CN110963028B

CN110963028B - 一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼

Info

Publication number: CN110963028B
Application number: CN201911096394.4A
Authority: CN
Inventors: 李新华; 孙凯军; 付义伟; 邢焕魁; 张练
Original assignee: Rainbow UAV Technology Co Ltd
Current assignee: Rainbow UAV Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2019-11-11
Publication date: 2021-09-03
Anticipated expiration: 2039-11-11
Also published as: CN110963028A

Abstract

本发明公开了一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，包括：上旋翼、变转速机构和下旋翼；其中，所述变转速机构的上端与所述上旋翼转动连接；所述变转速机构的下端与所述下旋翼转动连接。本发明同时兼顾了垂直起降和巡航前飞状态的旋翼气动效率，使得该倾转旋翼飞行器性能更优。

Description

一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼

技术领域

本发明属于旋翼空气动力学、实验空气动力学技术领域，尤其涉及一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼。

背景技术

倾转旋翼飞行器通过转换旋翼功能实现高速飞行，即利用倾转机构实现其主要的气动部件在旋翼与螺旋桨之间转换，实现垂直飞行时以直升机模式飞行、高速时以固定翼螺旋桨飞机模式前飞，从而兼顾低速与高速飞行性能。倾转旋翼飞行器兼顾了直升机与固定翼螺旋桨飞机的特点，具有振动小、噪声低、经济性好的优点。

倾转旋翼机的概念早在上个世纪40年代初由贝尔公司提出，自上个世纪五十年代开始，美国先后研制了XV-3、XV-15等技术验证性质的倾转旋翼机。XV-15的飞行试验取得了较好的效果，引起了美国军方的关注。贝尔公司在XV-15的基础上，联合波音公司成功研制了V-22倾转旋翼机。V-22被美国军方大量采购，并投入实战，实现了倾转旋翼飞行器的实际应用。

旋翼作为倾转旋翼飞行器的主要气动部件，其气动性能的优劣对倾转旋翼飞行器起着关键性的作用。常规倾转旋翼机同一根旋转轴上只有一副旋翼，通过变桨距机构调整旋翼不同桨距角来适应垂直起降和巡航前飞状态。但是，垂直起降状态旋翼拉力承担着整个倾转旋翼机的重量，而巡航前飞旋翼拉力只需克服倾转旋翼机的阻力，所以垂直起降状态的拉力是巡航前飞状态的十几倍，造成两个状态下的旋翼性能差距过大，进而造成设计过程中两者性能兼顾问题，最终使得常规倾转旋翼机的旋翼气动效率较低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，同时兼顾了垂直起降和巡航前飞状态的旋翼气动效率，使得该倾转旋翼飞行器性能更优。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，包括：上旋翼、变转速机构和下旋翼；其中，所述变转速机构的上端与所述上旋翼转动连接；所述变转速机构的下端与所述下旋翼转动连接。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，所述上旋翼包括上旋翼桨榖和三个上旋翼桨叶；其中，三个上旋翼桨叶的根部与所述上旋翼桨榖相连接；三个上旋翼桨叶围绕所述上旋翼桨榖的外周均匀分布。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，在上旋翼桨叶0.2R位置处，翼型相对厚度为25％～30％，翼型扭角为25～30°；在上旋翼桨叶0.4R位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为11～15°；在上旋翼桨叶0.6R位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为3～6°；在上旋翼桨叶0.8R位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为-3～2°；在旋翼桨叶1.0R位置处，翼型相对厚度为8％～10％，翼型扭角为-5～-2°；其中，R为上旋翼桨叶的半径。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，所述下旋翼包括下旋翼桨榖和两个下旋翼桨叶；其中，两个下旋翼桨叶的根部与所述下旋翼桨榖相连接；两个下旋翼桨叶围绕所述下旋翼桨榖的外周均匀分布。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，在下旋翼桨叶0.2R’位置处，翼型相对厚度为20％～25％，翼型扭角为12～15°；在下旋翼桨叶0.4R’位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为9～12°；在下旋翼桨叶0.6R’位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为6～9°；在下旋翼桨叶0.8R’位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为4～6°；在下旋翼桨叶1.0R’位置处，翼型相对厚度为8％～10％，翼型扭角为0～4°；其中，R’为下旋翼桨叶的半径。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，上旋翼桨叶采用碳纤维材料。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，下旋翼桨叶采用碳纤维材料。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，所述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼既可作为直升机旋翼也可作为固定翼飞机的推进螺旋桨。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，所述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼作为直升机旋翼时，下旋翼作为主升力旋翼，上旋翼用于平衡下旋翼的反扭力矩，通过变转速机构实现上旋翼、下旋翼转速控制，上旋翼、下旋翼转速不同，旋转方向相反。

上述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼中，所述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼作为固定翼飞机的推进螺旋桨时，该适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼向机头方向倾转90°；同时，上旋翼作为推进旋翼，下旋翼通过变转速机构使其转速维持在极低的状态，上旋翼、下旋翼转速不同，旋转方向相反。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明同时兼顾了垂直起降和巡航前飞状态的旋翼气动效率，使得该倾转旋翼飞行器性能更优；

(2)本发明通过上旋翼桨叶、翼型相对厚度和翼型扭角的设计保证上旋翼桨叶根部位有足够的结构强度；

(3)本发明通过下旋翼桨叶、翼型相对厚度和翼型扭角的设计保证下旋翼桨叶根部位有足够的结构强度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明共轴双旋翼的三维示意图；

图2为本发明在某倾转旋翼飞行器垂直起降状态的三维示意图；

图3为本发明在某倾转旋翼飞行器巡航前飞状态的三维示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明共轴双旋翼的三维效果图。如图1所示，该适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼包括：上旋翼1、变转速机构2和下旋翼3；其中，所述变转速机构2的上端与所述上旋翼1转动连接；所述变转速机构2的下端与所述下旋翼3转动连接。

如图1所示，上旋翼1包括上旋翼桨榖和三个上旋翼桨叶；其中，三个上旋翼桨叶的根部与所述上旋翼桨榖相连接；三个上旋翼桨叶围绕所述上旋翼桨榖的外周均匀分布。上旋翼桨叶采用碳纤维材料，从而增加了结构强度。

如图1所示，下旋翼3包括下旋翼桨榖和两个下旋翼桨叶；其中，两个下旋翼桨叶的根部与所述下旋翼桨榖相连接；两个下旋翼桨叶围绕所述下旋翼桨榖的外周均匀分布。下旋翼桨叶采用碳纤维材料，从而增加了结构强度。

上旋翼有三片桨叶通过桨榖连接，下旋翼有两片桨叶通过桨榖连接，上、下两副旋翼和变转速机构形成整体结构(如图1)；桨叶为碳纤维超轻质结构，桨榖采用金属材料铝，通过在上、下旋翼中间连接变距机构，可调节上、下旋翼转速；整一套共轴双旋翼通过旋转轴连接到倾转机构上，通过倾转机构调整共轴双旋翼的不同姿态来适应倾转旋翼飞行器的不同工作状态。

图2为倾转旋翼飞行器垂直起降状态，共轴双旋翼通过倾转机构调整姿态朝上，使下旋翼产生向上的升力，上旋翼用来克服下旋翼的反扭力矩。图3为倾转旋翼飞行器巡航前飞状态，共轴双旋翼通过倾转机构调整姿态朝前，使上旋翼产生向前的推力，下旋翼维持在极低转速的“顺桨”状态。

上旋翼桨叶翼型为螺旋桨翼型，下旋翼桨叶翼型为直升机旋翼翼型，分别根据固定翼状态和直升机状态的实际使用需求设计得到。

为了保证旋翼桨叶根部位有足够的结构强度，需要增大桨根部位的剖面厚度，可以通过增大当地翼型弦长和翼型相对厚度来实现；同时，为了保证旋翼桨叶旋转时，每一个径向占位的翼型能够工作在其最优的角度范围，可以调整翼型扭角沿旋翼桨叶径向(从0.2R～1.0R)呈负扭转分布。调整完以后，旋翼桨叶沿径向各个占位的基本几何参数如下：

上旋翼桨叶参数(R为桨叶半径)：

在桨叶0.2R处，翼型相对厚度为25％～30％，翼型扭角为25～30°；

在桨叶0.4R处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为11～15°；

在桨叶0.6R处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为3～6°；

在桨叶0.8R处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为-3～2°；

在桨叶1.0R处，翼型相对厚度为8％～10％，翼型扭角为-5～-2°。

下旋翼桨叶参数(R为桨叶半径)：

在桨叶0.2R处，翼型相对厚度为20％～25％，翼型扭角为12～15°；

在桨叶0.4R处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为9～12°；

在桨叶0.6R处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为6～9°；

在桨叶0.8R处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为4～6°；

在桨叶1.0R处，翼型相对厚度为8％～10％，翼型扭角为0～4°。

适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼既可作为直升机旋翼也可作为固定翼飞机的推进螺旋桨。

适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼作为直升机旋翼时，下旋翼作为主升力旋翼，上旋翼用于平衡下旋翼的反扭力矩，通过变转速机构实现上旋翼、下旋翼转速控制，上旋翼、下旋翼转速不同，旋转方向相反。

适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼作为固定翼飞机的推进螺旋桨时，该适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼向机头方向倾转90°；同时，上旋翼作为推进旋翼，下旋翼通过变转速机构使其转速维持在极低的状态，上旋翼、下旋翼转速不同，旋转方向相反。

倾转旋翼飞行器有两个主要的飞行模态：直升机模态和固定翼飞机模态。两种飞行模态可以通过飞行器上的倾转机构进行转换。所以本发明的设计目标是在直升机模态和固定翼飞机模态下都具有很高的气动效率。

通过以上措施，可以得到在海拔0km～3km高度范围内，满足倾转旋翼直升机模态和固定翼飞机模态的两叶螺旋桨。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于包括：上旋翼(1)、变转速机构(2)和下旋翼(3)；其中，

所述变转速机构(2)的上端与所述上旋翼(1)转动连接；

所述变转速机构(2)的下端与所述下旋翼(3)转动连接；

所述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼既可作为直升机旋翼也可作为固定翼飞机的推进螺旋桨；

所述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼作为直升机旋翼时，下旋翼作为主升力旋翼，上旋翼用于平衡下旋翼的反扭力矩，通过变转速机构实现上旋翼、下旋翼转速控制，上旋翼、下旋翼转速不同，旋转方向相反；

所述适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼作为固定翼飞机的推进螺旋桨时，该适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼向机头方向倾转90°；同时，上旋翼作为推进旋翼，下旋翼通过变转速机构使其转速维持在极低的状态，上旋翼、下旋翼转速不同，旋转方向相反。

2.根据权利要求1所述的适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于：

所述上旋翼(1)包括上旋翼桨榖和三个上旋翼桨叶；其中，

三个上旋翼桨叶的根部与所述上旋翼桨榖相连接；

三个上旋翼桨叶围绕所述上旋翼桨榖的外周均匀分布。

3.根据权利要求2所述的适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于：

在上旋翼桨叶0.2R位置处，翼型相对厚度为25％～30％，翼型扭角为25～30°；在上旋翼桨叶0.4R位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为11～15°；在上旋翼桨叶0.6R位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为3～6°；在上旋翼桨叶0.8R位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为-3～2°；在旋翼桨叶1.0R位置处，翼型相对厚度为8％～10％，翼型扭角为-5～-2°；其中，R为上旋翼桨叶的半径。

4.根据权利要求1所述的适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于：所述下旋翼(3)包括下旋翼桨榖和两个下旋翼桨叶；其中，

两个下旋翼桨叶的根部与所述下旋翼桨榖相连接；

两个下旋翼桨叶围绕所述下旋翼桨榖的外周均匀分布。

5.根据权利要求4所述的适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于：在下旋翼桨叶0.2R’位置处，翼型相对厚度为20％～25％，翼型扭角为12～15°；在下旋翼桨叶0.4R’位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为9～12°；在下旋翼桨叶0.6R’位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为6～9°；在下旋翼桨叶0.8R’位置处，翼型相对厚度为12％～15％，翼型扭角为4～6°；在下旋翼桨叶1.0R’位置处，翼型相对厚度为8％～10％，翼型扭角为0～4°；其中，R’为下旋翼桨叶的半径。

6.根据权利要求2所述的适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于：上旋翼桨叶采用碳纤维材料。

7.根据权利要求4所述的适用于倾转旋翼飞行器的共轴双旋翼，其特征在于：下旋翼桨叶采用碳纤维材料。