CN111498108A - 一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶 - Google Patents

一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，该桨叶临近翼根处的弦长小、安装角大，从而提高飞行器前飞时的效率，具体来说，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.25R处为止的这段临近翼根处的桨叶上，桨叶的弦长与该桨叶长度的比值在都在0.1195以下，比现有的桨叶的相同桨段的弦长小；从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.3R处为止的这段临近翼根处的桨叶上，桨叶的安装角都在15.67度以上，比现有的桨叶的相同桨段的安装角大，所以该桨叶在前飞时的效率更高。

Description

一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶
技术领域
本发明涉及多旋翼飞行器上的桨叶，具体涉及一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶。
背景技术
随着多旋翼飞行器在越来越多场景下应用，多旋翼飞行器的飞行速度成为制约其应用的主要不足。目前市面上大多数多旋翼飞行器的桨叶均是在悬停状态下进行设计的，即该飞行器的桨叶更适用于悬停，在前飞时的速度较慢，效率较低，不能支持多旋翼飞行器以较高的速度前飞。
由于上述原因，本发明人对现有的多旋翼飞行器桨叶做了深入研究，以期待设计出能够解决上述问题的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，该桨叶临近翼根处的弦长小、安装角大，从而提高飞行器前飞时的效率，具体来说，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.25R处为止的这段临近翼根处的桨叶上，桨叶的弦长与该桨叶长度的比值在都在0.1195以下，比现有的桨叶的相同桨段的弦长小；从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.3R处为止的这段临近翼根处的桨叶上，桨叶的安装角都在15.67度以上，比现有的桨叶的相同桨段的安装角大，所以该桨叶在前飞时的效率更高，从而完成本发明。
具体来说，本发明的目的在于提供以一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，
该桨叶临近翼根处的弦长小、安装角大，从而提高飞行器前飞时的效率。
其中，该桨叶上，距离翼根0.15R至距离翼根0.95R之间的弦长与该桨叶长度的比值都在0.11至0.14之间，所述R表示该桨叶长度。
从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.3R处为止，所述安装角逐渐增加，在距离翼根0.15R处的安装角角度在15.67度以上，在距离翼根0.3R处的安装角角度在17.88度以上。
本发明所具有的有益效果包括：
本发明提供的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶临近翼根处的弦长小、安装角大，能有效提升旋翼类无人机前飞的效率，在悬停状态下其效率相比于现有的其他桨叶也几乎没有损失。
附图说明
图1示出根据本发明实施例中适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶的外形轮廓示意图；
图2示出根据本发明实施例中适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶的剖视处理示意图；
图3示出根据本发明实施例中高效桨叶截面上的受力解析图；
图4示出根据本发明实施例中适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶的弦长的变化轨迹曲线示意图；
图5示出根据本发明实施例中适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶的安装角的变化轨迹曲线示意图；
图6示出本发明实验例中不同工况下桨叶拉力随转速变化曲线；
图7示出对比例中前飞状态下，来流角度为10度时，两个桨叶力效的对比曲线图；
图8示出对比例中前飞状态下，来流角度为20度时，两个桨叶力效的对比曲线图；
图9示出对比例中悬停状态下，两个桨叶力效的对比曲线图；
图10示出图9的局部放大图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本申请中所述的弦长是指旋翼桨叶径向方面的横截面翼型的连接前后缘的直线的长度；其中翼型后尖点称为后缘；翼型上距后缘最远的点称为前缘；
本申请中所述的安装角也称之为扭转角；安装角是每个翼型截面弦线与旋翼桨叶旋转平面的夹角；其中弦线是指连接前后缘的直线。
根据本发明提供的一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，该桨叶临近翼根处的弦长小、安装角大，从而提高飞行器前飞时的效率。
在一个优选实施方式中，该桨叶上，距离翼根0.15R至距离翼根0.95R之间的弦长与该桨叶长度的比值都在0.1至0.15之间，优选地该比值在0.11至0.14之间；更优选地，该比值都在0.133以下；即该段桨叶上的弦长都较小，能够在相同桨叶长度的情况下为飞行器前行提供更大的动力。其中，所述R表示该桨叶长度，也是该桨叶所在螺旋桨的半径长度；所述翼根是桨叶上位于螺旋桨旋转中心上的一端，距离翼根0.15R也可以理解为距离螺旋桨旋转中心0.15R。
优选地，该桨叶上，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.95R处为止，所述弦长先逐渐增加，再逐渐降低，最后再次逐渐增大，
具体来说，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.25R处为止，所述弦长逐渐增加，在距离翼根0.25R处的弦长与该桨叶长度的比值在0.11～0.125之间，优选为0.1194～0.1195之间。
从距离翼根0.25R处起，到距离翼根0.55R处为止，所述弦长逐渐减小，在距离翼根0.55R处的弦长与该桨叶长度的比值在0.11～0.13之间，优选为0.1166～0.1167之间。
从距离翼根0.55R处起，到距离翼根0.95R处为止，所述弦长逐渐增加，在距离翼根0.95R处的弦长与该桨叶长度的比值在0.12～0.14之间，优选为0.1325～0.1326之间。
所述桨叶需要固定安装在可转动的旋杆上，一般桨叶上翼根到距离翼根0.15R这段区域即为安装区域，该区域主要用于将桨叶固定安装在旋杆上，该区域自身基本不能提供升力，在考虑桨叶的气动外形时，也将该区域摒除在外。
在一个优选实施方式中，该桨叶上，距离翼根0.15R至距离翼根0.95R之间的安装角都在0.65～20度之间，优选为7.073～18度之间；即该段桨叶上的安装角都较大，在前飞模态下，桨叶的截面翼型有效攻角处于高效范围内，因此能够产生相同拉力的情况下，消耗的功率更小。
优选地，该桨叶上，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.95R处为止，所述安装角在距离翼根0.3R处附近达到峰值，再逐渐减小，；
具体来说，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.3R处为止，所述安装角逐渐增加，在距离翼根0.15R处的安装角角度在15度以上，优选为15.67度以上；在距离翼根0.3R处的安装角角度在17度以上，优选为17.88度以上。本申请中将安装角的峰值设置在0.3R附近，即能够获得更为靠近翼根的最优安装角，还能够确保该桨叶在0.1～0.3R处是具有足够的结构强度和足够大的过渡曲面。
从距离翼根0.3R处起，到距离翼根0.9R处为止，所述安装角逐渐减小，其中，在距离翼根0.4R处的安装角角度在16度以上，优选为16.96度以上，在距离翼根0.5R处的安装角角度在14度以上，优选为14.98度以上。
所述两个桨叶对称设置，共同安装在一个旋杆上，即可组成螺旋桨，多旋翼飞行器的螺旋桨大部分都只设置两个桨叶，如有必要，也可以在一个螺旋桨上安装三个或者更多个上述桨叶。
优选地，对于5公斤级别的飞行器来说，该高效桨叶的最佳工作条件为：桨叶平面与来流夹角为20～30°，在最佳工作条件下，该高效桨叶能够使得飞行器速度达到40m/s。
本申请提供的桨叶与现有的多旋翼桨叶相比，本申请提供的桨叶临近翼根处的弦长更小，安装角更大，这样在前飞时本申请中桨叶的效率较现有的桨叶的效率高。通过CFD数值仿真和风洞试验，表明在30m/s，20°前飞时，本申请中的桨叶在拉力为1.3kg时力效可达9.4g/w以上，高于目前市面上已有的桨叶。
本申请提供的桨叶可安装在无人物流运输、应急救援和战场侦查等要求具备高速飞行能力的场景下使用的多旋翼无人机上，在飞行速度大于20m/s时，其能够有效提升无人机的飞行速度和前飞时的效率。
在前飞状态下，取某个截面的翼型进行分析，如图3所示，靠近翼根的部分，当来流速度和转速一定时，速度合成角θ不变；当安装角大时，此处的翼型有效攻角相比于小安装角时处于更优的角度，因此大的安装角时效率提高。沿径向进行分析，越靠近翼根，截面翼型的速度合成角越大，根据式一可得截面升阻比越小，因此靠近翼根的桨叶部分效率低，减少这一部分的弦长，这部分区域产生的拉力的比重也相应减少，所以整体桨叶效率有所增加。
Figure BDA0002432090610000061
本申请中，Cl/Cd是截面翼型的升阻，dL是翼型的升力，dD是翼型的阻力，dT是翼型的有效拉力，dd是翼型的有效阻力，vblade是翼型的合速度，vi是诱导速度，vz是来流速度在垂直于桨叶旋转平面方向的分量，vhcos(φp)是来流速度在水平与桨叶旋转平面方向的分量，wr是桨叶旋转时，当前的翼型的切线速度，θ是速度合成角，αsec是翼型有效攻角，Θ是桨叶的安装角。
实施例：
一个桨叶长度为0.21m的螺旋桨桨叶，由碳纤维材料制成，其外形结构如图1中所示，通过计算机软件对该桨叶模型做多个剖视处理，各个剖视轮廓如图2中所示，各个剖面之间的距离为0.0105m，即0.05倍的桨叶长度，该图中给出了22个剖面轮廓，其中最左侧的两个是额外的过渡面。
该桨叶上不同位置处弦长和扭转角分布如下表一中所述：表一
r/R 弦长(m) 安装角(度)
0.05 0.019 0
0.1 0.019 0
0.15 0.0249 15.6716
0.2 0.025062915 17.00543428
0.25 0.025093401 17.71177888
0.3 0.025027186 17.88080904
0.35 0.0249 17.6027
0.4 0.024747571 16.96762699
0.45 0.024605628 16.06576525
0.5 0.024509899 14.98729001
0.55 0.024496113 13.82237652
0.6 0.0246 12.6612
0.65 0.024846243 11.57895494
0.7 0.025215349 10.59091279
0.75 0.025676781 9.697364242
0.8 0.0262 8.8986
0.85 0.026754469 8.194910758
0.9 0.027309651 7.586587213
0.95 0.027835007 7.073920062
1 0.01 6.6572
其中，r表示与翼根之间的距离，R表示桨叶长度。
该桨叶上各个剖面处弦长的变化轨迹曲线，如图4中所示；该桨叶上各个剖面处安装角/扭转角的变化轨迹曲线，如图5中所示。
实验例：
对上述实施例中的长度为0.21m的螺旋桨桨叶作风洞实验，
具体实验条件如下：
通过设置风洞的来流速度调整来流大小，通过调整安装旋翼桨叶的支架进行角度的调整，通过电机的油门值来调整电机旋翼的转速，具体测试工况详见下述表二。
表二 测试工况
来流角度(°) 来流速度(m/s) 油门值(％)
0 5,15,25 20％，40％，60％，80％，100％
-15 15,25 20％，40％，60％，80％，100％
15 15,25 20％，40％，60％，80％，100％
30 20,30 20％，40％，60％，80％，100％
具体来说，测试速度为5，15，20，25和30m/s，测试角度为0°，15°，-15°和30°，电机输入油门为20％,40％,60％,80％,90％,和100％，对应的输出转速约为2000,3500,5000,6300和6500rpm。
得到的实验结果如图6中所示，图6给出了不同工况下桨叶拉力随转速变化曲线。
对比例：
选择现有技术中已有的长度尺寸为0.21m的螺旋桨桨叶作风洞实验，
该桨叶的具体尺寸规格如下表三中所示：表三
r/R 弦长(m) 安装角(度)
0.05 0.019 0
0.1 0.019 0
0.15 0.0253 15.763
0.2 0.03337946 17.16605452
0.25 0.039011592 17.74751916
0.3 0.042537928 17.65172422
0.35 0.0443 17.023
0.4 0.044639339 16.00567679
0.45 0.043897476 14.74408489
0.5 0.042415945 13.38255459
0.55 0.040536275 12.06541619
0.6 0.0386 10.937
0.65 0.036845221 10.10550875
0.7 0.035096324 9.534635003
0.75 0.033074265 9.151943752
0.8 0.0305 8.885
0.85 0.027094485 8.661368748
0.9 0.022578676 8.408614997
0.95 0.016673529 8.054303747
1 0.01 7.526
利用与上述实验例中相同的实验条件的测试工况对该桨叶进行测试，对比该现有技术中桨叶与本申请提供的高效桨叶的力效，所述力效是指消耗单位功耗所产生的拉力。
在前飞状态下，在来流速度为15m/s、来流角度为10°时，力效的对比结果如图7中所示，
在前飞状态下，在来流速度为15m/s、来流角度为20°时，力效的对比结果如图8中所示；
从图7和图8可知，来流速度为15m/s、来流角度为10°，产生1.3kg拉力时，本申请提供的高效桨叶力效比现有桨叶力效高13.7％；来流角度为20°时，本申请提供的高效桨叶力效比现有桨叶力效高10.6％。
悬停状态下，力效的对比结果如图9中所示，图10为图9的局部放大图；
从图9中可知，在悬停状态，产生相同拉力的情况下，本申请提供的高效桨叶的力效略低于现有桨叶力效，差别很小。由图10可以看出，在产生拉力为1.3kg时，申请提供的高效桨叶的力效现有桨叶力效低1％，可以认为力效基本相等。
根据上述实验例和对比例的实验结果可知：在前飞状态下，本申请提供的优化桨叶可有效提高飞行效率，而且在悬停时本申请提供的优化桨叶力效没有明显降低。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
该桨叶临近翼根处的弦长小、安装角大，从而提高飞行器前飞时的效率。
2.根据权利要求1所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
该桨叶上，距离翼根0.15R至距离翼根0.95R之间的弦长与该桨叶长度的比值都在0.1至0.15之间，
其中，所述R表示该桨叶长度。
3.根据权利要求2所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
该桨叶上，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.95R处为止，所述弦长先逐渐增加，再逐渐降低，最后再次逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.25R处为止，所述弦长逐渐增加，在距离翼根0.25R处的弦长与该桨叶长度的比值在0.11～0.125之间。
5.根据权利要求3所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
从距离翼根0.25R处起，到距离翼根0.55R处为止，所述弦长逐渐减小，在距离翼根0.55R处的弦长与该桨叶长度的比值在0.11～0.13之间。
6.根据权利要求3所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
从距离翼根0.55R处起，到距离翼根0.95R处为止，所述弦长逐渐增加，在距离翼根0.95R处的弦长与该桨叶长度的比值在0.12～0.14之间。
7.根据权利要求1所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
该桨叶上，距离翼根0.15R至距离翼根0.95R之间的安装角都在0.65～20度之间。
8.根据权利要求7所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
该桨叶上，从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.95R处为止，所述安装角先逐渐增加，在距离翼根0.3R处附近达到峰值，然后再逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
从距离翼根0.15R处起，到距离翼根0.3R处为止，所述安装角逐渐增加，在距离翼根0.15R处的安装角角度在15度以上，在距离翼根0.3R处的安装角角度在17度以上。
10.根据权利要求8所述的适用于多旋翼高速飞行的高效桨叶，其特征在于，
从距离翼根0.3R处起，到距离翼根0.9R处为止，所述安装角逐渐减小；
优选地，在距离翼根0.4R处的安装角角度在16度以上，
优选地，在距离翼根0.5R处的安装角角度在14度以上。
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