CN110329503B - 自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶 - Google Patents

自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶 Download PDF

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Abstract

本公开提供自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其包括桨面，由柔性材料制备；扭力管；扭力支架，用于连接桨面和扭力管；其中，扭力管根据温度变化而产生变形，使得桨叶的扭转发生改变以实现自适应变扭转。

Description

自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶
技术领域
本公开涉及空气螺旋桨技术领域，尤其涉及自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶。
背景技术
倾转旋翼螺旋桨(Tilting Propeller)是一种应用于倾转旋翼机上的特殊螺旋桨。倾转旋翼机具有常规直升机不具备的高速巡航能力，又具有固定翼飞机不具备的垂直起降和悬停能力。这些独特的性能都得益于其特有的倾转旋翼/螺旋桨构型。悬停状态，倾转旋翼/螺旋桨轴线垂直于机身，螺旋桨作用相当于普通直升机的旋翼，悬停状态的螺旋桨提供升力以克服飞行器的重力；巡航状态，螺旋桨向前倾转，起到固定翼飞机螺旋桨的作用。此时，螺旋桨仅提供克服飞行器高速前飞所受到的阻力，升力主要由固定翼的机翼提供。为了使倾转旋翼机具备良好的综合气动性能，倾斜旋翼/螺旋桨需要在悬停和巡航两个状态下都能够合理高效工作。
由于悬停和巡航两个状态下空气动力学所关注的问题是不相同的。即便是可以通过变距的方式尽量提高悬停和巡航的气动性能，也不能使螺旋桨充分兼顾悬停状态下的大拉力和巡航状态下的高效率。因为对螺旋桨而言，桨叶的形状是确定的，桨叶的整体扭转分布也是确定的，固定形状桨叶的不同半径处的翼型没有办法同时满足巡航和悬停的理想状态。
发明内容
为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供了一种自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其包括桨面，由柔性材料制备；扭力管；扭力支架，用于连接桨面和扭力管；其中，扭力管根据温度变化而产生变形，使得桨叶的扭转发生改变以实现自适应变扭转。
根据本公开的至少一个实施方式，扭力管由形状记忆合金制备，沿桨面的根部到桨尖方向设置在桨面内部；螺旋桨桨叶还包括电热阻丝，缠绕在扭力管侧壁上；其中，电热阻丝加热时，扭力管产生变形，通过扭力支架带动桨面产生变形。
根据本公开的至少一个实施方式，电热阻丝加热时，扭力管沿自身轴线扭转，带动扭力支架转动，桨面在扭力支架的带动下，完成大扭转状态和小扭转状态之间的切换。
根据本公开的至少一个实施方式，螺旋桨桨叶在电热阻丝非加热状态下为大扭转状态，在电热阻丝加热状态下为小扭转状态。
根据本公开的至少一个实施方式，扭力管从桨面的根部到桨尖呈收缩形状。
根据本公开的至少一个实施方式，扭力管经过低温退火处理，设置扭力管在低温下的形状。
根据本公开的至少一个实施方式，形状记忆合金为TiNi形状记忆合金。
根据本公开的至少一个实施方式，扭力管的侧壁上设置有斜开口。
根据本公开的至少一个实施方式，扭力支架包括至少两组扭力杆，在扭力管的底部和顶部分别设置至少一组扭力杆。
根据本公开的至少一个实施方式，每组扭力杆包括至少2根扭力杆，扭力杆的两端分别连接扭力管和桨面。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开至少一个实施方式的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶处于悬停状态时的小扭转桨叶。
图2是根据本公开至少一个实施方式的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶处于巡航状态时的大扭转桨叶。
图3是根据本公开至少一个实施方式的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶的大扭转状态示意图。
图4是根据本公开至少一个实施方式的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶的小扭转状态示意图。
图5是根据本公开至少一个实施方式的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶的热电阻丝缠绕示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
当倾转旋翼飞行器在地面垂直/短距起飞，或在低空悬停时，由空气动力学知识可知，螺旋桨的桨跟到桨尖的扭转不需要很大。当倾转旋翼飞行器在高空巡航飞行时，由空气动力学知识可知，螺旋桨的桨跟到桨尖的扭转需要很大的扭转。
根据倾转旋翼飞行器的飞行需求，本公开提供的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶包括2个不同的形态，即小扭转状态和大扭转状态，其中小扭转状态用于倾转旋翼飞行器的起飞或低空悬停，大扭转状态用于该飞行器的高空巡航飞行。
该自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶利用形状记忆合金材料在不同温度下的结构变形特性，通过设计螺旋桨内部的电加热和冷却方式，在低空悬停时采用电加热，实现桨叶主动变形，达到从根到尖的小扭转角度，如图1所示；在高空巡航时，不加热，使螺旋桨工作在高空较低温度下，桨叶恢复原始形状，达到从跟到尖的大扭转角度，如图2所示。
如图3和图4所示，该自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶包括桨面3，由柔性材料，特别是柔性桨面材料制备；扭力管2；扭力支架4，用于连接桨面3和扭力管2，即扭力管2与扭力支架4相连，扭力支架4与桨面3相连；其中，扭力管2根据温度变化而产生变形，使得桨叶的扭矩发生改变以实现自适应变扭转。
其中，扭力管2由形状记忆合金(SMA)制备，沿桨面3的根部到桨尖方向设置在桨面3内部；电热阻丝1，缠绕在扭力管2侧壁上，如图5所示；其中，电热阻丝1加热时，扭力管2产生变形，通过扭力支架4带动桨面3产生变形。
扭力管2从桨面3的根部到桨尖呈收缩形状，其侧壁上设置有斜开口5。扭力管2加工完成后，经过低温退火处理，设置扭力管2在低温下的形状。该形状记忆合金为TiNi形状记忆合金。
扭力支架4包括至少两组扭力杆，在扭力管2的底部和顶部分别设置至少一组扭力杆。如果设置多于2组扭力杆，则其中2组分别设置在扭力管2的底部和顶部，其他扭力杆均匀设置在扭力管2中部。
每组扭力杆包括至少2根扭力杆，扭力杆的两端分别连接扭力管2和桨面3，并且扭力杆与扭力管2之间为刚性连接。这样有利于将扭力管2的变形传递至柔性桨面3，带动桨面3完成小扭转状态和大扭转状态之间的切换。在本公开的优选实施例中，如图3和图4所示，每组扭力杆包括4根扭力杆，4根扭力杆对称设置在扭力管2外侧，与扭力管2刚性连接。
本公开提供的螺旋桨桨叶在电热阻丝1非加热状态下为大扭转状态，在电热阻丝1加热状态下为小扭转状态。电热阻丝1加热时，扭力管2沿自身轴线扭转，带动扭力支架4转动，桨面3在扭力支架4的带动下，完成大扭转状态和小扭转状态之间的切换。
螺旋桨桨叶初始状态，即电热阻丝1非加热状态下，预置为大扭转状态，如图3所示。TiNi形状记忆合金扭力管2加工完成后，将其在低温下进行退火处理，设置其低温大扭转形状。
当倾转旋翼飞行器在高空巡航飞行时，由空气动力学知识可知，螺旋桨的桨跟到桨尖的扭转需要很大的扭转，其典型运行工况为大桨距角、低转速。飞行器高空巡航飞行时，工作高度较高，高空下的温度较低，大约为-5至-15摄氏度之间，有利于扭力管2在低温马氏体下的性能。这种情况下，不需对该倾转旋翼螺旋桨加热，桨叶达到预置的低温大扭转状态，该状态对应为高空高速巡航下较理想的螺旋桨工作模式，螺旋桨的巡航气动效率很高。
在起飞或者悬停时，该工作模态为直升机模式，螺旋桨桨叶需要从根到尖的小扭转，如图4所示。此时，通过电加热的方式对电热阻丝1进行通电，由于电热阻丝1缠绕固定在扭力管2上，电热阻丝1将热量传递给TiNi形状记忆合金扭力管2。由于扭力管2上设置有倾斜的开口，TiNi形状记忆合金扭力管2受热并达到一定温度后沿自身轴线开始扭转变形，其扭转带动扭力支架4旋转，扭力支架4驱动柔性桨面3进行旋转，使得不同桨叶半径上的翼型进行一定旋转，达到桨叶根据运行工况，自适应变扭转目的。柔性桨面材料具有足够强度及恢复形变的能力，最终，螺旋桨的桨叶由低温的大扭转状态，转变为小扭转变形状态(图4)。因为倾转旋翼飞行器大部分时间要工作在高速巡航状态，所以短时间内对TiNi形状记忆合金扭力管2进行加热，消耗一定能量是允许，并可以接受的。
本公开提出一种能够自动变形的螺旋桨桨叶，桨叶的扭转规律可以根据悬停和巡航的不同工作状态，实现自动变形，从而兼顾悬停和巡航两个状态的高效率运行工况。在悬停时桨叶从根到尖的扭转较小，在巡航时桨叶从根到尖的扭转较大。这样可以使螺旋桨不同半径方向上的翼型都处于最佳的工作状态，保证螺旋桨在悬停状态和巡航状态都能够达到最佳效率。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述螺旋桨桨叶包括：
桨面，所述桨面由柔性材料制备；
扭力管；
扭力支架，所述扭力支架用于连接所述桨面和所述扭力管；扭力支架包括多于两组扭力杆，在扭力管的底部和顶部分别设置至少一组扭力杆，其他扭力杆均匀设置在扭力管中部；每组扭力杆包括至少2根扭力杆，扭力杆的两端分别连接扭力管和桨面，并且扭力杆与扭力管之间为刚性连接；
其中，所述扭力管根据温度变化而产生变形，使得所述桨叶的扭转发生改变以实现自适应变扭转。
2.根据权利要求1所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述扭力管由形状记忆合金制备，沿所述桨面的根部到桨尖方向设置在所述桨面内部；
所述螺旋桨桨叶还包括电热阻丝，所述电热阻丝缠绕在所述扭力管侧壁上；
其中，所述电热阻丝加热时，所述扭力管产生变形，通过所述扭力支架带动所述桨面产生变形。
3.根据权利要求2所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述电热阻丝加热时，所述扭力管沿自身轴线扭转，带动所述扭力支架转动，所述桨面在所述扭力支架的带动下，完成大扭转状态和小扭转状态之间的切换。
4.根据权利要求3所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述螺旋桨桨叶在所述电热阻丝非加热状态下为大扭转状态，在所述电热阻丝加热状态下为小扭转状态。
5.根据权利要求2所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述扭力管从所述桨面的根部到桨尖呈收缩形状。
6.根据权利要求5所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述扭力管经过低温退火处理，设置所述扭力管在低温下的形状。
7.根据权利要求2所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述形状记忆合金为TiNi形状记忆合金。
8.根据权利要求5所述的自适应变扭转的智能倾转旋翼螺旋桨桨叶，其特征在于，所述扭力管的侧壁上设置有斜开口。
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