CN211107957U - 一种跨介质航行器的桨叶变构型 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种跨介质航行器的桨叶变构型，其特征在于，包括：前桨毂，其周向均匀设有多个前桨；后桨毂，其上端通过棘轮机构与所述前桨毂下端旋转连接，所述后桨毂周向设有多个与所述前桨相对应的后桨。螺旋桨桨叶变构型能够使跨介质航行器的螺旋桨推进器同时适应空中和水下的特性要求，有效提高推进效率。同时，本实用新型结合了串列螺旋桨的特点，当小型跨介质航行器的螺旋桨直径受到限制时，串列螺旋桨比同直径、同盘面比的普通螺旋桨提高推进效率3～6％，螺旋桨直径受到限制越严重时则推进效率提高越明显。设计跨介质无人机及其他两栖交通运输工具推进器时均可以运用本实用新型。
Description
技术领域
本实用新型涉及螺旋桨推进器装置技术领域，具体地说是一种跨介质航行器的桨叶变构型。
背景技术
螺旋桨推进器是水上，空中运载工具广泛应用的推进器，目前，船舶、海洋工程结构物、旋翼无人机及其他空、水交通运输工具用的螺旋桨推进器已有多种系列。但是，当涉及到跨介质航行器时，考虑空、水的不同介质特性，一套固定的螺旋桨很难同时保证两环境下的作业性能要求。由于空气和水的密度粘性差别很大，且空中螺旋桨需要较高的转速和较大的空气通量，而水下螺旋桨则需要较高的淌水效率和推进效率，所以空中螺旋桨展弦比远大于水下螺旋桨。因此，研发一种通过变化桨叶位置从而改变空、水环境下螺旋桨桨叶展弦比的桨叶变构型方案，能够有效避免空中大转速下升力不足、水下推进效率低，对提高跨介质航行器工作性能由较强的工程应用意义。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种有效避免空中大转速下升力不足、水下推进效率低、并且能同时满足空水两栖作业要求的新型跨介质航行器的桨叶变构型。
螺旋桨推进器是水上运载工具、飞机、小型旋翼无人机、跨介质无人机常用的推进器，是靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置。水下螺旋桨推进器已有多个系列获得广泛应用，比如B系列螺旋桨、 No19A+Ka导管桨、NACA系列螺旋桨等；但无人机螺旋桨还未形成系列化的广泛应用，特别是在跨介质航行器领域，一套螺旋桨显然无法满足两种介质的作业性能要求。跨介质航行器螺旋桨推进器设计的重要问题是如何在保证基本航行要求的前提下进一步提高螺旋桨在两种介质中的推进效率，尤其是考虑到空气和水两种介质的物理性质差别很大，对桨叶构型要求也有较大差异。另外，跨介质航行器由于其自身大小和工作要求对螺旋桨直径也有一定限制。
本实用新型的技术方案是针对现有跨介质航行器螺旋桨推进器的不足，结合串列螺旋桨的特点，构成一个新型桨叶变构型方案。
普通跨介质航行器螺旋桨推进器由一套螺旋桨和与其连接的潜水电机构成。串列螺旋桨是在同一根轴上安装的2个(或多个)螺旋桨，前后桨有一定的桨距。本实用新型的桨叶变构型方案是在空中螺旋桨构型为类串列桨(桨距较一般串列螺旋桨较小)的基础上，在前、后桨毂上设置棘轮机构以实现介质转换时叶错角变化，从而实现空、水介质间的桨叶变构型。
本实用新型采用的技术手段如下：
一种跨介质航行器的桨叶变构型，包括：
前桨毂，其周向均匀设有多个前桨，在前桨毂下端固连有棘轮；
后桨毂，其上端通过棘轮机构与所述前桨毂下端旋转连接，其设有与棘轮旋转连接的轴和周向设置的且与所述棘轮相配合的棘爪，所述后桨毂周向设有多个与所述前桨相对应的后桨；
后桨毂为主动件，通过驱动棘爪与前桨毂固连的转动副相联；
其中一个所述前桨与其中一个所述后桨构成一组桨叶，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨的桨叶角相同；
所述前桨毂和所述后桨毂通过所述棘轮机构相对转动形成水下形态和空中形态；
所述水下形态时，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨位于所述桨叶变构型的同一侧。
所述空中形态属类串列桨形式。
所述空中形态时，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨的叶错角为360°/n，所述水下形态，相邻两组桨叶的径向几何中心线夹角为720°/n，其中，n为所述前桨和所述后桨的总数。
本实用新型的有益效果是，在单一构型的螺旋桨桨叶只能实现基本的推进功能，空中升力提供和水下推进效率都不理想的条件下，螺旋桨桨叶变构型能够使跨介质航行器的螺旋桨推进器同时适应空中和水下的特性要求，有效提高推进效率。同时，本实用新型结合了串列螺旋桨的特点，当小型跨介质航行器的螺旋桨直径受到限制时，串列螺旋桨比同直径、同盘面比的普通螺旋桨提高推进效率3～6％，螺旋桨直径受到限制越严重时则推进效率提高越明显。设计跨介质无人机及其他两栖交通运输工具推进器时均可以运用本实用新型。
基于上述理由本实用新型可在螺旋桨推进器装置技术等领域广泛推广。
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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型的具体实施方式中空中形态时跨介质航行器的桨叶变构型的主视图。
图2是本实用新型的具体实施方式中空中形态时跨介质航行器的桨叶变构型的俯视图。
图3是本实用新型的具体实施方式中水下形态时跨介质航行器的桨叶变构型的主视图。
图4是本实用新型的具体实施方式中水下形态时跨介质航行器的桨叶变构型的侧视图。
图5是本实用新型的具体实施方式中水下形态时跨介质航行器的桨叶变构型的俯视图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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创造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。
一种跨介质航行器的桨叶变构型，包括：
前桨毂，其周向均匀设有多个前桨，在前桨毂下端固连有棘轮；
后桨毂，其上端通过棘轮机构与所述前桨毂下端旋转连接，其设有与棘轮旋转连接的轴和周向设置的且与所述棘轮相配合的棘爪，所述后桨毂周向设有多个与所述前桨相对应的后桨；
后桨毂为主动件，通过驱动棘爪与前桨毂固连的转动副相联；
其中一个所述前桨与其中一个所述后桨构成一组桨叶，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨的桨叶角相同；
所述前桨毂和所述后桨毂通过所述棘轮机构相对转动形成水下形态和空中形态；
所述水下形态时，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨位于所述桨叶变构型的同一侧。
一种跨介质航行器的桨叶变构型包括两种形式：空中类串列桨结构(空中形态)和水下多叶桨结构(水下形态)。
一、空中类串列桨结构
串列螺旋桨推进器主要应用于普通船舶，可以有效避免空泡的产生，形式如图1、2(本实施例为四叶桨)，在前桨毂1安装两个前桨3，在后桨毂2安装两个后桨4，前桨3和后桨4同向旋转。在本实施例中由于空水介质转化过程中涉及的桨叶变构型，将空中形态时螺旋桨桨叶结构设计为类串列桨结构，在保证一定的桨距比能满足变构型结构形式需求的同时尽量减小前后桨距，使螺旋桨在空中的推进性能基本不受影响。同时为了实现变构型要求，所述前桨3和所述后桨4的桨叶角相同。所述前桨3和所述后桨4的总数为n，则空中形态时，所述前桨3和所述后桨4的叶错角为360°/n。
二、水下多叶桨结构
水下多叶桨结构形式如图3、4、5(通过前桨毂1和后桨毂2的相对旋转形成两叶桨)，在空水介质转换过程中后桨4通过周向单向转动实现叶错角变换，由空中形态的叶错角360°/n变为水下形态相邻两组桨叶的径向几何中心线夹角720°/n，水下桨叶展弦比变为空中的1/2。在前桨毂1下端固连有棘轮，在后桨毂2上端设有与棘轮旋转连接的轴和周向设置的且与所述棘轮相配合的棘爪；后桨毂2为主动件，通过驱动棘爪与前桨毂1固连的转动副相联。在桨叶变构型过程中，当后桨毂2顺时针方向转动时，驱动棘爪在棘轮齿背上滑过，这时棘轮及与其固连的前桨毂1静止不动，后桨4桨叶转过一个叶错角(360° /n)使前桨3的随边与后桨4的导边平行，构成一个大的导叶，形成叶错角(相邻两组桨叶的径向几何中心线夹角)为720°/n的多叶桨结构。变构型过程结束后，后桨毂2逆时针方向转动，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮及与其固连的前桨毂1与后桨毂2同向同速转动。推进器主机(潜水电机)驱动螺旋桨(后桨毂2)转动。
如图1和2所示，一种跨介质航行器的桨叶变构型，包括连接棘轮机构5 的棘轮的前桨毂1和设置在前桨毂1上的前桨3、连接棘轮机构5的棘爪的后桨毂2和设置在后桨毂2上的后桨4。在空中类串列桨结构时，前桨3、后桨4总桨叶数为四，前桨3、后桨4的桨叶数相同，相邻前桨3之间和相邻后桨4之间的桨叶夹角相等，均为180°；叶错角为90°。
如图3-5所示，在水下多叶桨结构中，棘轮与前桨毂1固连，棘爪与后桨毂 2连接，后桨4为主动件。在桨叶变构型过程中，当后桨毂2顺时针方向转动时，驱动棘爪在棘轮齿背上滑过，这时棘轮及与其固连的前桨毂1静止不动，后桨4 转过一个叶错角90°，使前桨3的随边与后桨4的导边平行，形成夹角为180°的多叶桨结构，如图5所示。变构型过程结束后，后桨毂2逆时针方向转动，驱动棘爪便插入棘轮的齿槽中，使棘轮及与其固连的前桨毂1与后桨毂2同向同速转动。推进器主机(潜水电机)驱动螺旋桨(后桨毂2)转动。
如图1、图5所示，前桨3与后桨4的旋转平面平行且在空中和水下两种工作状态下旋转方向相同，旋转角速度相同。
本实用新型提供的一种针对跨介质航行器提出的桨叶变构型，通过介质转换前后的桨叶位置变化，改变了同一套螺旋桨在空中和水下的桨叶展弦比。空中的大展弦比桨叶和水下的小展弦比桨叶构型，实现了用一套螺旋桨同时适应两种介质的工作需求，即空中保证空气流量为航行器提供升力、水下具有较高的敞水性能(可以用推力系数KT、扭矩系数KQ表示)，提高了跨介质航行器在不同作业环境下的适应能力。本实用新型具有较高的适应性，可以广泛应用到各种旋翼跨介质航行器的推进器设计中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种跨介质航行器的桨叶变构型，其特征在于，包括：
前桨毂，其周向均匀设有多个前桨，在前桨毂下端固连有棘轮；
后桨毂，其上端通过棘轮机构与所述前桨毂下端旋转连接，其设有与棘轮旋转连接的轴和周向设置的且与所述棘轮相配合的棘爪，所述后桨毂周向设有多个与所述前桨相对应的后桨；
后桨毂为主动件，通过驱动棘爪与前桨毂固连的转动副相联；
其中一个所述前桨与其中一个所述后桨构成一组桨叶，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨的桨叶角相同；
所述前桨毂和所述后桨毂通过所述棘轮机构相对转动形成水下形态和空中形态；
所述水下形态时，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨位于所述桨叶变构型的同一侧。
2.根据权利要求1所述的桨叶变构型，其特征在于，各前桨与各后桨之间的轴向间距相等且为桨距比L/D，其中，L为所述前桨和所述后桨0.7倍半径处轴向距离，D为所述桨叶变构型的螺旋桨直径。
3.根据权利要求1所述的桨叶变构型，其特征在于，所述空中形态时，每组桨叶中的所述前桨和所述后桨的叶错角为360°/n，所述水下形态，相邻两组桨叶的径向几何中心线夹角为720°/n，其中，n为所述前桨和所述后桨的总数。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110481759A (zh) * | 2019-09-18 | 2019-11-22 | 大连理工大学 | 一种跨介质航行器的桨叶变构型 |
| CN115339622B (zh) * | 2022-08-31 | 2023-07-11 | 南京航空航天大学 | 两栖航行器构型及航行器控制方法 |
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2019
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| CN110481759B (zh) * | 2019-09-18 | 2024-07-09 | 大连理工大学 | 一种跨介质航行器的桨叶变构型 |
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