CN102198858B - 旋翼桨叶、包括此种桨叶的旋翼以及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋翼(3)的桨叶(10)，该桨叶是扭转刚性的，并且从根部(11)延伸至自由端(12)，所述桨叶包括至少一个后掠部段(23)。该桨叶(10)包括固定于后掠部段(23)的可动扭转装置(30)，且所述桨叶(10)具有致动装置(40)，该致动装置(40)用于通过改变所述扭转装置(30)相对于所述后掠部段(23)的角位置来致动桨叶(10)的扭转。

Description

旋翼桨叶、包括此种桨叶的旋翼以及飞行器

技术领域

本申请要求2010年3月23日提交的法国专利申请第10/01141的权益，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。

本发明涉及一种包括后掠部段的旋翼桨叶、一种包括此种桨叶的旋翼以及一种保持此种旋翼的飞行器。

背景技术

旋翼飞行器的旋翼当然需要具有如下空气动力性能：该空气动力性能适合于为旋翼飞行器提供升力，并且例如当旋翼飞行器是直升飞机时还可为旋翼飞行器提供推进力。此外，旋翼须满足局限于声学认证标准的要求。于是，会在同时考虑有时被认为是自相矛盾的两个方面的情形下限定桨叶形状。

文献EP1557354描述一种旋翼桨叶，从声学角度来看该旋翼桨叶是较佳的。

此种桨叶具有后掠部段。

应提及的是，从桨叶紧邻其根部的端部开始朝桨叶的自由端行进时，后掠的部段是如下部段：该部段沿与桨叶行进方向相反的方向定向，以相对于桨叶的径向方向形成负角。相反，前掠部段沿桨叶的行进方向定向，以相对于桨叶的径向方向成正角。应注意到，本领域技术人员完全知道前掠和后掠的词汇。

更确切地说，根据文献EP1557354，桨叶从其根部开始接连包括：直的径向部段、前掠部段以及后掠部段。

此种桨叶具有较佳的声性能。

然而应注意到，尤其具有后掠部段的此种桨叶是扭转刚性的，且扭转刚性的桨叶在高度扭转中具有第一变形模式。

当桨叶的第一扭转模式位于给定频率之上时，该桨叶称为是扭转刚性的。例如，对于铰接旋翼来说，当所述给定频率高于旋翼的额定旋转速度的四倍时， 桨叶称为是扭转刚性的。

此种刚度确保使桨叶具有良好的动力性能，并能在桨距上对桨叶进行控制。然而，如果希望主动扭转桨叶，则此种刚度是限制性的。

应提及的是，桨叶从固定于旋翼旋转毂的第一端朝称为其“自由”端的第二端纵向延伸。可理解的是，相对于旋翼，桨叶从其第一端径向地朝其第二端延伸。此外，桨叶从前缘横向地朝后缘延伸。桨叶具体包括外部覆盖物，该外部覆盖物在其吸气侧上具有第一蒙皮，并在其压力侧上具有第二蒙皮，第一蒙皮简称为“吸气侧蒙皮”，而第二蒙皮简称为“压力侧蒙皮”。

旋翼飞行器的主升力旋翼的桨叶在所述主旋翼旋转过程中产生升力，该升力用于为旋翼飞行器提供升力并且还可为旋翼飞行器提供推进力。取决于桨叶的桨距角而产生或多或少的升力。桨叶的每个气动型面(简称为“型面”)的在一剖面中的气动入射角取决于桨叶的桨距角，而该剖面垂直于一轴线，桨叶的桨距绕该轴线变化。

相反，对于给定型面且由此对于桨叶的给定截面来说，已注意到的，从入射角阈值开始，在所述型面的前缘处或前缘后并朝后缘行进的空气流线变得分离出来。若该现象继续并占据位于两个叶型之间且沿桨叶翼展限定临界区域的区域，则此种分离致使桨叶失速，即致使桨叶的升力突然下降。此外，流线分离可引起湍流，该湍流增大桨叶的阻力系数并使振动增强。

为了限制分离，一个解决方案是使桨叶几何扭转。应注意到的是，桨叶的几何扭转可由在桨叶截面的每个型面的翼弦和桨叶的参照平面之间形成的角度所限定。有时，每个桨叶型面相对于桨叶的桨距变化轴线、通过相对于该参照平面而识别的角度扭转。

对于给定的桨叶轨迹来说，可理解的是，扭转对于每个型面的气动入射角具有直接影响。在这些情形下，术语“扭转关系”用于指代所述扭转角沿桨叶翼展改变的方式。

桨叶的扭转关系并不由构造而改变。接受一折衷要求以满足旋翼在整个飞行范围较佳运行，从而产生此种扭转关系。

已发现的是，在桨叶的整个翼展上的小扭转幅度(即，极端扭转角之间的较小差值)用于使旋翼在飞行过程中为旋翼飞行器提供升力所消耗的动力最 小。相反，在桨叶的整个翼展上的大扭转幅度用于使旋翼飞行器的升力旋翼在悬停过程中所消耗的动力最小，但在向前飞行过程中则是不受欢迎的。应注意到的是，术语“小”幅度用于表示例如小于6°的幅度，而“大”幅度用于表示例如大于20°的幅度。

因此，位于上述小幅度和大幅度之间的扭转幅度代表在向前飞行阶段和悬停阶段之间的动力消耗折衷。

为了避免此种折衷，已采取措施，以通过使用特定装置来控制桨叶的扭转，至少局部地使用特定装置。

在一解决方案中，使用至少一个襟翼，该襟翼局部地伸出桨叶后缘。通过修改所述襟翼相对于桨叶的角度，对桨叶的局部几何尺寸进行修改，同时对相对应型面的空气动力特性进行修改。

此种解决方案具有引起局部变形和扭转的优点。以下公开涉及对此种襟翼进行致动：

O.Dieterich，B.Enenkl，D.Roth：Trailing edge flaps for active rotor control，Aeroeslastic characteristics of the ADASYS rotor system，American Helicopter Society，62nd Annual Forum，Phoenix，AZ，May 9--11，2006，(美国直升机协会于2006年5月9日至11日在亚利桑那州凤凰城召开的第62次年度论坛)。

S.R.Hall and E.F.Prechtl：Preliminary Testing of a Mach-Scaled Active Rotor Blade with a Trailing Edge Servo-Flap，Massachusetts Institute of Technology 77Massachusetts Ave.Cambridge，MA 02139--4307USA，2000(麻省理工学院，美国马萨诸塞州剑桥马萨诸塞街77号02139-4307，2000年)。

V.Giurgiutiu：Active-Materials Induced-Strain Actuation for Aeroelastic Vibration Control，The Shock and Vibration Digest，Vol.32，No.5，September 2000，355-368(“冲击和振动文摘”，第32卷第5号355-368页，2000年9月)。

F.K.Straub，D.K.Kennedy，D.B.Domzalski，A.A.Hassan，H.Ngo，V.Anand，and T.Birchette：Smart material-actuated Rotor Technology，Journal of intelligent Material Systems and Structures，Vol.15April 2004(“智慧材料系统和结构”杂志，2004年4月15卷)。

C.K.Maucher，B.A.Grohmann，P. A.Altmikus，F.Jensen，H.Baier： Actuator design for the active trailing edge of a helicopter rotor blade. 

K.Thanasis：Smart Rotor Blades and Rotor Control for Wind Turbines，State of the Art，UpWind internal report for WP 1B3，December 2006(2006年12月)。

类似的是，以下文献US7424988、US2008/0237395、US6513762、US5387083、US6135713以及US5626312都提及襟翼的存在。

然而，这些襟翼看起来被放置在基本桨叶上，而并非放置于扭转刚性的并且设有后掠部段的桨叶上。襟翼设置在柔性扭转的桨叶上，从而能动态地使桨叶“扭转”，并试图使来自旋翼的噪声和振动减少。根据定义，显然难于先验的使刚性扭转的桨叶扭转，或者至少难于在不使桨叶的空气动力性能恶化的条件下使刚性扭转的桨叶扭转。

此外应注意到，文献GB2298624描述一种使用襟翼以修改桨叶桨距而非试图使桨叶扭转的桨叶。

现有技术还包括以下文献：GB2280412，US 2005/158175，US 5505589，WO 2008/002809以及US 2455866.

发明内容

因此，本发明提供一种刚性扭转桨叶和修改扭转的装置(简称为“扭转装置”)，以满足旋翼飞行器各种飞行构造的需求，而且该桨叶制造较少噪声、具有良好的动力性能和改进的空气动力性能。

根据本发明，以额定频率旋转的旋翼桨叶是刚性扭转的，并且从根部延伸至自由端，该桨叶包括至少一个后掠部段，而桨叶的根部连接于桨叶的桨距杆。

应提及的是，旋翼以通常表述为每分钟转速的给定额定速度旋转，而额定频率表述为赫兹并等于旋翼以额定速度每秒旋转的转速。

在这些情形下，桨叶具有第一扭转变形模式，在高于旋翼(应包括所述桨叶)的所述额定频率四倍的扭转频率下发生此种第一扭转变形模式。

可参考文献，以获得关于刚性扭转桨叶的附加信息。

此外，桨叶的显著特征尤其在于：该桨叶包括固定于后掠部段的可动扭转装置，且桨叶具有致动装置，该致动装置用于致动桨叶的扭转，以改变扭转装置相对于后掠部段的角位置。

在这些情形下，致动装置使可动扭转装置能相对于后掠部段的本体运动。通过修改扭转装置相对于后掠部段的本体及相对于桨叶剩余部分的入射角，在扭转装置处局部地产生力。

由于桨叶的前部由桨叶的前缘所表示，并且由于桨叶的后掠部段向后定向，因而扭转装置朝向桨叶后部偏离。虽然通过使用扭转装置在后掠部段的后缘产生相对较小的力，然而借助适当的杠杆臂在施力点(即，扭转装置处)和桨叶根部之间获得足以在一定角度范围内修改桨叶扭转的扭矩。然后，即使桨叶是刚性扭转的，仍可主动地使桨叶扭转。

应注意到的是，此种变形是完全可逆和可调整的。足以修改可动扭转装置相对于后掠部段的入射角，以获得所希望的变形。

扭转装置并不修改桨叶的桨距，而用于使由于所具有的扭转刚度而似乎无法扭转的桨叶扭转。

该桨叶可包括附加特征。

因此，扭转装置产生升力，桨叶的每个型面具有扭转中心，而该升力相对于一系列扭转中心、即相对于桨叶的桨距变化轴线成一定角度的方向沿翼弦偏移。

在这些情形下，扭转装置沿翼弦的偏移相对于所述系列的扭转中心产生升力杠杆臂。这产生适合于至少部分地使桨叶扭转的扭矩。

根据另一方面，可动扭转装置包括至少一个铰接襟翼。扭转装置的襟翼则具有使桨叶扭转的功能，而不具有改变桨叶桨距的功能。

襟翼则可铰接于所述后掠部段的后缘。

此外，从桨叶的根部开始，桨叶接连包括直的径向部段、前掠部段以及所述后掠部段。

该桨叶还可包括文献EP1557354所描述的桨叶的至少一个特征。

此外，桨叶从根部处的第一端部段朝自由端处的第二端部段延伸，而后掠部段构成第二端部段。

通过使桨叶根部和扭转装置之间的距离最大化，可在桨叶的整个翼展上获得扭转。

应注意到，扭转结果取决于桨叶在扭转中的硬度。桨叶的振幅可随所述硬 度而局部变化。

此外，致动装置可具有存储器，而存储器包含随各种参数而变化(例如，随飞行器的前进速度而变化)的扭转关系。

在另一变型中，桨叶包括连接于致动装置的控制装置，控制装置远离桨叶，从而可由操作者致动。例如，控制装置可设置在具有此种桨叶的飞行器的驾驶舱中，而飞行器的驾驶员则处于一定位置，以通过使用控制装置来修改桨叶的扭转。

根据本发明的另一方面，致动装置包括小振幅地致动扭转装置的致动装置，而该小振幅基本小于15度。因此，所获得的变形是“稳定的”，而不是用于改变桨叶桨距那类的频繁变形。

除了桨叶以外，本发明还提供一种以额定频率旋转的旋翼，该旋翼设有本发明的上述桨叶。

此外，桨叶具有第一扭转变形模式，在高于旋翼的所述额定频率四倍的扭转频率下发生此种第一扭转变形模式。

最后，本发明提供一种具有本发明以额定频率旋转的旋翼的旋翼飞行器。

附图说明

从下面参照附图以说明方式给出的实施例描述中，将更详细地呈现本发明及其优点，在附图中：

图1是构成第一实施例桨叶的视图；

图2是构成第二实施例桨叶的视图；以及

图3示出设有第一实施例桨叶的飞行器。

具体实施方式

在一幅以上附图中出现的元件在每幅图中采用相同的附图标记。

图1示出构成第一实施例的桨叶10。

无论哪一实施例，桨叶10从根部11朝自由端12向外延伸，而根部11固定于旋翼的毂4。

此外，桨叶10设有后掠部段23。如同附图中所示示例，桨叶10从其根部 11开始可接连包括：直的径向部段21、前掠部段22，随后是后掠部段23。

应提及的是，前掠部段相对于直径向部段沿桨叶10的行进方向F具有正角，而后掠部段沿行进方向F具有负角，前掠和后掠的这些概念在文献中有说明。

此外，桨叶的根部11包括桨距杆60，该桨距杆60由铰链连接于桨叶根部，以修改桨叶10的桨距。

此外，桨叶10设有可控制扭转系统，该可控制扭转系统适合于修改桨叶的扭转，尤其当桨叶绕毂4的旋转轴线旋转时修改桨叶的扭转。由于由桨距杆60执行桨距控制，因而可控制扭转系统并不具有改变桨叶10的桨距的功能。

扭转系统包括固定于后掠部段23的可运动扭转装置30。例如，扭转装置30可设有至少一个襟翼，该襟翼铰链于后掠部段23的后缘23″。

在图1所示的第一实施例中，扭转装置30的襟翼31是流线型的，并包含在后掠部段23的空气动力型面中。

在图2所示的第二实施例中，襟翼32、33从后掠部段23局部地突出，并从该后掠部段23延伸。

独立于实施例应注意到的是，扭转装置30可包括如图1所示示例中的襟翼31或者如图2所示的多个襟翼32、33。

此外，桨叶包括用于对扭转装置30进行控制的致动装置40。例如，该致动装置可包括旋转电动机，该旋转电动机适合于使扭转装置绕轴线旋转，由此该致动装置固定于后掠部段23。致动装置40可设置在桨叶内部，具体地说设置在后掠部段23内部。

可选的是，且参照图2，致动装置可具有多个单元，例如每个襟翼一个电动机41。要理解的是，可使用任何其它的运动装置。

因此，致动装置会要求扭转装置相对于后掠部段23转动。此种转动产生沿方向F1的垂直力。然而，桨叶在扭转装置处的向后偏移引起由所述垂直力产生的相对于扭转轴线的扭转运动。然后，桨叶10趋于在其根部11和扭转装置之间逐渐扭转。

沿扭转装置翼弦的向后偏移通过相对于旋翼直径内部遵循几乎直线形状的各部分的一系列扭转中心的杠杆效应使力放大。

此外，通过使扭转装置30尽可能远地远离根部11，可使桨叶10的最大部分扭转。

此外，要理解的是扭矩也是最大的。因此，扭转装置30的小量枢转使桨叶10产生大量扭转。

因此，从根部11开始朝自由端12行进，桨叶从第一端部段13朝第二端部段14延伸。后掠部段23可选地构成第二端部段14。

可选的是，为了限制噪声排放，致动装置的功能在于小振幅地致动扭转装置30，该小振幅基本小于15度。

此外，将桨叶的变形控制为随飞行构造而变化，以获得在给定飞行阶段的整个持续过程中不变的变形。

图3示出具有旋翼3的飞行器1，该飞行器作为示意示出的是直升机。

所述旋翼包括毂4，多个桨叶10(例如三个桨叶)固定于该毂。 

每个桨叶10的致动装置40可包括用于扭转装置30的致动关系，以例如随飞行阶段的变化修改桨叶的扭转。

在示意示出的替代变型中，每个桨叶10具有控制装置50，该控制装置是远程的，并且可设置在飞行器1的驾驶舱2中。类似于示意示出的变型，至少两个不同桨叶可共享共有的控制装置。

控制装置通过有线或无线连接连接于每个致动装置。

然后通过使用控制装置50，飞行器的驾驶员能人工地修改每个桨叶10的扭转。

控制装置还可用于设定为操作自动扭转模式。

当然，本发明在其实施方式方面可有许多变型。尽管描述了若干实施例，但是容易理解，穷举地给出所有可能实施例是不可设想的。当然可想到用等效装置来替换所述装置中的任一个而不超出本发明的范围。

例如，前掠部段和直径向部段是可选的，或者它们可相对于后掠部段以一些其它方式进行定位。

Claims (7)

1.一种以额定频率旋转的旋翼(3)的桨叶(10)，所述桨叶是扭转刚性的，并从根部(11)朝自由端(12)延伸，所述桨叶(10)包括至少一个后掠部段(23)，所述桨叶根部(11)连接于桨距杆(60)，其中，所述桨叶(10)包括固定于所述后掠部段(23)的可动扭转装置(30)，所述桨叶(10)具有致动装置(40)，所述致动装置用于致动所述桨叶(10)扭转，以改变所述扭转装置(30)相对于所述后掠部段(23)的角位置，所述桨叶具有第一扭转变形模式，在高于所述旋翼的所述额定频率四倍的扭转频率下发生所述第一扭转变形模式；所述扭转装置(30)产生升力，所述桨叶的每个型面具有扭转中心，所述升力相对于一系列所述扭转中心沿翼弦偏移；所述可动扭转装置(30)包括至少一个铰接襟翼(31、32、33)；所述襟翼(31、32、33)铰接于所述后掠部段(23)的后缘(23")。

2.如权利要求1所述的桨叶，其特征在于，从所述桨叶(10)的根部(11)开始，所述桨叶(10)接连包括直的径向部段(21)、前掠部段(22)以及所述后掠部段(23)。

3.如权利要求1所述的桨叶，其特征在于，所述桨叶从所述根部(11)处的第一端部段(13)朝所述自由端(12)处的第二端部段(14)延伸，所述后掠部段(23)构成所述第二端部段(14)。

4.如权利要求1所述的桨叶，其特征在于，所述桨叶(10)包括连接于所述致动装置(40)的控制装置(50)，所述控制装置(50)远离所述桨叶(10)，从而可由操作者致动。

5.如权利要求1所述的桨叶，其特征在于，所述致动装置(40)小振幅地致动所述扭转装置(30)，所述小振幅小于15度。

6.一种以额定频率进行旋转的旋翼(3)，其中，所述旋翼包括至少一个如权利要求1所述的桨叶(10)。

7.一种飞行器，包括如权利要求6所述的旋翼。