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CN112319778A - 一种连续自动变矩螺旋桨 - Google Patents

一种连续自动变矩螺旋桨 Download PDF

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CN112319778A CN202011212202.4A CN202011212202A CN112319778A CN 112319778 A CN112319778 A CN 112319778A CN 202011212202 A CN202011212202 A CN 202011212202A CN 112319778 A CN112319778 A CN 112319778A
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Abstract

本发明涉及一种连续自动变矩螺旋桨，包括桨叶、变矩螺旋滑槽、套筒、回复弹簧、调节螺栓、轴式滑块和动力输出轴，每片桨叶在离心力载荷下能够跟随变矩螺旋滑槽变形，实现桨叶的变矩；动力输出轴与轴式滑块固定连接，动力输出轴转动时，带动轴式滑块同步转动；轴式滑块包括小径段和大径段，在小径段上连接有调节螺栓，对套筒进行轴向限位，用于调节桨叶的初始桨矩角；大径段上径向方向上设置有凸台。本发明利用了高低空转速的离心力差实现了桨叶桨矩角的自动连续变化，无需作动机构和能源供给，大大简化螺旋桨变桨矩机构组成，提高了可靠性，降低了系统重量。

Description

一种连续自动变矩螺旋桨
技术领域
本发明涉及一种连续自动变矩螺旋桨，属于螺旋桨飞机推进设计技术领域。
背景技术
高空长航时太阳能飞行器的推进系统一般选为太阳能-电-螺旋桨推进方式，受运行环境所限采用定矩螺旋桨，但是定矩螺旋桨在高低空运行很难兼顾性能要求。传统解决方法是采用重量较大的高功率电动机，高功率电机可满足低空推进需求，而在高空巡航时并不要求高功率运行，因此电动机占用了飞行器有限的承载能力，降低了飞行器性能。
为了使螺旋桨在整个工作范围内都具有较高的效率，采用变桨矩是一个可选途径，但是传统变矩机构复杂，重量大，不适用高空长航时太阳能飞行器。但是，如果采用定桨矩螺旋桨，在低空飞行时，因为地面空气密度大，螺旋桨工作时需要较大输入功率，螺旋桨无法正常工作。因此，综合变矩桨和定矩桨的优势，使螺旋桨在一定角度范围的变矩能力，对降低电机重量，提高飞机性能是很有现实意义的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种连续自动变矩螺旋桨，实现临近空间太阳能飞行器螺旋桨的自动变桨矩功能，兼顾高低空工况，最大程度提高了螺旋桨推进系统在高低空性能。
本发明解决技术的方案是：
一种连续自动变矩螺旋桨，包括桨叶、变矩螺旋滑槽、套筒、回复弹簧、调节螺栓、轴式滑块和动力输出轴，每片桨叶在离心力载荷下能够跟随变矩螺旋滑槽变形，实现桨叶的变矩；
动力输出轴与轴式滑块固定连接，动力输出轴转动时，带动轴式滑块同步转动；
轴式滑块包括小径段和大径段，在小径段上连接有调节螺栓，对套筒进行轴向限位，用于调节桨叶的初始桨矩角；大径段上径向方向上设置有凸台；
套筒为中空结构，整体套在轴式滑块上，靠近动力输出轴的一端为厚壁端，回复弹簧套在轴式滑块上，其一端顶在套筒的厚壁端上，另一端顶在轴式滑块的大径段的轴肩上；
套筒的另一端上固定连接有桨叶；
在套筒的中部位置设置有变矩螺旋滑槽，凸台置于变矩螺旋滑槽中。
进一步的，桨叶位于初始桨矩角时，调节螺栓与套筒接触限位。
进一步的，凸台与变矩螺旋滑槽间隙配合，配合间隙为0.2-0.5mm。
进一步的，变矩螺旋滑槽为螺旋曲线。
进一步的，动力输出轴上设置至少个轴式滑块。
进一步的，动力输出轴转动带动轴式滑块同步转动，进而带动套筒及桨叶同步转动。
进一步的，当动力输出轴的转速发生变化，桨叶的离心力发生变化，离心力促使套筒沿着轴式滑块发生移动，凸台作用在变矩螺旋滑槽上，套筒发生相对轴式滑块的转动，进而带动桨叶转动，改变桨叶的桨矩角。
进一步的，桨叶的桨矩角改变量为0°-20°。
进一步的，桨矩角改变角θ满足：
Figure BDA0002759166820000021
其中，R为套筒半径，L为套筒轴向行程，f为凸台与滑槽的摩擦系数。
进一步的，回复弹簧刚度
Figure BDA0002759166820000022
其中，Fd为桨叶巡航高度处的离心力载荷，Fi为桨叶地面高度处的离心力载荷，L为套筒轴向行程。
进一步的，回复弹簧自由状态长度为Fi/E+L，其中Fi为桨叶地面高度处的离心力载荷，E为回复弹簧刚度，L为套筒轴向行程。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明综合了定矩桨连接简单、质量轻的优势，同时又具有一定角度范围的变矩功能，降低了电机要求，提高了中低空的电动机-螺旋桨推进系统效率；
(2)本发明利用了高低空转速的离心力差实现了桨叶桨矩角的自动连续变化，无需作动机构和能源供给，大大简化螺旋桨变桨矩机构组成，提高了可靠性，降低了系统重量；
(3)与现有技术中的提高电动机功率或配备变矩螺旋桨相比，本发明针对临近空间太阳能飞行器螺旋桨覆盖高低空的要求，为今后高空长航时太阳能飞机采用变桨矩螺旋桨提供了良好的技术基础。
附图说明
图1为本发明连续自动变矩螺旋桨构成示意图；
图2为本发明套筒、螺旋滑槽和凸台的位置关系图；
图3为本发明一种连续自动变矩螺旋桨确定方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种连续自动变矩螺旋桨，如图1、2所示，包括桨叶3、变矩螺旋滑槽25、套筒24、回复弹簧23、调节螺栓22、轴式滑块21和动力输出轴1，每片桨叶在离心力载荷下能够跟随变矩螺旋滑槽25变形，实现桨叶的变矩；
动力输出轴1与轴式滑块21固定连接，动力输出轴1转动时，带动轴式滑块21同步转动；
轴式滑块21包括小径段和大径段，在小径段上连接有调节螺栓22，对套筒24进行轴向限位，用于调节桨叶3的初始桨矩角；大径段上径向方向上设置有凸台26；
套筒24为中空结构，整体套在轴式滑块21上，靠近动力输出轴1的一端为厚壁端，回复弹簧23套在轴式滑块21上，其一端顶在套筒24的厚壁端上，另一端顶在轴式滑块21的大径段的轴肩上；
套筒24的另一端上固定连接有桨叶3；
在套筒24的中部位置设置有变矩螺旋滑槽25，凸台置于变矩螺旋滑槽25中。
桨叶3位于初始桨矩角时，调节螺栓22与套筒24接触限位。
凸台与变矩螺旋滑槽25间隙配合，配合间隙为0.2-0.5mm。
变矩螺旋滑槽25为螺旋曲线。
动力输出轴1上设置至少1个轴式滑块21。
动力输出轴1转动带动轴式滑块21同步转动，进而带动套筒24及桨叶3同步转动。
当动力输出轴1的转速发生变化，桨叶3的离心力发生变化，离心力促使套筒24沿着轴式滑块21发生移动，凸台作用在变矩螺旋滑槽25上，套筒24发生相对轴式滑块21的转动，进而带动桨叶3转动，改变桨叶3的桨矩角。
桨叶3的桨矩角改变量为0°-20°。
桨矩角改变角θ满足：
Figure BDA0002759166820000041
其中，R为套筒半径，L为套筒轴向行程，f为凸台与滑槽的摩擦系数。
回复弹簧刚度
Figure BDA0002759166820000042
其中，Fd为桨叶巡航高度处的离心力载荷，Fi为桨叶地面高度处的离心力载荷，L为套筒轴向行程。
回复弹簧自由状态长度为Fi/E+L，其中Fi为桨叶地面高度处的离心力载荷，E为回复弹簧刚度，L为套筒轴向行程。
如图3，本发明提出了一种连续自动变矩螺旋桨确定方法，所述自动变桨矩机构适用于两个桨叶的螺旋桨，每个叶片在拉伸载荷下能够旋转变形，确定方法的步骤如下：
(1)首先，根据巡航工况的要求，采用目前通用的涡流理论方法设计螺旋桨叶片的气动外形，涡流理论方法是根据片条理论修正而来的，设计螺旋桨叶片气动外形时，先根据叶片半径划分多个截面，一般10个截面就可达到足够精度，把选好的翼型放在截面处，根据巡航速度和螺旋桨转速的合成速度，通过迭代，确定各截面的弦长和扭角分布，确定了巡航状态下的螺旋桨叶片的气动外形，即确定了该螺旋桨叶片的外形弦长分布和扭角βd分布。巡航工况包括螺旋桨转速ωd和前进速度Vd；
(2)其次，研究地面高度处的螺旋桨运行工况，螺旋桨运行工况主要包括前进速度，螺旋桨转速，空气密度，螺旋桨拉力和扭矩。仍然用(1)中所述螺旋桨外形确定方法确定新的扭角分布βd-θ，其中θ在桨叶各截面都一致。其步骤如下：首先给定一个初始变矩角θ0和初始转速ω0，根据(1)中所述涡流理论，校核螺旋桨桨叶在扭角βd-θ状态下，螺旋桨扭矩是否满足拉力和扭矩要求，其中可按Pmotorns＝Ppropns确定，通过迭代计算确定θ和ωi。其中Pmotorns是电动机在巡航点的输出功率，Ppropns是在巡航点的螺旋桨输入功率；所述地面高度是指起飞时的地面高度；
(3)通过步骤(2)中确定变矩角度θ和初始转速ωi，桨叶径向伸长量取0.01Rb，Rb是螺旋桨半径。
(4)根据步骤(1)中确定的气动外形计算气动力载荷，根据载荷和一般螺旋桨结构设计方法，确定螺旋桨叶片初步结构，并用巡航点的螺旋桨转速产生的离心力校核初步结构，确保结构满足强度和刚度要求；
(5)根据步骤(4)确定的叶片结构，可获得叶片结构的质量分布，根据螺旋桨转速和质量分布计算螺旋桨叶片的离心力载荷。计算地面高度处的离心力载荷Fi＝mωi 2r和巡航高度处的离心力载荷Fd＝mωd 2r，其中，m为螺旋桨质量，r为螺旋桨桨叶质心半径；
(6)按照地面高度处的工况载荷，依照步骤(4)给出的叶片初步结构，需要对初始结构进行比较详细的确定，以及依照(5)给出的离心力载荷，确定螺旋变矩机构的基本参数，包括螺旋套筒的半径R，螺旋角度，滑块和套筒的材料，回复弹簧的刚度，具体为：
首先，根据关系式
Figure BDA0002759166820000051
确定桨叶伸长L＝0.01Rb时的变矩角度0，桨叶不伸长时，变矩角度-θ。两个角度线性过渡，θ方向为使桨叶桨矩角增加的方向。
其次，按关系式
Figure BDA0002759166820000061
选择弹簧刚度，按螺旋套筒半径R-h选择弹簧外径。其中h为螺旋套筒的避厚。
最后，根据Fi/E+L选弹簧长度，使叶片在载荷ΔF＝Fd-Fi的作用下，桨叶整体桨矩角发生θ角度转动，但转速小于ωi时，螺旋桨桨矩角保持-θ度，转速大于ωd时，桨矩角保持为0弧度，与巡航点气动外形一致。从而得到所述的连续自动变矩的螺旋桨。
本发明综合了定矩桨连接简单、质量轻的优势，同时又具有一定角度范围的变矩功能，降低了电机要求，提高了中低空的电动机-螺旋桨推进系统效率；
本发明利用了高低空转速的离心力差实现了桨叶桨矩角的自动连续变化，无需作动机构和能源供给，大大简化螺旋桨变桨矩机构组成，提高了可靠性，降低了系统重量；
与现有技术中的提高电动机功率或配备变矩螺旋桨相比，本发明针对临近空间太阳能飞行器螺旋桨覆盖高低空的要求，为今后高空长航时太阳能飞机采用变桨矩螺旋桨提供了良好的技术基础。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (11)

1.一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，包括桨叶(3)、变矩螺旋滑槽(25)、套筒(24)、回复弹簧(23)、调节螺栓(22)、轴式滑块(21)和动力输出轴(1)，每片桨叶在离心力载荷下能够跟随变矩螺旋滑槽(25)变形，实现桨叶的变矩；
动力输出轴(1)与轴式滑块(21)固定连接，动力输出轴(1)转动时，带动轴式滑块(21)同步转动；
轴式滑块(21)包括小径段和大径段，在小径段上连接有调节螺栓(22)，对套筒(24)进行轴向限位，用于调节桨叶(3)的初始桨矩角；大径段上径向方向上设置有凸台(26)；
套筒(24)为中空结构，整体套在轴式滑块(21)上，靠近动力输出轴(1)的一端为厚壁端，回复弹簧(23)套在轴式滑块(21)上，其一端顶在套筒(24)的厚壁端上，另一端顶在轴式滑块(21)的大径段的轴肩上；
套筒(24)的另一端上固定连接有桨叶(3)；
在套筒(24)的中部位置设置有变矩螺旋滑槽(25)，凸台置于变矩螺旋滑槽(25)中。
2.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，桨叶(3)位于初始桨矩角时，调节螺栓(22)与套筒(24)接触限位。
3.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，凸台与变矩螺旋滑槽(25)间隙配合，配合间隙为0.2-0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，变矩螺旋滑槽(25)为螺旋曲线。
5.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，动力输出轴(1)上设置至少1个轴式滑块(21)。
6.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，动力输出轴(1)转动带动轴式滑块(21)同步转动，进而带动套筒(24)及桨叶(3)同步转动。
7.根据权利要求6所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，当动力输出轴(1)的转速发生变化，桨叶(3)的离心力发生变化，离心力促使套筒(24)沿着轴式滑块(21)发生移动，凸台作用在变矩螺旋滑槽(25)上，套筒(24)发生相对轴式滑块(21)的转动，进而带动桨叶(3)转动，改变桨叶(3)的桨矩角。
8.根据权利要求7所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，桨叶(3)的桨矩角改变量为0°-20°。
9.根据权利要求8所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，桨矩角改变角θ满足：
Figure FDA0002759166810000021
其中，R为套筒半径，L为套筒轴向行程，f为凸台与滑槽的摩擦系数。
10.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，回复弹簧刚度
Figure FDA0002759166810000022
其中，Fd为桨叶巡航高度处的离心力载荷，Fi为桨叶地面高度处的离心力载荷，L为套筒轴向行程。
11.根据权利要求1所述的一种连续自动变矩螺旋桨，其特征在于，回复弹簧自由状态长度为Fi/E+L，其中Fi为桨叶地面高度处的离心力载荷，E为回复弹簧刚度，L为套筒轴向行程。
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