CN106628120B - 一种高效气动涵道体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高效气动涵道体。在保证涵道唇口形状不变的前提下，在涵道内壁开槽，一方面减轻涵道体本身的重量，增加有效载荷，另一方面增大涵道内部风扇的半径，从而增大风扇产生的升力，同时有效的抑制桨尖的绕流环境，降低风扇的桨尖损失，提高了风扇的效率。另设有开关，可在涵道体进行开口操作，让涵道升力系统减少动量阻力和废阻，以适应飞行器垂直飞行和前飞时的高效气动状态。

Description

一种高效气动涵道体
技术领域
本发明属于飞行器设计、产品与系统集成、汽车、通用航空器、交通运输领域，具体涉及一种高效气动涵道体。
技术背景
相对于同样直径的孤立风扇，在同样功率消耗的情况下，由于涵道抑制了风扇桨尖的绕流，从而降低了桨尖损失，并降低了尾流的能量损失，同时由于在涵道的唇口形成低压区，使得涵道体自身可以提供一部分附加升力，另外由于涵道的保护作用，风扇的气动噪音明显降低，并提高了风扇的使用安全性，因而，涵道旋翼作为一种推力或升力装置，具有很好的应用前景，侧重于低空飞行，甚至垂直起降及悬停功能的涵道飞行器和陆空两用涵道飞行汽车等相继出现。合理的设计涵道的外形参数使涵道旋翼的气动效率更高就显得至关重要，目前，国内外主要通过以下方式进行涵道体的设计；
1、涵道内径高度比为2/3时涵道能提供的升力最大；
2、增大涵道唇口半径可以有效提高涵道升力；
3、合理的增大倒锥角可以有效改善涵道内部的绕流环境；
4、减小桨尖与涵道壁的间隙使增升效果明显；
5、桨盘位置在距离涵道入口约1/3高度时，涵道自身产生的升力最大。
涵道旋翼工作时，在涵道唇口内侧的气流流速明显高于涵道表面其他位置，因此在唇口内侧形成低压区，该低压区是涵道附加升力的主要贡献者,而涵道内侧的部分表面不但对涵道的附加升力贡献不大，反而增加了涵道体的重量，减少了升力系统的有效载荷。而且涵道体与旋翼(或螺旋桨、风扇，以下统称旋翼)桨叶叶尖间隙对整个涵道旋翼气动效能影响很大，虽然越小越好，但间隙太小对制作工艺及结构形变精度要求高，作为升力系统并裸露在外(可能会吸入沙石枝叶等杂物)的涵道体，间隙难以做到很小(厘米级降到毫米级)。另外，涵道旋翼体作为升力系统，在前飞时动量阻力及压差阻力非常大，直接影响装备涵道旋翼体的飞行器前飞速度及姿态。
发明内容
通常意义上的涵道体是将翼型延涵道体轴线旋转一周而形成的，相当于环形机翼。通过涵道旋翼的流场分布可以看出，由于涵道的吸流作用，在涵道唇口形成的低压区是涵道产生附加升力的主要原因，而涵道体的部分内壁只起到约束风扇尾流形状的作用，对涵道旋翼的升力贡献不大，为提高涵道体的风扇效率，本发明特提出一种高效气动涵道体，在保证涵道唇口形状不变的前提下，在涵道内壁开槽，一方面减轻涵道体本身的重量，增加有效载荷，另一方面增大涵道内部风扇的半径，从而增大风扇产生的升力，同时有效的抑制桨尖的绕流环境，降低风扇的桨尖损失，提高了风扇的效率。
本发明的高效气动涵道体，包括：1)在涵道体1内部的内表面上开环形槽2；2)在涵道体上设开口3，开口设有开口开关，控制开口的开和关；
所述开环形槽2是方形、圆形或其它形状，开槽方式根据桨叶的特性决定，具体为：
(1)如果为刚性桨叶，采取在涵道内壁开方槽的方式，
(2)如果考虑桨叶的挥舞特性，在考虑涵道倒锥角、扩散角和出口半径的合理设计的前提下，在涵道体内部开槽，同时考虑槽的流线性，以防止气流在开槽处产生旋涡等使桨尖的流场变的复杂。
所述涵道体内部为实心或中空结构，采用复合材料或轻质合金制成。
本发明具有以下优点：
(1)可以减轻涵道体本身的重量，增加有效载荷；
(2)可以增大涵道体内部旋翼的半径，从而增大旋翼产生的升力；
(3)可以有效的抑制桨尖的扰流环境，降低旋翼的桨尖气动损失；
(4)设有开关可在涵道体进行开口操作，让涵道升力系统适应飞行器垂直飞行和前飞时的高效气动状态。
工作原理或工作过程
涵道旋翼是指被涵道包围的旋翼(或螺旋桨或风扇)相对于同样直径的孤立旋翼(或螺旋桨或风扇)，在同样功率消耗的情况下，涵道旋翼工作时会产生更大的升力，这主要是涵道抑制了桨尖涡的形成，并降低了尾流能量损失，同时涵道的吸流作用，在涵道唇口内侧的气流流速明显高于涵道表面其他位置，因此在涵道唇口内侧形成低压区，该低压区是涵道附加升力的主要贡献者,从而使涵道旋翼的总升力增加。但是涵道体本身也增加了升力系统重量，因此在设计中需要权衡涵道体重量和附加升力的关系，以增加升力系统的有效载荷。
该涵道体与普通涵道体相比具有以下优点：
(1)可以减轻涵道体本身的重量，增加有效载荷；
(2)可以增大涵道体内部旋翼桨叶的半径，从而增大旋翼产生的升力；
(3)可以有效的抑制桨尖的绕流环境，降低旋翼桨叶的桨尖气动损失；
(4)涵道体垂直飞行时无开口，前飞式有开口(通过壳体装置移动实现)，大大降低前飞时涵道体引起的动量阻力和压差阻力，可适应不同飞行模式。
附图说明
图1为环槽涵道体开槽图；
图2为阶梯槽涵道体开槽图；
图3为高效气动涵道体示意图；
图4为涵道体截面剖视图(开口封闭)；
图5为涵道体截面剖视图(开口打开状态)。
具体实施方式
开口位置位于涵道体上，通过开口罩上下移动，可以实现涵道体开口的开启与关闭。
开口形状可以是长方形、圆形、椭圆、弧形或扇形，
大小是：绕涵道体一圈分布，长度不限，但不能全部连成一片(这样会把涵道体分割成上下2部分了，要留出涵道体上下相连加强筋部分，开口高度不超过1/2涵道体高度；
开口开关通过舵机或机械连杆进行操纵，实现开口罩上下移动，移动距离基本就是开口罩高度距离。
由于涵道的吸流作用，在涵道唇口形成的低压区是涵道产生附加升力的主要原因，而涵道体的部分内壁只起到约束旋翼尾流形状的作用，对涵道旋翼的升力贡献不大，因此在考虑桨叶挥舞运动的情况下，可以对涵道体的内壁开槽，达到减轻涵道体重量、增大风扇半径及改善桨尖绕流的目的。其中，在满足加工要求的前提下，桨尖与涵道体内壁的间隙应尽可能小。该涵道结构适用于一切以涵道旋翼作为升力或推力的升力系统，具有广泛的应用前景。
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为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高效气动涵道体，在涵道内壁开槽，其特征在于， 1）在涵道体（1）内部的内表面上开环形槽(2)；2）在涵道体上设开口(3)，开口设有开口开关，控制开口的开和关；
所述开环形槽(2)的开槽方式根据桨叶的特性决定，具体为：
（a）如果为刚性桨叶，采取在涵道内壁开方槽的方式，
（b）如果考虑桨叶的挥舞特性，在考虑涵道倒锥角、扩散角和出口半径的设计的前提下，采取在涵道体内部开槽，同时考虑槽的流线性，以防止气流在开槽处产生旋涡使桨尖的流场变复杂；
所述涵道体内部为实心或中空结构，采用复合材料或轻质合金制成；
所述开口大小是：绕涵道体一圈分布，开口高度不超过1/2涵道体高度；
所述开口开关通过舵机或机械连杆进行操纵，实现开口罩上下移动，移动距离基本就是开口罩高度距离；
所述开口形状是长方形、圆形、椭圆、弧形或扇形。
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