CN102774489A - 一种飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞艇推进技术领域，具体涉及一种飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统。该系统包括环形桁架、轴承、若干个桨叶和电机；所述环形桁架为内外两层的同心圆环形框架，其截面为梯形，其内侧为倾斜的边；轴承包括内环、若干个滚动转子和外环，内环与环形桁架的外侧连接固定，与环形桁架的外侧呈同心圆分布；外环的外表面均匀开有若干个圆孔，其中分别垂直连接有桨叶，构成螺旋桨；电机安装在环形桁架上，与轴承的某一滚动转子连接。该系统可通过电机带动螺旋桨轴承滚动转子旋转，并形成轴承外环的旋转，进而使螺旋桨桨叶以飞艇安装截面与纵轴线的交点为圆心、绕安装截面作同心圆运动进行旋转，从而使飞艇更好地定点、可控飞行。
Description
技术领域
本发明属于飞艇推进技术领域，具体涉及一种飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统。
背景技术
飞艇是一种依靠空气静浮力升空的、可操纵机动飞行的浮空器，具有良好的操纵性和机动转移能力，与其他飞行器相比，还具有能够以相对较低的功耗实现慢速飞行、定点悬停的独特优势，具有广泛的应用前景。
为实现定点、可控飞行，要求飞艇具有高效、可靠的推进系统。螺旋桨的布局方式选择对于螺旋桨自身效率的提高和飞艇整体减阻均有着至关重要的作用。现有传统技术中的飞艇螺旋桨，其布置不外乎艇体前端、艇体尾端、艇体侧部、艇舱头部、艇舱尾部、艇舱侧部，以及这些位置的组合。位于艇体前端或艇舱头尾部的螺旋桨会带来艇体阻力的增加；位于艇体或艇舱侧部的螺旋桨对降低飞艇阻力贡献有限；位于艇体尾端的螺旋桨，虽然有利于改善飞艇分离流动，但是却会增加飞艇表面正常附着流动时的压差阻力，此外对于尺寸较大的飞艇，艇体后部相对于螺旋桨形成巨大的钝头体，该方式的应用也具有局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，以增加螺旋桨推进系统的拉力和效率，更好地阻止或延缓飞艇表面的气流分离，使飞艇阻力无论是在分离流状态还是附着流状态都可以减少，从而使飞艇更好地定点、可控飞行。
为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，该系统包括环形桁架、轴承、若干个桨叶和电机；所述环形桁架为内外两层的同心圆环形框架，其截面为梯形，其内侧为倾斜的边；轴承包括内环、若干个滚动转子和外环，内环与环形桁架的外侧连接固定，与环形桁架的外侧呈同心圆分布；外环的外表面均匀开有若干个圆孔，其中分别垂直连接有桨叶，构成螺旋桨；电机安装在环形桁架上，与轴承的某一滚动转子连接。
所述桨叶为叶状，从叶尖到根部依次为桨尖、桨根和桨叶连接轴，桨叶连接轴以过盈配合的方式卡合在轴承的外环的圆孔内。
所述桨叶的宽度从桨根到桨尖逐渐减小，桨叶的厚度从桨根到桨尖逐渐减小。
所述电机通过连轴节与轴承的某一滚动转子连接。
所述轴承的滚动转子的结构形式为轻质空心的圆球或圆柱。
所述桨叶采用螺钉/螺帽、销孔/销钉或焊接方式与轴承进行锁紧。
所述电机为直流电动机，并用太阳能电池为其供电。
所述电机为涡扇发动机、涡桨发动机或带多级涡轮增压器的活塞发动机。
所述环形桁架的材料为碳纤维或玻璃纤维；所述轴承的内环和外环的材料为轴承钢；所述桨叶的材料为钛合金、铝合金或碳纤维。
所述环形桁架以飞艇纵轴为旋转轴线，均匀分布安装在飞艇某一横截面的飞艇外蒙皮上。
本发明所取得的有益效果为：
本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统可通过电机带动螺旋桨轴承滚动转子旋转，并形成轴承外环的旋转，进而使螺旋桨桨叶以飞艇安装截面与纵轴线的交点为圆心、绕安装截面作同心圆运动进行旋转，其具有以下特点：
(1)该系统在保证飞艇螺旋桨推进系统拉力大、效率高的同时，也阻止或延缓了飞艇表面的气流分离，使飞艇表面的摩擦阻力和压差阻力都有所减小；另外因螺旋桨旋转所带来的总压增大，也解决了附着流动时因流速增大而导致的飞艇表面压差阻力增大问题，从而使飞艇更好地定点、可控飞行；
(2)该系统的环形桁架以圆环状结构的方式均匀分布安装在飞艇安装截面表面上，并绕飞艇纵轴旋转一周，环形桁架的内侧安装在飞艇蒙皮表面上，可兼作艇尾的加强结构，同时对整个系统起到很好的支撑和连接安装基准作用；
(3)该系统的轴承位于环形桁架和桨叶之间，其内环与环形桁架外侧连接固定，与环形桁架一起支撑轴承的滚动转子和外环的相对运动；其外环与桨叶配合并带动桨叶一起旋转，滚动转子因轴承内外环之间的相对旋转而沿滚道滚动；轴承能够承担一定的载荷，具有一定的强度和刚度，也具有小的摩擦力矩和一定的支撑精度，可带动桨叶灵活旋转，保证桨叶的旋转精度；滚动转子的结构形式为轻质空心的圆球或圆柱等，内环和外环材料采用硬度和接触疲劳强度高、耐磨性和冲击韧性好的材料，如轴承钢，从而实现整个轴承部件的轻质耐磨。
附图说明
图1为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统安装在飞艇某一横向截面表面上的结构主视图；
图2为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统的局部放大图；
图3为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统的环形桁架侧视图；
图4为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统的环形桁架主视图；
图5为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统的环形桁架横截面局部放大图；
图6为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统的轴承结构图；
图7为本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统的桨叶结构图；
图中：1、环形桁架；2、轴承；3、桨叶；4、电机；5、飞艇外蒙皮；201、内环；202、滚动转子；203、外环；301、桨根；302、桨尖；303、桨叶连接轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，本发明所述飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统包括环形桁架1、轴承2、若干个桨叶3和电机4；环形桁架1以飞艇纵轴为旋转轴线，均匀分布安装在飞艇某一横截面的飞艇外蒙皮5上；如图3、图4和图5所示，环形桁架1为内外两层的同心圆环形框架，其截面为梯形，其内侧为倾斜的边；如图6所示，轴承2包括内环201、若干个滚动转子202和外环203，内环201和外环203的表面均设置有光滑滚道，外环203的外表面均匀开有若干个圆孔，内环201与环形桁架1的外侧连接固定，以飞艇纵轴为旋转轴，与环形桁架1的外侧呈同心圆分布；电机4安装在环形桁架1上，通过连轴节连接轴承2的某一滚动转子202，驱动其旋转，进而带动轴承2的外环203转动，其它滚动转子202因内环201和外环203之间的相对旋转而沿滚道滚动；轴承2的外环203上均匀垂直连接有若干个桨叶3，构成螺旋桨；如图7所示，桨叶3为叶状，从叶尖到根部依次为桨尖302、桨根301和桨叶连接轴303，轴承2的外环203外表面的圆孔与桨叶3根部的桨叶连接轴303连接，桨叶3随轴承2的外环203一起沿圆环轨迹绕飞艇纵轴旋转。
环形桁架1的材料为轻质高强复合材料，如碳纤维、玻璃纤维等，其内侧与飞艇外蒙皮5的连接方式为粘接或系留，环形桁架1为整个系统提供支撑和连接安装基准；轴承2为通用件，其内环201和外环203的材料应采用硬度和接触疲劳强度高、耐磨性和冲击韧性好的材料，如轴承钢，其滚动转子202的结构形式为轻质空心的圆球或圆柱等，从而使得整个轴承2轻质耐磨，轴承2的内环201与环形桁架1一起支撑轴承2的滚动转子202和外环203的相对运动；桨叶3的宽度从桨根301到桨尖302逐渐减小，桨叶3的厚度从桨根301到桨尖302逐渐减小，桨叶3的截面采用低Re数高升力翼型，桨叶3采用轻质高强材料，如钛合金、铝合金、碳纤维等，通过桨叶连接轴303以过盈配合的方式卡合在轴承2的外环203的圆孔内，为避免螺旋桨沿圆环高速旋转运行时不被甩出，采用螺钉/螺帽、销孔/销钉或焊接等方式与轴承2进行锁紧；电机4可以为直流电动机，并选用太阳能电池为其供电，也可采用传统航空燃料的吸气式发动机，如涡扇发动机、涡桨发动机、带多级涡轮增压器的活塞发动机等。
根据螺旋桨片条气动理论，随着螺旋桨桨叶3直径的增大，不仅会增加螺旋桨的拉力，也会提高螺旋桨效率。特别是对于高空低密度大气环境下，为了提供足够的推力，螺旋桨直径越大越好；然而，螺旋桨的最大直径Dpromax又要受到桨尖马赫数Matip的限制。飞艇飞行高度越高，大气声速越小，若螺旋桨桨叶3的直径太大，则在桨尖302处容易发生激波损失，从而导致螺旋桨效率急剧下降，并使螺旋桨发出很大的噪声。此外，大桨径螺旋桨自重大，所带来的制造和装配调试难度也会增加。因此根据桨尖马赫数Matip≤1可推出其最大直径Dpromax，再由最大直径Dpromax定位其在飞艇上的具体安装位置，一般位于飞艇最大半径截面和艇尾之间，这样使得整个螺旋桨推进系统的相对直径变大，从而使得整个螺旋桨推进系统拉力和效率大大增加；
对于高空长时飞艇的应用，为适应驻空环境大气低密度的特点，采用低Re数、等应力原则和高空低雷诺数高升力翼型进行设计，从桨根301到桨尖302的厚度逐渐减小，桨叶3的长度与其安装在飞艇表面位置处的截面半径之比小于等于0.2，桨叶3的数目随环境变化和拉力指标、功率指标和效率指标等任务需求的不同而改变，桨叶3采用轻质高强材料，如钛合金、铝合金、碳纤维等，达到高空轻质高效的设计要求。此外，如果飞艇对于螺旋桨推进系统的拉力设计要求很大，即桨尖马赫数Matip＞1时，可以通过在螺旋桨桨叶3的桨尖302加入桨稍小翼的方式解决由此带来的激波损失问题。
Claims (10)
1.一种飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：该系统包括环形桁架(1)、轴承(2)、若干个桨叶(3)和电机(4)；所述环形桁架(1)为内外两层的同心圆环形框架，其截面为梯形，其内侧为倾斜的边；轴承(2)包括内环(201)、若干个滚动转子(202)和外环(203)，内环(201)与环形桁架(1)的外侧连接固定，与环形桁架(1)的外侧呈同心圆分布；外环(203)的外表面均匀开有若干个圆孔，其中分别垂直连接有桨叶(3)，构成螺旋桨；电机(4)安装在环形桁架(1)上，与轴承(2)的某一滚动转子(202)连接。
2.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述桨叶(3)为叶状，从叶尖到根部依次为桨尖(302)、桨根(301)和桨叶连接轴(303)，桨叶连接轴(303)以过盈配合的方式卡合在轴承(2)的外环(203)的圆孔内。
3.根据权利要求2所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述桨叶(3)的宽度从桨根(301)到桨尖(302)逐渐减小，桨叶(3)的厚度从桨根(301)到桨尖(302)逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述电机(4)通过连轴节与轴承(2)的某一滚动转子(202)连接。
5.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述轴承(2)的滚动转子(202)的结构形式为轻质空心的圆球或圆柱。
6.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述桨叶(3)采用螺钉/螺帽、销孔/销钉或焊接方式与轴承(2)进行锁紧。
7.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述电机(4)为直流电动机，并用太阳能电池为其供电。
8.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述电机(4)为涡扇发动机、涡桨发动机或带多级涡轮增压器的活塞发动机。
9.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述环形桁架(1)的材料为碳纤维或玻璃纤维；所述轴承(2)的内环(201)和外环(203)的材料为轴承钢；所述桨叶(3)的材料为钛合金、铝合金或碳纤维。
10.根据权利要求1所述的飞艇用高效多叶螺旋桨推进系统，其特征在于：所述环形桁架(1)以飞艇纵轴为旋转轴线，均匀分布安装在飞艇某一横截面的飞艇外蒙皮(5)上。
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