CN106864733A - 自适应螺旋桨桨叶装置及飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应螺旋桨桨叶装置，包括：半柔性翼面结构，其构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型，半柔性翼面结构包括刚性翼面结构、柔性翼面结构和柔性翼面限位部件，柔性翼面限位部件的一端固定在刚性翼面结构上，另一端可滑动地连接在柔性翼面结构上，从而对柔性翼面结构的变形起到限位作用；主支撑杆，主支撑杆贯穿各个刚性翼面结构并且在螺旋桨桨叶的整个长度上延伸；连接在柔性翼面结构上的多个自适应柔顺机构，基于柔性翼面上所受力的不同并且结合柔性翼面结构自身的可变形性，多个自适应柔顺机构能够自适应地发生变形，使得柔性翼面的形态能够改变，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整。本发明还提供了一种飞行器。

Description

自适应螺旋桨桨叶装置及飞行器

技术领域

本发明涉及螺旋桨飞行器领域。更具体地涉及一种自适应螺旋桨桨叶装置及具有这种自适应螺旋桨桨叶装置的飞行器。

背景技术

螺旋桨飞机在进行大跨度飞行时，螺旋桨所工作的环境变化很大，容易出现螺旋桨效率降低，负载不匹配等的情况，从而产生使飞行器载重能力降低，飞行时间缩短等问题，大大的限制了飞行器性能的提升。

目前解决的办法主要有采用螺旋桨变距技术和多级减速器技术，螺旋桨变距技术根据飞行器的飞行速度、飞行高度和推力需求来实现功率匹配，但这样往往带来螺旋桨效率降低等问题；多级减速器技术通过改变动力系统的额定输出转速和额定输出转矩来实现螺旋桨与动力装置的功率匹配，但是这种减速器往往传动效率低，重量大，可靠性差，对飞行器的飞行性能带来一些不利的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种自适应螺旋桨桨叶装置，该装置效率高，结构简单，使得飞行器飞行在一定的工况范围内都具有较佳气动性能和较高效率。

为实现上述目的，本发明根据螺旋桨的工作环境，通过自适应柔性机构实现螺旋桨扭角和翼型等参数的调节，解决螺旋桨与动力驱动装置的匹配问题，使螺旋桨在整个飞行器飞行任务过程中都有较佳的气动性能。该目的通过以下技术方案实现：

本发明提供一种自适应螺旋桨桨叶装置，该自适应螺旋桨桨叶装置包括：

半柔性翼面结构，所述半柔性翼面结构构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型，所述半柔性翼面结构包括刚性翼面结构、柔性翼面结构和柔性翼面限位部件，其中，沿螺旋桨桨叶的长度方向间隔地布置有多个刚性翼面结构，所述柔性翼面限位部件的一端固定在所述刚性翼面结构上，另一端可滑动地连接在所述柔性翼面结构上，从而对所述柔性翼面结构的变形起到限位作用；

主支撑杆，所述主支撑杆贯穿各个刚性翼面结构并且在螺旋桨桨叶的整个长度上延伸；

多个自适应柔顺机构，所述多个自适应柔顺机构连接在所述柔性翼面结构上，基于柔性翼面上所受力的不同并且结合所述柔性翼面结构自身的可变形性，所述多个自适应柔顺机构能够自适应地发生变形，使得柔性翼面的形态能够改变，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整；

各个刚性翼面结构位于螺旋桨的叶素翼型的位于上翼面和下翼面之间的前缘段并且在所述下翼面的一侧进一步向后延伸，所述刚性翼面结构为主支撑杆提供安装基座，所述刚性翼面结构和所述柔性翼面结构为一体连接，从而保证螺旋桨桨叶平滑的上下翼面气动特性。

进一步地，所述自适应柔顺机构是由柔性材料制成的柔性铰链，所述柔性铰链为一体形成的长条状结构并且在其非端部的位置设置有至少一个切口部。

进一步地，所述柔性铰链具有至少两种形式的切口部，包括环形切口和侧部切口。

进一步地，所述多个自适应柔顺机构的变形包括偏转、扭转和拉伸。

进一步地，当柔性翼面受到的气动力发生改变时，相应的各个自适应柔顺机构内部弹性势能发生变化，受力发生变形，从而改变翼型的形状，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整。

优选地，所述柔性翼面限位部件包括能够弹性拉伸的弹性绳索和能够在所述柔性翼面结构上滑动的柔性翼面连接部，所述弹性绳索的一端连接至所述刚性翼面结构，另一端连接至所述柔性翼面连接部。

优选地，所述自适应柔顺机构由柔性材料构成，该柔性材料从包括形状记忆合金、形状记忆合金聚合物、聚丙烯、压塑性塑料的组合中选择。

另外，本发明还涉及具有上述自适应螺旋桨桨叶装置的飞行器。

本发明的优点在于：本发明的自适应螺旋桨桨叶装置结合自适应柔顺机构的可变形性的特点和螺旋桨的气动外形要求，使螺旋桨桨叶翼型能根据外部所受气动力的变化实时地进行相应的调整改变，使得螺旋桨具有更高的气动性能，能够更好地结合动力装置实现功率和负载的匹配。而且因为自适应柔顺机构具有结构简单、免装配和摩擦等特点，使得本发明的自适应螺旋桨桨叶装置结构简单，可靠性好，重量轻。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明的实施方式的自适应螺旋桨桨叶装置的翼型结构示意图；

图2示出了具有根据本发明的自适应螺旋桨桨叶装置的螺旋桨的外形示意图；

图3示出了根据本发明的实施方式的自适应螺旋桨桨叶装置的螺旋桨桨叶截面叶素分布示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

根据本发明的实施方式，提出一种自适应螺旋桨桨叶装置，如图1所示，该自适应螺旋桨桨叶装置包括半柔性翼面结构、主支撑杆5和多个自适应柔顺机构3。半柔性翼面结构包括刚性翼面结构1、柔性翼面结构2和柔性翼面限位部件4，图1所示的半柔性翼面结构构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型。其中，刚性翼面结构1并非整体地贯穿螺旋桨桨叶的整个长度，而是有多个刚性翼面结构1沿螺旋桨桨叶的长度方向间隔地布置，由此可以减轻螺旋桨的重量。柔性翼面限位部件4的一端固定在刚性翼面结构1上，另一端可滑动地连接在柔性翼面结构2上，从而对柔性翼面结构2的变形起到限位作用，以防止由于特殊工况使得柔性翼面结构2的变形过大而影响螺旋桨桨叶的正常工作。根据基于特定工况的具体设计，可以在不同的位置设置多个柔性翼面限位部件，从而共同地对柔性翼面结构的变形起到限位作用。柔性翼面限位部件4可以由能够弹性拉伸的弹性绳索和柔性翼面连接部构成，弹性绳索的一端连接至刚性翼面结构，另一端连接至柔性翼面连接部。柔性翼面连接部例如可以是设置在柔性翼面结构2的滑轨中的滑环结构，或者可以与柔性翼面结构2形成拉锁结构。主支撑杆5贯穿各个刚性翼面结构1并且在螺旋桨桨叶的整个长度上延伸，从而加强螺旋桨桨叶整体的刚度，使得螺旋桨桨叶能够承受翼面传来的气动力，并且为桨叶截面提供初始的安装扭角和固定安装的位置；刚性翼面结构1为主支撑杆5提供安装基座，例如，主支撑杆5与各个刚性翼面结构1可以通过轴套连接固定，在初始安装时半柔性翼面结构即按设计设有一定的安装角。可弹性变形的多个自适应柔顺机构3按特定的设计分布连接在所述柔性翼面结构上，例如，根据螺旋桨工作状况对其进行气动分析，计算出自适应柔顺机构在柔性翼面结构上的分布以及需要使用的自适应柔顺机构的形式，使翼面的刚度合理分布，当翼面受到的气动力或力矩发生改变时，相应的各个自适应柔顺机构内部弹性势能发生变化，受力发生变形，从而改变翼型的形状，包括改变螺旋桨桨叶叶素的攻角、弯度、厚度等参数，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整，进而改善螺旋桨的工况。因此，基于翼面上所受力的不同并且结合柔性翼面结构自身的可变形性，多个自适应柔顺机构3能够自适应地发生变形，使得翼面的形态能够改变，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整。

如图1所示，各个刚性翼面结构1位于螺旋桨的叶素翼型的位于上翼面和下翼面之间的前缘段并且在下翼面的一侧进一步向后延伸；优选地，刚性翼面结构在下翼面的一侧占整个翼面长度的60％至80％。相应地，自适应柔顺机构3分布在位于上翼面的除前缘段外的大部分以及下翼面的后尾段的柔性翼面结构上。刚性翼面结构1与柔性翼面2结构为一体连接，从而保证螺旋桨桨叶平滑的上下翼面气动特性。

所述自适应柔顺机构是由柔性材料制成的柔性铰链，柔性铰链为一体形成的长条状结构并且在其非端部的位置设置有相对较薄或横截面积相对较小的至少一个切口部。该长条状结构的非切口部的位置的横截面可以呈圆形、椭圆形或矩形。相应地，可以沿柔性铰链的纵向或轴向设置有多个相同形式或不同形式的切口部。例如对于圆形横截面的柔性铰链，切口部可以从一侧沿径向向内形成，优选地从两侧沿径向向内对称地形成，从而有助于柔性铰链受力发生弯曲变形；或者，切口部可以是在整个圆周上、即360°形成的环形切口，从而有助于柔性铰链受力发生扭转变形。该柔性材料从包括形状记忆合金、形状记忆合金聚合物、聚丙烯、压塑性塑料的组合中选择。另外，该柔性材料也可以适用于半柔性翼面结构。

半柔性翼面结构需要具有足够的刚度和强度，从而保证螺旋桨能够承受飞行过程中产生的气动载荷。自适应柔顺机构的强度要保证在翼面上的气动载荷传递至其自身的情况下不被破坏。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于：所述自适应螺旋桨桨叶装置包括：

半柔性翼面结构，所述半柔性翼面结构构成螺旋桨各个桨叶截面的叶素翼型，所述半柔性翼面结构包括刚性翼面结构、柔性翼面结构和柔性翼面限位部件，其中，沿螺旋桨桨叶的长度方向间隔地布置有多个刚性翼面结构，所述柔性翼面限位部件的一端固定在所述刚性翼面结构上，另一端可滑动地连接在所述柔性翼面结构上，从而对所述柔性翼面结构的变形起到限位作用；

主支撑杆，所述主支撑杆贯穿各个刚性翼面结构并且在螺旋桨桨叶的整个长度上延伸；

多个自适应柔顺机构，所述多个自适应柔顺机构连接在所述柔性翼面结构上，基于柔性翼面上所受力的不同并且结合所述柔性翼面结构自身的可变形性，所述多个自适应柔顺机构能够自适应地发生变形，使得柔性翼面的形态能够改变，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整；

其中，各个刚性翼面结构位于螺旋桨的叶素翼型的位于上翼面和下翼面之间的前缘段并且在所述下翼面的一侧进一步向后延伸，所述刚性翼面结构为主支撑杆提供安装基座，所述刚性翼面结构和所述柔性翼面结构为一体连接，从而保证螺旋桨桨叶平滑的上下翼面气动特性。

2.根据权利要求1所述的自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于，所述自适应柔顺机构是由柔性材料制成的柔性铰链，所述柔性铰链为一体形成的长条状结构并且设置有至少一个切口部。

3.根据权利要求2所述的自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于，所述柔性铰链具有至少两种形式的切口部，包括环形切口和侧部切口。

4.根据权利要求1所述的自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于，所述多个自适应柔顺机构的变形包括偏转、扭转和拉伸。

5.根据权利要求1所述的自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于，当柔性翼面受到的气动力发生改变时，相应的各个自适应柔顺机构内部弹性势能发生变化，受力发生变形，从而改变翼型的形状，由此实现螺旋桨飞行过程中气动力和功率的动态调整。

6.根据权利要求1所述的自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于，所述柔性翼面限位部件包括能够弹性拉伸的弹性绳索和能够在所述柔性翼面结构上滑动的柔性翼面连接部，所述弹性绳索的一端连接至所述刚性翼面结构，另一端连接至所述柔性翼面连接部。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的自适应螺旋桨桨叶装置，其特征在于，所述自适应柔顺机构由柔性材料构成，该柔性材料从包括形状记忆合金、形状记忆合金聚合物、聚丙烯、压塑性塑料的组合中选择。

8.一种飞行器，其特征在于，所述飞行器包括根据权利要求1至7中任一项所述的自适应螺旋桨桨叶装置。