CN110040243A - 面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋翼装置技术领域，涉及一种面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统。所述多旋翼无人机旋翼系统包括升力旋翼组件、与升力旋翼组件共轴的共轴旋翼组件和支撑无人机的机体组件。所述的机体组件位于整个旋翼系统的底部，包括电池、飞行控制器和机体；机体是旋翼系统的本体结构，机体为圆柱体，其圆柱体侧面设有对称偶数个平面；电池安装在机体的内部与电机相连，为其提供源动力。本发明针对数据中心冷通道中过量气流利用的问题，提出了一种数据中心能源利用的新方法与新思路，不仅保证了数据中心中无人机的正常使用，而且能够很好的利用数据中心中的过剩能源，起到了节约能源的效果。

Description

面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统

技术领域

本发明属于旋翼装置技术领域，涉及一种面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统。

背景技术

随着大数据和云计算产业的蓬勃发展，数据中心在全球的发展速度在最近几年中呈现了快速的发展。据美国空调与制冷协会发布的预测，未来五年，数据中心占全球能源的比重将上升到5％左右，在世界能源比例中，数据中心将会消耗越来越多的能源。目前数据中心的研究主要集中在热管理与清洁能源冷却方面，对于数据中心余热与气流的利用却少有人研究。数据中心冷通道中的过量气流源源不断的流入吊顶回风系统参与下一次循环，这将是造成一种能源的浪费。

目前在数据中心中执行巡检与热点消除任务的无人机必须24小时无间断执行任务，消耗了极大的能源。虽然目前无人飞行器各项性能已经非常成熟，广泛应用于各种领域，但是在数据中心冷通道中使用无人机却并没有得到足够的重视。如何利用数据中心冷通道中的过量气流，以达到节约能源的目的，将是一件非常有意义的事情。

发明内容

针对目前的研究不足的问题，本发明提供了一种面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统，以达到利用数据中心冷通道过量气流，节约能源的目的。

本发明所采用的技术方案在于：

一种面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统，包括升力旋翼组件、与升力旋翼组件共轴的共轴旋翼组件和支撑无人机的机体组件。

所述的机体组件位于整个旋翼系统的底部，包括电池、飞行控制器和机体；机体是旋翼系统的本体结构，机体为圆柱体，其圆柱体侧面设有对称偶数个平面；电池安装在机体的内部与电机相连，为其提供源动力；机体下部固定有飞行控制器，飞行控制器与电机相连，用于控制飞行器各种飞行姿态。

所述的共轴双桨旋翼组件位于机体组件的上部，包括电机和共轴旋翼叶片，电机固定于机体上表面，电机的输出轴连接共轴旋翼叶片，带动其旋转，提供飞行器做飞行姿态所需的动力。共轴旋翼叶片为普通无人机叶片结构，由于展弦比越大，叶片所提供的升力越大，但是过大的展弦比，会使得叶片在高速旋转的过程中产生较大的竖直向下的下洗气流，对升力旋翼组件的正常运动产生较大影响，故展弦比设计为4。

偶数个升力旋翼组件固连于机体的侧面，目的是消除旋翼旋转所带来的力矩，升力旋翼组件是利用数据中心冷通道中过量的向上气流为飞行器提供升力。

升力旋翼组件包括支撑杆、轴承、支撑轴和升力旋翼叶片。支撑杆的一端固定连接在机体的侧面，另一端的上表面固定轴承，轴承外圈与支撑杆末端孔为过盈配合，轴承上方固定支撑轴，支撑轴底部与轴承内圈为过盈配合，支撑轴上端与升力旋翼叶片的中心孔过盈配合，升力旋翼叶片依托于支撑轴旋转。支撑杆是升力旋翼叶片的载体，为避免共轴旋翼叶片高速旋转时形成的共洗气流对升力旋翼叶片的影响，支撑杆长度设计为共轴旋翼叶片半径的1.5倍，又考虑到在无人机设计过程中减重增升的实际要求，所以升力旋翼叶片支撑杆采用长细比较大的原则来进行结构设计；轴承选择用摩擦力较小的角接触球轴承，以达到最大限度利用数据中心冷通道气流的目的，减少摩擦消耗；升力旋翼叶片是仿风机叶片结构，其设计理念与风机翼型设计理念相仿，其主要原理是由于升力旋翼叶片的特殊翼型设计，冷通道中的向上气流会驱动升力旋翼叶片旋转，在升力旋翼叶片旋转过程中，向上气流对升力旋翼组件中的旋翼会产生两个力，其中一个力与升力旋翼组件中的升力旋翼叶片的平面相切，以驱动旋翼旋转，另外还会产生一个与升力旋翼叶片旋转平面相垂直的竖直向上的力，这个力可以抵消一部分无人机重力，以达到减少升力，节约能源的目的。为达到这一设计结果，必须对升力旋翼叶片做详细的设计。

进一步的，升力旋翼叶片为双叶片结构，以平衡叶片旋转过程中对支撑轴的弯力矩，双叶片结构对启动风速要求较高，但是其产生的竖直向上的力较大，能提供的升力也较大；升力旋翼叶片与支撑轴垂直，与旋转平面成一角度ψ，且从叶片根部到叶片顶部，由于叶片速度越来越高，故安装角ψ逐渐增大；因为气流是竖直向上的，所以叶片偏航角度设计为0°；叶片尖速比是一个比较重要的物理量，由于噪声与叶片尖速比的五次方成正比，数据中心对噪声的要求很高，所以叶片尖速比设计为5；因为叶片在旋转过程中，从叶片根部到叶片顶部的线速度越来越高，为了保证叶片各处截面产生的力与旋转平面垂直，所以自叶片根部到叶片顶部，叶片弦长先增加后减少，叶片厚度先增加后减少。

本发明的有益效果：本发明针对数据中心冷通道中过量气流利用的问题，采用了一种新型的多旋翼无人机旋翼装置，通过此装置，可以将数据中心冷通道中过量的气流转变成供无人机飞行所需的升力，提出了一种数据中心能源利用的新方法与新思路，在数据中心中采用此装置，不仅保证了数据中心中无人机的正常使用，而且能够很好的利用数据中心中的过剩能源，起到了节约能源的效果。本发明外形布局新颖，中心采用共轴双桨旋翼配置，能够在整个飞行过程中提高飞行的稳定性；偶数个升力旋翼组件对称分布于机体四周，能够利用数据中心冷通道的向上气流产生升力，以供飞行器使用。

附图说明

图1：本发明总体结构示意图。

图2：本发明俯视结构示意图。

图3：本发明底视结构示意图。

图4：本发明升力旋翼组件结构示意图。

图5：本发明共轴旋翼组件结构示意图。

图6：本发明机体组件结构示意图。

图7：本发明升力旋翼叶片正视结构示意图。

图8：本发明升力旋翼叶片俯视结构示意图。

图中：1是机体组件；2是共轴旋翼组件；3是升力旋翼组件；4是机体；5是电池；6是飞行控制器；7是电机；8是共轴旋翼叶片；9是支撑杆；10是轴承；11是支撑轴；12是升力旋翼叶片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

如图1所视，一种面向数据中心的复合式多旋翼无人旋翼系统，主要包括机体组件1，共轴旋翼组件2和升力旋翼组件3。

所述机体组件1中的机体4作为无人机旋翼系统的载体，被放置在无人机旋翼系统的底部；电池5安装在机体4的内部，电池5的主要作用是为飞行器提供电力供应；飞行控制器6安装在机体4的底部，飞行控制器6的主要作用是提供飞行器在飞行过程中的姿态控制。

所述共轴旋翼组件2的主要作用是为无人机在数据中心中的运动与姿态控制提供动力；共轴旋翼组件中的电机7放置于机体4上部，与机体4为配合连接，电机7的主要作用是为共轴旋翼组件2中的共轴旋翼叶片8提供动力；共轴旋翼组件中的旋翼8位于电机7的上部，共轴旋翼叶片8的中心孔与电机7的输出轴为过盈连接，在电机7的带动下，共轴旋翼叶片高速旋转，以提供无人机飞行与姿态控制所需的力。

所述升力旋翼组件3的主要作用是利用数据中心冷通道中过量的竖直向上的气流，转变为无人机飞行所需的升力。升力旋翼组件3固定连接在机体4的四周，其中，升力旋翼组件3的个数为偶数个，以抵消在升力旋翼旋转过程中产生的力矩。在升力旋翼组件3中，支撑杆9固定连接在机体4的四周，支撑杆9的主要作用是为轴承10提供载体，为支撑轴11与升力旋翼叶片12提供载体支撑；轴承10与支撑杆9和支撑轴11均采用配合连接，轴承10外圈与支撑杆9的末端孔采用过盈连接，轴承10内圈与支撑轴11采用过盈连接，两处过盈量均选择较大配合；支撑轴11与轴承10和升力旋翼叶片12均采用配合连接，支撑轴的主要作用是为升力旋翼叶片提供载体支撑，支撑轴11的下部与轴承10内圈为过盈连接，支撑轴11的上部与升力旋翼叶片12的中心孔为过盈连接；升力旋翼叶片12与支撑轴11为配合连接，升力旋翼叶片作为升力旋翼组件的核心零件，其主要作用是将数据中心冷通道中过量的竖直向上的气流转变为竖直向上的升力，以减少无人机共轴旋翼所需的升力，达到节约能源的目的。升力旋翼叶片12配合安装在支撑轴11上，升力旋翼叶片12为仿风机叶片，在数据中心冷通道向上气流的驱动下，升力旋翼叶片12会以一定速度旋转，在升力旋翼叶片12旋转过程中，会产生两个力，其中一个力与旋转平面相切，驱动叶片持续转动，另外一个力与旋转平面垂直竖直向上，这个竖直向上的力与无人机飞行所需升力同方向，故能达到减少升力，节约能源的目的。

Claims (3)

1.一种面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统，其特征在于，包括升力旋翼组件(3)、共轴旋翼组件(2)和支撑无人机的机体组件(1)；

所述的机体组件(1)包括电池(5)、飞行控制器(6)和机体(4)；机体(4)为圆柱体，其圆柱体侧面设有对称偶数个平面；电池(5)安装在机体(4)的内部与电机(7)相连，为其提供源动力；机体(4)下部固定有飞行控制器(6)，飞行控制器(6)与电机(6)相连，用于控制飞行器各种飞行姿态；

所述的共轴双桨旋翼组件(2)位于机体组件(1)的上部，包括电机(7)和共轴旋翼叶片(8)，电机(7)固定于机体(4)上表面，电机(7)的输出轴连接共轴旋翼叶片(8)，带动其旋转，提供飞行器做飞行姿态所需的动力；共轴旋翼叶片(8)的展弦比设计为4；

偶数个升力旋翼组件(3)固连于机体(4)的侧面，升力旋翼组件(3)包括支撑杆(9)、轴承(10)、支撑轴(11)和升力旋翼叶片(12)；支撑杆(9)的一端固定连接在机体(4)的侧面，另一端的上表面固定轴承(10)，轴承(10)外圈与支撑杆(9)末端孔为过盈配合，轴承(10)上方固定支撑轴(11)，支撑轴(11)底部与轴承(10)内圈为过盈配合，支撑轴(11)上端与升力旋翼叶片(12)的中心孔过盈配合，升力旋翼叶片(12)依托于支撑轴(11)旋转；支撑杆(9)是升力旋翼叶片(12)的载体，为避免共轴旋翼叶片高速旋转时形成的共洗气流对升力旋翼叶片的影响，支撑杆(9)长度设计为共轴旋翼叶片(8)半径的1.5倍。

2.如权利要求1所述的面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统，其特征在于，升力旋翼叶片(12)为双叶片结构，叶片偏航角度设计为0°，叶片尖速比设计为5，叶片根部到叶片顶部，叶片弦长先增加后减少，叶片厚度先增加后减少。

3.如权利要求1或2所述的面向数据中心的复合式多旋翼无人机旋翼系统，其特征在于，轴承(10)选择用角接触球轴承，减少摩擦消耗。