CN104149968B - 一种极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机，该螺旋桨为两叶螺旋桨，包括第一桨叶和第二桨叶；第一桨叶和第二桨叶相对于螺旋桨轴对称设置，螺旋桨直径为4～5米，最大弦长为400～600mm。采用高升力低雷诺数螺旋桨翼型设计出内侧宽、具有桨梢后掠特征的桨叶，第一桨叶和第二桨叶均在80％R～90％R范围内具有后掠的几何特征，后掠幅度0～0.05R。第一桨叶和所述第二桨叶均在35％R～45％R范围内的弦宽最大。该螺旋桨工作于1万～10万极低雷诺数流动状态、25～30km高空的长时巡航状态下时，螺旋桨吸收功率为6～10千瓦。螺旋桨效率大于80％，可降低高空无人机推进系统的能源需求。

Description

一种极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机

技术领域

本发明属于空气动力学技术领域，具体涉及一种极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机。

背景技术

美国的“太阳神”无人机利用太阳能驱动螺旋桨作为动力，在试飞中曾达到29400米的高度。对于此类高空无人机，无论是机翼还是螺旋桨均存在特殊的低雷诺数问题。雷诺数在1万～10万量级时，翼型表面上的层流附面层很容易发生分离，使得气动性能严重恶化，并表现出很强的非线性特征。

现有技术中公开的螺旋桨，通常是针对雷诺数大于10⁵进行设计，无法应用于1万～10万极低雷诺数下的高空无人机。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机，该螺旋桨可高效应用于1万～10万极低雷诺数下的高空无人机。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种极低雷诺数高效高空螺旋桨，所述螺旋桨为两叶螺旋桨，包括第一桨叶和第二桨叶；所述第一桨叶和所述第二桨叶相对于螺旋桨轴对称设置；

所述第一桨叶和所述第二桨叶的相对弦宽分布函数均为：

C(r/R)＝-a₁×(r/R-b₁)²+c₁

其中：

b₁＝0.40±0.05

c₁＝0.25±0.05

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}1.45\±0.05& r/R\≤b_1\\ 0.55\±0.05& r/R>b_1\end{array}\right.;$

其中，C为剖面相对弦宽，r为剖面半径，R为桨叶半径，r/R为剖面相对半径，a₁为二次项系数，b₁为最大弦宽所在的剖面相对半径，c₁为最大弦宽；

所述第一桨叶和所述第二桨叶的扭转角分布函数均为：

β(r/R)＝a₂×(r/R)²+b₂(r/R)+c₂

其中：

a₂＝50±5

b₂＝-110±5

c₂＝70±5

其中，β为剖面扭转角，r为剖面半径，R为桨叶半径，r/R为剖面相对半径，a₂，b₂，c₂分别为函数系数。

优选的，所述螺旋桨直径为4～5米，最大弦长为400～600mm。

优选的，所述第一桨叶和所述第二桨叶均在80％R～90％R范围内具有后掠的几何特征，后掠幅度0～0.05R。

优选的，所述第一桨叶和所述第二桨叶均在35％R～45％R范围内的弦宽最大。

本发明还提供一种高空无人机，所述高空无人机包括上述的极低雷诺数高效高空螺旋桨。

优选的，所述高空无人机为工作于1万～10万极低雷诺数流动状态、25～30km高空的长时巡航无人机。

本发明提供一种极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机，具有以下优点：

该螺旋桨工作于1万～10万极低雷诺数流动状态、25～30km高空的长时巡航状态下时，螺旋桨吸收功率为6～10千瓦。螺旋桨效率大于80％，可降低高空无人机推进系统的能源需求。

本发明提供的极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机，具有以下优点：

(1)桨叶内侧较宽的弦长可以提高剖面雷诺数，避免雷诺数过低导致的气动性能恶化严重现象；

(2)由于强激波易导致螺旋桨效率大幅降低，而本发明中桨叶设计为外侧后掠几何特征，因此，可以避免桨叶在高速旋转时出现强激波，提高螺旋桨效率。

附图说明

图1为本发明提供的极低雷诺数高效高空螺旋桨的侧视图；

图2本发明提供的极低雷诺数高效高空螺旋桨的俯视图；

图3为本发明提供的试验螺旋桨的弦宽分布曲线；

图4为本发明提供的试验螺旋桨的扭转角分布曲线；

图5为本发明提供的试验螺旋桨的前进比-效率曲线；

图中：1-第一桨叶；2-第二桨叶；

3-试验螺旋桨效率的理论计算值；

4-试验螺旋桨效率的风洞试验值。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

本发明提供一种适用于工作高度25～30公里、极低雷诺数(1万～10万)环境、额定功率6～10kw、转速600～1000转/分的定距变转速两叶螺旋桨，效率达到80％，如图1和图2所示，分别为螺旋桨的侧视图和俯视图，螺旋桨直径为4～5米，最大弦长为400～600mm，包括第一桨叶和第二桨叶；第一桨叶和第二桨叶相对于螺旋桨轴对称设置，也就是说，第一桨叶和第二桨叶几何外形和结构参数完全相同。第一桨叶和第二桨叶均在80％R～90％R范围内具有后掠的几何特征，后掠幅度0～0.05R。另外，第一桨叶和第二桨叶均在35％R～45％R范围内的弦宽最大；

具体的，第一桨叶和第二桨叶的相对弦宽分布函数均为：

C(r/R)＝-a₁×(r/R-b₁)²+c₁

其中：

b₁＝0.40±0.05

c₁＝0.25±0.05

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}1.45\±0.05& r/R\≤b_1\\ 0.55\±0.05& r/R>b_1\end{array}\right.;$

其中，C为剖面相对弦宽，r为剖面半径，R为桨叶半径，r/R为剖面相对半径，a₁为二次项系数，b₁为最大弦宽所在的剖面相对半径，c₁为最大弦宽；

第一桨叶和第二桨叶的扭转角分布函数均为：

β(r/R)＝a₂×(r/R)²+b₂(r/R)+c₂

其中：

a₂＝50±5

b₂＝-110±5

c₂＝70±5

其中，β为剖面扭转角，r为剖面半径，R为桨叶半径，r/R为剖面相对半径，a₂，b₂，c₂分别为函数系数。

以直径4.5米的试验螺旋桨为例，验证本发明提供的极低雷诺数高效高空螺旋桨的高效率性：

试验螺旋桨的剖面选用国外公开的E387翼型，试验螺旋桨共有2片桨叶，其桨叶的相对弦宽分布曲线见图3，相对弦宽分布函数为：

C(r/R)＝-a₁×(r/R-b₁)²+c₁

其中：

b₁＝0.40

c₁＝0.25

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}1.45& r/R\≤b_1\\ 0.55& r/R>b_1\end{array}\right.$

桨叶的扭转角分布曲线见图4，其扭转角分布函数为：

β(r/R)＝a₂×(r/R)²+b₂(r/R)+c₂

其中：

a₂＝50

b₂＝-110

c₂＝70

由图3和图4可以看出，桨叶在80％R～100％R范围内具有后掠的几何特征，80％R剖面处的后掠幅度为0，100％R剖面处的后掠幅度为0.045R。

将试验螺旋桨进行风洞试验，风洞试验结果得到的前进比-效率曲线见图5中的曲线4；将试验螺旋桨进行雷诺平均Navier-Stokes方程的理论计算，理论计算结果得到的前进比-效率曲线见图5中的曲线3；对比曲线3和曲线4可以看出，风洞试验结果与雷诺平均Navier-Stokes方程的理论计算结果接近，由图5可以看出，试验螺旋桨在前进比0.9～1.3(功率6kw～10kw)范围内的效率均大于80％，证明该试验螺旋桨的高效率。

综上所述，本发明提供的极低雷诺数高效高空螺旋桨及高空无人机，具有以下优点：

(1)桨叶内侧较宽的弦长可以提高剖面雷诺数，避免雷诺数过低导致的气动性能恶化严重现象；

(2)由于强激波易导致螺旋桨效率大幅降低，而本发明中桨叶设计为外侧后掠几何特征，因此，可以避免桨叶在高速旋转时出现强激波，提高螺旋桨效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种极低雷诺数高效高空螺旋桨，其特征在于，所述螺旋桨为两叶螺旋桨，包括第一桨叶和第二桨叶；所述第一桨叶和所述第二桨叶相对于螺旋桨轴对称设置；

所述第一桨叶和所述第二桨叶的相对弦宽分布函数均为：

C(r/R)＝-a₁×(r/R-b₁)²+c₁

其中：

b₁＝0.40±0.05

c₁＝0.25±0.05

$a_1=\left\{\begin{array}{cc}1.45\±0.05& r/R\≤b_1\\ 0.55\±0.05& r/R>b_1\end{array}\right.;$

其中，C为剖面相对弦宽，r为剖面半径，R为桨叶半径，r/R为剖面相对半径，a₁为二次项系数，b₁为最大弦宽所在的剖面相对半径，c₁为最大弦宽；

所述第一桨叶和所述第二桨叶的扭转角分布函数均为：

β(r/R)＝a₂×(r/R)²+b₂(r/R)+c₂

其中：

a₂＝50±5

b₂＝-110±5

c₂＝70±5

其中，β为剖面扭转角，r为剖面半径，R为桨叶半径，r/R为剖面相对半径，a₂，b₂，c₂分别为函数系数。

2.根据权利要求1所述的极低雷诺数高效高空螺旋桨，其特征在于，所述螺旋桨直径为4～5米，最大弦长为400～600mm。

3.根据权利要求1所述的极低雷诺数高效高空螺旋桨，其特征在于，所述第一桨叶和所述第二桨叶均在80％R～90％R范围内具有后掠的几何特征，0＜后掠幅度≤0.05R。

4.根据权利要求1所述的极低雷诺数高效高空螺旋桨，其特征在于，所述第一桨叶和所述第二桨叶均在35％R～45％R范围内的弦宽最大。

5.一种高空无人机，其特征在于，所述高空无人机包括权利要求1-4任一项所述的极低雷诺数高效高空螺旋桨。

6.根据权利要求5所述的高空无人机，其特征在于，所述高空无人机为工作于1万～10万极低雷诺数流动状态、25～30km高空的长时巡航无人机。