CN115783298B - 可折叠螺旋桨的设计方法、可折叠螺旋桨及飞行器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可折叠螺旋桨的设计方法、可折叠螺旋桨及飞行器，已知桨叶展向截面的扭转角β和弦长c分布，根据欧拉旋转定理，求解折叠前坐标系U和折叠后坐标系F的旋转矩阵T，进而得到旋转轴
和旋转角
，将各个截面按旋转轴和旋转角进行折叠，基于叶素理论，对旋转后的截面进行平移操作，直至截面弦长中点与短舱相切，使其贴合于短舱。结果显示折叠后的螺旋桨和折叠前相比，几乎不改变气动性能，而且解决了常规螺旋桨在飞机巡航状态下带来的气动阻力较大，影响飞机航程，降低飞行经济性的问题。
Description
技术领域
本申请涉及螺旋桨技术领域，具体而言，涉及一种可折叠螺旋桨的设计方法、可折叠螺旋桨及飞行器。
背景技术
近年来，分布式电推进技术得到了广泛研究，螺旋桨作为主要的动力来源，通过在机翼或机身上分布安装多个螺旋桨，可以极大缩短起降距离。但螺旋桨带来的缺点也很明显，在巡航状态下，固定式的螺旋桨会明显增加气动阻力，影响飞机航程，降低飞行经济性。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种可折叠螺旋桨的设计方法，以解决相关技术中固定式的螺旋桨在飞机巡航状态下带来的气动阻力较大，影响飞机航程，降低飞行经济性的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种可折叠螺旋桨的设计方法，该设计方法包括：
确定桨叶的基本参数，主要包括：桨叶的展向截面数
i，各个截面的扭转角
β和弦长
c；
选择一个桨叶截面作为初始截面，其扭转角记为
β 0；
定义桨叶折叠前的坐标系
U和折叠后的坐标系
F；坐标系
U和坐标系
F均为XYZ三维坐标系， X轴方向垂直于螺旋桨旋转平面，通过螺旋桨旋转中心，Y轴方向垂直于折叠前的桨叶截面；Z轴方向平行于旋转平面；
基于坐标系
U、坐标系
F和初始扭转角
β 0，根据欧拉旋转定理确定旋转矩阵
T，计算公式如下：
；
；
；
；
基于旋转矩阵
T，根据轴角变换理论确定旋转轴和旋转角，计算公式如下；
；
；
根据旋转轴和旋转角，对
i个桨叶截面分别进行旋转；
获取将各个旋转后的桨叶截面平移至与短舱相切所需的平移量
u和平移量
v，所述平移量
u为平行于弦长方向的平移量，平移量
v为垂直于弦长方向的平移量，计算公式如下：
；
其中，
R h为坐标系
F中定义的旋转轴径向位置，
Rn为短舱半径；所述
β i 为
i个旋转后的桨叶截面中任意桨叶截面的扭转角与初始扭转角
β 0的相对值；
；
基于平移量
u和平移量
v对各个桨叶截面进行平移得到设计桨叶。
根据本申请的另一方面，提供一种可折叠螺旋桨，其特征在于，采用上述的设计方法设计。
根据本申请的另一方面，提供一种飞行器，其特征在于，包括上述可折叠螺旋桨。
本申请公开了一种可折叠螺旋桨的设计方法，已知桨叶展向截面的扭转角
β和弦长
c分布，根据欧拉旋转定理，求解折叠前坐标系
U和折叠后坐标系
F的旋转矩阵
T，进而得到旋转轴和旋转角，将各个截面按旋转轴和旋转角进行折叠，基于叶素理论，对旋转后的截面进行平移操作，直至截面弦长中点与短舱相切，使其贴合于短舱。结果显示折叠后的螺旋桨和折叠前相比，几乎不改变气动性能，而且解决了常规螺旋桨在飞机巡航状态下带来的气动阻力较大，影响飞机航程，降低飞行经济性的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的流程示意图；
图2是根据本申请实施例中桨叶截面折叠前的示意图；
图3是根据本申请实施例中桨叶截面折叠后的示意图；
图4是根据本申请实施例中桨叶截面平移的示意图；
图5是根据本申请实施例中桨叶截面在旋转折叠后的平移示意图；
图6是根据本申请实施例中桨叶折叠前的示意图；
图7是根据本申请实施例中桨叶折叠后的轴测示意图；
图8是根据本申请实施例中桨叶折叠后的侧视示意图；
其中，1短舱表面，2平移后的桨叶截面，3平移前的桨叶截面。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。
近年来，分布式电推进技术得到了广泛研究，螺旋桨作为主要的动力来源，通过在机翼或机身上分布安装多个螺旋桨，可以极大缩短起降距离。但螺旋桨带来的缺点也很明显，在巡航状态下，固定式的螺旋桨会明显增加气动阻力，影响飞机航程，降低飞行经济性。
为此，需要考虑在巡航状态下将螺旋桨旋转折叠至短舱上。由于螺旋桨桨叶具有一定扭转角，所以直接对桨叶进行旋转无法使螺旋桨贴合在短舱上。
为此，本实施例提供了一种可折叠螺旋桨的设计方法，根据该方法设计的螺旋桨能够更好的贴合在短舱表面，从而最大程度减小巡航状态下螺旋桨产生的阻力。
如图1所示，本申请实施例提供了一种可折叠螺旋桨的设计方法，该设计方法包括：
假设已知桨叶
i个展向截面的扭矩角和弦长分布情况，基于此可确定桨叶的基本参数，主要包括：桨叶的展向截面数
i，各个截面的扭转角
β和弦长
c；
选择一个桨叶截面作为初始截面，其扭转角记为
β 0，假设初始截面旋转折叠后与短舱相切；
确定桨叶折叠前后的参考坐标系，即定义桨叶折叠前的坐标系
U和折叠后的坐标系
F；坐标系
U和坐标系
F均为XYZ三维坐标系， X轴方向垂直于螺旋桨旋转平面，通过螺旋桨旋转中心；Y轴方向垂直于折叠前的桨叶截面；Z轴方向平行于旋转平面；图2为折叠前的桨叶截面图，图3为折叠后的桨叶截面图，图3中的弧线为短舱表面的示意；
基于坐标系
U、坐标系
F和初始扭转角
β 0，根据欧拉旋转定理确定旋转矩阵
T（刚体在旋转时，至少有一点固定不动，此位移等价于一个绕着包含固定点的固定轴旋转），计算公式如下：
；
；
；
；
基于旋转矩阵
T，根据轴角变换理论确定旋转轴和旋转角，计算公式如下；
；
；
根据旋转轴和旋转角，对i个桨叶截面分别进行旋转；
根据叶素理论，桨叶的推力可以表示为沿径向位置每一个叶素上气动力的合力，因此只要不改变特定位置叶素的局部迎角、局部弦长和局部速度，就不会影响桨叶的整体性能。图4展示了在固定的径向位置内对任一叶素截面进行平移(包括平行于弦长方向的平移量
u和垂直于弦长方向的平移量
v)，但不改变局部弦长和局部迎角。
因此，可获取将各个旋转后的桨叶截面平移至与短舱相切所需的平移量
u和平移量
v，所述平移量
u为平行于弦长方向的平移量，平移量
v为垂直于弦长方向的平移量。具体的，如图5所示，假设短舱的几何形状为圆柱形，以桨叶截面的弦长中点作为参考点，对所有桨叶截面进行
u和
v的平移操作,使所有桨叶截面都贴在短舱表面1。
根据图5显示的几何关系，平移量
u和平移量
v的计算公式如下：
；
其中，
R h为坐标系
F中定义的旋转轴径向位置，
R n 为短舱半径；所述
β i 为
i个旋转后的桨叶截面中任意桨叶截面的扭转角与初始扭转角
β 0的相对值；
；
基于平移量
u和平移量
v对各个桨叶截面进行平移得到设计桨叶。如图5所示，将平移前的桨叶截面3按照图示方式进行平移得到平移后的桨叶截面2，平移后的桨叶截面2贴合在短舱表面1。
本申请所记载的设计方法适应于已知弦长和扭转角分布的桨叶，以叶素理论基础，对已知桨叶进行旋转、平移等操作，得到能够贴合短舱的折叠桨。通过C
FD验证计算，证明了此方法几乎不会影响螺旋桨折叠前的性能。
根据本申请的另一方面，提供一种可折叠螺旋桨，其特征在于，采用上述的设计方法设计。
根据本申请的另一方面，提供一种飞行器，其特征在于，包括上述可折叠螺旋桨。
基于上述设计方法，本实施例提供一种具体的实现方式：
已知折叠前桨叶各个桨叶截面的弦长c和扭转角β分布，桨叶数n=5，桨叶半径R=0.36m，桨叶翼型选用MH 114，具体参数如下所示。
r/R表示各个桨叶截面，c/R表示弦长，
β表示扭转角。
选择初始桨叶截面
r/R=0.5367，其扭转角记为
β 0 =0.5498，假设该桨叶截面折叠后与短舱相切。
桨叶折叠前参考坐标系为
U，折叠后参考坐标系为
F。
；
。
根据欧拉旋转定理，可以根据以下公式求解旋转矩阵
T。
根据轴角变换理论，得到桨叶的旋转轴和旋转角。
；
。
假设短舱形状为圆柱体，半径
R n =0.072m，旋转轴的径向位置
R h =0.055，根据以下公式可以得到
u和
v两个方向上的平移值。
以桨叶弦长的中点作为参考点，对各个桨叶截面进行
u和
v两个方向上的平移，各个桨叶截面平移值如下表所示。
将各个桨叶截面进行平移后得到设计桨叶。
对折叠前后的桨叶进行C
FD数值计算，结果对比如下表所示。可以看出，折叠后桨叶的推力和扭矩只减少了不到5%。
本申请达到了使设计桨叶在按照设定的旋转轴旋转后能够贴合在短舱上的目的，从而实现了可以让折叠后的桨叶更好的贴合于短舱，并且几乎不会改变螺旋桨的性能，以此来降低飞行阻力，提高飞机航程，提高飞机经济性的技术效果，进而解决了相关技术中固定式的螺旋桨在飞机巡航状态下带来的气动阻力较大，影响飞机航程，降低飞行经济性的问题。
根据本申请的另一方面，如图6至图8所示，提供一种可折叠螺旋桨，采用上述的设计方法设计。
根据本申请的另一方面，提供一种飞行器，包括上述的可折叠螺旋桨。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种可折叠螺旋桨的设计方法，其特征在于，包括：
确定桨叶的基本参数，主要包括：桨叶的展向截面数i，各个截面的扭转角β和弦长c；
选择一个桨叶截面作为初始截面，其扭转角记为β 0；
定义桨叶折叠前的坐标系U和折叠后的坐标系F；坐标系U和坐标系F均为XYZ三维坐标系， X轴方向垂直于螺旋桨旋转平面，通过螺旋桨旋转中心，Y轴方向垂直于折叠前的桨叶截面；Z轴方向平行于旋转平面；
基于坐标系U、坐标系F和初始扭转角β 0，根据欧拉旋转定理确定旋转矩阵T，计算公式如下：
；
；
；
；
基于旋转矩阵T，根据轴角变换理论确定旋转轴和旋转角，计算公式如下；
；
；
根据旋转轴和旋转角，对i个桨叶截面分别进行旋转；
获取将各个旋转后的桨叶截面平移至与短舱相切所需的平移量u和平移量v，所述平移量u为平行于弦长方向的平移量，平移量v为垂直于弦长方向的平移量，计算公式如下：
；
其中，R h为坐标系F中定义的旋转轴径向位置，R n 为短舱半径；所述β i 为i个旋转后的桨叶截面中任意桨叶截面的扭转角与初始扭转角β 0的相对值；
；
基于平移量u和平移量v对各个桨叶截面进行平移得到设计桨叶。
2.一种可折叠螺旋桨，其特征在于，采用如权利要求1所述的设计方法设计。
3.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求2所述的可折叠螺旋桨。
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- 2023-01-31 CN CN202310046260.1A patent/CN115783298B/zh active Active
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