CN110015417B - 一种小型螺旋桨 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种小型螺旋桨，所述螺旋桨包含两片完全相同的桨叶，其中一片桨叶是由另一片桨叶绕旋转轴旋转180度得到；每片桨叶由上表面和下表面两个曲面组成；从桨根至桨尖，上表面曲面从前缘往后缘始终呈现上凸状；从桨根至50％半径处，下表面曲面呈现下凸状；从50％半径至桨尖，下表面曲面在前缘弦长10％处呈现下凸状，从10％弦长至后缘为内凹形，且内凹的程度，从50％半径至桨尖逐渐增大；桨叶从旋转轴往外至50％半径，弦长逐渐增大；从50％半径至桨尖，弦长逐渐减小；最大弦长在50％半径处，其弦长为半径的15％，最小弦长在桨尖，其弦长为半径的6％。本发明提供一种小型螺旋桨，其拉力系数、功率系数、悬停效率都有了明细的提高，气动效率得到明显提高。

Description

一种小型螺旋桨
技术领域
本发明属于航空航天技术领域，具体涉及一种小型螺旋桨。
背景技术
多旋翼无人飞行器在工农业生产及人们的日常生活中发挥着重要的作用。这类飞行器通过电机带动螺旋桨旋转来产生垂直于旋转平面的拉力，通过调节不同螺旋桨的拉力大小值来实现飞行器的悬停、前飞、上升等动作。螺旋桨的拉力和扭矩是飞行控制系统的重要输入条件，同时也是桨叶气动外形设计的两个主要技术指标，这是由于拉力和扭矩的大小决定着螺旋桨的气动效率，而螺旋桨的气动效率则是飞行器巡航时间的关键因素。
因此，如何提高螺旋桨的气动性能，成为人们亟待研究的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种小型螺旋桨，相比于现有的螺旋桨，其拉力系数、功率系数、悬停效率都有了明细的提高，气动效率得到明显提高。
本发明采用的技术方案是：本发明提供一种小型螺旋桨，所述螺旋桨包含两片完全相同的桨叶，其中一片桨叶是由另一片桨叶绕旋转轴旋转180度得到；
每片桨叶由上表面和下表面两个曲面组成；从桨根至桨尖，上表面曲面从前缘往后缘始终呈现上凸状；从桨根至50％半径处，下表面曲面呈现下凸状；
桨叶从旋转轴至桨尖，相对厚度逐渐减小；最大相对厚度为30％，50％半径处的相对厚度为8.67％，60％半径处的相对厚度为7.07％，70％半径处的相对厚度为6.87％，80％半径处的相对厚度为6.04％，90％半径处的相对厚度为4.55％，桨尖的相对厚度为2.07％。
优选的，从桨根至桨尖，相对厚度、剖面扭转角逐渐减小，剖面弦长先增大后减小。
优选的，桨叶的后缘具有相对厚度，且相对厚度从50％半径至桨尖逐渐减小。
优选的，从50％半径至桨尖，下表面曲面在前缘弦长10％处呈现下凸状，从10％弦长至后缘为内凹形，且内凹的程度，从50％半径至桨尖逐渐增大；
桨叶从旋转轴往外至50％半径，弦长逐渐增大；从50％半径至桨尖，弦长逐渐减小；最大弦长在50％半径处，其弦长为半径的15％，最小弦长在桨尖，其弦长为半径的6％。
优选的，桨叶剖面的扭转角从根部至桨尖逐渐减小，桨根扭转角40°，50％半径处的扭转角22.5°，桨尖的扭转角为11°。
优选的，桨叶50％、60％、70％、80％、90％、100％径向位置处的剖面翼型具有如下特征：
50％位置：翼型的最大厚度为8.67％，最大厚度位置位于0.2395弦长处；
60％位置：翼型的最大厚度为7.07％，最大厚度位置位于0.2125弦长处；
70％位置：翼型的最大厚度为6.87％，最大厚度位置位于0.20弦长处；
80％位置：翼型的最大厚度为6.04％，最大厚度位置位于0.1770弦长处；
90％位置：翼型的最大厚度为4.55％，最大厚度位置位于0.1230弦长处；
100％位置：翼型的最大厚度为2.07％，最大厚度位置位于0.0615弦长处。
本发明的有益效果：
1.本发明提供一种小型螺旋桨，一种小型螺旋桨，相比于现有的螺旋桨，其拉力系数、功率系数、悬停效率都有了明细的提高，气动效率得到明显改善。
2.相比于现有的相同直径的螺旋桨NR640，本发明的螺旋桨气动效率更高：在消耗相同电机功率的情况下，产生更大的拉力，或在产生相同拉力的情况下消耗更小的电机功率。
附图说明
图1是现有技术中UIUU的螺旋桨NR640三维外形示意图；
图2是现有技术中UIUU的螺旋桨NR640剖面翼型示意图；
图3是本发明实施例螺旋桨的剖面翼型(叶素)受力示意图；
图4是采用本发明实施例提供的一种小型螺旋桨气动外形示意图(气动外形不含桨毂)；
图5是采用本发明实施例提供的一种螺旋桨中桨叶的曲面形状示意图；
图6是采用本发明实施例提供的一种小型螺旋桨各径向位置的翼型形状与螺旋桨NR640翼型形状的对比示意图。
附图标记：1-桨毂；2-三维螺旋桨叶片；3-翼型；4-旋转平面；5-50％桨叶径向位置；6-60％桨叶径向位置；7-70％桨叶径向位置；8-80％桨叶径向位置；9-90％桨叶径向位置；10-100％桨叶径向位置。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解此技术，我们结合附图和具体实施实例对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例提供的螺旋桨的整体外形尺寸与现有的NR640一致：桨叶直径0.23m(9英寸)，桨叶从中心转轴到50％径向位置之间的剖面形状与NR640一致：剖面形状以低雷诺数螺旋桨翼型Clark-Y翼型作为基准，从桨根至桨尖，相对厚度、剖面扭转角逐渐减小，剖面弦长先增大后减小。但是，本发明实施例提供的螺旋桨桨叶50％径向位置到100％径向位置与NR640明显不同，如图6所示，且经过实验证明，得到了很好的有益效果。
本发明实施例的螺旋桨相对于现有的NR640，其拉力系数、悬停效率都得到了明显的提升。
本发明实施例提供一种小型螺旋桨，该螺旋桨含两片桨叶，如图4所示，两片桨叶形状完全相同，其中一片是由另一片绕旋转轴旋转180度得到。每片桨叶由上表面和下表面两个曲面组成。从桨根至桨尖，上表面曲面从前缘往后缘始终呈现上凸状；从桨根至50％半径处，下表面曲面呈现下凸状，但比上表面更为平坦；从50％半径至桨尖，下表面曲面在前缘约10％弦长呈现下凸状，从10％弦长至后缘为内凹形，且内凹的程度，从50％半径至桨尖逐渐增大。上述外形特征提高了桨叶的各剖面弯度，增大各剖面的升力系数，从而起到增大桨叶拉力系数的作用。
桨叶从旋转轴至桨尖，相对厚度逐渐减小；最大相对厚度为30％，50％半径处的相对厚度为8.67％，60％半径处的相对厚度为7.07％，70％半径处的相对厚度为6.87％，80％半径处的相对厚度为6.04％，90％半径处的相对厚度为4.55％，桨尖的相对厚度为2.07％。桨叶剖面的扭转角从根部至桨尖逐渐减小，桨根扭转角40°，50％半径处的扭转角22.5°，桨尖的扭转角为11°。从桨根到桨尖剖面相对厚度的大小，既可以保证结构的强度和刚度，也可抑制外段剖面的阻力系数，从而抑制桨叶的扭矩系数。
桨叶的后缘具有相对厚度，且相对厚度从50％半径至桨尖逐渐减小。桨叶从旋转轴往外至50％半径，弦长逐渐增大；从50％半径至桨尖，弦长逐渐减小；最大弦长在50％半径处，其弦长为半径的15％，最小弦长在桨尖，其弦长为半径的6％。
本发明实施例的螺旋桨桨叶在50％、60％、70％、80％、90％、100％径向位置处的剖面翼型具有如下特征：
50％位置：翼型的最大厚度为8.67％，最大厚度位置位于0.2395弦长处，翼型上下表面几何坐标(x,y)表达式分别为：
翼型上表面：
翼型下表面：
其中的系数：
Au,0＝0.152655,Au,1＝0.425461,Au,2＝-0.163914,Au,3＝1.190867,Au,4＝-1.097427
Au,5＝2.094674，Au,6＝-1.246325，Au,7＝1.481334，Au,8＝-0.090386，Au,9＝0.574920，Au,10＝0.385483
Al,0＝-0.130539,Al,1＝0.06895,Al,2＝-0.024549,Al,3＝0.093360,Al,4＝0.301629
Al,5＝-0.045437，Al,6＝0.103491，Al,7＝0.334922，Al,8＝0.098178，Al,9＝0.244832，Al,10＝0.182890
60％位置：翼型的最大厚度为7.07％，最大厚度位置位于0.2125弦长处，翼型上下表面几何坐标(x,y)表达式分别为：
翼型上表面：
翼型下表面：
其中的系数：
Au,0＝0.134306,Au,1＝0.427156,Au,2＝-0.182180,Au,3＝1.158585,Au,4＝-0.984807
Au,5＝1.851305，Au,6＝-1.036964，Au,7＝1.279719，Au,8＝-0.030759，Au,9＝0.509214，Au,10＝0.358182
Al,0＝-0.111891,Al,1＝0.120356,Al,2＝-0.043038,Al,3＝0.227367,Al,4＝0.205828
Al,5＝0.099386，Al,6＝0.044842，Al,7＝0.406770，Al,8＝0.114971，Al,9＝0.270654，Al,10＝0.196961
70％位置：翼型的最大厚度为6.87％，最大厚度位置位于0.20弦长处，
翼型上下表面几何坐标(x,y)表达式分别为：
翼型上表面：
翼型下表面：
其中的系数：
Au,0＝0.128423,Au,1＝0.453256,Au,2＝-0.212088,Au,3＝1.196303,Au,4＝-0.959491
Au,5＝1.718774，Au,6＝-0.953750，Au,7＝1.182584，Au,8＝-0.071382，Au,9＝0.464090，Au,10＝0.299464
Al,0＝-0.117286,Al,1＝0.158370,Al,2＝-0.106667,Al,3＝0.373278,Al,4＝0.046426
Al,5＝0.211088，Al,6＝0.003169，Al,7＝0.423350，Al,8＝0.089246，Al,9＝0.260095，Al,10＝0.173089
80％位置：翼型的最大厚度为6.04％，最大厚度位置位于0.1770弦长处，翼型上下表面几何坐标(x,y)表达式分别为：
翼型上表面：
翼型下表面：
其中的系数：
Au,0＝0.128171,Au,1＝0.424357,Au,2＝-0.183163,Au,3＝1.060051,Au,4＝-0.766158
Au,5＝1.396571，Au,6＝-0.727121，Au,7＝0.972472，Au,8＝-0.049234，Au,9＝0.391837，Au,10＝0.248007
Al,0＝-0.104653,Al,1＝0.154068,Al,2＝-0.061138,Al,3＝0.290147,Al,4＝0.209649
Al,5＝-0.025255，Al,6＝0.236628，Al,7＝0.240151，Al,8＝0.134606，Al,9＝0.208060，Al,10＝0.141050
90％位置：翼型的最大厚度为4.55％，最大厚度位置位于0.1230弦长处，翼型上下表面几何坐标(x,y)表达式分别为：
翼型上表面：
翼型下表面：
其中的系数：
Au,0＝0.112687,Au,1＝0.363011,Au,2＝-0.186421,Au,3＝0.908302,Au,4＝-0.656793
Au,5＝1.132545，Au,6＝-0.573745，Au,7＝0.765489，Au,8＝-0.042525，Au,9＝0.307268，Au,10＝0.193787
Al,0＝-0.092962,Al,1＝0.153907,Al,2＝-0.052851,Al,3＝0.263846,Al,4＝0.266642
Al,5＝-0.178655，Al,6＝0.413754，Al,7＝0.028554，Al,8＝0.176092，Al,9＝0.133850，Al,10＝0.103037
100％位置：翼型的最大厚度为2.07％，最大厚度位置位于0.0615弦长处，翼型上下表面几何坐标(x,y)表达式分别为：
翼型上表面：
翼型下表面：
其中的系数：
Au,0＝0.073514,Au,1＝0.193734,Au,2＝-0.121582,Au,3＝0.500704,Au,4＝-0.340172
Au,5＝0.587201，Au,6＝-0.235181，Au,7＝0.372227，Au,8＝0.023512，Au,9＝0.171377Au,10＝0.143392
Al,0＝-0.053941,Al,1＝0.116787,Al,2＝-0.005766，Al,3＝0.172813,Al,4＝0.308408
Al,5＝-0.300532，Al,6＝0.561680，Al,7＝-0.261820，Al,8＝0.240156，Al,9＝0.016343，Al,10＝0.070061
以下为实验数据：
将本发明实施例的螺旋桨与现有的螺旋桨NR640进行实验对比测试如下：
螺旋桨空气动力特性的参数主要有拉力系数CT、扭矩系数CM、功率系数CP、悬停效率FM等，其表达式如下：
其中，T为螺旋桨产生的拉力，M为螺旋桨产生的绕转轴的扭矩，P为螺旋桨产生的功率；ρ∞是来流空气密度，R是螺旋桨半径，Ω是螺旋桨的旋转角速度(rad/s)。
本发明实施例的螺旋桨的拉力系数为0.103152，功率系数为0.043964，悬停效率为0.6012，悬停效率比基准螺旋桨高8.13％，气动效率得到明显提高。从而验证了本方法的有效性，参见表1所示。图4给出的是本发明实施例提供的螺旋桨三维形状。图5给出的是一片桨叶上所有坐标点连成的网格面。
表1设计螺旋桨与螺旋桨NR640的气动参数对比
图6给出了本发明实施例的螺旋桨从50％～100％径向位置处的翼型形状与螺旋桨NR640翼型形状的比较，从图中看出本发明实施例的的螺旋桨桨叶更薄、弯度更大，从而产生的更大的拉力系数，提高了悬停效率。
下面给出本发明实施例螺旋桨50％、60％、70％、80％、90％、100％径向位置的(x,y)坐标点如下：
/>
/>
/>
本发明实施例不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种小型螺旋桨，其特征在于，所述螺旋桨包含两片完全相同的桨叶，其中一片桨叶是由另一片桨叶绕旋转轴旋转180度得到；
每片桨叶由上表面和下表面两个曲面组成；从桨根至桨尖，上表面曲面从前缘往后缘始终呈现上凸状；从桨根至50％半径处，下表面曲面呈现下凸状；从50％半径至桨尖，下表面曲面在前缘弦长10％处呈现下凸状，从10％弦长至后缘为内凹形，且内凹的程度，从50％半径至桨尖逐渐增大；
从桨根至50％半径处，弦长逐渐增大；从50％半径至桨尖，弦长逐渐减小；最大弦长在50％半径处，其弦长为半径的15％，最小弦长在桨尖，其弦长为半径的6％；
桨叶从旋转轴至桨尖，相对厚度逐渐减小；最大相对厚度为30％；50％半径处的相对厚度为8.67％，最大厚度位置位于0.2395弦长处；60％半径处的相对厚度为7.07％，最大厚度位置位于0.2125弦长处；70％半径处的相对厚度为6.87％，最大厚度位置位于0.2000弦长处；80％半径处的相对厚度为6.04％，最大厚度位置位于0.1770弦长处；90％半径处的相对厚度为4.55％，最大厚度位置位于0.1230弦长处；100％半径处的相对厚度为2.07％，最大厚度位置位于0.0615弦长处。
2.根据权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，从桨根至桨尖，相对厚度、剖面扭转角逐渐减小，剖面弦长先增大后减小。
3.根据权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，桨叶的后缘具有相对厚度，且相对厚度从50％半径至桨尖逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，桨叶剖面的扭转角从根部至桨尖逐渐减小，桨根扭转角40°，50％半径处的扭转角22.5°，桨尖的扭转角为11°。
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