设计及研制。
技术实现思路
[0005]本专利技术要解决的技术问题在于提供能够满足20km高度到近地面整个高度范围、根据实际需要对气量进行调节，并且能够保证故障率较低的一种低功率和低重量的高空气量调节装置。
[0006]本专利技术提供的一种低功率和低重量的高空气量调节装置，用于实现平流层浮空器的气量调节，包括风机和电机，所述风机包括叶轮、上风罩和下风罩；所述叶轮采用混流叶型，所述叶轮的叶片为后向型叶片；所述上风罩和下风罩均为蜗壳状，上风罩设有进气口，下风罩设有电机装配孔，叶轮居于上风罩和下风罩之间，上风罩和下风罩密封固定连接，并形成气流流道；
[0007]所述电机通过下风罩的装配孔与叶轮连接，用于驱动风机转动；所述风机的出风口通过阀门与平流层浮空器的进气口密封连接。
[0008]较佳地，叶片厚度为1.0
‑
1.2mm，叶片包角为55
‑
65
°
，叶片进口安放角35
‑
45
°
，叶片出口安放角55
‑
65
°
。
[0009]较佳地，所述电机为直流无刷电机，工作电压为24VDC，额定功率为120W，转速可
调，最大转速为16900rpm。
[0010]较佳地，所述阀门采用微型可逆直流驱动电机，该电机功率为5W，且外壳上加装干簧管定温加热器，加热功率为10W，在低于
‑
40℃时加热。
[0011]较佳地，还包括控制器，与电机和阀门信号连接，所述控制器用于接收上位机指令，并根据指令调控电机和阀门的启动与关闭，且能够调节电机转速。
[0012]较佳地，还包括柔性聚酰亚胺加热膜，所述柔性聚酰亚胺加热膜设在电机壳与控制盒内用于给电机和控制器加热。
[0013]较佳地，电机壳为双层结构，其外层填入液态聚氨酯发泡剂形成聚氨酯隔热层，实现电机的保温。
[0014]较佳地，控制盒内侧设置有珍珠棉隔热毡，所述珍珠棉隔热毡通过泡沫胶在控制盒体内侧多层粘贴，实现对控制器的保温。
[0015]较佳地，叶轮采用铝合金材料加工成型。
[0016]较佳地，上风罩和下风罩采用镁合金材料加工成型。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]本专利技术的风机叶轮采用混流叶型，进行闭式设计，叶片为后向型叶片，其断面与机翼相同，空气动力学性能优秀，风量大，压力较低，效率很高(能达到80％～90％)，且不易结垢，在大流量状态下功率变化能够保持一定的幅度，对风机设备安全有一定的保护作用。在满足强度和刚度要求的基础上，本专利技术的叶轮采用铝合金材料经过数控机床加工成型，叶片尽可能薄，以降低风机重量。当叶片的数量为9个，叶片厚度1.2mm，叶片进口安放角40
°
，出口安放角60
°
，叶片包角60
°
，且叶轮101进口直径45mm，出口直径135mm，出风口104直径38mm时，既能满足在20km高空，调节装置在额定功率下，在500Pa压差下鼓入的空气流量应达到248m3/h@20km(69L/s@20km)的要求，又能够能满足质量≤2.5kg的要求。
[0019]本专利技术的低功率和低重量的高空气量调节装置，依据实际需求，当浮空器需要上升时，通过控制器打开所述阀门，同时启动电机，进而驱动风机，将外界环境中的空气通过阀门鼓入浮空器空气囊体内；当浮空器需要驻留时，通过控制器停止电机，同时关闭阀门，以保持浮空器空气囊内压强固定；当浮空器需要下降时，在电机停止情况下，通过控制器打开阀门，将囊内高压气体向囊外排放。浮空器运动过程中，通过控制器采集环境温度信息，一定条件下，通过控制器启动加热装置，使得气量调节装置正常工作。本专利技术的电机为直流无刷电机，工作电压为24VDC，额定功率为120W，最大转速为16900rpm，转速可调。阀门具备自动加热功能。风机在强度和刚度满足要求的前提下，采用低密度合金材料加工成型，重量较低。因此，本气量调节装置结构形式简单，具有宽广的可调转速范围、良好的温度管理和完善的控制设计，能够满足从近地面到20km高空不同任务场景下的浮空器工作需求。
附图说明
[0020]图1为本专利技术整体结构示意图；
[0021]图2为本专利技术风机的结构图；
[0022]图3为本专利技术风机的侧视图；
[0023]图4为本专利技术风机叶轮的剖面图；
[0024]图5为本专利技术的风机数值仿真得到的2km高度，转速5500rpm的PQ曲线图；
[0025]图6为本专利技术的风机数值仿真得到的20km高度，转速16900rpm时的PQ曲线图；
[0026]图7为本专利技术风机不带阀门、海拔高度0km、转速4600rpm的实测PQ曲线与功率曲线。
[0027]附图标记说明
[0028]1.风机，101.叶轮，102.上风罩，103.下风罩，104.出风口，105.进气口，2.电机，3.阀门，6.电机壳，7.控制盒。
具体实施方式
[0029]下面结合附图1
‑
7，对本专利技术的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0030]本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种低功率和低重量的高空气量调节装置，用于实现平流层浮空器的气量调节，包括风机(1)和电机(2)，其特征在于，所述风机(1)包括叶轮(101)、上风罩(102)和下风罩(103)；所述叶轮(101)采用混流叶型，所述叶轮(101)的叶片为后向型叶片；所述上风罩(102)和下风罩(103)均为蜗壳状，上风罩(102)设有进气口(105)，下风罩(103)设有电机装配孔，叶轮(101)居于上风罩(102)和下风罩(103)之间，上风罩(102)和下风罩(103)密封固定连接，并形成气流流道；所述电机(2)通过下风罩(103)的装配孔与叶轮(101)连接，用于驱动风机(1)转动；所述风机(1)的出风口(104)通过阀门(3)与平流层浮空器的进气口密封连接。2.如权利要求1所述的低功率和低重量的高空气量调节装置，其特征在于，所述叶片厚度为1.0
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1.2mm，叶片包角为55
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65
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，叶片进口安放角35
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，叶片出口安放角55
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65
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。3.权利要求1所述的低功率和低重量的高空气量调节装置，其特征在于，所述电机(2)为直流无刷电机，工作电压为24VDC，额定功率为1...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔新光，李仁府，张超，习赵军，李毅超，王利恒，梅祯琳，张祚淏，梁铭希，朱钰，宋伟，赵俊捷，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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