一種適用於平流層低雷諾數、高效三葉螺旋槳的製作方法

2023-05-18 00:24:06

專利名稱：一種適用於平流層低雷諾數、高效三葉螺旋槳的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於航空飛艇使用的螺旋槳，更特別地說，是針對平流層11 32《w、低密度0.36391 0.01323《g/w3、低雷諾數Re405 106、大跨飛行高 度Ow 32尺附、低轉速200~500^w的新型三葉螺旋槳結構。
背景技術：
現有用於飛行器使用的螺旋槳，其葉形是按照片條理論計箅結果給出的，它要求 在槳葉長度丄方向上，其槳葉寬度6、扭角義和安裝角^是非線性連續變化的，這種 槳葉在氣動力學上是合理的。總的來說，由於螺旋槳的扭角;r變化較大，因輕質和結 構強度的要求，使得螺旋槳加工費時費工，而且槳葉的翼型精度和強度難以提髙。
平流層低動態飛行器飛行時，由於大氣密度小，氣壓低，按照常規方法設計的螺 旋槳推力小、效率7 (;;=50% 65%)偏低。同時在升空、回收過程中，氣動參數 (如密度P，壓強屍，溫度/等)的較大變化，也會對螺旋槳的效率;7和推力T帶來 顯著影響。因此，開展適應大跨度飛高飛行和平流層低密度大氣環境的高效螺旋槳研 究，對減少能源需求和飛行負載，促進總體設計的輕型化具有重要意義。

發明內容
本發明的目的是提供一種適用於平流層的低雷諾數、高效三葉螺旋槳，該三葉螺 旋槳是針對平流層// = 11~32《附、低密度p-0.36391 0.01323^/附3、低雷 諾數Re = 105 106、大跨飛行高度/f, =Om ~32《m的飛行環境和螺旋槳效率達 80。/。的設計要求，發明人基於片條理論，採用S1223翼型設計出具有尖頭尖尾大腹 部外形的新型高效三葉螺旋槳結構。該三葉螺旋槳具有高效、輕質、適應性強的優點。
本發明是一種適用於平流層的低雷諾數、高效三葉螺旋槳，由A槳葉、B槳葉、 C槳葉、槳帽、槳穀、連接件和連接柱組成，A槳葉、B槳葉和C槳葉的結構是相 同的；槳轂的前端安裝有槳帽，槳轂的後端安裝有連接件；A槳葉、B槳葉、C槳葉
分別安裝在槳轂與連接件形成的A圓孔、B圓孔、C圓孔內，所述A圓孔由槳轂的 後端面上設有的A半圓槽與連接件的前端面上設有的D半圓槽形成，所述B圓孔由 槳轂的後端面上設有的B半圓槽與連接件的前端面上設有的E半圓槽形成，所述C 圓孔由槳轂的後端面上設有的C半圓槽與連接件的前端面上設有的F半圓槽形成； 連接柱的一端通過卡銷卡合在連接件的圓凸臺的通孔邊緣的凹槽中，連接柱的另 一端 通過聯軸器與電機的輸出軸連接。
本發明三葉螺旋槳直徑為4500 7500mm，效用因子62.3，最大弦長357 595mm,拉力為250 600iV ,效率為80%。
本發明三葉螺旋槳中的A槳葉的相對厚度C/6的曲線 /A) = 38.7917 — 74.8483 x r / i + 40.36 x (r / i )2 。
本發明三葉螺旋槳中的A槳葉的相對寬度6/D的曲線
/々)=附c[—0.1495 +1.25367 x W及—2.42365 x (r /及)2
3 4 ，式中，^表示螺旋槳的槳葉型
+1.86701 x(〃及)3-0.5372x(r/及)4] /c不環'玉
狀係數，化=0.6 1.5。
本發明三葉螺旋槳的優點在於(1)針對平流層大氣環境和效率達80%的設計 要求，基於片條理論、採用S1223翼型設計出尖頭尖尾大腹部外形的槳葉；(2)釆 用碳纖維加工槳葉、輕質合金加工槳轂有效地減輕了三葉螺旋槳的重量，從而減少了 能源需求和飛行負載；(3)三葉螺旋槳拉力為250 600iV，效率為80%; (4)三 葉螺旋槳採用了定矩變速設計方案以適應平流層// = 11 32《m 、低密度/7 = 0.36391 0.01323《g/w3、低雷諾數Re - 105 106、大跨飛行高度//, =Om 32《m的飛行環境。


圖1是本發明螺旋槳的主視結構圖。
圖1A是本發明螺旋槳的後視結構圖。
圖2是槳帽、槳轂、連接件裝配在一起的結構圖。
圖2A是無槳帽時槳轂、連接件裝配在一起的結構圖。
圖2B是槳轂、連接件、連接柱爆炸示圖。
圖2C是槳帽後視圖。
圖3是槳轂背面結構圖。
圖4是連接件的正面結構圖。
圖4A是連接件的背面結構圖。
圖5是槳葉主視結構圖。
圖5A是槳葉後視結構圖。
圖6是A槳葉的相對厚度C/6的曲線。
圖7是A槳葉的相對寬度6/D的曲線。
圖中l.A槳葉101.槳尖102.槳根103.錐形段
104.凸緣105.型面2.B槳葉3.C槳葉
4.槳帽401.內臺面402.B圓孔403.連接段404.內螺紋
405.A圓孔5.槳轂501.A半圓槽502.B半圓槽503.C半圓槽
504.沉頭孔505.後端面6.連接件601.D半圓槽602.E半圓槽
603.F半圓槽604.螺紋孔605.通孔606.凹槽607.前端面
608.圓凸臺7.連接柱701.卡銷8.軸心09.A圓孔
IO.B圓孔 ll.C圓孔
具體實施例方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
本發明是一種適用於平流層的低雷諾數、高效三葉螺旋槳，(參見圖1、圖1A 所示)由A槳葉1、 B槳葉2、 C槳葉3、槳帽4、槳轂5、連接件6和連接柱7組 成，A槳葉l、 B槳葉2和C槳葉3的結構是相同的；(參見圖2所示)槳轂5的前 端安裝有槳帽4 (通過槳轂5的外螺紋與槳帽4的連接段403的內螺紋404實現連 接)，槳轂5的後端安裝有連接件6 (通過螺釘穿過連接件6的螺紋孔604、槳轂5 的沉頭孔504實現將槳載5與連接件6的連接)；(參見圖2A所示)A槳葉1、 B 槳葉2、 C槳葉3分別安裝在槳轂5與連接件6形成的A圓孔9、 B圓孔10、 C圓 孔內11 ，所述A圓孔9由槳轂5的後端面505上設有的A半圓槽501與連接件6 的前端面607上設有的D半圓槽601形成,所述B圓孔10由槳轂5的後端面505 上設有的B半圓槽502與連接件6的前端面607上設有的E半圓槽602形成，所 述C圓孔11由槳轂5的後端面505上設有的C半圓槽503與連接件6的前端面
607上設有的F半圓槽603形成；連接柱7的一端通過卡銷701卡合在連接件6 的圓凸臺608的通孔605邊緣的凹槽606中，連接柱7的另一端通過聯軸器與電 機的輸出軸連接。在本發明中，電機輸出功率為6.5 15.5A:『，其可以提供螺旋槳 轉速w =200 500，。
在本發明中，參見圖2C所示，槳帽4的正面設計成子彈頭形狀，其背部開有A 圓孔405， A圓孔405內設有內臺面401，內臺面401的中心設有B圓孔402 (B 圓孔402用於供連接柱7在電機的帶動下有空間可以使轉動)，槳帽4的連接段403 上設有內螺紋404。
在本發明中，參見圖3所示，槳轂5的外部為圓環，內部為規則的六邊形；槳 轂5的後端面505上均勻分布設有A半圓槽501、 B半圓槽502、 C半圓槽503, 且在A半圓槽501、 B半圓槽502、 C半圓槽503的兩側分別開有兩個沉頭孔504。
在本發明中，參見圖4、圖4A所示，連接件6的外部為圓環，內部為規則的六 邊形，中心設有圓凸臺608，圓凸臺608的中是通孔605 (供連接柱7通過)，通 孔605的邊緣設有凹槽606 (供連接柱7上的卡銷701卡合)；連接件6的前端面 607上均勻分布設有D半圓槽601、 E半圓槽602、 F半圓槽603,且在D半圓槽 601、 E半圓槽602、 F半圓槽603的兩側分別開有兩個螺紋孔604。
在本發明中，參見圖5、圖5A、圖5B、圖5C所示，A槳葉1的一端為槳根 102， A槳葉1的另一端為槳尖101，槳根102與槳尖101之間是基於片條理論設 計出尖頭大腹部尖尾，且螺旋槳扭角為32.8°的非線性幾何外形；螺旋槳扭角角度 是槳根的安裝角與槳尖的安裝角的角度之差；由於槳根102與槳尖101之間的螺旋 槳扭角使得槳葉上出現一型面105;槳根102的外緣是錐形段103,錐形段103的 端面為凸緣104; A槳葉1的截面翼型採用S1223翼型。本發明螺旋槳在裝配時， 是將各個槳葉(A槳葉1、 B槳葉2和C槳葉3)上的錐形段卡合在A圓孔9、 B圓 孔10、 C圓孔內11內，三個槳葉在高速運行時，通過凸緣104實現槳葉不被摔出， 同時解決了傳統對槳葉的固定安裝方法，如釆用螺釘、螺帽的配合，銷孔與銷釘的配 合，以及焊接剛性連接等。
本發明三葉螺旋槳中的A槳葉1的相對厚度CZ&的曲線 yj(0 = 38.7917-74.8483xWi + 40.36x(W及)2， r表示葉素半徑，及表示螺旋槳半徑，
參見圖6所示。本發明三葉螺旋槳中的A槳葉1的相對寬度6/Z)的曲線
/2(r) = wc[—0.1495+ 1.25367 xW及-2.42365 x(〃及)2 丄， 2e 3 4 ，式中，r表示葉素半徑，及表
+ 1.86701x(Wi )3 -0.5372x(r/i )4]
示螺旋槳半徑，^表示螺旋槳的槳葉型狀係數，附￡=0.6 1.5，參見圖7所示。
本發明三葉螺旋槳直徑為4500 7500mm，效用因子62.3,最大弦長357
595臓，拉力為250 600iV,效率為80%。
經地面低速風洞實驗，測得本發明三葉螺旋槳能夠適用於平流層// = 11 32尺附、低密度/ =0.36391~0.01323/^/附3、低雷諾數Re = 105~ 106、大跨飛 行高度A =Ow ~32/:附、飛行速度v = 15 25m/s的飛行環境。
通過對本發明三葉螺旋槳的氣動性能測試，其具有低雷諾數Re-105 106 (常 規Re-106 107，故本發明稱作低雷諾數)。由於槳葉的氣動優化設計，使得本發 明三葉螺旋槳具有高效率80% (常規效率7 =50%~65%)。
權利要求
1、一種適用於平流層低雷諾數、高效三葉螺旋槳，其特徵在於由A槳葉(1)、B槳葉(2)、C槳葉(3)、槳帽(4)、槳轂(5)、連接件(6)和連接柱(7)組成，且A槳葉(1)、B槳葉(2)和C槳葉(3)的結構是相同的；槳轂(5)的前端安裝有槳帽(4)，槳轂(5)的後端安裝有連接件(6)；A槳葉(1)、B槳葉(2)、C槳葉(3)分別安裝在槳轂(5)與連接件(6)形成的A圓孔(9)、B圓孔(10)、C圓孔內(11)，所述A圓孔(9)由槳轂(5)的後端面(505)上設有的A半圓槽(501)與連接件(6)的前端面(607)上設有的D半圓槽(601)形成，所述B圓孔(10)由槳轂(5)的後端面(505)上設有的B半圓槽(502)與連接件(6)的前端面(607)上設有的E半圓槽(602)形成，所述C圓孔(11)由槳轂(5)的後端面(505)上設有的C半圓槽(503)與連接件(6)的前端面(607)上設有的F半圓槽(603)形成；連接柱(7)的一端通過卡銷(701)卡合在連接件(6)的圓凸臺(608)的通孔(605)邊緣的凹槽(606)中，連接柱(7)的另一端通過聯軸器與電機的輸出軸連接；所述槳帽(4)的正面設計成子彈頭形狀，其背部開有A圓孔(405)，A圓孔(405)內設有內臺面(401)，內臺面(401)的中心設有B圓孔(402)，槳帽(4)的連接段(403)上設有內螺紋(404)；所述槳轂(5)的外部為圓環，內部為規則的六邊形；槳轂(5)的後端面(505)上均勻分布設有A半圓槽(501)、B半圓槽(502)、C半圓槽(503)，且在A半圓槽(501)、B半圓槽(502)、C半圓槽(503)的兩側分別開有兩個沉頭孔(504)；所述連接件(6)的外部為圓環，內部為規則的六邊形，中心設有圓凸臺(608)，圓凸臺(608)的中是通孔(605)，通孔(605)的邊緣設有凹槽(606)；連接件(6)的前端面(607)上均勻分布設有D半圓槽(601)、E半圓槽(602)、F半圓槽(603)，且在D半圓槽(601)、E半圓槽(602)、F半圓槽(603)的兩側分別開有兩個螺紋孔(604)；所述A槳葉(1)的一端為槳根(102)，A槳葉(1)的另一端為槳尖(101)，槳根(102)與槳尖(101)之間是基於片條理論設計出尖頭大腹部尖尾，且螺旋槳扭角為32.8°的非線性幾何外形；由於槳根(102)與槳尖101之間的螺旋槳扭角使得槳葉上出現一型面(105)；槳根(102)的外緣是錐形段(103)，錐形段(103)的端面為凸緣(104)。
2、 根據權利要求1所述的三葉螺旋槳，其特徵在於三葉螺旋槳中的A槳葉(1) 的相對厚度C/6的曲線= 38.7917-74.8483x Wi + 40.36x0 /i )2 。
3、 根據權利要求1所述的三葉螺旋槳，其特徵在於三葉螺旋槳中的A槳葉(1)u上屮一 ai,k/2(。-附c[—0.1495 + 1.25367xW及-2.42365x(W及)2 的相對寬度6/D的曲線72、 7a v 式中+1.86701 x (r /及)3 — 0.5372 x (r /及)4 ]W表示螺旋槳的槳葉型狀係數，氣=0.6 1.5。
4、 根據權利要求1所述的三葉螺旋槳，其特徵在於A槳葉(1)的截面翼型 採用S1223翼型。
5、 根據權利要求1所述的三葉螺旋槳，其特徵在於三葉螺旋槳直徑為4500~ 7500/ww,效用因子62.3，最大弦長357 595mm ，升為為250 600iV ,效率 為80%。
6、 根據權利要求1所述的三葉螺旋槳，其特徵在於三葉螺旋槳能夠適用於平 流層// = 11 32《附、密度/ =0.36391~0.01323尺g/m3、雷諾數Re-105 106、大跨飛行高度/^-0w 32《m、飛行速度v-20 50m/;y的飛行環境。
全文摘要
本發明公開了一種適用於平流層低雷諾數、高效三葉螺旋槳，由A槳葉、B槳葉、C槳葉、槳帽、槳轂、連接件和連接柱組成，且A槳葉、B槳葉和C槳葉的結構是相同的；槳轂的前端安裝有槳帽，槳轂的後端安裝有連接件；A槳葉、B槳葉、C槳葉分別安裝在槳轂與連接件形成的A圓孔、B圓孔、C圓孔內，所述A圓孔由槳轂的後端面上設有的A半圓槽與連接件的前端面上設有的D半圓槽形成，所述B圓孔由槳轂的後端面上設有的B半圓槽與連接件的前端面上設有的E半圓槽形成，所述C圓孔由槳轂的後端面上設有的C半圓槽與連接件的前端面上設有的F半圓槽形成；連接柱的一端通過卡銷卡合在連接件的圓凸臺的通孔邊緣的凹槽中，連接柱的另一端通過聯軸器與電機的輸出軸連接。
文檔編號B64C11/00GK101112914SQ20071012147
公開日2008年1月30日 申請日期2007年9月6日 優先權日2007年9月6日
發明者劉振剛, 劉沛清, 屈秋林, 政 張, 蓉 馬 申請人:北京航空航天大學