CN101712377B - 带有整流网罩的直升机旋翼系统 - Google Patents

Abstract

一种带有整流网罩的直升机旋翼系统：该系统的旋翼为刚性桨叶，并且外端有支撑，免去了导致飞机振动的上下挥舞；由其上面的整流网罩解决前飞时旋翼两侧的升力差，在飞机向前飞行时，让前方来的气流不直接吹向桨叶，而是透过整流网罩而改变方向，向下流动，从而解决后行桨叶相对减速，左右的升力不均匀的问题，旋翼桨叶可以设计成有利于减小激波阻力的任意形状，如弯弯的马刀形状的桨叶和尖锐的桨叶前缘，非常有效的提高了飞机的机动性和飞行效率；旋翼还有利于达到超声速旋转，大大的增加了对飞机的提升力与飞行速度，应用本专利的旋翼直升机，将可打破速度不可能超过每小时420公里的理论限制。

Description

带有整流网罩的直升机旋翼系统

所属技术领域

本发明涉及航空领域，具体为一种直升机的旋翼系统。

技术背景

公知的直升机旋翼一般由数片柔性桨叶.桨毂和挥舞铰.摆振铰等组成，桨叶通过铰接方式和桨毂与旋翼轴连接组成。众所周知，旋翼是圆周运动，由于半径的关系，桨叶尖处线速度已经非常高时，圆心处线速度为零！所以旋翼靠近圆周的地方产生最大的升力，而靠近圆心的地方只产生微不足道的升力。桨叶向前划行时，桨叶和空气的相对速度高于旋转本身所带来的线速度；反之，桨叶向后划行时，桨叶和空气的相对速度就低于旋转本身所带来的线速度，这样，导致旋翼两侧产生的升力不均匀。所以，现有的旋翼直升机在前行时，其旋翼桨叶并不在一个平面上匀速旋转，因为它要上下挥舞和前后摆震来解决飞机前行时旋翼左右两侧的升力差，为了避免挥舞的过程桨叶产生失速现象，桨叶的前缘还要设计的圆润些。这样做的弊端是：桨叶的上下挥舞和前后摆震增加了对机体的震动和噪音，并降低了效率，圆润的桨叶前缘增加了空气对其产生的激波阻力，桨叶外端处线速度已经接近音速时，圆心处线速度几乎为零，所以桨叶难以突破音障，致使旋翼无法突破音障超音速旋转，限制了旋翼直升机的飞行速度；而且桨叶外端无支撑，桨毂处受力过大，对桨片材料的要求较高，在悬崖.峡谷.超低空有大树的地方，高楼营救等作业时，桨叶容易碰到障碍物，从而限制了旋翼直升机的使用范围。

发明内容

众所周知，把固定翼螺旋桨飞机上的螺旋桨用涵道包覆起来，变成涵道螺旋桨，和没有涵道的螺旋桨相比，除了提高其安全性，还可以产生一些额外推力，国外一些倾转翼飞机如贝尔X-22，等，采用的涵道风扇，没有不对称升力和后行桨叶失速的问题，可以放心采用刚性桨叶，但是像大水桶一样的涵道是不可能用在旋翼直升机的旋翼上应用的。据此，本人想出一套新的技术方案用于直升机的旋翼，不需桨叶的上下挥舞和前后摆震来解决飞机前行时旋翼左右两侧的升力差，而是用一种带有整流网罩的直升机旋翼，由其上面的整流网罩解决前飞时旋翼两侧的升力差，该旋翼为刚性桨叶，免去了导致飞机振动的上下挥舞，其桨叶在一个平面上匀速旋转，并且外端有支撑，所以既安全，效率又高，最终达到超声速旋转，来提高飞机的机动性与其飞行速度。

本发明是通过这样的方案来实现的：该旋翼由旋翼辐板，旋翼内环形桨毂，旋翼桨叶，旋翼外支撑架和整流网罩等组成。旋翼轴通过刚性辐板与旋翼内环形桨毂刚性固定连接，旋翼内环形桨毂的外侧面与桨叶的内弦相连，桨叶的外弦与旋翼外支撑架相连；整个旋翼除整流网罩以外，全部围绕旋翼轴旋转；旋翼上部的整流网罩的圆心处与旋翼轴顶端以轴承活动连接，自由旋转或者不旋转，不会增加旋翼的阻力。桨叶的上翼面凸出拱起，下翼面平或微凹。旋翼旋转时流过翼片上表面的气流流速较快，而流过翼片下表面的气流流速较上表面的气流慢，根据流体力学的基本原理产生升力，是为直升机旋翼提供升力的部件。桨叶均匀的分部在旋翼的外支撑架与环形桨毂之间，前一片桨叶和后一片桨叶之间均匀的留有空隙，使桨叶划过后产生的下洗气流由此空隙向下通过；由于桨叶免去了上下挥舞，所以桨叶的前缘和后缘可以为弯弯的马刀形，前缘也不必同现有直升机的桨叶前缘那样的圆钝，正好减小了

阻力，提高旋翼的旋转速度；由于旋翼内环形桨毂与旋翼轴之间有较长的的连接辐板，桨叶以及外支撑架接近声速旋转时，音障落在旋翼的连接辐板处，是没有多大激波阻力的。旋翼上部覆盖的整流网罩，是立体透孔与网罩的轴心线同方向并排紧密排列而成的一个整体结构，孔与孔之间的壁在保证网罩整体强度的前提下尽量要薄，以减小气流通过时的阻力和整流网罩的重量。整流网罩覆盖在旋翼的整个旋转面的上表面，这样可以在飞机向前飞行的时候，让前方来的气流不直接吹向桨叶，而是透过整流网罩而改变方向，向下流动；这样不论是前行桨叶，还是后行桨叶，均是迎来上方向下流动的气流，从而解决后行桨叶减速，左右的升力不均匀的问题，整流网罩也可以是有利于其改变气流方向和减小气流阻力并节省材料降低其整体质量的其他结构。旋翼的外支撑架除了支撑与保护旋翼的桨叶外，又可以在机身内通过遥控装置操纵旋翼外支撑架上的控制环调整器通过桨叶迎角控制环来调整旋翼桨叶的上迎角，还可以起到固定翼飞机上的翼稍小翼的作用，降低了桨叶所产生的诱导阻力，从而增加了提升力。本旋翼现有直升机上应用时，旋翼旋转面的倾斜有两套方案：一，在尾撑上除了现有的抵消主旋翼扭力的横向螺旋桨，还有增加一套水平布局的竖向螺旋桨，用来控制整个机身的前倾后倾来带动整个旋翼面的前后倾斜；二：在主旋翼下方的旋翼轴上，增加一套倾斜盘，倾斜盘下是一套万向节，用倾斜盘来带动主旋翼以万向节为基点来倾斜。

综上，应用本旋翼的直升机大大减小了机体的振动，旋翼还比较容易达到超音速旋转，提高了直升机的乘坐舒适性，操纵灵活性，将可以打破尾桨布局单旋翼直升机的理论速度不能超过420公里/小时的限制。并且在悬崖.峡谷.超低空有大树的地方作业时安全性有所提高，用于军用直升机，将有效的增强国防力量。本旋翼可广泛应用于单旋翼直升机，并列式.纵列式.共轴式双旋翼直升机和多旋翼直升机，由于本方案有效的提高了旋翼的效率，所以还可以应用于顶部安装有纵列双旋翼的飞行汽车，将为国家带来巨大的经济效益。

附图说明

图1为本发明的简单应用俯视示意图，为便于理解，右上角将整流网罩画掉一部分；

图2为本旋翼无整流网罩的俯视图；

图3为整流网罩俯视图；

图4为图2中虚线圆内放大4倍的桨片安装示意图，为便于理解，左上角画出的是部分的剖视图；

图5为图2中控制环调整器的A-A剖视放大16倍结构示意图；

图6为图2中的B-B放大4倍剖视图；

图7为图6的桨叶有迎角时的示意图；

图8为本旋翼的旋翼轴倾斜盘结构示意图；

图9为图1中的C-C剖面示意图。

在图中：1桨叶；2翼刀；3环形外支撑架；4环形桨毂；5桨叶相互之间的空隙；6桨叶外弦主轴；7桨叶外弦副轴；8桨叶内弦轴；9桨叶迎角控制环；10旋翼轴；11辐板；13万向节；14双作用张拉型千斤顶；15倾斜盘；16机身；17蓄电池；18电动机；19螺旋轴；20倾斜盘外套；21控制环调整器；22遥控信号接收装置以及换相开关；27整流网罩上的方孔；28整流网罩29网罩上的六边透孔；30环槽；31万向节头架。

实施例一：在图1；图9所示的实施例中，是本发明在现有直升机上较简单的应用方式，桨叶1根部与浆毂处的连接处舍弃原有的挥舞铰和摆震铰或者一些弹性原件，变距铰和旋转斜盘等仍然保留，该旋翼共有四片桨叶1，一面整流网罩28，一圈环形外支撑架3等，桨叶1顶端的外弦有一个轴，环形外支撑架3的内面均匀分布四个轴套，分别与桨叶1的外弦以轴与轴套的方式活动连接，以便于调整桨叶1的上迎角；整流网罩28通过圆心处的一套万向接头架31与旋翼轴10顶端的轴承相连接，以使整流网罩28以旋翼轴10的轴心线顶端为基点可以倾斜，但不随旋翼轴10一起同转速旋转或不旋转，旋翼上部的整流网罩28相比旋翼的外直径略大或相同，整流网罩28的底面周边处安装有轴承，以减小随旋翼倾斜时与环形外支撑架3的摩擦力；旋翼上部覆盖的整流网罩28，在本实施例中为一千多个蜂巢形的立体六边透孔29与网罩28的轴心线同方向并排紧密排列而成一个圆饼形状的整体结构，网孔29的外切圆直径和整流网罩28厚度的相同，即网罩上的六边透孔29的高度和其外切圆直径相等，孔与孔之间的壁在保证网罩整体强度的前提下尽量要薄，以减小气流通过时的阻力和整流网罩28的重量。整流网罩28覆盖在旋翼的整个旋转面的上表面，在飞机向前飞行的时候，可以让前方来的气流不直接吹向桨叶1，而是透过整流网罩28的网孔29而改变方向，向下流动；这样旋翼的桨叶1不论前行，还是向后行，均是迎来上方来自网孔向下流动的气流，从而解决后行桨叶减速，左右的升力不均匀的问题。整流网罩28上也可以是其他形状的网孔：例如方形，圆形等；网孔的高度.宽度的比值也可以是有利于整流网罩28改变气流方向和减小气流阻力并节省材料降低其整体重量的其他数值，由于旋翼将整流网罩28上方.前方的空气大量的吸下，所以整流网罩28不会给飞机前行带来非常大的阻力。旋翼旋转面的倾斜和桨叶1的上迎角的调整仍由现有直升机上的旋转斜盘和变距拉杆等来完成，在此不做详细描述。

由于采用本例方案，旋翼上的桨叶1在环形外支撑架3和整流网罩28的保护圈中，所以非常有效的扩大了直升机的使用范围，整流网罩28的网孔壁正好减轻桨叶1上表面的由自己旋转带动的旋转气流，利于减小气流由离心力的作用向桨叶1外端的甩出量，增加气流与桨叶1上表面的相对速度，有效提高旋翼效率；且桨叶1可以是刚性的，免去了上下挥舞，从而增加了飞机的机动性；减小了桨叶的惯性在不断地挥舞中增加的机械振动；没有了铰链的磨损或弹性元件的疲劳。

实施例二：如图2；图3；图4；图5；图6所示，本实施例包括：八片桨叶1，四套控制环调整器21，一个环形桨毂4，一个环形外支撑架3，一面整流网罩28，环形外支撑架3的内侧面有一圈环槽30，环槽30内有一圈可以上下移动的桨叶迎角控制环9，四条辐板11，每片桨叶1上有两片翼刀2防止气流离心向外滑。环形桨毂4与旋翼轴10之间由四条刚性辐板11刚性固定连接。桨叶1均匀的分布在环形外支撑架3与环形桨毂4之间，桨叶1相互之间留有空隙5，空隙前面桨叶1产生的下洗气流由此空隙5向下通过；如图4；图6所示：桨叶1与外支撑架3相连的翼稍部分比较宽的外弦有两个轴；主轴6与副轴7，桨叶1内弦与环形桨毂4相连接处有一个轴8，为主要承重轴，旋翼桨叶的内弦由此轴以转轴与轴套的方式与环形桨毂4连接；旋翼桨叶1外端的主轴6的轴心线与桨叶1内弦轴8的轴心线在一条直线上，旋翼桨叶1的外弦主轴支撑在环形外支撑架3的一个轴套中，外弦副轴7和环形外支撑架3环槽30内的桨叶迎角控制环9以轴与轴套的方式连接；如图5所示：控制环调整器21包括：蓄电池17.电动机18.螺旋轴19.遥控信号接收装置以及换相开关22，其中：螺旋轴19与迎角控制环9上相对应的螺旋孔内有螺旋纹相互咬合；蓄电池17.电动机18和遥控信号接收装置以及换相开关22相互连接通电。旋翼工作时，旋翼的环形外支撑架3.桨叶1和环形桨毂4由四条刚性辐板11带动，绕旋翼轴10的轴心线快速旋转。如图2；图4；图5；图6；图7所示：迎角控制环9由控制环调整器21进行上下调整，控制环调整器21由机身内的驾驶室中的遥控器遥控操纵，当飞机需要增加升力，旋翼桨片1需要上迎角时，在驾驶舱内用遥控器发出指令：遥控信号接收装置以及换相开关22接到信号指令使蓄电池17与电动机18连接通电，电动机18带动螺旋轴19顺时针旋转，迎角控制环9被向上拉，带动桨叶1的外弦副轴7以主轴6和内弦轴8的轴心线为旋转轴向上旋转；旋翼桨片1不要上迎角时，遥控器发出指令：遥控信号接收装置以及换相开关22接到信号指令使电动机18带动螺旋轴19逆时针旋转，迎角控制环9被螺旋轴19向下推，带动桨叶1的外弦副轴7以主轴6为旋转轴向下做旋转。因为环形外支撑架3高速旋转，离心力很大，控制环调整器21也可以为重量较轻的其他结构，如以发电机或导电线代替蓄电池等。

旋翼上部覆盖的的整流网罩28的外直径与旋翼的外支撑架3直径相同或略大，内直径与环形桨榖4相同或略小，整流网罩28为正方形的立体透孔27与网罩28的轴心线同方向并排紧密排列而成的一个整体结构，网孔27的高度和整流网罩28的厚度一样，即网罩中的方孔27的高度和宽度相同，孔与孔之间的孔壁在保证网罩整体强度的前提下尽量要薄，这样即节省了材料，减轻了整流网罩的重量，又增加了空气的通透量，为了达到这个目的，整流网罩28也可以是其他结构，如：将网孔27做到很小，网罩很薄，然后以添加肋条的方式增加整流网罩28的整体强度；整流网罩28上下距离在旋翼轴10处调整为整流网罩28周边与旋翼的环形外支撑架3贴近而不接触，整流网罩28的圆心处与旋翼轴10的轴心顶端通过轴承活动连接，使整流网罩28不随旋翼轴10一起同转速旋转或者不旋转，由于整流网罩28覆盖在旋翼的整个旋转面的上表面，在飞机向前飞行的时候，可以让前方来的气流不直接吹向桨叶1，而是透过整流网罩28的网孔27而改变方向，向下流动；这样旋翼的桨叶1旋转时，不论前行还是后行，均是迎来上方向下流动的气流，从而解决后行桨叶减速，左右的升力不均匀的问题。

桨叶1的外形为上翼面凸出，下翼面平或微凹，旋转时其流过上翼面的气流流速快，流过下翼面的气流流速相对较慢，根据流体力学的连续性定理和伯努利定理而获得升力。桨叶1的前缘也可以为弯弯的马刀形，由于不需要上下挥舞，其前缘可以做的非常尖锐，从而在旋翼高速旋转时，减缓了桨叶的激波阻力。

现有直升机应用本旋翼，应如图8所示：在发动机上安装一套液压油泵，液压油泵通过高压油管与双作用张拉型液压千斤顶14相连通；还要将旋翼轴10做以下改动：舍弃原来的旋转斜板或者自动倾斜器，在旋翼轴10上增加一个万向节13，万向节13的上面连接的旋翼轴10上刚性固连一倾斜盘15，倾斜盘15随旋翼轴10一起转动，倾斜盘的外套20由四套双作用张拉型液压千斤顶14与机身16相连而不旋转，倾斜盘15与倾斜盘外套20之间的连接面装有滚珠或者轴承以减少摩擦。飞机要前进时，要使旋翼旋转平面倾斜，只需操纵旋翼轴10上万向节13外面的双作用张拉型液压千斤顶14推拉上面的倾斜盘外套20，即可由倾斜盘15，带动整个旋翼和其上面覆盖的整流网罩倾斜，以使直升机向前飞行。

综上，桨叶1在环形外支撑架3和整流网罩28的保护中；并且其周边是遮蔽的，桨叶外端附近的气流情况大大简化；桨叶1上的翼刀2利于减小气流由离心力的作用向桨叶外端的甩出量；旋翼上的桨叶1明显扩大了产生升力较大的桨叶外端部分的面积，由连接辐板11代替了桨叶靠近旋翼轴的根部，并且还可以尽量优化桨叶1的造型，最终达到超声速旋转，桨叶以及外支撑架3超声速旋转时，声障落在旋翼的连接辐板11处；旋翼轴处相对比较简单，具有容易实施的优点。我国利用现有的材料和制造水平以及本方案，将可以开发出新一代具有高效.高速.机动性强.震动小.噪音低.适用范围更广范的直升机。

Claims (1)

1.一种带有整流网罩的直升机旋翼系统，由其上面的整流网罩解决飞机平飞时旋翼两侧的升力差，其特征是：主要由旋翼桨叶和一面整流网罩组成，由其整流网罩覆盖在旋翼桨叶的整个旋转面的上表面，在飞机平飞时，让前方来的气流透过整流网罩而改变方向，向下流动，以使旋翼的桨叶旋转时不论是前行与后行，均是迎来网孔中的气流，从而解决后行桨叶减速，左右的升力不均匀的问题。

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