CN112550688B - 一种共轴直升机及其旋翼系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机设计技术领域，提供了一种共轴直升机及其旋翼系统，旋翼系统包括上、下旋翼组件，上旋翼组件包括第一桨毂和一端与第一桨毂连接的第一桨叶，第一桨叶的另一端向上翘起，下旋翼组件包括第二桨毂和一端与第二桨毂连接的第二桨叶，第二桨叶的另一端向下翘起。本发明提供的共轴直升机的旋翼系统，在保证直升机高速机动飞行时第一桨叶和第二桨叶不会发生打桨事故的前提下，实现了第一桨叶旋转时所构成的第一桨盘和第二桨叶旋转时所构成的第二桨盘之间的间距的最小化，提高了直升机高速机动飞行时的安全系数和稳定性。

Description

一种共轴直升机及其旋翼系统

技术领域

本发明涉及直升机设计技术领域，具体涉及一种共轴直升机的旋翼系统。另外，本发明还涉及一种包括上述旋翼系统的共轴直升机。

背景技术

在常规直升机设计领域，共轴双旋翼式直升机采用共轴反桨设计，这种旋翼设计使得直升机高速飞行时，大机动动作会出现打桨等缺陷。

旋翼上、下桨盘为保证避免上、下旋翼桨叶打桨，必须保证安全的桨盘间距。桨盘间距过小，上、下旋翼桨叶会出现打桨事故并且桨叶末端受湍流影响振动剧烈，噪音巨大。桨盘间距过大，旋翼操纵系统结构复杂，增加旋翼系统阻力和重量，对旋翼驱动轴刚度要求高，且容易发生机械疲劳等问题，这些缺陷阻碍直升机高速、安全和稳定的飞行。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种共轴直升机的旋翼系统，在保证直升机高速机动飞行时上、下旋翼桨叶不会发生打桨事故的前提下，使得上、下旋翼的桨盘间距最小。本发明的另一目的是提供一种包括上述旋翼系统的共轴直升机。

第一方面，本发明提供一种共轴直升机旋翼系统，包括上旋翼组件和下旋翼组件，所述上旋翼组件包括第一桨毂和一端与所述第一桨毂连接的第一桨叶，所述第一桨叶的另一端向上翘起，所述第一桨叶向上翘起后与水平面的夹角大于等于1.5°、且小于20.5°，所述下旋翼组件包括第二桨毂和一端与所述第二桨毂连接的第二桨叶，所述第二桨叶的另一端向下翘起，所述第二桨叶向下翘起后与水平面的夹角大于等于1.5°、且小于20.5°。

进一步地，所述第一桨叶与所述第一桨毂固定连接，所述第二桨叶与所述第二桨毂固定连接。

进一步地，所述上旋翼组件还包括：

第一连接轴，其包括与所述第一桨毂固定连接的轴段A和一端与所述轴段A连接另一端向上翘起的轴段B；

第一桨夹组件，其一端可转动地套设在所述轴段B上，其另一端与所述第一桨叶固定连接；以及

用于使所述第一桨夹组件绕自身轴线转动的第一变距机构，所述第一变距机构包括：

第一摇臂，其转动设置在所述第一连接轴上；以及

第一传动结构，其用于将所述第一摇臂的转动传递给所述第一桨夹组件；

所述下旋翼组件还包括：

第二连接轴，其包括与所述第二桨毂固定连接的轴段C和一端与所述轴段C连接另一端向下翘起的轴段D；

第二桨夹组件，其一端可转动地套设在所述轴段D上，其另一端与所述第二桨叶固定连接；以及

用于使所述第二桨夹组件绕自身轴线转动的第二变距机构，所述第二变距机构包括：

第二摇臂，其转动设置在所述第二连接轴上；以及

第二传动结构，其用于将所述第二摇臂的转动传递给所述第二桨夹组件。

进一步地，所述第一摇臂转动设置在所述轴段A上，所述第二摇臂转动设置在所述轴段C上；

所述第一传动结构包括多层以螺旋方式缠绕在所述第一连接轴外的第一弹簧钢丝层，相邻的所述第一弹簧钢丝层的螺旋方向相反；或者

所述第一传动结构包括套设在所述第一连接轴外的第一球笼式万向节，所述第一球笼式万向节包括第一星形套和第一球形壳，所述第一星形套与所述第一摇臂固定连接，所述第一星形套套设在所述轴段A外、且与所述轴段A同轴，所述第一球形壳与所述第一桨夹组件固定连接，所述第一球形壳套设在所述轴段B外、且与所述轴段B同轴；

所述第二传动结构包括多层以螺旋方式缠绕在所述第二连接轴外的第二弹簧钢丝层，相邻的所述第二弹簧钢丝层的螺旋方向相反；或者

所述第二传动结构包括套设在所述第二连接轴外的第二球笼式万向节，所述第二球笼式万向节包括第二星形套和第二球形壳，所述第二星形套与所述第二摇臂固定连接，所述第二星形套套设在所述轴段C外、且与所述轴段C同轴，所述第二球形壳与所述第二桨夹组件固定连接，所述第二球形壳套设在所述轴段D外、且与所述轴段D同轴。

进一步地，所述第一摇臂转动设置在所述轴段B上，所述第二摇臂转动设置在所述轴段D上；所述第一传动结构设置在所述轴段B的外围，所述第一传动结构与所述第一摇臂和所述第一浆夹组件固定连接；所述第二传动结构设置在所述轴段D的外围，所述第二传动结构与所述第二摇臂和所述第二浆夹组件固定连接。

第二方面，本发明提供一种共轴直升机，其包括上述任一方案中所述的旋翼系统。

本发明的有益效果：本发明提供的一种共轴直升机的旋翼系统，通过使第一桨叶向上偏离、使第二桨叶向下偏离，从而第一桨叶和第二桨叶之间在竖直方向上的间距越是靠近末端则越大，避免了直升机高速机动飞行时第一桨叶和第二桨叶发生打桨事故，实现了第一桨叶旋转时所构成的第一桨盘和第二桨叶旋转时所构成的第二桨盘之间的间距的最小化，降低了第一桨叶和第二桨叶的振动及噪音，使旋翼操纵系统机械结构得到简化，减轻旋翼的阻力和重量，降低了对旋翼轴刚度的影响，提高了直升机高速机动飞行时的安全系数和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明一实施例提供的共轴直升机的旋翼系统的立体图；

图2为第一传动结构为第一种结构形式时上旋翼组件的部分结构示意图；

图3为第一传动结构为第二种结构形式时上旋翼组件的部分结构示意图；

图4为第二传动结构为第一种结构形式时下旋翼组件的部分结构示意图；

图5为第二传动结构为第二种结构形式时下旋翼组件的部分结构示意图；

图6为本发明另一实施例提供的共轴直升机的旋翼系统的立体图；

图7为本发明又一实施例提供的共轴直升机的旋翼系统的结构示意图。

附图标记：

11、第一桨毂；12、第一桨叶；13、第一连接轴；131、轴段A；132、轴段B；14、第一桨夹组件；15、第一变距机构；151、第一摇臂；152、第一弹簧钢丝层；153、第一星形套；154、第一球形壳；

21、第二桨毂；22、第二桨叶；23、第二连接轴；231、轴段C；232、轴段D；24、第二桨夹组件；25、第二变距机构；251、第二摇臂；252、第二弹簧钢丝层；253、第二星形套；254、第二球形壳。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1-7所示，本实施例提供一种共轴直升机的旋翼系统，包括包括上旋翼组件、下旋翼组件和旋翼轴。

上旋翼组件包括第一桨毂11和与一端与第一桨毂11连接的第一桨叶12，第一桨叶12的另一端(即末端)向上翘起。下旋翼组件包括第二桨毂21和一端与第二桨毂21连接的第二桨叶22，第二桨叶22的另一端(即末端)向下翘起。第一桨叶12和第二桨叶22的数量相同，且通常为2-4片(不限于2-4片)。

旋翼轴包括内转轴和外转轴，第一桨毂11安装在内转轴上、并由内转轴驱动，第二桨毂21安装在外转轴上、并由外转轴驱动。

在本实施例中，通过使第一桨叶12向上翘起、使第二桨叶22向下翘起，具体地说是使第一桨叶12的末端向上偏离水平面，使第二桨叶22的末端向下偏离水平面，从而第一桨叶12和第二桨叶22之间在竖直方向上的间距越是靠近末端则越大，避免了直升机高速机动飞行时第一桨叶12和第二桨叶22发生打桨事故，实现了第一桨叶12旋转时所构成的第一桨盘和第二桨叶22旋转时所构成的第二桨盘之间的间距的最小化，降低了第一桨叶12和第二桨叶22的振动及噪音，使旋翼操纵系统机械结构得到简化，减轻旋翼的阻力和重量，降低了对旋翼轴刚度的影响，提高了直升机高速机动飞行时的安全系数和稳定性。

在一个实施例中，如图6所示，第一桨叶12与第一桨毂11固定连接，第二桨叶22与第二桨毂21固定连接。优选第一桨毂11上用于安装第一桨叶12的部位向上翘起，同理，第二桨毂21上用于安装第二桨叶22的部位向下翘起。本实施例中的旋翼系统，适用于小型无人机上，由于桨叶与桨毂固定连接，因此为定距桨叶的结构，这种定距桨叶的共轴旋翼通过第一旋翼组件和第二旋翼组件的转速高低和差速实现升力大小和反扭矩的改变，通过倾斜旋翼轴实现第一桨盘和第二桨盘拉力的方向改变。

在一个实施例中，如图7所示，第一桨叶12向上翘起后与水平面的夹角为α，且1.5°≤α＜20.5°，第二桨叶22向下翘起后与水平面的夹角为β，且1.5°≤β＜20.5°。上旋翼组件的桨盘直径和下旋翼组件的桨盘直径相等，且记为D，第一桨叶12和第二桨叶22在竖直方向上的最大间距(记为H)为桨盘直径D的0.05～0.28倍，第一桨毂11和第二桨毂21在竖直方向上的间距(记为h)为第一桨叶12和第二桨叶22在竖直方向上的最大间距H的0.05～0.65倍。

作为本实施例的优选实施例，上旋翼组件还包括第一连接轴13、第一桨夹组件14和第一变距机构15，下旋翼组件还包括第二连接轴23、第二桨夹组件24和第二变距机构25。

第一连接轴13包括与第一桨毂11固定连接的轴段A131和与轴段A131一体连接并且向上翘起的轴段B132，同理，第二连接轴23包括与第二桨毂21固定连接的轴段C231和与轴段C231一体连接并且向下翘起的轴段D232。

第一桨夹组件14的一端可转动地套设在轴段B132上，另一端与第一桨叶12固定连接。同理，第二桨夹组件24的一端可转动地套设在轴段D232上，另一端与第二桨叶22固定连接。

第一变距机构15用于使第一桨夹组件14绕自身轴线转动，其包括第一摇臂151和第一传动结构。第一摇臂151转动设置在第一连接轴13上，第一传动结构用于将第一摇臂151的转动传递给第一桨夹组件14。同理，第二变距机构25用于使第二桨夹组件24绕自身轴线转动，其包括第二摇臂251和第二传动结构，第二摇臂251转动设置在第二连接轴23上，第二传动结构用于将第二摇臂251的转动传递给第二桨夹组件24。第一摇臂151和第二摇臂251分别由不同的驱动装置驱动，由于驱动装置不是本申请的发明点，且属于现有技术，因此，本申请不对驱动装置进行详细描述，且驱动装置在附图中不进行示出。

本实施例适用于可变桨距的共轴直升机。

在一个实施例中，第一摇臂转动设置在轴段A上，第二摇臂转动设置在轴段C上，第一传动结构和第二传动分别具有两种结构形式。

如图2所示，第一传动结构的第一种结构形式是包括多层以螺旋方式缠绕在第一连接轴13外的第一弹簧钢丝层152，相邻的第一弹簧钢丝层152的螺旋方向相反，每层第一弹簧钢丝层152的两端分别与第一摇臂151和第一桨夹组件14固定连接。当第一摇臂151朝转动时，相邻两层弹簧钢丝层中，一层趋于拧紧，另一层则趋于拧松，趋于拧松的一层又受到趋于拧紧的另一层的弹簧钢丝层的压紧，从而所有弹簧钢丝层整体保持压紧的状态，进而将第一摇臂151的转动传递给第一浆夹组件。

如图3所示，第一传动结构的第二种结构形式包括套设在第一连接轴13外的第一球笼式万向节，第一球笼式万向节包括第一星形套153和第一球形壳154，第一星形套153与第一摇臂151固定连接，第一星形套153套设在轴段A131外、并且与轴段A131同轴，第一球形壳154与第一桨夹组件14固定连接，第一球形壳154套设在轴段B上、并且与轴段B同轴。由于球笼式万向节的结构为现有技术，本申请在此不对其做进一步的详细描述。当第一摇臂151转动时，带动第一星形套153转动，第一星形套153又带动第一球形壳154转动，从而第一球形壳154带动第一桨夹组件14转动。

如图4所示，第二传动结构的第一种结构形式包括多层以螺旋方式缠绕在第二连接轴23外的第二弹簧钢丝层252，相邻的第二弹簧钢丝层252的螺旋方向相反，每层第二弹簧钢丝层252的两端分别与第二摇臂251和第二桨夹组件24固定连接。传动原理与第一传动结构的第一种结构形式相同，因此，此处不再重复描述。

如图5所示，第二传动结构的第二种结构形式包括套设在第二连接轴23外的第二球笼式万向节，第二球笼式万向节包括第二星形套253和第二球形壳254，第二星形套253与第二摇臂251固定连接，第二星形套253套设在轴段C231外、并且与轴段C231同轴，第二球形壳254与第二桨夹组件24固定连接，第二球形壳254套设在轴段D232外、并且与轴段D232同轴。传动原理与第一传动结构的第二种结构形式相同，因此，此处不再重复描述。

在本实施例中，第一传动结构和第二传动结构分别优选了两种结构，第一传动结构可以以任意一种结构形式与第二传动结构的任意一种结构形式组合使用，当然，优选第一传动结构和第二传动结构以相同的结构形式组合使用。具有上述结构形式的第一传动结构和第二传动结构，能够更好地实现传动并最终实现第一桨叶12和第二桨叶22的变距调节。另外，本实施例的旋翼系统，只需改变第一连接轴13和第二连接轴23的机械结构，通过角度的控制，而不用改变桨叶的结构，就实现了第一桨叶12向上翘起，第二桨叶22向下翘起，方便加工制造。

在一个实施例中，第一摇臂转动设置在轴段B上，第二摇臂转动设置在轴段D上。第一传动结构设置在轴段B的外围，第一传动结构与第一摇臂和第一浆夹组件固定连接，第一连接结构可以是法兰、螺栓、连接杆等结构。第二传动结构设置在轴段D的外围，第二传动结构与第二摇臂和第二浆夹组件固定连接，同理，第二连接结构可以是法兰、螺栓、连接杆等结构。本实施例不需要使用上述的弹簧钢丝层或者球笼式万向节进行传动，只需要通过简单的连接结构来使得摇臂与对应的浆夹组件之间固定在一起，从而摇臂的转动会带动对应的浆夹组件的转动。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (2)

1.一种共轴直升机的旋翼系统，其特征在于：包括上旋翼组件和下旋翼组件，所述上旋翼组件包括第一桨毂和一端与所述第一桨毂连接的第一桨叶，所述第一桨叶的另一端向上翘起，所述第一桨叶向上翘起后与水平面的夹角大于等于1.5°、且小于20.5°，所述下旋翼组件包括第二桨毂和一端与所述第二桨毂连接的第二桨叶，所述第二桨叶的另一端向下翘起，所述第二桨叶向下翘起后与水平面的夹角大于等于1.5°、且小于20.5°；

所述上旋翼组件还包括：

第一连接轴，其包括与所述第一桨毂固定连接的轴段A和一端与所述轴段A连接另一端向上翘起的轴段B；

第一桨夹组件，其一端可转动地套设在所述轴段B上，其另一端与所述第一桨叶固定连接；以及

用于使所述第一桨夹组件绕自身轴线转动的第一变距机构，所述第一变距机构包括：

第一摇臂，其转动设置在所述第一连接轴上；以及

第一传动结构，其用于将所述第一摇臂的转动传递给所述第一桨夹组件；

所述下旋翼组件还包括：

第二连接轴，其包括与所述第二桨毂固定连接的轴段C和一端与所述轴段C连接另一端向下翘起的轴段D；

第二桨夹组件，其一端可转动地套设在所述轴段D上，其另一端与所述第二桨叶固定连接；以及

用于使所述第二桨夹组件绕自身轴线转动的第二变距机构，所述第二变距机构包括：

第二摇臂，其转动设置在所述第二连接轴上；以及

第二传动结构，其用于将所述第二摇臂的转动传递给所述第二桨夹组件；

所述第一摇臂转动设置在所述轴段A上，所述第二摇臂转动设置在所述轴段C上；

所述第一传动结构包括多层以螺旋方式缠绕在所述第一连接轴外的第一弹簧钢丝层，相邻的所述第一弹簧钢丝层的螺旋方向相反；或者所述第一传动结构包括套设在所述第一连接轴外的第一球笼式万向节，所述第一球笼式万向节包括第一星形套和第一球形壳，所述第一星形套与所述第一摇臂固定连接，所述第一星形套套设在所述轴段A外、且与所述轴段A同轴，所述第一球形壳与所述第一桨夹组件固定连接，所述第一球形壳套设在所述轴段B外、且与所述轴段B同轴；

所述第二传动结构包括多层以螺旋方式缠绕在所述第二连接轴外的第二弹簧钢丝层，相邻的所述第二弹簧钢丝层的螺旋方向相反；或者所述第二传动结构包括套设在所述第二连接轴外的第二球笼式万向节，所述第二球笼式万向节包括第二星形套和第二球形壳，所述第二星形套与所述第二摇臂固定连接，所述第二星形套套设在所述轴段C外、且与所述轴段C同轴，所述第二球形壳与所述第二桨夹组件固定连接，所述第二球形壳套设在所述轴段D外、且与所述轴段D同轴。

2.一种共轴直升机，其特征在于：包括如权利要求1所述的旋翼系统。

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