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CN112977815A - 旋翼飞行器、旋翼飞行器的桨叶及其翼型 - Google Patents

旋翼飞行器、旋翼飞行器的桨叶及其翼型 Download PDF

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CN112977815A
CN112977815A CN202110507545.1A CN202110507545A CN112977815A CN 112977815 A CN112977815 A CN 112977815A CN 202110507545 A CN202110507545 A CN 202110507545A CN 112977815 A CN112977815 A CN 112977815A
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blade
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maximum
camber
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姜欣宏
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郜奥林
杨芳
刘金来
马聪
赵龙智
刘璐
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

本公开涉及一种旋翼飞行器、旋翼飞行器的桨叶及其翼型，其中，翼型由前缘、尾缘以及位于前缘和尾缘之间的上弧线和下弧线构成，所述翼型的最大厚度
Figure 578525DEST_PATH_IMAGE001
与翼型的弦长
Figure 385944DEST_PATH_IMAGE002
之比为
Figure 353900DEST_PATH_IMAGE003
，最大厚度位于
Figure 184452DEST_PATH_IMAGE004
处；翼型的最大弯度
Figure 568160DEST_PATH_IMAGE005
与翼型的弦长
Figure 433348DEST_PATH_IMAGE006
之比为
Figure 368943DEST_PATH_IMAGE007
，最大弯度
Figure 93317DEST_PATH_IMAGE008
位于
Figure 343032DEST_PATH_IMAGE009
处；其中，
Figure 125044DEST_PATH_IMAGE010
是沿着弦线方向从前缘到尾缘的距离，
Figure 841327DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 380893DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 231037DEST_PATH_IMAGE013
的值分别具有±3%的最大误差。通过上述技术方案，能够为旋翼飞行器在低雷诺数下提供更高的升阻比，从而提高旋翼飞行器的气动效率。此外，由于旋翼飞行器气动效率提高，在同样的升力面分布的情况下，所需要的转速更低，使得减小旋翼飞行器飞行过程中产生的噪音成为可能。

Description

旋翼飞行器、旋翼飞行器的桨叶及其翼型
技术领域
本公开涉及飞行器技术领域，具体地，涉及一种旋翼飞行器、旋翼飞行器的桨叶及其翼型。
背景技术
提高气动效率是飞行器设计的一项重要工作。对于旋翼飞行器，需要实现在产生同样升力的情况下尽可能地降低所消耗的功率，或者在消耗同样功率的情况下产生尽可能大的升力的目的，这对于提高飞行器的航时、航程以及载重能力都具有重要的意义。
翼型是旋翼在展向上任意位置的垂直于前缘的二维剖面，是体现旋翼上下表面产生压力差的根源，它对旋翼升力或推力的大小、气动噪声大小乃至飞行器性能均具有重要影响。现有翼型主要针对大型有人飞行器进行设计，雷诺数普遍处于1000,000以上，而市面上的多旋翼无人机尺寸小，雷诺数低，普遍在1000,000以下，针对这一特点的飞行器，目前能够提供优秀气动效率的翼型较少，相关技术中的翼型在低雷诺数下，升力系数和升阻比普遍偏低，导致气动效率较低。
发明内容
本公开的第一个目的是提供一种用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，能够改善飞行器的气动效率。
为了实现上述目的，本公开提供一种用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，所述翼型由前缘、尾缘以及位于所述前缘和尾缘之间的上弧线和下弧线构成，所述翼型的最大厚度
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与翼型的弦长
Figure 43990DEST_PATH_IMAGE002
之比为
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，所述最大厚度位于
Figure 281067DEST_PATH_IMAGE004
处；所述翼型的最大弯度
Figure DEST_PATH_IMAGE005
与翼型的弦长
Figure 258250DEST_PATH_IMAGE006
之比为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，所述最大弯度
Figure 326701DEST_PATH_IMAGE008
位于
Figure DEST_PATH_IMAGE009
处；其中，
Figure 668820DEST_PATH_IMAGE010
是沿着弦线方向从所述前缘到所述尾缘的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 393194DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
的值分别具有±3%的最大误差。
可选地，所述上弧线由上弧线坐标数值对
Figure 846172DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c所限定，所述上弧线坐标数值对
Figure 565866DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c根据以下所限定：
Figure 406783DEST_PATH_IMAGE014
其中，y u 是所述上弧线垂直于所述弦线的距离，所述上弧线坐标数值对
Figure 149611DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c中的每个的最大误差等于±3%。
可选地，所述下弧线由下弧线坐标数值对
Figure 734176DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c所限定，所述下弧线坐标数值对
Figure 980481DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c根据以下所限定：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，y l 是所述下弧线垂直于所述弦线的距离，所述下弧线坐标数值对
Figure 398824DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c中的每个的最大误差等于±3%。
可选地，所述上弧线坐标数值对
Figure 222424DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c还根据以下所限定：
Figure 486046DEST_PATH_IMAGE016
可选地，所述下弧线坐标数值
Figure 914753DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c还根据以下所限定：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
可选地，所述上弧线坐标数值对
Figure 769577DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c还根据以下所限定：
Figure 346052DEST_PATH_IMAGE018
可选地，所述下弧线坐标数值对
Figure 475682DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c还根据以下所限定：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
本公开的第二个目的是提供一种旋翼飞行器的桨叶，所述桨叶具有上述任一项所述的翼型。
可选地，所述桨叶至少为两个，两个所述桨叶在桨根处连接为一体，并相对于连接处的中心点位置中心对称。
可选地，所述桨叶为低雷诺数桨叶。
本公开的第三个目的是提供一种旋翼飞行器，包括上述任一项所述的桨叶。
本公开通过对翼型合理地优化，具体来说，翼型厚度有所增大，且最大厚度的位置前移，同时增大了翼型前半部的弯度。翼型厚度的增大有利于翼型增大翼型的最大升力系数，翼型最大厚度前移则有利于翼型后半部尤其是最大迎角下的涡脱落及反流，以提高气动效率，而翼型前半部弯度的增大，在设计升力系数范围内，能够使得前缘与气流的冲角减小。通过上述技术方案，能够为旋翼飞行器在低雷诺数下提供更高的升阻比，从而提高旋翼飞行器的气动效率。此外，由于旋翼飞行器气动效率提高，在同样的升力面分布的情况下，所需要的转速更低，使得减小旋翼飞行器飞行过程中产生的噪音成为可能。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开示例性实施方式提供的针对翼型各参数的说明；
图2是本公开提供的翼型与现有翼型的对比示意图；
图3是本公开示例性实施方式提供的桨叶的示意图。
附图标记说明
1-桨叶，11-前缘，12-后缘，13-上弧线，14-下弧线，15-弦线，16-桨根。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。本实施例中出现的上、下等方位用语是以旋翼安装于飞行器以后旋翼以及旋翼飞行器的常规运行姿态为参考，而不应该认为具有限制性。
下面结合附图，对本公开的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型进行详细的说明。在在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1和图2所示，本公开提供了一种用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，该翼型由前缘11、尾缘12以及位于前缘11和尾缘12之间的上弧线13和下弧线14构成，翼型的最大厚度
Figure 227737DEST_PATH_IMAGE001
与翼型的弦长
Figure 50199DEST_PATH_IMAGE002
之比为
Figure 723757DEST_PATH_IMAGE020
，最大厚度位于
Figure 453816DEST_PATH_IMAGE004
处；翼型的最大弯度
Figure 529219DEST_PATH_IMAGE005
与翼型的弦长
Figure 319321DEST_PATH_IMAGE006
之比为
Figure 542492DEST_PATH_IMAGE007
，最大弯度
Figure DEST_PATH_IMAGE021
位于
Figure 748345DEST_PATH_IMAGE022
处；其中，
Figure 412676DEST_PATH_IMAGE010
是沿着弦线15方向从前缘11到尾缘12的距离，
Figure 108099DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 21829DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 93690DEST_PATH_IMAGE013
的值分别具有±3%的最大误差，即在±3%误差允许范围内由
Figure 612527DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 10010DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE023
构成的翼型的轮廓均落入到本公开所要求的保护的范围内。
需要说明的是，本公开所涉及到的参数均采用本领域通常的方式进行定义，以绘制图2中的翼型为例，将前缘11设定为原点建立坐标系，弦长
Figure 614298DEST_PATH_IMAGE002
即为前缘11到尾缘12的距离；最大厚度
Figure 755430DEST_PATH_IMAGE001
为垂直于弦线15的上弧线13和下弧线14之间的最大距离，将最大厚度
Figure 659932DEST_PATH_IMAGE001
除以弦长
Figure 900420DEST_PATH_IMAGE002
，即
Figure 647796DEST_PATH_IMAGE011
称为最大相对厚度；最大弯度为
Figure 202405DEST_PATH_IMAGE005
中弧线与弦线15之间的最大距离，将最大弯度
Figure 289310DEST_PATH_IMAGE005
除以弦长
Figure 497438DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 607476DEST_PATH_IMAGE012
称为最大相对弯度。
继续参考图2，通过对本公开提供的翼型（标示为E382，以实线表示）与现有技术提供的翼型（标示为E376，以虚线表示），本公开的翼型厚度有所增大，且最大厚度的位置迁移，同时增大了翼型前半部的弯度。翼型厚度的增大有利于翼型增大翼型的最大升力系数，翼型最大厚度前移则有利于翼型后半部尤其是最大迎角下的涡脱落及反流，以提高气动效率，而翼型前半部弯度的增大，在设计升力系数范围内，能够使得前缘与气流的冲角减小。
以下将通过本公开的旋翼（E382）以及现有技术中提供的翼型（E376）在低雷诺数流动下的气动力学比较实验，进一步说明本公开的翼型在提升旋翼飞行器在气动效率方面的有益效果。
如下表1所示，为分别选取雷诺数Re为4×104、1.8×105、4×105、6×105以及8×105时，对本公开的翼型（E382）与现有技术提供的翼型（E376）的升阻比进行对比。在所选取的雷诺数的范围内，本公开的翼型的最大升力系数均大于现有技术提供的翼型（E376）的最大升阻比，具体的，当Re=4×104时，本公开的翼型（E382）的最大升力系数较现有技术提供的翼型（E376）提升了14.91%；当Re=1.8×105时，本公开的翼型（E382）的最大升力系数较现有技术提供的翼型（E376）提升了10.28%；当Re=4×105时，本公开的翼型（E382）的最大升力系数较现有技术提供的翼型（E376）提升了18.37%；当Re=6×105时，本公开的翼型（E382）的最大升力系数较现有技术提供的翼型（E376）提升了10.99%；当Re=8×105时，本公开的翼型（E382）的最大升力系数较现有技术提供的翼型（E376）提升了16.31%。
表1两种翼型在不同雷诺数下的升阻比
Figure 824831DEST_PATH_IMAGE024
基于上述理论分析和试验验证，本公开的旋翼飞行器在低雷诺数流动下（40000-800000），具有更高的升阻比，表现出了优异的气动效率，在产生同样升力的情况下能够消耗更少的功率，或者在消耗同样的功率的情况下产生更大的升力。此外，旋翼在高速旋转时产生的气动噪音是旋翼飞行器的主要噪声来源。由于旋翼飞行器气动效率的提高，在同样的升力面分布的情况下，所需要的转速更低，因而能够有效的减少旋翼飞行器飞行过程中产生的噪音，提升用户体验。
根据本公开的一种实施方式，如下表2所示，上弧线13b可以由上弧线坐标数值对
Figure 766242DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c所限定，上弧线坐标数值对
Figure 286216DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c可以根据以下所限定：
表2：翼型中部上表面特征点坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE025
其中，y u 是上弧线13垂直于弦线15的距离，上弧线坐标数值对
Figure 742605DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c中的每个的最大误差等于±3%。
进一步地，下弧线14b由下弧线坐标数值对
Figure 639017DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c所限定，下弧线坐标数值对
Figure 497252DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c根据以下所限定：
表3：翼型中部下表面特征点坐标
Figure 516023DEST_PATH_IMAGE015
其中，y l 是所述下弧线14垂直于弦线15的距离，下弧线坐标数值对
Figure 335075DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c中的每个的最大误差等于±3%。
根据上述表格中的数据绘制出的翼型中部区域的形状可以参考图2（实线），翼型的最大厚度以及最大弯度的位置均处于该翼型中部区域，理论上最大厚度以及最大弯度的位置对于翼型的气动性能具有重要的影响，因此，翼型的中部区域是较为重要的优化区域。通过图2可以看出，相对于现有E376翼型（虚线），本公开的翼型的厚度更大，且最大厚度前移，从而有利于翼型后半部尤其是最大迎角下的涡脱落及反流，以提高气动效率，而翼型前半部弯度的增大，在设计升力系数范围内，能够使得前缘与气流的冲角减小。
上弧线13a坐标数值对
Figure 894232DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c还根据以下所限定：
表4：翼型前半部上表面特征点坐标
Figure 810235DEST_PATH_IMAGE016
进一步地，下弧线14a坐标数值对
Figure 937591DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c还根据以下所限定：
表5：翼型前半部分下表面特征点坐标
Figure 571835DEST_PATH_IMAGE017
根据上述表格中的数据绘制出的翼型前半部区域的形状参考图2，从图中可以看出，前缘11半径较小，从而有利于翼型减小翼型的迎风面积，进而降低压差阻力。
上弧线13c坐标数值对
Figure 934683DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c还根据以下所限定：
表6：翼型后半部上面特征点坐标
Figure 377297DEST_PATH_IMAGE018
进一步地，下弧线14c坐标数值对
Figure 737871DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c还根据以下所限定：
表7：翼型后半部分下表面特征点坐标
Figure 656149DEST_PATH_IMAGE019
根据上述表格中的数据绘制出的翼型后半部区域的形状参考图2，从图中可以看出，后缘12采用削尖设计，从而能够减弱后缘12处的涡流，降低涡流的干扰，有利于降低噪声。
本公开中的上弧线坐标数值对
Figure 432475DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c和下弧线坐标数值对
Figure 323070DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c中的每个的最大误差等于±3%，即在±3%误差允许范围内的上弧线坐标对
Figure 916863DEST_PATH_IMAGE013
，y u /c和下弧线坐标数值对
Figure 260119DEST_PATH_IMAGE013
，y l /c所围成的翼型的轮廓均落入到本公开所要求的保护的范围内，并且在误差范围内所得到的翼型仍然能够取得上述翼型所具有的有益效果。此外本公开限定翼型轮廓时所采用的坐标对为无量纲坐标值，这种方式对上述表2至表7中的数据进行等比例的放大或缩小时，均不会改变翼型的形状。
本公开的桨叶1在在其径向延伸部的不同位置具有上述任一项翼型，可以是整个桨叶1（即桨根至桨尖）均具有上述任一项的翼型，也可以是仅在其中的某一段具有上述任一项的翼型，本公开对此不做限定。可选地，桨叶1具有多个，多个桨叶1在桨根16处连接为一体，并相对于连接处的中心点位置中心对称。多个桨叶1可以一体成型，从而能够保证桨叶1的整体的结构强度，或者桨叶1也可以采用分体成型的设计，例如，将每一片桨叶1分别安装到桨毂上，使得桨叶1的安装和更换较为方便，此时桨叶1的旋转中心即为桨毂所在的轴线。图3示出为具有三个桨叶1的实施方式，三叶桨能够降低设计拉力对应的转速，从而有效降低噪声。此外，本公开的桨叶1适用于桨叶直径在0.3-3m之间的旋翼飞行器，并且在低雷诺数下相较于现有翼型能够提供更好的气动效率。
本公开的第二个目的是提供一种旋翼飞行器，包括上述任一项的桨叶1，并且具有该桨叶1的全部有益效果。可选地，旋翼飞行器可以为多旋翼飞行器。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (11)

1.一种用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述翼型由前缘（11）、尾缘（12）以及位于所述前缘（11）和尾缘（12）之间的上弧线（13）和下弧线（14）构成，所述翼型的最大厚度
Figure 832047DEST_PATH_IMAGE001
与翼型的弦长
Figure 275798DEST_PATH_IMAGE002
之比为
Figure 288753DEST_PATH_IMAGE003
，所述最大厚度位于
Figure 905679DEST_PATH_IMAGE004
处；所述翼型的最大弯度
Figure 664688DEST_PATH_IMAGE005
与翼型的弦长
Figure 138394DEST_PATH_IMAGE002
之比为
Figure 248433DEST_PATH_IMAGE006
，所述最大弯度
Figure 403471DEST_PATH_IMAGE007
位于
Figure 407199DEST_PATH_IMAGE008
处；其中，
Figure 661594DEST_PATH_IMAGE009
是沿着弦线（15）方向从所述前缘（11）到所述尾缘（12）的距离，
Figure 383562DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 14395DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 872629DEST_PATH_IMAGE012
的值分别具有±3%的最大误差。
2.根据权利要求1所述的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述上弧线（13b）由上弧线坐标数值对
Figure 563505DEST_PATH_IMAGE012
，y u /c所限定，所述上弧线坐标数值对
Figure 710452DEST_PATH_IMAGE012
，y u /c根据以下所限定：
Figure 4030DEST_PATH_IMAGE013
其中，y u 是所述上弧线（13）垂直于所述弦线（15）的距离，所述上弧线坐标数值对
Figure 592138DEST_PATH_IMAGE014
，y u /c中的每个的最大误差等于±3%。
3.根据权利要求2中任意一项所述的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述下弧线（14b）由下弧线坐标数值对
Figure 578548DEST_PATH_IMAGE012
，y l /c所限定，所述下弧线坐标数值对
Figure 150475DEST_PATH_IMAGE012
，y l /c根据以下所限定：
Figure 451006DEST_PATH_IMAGE015
其中，y l 是所述下弧线（14）垂直于所述弦线（15）的距离，所述下弧线坐标数值对
Figure 283833DEST_PATH_IMAGE012
，y l /c中的每个的最大误差等于±3%。
4.根据权利要求3所述的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述上弧线（13a）坐标数值对
Figure 644407DEST_PATH_IMAGE016
，y u /c还根据以下所限定：
Figure 703630DEST_PATH_IMAGE017
。
5.根据权利要求4所述的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述下弧线（14a）坐标数值
Figure 542273DEST_PATH_IMAGE012
，y l /c还根据以下所限定：
Figure 229607DEST_PATH_IMAGE018
。
6.根据权利要求5所述的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述上弧线(13c)坐标数值对
Figure 757405DEST_PATH_IMAGE012
，y u /c还根据以下所限定：
Figure 897399DEST_PATH_IMAGE019
。
7.根据权利要求6所述的用于旋翼飞行器的桨叶的翼型，其特征在于，所述下弧线（14c）坐标数值对
Figure 477416DEST_PATH_IMAGE016
，y l /c还根据以下所限定：
Figure 284835DEST_PATH_IMAGE020
。
8.一种旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（1）具有如权利要求1-7中任意一项所述的翼型。
9.根据权利要求8所述的旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（1）具有多个，多个所述桨叶（1）在桨根（16）处连接为一体，并相对于连接处的中心点位置中心对称。
10.根据权利要求8所述的旋翼飞行器的桨叶，其特征在于，所述桨叶（1）为低雷诺数桨叶。
11.一种旋翼飞行器，其特征在于，包括权利要求8-10中任一项所述的桨叶。
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