一種全向矢量推力擺線螺旋槳的製作方法

2023-06-06 06:00:01

專利名稱：一種全向矢量推力擺線螺旋槳的製作方法
技術領域：
本發明屬於推進器領域，具體是一種全向矢量推力擺線螺旋槳。
背景技術：
擺線槳，亦稱直翼推進器，是一種能夠提供瞬間可變全向矢量推力的推進裝置，它 具有效率高、矢量推力變化快等特點。由李仁國申請的中國專利CN85103046A中公開了一種採用凸輪作為控制機構的 擺線槳。該發明的目的是避免使用常規的滑塊連杆機構，設法降低系統複雜程度，提高機械 效率。該專利中的控制機構由一個凸輪盤組成，葉片安裝在葉片盤上。葉片盤帶動葉片繞 著凸輪盤公轉。同時葉片盤上安裝有兩個導輪，導輪在凸輪盤的凸輪內部運動，從而使擺線 槳葉片的攻角可以根據凸輪事先設計好的運動規律變化。該專利中的擺線槳控制機構相對 簡單，但是凸輪的導輪槽曲線是固定的，很難實現瞬間可變的矢量推力。同時凸輪盤結構龐 大、笨重，因此不適合於飛行器。由沙憲旗申請的中國專利CN85103603A中公開了一種安裝有擺線槳的直升飛機。 該專利的意圖是將擺線槳安裝於飛機機身背部，由一臺發動機驅動，同時機身上安裝有兩 臺發動機提供飛機向前飛行的推力。該發明的目的是使擺線槳的軸線同飛機向前飛行的方 向一致，避免直升機旋翼上存在的臨界馬赫數問題，從而極大地提高飛機的飛行速度。該發 明的優點是有可能使垂直起降飛機的速度比現有直升機提高很多，但缺點是擺線槳的支撐 結構非常龐大、複雜，將會為此付出很大的重量和阻力代價。由於擺線槳的扭矩隨時間是變 化的，因此很難實現飛機的穩定飛行，這個方案的實施難度非常高。由 Heinz A. Gerhardt, Redondo Beach, Calif 等人申請的美國專利 5，265，827 中 公開了一種採用擺線槳的飛行器。在該專利中，飛機將依靠至少兩個擺線槳實現飛機的垂 直起降飛行，擺線槳的軸線同飛機左右對稱平面垂直，在飛機尾部安裝有尾槳，尾槳的軸線 位於飛機對稱平面內，同飛機中軸線垂直，當擺線槳的升力矢量差動時，可以控制飛機的偏 航角和橫滾角，而尾槳可以控制飛機的俯仰角。每個擺線槳葉片由兩根支架支撐，葉片攻角 通過電磁或液壓等形式的做動器控制，而做動器則由計算機控制。該專利中描述的擺線槳 需要很長的轉軸，需要複雜的葉片支撐結構和控制機構，因此會帶來重量和阻力的代價。擺 線槳的扭矩隨時間是波動的，因此飛機俯仰角的配平和控制難度較大。由 Thomas G. Stephens,Grand Prairie 等人申請的美國專利 7，370，828B2 講述的 是一種擺線槳旋轉軸線與飛機機身軸線平行的飛行器。該發明中，飛機機身呈環狀，擺線槳 葉片在機身圓環內運動，擺線槳葉片的攻角由直徑與機身圓環直徑相近的偏心園環控制。 為了抵消擺線槳的非定常扭矩，該發明採用兩個旋轉方向相反的擺線槳。該發明取消了擺 線槳葉片撐杆和擺線槳轉軸，同時擺線槳軸線同飛機飛行方向大致相同，因此有可能提高 飛機的飛行速度。但是環狀機身和偏心園環結構尺寸遠大於常規的擺線槳，因此該發明依 然存在結構笨重和阻力大的缺陷。由Mikhail Tsepenyuk申請的美國專利6，007, 021講述的是採用擺線槳的飛行
3器。該發明中，擺線槳由電機驅動，擺線槳軸線同飛機對稱平面平行，擺線槳轉軸可以沿著 垂直於飛機對稱平面的軸線旋轉，於是擺線槳的升力矢量可以前後傾斜，實現飛機前後飛 行。同時，擺線槳葉片安裝在圓環上，葉片攻角由直徑與圓環直徑相近的凸輪環控制。擺線 槳葉片可以安裝在同心，但是半徑不同的圓環上，從而分為好幾層。在擺線槳的外圍安裝有 整流罩，使擺線槳外形更加流線。該發明的結構十分複雜，沒有充分考慮到應用於飛機的擺 線槳需要巨大的槳盤面積，因此難以實現。多層擺線槳葉片之間可能存在氣動幹擾，對擺線 槳氣動效率存在不利影響。韓國漢城大學Yun, C. Y.，Park, I. K.，Hwang, I. S.和 Kim, S. J.於 2005 年發表了 關於擺線槳控制機構的文章，在該文章中，提出了一種採用雙舵機的擺線槳偏心園環定位 機構。該機構採用舵機和皮帶輪直接定位偏心園環，簡單可靠，是比較成功的擺線槳偏心 園環定位機構之一。詳情見 Yun, C. Y.，Park, I. K.，Hwang, I. S. and Kim, S. J. 「 Thrust Control Mechanism of VTOL UAV Cyclocopter with CycloidalBlades System" ,Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol.16, No. 11-12, pp. 937-943, December 2005。總之，目前圍繞擺線槳提出的技術方案僅停留於常規的擺線槳設計思路，技術方 案中闡述的擺線槳需要專門的支架支撐各個葉片，或者需要巨大的葉片支撐圓環和偏心園 環。這些葉片支撐結構並不能產生推力或者升力，卻為擺線槳帶來了很大的結構重量和氣 動阻力；同時擺線槳的扭矩是隨時間變化的非定常扭矩，很難配平。這些因素為擺線槳在垂 直起降飛機上應用帶來了很大的困難。因此常規的擺線槳更適合用於飛艇、艦船或者飛機 姿態控制器，而不適用於垂直起降飛機的主要升力來源。擺線槳的另外一個缺點是只能提供垂直於轉軸平面內的全向矢量推力，不能提供 軸線方向的矢量推力。傳統的螺旋槳雖然具備相對更輕的結構重量和很高的氣動效率，但是螺旋槳的缺 點是推力方向單一，不具備瞬間可變的全向矢量推力。

發明內容
為克服現有技術中存在的或者結構重、氣動阻力大，或者推力方向單一的不足，本 發明提出了一種全向矢量推力擺線螺旋槳。本發明將擺線槳和螺旋槳組合成擺線螺旋槳，使擺線槳和常規螺旋槳的優點加以 結合，使常規螺旋槳氣動效率有所提高的同時具備三維空間內的全向矢量推力。本發明包括螺旋槳、擺線槳和擺線槳偏心圓定位機構，螺旋槳包括螺旋槳葉片、螺 旋槳軸和槳轂，並且螺旋槳葉片的槳尖處後掠45度。擺線槳包括與螺旋槳葉片同數量的擺 線槳葉片、控制拉杆、操縱搖臂和擺線槳葉片球形鉸。擺線槳葉片的弦長一般為螺旋槳葉片 的1. 5 2. 5倍，擺線槳葉片的展弦比為2 3，擺線槳葉片的展向對稱面上，自擺線槳葉片 後緣處向擺線槳葉片的前緣方向開有螺旋槳葉片的過槽。各擺線槳葉片分別在各螺旋槳葉 片的前緣後掠起點處與各螺旋槳葉片鉸接，並且各擺線槳葉片的翼面與螺旋槳葉片的翼面 相互垂直。在槳轂內有一偏心圓環，該偏心圓環套裝在螺旋槳軸上，並且兩者之間能夠產生 相對運動。擺線槳偏心圓定位機構偏心圓環的圓心與螺旋槳軸圓心之間的偏心距為操縱搖 臂長度的0 0. 707倍。各球形鉸球頭的連接杆分別與偏心圓環的圓環端面外緣處的球形絞安裝孔配合連接，並且球形絞球頭的球頭套裝在控制拉杆的拉杆球形鉸內。各控制拉杆 的另一端分別與位於螺旋槳葉片葉尖處的擺線槳葉片連接；操縱搖臂位於擺線槳葉片展向 對稱面內，操縱搖臂一端的擺線槳葉片球形鉸與控制拉杆的一端相連接；操縱搖臂另一端 固接在擺線槳葉片管梁上。所述的擺線槳葉片內有與擺線槳葉片的內部結構固連的管梁；在擺線槳葉片的中 部過槽處，擺線槳葉片管梁與軸承相配合，並且軸承的外環嵌入到擺線槳葉片鉸接點的孔 內。安裝在管梁上的鉸鏈位於擺線槳葉片上的過槽內；過槽寬度與螺旋槳葉片槳尖處 翼型厚度相同；擺線槳葉片通過擺線槳葉片鉸鏈與螺旋槳葉片鉸接；所述的擺線槳葉片鉸鏈包括徑向軸承和連接耳片，並且徑向軸承套裝在擺線槳葉 片管梁上，通過連接耳片與螺旋槳葉片固連。從空氣動力學角度看，擺線螺旋槳具有更高的氣動效率和三維矢量推力。在不需 要矢量推力時，擺線槳葉片的弦線與其繞著轉軸公轉的線速度方向平行，可用作螺旋槳葉 片的槳尖端板，降低螺旋槳葉片的誘導損失，提高氣動效率；在需要垂直於螺旋槳轉軸的平 面內的矢量推力時，擺線槳葉片將在偏心園環的控制下，繞擺線槳葉片鉸接點做周期性俯 仰自轉，提供方向和大小瞬間可變的矢量推力，解決常規螺旋槳推力方向單一的問題；擺線 螺旋槳的螺旋槳部分可以產生沿著螺旋槳轉軸軸線方向的推力，從而具備了三維空間內的 矢量推力。從結構效率的角度看，擺線螺旋槳的結構效率比常規擺線槳更高。本發明採用結 構重用的思想，使螺旋槳葉片作為擺線槳葉片支撐結構的同時，還能產生拉力，避免採用專 門的擺線槳葉片支撐結構。此外，擺線槳葉片只用作槳尖端板和控制面，面積和展弦比都 小，有利於承受因旋轉帶來的離心力，提高結構效率。




附圖1是擺線螺旋槳的結構示意附圖2是偏心園環5同控制拉杆3的裝配關係示意附圖3是偏心園環5同控制拉杆3的裝配關係示意附圖4是擺線槳葉片內部結構示意附圖5是擺線槳葉片主視圖
附圖6是擺線槳葉片側視圖
附圖7是擺線槳葉片A向視圖
附圖8是擺線螺旋槳的螺旋槳部分構造
附圖9是擺線螺旋槳的螺旋槳部分的槳轂剖視圖
附圖10是擺線槳槳尖部分構造示意圖
附圖11是擺線螺旋槳槳尖部分剖視圖
附圖12是擺線螺旋槳的螺旋槳部分側視圖
附圖13是擺線螺旋槳的螺旋槳葉片剖視圖
附圖14是控制拉杆示意圖
附圖15是偏心園環和球鉸裝配體
附圖16是偏心園環側視剖視圖附圖17是偏心園環球鉸安裝示意圖附圖18是偏心園環同偏心園控制機構的連結示意圖附圖19.是偏心園環沒有偏轉的狀態的示意圖附圖20.是偏心園環偏轉後葉片處於90度方位的示意圖附圖21.是偏心園環偏轉後葉片處於左上方的示意圖附圖22.是偏心園環偏轉後葉片在180度方位的示意圖 附圖23是偏心園環偏轉後葉片處 於左下方的示意圖；附圖24是偏心園環偏轉後葉片在270度方位的示意圖； 附圖25.是偏心園環偏轉後葉片在右下方的示意圖附圖26.是偏心園環偏轉後葉片在0度方位的示意圖附圖27.是偏心園環偏轉後葉片在右上方的示意圖附圖28.是實施例2的示意圖附圖29.是實施例2擺線槳葉片的示意圖附圖30.是實施例3的示意圖附圖31.是實施例3擺線槳葉片的示意圖1.擺線槳葉片 2.螺旋槳葉片 3.控制拉杆 4.槳轂 5.偏心園環6.螺旋槳轉軸 7.擺線槳葉片鉸鏈8.擺線槳葉片球形絞 9.擺線槳葉 片翼肋10.管梁11.擺線槳葉片蒙皮2.操縱搖臂 13.控制拉杆杆件14.拉杆球形鉸 15.球形鉸球頭 16.尼龍軸承 17.偏心園環定位機構18.球形鉸安裝孔19.控制拉杆限位槽20.擋圈 21.擋圈固定螺母22.泡 沫夾芯
具體實施例方式實施例一本實施例是一種用於飛行器的擺線螺旋槳，包括螺旋槳和擺線槳。螺旋槳包括螺 旋槳葉片2、螺旋槳轉軸6和槳轂4 ；擺線槳包括擺線槳葉片1、控制拉杆3、操縱搖臂12、球 形鉸8和偏心園環定位機構17。螺旋槳葉片2採用碳纖維複合材料製造的單梁式結構，採用的翼型是相對厚度較 大，升阻特性較好的Clark-Y翼型。螺旋槳葉片2的展弦比為8，弦長為10cm。槳轂4中空， 直徑為32cm。螺旋槳轉軸6的直徑是8cm。螺旋槳葉片2內部安裝有控制拉杆3 (如圖6 剖面A-A所示)。螺旋槳葉片2的前緣在槳尖處後掠45度，擺線槳葉片鉸鏈7位於螺旋槳 葉片2的前緣後掠起點處。螺旋槳轉軸6與發動機功率輸出軸連接。如圖4 圖5所示。擺線槳葉片1採用NACA0012對稱翼型的矩形翼面；在擺線槳 葉片表面覆蓋有碳纖維複合材料蒙皮11 ；擺線槳葉片1的弦長為16cm，弦長為螺旋槳葉片 2的弦長的1. 6倍，翼展為32cm，展弦比為2。在擺線槳葉片1的展向對稱面上，自擺線槳葉 片1後緣處向擺線槳葉片1的前緣方向開有螺旋槳葉片2的過槽，使該處的管梁10及安裝 在管梁10上的鉸鏈位於該過槽內，如圖6剖面A-A所示；該過槽的寬度同螺旋槳葉片2翼型的最大厚度。擺線槳葉片1內有均勻排布8片相互平行的擺線槳葉片翼肋9，並且排在第二至第七的翼肋中部有貫通的管梁孔；圓形的擺線槳葉片管梁10穿過各擺線槳葉片翼肋9 的管梁孔，兩端分別固定在第一片翼肋與第八片翼肋的內表面。操縱搖臂12位於擺線槳葉 片1展向對稱面內，操縱搖臂12 —端的擺線槳葉片球形鉸8與控制拉杆3的一端相連接； 操縱搖臂12另一端固接在擺線槳葉片管梁10上。如圖11所示。擺線槳葉片鉸鏈7由徑向軸承和連接耳片組成。徑向軸承套裝在 擺線槳葉片管梁10上，並通過連接耳片與螺旋槳葉片2固連，使擺線槳葉片1能夠繞擺線 槳葉片管梁10的軸線做相對俯仰運動，如圖10局部視圖D所示。如圖14所示，控制拉杆3為鋁合金杆件，由控制拉杆杆件13和拉杆球形鉸14組 成。控制拉杆杆件13的兩端端面有內螺紋孔。球形鉸鏈14採用尼龍塑料製造，為圓環狀， 並且在球形鉸鏈14的外圓環上有外螺紋的連接杆。球形鉸鏈14上的連接杆與控制拉杆杆 件13兩端的內螺紋孔配合連接。拉杆球形鉸14內孔與擺線槳葉片球形絞8和球形鉸球頭 15的同徑。如圖15所示，偏心園環5用鋁合金製成。偏心園環5的端面內緣處沿圓周均布四 個內螺紋的球形絞安裝孔18。球形鉸球頭15的圓形球頭上有一外螺紋的連接杆，連接杆的 外徑同偏心園環5端面球形絞安裝孔18的內徑。在其中一個球形絞安裝孔18的外緣處有 凸出的控制拉杆限位槽19，用於卡住其中一根控制拉杆杆件13，使偏心園環5隨擺線螺旋
槳一起轉動。如圖18所示，偏心園環定位機構17為薄壁圓筒形，其結構採用韓國漢城大學Yim， C. Y等提出的雙舵機的擺線槳偏心園環定位機構。在偏心園環定位機構17 —端端頭圓周上 有徑向凸出的安裝定位凸緣；在偏心園環定位機構17另一端圓周上有凹臺階面，用於安放 尼龍軸承16，偏心園環5套裝在尼龍軸承16上，能夠相對於偏心園環定位機構自由轉動； 並且在偏心園環定位機構17該端端面上有環形軸承擋圈。偏心園環5的圓心與螺旋槳軸6 圓心之間的偏心距為操縱搖臂12長度的0 0. 707倍。當偏心園環5的偏心距和相位改 變時，擺線槳的推力大小和方向也發生改變，從而實現360度範圍內任意方向的矢量推力。如圖1、圖2、圖3和圖9所示。四片螺旋槳葉片2安裝在槳轂4上。在螺旋槳葉 片2的槳尖處前緣後掠起點處分別鉸接有擺線槳葉片1，並且擺線槳葉片1與螺旋槳葉片2 槳尖處的翼面相互垂直。在槳轂4內有一偏心園環5，在該偏心園環5的圓環端面上均勻分 布有四個球形鉸安裝孔18，球形鉸球頭15的連接杆與球形絞安裝孔18配合連接。球形絞 球頭15同拉杆球形鉸14配合。偏心園環5套在螺旋槳轉軸6上，在偏心園環定位機構17 的控制下，可以相對螺旋槳軸6運動。四個控制拉杆3的一端分別與位於偏心園環5端面 的球形鉸球頭15連接，另一端分別與擺線槳葉片1對稱面上的擺線槳葉片球形絞8連接。在伺服舵機或者飛行員操縱杆的作用下，偏心園環控制機構17將改變位置，從而 使偏心園環5的圓心位置相對於螺旋槳軸6的圓心出現偏移，如圖20所示。偏心園環5的 圓心同螺旋槳軸6的圓心之間的距離叫偏心距，當偏心距為0時，控制拉杆3的長度使得擺 線槳葉片1的弦線與擺線槳葉片1的運動速度方向始終重合，擺線槳葉片1攻角為0，不產 生升力，此時擺線槳葉片1的作用是減小螺旋槳葉片2的誘導損失，提高推進效率，如圖19 所示。當偏心距不為0時，擺線槳葉片1在控制拉杆13的控制下將做周期性俯仰運動，從而產生矢量推力，並控制飛機姿態。假設偏心園環5在伺服舵機或者飛行員的操縱下，偏 移到螺旋槳軸圓心的右下方，且擺線螺旋槳按逆時針方向轉動。如圖20所示，當擺線槳葉 片1運動到90度方位時，在控制拉杆3的拉動下，擺線槳葉片1將抬頭，與線速度方向(圖 中虛線方向)產生正攻角，升力為正上方；如圖21所示，當擺線槳葉片1運動到左上方時， 在控制拉杆3的拉動下，擺線槳葉片1仍然相對其線速度方向有正攻角，升力方向為左上 方；如圖22所示，當擺線槳葉片1運動到180度方位時，擺線槳葉片1的弦線與線速度方向 平行，不產生升力。如圖23所示，當擺線槳葉片1運動到左下方時，擺線槳葉片1在控制拉 杆3的推動下，相對其線速度方向產生正攻角，升力方向為右上方；如圖24所示，當擺線槳 葉片1運動到270度方位時，控制拉杆3推動擺線槳葉片1，使其相對線速度方向產生正攻 角，升力方向為正上方；如圖25所示，當擺線槳葉片1運動到右下方時，控制拉杆3推動擺 線槳葉片1，使其產生正攻角，升力方向為左上方；如圖26所示，當擺線槳葉片1運動到0 度方位時，控制拉杆3使擺線槳葉片1的弦線與其線速度方向平行，擺線槳葉片1不產生升 力；如圖27所示，當擺線槳葉片1運動到右上方時，控制拉杆3拉動擺線槳葉片1，使其抬 頭，升力方向為右上方。通過一個葉片繞圓周一周產生的升力的分析可以看出，擺線槳葉片 1在0度和180度方位時，升力為0，在其他方位時，總是能產生正上方的升力分量。因此當 偏心園環5向下位移時，隨著擺線螺旋槳的轉動，擺線槳葉片1的合力方向將是正上方。由 於偏心園環5的偏心距方向可以在360度的任意方向，因此擺線槳葉片1的合力方向也可 以是360度範圍的任意方向，從而提供360度範圍內任意方向的矢量推力。如果調節偏心 園環5的偏心距，還可以調節合力的大小。擺線槳葉片最大攻角不宜超過45度，偏心園偏心距的最大值為操縱搖臂12長度 的0. 707倍，以避免擺線槳葉片1失速和機構振動、卡滯。實施例二本實施例是一種用於飛行器的擺線螺旋槳，包括螺旋槳和擺線槳。螺旋槳包括螺 旋槳葉片2、螺旋槳轉軸6和槳轂4 ；擺線槳包括擺線槳葉片1、控制拉杆3、操縱搖臂12、球 形鉸8和偏心園環定位機構17。本實施例共有3片螺旋槳葉片和擺線槳葉片。螺旋槳葉片2採用碳纖維複合材料製造的單梁式結構，採用的翼型是螺旋槳常用 的HS1-404翼型。螺旋槳葉片2的展弦比為7，弦長為5cm。槳轂4中空，直徑為16cm。螺 旋槳轉軸6的直徑是4cm。螺旋槳葉片2內部安裝有控制拉杆3 (如圖6剖面A-A所示)。 螺旋槳葉片2的前緣在槳尖處後掠45度，擺線槳葉片鉸鏈7位於螺旋槳葉片2的前緣後掠 起點處。螺旋槳轉軸6與發動機功率輸出軸連接。如圖29所示。擺線槳葉片1採用NACA0016對稱翼型的梯形翼面；在擺線槳葉片 表面覆蓋有碳纖維複合材料蒙皮11 ；擺線槳葉片1的根梢比為1. 25，根弦長為螺旋槳葉片 2的弦長的2倍，翼展為22. 5cm，展弦比為2. 5。在擺線槳葉片1的展向對稱面上，自擺線 槳葉片1後緣處向擺線槳葉片1的前緣方向開有螺旋槳葉片2的過槽，使該處的管梁10及 安裝在管梁10上的鉸鏈位於該過槽內，如圖6剖面A-A所示；該過槽的寬度同螺旋槳葉片 2翼型的最大厚度。擺線槳葉片1內有泡沫夾芯22，葉片根部和梢部布置有擺線槳葉片翼 肋9，圓形的擺線槳葉片管梁10穿過泡沫夾芯22，通過粘合劑與泡沫夾芯22粘結，兩端分 別固定在擺線槳葉片1兩端梢部翼肋9的內表面。操縱搖臂12位於擺線槳葉片1展向對 稱面內，操縱搖臂12 —端的擺線槳葉片球形鉸8與控制拉杆3的一端相連接；操縱搖臂12另一端固接在擺線槳葉片管梁10上。如圖11所示。擺線槳葉片鉸鏈7由徑向軸承和連接耳片組成。徑向軸承套裝在 擺線槳葉片管梁10上，並通過連接耳片與螺旋槳葉片2固連，使擺線槳葉片1能夠繞擺線 槳葉片管梁10的軸線做相對俯仰運動，如圖10局部視圖D所示。如圖14所示，控制拉杆3為鋁合金杆件，由控制拉杆杆件13和拉杆球形鉸14組 成。控制拉杆杆件13的兩端端面有內螺紋孔。球形鉸鏈14採用尼龍塑料製造，為圓環狀， 並且在球形鉸鏈14的外圓環上有外螺紋的連接杆。球形鉸鏈14上的連接 杆與控制拉杆杆 件13兩端的內螺紋孔配合連接。拉杆球形鉸14內孔與擺線槳葉片球形絞8和球形鉸球頭 15的同徑。如圖15所示，偏心園環5用鋁合金製成。偏心園環5的端面內緣處沿圓周均布四 個內螺紋的球形絞安裝孔18。球形鉸球頭15的圓形球頭上有一外螺紋的連接杆，連接杆的 外徑同偏心園環5端面球形絞安裝孔18的內徑。在其中一個球形絞安裝孔18的外緣處有 凸出的控制拉杆限位槽19，用於卡住其中一根控制拉杆杆件13，使偏心園環5隨擺線螺旋
槳一起轉動。如圖18所示，偏心園環定位機構17為薄壁圓筒形，其結構採用韓國漢城大學Yim， C. Y等提出的雙舵機的擺線槳偏心園環定位機構。在偏心園環定位機構17 —端端頭圓周上 有徑向凸出的安裝定位凸緣；在偏心園環定位機構17另一端圓周上有凹臺階面，用於安放 尼龍軸承16，偏心園環5套裝在尼龍軸承16上，能夠相對於偏心園環定位機構自由轉動； 並且在偏心園環定位機構17該端端面上有環形軸承擋圈。偏心園環5的圓心與螺旋槳軸6 圓心之間的偏心距為操縱搖臂12長度的0 0. 707倍。當偏心園環5的偏心距和相位改 變時，擺線槳的推力大小和方向也發生改變，從而實現360度範圍內任意方向的矢量推力。如圖28、圖2、圖3和圖9所示。四片螺旋槳葉片2安裝在槳轂4上。在螺旋槳葉 片2的槳尖處前緣後掠起點處分別鉸接有擺線槳葉片1，並且擺線槳葉片1與螺旋槳葉片2 槳尖處的翼面相互垂直。在槳轂4內有一偏心園環5，在該偏心園環5的圓環端面上均勻分 布有四個球形鉸安裝孔18，球形鉸球頭15的連接杆與球形絞安裝孔18配合連接。球形絞 球頭15同拉杆球形鉸14配合。偏心園環5套在螺旋槳轉軸6上，在偏心園環定位機構17 的控制下，可以相對螺旋槳軸6運動。四個控制拉杆3的一端分別與位於偏心園環5端面 的球形鉸球頭15連接，另一端分別與擺線槳葉片1對稱面上的擺線槳葉片球形絞8連接。 本實施例中偏心園偏心距的最大值為操縱搖臂12長度的0. 5倍。實施例三本實施例是一種用於飛行器的擺線螺旋槳，包括螺旋槳和擺線槳。螺旋槳包括螺 旋槳葉片2、螺旋槳轉軸6和槳轂4 ；擺線槳包括擺線槳葉片1、控制拉杆3、操縱搖臂12、球 形鉸8和偏心園環定位機構17。本實施例共有6片螺旋槳葉片和擺線槳葉片。螺旋槳葉片2採用碳纖維複合材料製造的單梁式結構，採用的翼型是的E197翼 型。螺旋槳葉片2的展弦比為7. 5，弦長為20cm。槳轂4中空，直徑為60cm。螺旋槳轉軸6 的直徑是20cm。螺旋槳葉片2內部安裝有控制拉杆3 (如圖6剖面A-A所示)。螺旋槳葉 片2的前緣在槳尖處後掠45度，擺線槳葉片鉸鏈7位於螺旋槳葉片2的前緣後掠起點處。 螺旋槳轉軸6與發動機功率輸出軸連接。如圖31所示。擺線槳葉片1採用NACA0012對稱翼型的梯形翼面；在擺線槳葉片表面覆蓋有碳纖維複合材料蒙皮11 ；擺線槳葉片1的根梢比為1. 5，根弦長為螺旋槳葉片2 的弦長的2. 4倍，翼展為80cm，展弦比為2. 2。在擺線槳葉片1的展向對稱面上，自擺線槳 葉片1後緣處向擺線槳葉片1的前緣方向開有螺旋槳葉片2的過槽，使該處的管梁10及安 裝在管梁10上的鉸鏈位於該過槽內，如圖6剖面A-A所示；該過槽的寬度同螺旋槳葉片2 翼型的最大厚度。擺線槳葉片1內有蜂窩夾芯22，葉片根部和梢部布置有擺線槳葉片翼肋 9，圓形的擺線槳葉片管梁10穿過蜂窩夾芯23，通過粘合劑與蜂窩夾芯23粘結，兩端分別固 定在擺線槳葉片1兩端梢部翼肋9的內表面。操縱搖臂12位於擺線槳葉片1展向對稱面 內，操縱搖臂12 —端的擺線槳葉片球形鉸8與控制拉杆3的一端相連接；操縱搖臂12另一 端固接在擺線槳葉片管梁10上。如圖11所示。擺線槳葉片鉸鏈7由徑向軸承和連接耳片組成。徑向軸承套裝在 擺線槳葉片管梁10上，並通過連接耳片與螺旋槳葉片2固連，使擺線槳葉片1能夠繞擺線 槳葉片管梁10的軸線做相對俯仰運動，如圖10局部視圖D所示。如圖14所示，控制拉杆3為鋁合金杆件，由控制拉杆杆件13和拉杆球形鉸14組 成。控制拉杆杆件13的兩端端面有內螺紋孔。球形鉸鏈14採用尼龍塑料製造，為圓環狀， 並且在球形鉸鏈14的外圓環上有外螺紋的連接杆。球形鉸鏈14上的連接杆與控制拉杆杆 件13兩端的內螺紋孔配合連接。拉杆球形鉸14內孔與擺線槳葉片球形絞8和球形鉸球頭 15的同徑。如圖15所示，偏心園環5用鋁合金製成。偏心園環5的端面內緣處沿圓周均布四 個內螺紋的球形絞安裝孔18。球形鉸球頭15的圓形球頭上有一外螺紋的連接杆，連接杆的 外徑同偏心園環5端面球形絞安裝孔18的內徑。在其中一個球形絞安裝孔18的外緣處有 凸出的控制拉杆限位槽19，用於卡住其中一根控制拉杆杆件13，使偏心園環5隨擺線螺旋
槳一起轉動。如圖18所示，偏心園環定位機構17為薄壁圓筒形，其結構採用韓國漢城大學Yim， C. Y等提出的雙舵機的擺線槳偏心園環定位機構。在偏心園環定位機構17 —端端頭圓周上 有徑向凸出的安裝定位凸緣；在偏心園環定位機構17另一端圓周上有凹臺階面，用於安放 尼龍軸承16，偏心園環5套裝在尼龍軸承16上，能夠相對於偏心園環定位機構自由轉動； 並且在偏心園環定位機構17該端端面上有環形軸承擋圈。偏心園環5的圓心與螺旋槳軸6 圓心之間的偏心距為操縱搖臂12長度的0 0. 707倍。當偏心園環5的偏心距和相位改 變時，擺線槳的推力大小和方向也發生改變，從而實現360度範圍內任意方向的矢量推力。如圖30、圖2、圖3和圖9所示。四片螺旋槳葉片2安裝在槳轂4上。在螺旋槳葉 片2的槳尖處前緣後掠起點處分別鉸接有擺線槳葉片1，並且擺線槳葉片1與螺旋槳葉片2 槳尖處的翼面相互垂直。在槳轂4內有一偏心園環5，在該偏心園環5的圓環端面上均勻分 布有四個球形鉸安裝孔18，球形鉸球頭15的連接杆與球形絞安裝孔18配合連接。球形絞 球頭15同拉杆球形鉸14配合。偏心園環5套在螺旋槳轉軸6上，在偏心園環定位機構17 的控制下，可以相對螺旋槳軸6運動。四個控制拉杆3的一端分別與位於偏心園環5端面 的球形鉸球頭15連接，另一端分別與擺線槳葉片1對稱面上的擺線槳葉片球形絞8連接。 本實施例中偏心園偏心距的最大值為操縱搖臂12長度的0. 6倍。
權利要求
一種全向矢量推力擺線螺旋槳，包括螺旋槳、擺線槳和擺線槳偏心圓定位機構，螺旋槳包括螺旋槳葉片(2)、螺旋槳軸(6)和槳轂(4)，並且螺旋槳葉片(2)的槳尖處後掠45度；其特徵在於所述的擺線槳包括與螺旋槳葉片(2)同數量的擺線槳葉片(1)、控制拉杆(3)、操縱搖臂(12)和擺線槳葉片球形鉸(8)；擺線槳葉片(1)的弦長一般為螺旋槳葉片(2)的1.5～2.5倍，擺線槳葉片(1)的展弦比為2～3，擺線槳葉片(1)的展向對稱面上，自擺線槳葉片(1)後緣處向擺線槳葉片(1)的前緣方向開有螺旋槳葉片(2)的過槽；各擺線槳葉片(1)分別在各螺旋槳葉片(2)的前緣後掠起點處與各螺旋槳葉片(2)鉸接，並且各擺線槳葉片(1)的翼面與螺旋槳葉片(2)的翼面相互垂直；在槳轂(4)內有一偏心圓環(5)，該偏心圓環(5)套裝在螺旋槳軸(6)上，並且兩者之間能夠產生相對運動；擺線槳偏心圓定位機構偏心圓環(5)的圓心與螺旋槳軸(6)圓心之間的偏心距為操縱搖臂(12)長度的0～0.707倍；各球形鉸球頭(15)的連接杆分別與偏心圓環(5)的圓環端面外緣處的球形絞安裝孔(18)配合連接，並且球形絞球頭(15)的球頭套裝在控制拉杆(3)的拉杆球形鉸(14)內；各控制拉杆(3)的另一端分別與位於螺旋槳葉片(2)葉尖處的擺線槳葉片(1)連接；操縱搖臂(12)位於擺線槳葉片(1)展向對稱面內，操縱搖臂(12)一端的擺線槳葉片球形鉸(8)與控制拉杆(3)的一端相連接；操縱搖臂(12)另一端固接在擺線槳葉片管梁(10)上。
2.如權利要求1所述一種擺線螺旋槳，其特徵在於，所述的擺線槳葉片(1)內有與擺線 槳葉片(1)的內部結構固連的管梁(10)；在擺線槳葉片(1)的中部過槽處，擺線槳葉片管 梁(10)與軸承相配合，並且軸承的外環嵌入到擺線槳葉片鉸接點(7)的孔內。
3.如權利要求2所述一種擺線螺旋槳，其特徵在於，安裝在管梁(10)上的鉸鏈位於擺 線槳葉片(1)上的過槽內；過槽寬度與螺旋槳葉片(2)槳尖處翼型厚度相同；擺線槳葉片 ⑴通過擺線槳葉片鉸鏈(7)與螺旋槳葉片⑵鉸接；
4.如權利要求3所述一種擺線螺旋槳，其特徵在於，所述的擺線槳葉片鉸鏈(7)包括徑 向軸承和連接耳片，並且徑向軸承套裝在擺線槳葉片管梁(10)上，通過連接耳片與螺旋槳 葉片(2)固連。
全文摘要
一種全向矢量推力擺線螺旋槳，包括螺旋槳、擺線槳和擺線槳偏心圓定位機構，擺線槳包括與螺旋槳葉片同數量的擺線槳葉片、控制拉杆、操縱搖臂和擺線槳葉片球形鉸。各擺線槳葉片分別在各螺旋槳葉片的前緣後掠起點處與各螺旋槳葉片鉸接，並且各擺線槳葉片的翼面與螺旋槳葉片的翼面相互垂直。擺線槳偏心圓定位機構的偏心圓環套裝在螺旋槳軸上。各球形鉸球頭的連接杆分別與偏心圓環連接。各控制拉杆分別與擺線槳葉片連接。操縱搖臂位於擺線槳葉片展向對稱面內，操縱搖臂一端的擺線槳葉片球形鉸與控制拉杆的一端相連接。操縱搖臂另一端固接在擺線槳葉片管梁上。本發明使擺線槳和常規螺旋槳的優點結合，在提高常規螺旋槳氣動效率的同時具備三維全向矢量推力。
文檔編號B63H1/10GK101863306SQ20101012684
公開日2010年10月20日 申請日期2010年3月18日 優先權日2010年3月18日
發明者唐繼偉, 宋筆鋒, 李為吉, 王剛, 胡峪 申請人:西北工業大學