CN109760823B - 一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨，属于螺旋桨设计领域。所述螺旋桨包括气泵、气流导管、吹气口、吸气口、加速度传感器和控制电路，气泵位于螺旋桨转轴两侧的桨毂内，加速度传感器和控制电路均位于螺旋桨的桨毂内部，气流导管位于螺旋桨桨毂两侧的桨叶内部，在螺旋桨两端桨尖的下表面分别设置吹气口，在螺旋桨转轴两侧的桨毂迎风面分别设置吸气口，气泵的进气端与吸气口连通，气泵的出气端与气流导管的进气端连通，气流导管的出气端与吹气口连通，控制电路分别与两个气泵以及加速度传感器电气连接。本发明所提供的螺旋桨通过设置吹气口吹气时的吹气动量系数有效削弱桨尖涡的强度，达到增大拉力、提高效率的目的。

Description

一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨

技术领域

本发明属于螺旋桨设计领域，具体涉及一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨，可以通过削弱桨尖涡改善螺旋桨气动特性、提高螺旋桨气动效率。

背景技术

临近空间飞行器螺旋桨工作于20km以上的高空，大气密度为海平面的十分之一以下，其尺寸一般较大，工作雷诺数在20—60万范围内。由于临近空间飞行器螺旋桨的工况特点，通过常规螺旋桨设计方法来提高其气动性能较为困难，很难满足临近空间飞行器对螺旋桨性能的需求。而通过对螺旋桨桨尖流动进行控制能够带来显著的气动性能提升，从而满足高性能临近空间螺旋桨气动性能要求。

典型研究表明，螺旋桨桨尖涡的存在对螺旋桨的气动性能存在不利的影响：桨尖涡会使桨叶周围的气流产生下洗作用，使升力方向发生倾斜，导致桨叶拉力减小，同时产生额外的诱导阻力，使得螺旋桨拉力较小，扭矩增大，力效和气动效率降低。

目前抑制桨尖涡的方法主要有在螺旋桨桨尖加装削涡装置，如桨尖小翼、端板、后缘扰流片等；以及优化桨尖的形状，如采用后掠、尖削、下反等桨尖构型。然而这些方法还都存在削涡效果不明显和气动性能损失较大等问题，难以有效提高螺旋桨推进系统的工作效率。

申请号为2014103862240的专利申请中公开了一种高空螺旋桨协同射流高效气动布局构型及控制方法，提出了一种沿螺旋桨桨叶展向分段式布置多个协同射流装置。它通过驱动气泵在前缘负压区喷气吸气，后缘高压区吹气，实现对翼型表面气流进行主动流动控制，从而减小翼型阻力，提高螺旋桨的推力，最终提高螺旋桨的气动效率达到5％。其缺点和不足在于：(1)协同射流机构复杂，安装多个协同射流机构所需安装空间大，对螺旋桨结构强度有较大影响。(2)当螺旋桨高速转动时，其布置于桨叶内部多个设备会受到很大的离心力作用，且不同桨叶受到的离心力很难做到大小完全一致。这不仅会导致桨叶受到的拉应力增大，还会使得桨叶根部和螺旋桨转轴在工作时一直受到交变拉应力的作用，容易产生疲劳破坏。(3)布置多套复杂协同射流装置，付出了较大的能量代价却只取得了5％的气动效率收益。

发明内容

为克服上述现有临近空间螺旋桨的不足，提供一种吹气装置结构简单，对螺旋桨结构强度影响小，气动效率高的临近空间螺旋桨。

本发明提供一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨，所述螺旋桨包括桨叶和桨毂，以两个桨叶的螺旋桨为例，本发明在所述螺旋桨上设置了气泵、气流导管、吹气口、吸气口、加速度传感器和控制电路，形成桨尖主动吹气。所述加速度传感器和所述控制电路均位于桨毂内部。所述吸气口、气泵、气流导管以及吹气口各两个，分别位于转轴两侧对称布局。具体地，所述气泵有两个，分别位于两个桨叶的根部(转轴两侧)，并设置在桨毂内。所述气流导管有两个，分别位于两个桨叶内部，在桨叶两端桨尖的下表面分别设置吹气口，在桨毂迎风面设置两个吸气口；以转轴左侧布局为例，气泵的进气端与吸气口连通，气泵的出气端与气流导管的进气端连通，气流导管的出气端与吹气口连通；所述控制电路分别与两个气泵以及加速度传感器电气连接。

当螺旋桨开始工作时，加速度传感器获取螺旋桨转速信息，并将螺旋桨转速信息实时反馈给控制电路，当螺旋桨转速达到工作范围时，控制电路向两个气泵发出开始工作控制信号，气泵开始工作，当气泵工作时，吸气口吸气，经过气流导管在吹气口吹气；当螺旋桨停止工作时，加速度传感器将螺旋桨零转速信号反馈给控制电路，控制电路向两个气泵发出停止工作控制信号，气泵停止工作。

本发明提供的桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨具有以下有益效果：

1、本发明提供的桨尖主动吹气空气螺旋桨的吹气口位于螺旋桨桨尖下表面，控制能力强，能有效削弱桨尖涡强度，显著提高临近空间螺旋桨的气动效率。典型研究结果表明，与传统布局高空螺旋桨相比，本发明的布局形式可将拉力系数提高4％以上，气动效率提升6％以上。

2、桨尖主动吹气的桨尖涡控制方法只在螺旋桨两侧桨叶内部各布置一根气流导管，不改变桨叶气动外形，因此不会带来额外的气动阻力和效率损失，可以在增大螺旋桨拉力系数的同时减小其所受扭矩，进而更有效地提高螺旋桨的气动效率。

3、吸气口位于桨毂上表面，吸气时产生的反作用力会给螺旋桨提供一个向前的拉力；吹气口位于桨尖下表面，吹气时产生的反作用力会给螺旋桨提供一个向前的推力，这两个由于抽吸气产生的力均有利于提高螺旋桨拉力，最终提高螺旋桨的气动效率。

4、气泵和加速度传感器等均布置于螺旋桨的桨毂内部，布置空间充足，且不会破坏螺旋桨各站位剖面形状和桨叶气动结构，具有适用范围较广、易于实施的优点；两只气泵关于螺旋桨转轴对称布置，工作时产生的离心力及离心力偏差小，且能够相互抵消，对螺旋桨结构强度的影响小。

5、气流导管采用高强度、轻质量的钛合金制造，在承担输送气流作用的同时也起到类似机翼翼梁的作用，可承受桨叶产生的拉力和弯矩，对于减轻螺旋桨重量，提高螺旋桨结构效率有重要意义。

附图说明

图1为本发明中控制电路与加速度传感器和气泵的连接关系示意图；

图2为本发明桨尖主动吹气临近空间螺旋桨正视图；

图3为本发明桨尖主动吹气临近空间螺旋桨俯视图；

图4为本发明桨尖主动吹气临近空间螺旋桨吹气口位置与气流导管末端喷嘴位置示意图；

图5为本发明桨尖主动吹气临近空间螺旋桨工作过程流程图；

图6为本发明桨尖主动吹气临近空间螺旋桨工作状态下气流流向示意图；

图中：

1、桨叶； 2、气泵； 3、气流导管； 4、吹气口；

5、吸气口； 6、加速度传感器； 7、控制电路； 8、桨毂。

具体实施方式

下面结合附图1-6，从吹气系统布置、吹气控制和实际应用效果对本发明作进一步说明。

本发明提供一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨，如图1、图2和图3所示，所述螺旋桨包括桨叶1和桨毂8，以两个桨叶1的螺旋桨为例，本发明在所述螺旋桨上设置了气泵2、气流导管3、吹气口4、吸气口5、加速度传感器6和控制电路7，控制电路7控制气泵2的工作，将吸气口5的气体通过气流导管3，在吹气口4喷出，形成桨尖主动吹气。所述加速度传感器6和所述控制电路7均位于桨毂8内部。所述吸气口5、气泵2、气流导管3以及吹气口4各两个，分别位于转轴两侧对称布局。具体地，所述气泵2有两个，分别位于两个桨叶1的根部(转轴两侧)，并设置在桨毂8内。所述气流导管3有两个，分别位于两个桨叶1内部，在桨叶1两端桨尖的下表面分别设置吹气口4，在桨毂8迎风面设置两个吸气口5；以转轴左侧布局为例，气泵2的进气端与吸气口5连通，气泵2的出气端与气流导管3的进气端连通，气流导管3的出气端与吹气口4连通；所述控制电路7分别与两个气泵2以及加速度传感器6电气连接，如图1所示。

其中，设置在桨尖下表面的吹气口的长度方向垂直于桨叶展向，形状为矩形，吹气方向向下，吹气口的长度为桨尖吹气口所处位置弦长的85％，宽度为桨尖吹气口所处位置弦长的20％，展向位置为0.95R～0.99R处，R为螺旋桨半展长。

如图5所示，当螺旋桨开始工作时，加速度传感器6获取螺旋桨转速信息，并将螺旋桨转速信息实时反馈给控制电路7，当螺旋桨转速达到工作范围时，控制电路7向两个气泵2发出开始工作控制信号，气泵2开始工作，当气泵2工作时，吸气口5吸气，经过气流导管3在吹气口4吹气；当螺旋桨停止工作时，加速度传感器6将螺旋桨零转速信号反馈给控制电路7，控制电路7向两个气泵2发出停止工作控制信号，气泵2停止工作。

本发明所提供的桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨只需要通过设置合适的吹气口的吹气方向和吹气口4吹气时的吹气动量系数就可以有效地削弱桨尖涡的强度，达到增大拉力、提高效率的目的。桨尖主动吹气的吹气口4在吹气时的吹气动量系数C的定义为

其中V_∞为桨尖速度，ρ_∞为远前方来流密度，V_j为吹气速度，

为单位时间内的吹气质量流量，S为单片桨叶参考面积。螺旋桨工作状态确定以后，桨尖速度V_∞、远前方来流密度ρ_∞、单片桨叶参考面积S都已知，此时再给定吹气动量系数C的设计范围，则吹气动量

作为一个整体的具体数值就可以求得。于是此时就可以通过控制电路7控制气泵2，使之产生要求的吹气动量

大小，达到设计要求。

临近空间飞行器所用螺旋桨桨叶1的一般尺寸为8m左右，螺旋桨的桨毂8内部有充足的空间用于气泵2、加速度传感器6及气流导管3等设备。控制电路7控制气泵2工作。吹气口4吹气方向向下，吹气口4形状为矩形开缝，吸气口5向内吸气。气流导管3沿桨叶1最大厚度位置布置于桨叶1内部。气流导管3采用高强度钛合金材料，与桨叶1内壁紧密贴合，可承受桨叶1产生的压力和弯矩。如图4所示，气流导管3的末端具有喷嘴，气流导管末端喷嘴与位于桨尖下表面的吹气口4相对接，在气流导管3将气流输送到桨尖处后，利用气流导管末端喷嘴将气流从吹气口4吹出，气流导管末端喷嘴的夹角为150°。

将本发明应用于工作转速为250rpm～300rpm，直径为8m的临近空间低速螺旋桨。如图6所示，图中箭头方向表示气流流动方向，当气泵2工作时，桨毂上表面吸气口5向内吸气，桨尖下表面吹气口4向下吹气，根据动量守恒，螺旋桨受到两个向前的附加力，拉力明显增大。同时桨尖下表面吹出的气流有效地阻止了桨叶下表面气流上翻，削弱了桨尖涡，减小了桨叶周围气流下洗作用，从而降低了桨叶诱导阻力、增大了桨叶升力，使得螺旋桨扭矩减小，拉力进一步增大。数值计算结果表明在20km高空大气环境下，桨尖在吹气口4吹气时的吹气动量系数为0.01时比不吹气时，螺旋桨拉力系数增大5％，效率提高8％；而且在一定范围内吹气量大小对桨尖涡削弱效果的影响较大，吹气量越大，吹气速度越快，桨尖涡的削弱效果越好，螺旋桨1拉力提升越大，扭矩越小，效率越高；但由于螺旋桨1内部空间大小和气泵2功率的限制，吹气系数大小也相应地受到限制。通过理论分析计算确定当吹气动量系数为C＝0.009～0.012时，可使桨尖吹气口4吹气带来的气动收益大于气泵2等吹气系统的功率损耗，最佳吹气动量系数约为C＝0.01。

Claims (1)

1.一种桨尖主动吹气的临近空间螺旋桨，所述临近空间螺旋桨包括两个桨叶和一个桨毂，在所述临近空间螺旋桨上设置了气泵、气流导管、吹气口、吸气口、加速度传感器和控制电路，所述加速度传感器和所述控制电路均位于桨毂内部；所述气泵有两个，分别位于两个桨叶的根部，并设置在桨毂内；所述气流导管有两个，分别位于两个桨叶内部，在桨叶端部桨尖的下表面设置吹气口，在桨毂迎风面设置吸气口；

所述控制电路分别与两个气泵以及加速度传感器电气连接；

气流导管沿桨叶最大厚度位置布置于桨叶内部；

气流导管的末端具有喷嘴，气流导管末端喷嘴与位于桨尖下表面的吹气口相对接；

气泵的进气端与吸气口连通，气泵的出气端与气流导管的进气端连通，气流导管的出气端与吹气口连通；

临近空间螺旋桨工作于20km以上的高空，大气密度为海平面的十分之一以下，工作雷诺数在20—60万范围内；

当临近空间螺旋桨开始工作时，加速度传感器获取临近空间螺旋桨转速信息，并将临近空间螺旋桨转速信息实时反馈给控制电路，当临近空间螺旋桨转速达到工作范围时，控制电路向两个气泵发出开始工作控制信号，气泵开始工作，当气泵工作时，吸气口吸气，经过气流导管在吹气口吹气；当临近空间螺旋桨停止工作时，加速度传感器将临近空间螺旋桨零转速信号反馈给控制电路，控制电路向两个气泵发出停止工作控制信号，气泵停止工作；

桨尖主动吹气的吹气口在吹气时的吹气动量系数C为

其中V_∞为桨尖速度，ρ_∞为远前方来流密度，V_j为吹气速度，

为单位时间内的吹气质量流量，S为单片桨叶参考面积；

其特征在于：

气流导管采用高强度钛合金材料；气流导管末端喷嘴的夹角为150°；

临近空间螺旋桨的工作转速为250rpm～300rpm，直径为8m；设置在桨尖下表面的吹气口形状为矩形，吹气口长度方向垂直于桨叶展向，吹气方向向下，吹气口的长度为桨尖吹气口所处位置弦长的85％，宽度为桨尖吹气口所处位置弦长的20％，展向位置为0.95R～0.99R处，R为临近空间螺旋桨半展长；

桨尖主动吹气的吹气口在吹气时的吹气动量系数C为0.01。

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