CN114030602B - 一种主动调节同轴度的旋翼系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动调节同轴度的旋翼系统，包括：旋翼轮(1)和涵道(2)；旋翼轮(1)包括：叶片(11)、叶轮(12)、永磁阵列(13)、主动调节小翼(16)和距离感应探头(17)；永磁阵列(13)和距离感应探头(17)沿圆周布置在叶轮(12)上；涵道(2)包括：悬浮槽(21)、线圈阵列(22)和距离传感器(24)；线圈阵列(22)和距离传感器(24)沿圆周布置在悬浮槽(21)上；叶片(11)的翼型尾端设置有主动调节小翼(16)，主动调节小翼(16)用于根据距离传感器(24)对距离感应探头(17)的检测结果转动，使得旋翼轮(1)位于悬浮槽(21)中心。可减轻重量，并且减小气动阻塞，提高气动效率。

Description

一种主动调节同轴度的旋翼系统

技术领域

本发明属于航空技术领域，具体涉及一种主动调节同轴度的旋翼系统。

背景技术

旋翼系统通过自身的旋转产生升力，为飞行器提供可垂直起降的升力和推进力，但由于旋转的旋翼对周围人员和环境存在伤害威胁，故出现了有涵道保护的旋翼系统，即涵道系统，涵道在涵道系统中不仅起到保护作用，同时也能提供额外的升力，可提高飞行效率，可相应的减小尺寸，进而减小全机尺寸，使得飞行器更为紧凑，重量更轻，应用面更广。

为进一步提高飞行器的紧凑型，减小尺寸，降低结构重量，出现了共轴双旋翼涵道，甚至共轴多旋翼涵道，比较特殊的是发动机，采用了多套旋翼共轴，可极大减小发动机的迎风面积，减小阻力，提高推进效率。

由于双旋翼共轴或者多旋翼共轴在旋翼之间会存在制造误差、环境载荷不均匀、使用碰撞、磨损等因素导致不同旋翼各自旋转中心不同轴的问题，会导致旋翼系统工作振动的加剧，在工作稳定性、气动效率和器件寿命等方面造成损害。同时，多套旋翼的中心轴也对气流有所阻滞，影响气动效率；并且需要相应的旋翼轴安装支架，也会带来附加重量。

发明内容

本发明提供一种主动调节同轴度的旋翼系统，改变旋翼构型提高气动效率，改变旋翼轴偏转的检测方式提高检测精度，采用主动调节方式及时纠正偏转，并且通过组合调整的方式增大了调节范围。

本发明提供一种主动调节同轴度的旋翼系统，包括：旋翼轮1和涵道2；

所述旋翼轮1包括：叶片11、叶轮12、永磁阵列13、主动调节小翼16和距离感应探头17；所述永磁阵列13和所述距离感应探头17沿圆周布置在所述叶轮12上；

所述涵道2包括：悬浮槽21、线圈阵列22和距离传感器24；所述线圈阵列22和距离传感器24沿圆周布置在所述悬浮槽21上；

所述线圈阵列22用于向所述永磁阵列13提供电磁力，驱动所述叶轮12在所述悬浮槽21内悬浮转动；

所述叶轮12内沿圆周布置有多个叶片11，各叶片11的叶尖朝向所述叶轮12圆心，所述叶片11的翼型尾端设置有主动调节小翼16，所述主动调节小翼16包括多段，可分别进行调节；

所述主动调节小翼16用于根据所述距离传感器24对所述距离感应探头17的检测结果转动，使得所述旋翼轮1位于悬浮槽21中心。

可选的，所述旋翼轮1还包括：感应电池14和导线15；所述感应电池14设置在所述叶片11的根部，所述主动调节小翼16通过导线15与感应电池14连接；

所述涵道2还包括：无线输电设备23；

无线输电设备23用于向感应电池14充电。

可选的，所述距离传感器24与无人机机体内的处理器连接；

所述主动调节小翼16内设置有作动器；

所述处理器与所述主动调节小翼16内的作动器无线通讯连接。

可选的，所述处理器具体用于，根据从所述距离传感器24获得的距离信息确定所述叶轮12的轴线平动或偏转的程度，根据轴线平动或偏转的程度调节所述线圈阵列22的磁力分布和主动调节小翼16的动作。

可选的，所述主动调节小翼16包括两段以上，各段单独调节。

可选的，所述叶片11的展长不超过所述悬浮槽21半径的80％。

可选的，所述悬浮槽21呈内凹的V型，所述叶轮12的朝向所述悬浮槽21的面呈外凸的V型。

可选的，所述旋翼轮1的数量为至少两个，所述悬浮槽21的数量与所述旋翼轮1的数量一致。

本发明提出一种主动调节同轴度的旋翼系统，通过磁悬浮和主动调节小翼实现旋翼之间同轴度的主动调节，可主动降低由于旋翼不同轴带来的振动问题，提高工作效率和稳定性，同时旋翼轴线调节控制点由传统的中心轴改为旋翼尖的叶轮环，偏转检测和主动调节精度更高，调节效果更好，通过主动调节小翼组合调节的方式增大了偏转调节范围；并且取消了旋翼支架和旋翼中央的桨毂，可减轻重量，并且减小气动阻塞，提高气动效率；同时叶片尖部直接抵达涵道壁面，可避免传统涵道叶尖的气动损失，进一步提高气动效率。

附图说明

图1是现有共轴涵道系统的结构示意图；

图2是本发明提供的主动同轴高效旋翼系统的结构示意图；

图3是本发明提供的叶轮的结构示意图；

附图标记说明：

1—旋翼轮； 2—涵道；

11—叶片； 12—叶轮；

13—永磁阵列； 14—感应电池；

15—导线； 16—主动调节小翼；

17—距离感应探头； 21—悬浮槽；

22—线圈阵列； 23—无线输电设备；

24—距离传感器。

实施方式

下面结合附图对本发明提供的主动同轴高效旋翼系统进行解释说明。

如图1所示的常规共轴涵道系统，旋翼通过安装支架安装在涵道内，通过电机或者发动机驱动旋转，旋翼和涵道之间留有旋转所需的间隙，旋翼支架会对气流流场存在干扰作用，导致气动效率降低；同时旋翼叶尖与涵道壁之间的气隙处会发生桨尖三维效应，反流的气流导致旋翼气动效率降低。

为解决上述问题，本发明提供一种主动调节同轴度的旋翼系统，如图2所示，本发明提出的主动同轴高效旋翼系统，包括：旋翼轮1和涵道2；其中，

旋翼轮1包括：叶片11、叶轮12、永磁阵列13、感应电池14、导线15、主动调节小翼16以及距离感应探头17。

其中，主动调节小翼16包括a、b、c三段，a段靠近叶轮12，c段远离叶轮12，b段在中间；

涵道2由悬浮槽21、线圈阵列22、无线输电设备23、距离传感器24和保护轴承等元器件组成。

叶轮12悬浮在悬浮槽21内，悬浮槽21以及叶轮12的两个悬浮面为V型，线圈阵列22与永磁阵列13相对安装在V型面的两面，其中线圈阵列22安装在涵道2的悬浮槽21内，永磁阵列安装在叶轮12的V型面内；叶轮12通过线圈阵列22对永磁阵列13的吸引采用电磁悬浮模式悬浮在悬浮槽21内，通过相对安装的距离感应探头17和距离传感器24可检测叶轮12与悬浮槽21之间的距离，通过线圈阵列22控制叶轮12的悬浮距离和相对位置，同时叶轮12的旋转也由线圈阵列22驱动旋转。

叶片11安装在叶轮12内环，即涵道2的内部，叶片11可采用定角度的形式，也可增加变距机构改为变角度的形式，具有应用灵活性，可提高在复杂流动环境下的气动效率。

叶片11的展长不超过所述悬浮槽21半径的80％。

叶片11的平面形状可为矩形、梯形或弧形等，其弦长平均值为其展长的10％至40％。

叶片11旋转产生的空气动力通过叶轮12整体传递到悬浮槽21，进而通过磁悬浮的模式传递到涵道2和机体上，通过磁悬浮的模式传递空气动力比机械传递模式更为平稳，并且可以主动调节磁悬浮支承刚度，具有主动调节和减振降噪的优势；

主动调节小翼16位于叶片11的翼型尾端，作用类似舵面，主动调节小翼16由压电驱动设备驱动调节，具有调节速度快的特点，主动调节小翼16由2段或更多组成，图2和图3以3段为例介绍，主动调节小翼16包括a、b、c三段，a段靠近叶轮12，c段远离叶轮12，b段在中间，a段线速度最大，调节能力最强，c段线速度最小，调节能力最弱，b段调节能力居中，在具体调节中可根据调节力度的大小选择不同的小翼段搭配使用；主动调节小翼16的供电由感应电池14通过导线15提供，感应电池14安装在叶轮12上，涵道中与之相对应的是无线输电设备23，该设备将机体内传输出来的电流通过感应的方式传输给感应电池14。

叶轮12带动叶片11旋转时，整个叶轮的旋转轴线受到的扰动分为平动和偏转，平动为叶轮12轴线上下左右的平行移动状况，偏转为叶轮12轴线偏转后与垂直方向存在夹角，即整个叶轮12盘面偏转(等同于传统的旋翼实际旋转轴与理论垂直轴线有个偏角)的状况。针对这些情况，轴线平动的情况可通过磁悬浮力的水平分力将叶片11和叶轮12纠正回来。轴线偏转的情况可通过各距离传感器24检测得到的与各自对应的距离感应探头17之间的距离来识别，通过距离值的大小可识别出叶轮12的偏转方向，若偏转值较小，可通过线圈阵列反方向调节磁悬浮力来矫正旋翼轴线；若偏转值较大，此时处于气流环境变化剧烈的影响下，需要通过主动调节小翼16由空气动力来平衡叶轮12的受力，使旋转轴线重新回归垂直位置，此时可通过在偏转大的位置反向调节a段小翼，在偏转小的位置通过反向调节c段小翼，中间部分根据距离差距将a段、b段组合使用或者b段、c段组合使用，通过组合调节的方式，可在压电材料调节角度小的情况下实现大范围的悬浮距离调整，即实现大偏转的旋翼轴线纠偏。

本发明提出一种主动调节同轴度的旋翼系统，通过磁悬浮和主动调节小翼实现旋翼之间同轴度的主动调节，可主动降低由于旋翼不同轴带来的振动问题，提高工作效率和稳定性，同时旋翼轴线调节控制点由传统的中心轴改为旋翼尖的叶轮环，偏转检测和主动调节精度更高，调节效果更好，通过主动调节小翼组合调节的方式增大了偏转调节范围；并且取消了旋翼支架和旋翼中央的桨毂，可减轻重量，并且减小气动阻塞，提高气动效率；同时叶片尖部直接抵达涵道壁面，可避免传统涵道叶尖的气动损失，进一步提高气动效率。

Claims (5)

1.一种主动调节同轴度的旋翼系统，其特征在于，包括：旋翼轮(1)和涵道(2)；

所述旋翼轮(1)包括：叶片(11)、叶轮(12)、永磁阵列(13)、主动调节小翼(16)和距离感应探头(17)；所述永磁阵列(13)和所述距离感应探头(17)沿圆周布置在所述叶轮(12)上；

所述涵道(2)包括：悬浮槽(21)、线圈阵列(22)和距离传感器(24)；所述线圈阵列(22)和距离传感器(24)沿圆周布置在所述悬浮槽(21)上；

所述线圈阵列(22)用于向所述永磁阵列(13)提供电磁力，驱动所述叶轮(12)在所述悬浮槽(21)内悬浮转动；

所述叶轮(12)内沿圆周布置有多个叶片(11)，各叶片(11)的叶尖朝向所述叶轮(12)圆心，所述叶片(11)的翼型尾端设置有主动调节小翼(16)，所述主动调节小翼(16)包括多段，可分别进行调节；

所述主动调节小翼(16)用于根据所述距离传感器(24)对所述距离感应探头(17)的检测结果转动，使得所述旋翼轮(1)位于悬浮槽(21)中心；

所述旋翼轮(1)还包括：感应电池(14)和导线(15)；所述感应电池(14)设置在所述叶片(11)的根部，所述主动调节小翼(16)通过导线(15)与感应电池(14)连接；

所述涵道(2)还包括：无线输电设备(23)；

无线输电设备(23)用于向感应电池(14)充电；

所述距离传感器(24)与无人机机体内的处理器连接；

所述主动调节小翼(16)内设置有作动器；

所述处理器与所述主动调节小翼(16)内的作动器无线通讯连接；

所述处理器具体用于，根据从所述距离传感器(24)获得的距离信息确定所述叶轮(12)的轴线平动或偏转的程度，根据轴线平动或偏转的程度调节所述线圈阵列(22)的磁力分布和主动调节小翼(16)的动作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主动调节小翼(16)包括两段以上，各段单独调节。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述叶片(11)的展长不超过所述悬浮槽(21)半径的80％。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述悬浮槽(21)呈内凹的V型，所述叶轮(12)的朝向所述悬浮槽(21)的面呈外凸的V型。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋翼轮(1)的数量为至少两个，所述悬浮槽(21)的数量与所述旋翼轮(1)的数量一致。