CN112977816A - 旋翼飞行器的桨叶及旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于旋翼飞行器的桨叶及旋翼飞行器，其中旋翼飞行器的桨叶沿展向依次包括桨叶内侧段、桨叶外侧段和桨尖段，桨叶相对弦长

自所述桨叶内侧段向所述桨尖段呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶相对弦长位于

的范围内。通过上述技术方案，旋翼飞行器能够在大速度前飞状态下具有较小的姿态角，提高了旋翼飞行器对机载设备工作以及货物运输的能力。

Description

旋翼飞行器的桨叶及旋翼飞行器

技术领域

本公开涉及飞行器技术领域，具体地，涉及一种旋翼飞行器的桨叶及旋翼飞行器。

背景技术

多旋翼飞行器广泛应用于测绘、安防、物流和配送等多个领域。经过良好设计和优化的桨叶能够大幅度提升整机的巡航性能和抗风性能。相关设计中，关注点主要集中在悬停状态或低速轴向来流状态的研究，这种桨叶一般能够提供较好的悬停性能，但是在前飞过程，尤其是大速度飞行和大侧风飞行，桨叶自身受到的阻力较大。根据理论，桨叶阻力越大，飞行器的前飞姿态角便越大，过大的姿态角对机载设备工作以及运输的货物均有较大的影响。

发明内容

本公开的第一个目的是提供一种旋翼飞行器的桨叶，能够降低桨叶在大速度飞行时的阻力，从而降低旋翼飞行器的姿态角。

为了实现上述目的，本公开提供一种用于旋翼飞行器的桨叶，所述桨叶沿展向依次包括桨叶内侧段、桨叶外侧段和桨尖段，桨叶相对弦长

自所述桨叶内侧段向所述桨尖段呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶相对弦长位于

的范围内，其中，

为翼型的当地弦长，

为任一截面翼型到桨叶转轴的展向距离，

为桨叶的半径。

可选地，所述桨叶内侧段位于

的范围内，且在所述桨叶内侧段桨叶相对弦长

；所述桨尖段位于

的范围内，在所述桨尖段桨叶相对弦长

快速减小且桨叶相对弦长

。

可选地，桨叶扭转角

自所述桨叶内侧段向所述桨尖段呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶扭转角位于

的范围内。

可选地，所述桨叶内侧段位于

的范围内，且在所述桨叶内侧段桨叶扭转角小于12°；所述桨尖段位于

的范围内，在所述桨尖段桨叶扭转角快速减小且桨叶扭转角小于等于12°。

可选地，所述桨叶的翼型的最大弯度与翼型的当地弦长之比在

的范围内，所述最大弯度位于

的范围内，其中，

为翼型的最大弯度，

为沿着弦线方向从翼型的前缘点到尾缘点的距离。

可选地，所述桨叶的翼型的最大厚度与翼型的当地弦长之比在

的范围内，且在所述桨叶外侧段所述翼型的相对厚度保持不变，其中，

为翼型的最大厚度。

可选地，所述桨叶具有多个，且多个所述桨叶在桨叶转轴处连接，并相对于连接处的中心点等角度沿周向间隔设置。

可选地，所述桨叶为三个。

可选地，所述桨叶由碳纤维材料制成。

本公开的第二个目的是提供一种旋翼飞行器，其特征在于，包括上述任意一项的桨叶。

本公开通过对桨叶相对弦长在桨叶上分布趋势的合理优化，即，桨叶相对弦长自桨叶内侧段向桨尖段呈先增大后减小的趋势分布，并将最大桨叶相对弦长位置外移，具体来说，最大桨叶相对弦长位于

的范围内，以降低桨叶在大速度前飞下的阻力，进而改善整机的抗风姿态角。通过上述技术方案，旋翼飞行器能够在大速度前飞状态下具有较小的姿态角，提高了旋翼飞行器对机载设备工作以及货物运输的能力。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开示例性实施方式提供的桨叶的俯视图；

图2是本公开示例性实施方式提供的针对翼型各参数的说明；

图3是本公开示例性实施方式提供的针对扭转角的说明；

图4是本公开示例性实施方式提供的桨叶弦长的分布曲线图；

图5是本公开示例性实施方式提供的桨叶扭转角的分布曲线图；

图6是本公开示例性实施方式提供的多桨叶示意图；

图7为本公开示例性实施方式提供的桨叶的前飞时桨叶的受力图。

附图标记说明

1-前缘点，11-桨叶内侧段，12-桨叶外侧段，13-桨尖段，14-桨根段，15-桨叶转轴，2-尾缘点，3-上弧线，4-下弧线，5-中弧线，6-弦线，100-桨叶。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。本实施例中出现的上、下等方位用语是以旋翼安装于飞行器以后旋翼以及旋翼飞行器的常规运行姿态为参考，而不应该认为具有限制性。下面结合附图，对本公开的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型进行详细的说明。在在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

首先需要说明的是，本公开所涉及到的参数均采用本领域通常的方式进行定义，翼型是指桨叶在展向上任意位置的二维剖面。以图1中的桨叶100为例，将桨叶转轴15设定为原点建立坐标系，则桨根向桨尖的方向定义为展向，对应地，垂直于展向的方向即为弦向。其中，

为翼型的当地弦长，即站位截面翼型前缘点1到尾缘点2的距离；

为桨叶半径，即，桨叶转轴15到桨尖的距离；将翼型的当地弦长

除以桨叶半径

，即

称为桨叶相对弦长，为无量纲参数；

为任一截面翼型到桨叶转轴15的展向距离，将距离

除以桨叶半径

，即

称为展向相对位置，为无量纲参数。本公开的这种限定桨叶轮廓所采用的无量纲坐参数，意味着当等比例的放大或缩小时，均不会改变桨叶的形状。

如图1至图6所示，本公开提供了一种用于旋翼飞行器的桨叶100，桨叶100沿展向依次包括桨叶内侧段11、桨叶外侧段12和桨尖段13，桨叶相对弦长

自桨叶内侧段11向桨尖段13呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶弦长

的范围内。同时参考图7，旋翼飞行器在前飞时通常具有一定的倾角，此时桨叶100受力可以分解为垂直于桨盘的拉力和平行与桨盘的阻力。这里的桨盘指旋旋转着的桨叶100所构成的平面。本申请将最大相对弦长

外移，可以使得桨叶100沿展向的拉力分布更集中在桨叶外侧段12。同时由于桨叶内侧段11弦长变小，迎风面积也会减小，也可以说，桨叶内侧段11实度变小，从而降低了桨叶100沿展向的阻力。

本公开通过对桨叶相对弦长

在桨叶100上分布趋势的合理优化，即，桨叶相对弦长

自桨叶内侧段11向桨尖段13呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶相对弦长

位置外移，具体来说，最大桨叶相对弦长

位于

的范围内，以降低桨叶100在大速度前飞下的阻力，进而改善整机的抗风姿态角。通过上述技术方案，旋翼飞行器能够在大速度前飞状态下具有较小的姿态角，提高了旋翼飞行器对机载设备工作以及货物运输的能力。

同时参考图4和下表1，桨叶内侧段11位于

的范围内，考虑减小桨叶100展向拉力分布和迎风面积，在桨叶内侧段11桨叶相对弦长

。最大桨叶相对弦长位于

的范围内。桨尖段13位于

的范围内，考虑降低诱导损失和阻力，在桨尖段13桨叶相对弦长

快速减小且桨叶相对弦长

。

表1：桨叶相对弦长特征点

为提高旋翼飞行器的气动效率，桨叶扭转角

设计为自桨叶内侧段11向桨尖段13呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶扭转角

位于

的范围内。参考图3，扭转角

是指站位截面翼型的弦线6和旋转水平面之间的夹角。

同时参考图5和下表2，进一步地，桨叶内侧段11位于

的范围内，考虑悬停时降低扭矩以及兼顾低速特性，桨叶内侧段11桨叶扭转角

小于12°。最大桨叶扭转角位于

的范围内，且最大扭转角小于15°。考虑降低诱导损失和阻力，桨尖段13位于

的范围内，桨尖段13桨叶扭转角

快速减小且桨叶扭转角

小于等于12°。

表2：扭转角特征点

为了提高桨叶100的气动效率和降低噪音，还可以进一步对桨叶100的翼型进行优化设计，具体的，桨叶100的翼型的最大弯度与翼型的当地弦长之比在

的范围内，最大弯度位于

的范围内，其中，

为翼型的最大弯度，

为沿着弦线6方向从翼型的前缘1到尾缘2的距离。即，通过增大翼型前半部的弯度，能够使得前缘1与气流的冲角减小，以提高桨叶100的升力系数，进而提高旋翼飞行器的气动效率。进一步地，桨叶100的翼型的最大厚度与翼型的当地弦长之比在

的范围内，且在桨叶外侧段11翼型的相对厚度保持不变，其中，

为翼型的最大厚度。有利于降低大迎角下的涡流脱落和反流，以提高桨叶100的升力系数，进而提高旋翼飞行器的气动效率。

需要说明的是，翼型是桨叶在展向上任意位置的二维剖面。以图2翼型为例，将前缘1设定为原点建立坐标系，翼型的当地弦长

即站位截面翼型前缘点1到尾缘点2的距离，图1示例性地示出有桨根段14的当地弦长C桨根、桨尖段13的当地弦长C桨尖以及最大当地弦长Cmax；最大厚度

为垂直于弦线6的上弧线3和下弧线4之间的最大距离，将最大厚度

除以翼型的当地弦长

，即

称最大相对厚度；最大弯度

为中弧线5与弦线6之间的最大距离，其中的中弧线5是指上弧线3和下弧线4之间距离之和的一半，将最大弯度

除以翼型的当地弦长

，即

称为最大相对弯度。本公开限定翼型轮廓时所采用的无量纲坐参数，意味着当数据进行等比例的放大或缩小时，均不会改变翼型的形状。

本公开的桨叶100可以具有多个，多个桨叶100在桨叶转轴处连接，并相对于连接处的中心点等角度沿周向间隔设置。多个桨叶100可以一体成型，从而能够保证桨叶100的整体的结构强度，或者桨叶100也可以采用分体成型的设计，例如，将每一片桨叶100分别安装到桨毂上，使得桨叶1的安装和更换较为方便，此时桨叶100的旋转中心即为桨毂所在的轴线。图6示出为具有三个桨叶100的实施方式，三叶桨能够降低设计拉力对应的转速，从而有效降低噪声。如下表3所示，对本申请桨叶100与市售一款无人机的桨叶在前飞速度下阻力进行对比。在不同工况下（具有不同的转速和角度，但是前飞速度均相同），本申请桨叶阻力均较现有技术的桨叶阻力降低，由于桨叶阻力与姿态角正相关，从而能够改善旋翼飞行器的姿态角。

表3：本申请与现有技术桨叶在前飞速度下所受阻力对比

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（100）沿展向依次包括桨叶内侧段（11）、桨叶外侧段（12）和桨尖段（13），桨叶相对弦长

自所述桨叶内侧段（11）向所述桨尖段（13）呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶相对弦长位于

的范围内，其中，

为翼型的当地弦长，

为任一截面翼型到桨叶转轴（15）的展向距离，

为桨叶的半径。

2.根据权利要求1所述的用于旋翼飞行器的桨叶，所述桨叶内侧段（11）位于

的范围内，且在所述桨叶内侧段（11）桨叶相对弦长

；所述桨尖段（13）位于

的范围内，在所述桨尖段（13）桨叶相对弦长

快速减小且桨叶相对弦长

。

3.根据权利要求1所述的旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，桨叶扭转角

自所述桨叶内侧段（11）向所述桨尖段（13）呈先增大后减小的趋势分布，且最大桨叶扭转角位于

的范围内。

4.根据权利要求3所述的用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶内侧段（11）位于

的范围内，且在所述桨叶内侧段（11）桨叶扭转角小于12°；所述桨尖段（13）位于

的范围内，在所述桨尖段（13）桨叶扭转角快速减小且桨叶扭转角小于等于12°。

5.根据权利要求1所述的用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（100）的翼型的最大弯度与翼型的当地弦长之比在

的范围内，所述最大弯度位于

的范围内，其中，

为翼型的最大弯度，

为沿着弦线（6）方向从翼型的前缘点（1）到尾缘点（2）的距离。

6.根据权利要求1所述的用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（100）的翼型的最大厚度与翼型的当地弦长之比在

的范围内，且在所述桨叶外侧段（11）所述翼型的相对厚度保持不变，其中，

为翼型的最大厚度。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（100）具有多个，且多个所述桨叶（100）在桨叶转轴（15）处连接，并相对于连接处的中心点等角度沿周向间隔设置。

8.根据权利要求7所述的用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（100）为三个。

9.根据权利要求1所述的用于旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（100）由碳纤维材料制成。

10.一种旋翼飞行器，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的桨叶。

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