CN108698688A - 生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法和系统。该方法包括基于同轴转子系统的期望性能建立(302)同轴转子系统的上转子(102，602)与下转子(104，604)的相应期望推力的比率，并且基于同轴转子系统的上转子与下转子之间的转矩平衡条件根据期望推力比率来确定该组参数的该组值。
Description
技术领域
实施例一般涉及生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法和系统。
背景技术
对于垂直起飞和着陆(VTOL)飞行器的对转同轴转子系统重拾兴趣，已经看到在同轴转子系统上进行的研究数量激增。还提出了几种计算模型和理论用于同轴转子系统的建模或同轴转子系统的效率评估。
然而，大多数这些模型和理论通常用于同轴转子系统的后分析或后评估。换句话说，同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数必须已经可用于输入到模型和理论中以进行同轴转子系统的性能的分析或评估。因此，这些模型和理论不允许飞行器工程师简单地利用和/或应用这些模型和理论作为从头开始设计同轴转子系统的基础，从而导出同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数。因此，用于限定同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数的常规过程可以涉及迭代过程，其中飞行器工程师必须通过反复试验来任意地得到多组配置和/或尺寸和/或操作参数，并且在选择最佳实施方案之前对于每组配置和/或尺寸和/或操作参数来测试和分析同轴转子系统的效率和/或性能。
示例实施例提供了解决上面讨论的一些问题的方法和系统。
发明内容
根据各种实施例，提供了一种生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法，所述方法包括基于所述同轴转子系统的期望性能或操作要求来建立所述同轴转子系统的上转子与下转子的相应的期望推力的比率，并且基于所述同轴转子系统的上转子和下转子之间的转矩平衡条件根据所述期望推力比率来确定所述一组参数的所述一组值。
根据各种实施例，提供了一种生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的系统，所述系统包括用于基于同轴转子系统的期望性能或操作要求来建立同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率的装置；以及用于基于同轴转子系统的上转子与下转子之间的转矩平衡条件根据期望推力比率来确定该组参数的该组值的装置。
附图说明
在附图中，贯穿不同视图，相同的附图标记通常指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图来描述各种实施例，其中：
图1示出了具有相同转子直径的同轴转子系统的示意图；
图2示出了具有三对同轴转子的多转子UAV的照片；
图3示出了说明根据各种实施例的生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法的流程图；
图4示出了说明根据各种实施例的生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法的流程图；
图5示出了根据各种实施例的用一对不同转子建模的同轴转子系统的示意图；
图6示出根据示例应用的同轴转子系统的转子盘平面的示意图；
图7示出了针对图6的同轴转子系统开发的转子叶片轮廓的图；并且
图8示出了具有图7中所示的转子叶片轮廓的无人驾驶航空器的图。
图9A和9B示出了根据各种实施例的生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的系统的示意框图。
具体实施方式
以下在装置的上下文中描述的实施例对于相应的方法类似地有效，反之亦然。此外，应该理解，下面描述的实施例可以被组合，例如，一个实施例的一部分可以与另一个实施例的一部分组合。
在'Leishman，J.G.和Syal，M.发表于Journal of the American HelicopterSociety，53，(3)，2008，第290-300页的“Figure of Merit Definition for CoaxialRotors”中给出了用于具有已知配置和/或尺寸的同轴转子的效率的后分析的现有理论的实例(以下简称“同轴转子系统的基线动量理论”)。在所提出的同轴转子系统的基线动量理论中，如图1所示，同轴转子系统100被建模为具有相同直径的彼此间隔开的一对致动器盘102,104。换句话说，在进行同轴转子系统的效率分析之前，同轴转子系统的配置和/或尺寸必须是已知的，并且其中上转子和下转子的直径相等。
通过应用质量、动量和能量的守恒以及转矩平衡条件，对于上转子102和下转子104的感应功率和单个推力导出方程，以分析具有相等的上转子和下转子直径的同轴转子系统的效率。但是，必须指出的是，转矩平衡条件通过功率平衡条件间接应用于同轴转子的基线动量理论。这是因为，假定上转子102和下转子104具有相等的直径，则意味着相等的转速和相等的尖端速度。因此，转矩平衡条件由同轴转子系统的基线动量理论中的上转子102和下转子104的等功率表示。
因此，具有相同直径转子的同轴转子系统的感应功率被推导为：
其中
通过使上转子102的功率与下转子104的功率相等(即间接应用等直径转子的转矩平衡条件)，上转子和下转子的推力比率被推导为：
使用总同轴系统推力系数上转子推力与总推力之比，
以及下转子推力与总推力之比分别为：
可以看出，同轴转子系统的基线动量理论的关键结果之一是，对于上转子102和下转子104具有相等直径的同轴转子系统，总推力分别在上转子和下转子之间分布约60％-40％。这是来自该理论的推导结果。换句话说，通过输入从开始就相等的上转子102和下转子104的直径，总推力分布是与应用于同轴转子系统的守恒定律和转矩平衡条件一致的推导结果。可以看出，同轴转子系统的基线动量理论用于对具有已知配置和/或尺寸的同轴转子系统进行后评估。在这种情况下，已知同轴转子系统对于上转子102和下转子104具有相同的直径。因此，同轴转子系统的基线动量理论也不允许从同轴转子系统的期望性能和/或效率和/或操作要求中计算出同轴转子系统的配置和/或尺寸。例如，当操作要求引起同轴转子系统的上转子和下转子之间需要一定的总推力分配时，同轴转子系统的基线动量理论不允许指定期望的推力分布结果作为确定将会达到期望推力分布的同轴转子系统的配置和/或尺寸的起始基础。
然而，在某些操作场景中，可能希望能够将同轴转子系统的期望的性能和/或效率和/或操作参数指定为确定所述同轴转子系统的配置和/或尺寸的起始基础。例如，当操作要求引起同轴转子系统的上转子和下转子之间需要一定的总推力分配时，可能需要从开始建立和指定同轴转子系统的上转子和下转子的期望推力的比率并根据该期望推力的比率导出同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数，而不是任意选择对于同轴转子系统的不同的配置和/或尺寸和/或操作参数并迭代地计算推力分布以找到产生最接近期望推力分布的一种推力分布的配置和/或尺寸和/或操作参数。
例如，当同轴转子对用于多转子VTOL无人驾驶航空器(UAV)200中时，例如图2所示，其使用三个同轴转子对202,204,206，通常需要将UAV 200设计成从同轴对内的一个电动机的故障中恢复。对于这种操作情况，希望推力在上转子和下转子之间均匀分布，使得如果另一个转子停止转动，则每个转子具有相同的推力不足要补偿。推力的不均匀分布意味着，如果产生较大推力的转子失效，另一个转子则需要大量增加其推力。这可能会留下很小的用于机动(maneuvers)的推力余量。在某些严重的情况下，可能没有足够的推力来弥补不足，飞行器器将坠毁在地面上。均匀分布的推力的另一个好处是转子在相同的负载条件下运行，以避免当上转子和下转子以不同的容量工作而产生不同的推力时由于负载的不均匀分布而导致其中一个转子可能提前失效的情况。因此，可能有利的是，每个同轴对从一开始就被设计为推力的50％-50％分布，而不是受同轴转子系统的任意选择的配置和尺寸的合成推力分布约束，例如对于具有相等直径转子的同轴转子系统在基准动量理论中推导出的推力分布为
从期望的性能和/或效率和/或操作要求获得同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数，可以被认为是设计同轴转子系统的初始步骤。为了开发全同轴转子叶片轮廓，所获得的配置和/或尺寸和/或操作参数可以用作现有模型和理论中的输入参数，例如叶片元件动量理论(BEMT)(例如在Rand，O.和Khromov，V.的，“悬浮和轴向飞行中同轴转子的气动优化”，第27届国际航空科学大会，法国尼斯，2010年9月19-24日中所呈现的)，以达到同轴转子叶片的弦分布、扭曲分布、螺旋角等。因此，各种实施例试图为可用作那些模型和理论中的输入参数的同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数生成一组值，以确定同轴转子系统的转子叶片轮廓。
根据各种实施例，可以提供一种生成在确定同轴转子系统的转子叶片轮廓中所使用的一组参数中的相应参数的一组值的方法。该方法可以包括基于同轴转子系统的期望性能和/或操作要求确定同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率，并且基于同轴转子系统的上转子和下转子之间的转矩平衡条件，由期望的推力比率确定该一组参数的一组值。因此，该组参数中的相应参数的一组值可以包括同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数。这些配置和/或尺寸和/或操作参数可以用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓。通过仅基于转矩平衡条件根据期望的推力比率确定一组参数的一组值，上转子和下转子的直径、转速和尖端速度分别成为可以作为同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数导出的变量。有利地，该方法可以允许以同轴转子系统的上转子和下转子的期望推力比率开始，确定产生期望推力比率的一组配置和/或尺寸和/或操作参数，使得可以使用配置和/或尺寸和/或操作参数来随后导出完整的转子叶片轮廓。
根据各种实施例，该方法可以进一步包括在为该组参数确定该组值之前为该同轴转子建立最大转子直径。在某些操作场景中，由于空间限制、便携性、储存容器的尺寸限制、可检测性等原因，可能有必要限制转子直径。
通过从一开始就指定最大转子直径，最大转子直径可以与期望推力比率结合使用来为该组参数确定该组值。
根据各种实施例，所述方法还可以包括在为该一组参数确定该组值之前，为所述同轴转子建立期望的总推力。在某些操作场景中，可能需要考虑到飞行器的有效载荷以及飞行器的结构重量、动力源(如电池)的重量、航空管理机构指定的重量限制等因素来考虑所需的总推力。
通过从一开始就指定期望的总推力，期望的总推力可以与期望推力比率结合使用来为该组参数确定该组值。
根据各种实施例，为该组参数确定该组值可进一步包括基于最大悬停效率优化该组值。最大悬停效率可以通过最小化每单位推力的功率来实现。换句话说，当使用最小功率来实现最大推力时，可以实现最大悬停效率。通过将最大悬停效率引入该方法中，有利地，该方法可以用于导出可能非常高效的同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数。
根据各种实施例，该组参数可以包括同轴转子系统的上转子和下转子的相应转子盘面积的比率。有利的是，相应转子盘面积的比率可以用于限定同轴转子系统的配置。
根据各种实施例，该组参数可以包括上转子直径和下转子直径。有利地，上转子直径和下转子直径可以用于限定同轴转子系统的尺寸。
根据各种实施例，该组参数可以包括同轴转子的上转子和下转子的相应转子尖端速度的比率。有利地，可以使用相应转子尖端速度的比率来限定同轴转子系统的配置。
根据各种实施例，该组参数可以包括上转子和下转子的轴转速。有利地，上转子和下转子的轴转速可以用于限定同轴转子系统的配置。
根据各种实施例，该组参数可以包括上转子的盘载荷。有利的是，上转子的盘载荷可以用于限定同轴转子系统的尺寸。
根据各种实施例，该组参数可以包括同轴转子的理想总感应功率。有利地，可以使用理想的总感应功率来限定同轴转子系统的配置。
根据各种实施例，同轴转子的上转子和下转子的相应期望推力的比率可以是1：1。有利地，同轴转子可以具有上转子和下转子之间分别50％-50％的推力分配。如果另一个转子停止转动，那么每个转子都具有相同的推力短缺要补偿。推力的不均等分配意味着，如果产生较大推力的转子失效，另一个转子则需要大量增加其推力。这可能会给机动留下很小的推力余量。在严重的情况下，可能没有足够的推力可用于弥补短缺，飞行器将坠毁在地面上。均匀分配推力的另一个好处是，这可以允许上转子和下转子在相同的负载条件下运行，使得上转子和下转子两者将以相似的容量工作，并且上转子和下转子的磨损率也将是类似的。这可以避免当上转子和下转子以不同的能力工作产生不同的推力时由于负载的不均匀分配而导致的其中一个转子可能较早失效的情况。
图3示出了根据各种实施例的生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法300。在302处，该方法包括基于同轴转子系统的期望性能建立同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率。在304处，该方法包括基于同轴转子系统的上转子和下转子之间的转矩平衡条件来根据期望推力比率确定该组参数的该组值。
图4示出了根据各种实施例的生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法400。在402处，类似于图3的方法300，可以基于同轴转子系统的期望性能建立同轴转子系统的上转子和下转子的期望推力比率。在404处，可以建立最大转子直径。在406处，可以建立期望的总推力。在408处，同轴转子系统的每单位推力的功率可以根据同轴转子系统的上转子和下转子之间的转矩平衡条件，从期望推力比率依据上转子盘面积与下转子盘面积的比率、上转子尖端速度与下转子尖端速度的比率以及上转子的盘载荷来确定。在410处，可以通过优化每单位推力的功率来确定上转子盘面积与下转子盘面积的比率、上转子尖端速度与下转子尖端速度的比率以及上转子的盘载荷。为了优化每单位推力的功率，最小化同轴转子系统的每单位推力的功率，这转化为最大悬停效率。在412处，上转子直径和下转子直径可以由上转子盘面积与下转子盘面积的比率以及最大转子直径确定。在414处，轴转速可以根据上转子尖端速度与下转子尖端速度的比率和指定的下转子尖端速度来确定。例如，指定的下转子尖端速度可以被指定为尖端马赫数为0.15，这是产生可接受的噪音水平的低亚音速值。这个马赫数可以通过乘以声速来转换为速度，对于给定的环境条件声速是一个常数。在416处，通过将所需总推力应用于同轴转子系统的每单位推力的功率来确定同轴转子系统的理想总感应功率。
下面描述根据各种实施例的生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法的细节。
图5示出了用一对不同的转子502,504建模的同轴转子系统500。图5用作描述以下方法的图形示例，应理解，该方法不受图5的限制。
根据各种实施例，该方法的该组参数可以包括以下比率：
上下转子盘面积的比率，
上转子尖端速度与下转子尖端速度的比率，
根据各种实施例，通过应用质量守恒、动量和能量，可以按照以下方式导出上转子的感应功率：
质量流率，即通过上转子的质量流量，可以由下式给出：
因此，离开上转子的动量通量可以由下式给出：
由于离开上转子的动量通量也可以等于上转子的推力Tu。因此，上转子的推力可以表示为：
因此，上转子的感应功率Pu可以由下式给出：
根据各种实施例，通过应用质量守恒、动量和能量，下转子的感应功率可以按照以下方式导出：
通过下转子的质量流量可能有两个贡献：
·由vl(＝ρAlvl)感应速度引起的质量流量
·从上转子传递到下转子的质量流量(＝ρAuvu)
因此通过下转子的总质量流量可以为
动量守恒可应用于下转子。物理陈述可以是(推力＝下游动量通量-上游动量通量)。得到的下转子的推力Tl的方程可以是
用kA(上转子盘面积与下转子盘面积之比)表示推力Tl的方程，
下转子包括两个区域。第一区域可以是位于上转子完全发展的滑流中的内部区域。该区域的面积可由下式给出：
第二区域可以是不受上转子影响的外部区域。该区域的面积可由下式给出：
为了确定下转子的感应功率，可以确定内部部件和外部部件中的每一个的各个功率，然后求和。
下转子的内部的感应功率(其中，)可由下式给出：
其中2vu项是上转子的贡献。
为了以面积比kA和总下转子推力Tl表示推力可以假设为按面积加权。这得到
返回代入方程(14)，
下转子的外部的感应功率可以由下式给出，其中
为了以面积比kA和总下转子推力Tl表示推力可以再次被假设为按面积加权。这得到
返回代入方程(17)，
汇总内部和外部区域的贡献，下转子的总感应功率可由下式给出：
因此，通过从方程(16)和(19)代入，并重新安排，
Pl＝Tl(kAvu+vl) (20)
Pl也可以由下转子上游到下游远处的动能变化给出：
根据各种实施例，转矩平衡条件可以按照以下方式来表示：
根据功率＝转矩×转速，上转子功率与下转子功率的比率可由下式给出：
在转矩平衡条件下，τl＝τu。因此，功率的比率可能会变成
用kA和代入导致以下转矩平衡条件：
从方程(10)和(20)代入，转矩平衡条件可以表示为
根据各种实施例，可以按照以下方式来演变涉及分别通过上转子和下转子的感应速度vu和vl的三次方程：
将方程(13)乘以vu(kAvu+vl)并重新排列，
将转矩平衡方程(24)代入P1的动能方程(方程(21))并重新排列，
方程(27)除以方程(26)，并重新安排，
将功率的动能形式，方程(10)和(21)，代入转矩平衡方程(24)，
重新安排后，
用wl的方程(28)代入方程(30)，并且在相当大的重新安排之后，感应速度vu和vl的三次方程可以获得如下：
根据各种实施例，可以按照以下方式来验证三次方程(31)：
通过插入kA＝1和(即，上转子和下转子直径相等，并且上转子和下转子尖端速度相等)可以验证涉及分别通过上转子和下转子的感应速度vu和vl的三次方程(31)。这导致
这正是预期的结果，因为这是上面讨论的基线同轴动量理论的三次方程。
根据各种实施例，可以根据以下内容基于转矩平衡条件从上转子推力与下转子推力的比率来确定同轴系统的每单位推力的功率的方程：
一般而言，对于给定的一组kA，以及vu或vl中的任一个，可以针对另一个感应速度求解三次方程。
指定的感应速度可以通过选择盘载荷来确定，这通常是在同轴转子系统的概念化的初始阶段确定的。在本示例中，所选择的盘载荷可以用于上转子，由(DL)u表示。由此可以根据下式确定上转子的指定感应速度
现在可以求解下转子的感应速度vl的三次方程(31)。
下转子感应速度与上转子感应速度的比率可以表示为kv
从转矩平衡，方程(25)，其再现如下：
上转子推力与下转子推力的比率kT可以被确定为
作为总同轴系统推力的一部分，上转子推力因此可以是
总同轴系统感应功率可以由下式给出：
Ptot＝Pu+Pl (36)
用转矩平衡方程(24)代替Pl，
已知Pu＝Tuvu，并且代入方程(35)和(32)，同轴转子系统的每单位推力的功率可以如下确定：
应该指出的是，对于Ptot/Ttot的方程(38)是三个自变量kA，和(DL)u的函数。这三个变量将是下面将要描述的优化中的变量，其寻求最小化Ptot/Ttot，这是代表最佳悬停效率的条件。
根据各种实施例，同轴转子系统的每单位推力的功率可以按照以下方式优化：
优化的目标是确定面积比kA、尖端速度比和上转子盘载荷(DL)u的组合，其最大化悬停效率(通过最小化每单位推力的功率Ptot/Ttot实现)，如通过广义化同轴转子系统的动量理论表示所确定的。
优化可能要满足两个额外的操作要求：
·在指定的几何覆盖区内生成的指定量的推力
·假设同轴转子系统是多转子VTOL UAV中多个同轴对中的一个，对同轴对中两个电动机之一的故障进行恢复的安全要求。在这种情况下，最好将总推力在上转子和下转子之间均等地分配
这些操作要求可以量化为：
·指定的Ttot，spec(即所需的总推力)
·通过下转子的盘面积Al，spec指定覆盖区(即，最大转子直径)
·指定的kTtot，spec＝0.5(即，上转子和下转子的期望推力比)
量化操作要求的优化可以通过使用拉格朗日乘数的变分算法来求解。可以定义两个约束方程。首先是关于指定的推力和覆盖区。第二个是关于指定的kTtot，spec。
根据盘载荷的定义，
因此，第一个约束方程可以由下式给出：
上面的方程(40)可以用函数f1表示。
从指定的推力比，
kTtot＝kTtot，spec (42)
因此，第二个约束方程可以由下式给出：
kTtot-kTtot，spec＝0 (43)
上面的方程(43)可以用函数f2表示。
现在可以将辅助函数H设置为
其中λ1和λ2是拉格朗日乘数。
因此对于5个变量kA，(DL)u，λ1和λ2可能有5个独立的非线性方程需要求解。这5个方程是：
这些方程可以在MATLAB中进行编码和数值求解。方程求解器也可以在MATLAB中开发，并且可以包括
·遗传算法(GA)技术，用于设计空间的初始探索，到达最佳点附近；或者
·牛顿-拉夫逊技术，使用由GA确定的附近点初始化，用于最终收敛，因为众所周知该技术具有非常好的收敛性。
以下描述根据各种实施例的对于用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数生成一组值的方法的应用示例。
根据应用示例，应用示例的指定输入如下：
·该飞行器型号是使用三个同轴转子对的VTOL UAV，类似于图2所示的UAV 200；
·MTOW＝5kg；
·每个同轴对的覆盖区由最大直径25.4英寸(0.645m)定义；
·盘载荷在25N/m2的区域中；并且
·需要平衡推力。
指定的输入与本文所述的方法一起使用，以确定同轴对的上转子和下转子的转子盘面积kA的比率和尖端速度的比率，所述同轴对最小化功率以在静态悬停时产生16.35N(＝MTOW/3)的设计推力，受到转矩平衡条件的限制。
根据应用示例，利用拉格朗日乘数进行优化，确定以下结果：
上转子(DL)的盘载荷
上下转子盘面积比
上下转子尖端速度比
利用这些结果，转子直径可以确定为：
上转子：24.1英寸(0.612m)
下转子：25.4英寸(0.645m)
假设下转子的尖端马赫数为0.15，则轴转速可以确定为：
上转子：1593rpm
下转子：2325rpm
图6示出根据示例应用的同轴转子系统600的转子盘平面的示意图。如所示，上转子602和下转子604具有不同的转子直径。具体地，下转子604的直径被示出为大于上转子602的直径。下转子602具有645mm的尺寸并且上转子具有612mm的直径。在该特定配置和尺寸中，上转子602和下转子604将操作以使得上转子602和下转子604的推力的比率为1：1，这是期望的推力分布。
根据各种实施例，从本文描述的方法获得的结果可以用作下一级开发的输入，下一级开发是开发用于同轴转子的转子叶片轮廓。例如，上述应用实例中获得的不同的转子直径和不同的转速可以用作空气动力学优化的输入，以获得转子叶片轮廓的几何形状。这可以使用叶片元件动量理论(BEMT)技术来完成。图7示出了为图6的同轴转子系统开发的转子叶片轮廓700的结果。如图所示，已经开发出用于转子叶片轮廓的弦分布、扭曲分布、俯仰角分布和翼型分布等。图8示出了具有图7所示的转子叶片轮廓的VTOL UAV800。
实施例已经提供了合理且合乎逻辑的方法，以根据同轴转子系统所需的期望性能和/或效率和/或操作要求来生成同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数。基本上，这是对该技术的当前状态的显著改进，该技术的当前状态似乎没有任何有关使用期望的性能和/或效率和/或操作要求(例如推力的比率)作为确定同轴转子系统的配置和/或尺寸和/或操作参数(例如转子直径、转速、尖端速度等)的基础的报告。
该方法的实施例可以实现更大的通用性，以利用额外的自由度来满足宽范围的操作要求，其中转子直径、转速和尖端速度等是要从该方法确定的变量，而就推力的比率等而言的性能或者效率或操作参数现在可以用作输入。
如示例应用中所示，实施例可以根据相等的推力分布确定直径和转速的比率，同时满足转矩平衡条件并针对最大悬停效率进行优化。此应用是利用性能或效率或操作要求作为同轴转子系统工程设计起点的代表。
实施例可以允许确定转子直径、转速和尖端速度的最佳组合，同时保持推力和转矩平衡。
从根据各种实施例的方法获得的值可以用作后续技术的输入以获得转子叶片轮廓，例如输入作为叶片元件动量理论(BEMT)中的参数的值，以定义上转子和下转子叶片轮廓的几何形状。
根据对计算机存储器内的数据的操作的算法和功能或符号表示来明确或隐含地呈现描述的一些部分。这些算法描述和功能或符号表示是数据处理领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员的手段。算法在这里通常被认为是导致期望结果的自我一致的步骤序列。这些步骤是需要对物理量进行物理操作的步骤，例如能够存储、传输、组合、比较和以其他方式操纵的电信号、磁信号或光信号。
除非另有明确说明，并且从以下内容中显而易见的是，应该理解，在整个本说明书中，利用诸如“扫描”，“计算”，“确定”，“替换”，“生成”“初始化”，“输出”等的论述是指计算机系统或类似电子设备的动作和过程，其将计算机系统内表示为物理量的数据操纵并转换成类似地表示为计算机系统或其他信息存储、传输或显示设备内的物理量的其他数据。
本说明书还公开了用于执行这些方法的操作的装置。这样的装置可以为了所需的目的而专门构造，或者可以包括被存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机或其他设备。这里给出的算法和显示并不固有地涉及任何特定的计算机或其他装置。根据这里的教导，各种通用机器可以与程序一起使用。可替代地，执行所需方法步骤的更专门装置的构建可能是适当的。
另外，本说明书还隐含地公开了计算机程序或软件/功能模块，因为对于本领域技术人员显而易见的是，本文所述的方法的各个步骤可以通过计算机代码付诸于实践。计算机程序不旨在限于任何特定的编程语言及其实施。应该理解的是，可以使用各种编程语言及其编码来实施本文包含的公开内容的教导。而且，该计算机程序不打算限于任何特定的控制流程。计算机程序还有许多其他变体，它们可以使用不同的控制流程而不偏离本发明的范围。
此外，计算机程序的一个或多个步骤可以并行而不是顺序地执行。这种计算机程序可以存储在任何计算机可读介质上。计算机可读介质可以包括诸如磁盘或光盘的存储设备、存储器芯片或适合于与通用计算机接口的其他存储设备。当在这样的通用计算机上加载和执行时，该计算机程序有效地得到实施本文描述的方法的步骤的装置。
这里描述的软件或功能模块也可以被实施为硬件模块。更具体地，在硬件意义上，模块是设计用于与其他组件或模块一起使用的功能硬件单元。例如，可以使用分立电子组件来实施模块，或者其可以形成整个电子电路的一部分，例如专用集成电路(ASIC)。存在许多其他可能性。本领域技术人员将会理解，该系统也可以被实施为硬件和软件模块的组合。
图9A和9B示出了根据各种实施例的用于说明生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的系统的示意性框图。在图9A中，对于用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数生成一组值的系统900可包括用于基于同轴转子系统的期望性能来建立同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率的装置902；以及用于基于同轴转子系统的上转子和下转子之间的转矩平衡条件从期望推力比率确定该组参数的该组值的装置904。
在图9B中，用于生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的系统901可与图9B的系统900类似，包括用于基于同轴转子系统的期望性能来建立同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率的装置902，以及用于基于同轴转子系统的上转子和下转子之间的转矩平衡条件根据期望的推力比率来确定该组参数的该组值的装置904。
根据各种实施例，图9B的系统901可以还可以包括用于为同轴转子系统建立最大转子直径的装置906。在该实施例中，用于确定该组参数的该组值的装置904可使用从装置906获得的最大转子直径来建立同轴转子系统的最大转子直径，以为该组参数确定该组值。
根据各种实施例，图9B的系统901还可以包括用于为同轴转子系统建立期望的总推力的装置908。在该实施例中，用于为该组参数确定该组值的装置904可以使用从装置908获得的期望总推力来建立同轴转子系统的期望总推力，以为该组参数确定该组值。
根据各种实施例，系统901可以包括三个不同装置902、906和908，分别用于建立期望的推力比、最大转子直径和期望的总推力，如图9B所示。根据各种实施例，用于对于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓所用的一组参数中的相应参数生成一组值的系统可以包括装置902、906和908的任意组合。此外，还可能的是，用于对于用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数生成一组值的系统可以包括可以建立期望的推力比、最大转子直径和/或所需的总推力的装置902。
根据各种实施例，用于为该组参数确定该组值的装置904可以基于最大悬停效率来优化该组值。
根据各种实施例，该组参数可以包括同轴转子的上转子和下转子的相应转子盘面积的比率。
根据各种实施例，该组参数可以包括上转子直径和下转子直径。
根据各种实施例，该组参数可以包括同轴转子的上转子和下转子的相应转子尖端速度的比率。
根据各种实施例，该组参数可以包括上转子和下转子的轴转速。
根据各种实施例，该组参数可以包括上转子的盘载荷。
根据各种实施例，该组参数可以包括同轴转子的理想总感应功率。
根据各种实施例，同轴转子的上转子和下转子的相应期望推力的比率可以是1：1。
虽然已经参考具体实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，可以在其中进行形式和细节上的各种改变，而不脱离如由所附权利要求限定的本发明的范围。因此，本发明的范围由所附权利要求表示，并且因此旨在涵盖落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有变化。
Claims (26)
1.一种生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的方法，所述方法包括：
基于所述同轴转子系统的期望性能来建立所述同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率；以及
基于所述同轴转子系统的所述上转子和所述下转子之间的转矩平衡条件，根据期望的推力比率确定所述一组参数的所述一组值。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在为所述一组参数确定所述一组值之前，为所述同轴转子系统建立最大转子直径。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，为所述一组参数确定所述一组值包括使用所述最大转子直径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括在为所述一组参数确定所述一组值之前，为所述同轴转子系统建立期望的总推力。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，为所述一组参数确定所述一组值包括使用所述期望的总推力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中为所述一组参数确定所述一组值还包括基于最大悬停效率来优化所述一组值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述一组参数包括所述同轴转子系统的所述上转子和所述下转子的相应转子盘面积的比率。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一组参数包括上转子直径和下转子直径。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述一组参数包括所述同轴转子系统的所述上转子和所述下转子的相应转子尖端速度的比率。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述一组参数包括所述上转子和所述下转子的轴转速。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述一组参数包括所述上转子的盘载荷。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述一组参数包括所述同轴转子系统的理想总感应功率。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率为1：1。
14.一种生成用于确定同轴转子系统的转子叶片轮廓的一组参数中的相应参数的一组值的系统，所述系统包括：
用于基于所述同轴转子系统的期望性能建立所述同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率的装置；以及
用于基于所述同轴转子系统的所述上转子与所述下转子之间的转矩平衡条件根据所述期望推力的比率来确定所述一组参数的所述一组值的装置。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括用于为所述同轴转子系统建立最大转子直径的装置。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述用于确定所述一组参数的所述一组值的装置使用所述最大转子直径为所述一组参数确定所述一组值。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的系统，还包括用于为所述同轴转子系统建立期望总推力的装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，用于确定所述一组参数的所述一组值的装置使用所述期望总推力为所述一组参数确定述一组值。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的系统，其中，用于确定所述一组参数的所述一组值的装置基于最大悬停效率来优化所述一组值。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中，所述一组参数包括所述同轴转子系统的所述上转子与所述下转子的相应转子盘面积的比率。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述一组参数包括上转子直径和下转子直径。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的系统，其中，所述一组参数包括所述同轴转子系统的所述上转子与所述下转子的相应转子尖端速度的比率。
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述一组参数包括所述上转子和所述下转子的轴转速。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的系统，其中，所述一组参数包括所述上转子的盘载荷。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的系统，其中，所述一组参数包括所述同轴转子系统的理想总感应功率。
26.根据权利要求14至25中任一项所述的方法，其中，所述同轴转子系统的上转子和下转子的相应期望推力的比率为1：1。
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