CN105691596A - 一种类三角布局高空螺旋桨 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种类三角布局高空螺旋桨，包括两个螺旋桨叶片和一个连接轴，两个螺旋桨叶片对称安装在连接轴上，螺旋桨叶片的一端为根部，另一端为梢部，连接轴与螺旋桨叶片的根部固定连接，螺旋桨叶片最大弦长为螺旋桨叶片总长度的19.7％；螺旋桨叶片最大受载翼剖面弦长为螺旋桨叶片总长度的11.5％；螺旋桨叶片的翼尖形状为小翼尖；螺旋桨叶片主承载区位于螺旋桨叶片的中部，螺旋桨叶片主承载区的面积是螺旋桨叶片总面积的56％。本发明克服了传统螺旋桨在高空长航时运转过程中效率与推力不足的缺陷，并且兼顾了高低空性能，实现了在临近空间各个飞行高度的高效运转。

Description

一种类三角布局高空螺旋桨
技术领域
本发明涉及一种类三角布局高空螺旋桨，属于临近空间长航时无人飞行器螺旋桨技术领域。
背景技术
近年来，高空无人长航时飞行器的相关研究正在以空前的速度发展，其在军用和民用领域的应用前景将十分广泛。
由于高空无人长航时飞行器的工作环境为临近空间，受低密度空气等各种因素影响，常规推进系统的效率会显著降低。根据当前国际上推进系统的发展水平，以及此类飞行器的长时间滞空停留和太阳能利用等多方面要素的综合考虑，螺旋桨仍然是低速临近空间飞行器的主要推进动力方式，成为高空长航时无人飞行器研制的关键技术之一，其性能的优劣对研制成败具有极其重要的影响。
复杂而特殊的环境特性是形成螺旋桨设计技术难点的主要原因之一，低速临近空间飞行器升降过程高度变化范围是从地面至20km或更高的空间，大气密度变化大，雷诺数较低，螺旋桨雷诺数约5E4～5E5，高低空气动特性、可用推力和功率都发生很大变化。20km左右高空的平流层空气密度约为海平面处的1/14，压强约1/18，呈高空低雷诺数效应。由此，普通螺旋桨翼型在小攻角下可能出现层流分离，升力系数随攻角增大缓慢增加，并出现静态滞回，而阻力系数迅速增大，导致螺旋桨气动效率严重下降。同时，为了弥补平流层大气密度降低引起的螺旋桨推力和功率损失，保证推进系统有足够的抗风和推进能力，常见的高空螺旋桨直径和转速都比较大，而高空声速比地面又有所降低，就会导致叶梢局部马赫数较高甚至出现激波，进一步加剧了气流分离损失。因而要求螺旋桨具有良好的适应性，如果临近空间飞行器的螺旋桨桨叶直径大，相对厚度薄，截面扭转角较大，则能够实现飞行器轻质高强高效的设计目标，有利于进一步完善临近空间飞行器的性能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种类三角布局高空螺旋桨，该螺旋桨叶片采用小翼尖构型，通过调整螺旋桨叶片各个位置的弦长、厚度、主承载区的比例关系以及扭转角的变化范围，实现无人飞行器在临近空间低雷诺数条件下推力与效率的指标要求。
本发明的技术解决方案是：
一种类三角布局高空螺旋桨，包括两个螺旋桨叶片和一个连接轴，两个螺旋桨叶片对称安装在连接轴上，螺旋桨叶片的一端为根部，另一端为梢部，连接轴与螺旋桨叶片的根部固定连接，每个螺旋桨叶片均采用小翼尖构型，螺旋桨叶片根部至梢部的弦长分布呈先增大后减小的趋势，螺旋桨叶片的最大受载翼剖面、最大弦长和主承载区均位于螺旋桨叶片的中部。
在上述的一种类三角布局高空螺旋桨中，螺旋桨叶片的最大弦长为螺旋桨叶片总长度的19.7％，螺旋桨叶片的最大受载翼剖面弦长为螺旋桨叶片总长度的11.5％，螺旋桨叶片主承载区位于沿螺旋桨叶片展向30％～80％之间，螺旋桨叶片主承载区的面积为螺旋桨叶片总面积的56％。
在上述的一种类三角布局高空螺旋桨中，螺旋桨叶片的最大受载翼剖面位于沿螺旋桨叶片展向60％处，螺旋桨叶片主承载区呈三角形分布，螺旋桨叶片主承载区的弦长大，雷诺数高，马赫数低，升阻特性好。
在上述的一种类三角布局高空螺旋桨中，螺旋桨叶片的根部扭转角大于梢部扭转角，螺旋桨叶片的根部扭转角与梢部扭转角相差52°。
在上述的一种类三角布局高空螺旋桨中，螺旋桨叶片的最大弦长位于沿桨叶展向30％处。
在上述的一种类三角布局高空螺旋桨中，沿螺旋桨叶片展向不同剖面位置其翼型的最大相对厚度不同，呈先减小后增大的趋势。
在上述的一种类三角布局高空螺旋桨中，螺旋桨叶片的剖面翼型采用高升力薄后缘翼型，该类翼型采取凹的Stratford-like压力分布和后加载技术，该类翼型上下翼面不再对称，上翼面厚度增加，下翼面厚度减小，并在后缘处凹入，前缘半径相对较大，最大厚度和最大弯度位置靠前。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明的螺旋桨叶片的最大弦长为螺旋桨叶片总长度的19.7％，显著增加了螺旋桨的有效受载面积，进一步提高了螺旋桨所产生的有效推力。
2、本发明的螺旋桨叶片的最大弦长位于沿螺旋桨叶片展向30％处，螺旋桨叶片主承载区位于沿螺旋桨叶片展向30％～80％之间，使得螺旋桨叶片受载扭矩小，变形小，流固耦合影响小。
3、本发明的螺旋桨叶片根部扭转角与梢部扭转角相差52°，能够保证在不同工作高度以及雷诺数的条件下，不同螺旋桨叶片剖面翼型的有效攻角对应的升阻特性良好，满足推力与效率性能的相关技术要求。
4、本发明的螺旋桨叶片主承载区受载均匀，不存在局部受载集中的现象，避免了结构遭受破坏和失效问题的发生。
5、本发明的螺旋桨叶片采用小翼尖构型，能够有效减小桨尖涡流，降低桨尖的诱导阻力，减少能量损失，提高螺旋桨性能。
6、本发明的螺旋桨叶片基础剖面翼型采用高升力薄后缘翼型，该类翼型的特点是在较大的迎角范围内都有较好的升阻特性，失速特性缓和，能够高低空兼顾，在低空、次高空(15km左右)或雷诺数大于E05的情况下属于高升阻比层流翼型，升阻比大于60，在高空雷诺数5E04环境下出现层流分离现象，升阻比降低，但也能达到20左右，易于实现设计需求。
附图说明
图1为本发明结构图
图2为本发明主视图
图3为本发明俯视图
图4为本发明侧视图
图5为本发明连接轴结构图
图6为本发明不同工作高度下的推力与效率图
图7为本发明螺旋桨沿展向不同剖面位置雷诺数分布曲线图
图8为本发明螺旋桨沿展向不同剖面位置拉力系数分布曲线图
图9为本发明实施例二结构图
图10为本发明实施例二20km高度下推力与效率图
其中：1螺旋桨叶片；2连接轴；
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
如图1所示，一种类三角布局高空螺旋桨，包括两个螺旋桨叶片1和一个连接轴2，两个螺旋桨叶片1对称安装在连接轴2上，螺旋桨叶片1的一端为根部，另一端为梢部，连接轴2与螺旋桨叶片1的根部固定连接，螺旋桨叶片1的最大受载翼剖面位于沿螺旋桨叶片1展向60％处，螺旋桨叶片1主承载区位于螺旋桨叶片1中部，呈三角形分布。
如图2所示，每个螺旋桨叶片1均采用小翼尖构型，螺旋桨叶片1的最大弦长为螺旋桨叶片1总长度的19.7％，螺旋桨叶片1的最大受载翼剖面弦长为螺旋桨叶片1总长度的11.5％。
如图3所示，螺旋桨叶片1根部至梢部的弦长分布呈先增大后减小的趋势，螺旋桨叶片1的最大弦长位于沿螺旋桨叶片1展向30％处。
如图4所示，螺旋桨叶片1的根部扭转角大于梢部扭转角，螺旋桨叶片1的根部扭转角与梢部扭转角相差52°，螺旋桨叶片1的剖面翼型采用高升力薄后缘翼型。
如图5所示，连接轴2由头体和支承座组成，连接轴2头体上设有用于安装螺旋桨叶片1的孔。
如图6所示，在不同工作高度下，螺旋桨叶片1的效率均能达到80％以上，推力也能满足技术要求。
如图7所示，螺旋桨叶片1的最大雷诺数剖面位于沿螺旋桨叶片1展向40％处，该剖面弦长大，马赫数低。
如图8所示，螺旋桨叶片1的主承载区可通过拉力系数反映，螺旋桨叶片1的主承载区位于螺旋桨叶片1的中部，螺旋桨叶片1主承载区面积为螺旋桨叶片1总面积的56％。
实施例二：
如图9所示，一种类三角布局高空螺旋桨，包括两个螺旋桨叶片1和一个连接轴2，两个螺旋桨叶片1对称安装在连接轴2上，螺旋桨叶片1的一端为根部，另一端为梢部，连接轴2与螺旋桨叶片1的根部固定连接，每个螺旋桨叶片1均采用小翼尖构型，此实施例主要针对弦长与扭转角进行局部调整，螺旋桨叶片1最大受载翼剖面位于沿螺旋桨叶片1展向20％处，螺旋桨叶片1最大受载翼剖面弦长为螺旋桨叶片1总长度的21.4％，螺旋桨叶片1的根部扭转角与梢部扭转角相差56°。
如图10所示，在20km高度下，实施例二的推力与效率同样能够满足技术指标的要求。
本发明的工作原理是：
依据儒科夫斯基涡流理论和普朗特机翼理论，把绕过螺旋桨叶片1的气流看作是由各个单独螺旋桨叶片1激起的涡流场和相应的诱导速度场组成，将翼型绕流视为无限翼展绕流叠加下洗流动，通过计算翼型气动力，积分得到全桨气动力。因此，既考虑了螺旋桨叶片1的轴向效应和旋转效应，又计入了螺旋桨叶片1的下洗效应和桨叶之间的干扰。
本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种类三角布局高空螺旋桨，包括两个螺旋桨叶片(1)和一个连接轴(2)，两个螺旋桨叶片(1)对称安装在连接轴(2)上，螺旋桨叶片(1)的一端为根部，另一端为梢部，连接轴(2)与螺旋桨叶片(1)的根部固定连接，其特征在于：每个螺旋桨叶片(1)均采用小翼尖构型，螺旋桨叶片(1)根部至梢部的弦长分布呈先增大后减小的趋势，螺旋桨叶片(1)的最大受载翼剖面、最大弦长和主承载区均位于螺旋桨叶片(1)的中部。
2.根据权利要求1所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的最大受载翼剖面位于沿螺旋桨叶片(1)展向60％处。
3.根据权利要求1所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的最大弦长位于沿螺旋桨叶片(1)展向30％处。
4.根据权利要求1所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)主承载区位于沿螺旋桨叶片(1)展向30％～80％之间。
5.根据权利要求1所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的根部扭转角大于梢部扭转角。
6.根据权利要求1所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的剖面翼型采用高升力薄后缘翼型。
7.根据权利要求1或2所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的最大受载翼剖面弦长为螺旋桨叶片(1)总长度的11.5％。
8.根据权利要求1或3所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的最大弦长为螺旋桨叶片(1)总长度的19.7％。
9.根据权利要求1或4所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)主承载区呈三角形分布，螺旋桨叶片(1)主承载区面积为螺旋桨叶片(1)总面积的56％。
10.根据权利要求1或5所述的一种类三角布局高空螺旋桨，其特征在于：所述螺旋桨叶片(1)的根部扭转角与梢部扭转角相差52°。
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