CN113086169A - 一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法，所述螺旋桨的桨叶包括：桨叶基层，所述桨叶基层的前缘具有正弦型凸起结构；纤维树脂层，设置在所述桨叶基层上，在所述纤维树脂层上设有若干排纤维绒毛，所述若干排纤维绒毛靠近所述桨叶的桨尖部。桨叶上的正弦型凸起结构可以提升桨叶的升力，同时纤维树脂层粘度大、弹性好，可以改变桨叶表面层内湍流结构，使边界层的频率、振幅、波速发生改变，进而减小气动阻力和壁面摩擦阻力，纤维绒毛可以吸收螺旋桨的边界层的气体的部分能量，进而减小边界层气体的湍流。并且，纤维绒毛还显著减小由于螺旋桨翼尖失速而引起的气动噪声。

Description

一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法

技术领域

本发明涉及无人机旋翼/螺旋桨的制备领域，尤其涉及一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法。

背景技术

随着现代无人机技术的迅猛发展，无人机已经广泛应用于军事、医疗、物流、农林、气象、娱乐等诸多领域。但是，无人机自身仍存在一些问题亟待解决，例如，在无人机飞行过程中，其螺旋桨会产生较大的气动噪声，容易造成噪声污染，导致环境保护问题；无人机螺旋桨在飞行中面临较大的气动阻力，从而影响了整机气动效率的提升。如何降低无人机飞行过程中产生的气动噪声和阻力，进一步改善无人机的气动性能是目前无人机研究的重点和难点。

生物在亿万年的自然选择中，进化出远超人类现有设计的优异功能特性。许多借鉴生物结构的无人机螺旋桨设计已经取得了较好的效果，尤其是以猫头鹰为生物模本的仿生流动控制和气动噪声控制研究，效果突出。研究发现，猫头鹰具有优异的飞行本领主要得益于以下几种特殊的结构特征：1、翅膀前缘锯齿结构：这些锯齿结构可以将空气分解成小气流，使其流过翅膀时更加稳定，有助于提升翅膀的气动性能，而这种气流变化也在一定程度上减少了流动空气的噪声。2、翅膀前缘凸起结构：该结构可以延缓翼型的失速，显著提升翼型失速后的升力，进而改善翅膀的气动特性，提升飞行升力和飞行机动性。3、翅膀刘海状尾缘结构：该结构可以进一步分解流动到翅膀后缘的空气，降低气动噪声。4、翅膀上下表面纹理结构：这些由于羽毛交错铺叠而形成凹凸纹理结构可以使气流粘附在翅膀表面，减少气流脱离而形成的大涡流，进而减少噪声的产生。5、翅膀柔性表面：翅膀表面覆盖有细小蓬松的羽毛，可以吸收一部分空气中的高频噪音，并使气流变得柔顺，减弱边界层的湍流；另外，柔性表面还可以使边界层产生同步波动，进而改变边界层内湍流结构，达到减阻的目的。

针对猫头鹰上述几种特殊的结构特征，研究人员将其应用于无人机螺旋桨仿生设计研究中：1、仿生前缘锯齿结构：可以有效降低噪声，但是通常会在一定程度上降低气动性能；2、仿生前缘凸起结构：由于前缘凸起可以增大螺旋桨的受力面积而提升升力，进而可以显著提升其气动性能；此外，凸起相当于涡流发生器，容易使螺旋桨表面形成一定的低压区，导致涡流的产生，因此气动噪声也会明显增大。3、仿生刘海状尾缘结构：可以通过梳理尾部气流抑制大涡流产生，起到降噪的效果，但是对气动性能影响很小。4、仿生表面纹理结构：通过在螺旋桨表面加工凹槽，可以实现减阻效果，但是对噪声影响不大，并且加工后的螺旋桨存在结构力学性能下降的问题。5、仿生柔性表面：通过在螺旋桨表面套上柔软外层结构，可以降低一部分噪音，但是会增加流动阻力进而影响气动性能。

目前针对无人机螺旋桨的仿生设计还难以同时实现减阻和降噪功能。仿生前缘凸起结构、仿生表面纹理结构的设计虽然有助于提升螺旋桨的气动特性以达到减阻的目的，但是其降噪效果并不明显，甚至会增大噪声。部分研究中提到的降噪效果实则是在维持同等推力的前提下，通过降低转速而实现降噪，这并非严格意义上的降噪。而仿生前缘锯齿结构、仿生刘海状尾缘结构、仿生柔性表面的设计会在一定程度上降低噪声，但往往需要以牺牲气动性能为代价。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法，旨在同时实现无人机螺旋桨减阻和降噪的目的。

本发明的技术方案如下：

一种减阻降噪的仿生螺旋桨，包括桨叶，其中，所述桨叶包括：

桨叶基层，所述桨叶基层的前缘具有正弦型凸起结构；

纤维树脂层，设置在所述桨叶基层上，在所述纤维树脂层上设有若干排纤维绒毛，所述若干排纤维绒毛靠近所述桨叶的桨尖部。

所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其中，所述纤维树脂层包括树脂层以及嵌设在所述树脂层中的纤维层。

所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其中，所述树脂层的树脂包括：氨基甲酸酯环氧树脂、缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂中的一种。

所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其中，所述纤维绒毛以及所述纤维层的纤维均包括凯夫拉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。

所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其中，所述若干排纤维绒毛为5-20排纤维绒毛，相邻的两排纤维绒毛的排间距为1-10mm，所述纤维绒毛的长度为1-10mm。

一种如上所述的减阻降噪的仿生螺旋桨的制备方法，其中，包括：

将复合材料放入成型模具中，通过复合材料成型方法制备桨叶基体，对所述桨叶基体的前缘进行加工，得到桨叶基层；

在桨叶基层上同时制备纤维树脂层和纤维绒毛，得到未固化桨叶；

将所述未固化桨叶进行固化，得到桨叶。

所述的制备方法，其中，所述复合材料成型方法包括热压罐成型、模压成型、RTM成型和真空袋成型中的一种；对所述桨叶基体的前缘进行加工的加工方式包括机械加工、水刀加工和线切割加工中的一种。

所述的制备方法，其中，所述在桨叶基层上同时制备纤维树脂层和纤维绒毛，得到未固化桨叶，包括：

A、在所述桨叶基层上形成第一树脂层，在所述第一树脂层上铺放第一单向纤维，并使所述第一单向纤维的一部分浸入所述第一树脂层，另一部分未浸入所述第一树脂层，形成第一排纤维绒毛；

B、在所述第一树脂层上形成第二树脂层，在所述第二树脂层上铺放第二单向纤维，并使所述第二单向纤维的一部分浸入所述第二树脂层，另一部分未浸入所述第二树脂层，形成第二排纤维绒毛；

C、重复步骤B，直至形成若干排纤维绒毛，得到未固化桨叶。

所述的制备方法，其中，所述将所述未固化桨叶进行固化，包括：

将所述未固化桨叶放置在涂油脱模剂的固化模具上，在所述的未固化桨叶的树脂层上依次铺放具有小孔的隔离膜、吸胶毡和PVDF薄膜；

将未浸入树脂层的单向纤维分别穿过所述隔离膜、所述吸胶毡和所述PVDF薄膜的小孔，并平铺在所述PVDF薄膜表面；

采用真空袋膜将所述未固化桨叶密封并抽真空后进行常温固化。

一种无人机，其中，包括如上所述的减阻降噪的仿生螺旋桨。

有益效果：本发明提供了一种减阻降噪的仿生螺旋桨，所述仿生螺旋桨的桨叶包括：桨叶基层，所述桨叶基层的前缘具有正弦型凸起结构；纤维树脂层，设置在所述桨叶基层上，在所述纤维树脂层上设有若干排纤维绒毛，所述若干排纤维绒毛靠近所述桨叶的桨尖部。桨叶上的正弦型凸起结构可以提升桨叶的升力，同时纤维树脂层粘度大、弹性好，可以改变桨叶表面层内湍流结构，使边界层的频率、振幅、波速发生改变，进而减小气动阻力和壁面摩擦阻力，纤维绒毛可以吸收仿生螺旋桨的边界层的气体的部分能量，进而减小边界层气体的湍流。并且，纤维绒毛还显著减小由于螺旋桨翼尖失速而引起的气动噪声。

附图说明

图1为本发明的一种减阻降噪的仿生螺旋桨的宏观结构图。

图2为本发明的桨叶的微观结构立体图。

图3为本发明的桨叶的微观结构侧视图。

图4为本发明的桨叶基层结构图。

图5为本发明的一种减阻降噪的仿生螺旋桨的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，本发明提供了一种减阻降噪的仿生螺旋桨，包括桨叶，所述桨叶包括：桨叶基层1(图1中黑色层)，所述桨叶基层1的前缘具有正弦型凸起结构11；纤维树脂层2(图1中灰色层)，设置在所述桨叶基层1上，在所述纤维树脂层2上设有若干排纤维绒毛3，所述若干排纤维绒毛3靠近所述桨叶的桨尖部。

具体地，桨叶基层1形成了整个桨叶的形状，桨叶基层1的前缘也就是桨叶的前缘，桨叶基层1上的正弦型凸起结构11通过仿猫头鹰的翅膀前缘凸起结构设计。正弦型凸起结构11可以增大螺旋桨的受力面积从而提升升力，显著提升气动性能。此外，正弦型凸起结构11相当于涡流发生器，在螺旋桨上表面形成一定的低压区，进一步增大螺旋桨的上下表面的压差，提升升力，并且可以显著延缓翼型表面的气流分离，减小气动阻力。在桨叶基层1上表面设置纤维树脂层2，纤维树脂层2是通过仿猫头鹰的翅膀的柔性表面设计，本发明的纤维树脂层2采用高弹性环氧树脂制备形成粘度大、弹性好的高弹性环氧树脂层，在螺旋桨的上表面形成纤维树脂层2，该纤维树脂层2的纤维树脂表面可以改变桨叶表面层内湍流结构，纤维树脂表面的存在使边界层的频率、振幅、波速发生改变，进而减小气动阻力和壁面摩擦阻力。纤维树脂层2的柔性表面不受无人机旋翼/螺旋桨的桨叶基层的形状和尺寸限制，可以在桨叶基体上设置仿生前缘凸起结构、仿生表面纹理结构、仿生前缘锯齿结构、仿生刘海状尾缘结构等一种或多种仿生结构，进一步提升无人机螺旋桨的气动性能。在桨叶的靠近桨尖部的上表面具有纤维绒毛3，也就是在纤维树脂层2的表面上设置有纤维绒毛3，纤维绒毛3是通过仿猫头鹰的翅膀表面的绒毛设计，一方面，仿生纤维绒毛3可以吸收螺旋桨边界层气体的部分能量，进而减小边界层气体的湍流；另一方面，前缘的正弦型凸起结构11引起的涡流在越靠近翼尖的区域也越明显，由此产生的气动噪声也越显著，因此，将仿生纤维绒毛3集中设置在靠近桨尖的表面上，可以显著减小由于螺旋桨的桨尖失速而引起的气动噪声。

在一种实施方式中，请参见图2和图3，所述纤维树脂层2包括树脂层21以及嵌设在所述树脂层21中的纤维层22。在树脂中嵌设纤维可以增加桨叶表面的强度，不易被外力破坏。并且纤维层22的纤维与纤维绒毛3为一体，可以增强纤维绒毛3在纤维树脂层2上的固定效果，不易脱落。

在一种实施方式中，所述纤维树脂层2的树脂包括氨基甲酸酯环氧树脂、缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂中的一种。

在一种实施方式中，所述纤维绒毛3以及所述纤维层21的纤维均包括凯夫拉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。

在一种实施方式中，请参见图3，所述若干排纤维绒毛N为5-20排纤维绒毛3，相邻的两排纤维绒毛3的排间距V为1-10mm，所述纤维绒毛3的长度L为1-10mm。在该纤维绒毛3的尺寸参数下，能够获得较佳的降噪效果。

进一步，请参见图4，所述正弦型凸起结构11的高度H为5-30mm，相邻的两个凸起的顶端的间距S为5-30mm，每个桨叶上凸起结构的数量为3-10个。在正弦型凸起结构11的尺寸参数下，能够使桨叶获得较佳的升力。

请参见图5，本发明还提供一种如权利要求1所述的减阻降噪的仿生螺旋桨的制备方法，包括：

S10、将复合材料放入成型模具中，通过复合材料成型方法制备桨叶基体10，对所述桨叶基体10的前缘进行加工，得到桨叶基层1；

S20、在桨叶基层1上同时制备纤维树脂层2和纤维绒毛3，得到未固化桨叶；

S30、将所述未固化桨叶进行固化，得到桨叶。

具体地，首先采用复合材料制作具有常规形状的桨叶，也就是说，通过复合材料成型方法制备的桨叶基体10是不具备正弦型凸起结构11的。可采用的复合材料包括涂刷树脂的碳纤维布、预浸料或者浸润树脂的三维编织型预浸件。预浸料是把树脂基体浸渍在纤维中形成，预浸料在成型过程中不需要再添加额外的树脂。三维编织型预浸件是采用纤维编织成的具有空间结构的三维织物，在成型过程中与树脂结合制备成浸润树脂的三维编织型预浸件。采用复合材料制备的桨叶具有轻质高强的特点。由于桨叶基层1上的正弦型凸起结构11比较复杂，难以通过复合材料成型方法一步成型得到，因此在成型得到常规形状的桨叶基体10后，根据设置好的正弦型凸起结构11的尺寸参数，对桨叶基体10的前缘进行加工，在其前缘形成正弦型凸起结构11。优选的，复合材料成型方法包括但不限于热压罐成型、模压成型、RTM成型(树脂传递模塑料成型)和真空袋成型中的一种；对所述桨叶基体10的前缘进行加工的加工方式包括但不限于机械加工、水刀加工和线切割加工中的一种。桨叶基层1制备好后，在桨叶基层1上同时制备纤维树脂层2和纤维绒毛3，纤维树脂层2的树脂可采用高弹性环氧树脂，高弹性环氧树脂包括但不限于氨基甲酸酯环氧树脂、缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂等高弹性环氧树脂中的一种。本发明制备的减阻降噪的仿生螺旋桨可以同时实现无人机旋翼/螺旋桨的减阻和降噪的双重功能。并且制备工艺简单、成本低廉

在一种实施方式中，请参见图2和图3，所述步骤S20包括：

S21、在所述桨叶基层1上形成第一树脂层211，在所述第一树脂层211上铺放第一单向纤维，并使所述第一单向纤维的一部分浸入所述第一树脂层211，另一部分未浸入所述第一树脂层211，形成第一排纤维绒毛31；

S22、在所述第一树脂层211上形成第二树脂层212，在所述第二树脂层212上铺放第二单向纤维，并使所述第二单向纤维的一部分浸入所述第二树脂层212，另一部分未浸入所述第二树脂层212，形成第二排纤维绒毛32；

S23、重复步骤S22，直至形成若干排纤维绒毛3，得到未固化桨叶。

本发明中，纤维树脂层2是通过多次涂覆多层树脂层，并且每涂覆一层树脂层，在该层树脂层上铺设一层单向纤维得到，每层单向纤维的一部分平铺浸入该层树脂层中形成纤维层，另一部分单向纤维处于空中悬挂状态，避免该部分与树脂层接触，每层单向纤维未浸入树脂层的单向纤维形成一排纤维绒毛3。将纤维树脂层2固化后，从而通过树脂将纤维绒毛3固定，最后对露出纤维树脂层2的纤维绒毛3进行修剪至需要的长度。具体地，将桨叶基层1清洗干净，采用高弹性环氧树脂在其上表面涂刷第一树脂层211。然后将第一单向纤维铺放到刚刷涂的第一树脂层211上，并保证第一单向纤维的一部分浸入到树脂层形成第一纤维层221，采用拉伸装置使第一单向纤维的另一部分处于空中悬挂状态；接着再采用上述树脂材料在第一树脂层211上刷涂第二树脂层212，将第二单向纤维铺放到第二树脂层212上，保证第二单向纤维的一部分浸入到第二树脂层212第二纤维层222，采用拉伸装置使第二单向纤维的另一部分处于空中悬挂状态；按照上述步骤，再在第二树脂层212上刷涂树脂材料，并铺放单向纤维，刷涂的层数根据需要设置的纤维绒毛3的排数确定。最后，在最后一层嵌设有纤维层的纤维树脂层上刷涂树脂材料但不铺设纤维，可以起加固作用。通过层层树脂铺设纤维形成纤维绒毛的方式可以增强纤维绒毛在纤维树脂层中的固定作用，使其不易脱落。

在一种实施方式中，请参见图5，所述步骤S30包括：

S31、将所述未固化桨叶放置在涂有脱模剂的固化模具4上，在所述的未固化桨叶的纤维树脂层2上依次铺放具有小孔的隔离膜a、吸胶毡b和PVDF薄膜c；

S32、将未浸入树脂层的单向纤维分别穿过所述隔离膜a、所述吸胶毡b和所述PVDF薄膜c的小孔，并平铺在所述PVDF薄膜c的上表面；

S33、采用真空袋膜d将所述未固化桨叶密封并抽真空后进行常温固化。

具体地，在固化前将未固化桨叶放置在涂有脱模剂的固化模具4上，在具有纤维树脂层2的一面分别铺放隔离膜a、吸胶毡b和PVDF(聚偏氟乙烯)薄膜c，隔离膜a、吸胶毡b和PVDF薄膜c均有小孔，使未浸入树脂层的单向纤维穿过小孔平铺到PVDF薄膜c的上表面，最外层采用真空袋膜d密封，并用真空泵5抽真空后常温固化，固化时间根据所选的树脂型号以及压力大小合理控制，一般为2-3小时。隔离膜a在纤维树脂层2固化后易于与纤维树脂层2脱离，吸胶毡b是用于吸附抽真空后挤出小孔的多余树脂，PVDF薄膜c是用于防止吸胶毡b吸附的树脂与单向纤维接触。

在一种实施方式中，本发明还提供了一种无人机，所述无人机包括如上所述的减阻降噪的仿生螺旋桨。本发明的减阻降噪的仿生螺旋桨可应用于无人机旋翼/螺旋桨。

综上所述，本发明提供了一种减阻降噪的仿生螺旋桨及其制备方法，所述仿生螺旋桨的桨叶包括：桨叶基层，所述桨叶基层的前缘具有正弦型凸起结构；纤维树脂层，设置在所述桨叶基层上，在所述纤维树脂层上设有若干排纤维绒毛，所述若干排纤维绒毛靠近所述桨叶的桨尖部。桨叶上的正弦型凸起结构可以提升桨叶的升力，同时纤维树脂层粘度大、弹性好，可以改变桨叶表面层内湍流结构，使边界层的频率、振幅、波速发生改变，进而减小气动阻力和壁面摩擦阻力，纤维绒毛可以吸收螺旋桨的边界层的气体的部分能量，进而减小边界层气体的湍流。并且，纤维绒毛还显著减小由于螺旋桨翼尖失速而引起的气动噪声。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种减阻降噪的仿生螺旋桨，包括桨叶，其特征在于，所述桨叶包括：桨叶基层，所述桨叶基层的前缘具有正弦型凸起结构；

纤维树脂层，设置在所述桨叶基层上，在所述纤维树脂层上设有若干排纤维绒毛，所述若干排纤维绒毛靠近所述桨叶的桨尖部。

2.根据权利要求1所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其特征在于，所述纤维树脂层包括树脂层以及嵌设在所述树脂层中的纤维层。

3.根据权利要求2所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其特征在于，所述树脂层的树脂包括：氨基甲酸酯环氧树脂、缩水甘油醚类环氧树脂和缩水甘油酯类环氧树脂中的一种。

4.根据权利要求2所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其特征在于，所述纤维绒毛以及所述纤维层的纤维均包括凯夫拉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的减阻降噪的仿生螺旋桨，其特征在于，所述若干排纤维绒毛为5-20排纤维绒毛，相邻的两排纤维绒毛的排间距为1-10mm，所述纤维绒毛的长度为1-10mm。

6.一种如权利要求1-5任一所述的减阻降噪的仿生螺旋桨的制备方法，其特征在于，包括：

将复合材料放入成型模具中，通过复合材料成型方法制备桨叶基体，对所述桨叶基体的前缘进行加工，得到桨叶基层；

在桨叶基层上同时制备纤维树脂层和纤维绒毛，得到未固化桨叶；

将所述未固化桨叶进行固化，得到桨叶。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述复合材料成型方法包括热压罐成型、模压成型、RTM成型和真空袋成型中的一种；对所述桨叶基体的前缘进行加工的加工方式包括机械加工、水刀加工和线切割加工中的一种。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在桨叶基层上同时制备纤维树脂层和纤维绒毛，得到未固化桨叶，包括：

A、在所述桨叶基层上形成第一树脂层，在所述第一树脂层上铺放第一单向纤维，并使所述第一单向纤维的一部分浸入所述第一树脂层，另一部分未浸入所述第一树脂层，形成第一排纤维绒毛；

B、在所述第一树脂层上形成第二树脂层，在所述第二树脂层上铺放第二单向纤维，并使所述第二单向纤维的一部分浸入所述第二树脂层，另一部分未浸入所述第二树脂层，形成第二排纤维绒毛；

C、重复步骤B，直至形成若干排纤维绒毛，得到未固化桨叶。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述将所述未固化桨叶进行固化，包括：

将所述未固化桨叶放置在涂油脱模剂的固化模具上，在所述的未固化桨叶的树脂层上依次铺放具有小孔的隔离膜、吸胶毡和PVDF薄膜；

将未浸入树脂层的单向纤维分别穿过所述隔离膜、所述吸胶毡和所述PVDF薄膜的小孔，并平铺在所述PVDF薄膜的上表面；

采用真空袋膜将所述未固化桨叶密封并抽真空后进行常温固化。

10.一种无人机，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的减阻降噪的仿生螺旋桨。

Images