一種高效氣動涵道體的製作方法

2023-05-31 16:23:05 1

本發明屬於飛行器設計、產品與系統集成、汽車、通用航空器、交通運輸領域，具體涉及一種高效氣動涵道體。

背景技術：

相對於同樣直徑的孤立風扇，在同樣功率消耗的情況下，由於涵道抑制了風扇槳尖的繞流，從而降低了槳尖損失，並降低了尾流的能量損失，同時由於在涵道的唇口形成低壓區，使得涵道體自身可以提供一部分附加升力，另外由於涵道的保護作用，風扇的氣動噪音明顯降低，並提高了風扇的使用安全性，因而，涵道旋翼作為一種推力或升力裝置，具有很好的應用前景，側重於低空飛行，甚至垂直起降及懸停功能的涵道飛行器和陸空兩用涵道飛行汽車等相繼出現。合理的設計涵道的外形參數使涵道旋翼的氣動效率更高就顯得至關重要，目前，國內外主要通過以下方式進行涵道體的設計。

1、涵道內徑高度比為2/3時涵道能提供的升力最大；

2、增大涵道唇口半徑可以有效提高涵道升力；

3、合理的增大倒錐角可以有效改善涵道內部的繞流環境；

4、減小槳尖與涵道壁的間隙使增升效果明顯；

5、槳盤位置在距離涵道入口約1/3高度時，涵道自身產生的升力最大。

涵道旋翼工作時，在涵道唇口內側的氣流流速明顯高於涵道表面其他位置，因此在唇口內側形成低壓區，該低壓區是涵道附加升力的主要貢獻者,而涵道內側的部分表面不但對涵道的附加升力貢獻不大，反而增加了涵道體的重量，減少了升力系統的有效載荷。而且涵道體與旋翼（或螺旋槳、風扇，以下統稱旋翼）槳葉葉尖間隙對整個涵道旋翼氣動效能影響很大，雖然越小越好，但間隙太小對製作工藝及結構形變精度要求高，作為升力系統並裸露在外（可能會吸入沙石枝葉等雜物）的涵道體，間隙難以做到很小（釐米級降到毫米級）。另外，涵道旋翼體作為升力系統，在前飛時動量阻力及壓差阻力非常大，直接影響裝備涵道旋翼體的飛行器前飛速度及姿態。

技術實現要素：

通常意義上的涵道體是將翼型延涵道體軸線旋轉一周而形成的，相當於環形機翼。通過涵道旋翼的流場分布可以看出，由於涵道的吸流作用，在涵道唇口形成的低壓區是涵道產生附加升力的主要原因，而涵道體的部分內壁只起到約束風扇尾流形狀的作用，對涵道旋翼的升力貢獻不大，為提高涵道體的風扇效率，本發明特提出一種高效氣動涵道體，在保證涵道唇口形狀不變的前提下，在涵道內壁開槽，一方面減輕涵道體本身的重量，增加有效載荷，另一方面增大涵道內部風扇的半徑，從而增大風扇產生的升力，同時有效的抑制槳尖的繞流環境，降低風扇的槳尖損失，提高了風扇的效率。

本發明的高效氣動涵道體，包括：1）在涵道體1內部的內表面上開環形槽2；2）在涵道體上設開口3，開口設有開口開關，控制開口的開和關；

所述開環形槽2是方形、圓形或其它形狀，開槽方式根據槳葉的特性決定，具體為：

（1）如果為剛性槳葉，或者由於涵道旋翼的半徑比較小，槳葉的揮舞不大，採取在涵道內壁開方槽的方式，

（2）如果考慮槳葉的揮舞特性，在考慮涵道倒錐角、擴散角和出口半徑的合理設計的前提下，在涵道體內部開大槽，同時考慮槽的流線性，以防止氣流在開槽處產生旋渦等使槳尖的流場變的複雜。

所述涵道體內部為實心或中空結構，採用強度性能好、質量較輕的複合材料或輕質合金製成。

本發明具有以下優點：

（1）可以減輕涵道體本身的重量，增加有效載荷；

（2）可以增大涵道體內部旋翼的半徑，從而增大旋翼產生的升力；

（3）可以有效的抑制槳尖的擾流環境，降低旋翼的槳尖氣動損失；

（4）設有開關可在涵道體進行開口操作，讓涵道升力系統適應飛行器垂直飛行和前飛時的高效氣動狀態。

工作原理或工作過程

涵道旋翼是指被涵道包圍的旋翼 (或螺旋槳或風扇)相對於同樣直徑的孤立旋翼 (或螺旋槳或風扇)，在同樣功率消耗的情況下，涵道旋翼工作時會產生更大的升力，這主要是涵道抑制了槳尖渦的形成，並降低了尾流能量損失，同時涵道的吸流作用，在涵道唇口內側的氣流流速明顯高於涵道表面其他位置，因此在涵道唇口內側形成低壓區，該低壓區是涵道附加升力的主要貢獻者,從而使涵道旋翼的總升力增加。但是涵道體本身也增加了升力系統重量，因此在設計中需要權衡涵道體重量和附加升力的關係，以增加升力系統的有效載荷。

該涵道體與普通涵道體相比具有以下優點：

（1）可以減輕涵道體本身的重量，增加有效載荷；

（2）可以增大涵道體內部旋翼槳葉的半徑，從而增大旋翼產生的升力；

（3）可以有效的抑制槳尖的繞流環境，降低旋翼槳葉的槳尖氣動損失；

（4）涵道體垂直飛行時無開口，前飛式有開口（通過殼體裝置移動實現），大大降低前飛時涵道體引起的動量阻力和壓差阻力，可適應不同飛行模式。

附圖說明

圖1為環槽涵道體開槽圖；

圖2為階梯槽涵道體開槽圖；

圖3為高效氣動涵道體示意圖；

圖4為涵道體截面剖視圖（開口封閉）；

圖5為涵道體截面剖視圖（開口打開狀態）。

具體實施方式

開口位置位於涵道體上，通過開口罩上下移動，可以實現涵道體開口的開啟與關閉。

開口形狀可以是長方形、圓形、橢圓、弧形或扇形，

大小是：繞涵道體一圈分布，長度不限，但不能全部連成一片（這樣會把涵道體分割成上下2部分了，要留出涵道體上下相連加強筋部分，開口高度不超過1/2涵道體高度。

開口開關通過舵機或機械連杆進行操縱，實現開口罩上下移動，移動距離基本就是開口罩高度距離。

由於涵道的吸流作用，在涵道唇口形成的低壓區是涵道產生附加升力的主要原因，而涵道體的部分內壁只起到約束旋翼尾流形狀的作用，對涵道旋翼的升力貢獻不大，因此在考慮槳葉揮舞運動的情況下，可以對涵道體的內壁開槽，達到減輕涵道體重量、增大風扇半徑及改善槳尖繞流的目的。其中，在滿足加工要求的前提下，槳尖與涵道體內壁的間隙應儘可能小。該涵道結構適用於一切以涵道旋翼作為升力或推力的升力系統，具有廣泛的應用前景。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。