CN104973236A - 用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机。一种用于高空无人机的变距螺旋桨，包括桨毂、固定在桨毂上的转轴以及套装在转轴上且表面连续的桨叶；桨叶包含有可动桨片，可动桨片可在该可动桨片的前缘和尾缘的气压差下绕转轴旋转；可动桨片与转轴之间设置有复位结构，该复位结构用于将旋转的可动桨片复位。一种高空无人机，包括机身和如上所述的变距螺旋桨，该变距螺旋桨的桨毂固定在机身上。本发明采用将套装在与桨毂固定的转轴上的变距螺旋桨表面连续的桨叶设置成可在自身前缘及后缘压力差下绕转轴转动的可动桨片以及在可动桨片与转轴之间设置可动桨片复位结构的方式简化了螺旋桨变距结构，适应了高空长航无人机的对螺旋桨的要求。

Description

用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机

技术领域

本发明涉及一种用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机，属于航空技术领域。

背景技术

高空长航无人机的巡航高度为20千米，巡航时间超过24小时，在这种高空环境下大气密度较低(约为地面空气密度的1/14)，因此要求无人机的螺旋桨具有质量轻的特点并且在巡航阶段其气动效率高。并且，由于高空无人机的爬升时间长(美国“全球鹰”无人机爬升到19千米需要约115分钟)，爬升过程中所需拉力较大(一般为巡航时的3-4倍)，此时需要提高螺旋桨的转速。但是，螺旋桨转速提高使得螺旋桨的前进比(前进比用于表示飞行速度与旋转速度的相对大小)变小，也即降低了螺旋桨的气动效率。

为了提高小前进比大拉力情况下螺旋桨的气动效率，现有技术中的高空无人机螺旋桨多采用变桨距形式，即根据前进比利用位于桨毂内的变距机构将桨叶的安装角调整至最佳位置，以此提高螺旋桨的气动效率。

现有技术中的变距螺旋桨共有两类，一类是在大型飞机上使用的变距螺旋桨，这类变距螺旋桨一般变距速度和频率都较低，加上大型螺旋桨变距所需力矩较大，所以这类变距螺旋桨往往采用的是液压系统驱动变距机构，实现螺旋桨的变距；另一类是中小型飞机上的变距螺旋桨，这类变距螺旋桨使用减速电动机带动蜗轮蜗杆机构运动，进而驱动变距机构，实现螺旋桨的变距。以上变距方法虽然能产生较大的变距力矩，但是整个变距系统机构复杂，不仅导致成本较高而且重量较大，只适用于一些速度较高、功率较大的飞机，而不适用于高空长航时无人机对螺旋桨的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机，以解决现有技术中的变距螺旋桨机构复杂不适宜于高空无人机使用的问题。

一种用于高空无人机的变距螺旋桨，包括桨毂、固定在桨毂上的转轴以及套装在转轴上且表面连续的桨叶；桨叶包含有可动桨片，可动桨片可在该可动桨片的前缘和尾缘的气压差下绕转轴旋转；可动桨片与转轴之间设置有复位结构，该复位结构用于将旋转的可动桨片复位。

上述变距螺旋桨的进一步改进，复位结构设置为扭转弹簧，该扭转弹簧套装在转轴上且连接可动桨片。优选的，扭转弹簧在初始的状态下设置有一个初始的扭矩，也即该扭转弹簧的初始状态为具有一定扭矩的扭转状态。

上述变距螺旋桨的进一步改进，桨叶上设置有限位结构，该限位结构用于限制可动桨片的旋转角度；该限位结构为在可动桨片的下翼面下方设置的限位杆，且限位杆距可动桨片前缘的距离小于限位杆距可动桨片尾缘的距离。

上述变距螺旋桨的进一步改进，桨叶和转轴上设置有相互配合的限位结构，该限位结构为转轴上设置的凹槽与可动桨片上设置的与凹槽相配合的凸起，该凸起可在凹槽内沿可动桨片的旋转方向运动。

上述变距螺旋桨的进一步改进，可动桨片为一个或者两个以上。优选的，桨叶还包括根部桨片以及尖部桨片，该根部桨片固定连接桨毂，尖部桨片固定连接转轴，可动桨片设置于根部桨片和尖部桨片之间。

上述变距螺旋桨的进一步改进，该变距螺旋桨还包括：柔性连接件，该柔性连接件覆盖于相邻两个桨片接触位置处的环状缝隙，柔性连接件将相邻两个桨片连接在一起以使相邻两个桨片具有在预设范围内的相对位移量。优选的，该柔性连接件为弹性薄膜。

一种高空无人机，包括机身和如上所述的变距螺旋桨，该变距螺旋桨的桨毂固定在机身上。

本发明用于高空无人机的变距螺旋桨及无人机采用将套装在与桨毂固定的转轴上的变距螺旋桨表面连续的桨叶设置成具有可动桨片的结构，使得飞机在飞行过程中时，可动桨片可在前缘和尾缘的气压差下绕转轴旋转并在无人机转速变化或者前缘和尾缘气压差变化时通过可动桨片与转轴之间设置的复位结构将旋转的可动桨片复位。这样的结构使得高空长航时无人机的螺旋桨，在爬升过程中小前进比工况下，不用在增加动力传输结构来对螺旋桨进行变距就可在可动桨片自身前缘和尾缘的压力差所产生的扭矩下自行调节桨叶迎角，从而合理优化载荷分布提高气动效率，简化了螺旋桨变距结构，提高了螺旋桨在该使用条件下的推进效率，适应了高空长航无人机对螺旋桨的要求。而具有柔性连接件的变距螺旋桨则能保证桨叶具有更好的气动外形。

附图说明

图1为本发明实施例所给出的用于高空无人机的变距螺旋桨等测图；

图2为本发明实施例所给出的用于高空无人机的变距螺旋桨俯视图；

图3为本发明实施例所给出的复位结构俯视图；

图4为本发明实施例所给出的可动桨片的局部结构示意图。

图中：

10、桨毂；                        20、转轴；

30、桨叶；                        31、根部桨片；

32、可动桨片；                    321、前缘；

322、尾缘；                       33、尖部桨片；

34、复位结构；                    341、扭转弹簧；

35、限位结构；                    351、限位杆；

352、凹槽；                       353、凸起；

36、环状缝隙；                    37、弹性薄膜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，本发明不局限于下述的具体实施方式。

在发明中，为便于理解和描述，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“前、后”是指参考附图所示的纸面的前、后；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

本发明的第一方面提供一种用于高空无人机的变距螺旋桨，如图1-2所示，变距螺旋桨包括桨毂10、转轴20和表面连续的桨叶30。桨叶30包含有可动桨片32，该可动桨片32可以绕转轴20转动，这种转动时在可动桨片32的前缘321和尾缘322的气压差下进行的。可动桨片32与转轴20之间还设置有复位结构34，该复位结构34用于将在前缘321和尾缘322的气压差下旋转的可动桨片32回复到初始位置，即减小可动桨片32桨叶角的方向。

其中，转轴20的一端固定在桨毂10上，桨叶30通过轴套套装在转轴20上。可选地，为了保证螺旋桨具有较优异的功能，转轴20的下端不应超出桨叶30的下端。

具体的，可动桨片32的前缘321和尾缘322是由螺旋桨安装的初始状态确定的，这属于现有技术。如图1所示，前缘321位于可动桨片32的左侧，尾缘322位于可动桨片32的右侧。

在实际使用过程中，高空无人机在爬升时，调整螺旋桨的转速，可动桨片32的前缘321和尾缘322之间会受到不同的气流压力，也即，在前缘321和尾缘322上产生压力差，产生一个绕转轴20旋转的扭矩。可动桨片32则在这个扭矩下做不同程度的旋转从而改变了螺旋桨桨叶30的桨叶角，提高了螺旋桨的气动效率。通过复位结构34给可动桨片32提供一个复位力，始终使前缘321和后缘322为可动桨片32提供的扭力大小与复位结构34的复位力大小平衡，从而能够使得高空无人机螺旋桨在爬升等飞行过程中的桨叶角始终处于最佳位置，螺旋桨的气动效率最高。

需指出的是，该复位结构34并不表示每时每刻都将可动桨片32完全恢复到初始位置，而是指复位结构34至少能够使可动桨片32朝着初始位置方向运动到初始位置的能力，在某些情况下，能够将可动桨片32完全恢复到初始位置。初始位置即表示该变距螺旋桨未变距时的位置，也即可动桨片32刚刚安装完毕时的位置。

采用将套装在转轴20上的螺旋桨桨叶30设置成具有可动桨片32并在可动桨片32和转轴20之间设置复位结构34的方式，不仅满足了螺旋桨在爬升过程中的调整桨叶角的功能，而且还精简了变距螺旋桨的动力输出和传递结构，使高空无人机的变距螺旋桨的结构更加简单，重量也更加轻，更符合高空无人机对螺旋桨重量的要求。

上述变距螺旋桨的一种优选实施方式，复位结构34可以采取连接可动桨片32与转轴20的弹簧、高弹性材料(比如橡胶)或者如图4中示出的扭转弹簧341。例如，将弹簧的一端固定在可动桨片32上，另一端固定在转轴20上。当可动桨片32转动时，会拉伸，或者压缩弹簧，则弹簧会对可动桨片32产生一个回复力。作为一种优选方式，将扭转弹簧341套装在转轴20上并与可动桨片32连接。这样的扭转弹簧341在安装时可以是处于非变形状态，但为了在高空无人机巡航时可动桨片32不发生角度偏转，可根据实际需要在安装时给扭转弹簧341施加一个在巡航使用条件下可动桨片32能够绕转轴旋转的初始的力矩，也即，使扭转弹簧341处于一定的扭转状态。这个力矩应该满足以下条件：在高空巡航时，可动桨片32的前缘321和尾缘322所受到的气流压力差不大于扭转弹簧341在安装时被施加的初始力矩所产生的回复力，也即，该初始力矩可以使得可动桨片32在巡航状态下不偏转，而在其他状态下发生偏转。

具体的，扭转弹簧341可以有两种具体的安装方式，第一种安装方式是将扭转弹簧341套装在转轴20上并将扭转弹簧341的两端固定在相邻两个桨片之间；第二种安装方式是将扭转弹簧341套装在转轴20上并将扭转弹簧341的一端固定在转轴20上，一端固定在可动桨片32上。

采用扭转弹簧341作为复位结构34，其结构简单，安装方便，并且可以在安装时对复位结构34施加一个初始的力矩以保证高空无人机在巡航时可动桨片32不发生角度偏转，保证高空无人机在巡航状态下的稳定工作。

请参阅图3，上述变距螺旋桨的一种优选实施方式，在桨叶30和转轴20上设置有相互配合的限位结构35，该限位结构35用于限制可动桨片32的旋转角度。这种限位结构35可以为可动桨片32轴套和转轴20上设置的滑动结构。如图3所示，可动桨片32轴套上设置的凸起353以及转轴20上设置的凹槽352，该凸起353可在凹槽352内沿可动桨片32的旋转方向运动。或者，可动桨片32轴套上设置的凹槽352以及转轴20上设置的凸起353，该凸起353限制凹槽352沿可动桨片32旋转方向的位移量。或者，转轴20上设置有滑槽，可动桨片32轴套上设置有与滑槽相配合的滑轮，可动桨片32旋转角度可通过设置的滑槽距离长短进行限制。

请参阅图4，上述变距螺旋桨的一种优选实施方式，在桨叶30上设置有限位结构35，该限位结构35用于限制可动桨片32的旋转角度。这种限位结构35可以为在可动桨片32的下翼面下方设置的连接桨毂10的限位杆351，该限位杆351应设置在靠近前缘321的一侧，也即，限位杆351距可动桨片32前缘321的距离小于限位杆351距可动桨片32尾缘322的距离，最好是在前缘321的正下方，同时这样的限位杆351的直径应该满足本发明实现的功能，尽可能减少对翼型扰流的影响。

采用限位结构35可限制可动桨片32在复位结构34的复位力下的偏转角度，避免偏转角度过大从而出现桨叶30有效迎角过小或者负迎角的情况，保证高空无人机工作状态稳定。

上述变距螺旋桨的一种优选实施方式，可动桨片32可以设置为1个，也就是整个桨叶30均为可动桨片32。也可以将可动桨片32设置为多个，比如2-5个，此时，可以将这些可动桨片32依次套装转轴20上形成桨叶30。可动桨片32也可以与一个根部桨片31和一个尖部桨片33一起构成桨叶30。此时，根部桨片31固定连接桨毂10，尖部桨片33固定连接转轴20，1个或者多个可动桨片32依次设置于根部桨片31和尖部桨片33之间。当具有根部桨片31时，由于根部桨片31固定在桨毂10上，则转轴20可以与穿过根部桨片31与桨毂10固定，也可以直接与根部桨片31固定，其实质也是转轴20固定在桨毂10上。

采用多个可动桨片32的方式，不同位置的可动桨片32的前缘321和后缘322之间的压力差所产生的扭矩有所差异，使得不同位置的可动桨片32的旋转角度也是不同的，这样，可以更好的适应气流压力变化达到更佳的桨叶角。采用固定式的根部桨片31可以消除桨叶30与桨毂10之间的缝隙，减少气流流过缝隙时会对螺旋桨飞行效率的影响，提高螺旋桨工作效率。采用固定式的尖部桨片33可以使螺旋桨桨叶30尖部的旋转平面始终与旋转轴20垂直，提高飞行效率。

上述变距螺旋桨的一种优选实施方式，当有多个桨片时，在相邻两个接触位置处所产生的环状缝隙36处覆盖有柔性连接件，当可动桨片32旋转时，柔性连接件可以将相邻两个桨片连接在一起。不具有与桨毂10连接的根部桨片31时，例如，与桨毂10连接的是可动桨片32，则桨毂10和与桨毂10相邻的桨片之间的环状缝隙36处也可以覆盖这样的柔性连接件。这种柔性连接件是具有一定弹性且可有一定位移量的连接件，比如，弹性薄膜37、贴纸、贴胶或者聚丙烯薄膜(PP薄膜)等，这种柔性连接件应该具有与其功能相一致的抗氧化和抗温差的能力。

采用柔性连接件覆盖相邻两个桨片之间、桨毂10和与桨毂10相邻桨片之间的环状缝隙36可以使整个桨叶30的表面连续，能保证桨叶30具有更好的气动外形，避免桨叶30表面不连续影响螺旋桨的工作效率。

以上变距螺旋桨的可以包括2-6个桨叶30。

本发明还提供一种高空无人机，包括机身和如上所述的变距螺旋桨，该变距螺旋桨的桨毂固定在机身上。

采用上述变距螺旋桨结构的高空无人机，不仅满足了螺旋桨在爬升过程中调整桨叶角的功能而且还取消了变距螺旋桨的动力输出和传递结构，使高空无人机的变距螺旋桨的结构更加简单，重量也更加轻，更符合高空无人机对螺旋桨重量的要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于高空无人机的变距螺旋桨，其特征在于，包括桨毂、固定在桨毂上的转轴以及套装在所述转轴上且表面连续的桨叶；所述桨叶包含有可动桨片，所述可动桨片可在该可动桨片的前缘和尾缘的气压差下绕所述转轴旋转；所述可动桨片与转轴之间设置有复位结构，所述复位结构用于将旋转的可动桨片复位。

2.根据权利要求1所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述复位结构为扭转弹簧，所述扭转弹簧套装在所述转轴上且连接所述可动桨片。

3.根据权利要求1所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述桨叶上设置有限位结构，所述限位结构用于限制所述可动桨片的旋转角度；所述的限位结构为在所述可动桨片的下翼面下方设置的限位杆，所述限位杆连接所述桨毂，且所述限位杆距可动桨片前缘的距离小于所述限位杆距可动桨片尾缘的距离。

4.根据权利要求1所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述桨叶和转轴上设置有相互配合的限位结构，所述限位结构用于限制所述可动桨片的旋转角度。

5.根据权利要求4所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述限位结构为所述转轴上设置的凹槽以及所述可动桨片上设置的与所述凹槽相配合的凸起，所述凸起可在所述凹槽内沿所述可动桨片的旋转方向运动。

6.根据权利要求1所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述可动桨片为一个或者两个以上。

7.根据权利要求6所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述桨叶还包括根部桨片以及尖部桨片，所述根部桨片固定连接所述桨毂，所述尖部桨片固定连接所述转轴，所述可动桨片设置于所述根部桨片和所述尖部桨片之间。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的变距螺旋桨，其特征在于，还包括：

柔性连接件，所述柔性连接件覆盖于相邻两个桨片接触位置处的环状缝隙，所述柔性连接件将相邻两个桨片连接在一起以使相邻两个桨片具有在预设范围内的相对位移量。

9.根据权利要求8所述的变距螺旋桨，其特征在于，所述柔性连接件为弹性薄膜。

10.一种高空无人机，其特征在于，包括机身和如权利要求1-9任一项所述的变距螺旋桨，所述变距螺旋桨的桨毂固定在机身上。