CN209852568U - 一种导管式螺旋桨系统及飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种导管式螺旋桨系统及飞行器，导管式螺旋桨系统包括螺旋桨和导管，螺旋桨安装在导管的内部，导管的内壁上设置有非光滑部；非光滑部设置在螺旋桨的下沿至导管的出口扩散口之间，因此，桨尖涡的轴向运动会受到非光滑部的阻隔，降低了桨尖涡的强度。在非光滑部的迎风面上，桨尖涡的速度被抑制，流速降低，到非光滑部的背风面处桨尖涡的主流会再次附着于导管内壁，因为涡效应被阻隔，再次附着的气体在靠近壁面区域的能量较高，足以克服导管的出口扩散口段的逆压梯度所导致的气流分离，在导管的出口扩散口处气流分离基本被完全抑制，气流沿壁面流动，流道逐渐变大，滑流面积得到有效增加，改善了系统的气动特性，提高了升力。

Description

一种导管式螺旋桨系统及飞行器

技术领域

本实用新型涉及飞行器机构技术领域，尤其是涉及一种导管式螺旋桨系统及飞行器。

背景技术

如图1-2所示，导管式螺旋桨系统是指在自由螺旋桨的外围设置导管2的一种推进系统。传统的导管式螺旋桨系统，由于桨尖间隙的存在，螺旋桨的桨叶在上下表面压差作用下产生了桨尖涡，引发的桨尖涡效应不仅存在于桨尖处。由于螺旋桨的高速旋转，桨尖后带出的涡流在整个桨盘旋转平面与导管壁面的交汇处持续产生影响：导管扩散口的气流边界层的分离，气流不断被裹挟至桨尖涡，涡流不断扩大，最终导管桨盘上下的压差减少，导管式螺旋桨系统的拉力减小，气动特性差。

因此，如何解决桨尖涡导致的导管扩散口气流边界层分离，导管升力小、气动特性差的问题是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的第一个目的是提供一种导管式螺旋桨系统，能够解决桨尖涡导致的导管扩散口气流边界层分离，导管升力小、气动特性差的问题。

本实用新型的第二个目的是提供一种飞行器。

为了实现上述第一个目的，本实用新型提供了如下方案：

一种导管式螺旋桨系统，包括螺旋桨和导管，所述螺旋桨安装在所述导管的内部，所述导管的内壁上设置有非光滑部；

所述非光滑部设置在所述螺旋桨的下沿至所述导管的出口扩散口之间。

在一个具体实施方案中，所述非光滑部为设置在所述导管内壁上的凸起结构。

在另一个具体实施方案中，所述凸起结构包括至少一个环状凸起。

在另一个具体实施方案中，所述环状凸起为与所述导管的轴心线垂直设置的封闭环，所述封闭环的横截面为圆或者椭圆。

在另一个具体实施方案中，所述环状凸起为绕着所述导管的轴心线呈环形离散分布的凸点，所述凸点的截面为封闭形状。

在另一个具体实施方案中，所述螺旋桨的桨尖间隙为所述螺旋桨的桨盘直径的0.3％～3％；

所述非光滑部的顶端与所述桨盘的底端的距离为所述螺旋桨的桨尖间隙的1倍～10倍；和/或

所述环状凸起沿着所述导管的径向高度为所述螺旋桨的桨尖间隙的0.1倍～2倍。

在另一个具体实施方案中，所述环状凸起的个数为一个。

在另一个具体实施方案中，所述环状凸起的个数为多个；

相邻所述环状凸起之间间距相同，为所述螺旋桨的桨尖间隙的0.5倍～4倍。

在另一个具体实施方案中，所述非光滑部为设置在所述导管内壁上的凹陷结构。

在另一个具体实施方案中，所述凹陷结构包括：

开设在所述导管内壁的凹坑；和/或

开设在所述导管内壁的沟槽；和/或

开设在所述导管内壁的拌线；和/或

开设在所述导管内壁的滑膛；和/或

开设在所述导管内壁的划痕。

根据本实用新型的各个实施方案可以根据需要任意组合，这些组合之后所得的实施方案也在本实用新型范围内，是本实用新型具体实施方式的一部分。

不限于任何理论，从以上公开内容可以看出，在一个具体实施方案中，本实用新型公开的导管式螺旋桨系统，由于非光滑部设置在螺旋桨的下沿至导管的出口扩散口之间，因此，桨尖涡的轴向运动会受到导管内壁非光滑部的阻隔，降低了桨尖涡的强度。在非光滑部的迎风面上，桨尖涡的速度被抑制，流速降低，到非光滑部的背风面处桨尖涡的主流会再次附着于导管内壁，因为涡效应被阻隔，再次附着的气体在靠近壁面区域的能量较高，足以克服导管的出口扩散口段的逆压梯度所导致的气流分离，在导管的出口扩散口处气流分离基本被完全抑制，气流沿壁面流动，流道逐渐变大，滑流面积得到有效增加，从而改善了导管式螺旋桨系统的气动特性，提高了升力。

本实用新型的工作机理，并非是在桨尖涡形成之前或过程中对涡流进行破坏，而是在桨尖涡完整形成之后，利用导管内壁处的非光滑部结构将壁面层流边界层转捩为湍流边界层，延缓边界层分离产生，扩大流道面积，改善扩压出口压力场分布，减小出口负压。

为了实现上述第二个目的，本实用新型提供了如下方案：

一种飞行器，包括如上述中任意一项所述的导管式螺旋桨系统。

本实用新型公开的飞行器，由于包括上述任意一项中的导管式螺旋桨系统，因此，上述导管式螺旋桨系统所具有的有益效果均是本实用新型公开的飞行器所包含的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出新颖性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的导管式螺旋桨系统的截面桨尖涡轴向流动示意图；

图2为图1的局部放大结构示意图；

图3为本实用新型提供的导管式螺旋桨系统的立体结构示意图；

图4为本实用新型提供的导管式螺旋桨系统的轴向截面示意图；

图5为本实用新型提供的导管式螺旋桨系统的导管的局部放大图；

图6为本实用新型提供的导管式螺旋桨系统的内壁面剖面视图；

图7为本实用新型提供的导管式螺旋桨系统的截面桨尖涡轴向流动示意图；

图8为图7的放大结构示意图。

其中，图1-8中：

螺旋桨1、导管2、入唇口201、非光滑部3、出口扩散口202、凸起结构301、桨尖间隙4、叶片102、桨盘101。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出新颖性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在进行本实用新型具体方案解释之前，先对本案中的“导管式螺旋桨”以及“导管”进行定义：

导管式螺旋桨是指在自由螺旋桨的外围设置导管的一种推进系统。而导管式螺旋桨中的导管，是一种套在螺旋桨外、将开放式螺旋桨的开放流道整合为内流道的装置，通常是具有流线型截面的长度和直径量级相当的短管状结构。导管式螺旋桨系统产生的拉力由两部分组成：一部分由螺旋桨产生，另一部分由导管产生，而导管产生的拉力主要集中于导管的入唇口处。

实施例一

如图3-8所示，本实用新型公开了一种导管式螺旋桨系统，其中，导管式螺旋桨系统包括螺旋桨1和导管2，螺旋桨1安装在导管2内部，具体安装在导管2的入唇口201的下方。具体地，螺旋桨1的桨叶个数至少为2个，本实施例以螺旋桨1的桨叶为5个为例。

导管2的内壁上设置有非光滑部3，非光滑部3可以为任意形状。非光滑部3可以为凹陷结构，包括但不限于球窝、凹坑、沟槽、拌线、滑膛、划痕等；非光滑部3也可以为凸起结构301，包括但不限于球包、凸包、鳞片、凸台等；非光滑部3还可以包括上述凹陷结构和上述凸起结构301。

非光滑部3设置在螺旋桨1的下沿至导管2的出口扩散口202之间。

本实用新型公开的导管式螺旋桨系统，由于非光滑部3设置在螺旋桨1的下沿至导管2的出口扩散口202之间，因此，桨尖涡的轴向运动会受到导管2内壁非光滑部3的阻隔，降低了桨尖涡的强度。在非光滑部3的迎风面上，桨尖涡的速度被抑制，流速降低，到非光滑部3的背风面处桨尖涡的主流会再次附着于导管2内壁，因为涡效应被阻隔，再次附着的气体在靠近壁面区域的能量较高，足以克服导管2的出口扩散口202段的逆压梯度所导致的气流分离，在导管2的出口扩散口202处气流分离基本被完全抑制，气流沿壁面流动，流道逐渐变大，滑流面积得到有效增加，从而改善了导管式螺旋桨系统的气动特性，提高了升力。

本实用新型的工作机理，并非是在桨尖涡形成之前或过程中对涡流进行破坏，而是在桨尖涡完整形成之后，利用导管2内壁处的非光滑部3结构将壁面层流边界层转捩为湍流边界层，延缓边界层分离产生，扩大流道面积，改善扩压出口压力场分布，减小出口负压。

实施例二

在本实用新型提供的第二实施例中，本实施例中的导管式螺旋桨系统和实施例一中的导管式螺旋桨系统的结构类似，对相同之处就不再赘述了，仅介绍不同之处。

本实施例中，具体公开了非光滑部3为设置在导管2内壁上的凸起结构301。具体地，凸起结构301可以与导管2一体成型，也可以组合装配：凸起结构301是单独的零件或机构，装配在导管2内壁上，其装配形式可以为螺钉等可拆卸连接，也可以为其它形式，装配形式不做限定。

进一步地，本实用新型公开了凸起结构301包括至少一个环状凸起。需要说明的是，环状凸起可以为封闭的环形结构，也可以是不封闭的开放环结构，环状凸起可以设置成完全相同的凸起，也可以设置为各不相同(环状凸起可以是规则的：环状凸起的尺寸可以设置为沿着靠近导管2的出口扩散口202处的方向逐渐变小或者变大；环状凸起也可以是不规则的，包括尺寸不规则和/或排布不规则)，或者局部相同(环状凸起可以是间隔的环状凸起相同，也可以是间隔一个环状凸起有2个以上的环状凸起相同，还可以按照实际需要进行设定)。

非光滑部3也可以是绕着导管2的轴心线呈环形离散分布的凸点结构，凸点均匀分布，也可以是不规则分布，凸点的尺寸大小可以相同，也可以不同。凸点的截面为封闭形状，具体可以为圆、椭圆、三角形、梯形或其他规则或不规则的封闭形状。

环状凸起可以是绕着导管2内壁螺旋布置，也可以是与导管2的轴心线垂直设置。

具体地，本实施例中，以环状凸起为与导管2的轴心线垂直设置的封闭环为例。

进一步地，本实用新型公开了封闭环的横截面为圆或者椭圆，需要说明的是，封闭环的截面积也可以是其它规则或不规则的封闭形状。

进一步地，本实用新型公开了环状凸起的个数为多个，相邻环状凸起之间间距相同，也可以根据具体情况设定不同的间距。本实施例以相邻环状凸起之间的间距相同为例。

通过仿真计算以及相关实验验证，本实用新型的发明人总结出：螺旋桨1的桨尖间隙4(桨尖间隙4是指螺旋桨1的桨叶的桨尖与导管2内壁之间的距离)为螺旋桨1的桨盘101直径的0.3％～3％，非光滑部3的顶端与桨盘101的底端的距离为螺旋桨1的桨尖间隙4的1倍～10倍，环状凸起之间的间距相同，为螺旋桨1的桨尖间隙4的0.5倍～4倍，环状凸起沿着导管2的径向高度为螺旋桨1的桨尖间隙4的0.1倍～2倍。此时，降低桨尖涡流能量的效果最好。

对比图1、图2和图7、图8，就能明显看出环状凸起在导管2中对桨尖涡起到明显的抑制作用，有效延缓了扩散口处的气流分离，对改善导管式螺旋桨系统的拉力特性有显著的效果。

本实用新型是在桨尖涡完整形成之后，利用导管2非光滑内壁结构将壁面层流边界层转捩为湍流边界层，延缓边界层分离产生，扩大流道面积，改善扩压出口压力场分布，减小出口负压。在本实施例中，通过环状凸起结构301抑制桨尖涡对边界层的分离，从而弱化桨尖涡能量，增大导管2主流能量，提高导管式螺旋桨系统的气动特性。

本实用新型具有如下优点：

(1)在保证基本的桨尖间隙不变的条件下，通过导管2仿生非光滑内壁设计，来改善桨尖涡的流场结构，减小导管2的出口扩散口202的流动分离，提升导管2飞行的综合气动性能，巧妙绕开了桨尖间隙4不能无限小的技术难题，避开螺旋桨1的桨叶102的桨尖与导管2内壁之间可能出现的结构干涉；

(2)导管2仿生非光滑内壁设计对飞行器的综合气动性能提升以及稳定性控制具有很重要的意义，在一定的程度上可以避免要求苛刻的加工、安装、结构等问题，易于加工推广，实用性强，功效明显，适用范围广，具有很好的学术价值与工程应用前景；

(3)利用环状凸起有效抑制桨尖涡对导管2出口扩散口202的气流边界层的分离，降低桨尖涡流能量，转换为主流体能量，提高了导管式螺旋桨系统的拉力和气动特性；

(4)环状凸起能够减弱桨尖涡对下游气流的影响，改善导管2的内流条件；

(5)环状凸起布置于导管2内壁直线段时，能够起到隔离桨尖涡与扩散口内逆压梯度的作用，起到较好的流动分离抑制作用；

(6)环状凸起能有效提高导管式螺旋桨系统中的导管2的拉力因子，进而提高系统总体拉力系数；

(7)导管2的增升效应与导管2的出口扩散口202的面积有关，在保证出口扩散口202面积以及流动分离不变的条件下，适当增大出口扩散口202的扩散角，这样导管2的高度可以做的相对较低，减小侧风的干扰以及前飞时的迎风面积和俯仰力矩，增强飞行的稳定性。

实施例三

在本实用新型提供的第三实施例中，本实施例中的导管式螺旋桨系统和实施例二中的导管式螺旋桨系统的结构类似，对相同之处就不再赘述了，仅介绍不同之处。

在本实施例中，本实用新型公开了非光滑部3为设置在导管2内壁上的凹陷结构。凹陷结构包括但不限于球窝、凹坑、沟槽、拌线、滑膛、划痕等。本实施例中，凹陷结构包括：开设在导管2内壁的凹坑；开设在导管2内壁的沟槽；开设在导管2内壁的拌线；开设在导管2内壁的滑膛；开设在导管2内壁的划痕。

实施例四

本实用新型提供了一种飞行器，包括如上述中任意一项实施例中的导管式螺旋桨系统。

本实用新型公开的飞行器，由于包括上述任意一项实施例中的导管式螺旋桨系统，因此，上述导管式螺旋桨系统所具有的有益效果均是本实用新型公开的飞行器所包含的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“顶端”、“底端”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

需要说明的是，本文中，为了便于描述，以导管轴向为Z向，导管径向为X方向，具体如附图中的坐标系。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种导管式螺旋桨系统，包括螺旋桨(1)和导管(2)，所述螺旋桨(1)安装在所述导管(2)的内部，其特征在于，所述导管(2)的内壁上设置有非光滑部(3)；

所述非光滑部(3)设置在所述螺旋桨(1)的下沿至所述导管(2)的出口扩散口(202)之间；

所述非光滑部(3)为设置在所述导管(2)内壁上的凸起结构(301)；

所述凸起结构(301)包括至少一个环状凸起；

所述环状凸起与所述导管(2)的轴心线垂直设置。

2.根据权利要求1所述的导管式螺旋桨系统，其特征在于，所述环状凸起为与所述导管(2)的轴心线垂直设置的封闭环，所述封闭环的横截面为圆或者椭圆。

3.根据权利要求1所述的导管式螺旋桨系统，其特征在于，所述环状凸起为绕着所述导管(2)的轴心线呈环形离散分布的凸点，所述凸点的截面为封闭形状。

4.根据权利要求2或3所述的导管式螺旋桨系统，其特征在于，所述螺旋桨(1)的桨尖间隙(4)为所述螺旋桨(1)的桨盘(101)直径的0.3％～3％；

所述非光滑部(3)的顶端与所述桨盘(101)的底端的距离为所述螺旋桨(1)的桨尖间隙(4)的1倍～10倍；和/或

所述环状凸起沿着所述导管(2)的径向高度为所述螺旋桨(1)的桨尖间隙(4)的0.1倍～2倍。

5.根据权利要求4所述的导管式螺旋桨系统，其特征在于，所述环状凸起的个数为多个；

相邻所述环状凸起之间间距相同，为所述螺旋桨(1)的桨尖间隙(4)的0.5倍～4倍。

6.一种飞行器，其特征在于，包括如权利要求1-5中任意一项所述的导管式螺旋桨系统。