CN109573010A - 一种平衡旋翼机反扭矩的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平衡旋翼机反扭矩的方法，旋翼机的旋翼旋转产生的气流是以涡旋状向下流动的，在机身的后部布置有一矢量整流器，其中有数片整流叶片，整流叶片的迎角α迎着气流的来流方向角，将气流导入整流器，然后整流叶片将涡流状的气流折转成大致垂直于旋翼平面的方向流出整流器。本发明解决了现今平衡反扭矩的方法中存在的功率损耗大、传动机构复杂、振动源多和噪声大的问题。该平衡旋翼机反扭矩的方法，具有用静止的机构替代旋转机构来产生平衡反扭矩的力矩的优点，无须损耗发动机功率，没有复杂的机械传动系统，减少了气动旋转部件，因而减少了振动源，提高了安全性，减小了噪声。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器结构设计技术领域，具体为一种平衡旋翼机反扭矩的方法。
背景技术
旋翼或螺旋桨是通过对气流做功而产生拉力的一种技术装置，现今世界上利用旋翼(或螺旋桨)产生拉力的直升机、多轴旋翼机和飞行汽车(本专利说明书中统称为旋翼机)种类很多，但无论是哪种类型，只要有旋翼就要解决反扭矩的问题。旋翼机在发动机的驱动下，其旋翼向某一方向旋转，对空气施加作用力矩，与此同时空气对旋翼产生反作用力矩，即反扭矩。反扭矩传递到机身上，则机身会产生逆着旋翼旋转的方向转动。这个扭矩必须得到平衡控制，否则旋翼机在空中无法稳定姿态。
目前平衡控制这个反扭矩的方法有如下几种：a.增加尾桨产生平衡力矩，b.采用共轴反桨双旋翼的方式，c.采用分列式双桨反向旋转的方式。
上述方法中存在着各自的问题或缺陷，例如：a.尾桨要损耗相当多的发动机功率，一般要损耗7～10％的发动机功率，b.共轴反桨的双旋翼方式，传动和控制系统很复杂，运动部件很多，而且两桨之间必须要有较大的间隔距离，导致旋翼轴外伸悬臂很长，增大了振动平衡的难度，c.分列式双桨的设计主要有别的目的，如果是为了解决反扭矩的问题，则这种类型相比尾桨的方式没有什么优势，显然它的动力、传动系统更为复杂，而且气动流场相互干扰，导致旋翼拉力效率下降，d.平衡旋翼的部件又是一个振动源，不仅会增加旋翼机的振动问题，而且还带来了很大的噪声。
发明内容
本发明的目的在于提供一种平衡旋翼机反扭矩的方法，具有用静止的机构替代旋转机构来产生平衡反扭矩的力矩的优点，解决了现今平衡反扭矩的方法中存在的功率损耗大、传动机构复杂、振动源多和噪声大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种平衡旋翼机反扭矩的方法，旋翼机的旋翼旋转产生的气流是以涡旋状向下流动的，在机身的后部布置有一矢量整流器，其中有数片整流叶片，整流叶片的迎角α迎着气流的来流方向角，将气流导入整流器，然后整流叶片将涡流状的气流折转成大致垂直于旋翼平面的方向流出整流器。
整流叶片的剖面造型能使气流在凹面分布的压强积分的总压力大于叶片凸面的总压力值，每片叶片上都会产生压力差值，整个矢量整流器流场压力差的积分就得到一个气动作用力的合力，将这个合力作为集中力F，它作用于矢量整流器上，与旋翼轴的中轴线有一距离为r。由于矢量整流器与机身尾部是相连接的，所以集中力F与中轴线的距离r的乘积形成了一个力矩，这个力矩的方向与机身反扭矩的方向相反，假设旋翼产生的反扭矩为M，则平衡反扭矩大小的平衡要求为：M＝F×r。
旋翼在不同的工况下产生的反扭矩的大小是变化的，但方向不变，所以平衡力矩F×r的大小也要跟随变化，这需要矢量整流器进行调节，调节的方法如下：
A：改变r的大小，矢量整流器整体安装在机身的尾梁上，它可沿着尾梁前后滑移△r的距离。
B：改变迎角α的大小，转动整流叶片，即可改变整流叶片迎角α的大小，使整流叶片上气流的压力场发生改变，气流流出的方向也发生改变，从而改变合力F的大小。
优选的，所述r值是设计时理论上指旋翼轴心线到整流器合力中心点的距离，计算平衡力矩F×r的大小时用微积分的方法求算结果。
优选的，所述矢量整流器每片叶片上有铰接中心，全部叶片可以同步绕各自的铰接中心转动△α角度。
优选的，具体应该调节多少△α或△r，是由旋翼机上安装的陀螺仪检测机身自旋角度信号，判断机身在自旋，即不满足M＝F×r的条件，则给出调节r或α指令，调节机构进行调节，直到满足平衡方程M＝F×r为止。
优选的，所述旋翼机包括各类以旋翼(或螺旋桨)产生拉力(或推力)的空中平台。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明解决了现今平衡反扭矩的方法中存在的功率损耗大、传动机构复杂、振动源多和噪声大的问题，该平衡旋翼机反扭矩的方法，具有用静止的机构替代旋转机构来产生平衡反扭矩的力矩的优点，无须损耗发动机功率，没有复杂的机械传动系统，减少了气动旋转部件，因而减少了振动源，提高了安全性，减小了噪声。
附图说明
图1为本发明旋翼机机身反扭矩平衡原理图；
图2为本发明(图1中A向视图)矢量整流器气流流动模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种平衡旋翼机反扭矩的方法，旋翼机的旋翼旋转产生的气流是以涡旋状向下流动的，在机身的后部布置有一矢量整流器，其中有数片整流叶片，整流叶片的迎角α迎着气流的来流方向角，将气流导入整流器，然后整流叶片将涡流状的气流折转成大致垂直于旋翼平面的方向流出整流器。
整流叶片的剖面造型能使气流在凹面分布的压强积分的总压力大于叶片凸面的总压力值，每片叶片上都会产生压力差值，整个矢量整流器流场压力差的积分就得到一个气动作用力的合力，将这个合力作为集中力F，它作用于矢量整流器上，与旋翼轴的中轴线有一距离为r，由于矢量整流器与机身尾部是相连接的，所以集中力F与中轴线的距离r的乘积形成了一个力矩，这个力矩的方向与机身反扭矩的方向相反，假设旋翼产生的反扭矩为M，则平衡反扭矩大小的平衡要求为：M＝F×r。
旋翼在不同的工况下产生的反扭矩的大小是变化的，但方向不变，所以平衡力矩F×r的大小也要跟随变化，这需要矢量整流器进行调节，调节的方法如下：
A：改变r的大小，矢量整流器整体安装在机身的尾梁上，它可沿着尾梁前后滑移△r的距离。
B：改变迎角α的大小，转动整流叶片，即可改变整流叶片迎角α的大小，使整流叶片上气流的压力场发生改变，气流流出的方向也发生改变，从而改变合力F的大小。
本发明中：r值是设计时理论上指旋翼轴心线到整流器合力中心点的距离，计算平衡力矩F×r的大小时用微积分的方法求算结果。
本发明中：矢量整流器每片叶片上有铰接中心，全部叶片可以同步绕各自的铰接中心转动△α角度。
本发明中：具体应该调节多少△α或△r，是由旋翼机上安装的陀螺仪检测机身自旋角度信号，判断机身在自旋，即不满足M＝F×r的条件，则给出调节r或α指令，调节机构进行调节，直到满足平衡方程M＝F×r为止。
本发明中：旋翼机包括各类以旋翼或螺旋桨产生拉力或推力的空中平台。
综上所述：该平衡旋翼机反扭矩的方法，解决了现今平衡反扭矩的方法中存在的功率损耗大、传动机构复杂、振动源多和噪声大的问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种平衡旋翼机反扭矩的方法，其特征在于：旋翼机的旋翼旋转产生的气流是以涡旋状向下流动的，在机身的后部布置有一矢量整流器，其中有数片整流叶片，整流叶片的迎角α迎着气流的来流方向角，将气流导入整流器，然后整流叶片将涡流状的气流折转成大致垂直于旋翼平面的方向流出整流器；
整流叶片的剖面造型能使气流在凹面分布的压强积分的总压力大于叶片凸面的总压力值，每片叶片上都会产生压力差值，整个矢量整流器流场压力差的积分就得到一个气动作用力的合力，将这个合力作为集中力F，它作用于矢量整流器上，与旋翼轴的中轴线有一距离为r，由于矢量整流器与机身尾部是相连接的，所以集中力F与中轴线的距离r的乘积形成了一个力矩，这个力矩的方向与机身反扭矩的方向相反，假设旋翼产生的反扭矩为M，则平衡反扭矩大小的平衡要求为：M＝F×r；
旋翼在不同的工况下产生的反扭矩的大小是变化的，但方向不变，所以平衡力矩F×r的大小也要跟随变化，这需要矢量整流器进行调节，调节的方法如下：
A：改变r的大小，矢量整流器整体安装在机身的尾梁上，它可沿着尾梁前后滑移△r的距离；
B：改变迎角α的大小，转动整流叶片，即可改变整流叶片迎角α的大小，使整流叶片上气流的压力场发生改变，气流流出的方向也发生改变，从而改变合力F的大小。
2.根据权利要求1所述的一种平衡旋翼机反扭矩的方法，其特征在于：所述r值是设计时理论上指旋翼轴心线到整流器合力中心点的距离，计算平衡力矩F×r的大小时用微积分的方法求算结果。
3.根据权利要求1所述的一种平衡旋翼机反扭矩的方法，其特征在于：所述矢量整流器每片叶片上有铰接中心，全部叶片可以同步绕各自的铰接中心转动△α角度。
4.根据权利要求3所述的一种平衡旋翼机反扭矩的方法，其特征在于：具体应该调节多少△α或△r，是由旋翼机上安装的陀螺仪检测机身自旋角度信号，判断机身在自旋，即不满足M＝F×r的条件，则给出调节r或α指令，调节机构进行调节，直到满足平衡方程M＝F×r为止。
5.根据权利要求1所述的一种平衡旋翼机反扭矩的方法，其特征在于：所述旋翼机包括各类以旋翼(或螺旋桨)产生拉力(或推力)的空中平台。
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