CN214002037U - 一种双层自转旋翼升力装置 - Google Patents

Abstract

一种双层自转旋翼升力装置，涉及航空技术领域，尤其涉及一种旋翼升力装置，包括上层旋翼、下层旋翼和导杆；多个翼片均匀地安装在转盘的周围；所有上层翼片的前缘朝向同一个方向；下层转盘通过转动轴承安装在滑块上，滑块安装在导杆上，滑块能沿导杆灵活上下滑动；所有下层翼片的前缘朝向同一个方向；翼片安装角在－1°至4°之间；上层旋翼与下层旋翼在动力的驱动下作往复直线运动，导致翼片旋转而产生升力。本发明结构简单合理，上下翼片的旋转方向相反，安装在飞行器上，飞行器能垂直起降，还能在空中悬停。本发明揭示了大型鸟类的一部分飞行原理，翅膀上扑时主要产生推力，使鸟前飞，翅膀下扑时主要产生升力，同时也会产生一部分的推力。

Description

一种双层自转旋翼升力装置

技术领域

一种双层自转旋翼升力装置涉及航空技术领域，尤其涉及一种旋翼升力装置。

背景技术

低空飞行器的升力装置是一种基于空气动力学的装置，一般分为固定翼、扑翼和旋翼，飞机即固定翼飞行器由推进器提供动力以获得较大的前行速度而在固定翼的上下表面产生空气动力压力差，该压力差使飞机起飞。飞机的速度较快，但飞机起降需要跑道，且飞机不能悬停，而且安全系数一般。旋翼飞行器有直升机，旋翼在发动机的直接驱动下高速旋转而产生升力起飞，特点在于起飞时无需跑道，且可以在空中悬停；但结构复杂、操作难度大，发动机直驱旋翼会产生扭力需要多余的结构和能量进行平衡，安全系数不高。旋翼飞行器有自转旋翼机，自转旋翼机是结合了固定翼和旋翼两种方式的飞行器，其主要结构包括了旋翼、轮式起落架和推进器，推进器驱动自转旋翼机在跑道上滑行，滑行过程中空气与旋翼叶片相互作用，空气可以推动旋翼叶片旋转，而旋翼叶片高速旋转则相对滑行方向产生作用力，当旋翼叶片的转速足够高时，该作用力使自转旋翼机升空从而实现飞行，其优点是结构简单、操作方便、安全系数较高；但起飞一般需要跑道，且不能在空中悬停。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、操作方方便、安全性能高的双层自转旋翼升力装置，装有本发明升力装置的飞行器无需跑道就能飞降且能在空中悬停。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种双层自转旋翼升力装置，包括上层旋翼、下层旋翼和导杆；

导杆竖向布置；

上层旋翼包括多个上层翼片和上层转盘，上层转盘通过转动轴承安装在导杆的上端，多个上层翼片均匀地安装在上层转盘的周围，上层翼片的展向沿上层转盘的径向布置；所有上层翼片的前缘朝向同一个方向；上层翼片的翼型为上表面凸出的翼型；上层翼片能和上层转盘一起围绕导杆灵活转动，上层转盘的转动面处于水平位置；上层翼片的弦向与上层转盘的转动平面的夹角定义为上层翼片的安装角，上层翼片的前缘高于上层翼片的后缘时该安装角为正，上层翼片的前缘低于上层翼片的后缘时该安装角为负，该安装角在－1°至4°之间；

下层旋翼包括多个下层翼片、下层转盘和滑块，下层转盘通过转动轴承安装在滑块上，滑块安装在导杆上，滑块能沿导杆灵活上下滑动，多个下层翼片均匀地安装在下层转盘的周围，下层翼片的展向沿下层转盘的径向布置；所有下层翼片的前缘朝向同一个方向；下层翼片的翼型为上表面凸出的翼型；下层翼片能和下层转盘一起围绕导杆灵活转动，下层转盘的转动面处于水平位置；下层翼片的弦向与下层转盘的转动平面的夹角定义为下层翼片的安装角，下层翼片的前缘高于下层翼片的后缘时该安装角为正，下层翼片的前缘低于下层翼片的后缘时该安装角为负，该安装角在－1°至4°之间；

上层旋翼和下层旋翼均水平布置；

上层翼片的前缘与下层翼片的前缘朝向相反的方向；

上层翼片的前缘和下层翼片的前缘均浑圆，上层翼片的后缘和下层翼片的后缘均尖锐；

上层翼片和下层翼片均为刚性的；上层翼片翼型的最大厚度处离后缘的距离大于离前缘的距离；

动力驱动上层旋翼和下层旋翼沿导杆方向作上下直线张合运动，在空气动力的作用下上层旋翼和下层旋翼均会转动，上层旋翼和下层旋翼的转动的方向相反。

所有的翼片的安装角应满足条件：以过翼片后缘的水平面为基准面，翼片的翼型分布于基准面上方的面积大于分布于基准面下方的面积；

滑块由直线轴承代替。

优选的，所有翼片的形状和结构均相同。

优选的，所有的上层翼片的结构相同。所有的下层翼片的结构相同。

优选的，所有翼片的翼型的最大厚度靠近翼前缘而远离翼后缘，翼型的最大厚度在弦长的25％至35％之间。

优选的，本发明双层自转旋翼升力装置还包括：杆套、摆杆和驱动装置；

驱动装置固定安装在导杆上，驱动装置通过曲柄连杆机构连接下层旋翼，连接点位于滑块上；

杆套活套在导杆的下段，导杆能沿杆套灵活往复直线运动；

摆杆的中点活动铰联于杆套上，摆杆能围绕摆杆的中点灵活来回摆动；摆杆的一端通过连杆与下层旋翼上的滑块铰联；摆杆的另一端通过连杆与导杆的下端铰联；连接滑块和连接导杆的下端的两根连杆长度相等；

驱动装置通过曲柄连杆机构驱动下层旋翼作上下往复直线运动，在摆杆和其两端的连杆的作用下，导杆沿着杆套作上下往复直线运动，从而由导杆带动上层旋翼也作上下往复直线运动；这样一来，上层旋翼与下层旋翼作对称的张合往复直线运动；相对杆套来说，假设杆套静止不动，若上层旋翼下行，则下层旋翼上行；若上层旋翼上行，则下层旋翼下行，而且上层旋翼和下层旋翼的即时速度的大小相等。

杆套内安装有直线轴承，导杆从该直线轴承中通过。

飞行器机身上方与杆套连接。

优选的，在上层旋翼和下层旋翼之间设置弹簧，弹簧的上端固定连接在导杆靠近上层转盘处，弹簧的下端固定连接在滑块的上端；驱动装置安装在导杆上，通过曲柄连杆机构与滑块相连；导杆下端安装在飞行器的机身上方；有弹簧的存在，下层旋翼不会掉下去。动力驱动滑块作上下往复直线运动时，上层旋翼也会作往复直线运动；

带曲柄连杆机构的驱动装置由直线电机代替，直线电机的定子安装在导杆上，直线电机的起子与滑块相连。由直线电机驱动上层旋翼和下层旋翼作往复直线运动。

优选的，所有翼片的翼型采用非对称型翼型，如NACA2412翼型；所有翼片的安装角均为2度。

优选的，所有翼片的翼型采用上凸下平或上凸下凹翼型，如AH79－100C、NACA4415或FX63－137翼型翼型；所有翼片的安装角均为0度。

优选的，为了使本发明双层自转旋翼升力装置快速起动，上层旋翼和下层旋翼上都安装预旋装置，预旋装置的结构同传统的自转旋翼机的电机启动预旋装置。

优选的，所有翼片都安装了攻角调节器，利用舵机遥控调节，或者安装自动攻角调节器。自动攻角调节器的结构是：在翼片根部与转盘连接处安装连接套，连接套的一端固定安装在转盘上，连接套内安装调角弹簧，连接套的套壳上开有螺旋槽，翼片根部为带有台阶的圆柱形结构，翼片根部的一端套在连接套内，靠调角弹簧顶住翼片根部使翼片靠近转盘的中心，在螺旋槽的相应位置翼片根部上设置有定位销，随着旋翼转速的加快，在离心力的作用下，克服调角弹簧的弹力翼片向外发生位移，在连接套的螺旋槽和翼片根部的定位销的限制下，翼片绕展向转动一个角度，使翼片的攻角变大；如果旋翼转速由快变慢的话，离心力减小，在弹簧的推动下，翼片向内发生位移，在连接套的螺旋槽和翼片根部的定位销的限制下，翼片绕展向反向转动一个角度，使翼片的攻角变小；

翼片的攻角随旋翼转速的提高而增大，这样相当于在旋翼停转或低速转动时安装角很小，有利于起动。而且，在空中飞行失去动力后自由下落时，随着转速的提高攻角增大则升力也会增大，使落到地面时的下降速度会大大减小，提高了安全性。

本发明有益效果为：本发明结构简单合理，双层结构，上下翼片的旋转方向相反，当飞行器前飞时，前行翼片和后行翼片左右交替进行，无需像传统的自转旋翼机那样安装挥舞装置来调节左右侧升力的不平衡，也能保持左右升力基本平衡，便于稳定飞行。本发明揭示了大型鸟类的一部分飞行原理，翅膀上扑时主要产生推力，使鸟前飞，翅膀下扑时主要产生升力，同时也会产生一部分的推力。本发明安全，结构简单，安装在飞行器上，飞行器无需尾桨来平衡扭矩，且能垂直起降，还能在空中悬停。

附图说明

图1是本发明的方案综合结构示意图；

图2是本发明的自动攻角调节器的结构示意图；

图3是本发明装置中翼片上行时气流分析示意图；

图4是本发明装置中翼片下行时的空气动力受力分析示意图；

图5是本发明装置正常运行时升力曲线示意图

图6是本发明装置中翼片的翼型相对基准面的面积分布示意图。

图中：

1、上层旋翼，11、上层翼片，111、翼片根部，112、翼片的前缘，113、翼片的后缘；12、上层转盘；2、下层旋翼，21、下层翼片，22、下层转盘，23，滑块；3、导杆；4、驱动装置，41、曲柄连杆机构；5、杆套；6、摆杆，7、连杆，8、弹簧；9、机身；

101、连接套，102、调角弹簧，103、螺旋槽，114、定位销；

A、翼片的上行方向示意，B、翼片上行时气流的流线示意；

C、翼片的安装角，D、翼片的瞬时攻角；

E、基准面，F、翼型在基准面上部的面积，G、翼型在基准面下部的面积；

U1、翼片前向速度，U2、翼片下行速度，U3翼片前向与下行的合速度，L、翼片的相对升力，Z、翼片的相对阻力，f、翼片的升力，f1、上层旋翼的升力曲线，f2、下层旋翼的升力曲线，f3、上层旋翼与上层旋翼的合升力曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作具体说明。

一种双层自转旋翼升力装置，包括上层旋翼1、下层旋翼2和导杆3；

导杆3竖向布置；

上层旋翼1包括多个上层翼片11和上层转盘12，上层转盘12通过转动轴承安装在导杆3的上端，多个上层翼片11均匀地安装在上层转盘12的周围，上层翼片11的展向沿上层转盘12的径向布置；所有上层翼片11的前缘朝向同一个方向；上层翼片11的翼型为上表面凸出的翼型；上层翼片11能和上层转盘12一起围绕导杆3灵活转动，上层转盘12的转动面处于水平位置；上层翼片11的弦向与上层转盘12的转动平面的夹角定义为上层翼片11的安装角，上层翼片11的前缘高于上层翼片11的后缘时该安装角为正，上层翼片11的前缘低于上层翼片11的后缘时该安装角为负，该安装角在－1°至4°之间；

下层旋翼2包括多个下层翼片21、下层转盘22和滑块23，下层转盘22通过转动轴承安装在滑块23上，滑块23安装在导杆3上，滑块23能沿导杆3灵活上下滑动，多个下层翼片21均匀地安装在下层转盘22的周围，下层翼片21的展向沿下层转盘22的径向布置；所有下层翼片21的前缘112朝向同一个方向；下层翼片21的翼型为上表面凸出的翼型；下层翼片21能和下层转盘22一起围绕导杆3灵活转动，下层转盘22的转动面处于水平位置；下层翼片21的弦向与下层转盘22的转动平面的夹角定义为下层翼片21的安装角，下层翼片21的前缘高于下层翼片21的后缘时该安装角为正，下层翼片21的前缘低于下层翼片21的后缘时该安装角为负，该安装角在－1°至4°之间；

上层旋翼1和下层旋翼2均水平布置；

上层翼片11的前缘与下层翼片21的前缘朝向相反的方向；

上层翼片11的前缘和下层翼片21的前缘均浑圆，上层翼片11的后缘和下层翼片21的后缘均尖锐；

上层翼片11和下层翼片21均为刚性的；上层翼片11翼型的最大厚度处离后缘的距离大于离前缘的距离；

动力驱动上层旋翼1和下层旋翼2沿导杆3方向作上下直线张合运动，在空气动力的作用下上层旋翼1和下层旋翼2均会转动，上层旋翼1和下层旋翼2的转动的方向相反；

所有的上层翼片11的结构相同；所有的下层翼片21的结构相同；

所有的翼片的安装角C应满足条件：以过翼片后缘的水平面为基准面E，翼片的翼型分布于基准面E上方的面积大于分布于基准面E下方的面积；所有翼片的翼型的最大厚度靠近翼前缘而远离翼后缘，翼型的最大厚度在弦长的25％至35％之间；

滑块23由直线轴承代替。

优选的，所有翼片的形状和结构均相同。

优选的，本发明双层自转旋翼升力装置还包括：杆套5、摆杆6和驱动装置4；

驱动装置4固定安装在导杆3上，驱动装置4通过曲柄连杆机构连接下层旋翼2，连接点位于滑块23上；

杆套5活套在导杆3的下段，导杆3能沿杆套5灵活往复直线运动；

摆杆6的中点活动铰联于杆套5上，摆杆6能围绕摆杆6的中点灵活来回摆动；摆杆6的一端通过连杆7与下层旋翼2上的滑块23铰联；摆杆6的另一端通过连杆7与导杆3的下端铰联；连接滑块23和连接导杆3的下端的两根连杆7长度相等；

驱动装置4通过曲柄连杆机构驱动下层旋翼2作上下往复直线运动，在摆杆6和其两端的连杆7的作用下，导杆3沿着杆套5作上下往复直线运动，从而由导杆3带动上层旋翼1也作上下往复直线运动；这样一来，上层旋翼1与下层旋翼2作对称的张合往复直线运动；相对杆套5来说，假设杆套5静止不动，若上层旋翼1下行，则下层旋翼2上行；若上层旋翼1上行，则下层旋翼2下行，而且上层旋翼1和下层旋翼2的即时速度的大小相等；

杆套5内安装有直线轴承，导杆3从该直线轴承中通过；

飞行器机身9上方与杆套5连接。

优选的，在上层旋翼1和下层旋翼2之间设置弹簧8，弹簧8的上端固定连接在导杆3靠近上层转盘12处，弹簧8的下端固定连接在滑块23的上端；驱动装置4安装在导杆3上，通过曲柄连杆机构41与滑块23相连；导杆3下端安装在飞行器的机身9上方；有弹簧8的存在，下层旋翼2不会掉下去。动力驱动滑块23作上下往复直线运动时，上层旋翼1也会作往复直线运动；

带曲柄连杆机构41的驱动装置4由直线电机代替，直线电机的定子安装在导杆3上，直线电机的起子与滑块23相连。由直线电机驱动上层旋翼1和下层旋翼2作往复直线运动。

优选的，所有翼片的翼型采用非对称型翼型，如NACA2412翼型；所有翼片的安装角C均为2度。

优选的，所有翼片的翼型采用上凸下平或上凸下凹翼型，如NACA4415或FX63－137翼型；所有翼片的安装角C均为0度。

优选的，为了使本发明双层自转旋翼升力装置快速起动，上层旋翼1和下层旋翼2上都安装预旋装置，预旋装置的结构同传统的自转旋翼机的电机启动预旋装置。

优选的，所有翼片都安装了攻角调节器，利用舵机遥控调节，或者安装自动攻角调节器。自动攻角调节器的结构是：在翼片根部111与转盘连接处安装连接套101，连接套101的一端固定安装在转盘上，连接套101内安装调角弹簧102，连接套101的套壳上开有螺旋槽103，翼片根部111为带有台阶的圆柱形结构，翼片根部111的一端套在连接套101内，靠调角弹簧102顶住翼片根部111使翼片靠近转盘的中心，在螺旋槽103的相应位置翼片根部111上设置有定位销114，随着旋翼转速的加快，在离心力的作用下，克服调角弹簧102的弹力翼片向外发生位移，在连接套101的螺旋槽103和翼片根部111的定位销114的限制下，翼片绕展向转动一个角度，使翼片的攻角变大；如果旋翼转速由快变慢的话，离心力减小，在弹簧的推动下，翼片向内发生位移，在连接套101的螺旋槽103和翼片根部111的定位销114的限制下，翼片绕展向反向转动一个角度，使翼片的攻角变小；

翼片的攻角随旋翼转速的提高而增大，这样相当于在旋翼停转或低速转动时安装角很小，有利于起动。而且，在空中飞行失去动力后自由下落时，随着转速的提高攻角增大则升力也会增大，使落到地面时的下降速度会大大减小，提高了安全性。

本发明升力装置的基本原理是：上层旋翼与下层旋翼的工作原理相同。上层旋翼在动力的驱动下作上下的往复直线运动，上层翼片上行时，将空气挤压成两股，小股向翼片的前缘方向流动，大股向翼片的后缘方向流动，这样就在翼片的前后缘产生了压力差，由于大量的空气流向后方，根据牛顿第三定律得知，翼片会受一个向前的推力。所以翼片向前缘方向转动。翼片下行时，如果翼片存在初速度时，且翼片的安装角不大时，翼片的升力方向会稍向前偏离，也会在前方产生一个分力使得翼片向前缘方向运动；随着速度的不断加快，转动的效果会越来越明显。

一层旋翼产生的升力类似正弦函数的曲线，向下运行的速度越快产生的升力越大，向上的速度越快则旋转速度也会越快，接下来下行时就能产生更大的升力。两层旋翼作张合运动，两层旋翼产生的升力会互补，尤其是两层旋翼作完全对称的张合运动时，两者产生的合力会比较平稳。

本发明有益效果为：本发明结构简单合理，双层结构，上下翼片的旋转方向相反，当飞行器前飞时，前行翼片和后行翼片左右交替进行，无需像传统的自转旋翼机那样安装挥舞装置来调节左右侧升力的不平衡，也能保持左右升力基本平衡，便于稳定飞行。本发明揭示了大型鸟类的一部分飞行原理，翅膀上扑时主要产生推力，使鸟前飞，翅膀下扑时主要产生升力，同时也会产生一部分的推力。本发明安全，结构简单，安装在飞行器上，飞行器无需尾桨来平衡扭矩，且能垂直起降，还能在空中悬停。

Claims (10)

1.一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：包括上层旋翼（1）、下层旋翼（2）和导杆（3）；

导杆（3）竖向布置；

上层旋翼（1）包括多个上层翼片（11）和上层转盘（12），上层转盘（12）通过转动轴承安装在导杆（3）的上端，多个上层翼片（11）均匀地安装在上层转盘（12）的周围；所有上层翼片（11）的前缘朝向同一个方向；上层翼片（11）的翼型为上表面凸出的翼型；上层翼片（11）能和上层转盘（12）一起围绕导杆（3）灵活转动，上层转盘（12）的转动面处于水平位置；上层翼片（11）的安装角在－1°至4°之间；

下层旋翼（2）包括多个下层翼片（21）、下层转盘（22）和滑块（23），下层转盘（22）通过转动轴承安装在滑块（23）上，滑块（23）安装在导杆（3）上，滑块（23）能沿导杆（3）灵活上下滑动，多个下层翼片（21）均匀地安装在下层转盘（22）的周围；所有下层翼片（21）的前缘（112）朝向同一个方向；下层翼片（21）的翼型为上表面凸出的翼型；下层翼片（21）能和下层转盘（22）一起围绕导杆（3）灵活转动，下层转盘（22）的转动面处于水平位置；下层翼片（21）的安装角在－1°至4°之间；

上层翼片（11）的前缘与下层翼片（21）的前缘朝向相反的方向；

上层翼片（11）的前缘和下层翼片（21）的前缘均浑圆，上层翼片（11）的后缘和下层翼片（21）的后缘均尖锐；

上层翼片（11）和下层翼片（21）均为刚性的；上层翼片（11）翼型的最大厚度处离后缘的距离大于离前缘的距离；

动力驱动上层旋翼（1）和下层旋翼（2）沿导杆（3）方向作上下直线张合运动，在空气动力的作用下上层旋翼（1）和下层旋翼（2）均会转动，上层旋翼（1）和下层旋翼（2）的转动的方向相反；

所有的翼片的安装角（C）应满足条件：以过翼片后缘的水平面为基准面（E），翼片的翼型分布于基准面（E）上方的面积大于分布于基准面（E）下方的面积。

2.根据权利要求1所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：还包括：杆套（5）、摆杆（6）和驱动装置（4）；

驱动装置（4）固定安装在导杆（3）上，驱动装置（4）通过曲柄连杆机构连接下层旋翼（2），连接点位于滑块（23）上；

杆套（5）活套在导杆（3）的下段，导杆（3）能沿杆套（5）灵活往复直线运动；

摆杆（6）的中点活动铰联于杆套（5）上，摆杆（6）能围绕摆杆（6）的中点灵活来回摆动；摆杆（6）的一端通过连杆（7）与下层旋翼（2）上的滑块（23）铰联；摆杆（6）的另一端通过连杆（7）与导杆（3）的下端铰联；连接滑块（23）和连接导杆（3）的下端的两根连杆（7）长度相等；

驱动装置（4）通过曲柄连杆机构驱动下层旋翼（2）作上下往复直线运动，在摆杆（6）和其两端的连杆（7）的作用下，导杆（3）沿着杆套（5）作上下往复直线运动，从而由导杆（3）带动上层旋翼（1）也作上下往复直线运动；上层旋翼（1）与下层旋翼（2）作对称的张合往复直线运动。

3.根据权利要求2所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：所有的上层翼片（11）的结构相同；所有的下层翼片（21）的结构相同。

4.根据权利要求3所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：所有翼片的形状和结构均相同。

5.根据权利要求1所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：所有翼片的翼型的最大厚度在弦长的25％至35％之间。

6.根据权利要求1所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：滑块（23）由直线轴承代替。

7.根据权利要求1所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：在上层旋翼（1）和下层旋翼（2）之间设置弹簧（8），弹簧（8）的上端固定连接在导杆（3）靠近上层转盘（12）处，弹簧（8）的下端固定连接在滑块（23）的上端；驱动装置（4）安装在导杆（3）上，通过曲柄连杆机构（41）与滑块（23）相连；导杆（3）下端安装在飞行器的机身（9）上方；

或者，带曲柄连杆机构（41）的驱动装置（4）由直线电机代替，直线电机的定子安装在导杆（3）上，直线电机的起子与滑块（23）相连。

8.根据权利要求1所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：上层旋翼（1）和下层旋翼（2）上都安装预旋装置。

9.根据权利要求1-8任一一项所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：所有翼片都安装了攻角调节器。

10.根据权利要求9所述的一种双层自转旋翼升力装置，其特征在于：所述的攻角调节器为自动攻角调节器；自动攻角调节器的结构是：在翼片根部（111）与转盘连接处安装连接套（101），连接套（101）的一端固定安装在转盘上，连接套（101）内安装调角弹簧（102），连接套（101）的套壳上开有螺旋槽（103），翼片根部（111）为带有台阶的圆柱形结构，翼片根部（111）的一端套在连接套（101）内，靠调角弹簧（102）顶住翼片根部（111）使翼片靠近转盘的中心，在螺旋槽（103）的相应位置翼片根部（111）上设置有定位销（114）。

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